工業流程題重要物質確定思維模型的構建與應用

廣東 劉漢國

工業流程題是高考常規題型，是元素化合物知識與生產工藝、化學原理、化學實驗等結合起來的綜合性試題，分值15分左右。工業流程題引導中學化學教學過程中關注化學學科的應用性和實踐性，培養學生“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養。該題型旨在考查學生在工藝流程中閱讀分析能力、化學反應原理在工藝流程中的應用能力、氧化還原反應分析能力、元素化合物性質及其轉化關系的理解和應用能力等。工業流程題以流程圖的形式呈現，以情景方程式書寫、實驗操作、化學計算和重要物質的推斷等為考查方式。工業流程題綜合性強、難度大，近幾年的得分率僅為30%左右。本文通過構建“雜質成分確定的思維模型、濾液成分確定的思維模型和循環物質確定的思維模型”，突破工業流程題中重要物質確定的難題，供各位同仁在教學時參考借鑒。

一、思維模型的構建與應用

1.雜質成分確定的思維模型

除雜是工業流程中原料處理的重要環節。確定雜質成分，首先分析題干信息，明確原料成分和產品成分，然后利用原子守恒等知識確定除雜元素，根據物質性質和化學反應推斷出除雜元素對應的生成物，從而可確定雜質成分。雜質成分確定的思維模型如圖1所示：

圖1 雜質成分確定的思維模型

例1(2018·全國卷Ⅱ·26·節選)我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家，一種以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質)為原料制備金屬鋅的流程如圖2所示：

圖2

相關金屬離子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如表所示：

金屬離子Fe3+Fe2+Zn2+Cd2+開始沉淀的pH1.56.36.27.4沉淀完全的pH2.88.38.29.4

回答下列問題：

濾渣1的主要成分除SiO2外還有；氧化除雜工序中ZnO的作用是，若不通入氧氣，其后果是。

【解析】根據題干信息可知，原料成分為ZnS(含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質)和產品成分為Zn，根據原子守恒推斷出雜質元素為Si、Fe、Cd、Pb和S，其中S元素在焙燒時已經以SO2氣體的形式除去。根據物質的性質可知，二氧化硅與稀硫酸不反應，Pb元素對應的產物硫酸鉛不溶于水，故濾渣除SiO2外還有PbSO4。由于沉淀亞鐵離子的pH較大，需要將其氧化為鐵離子，通過控制pH得到氫氧化鐵沉淀；濾液中加入鋅粉置換出Cd，最后將濾液電解得到金屬鋅。

【答案】PbSO4調節溶液的pH 無法除去雜質Fe2+

變式訓練1信息時代產生的大量電子垃圾對環境構成了極大的威脅。某“變廢為寶”學生探究小組將一批廢棄的線路板簡單處理后，得到含70%Cu、25%Al、4%Fe及少量Au、Pt等金屬的混合物，并設計出如圖3所示制備硫酸銅和硫酸鋁晶體的路線：

圖3

請回答下列問題：

第①步Cu與酸反應的離子方程式為；得到濾渣1的主要成分為。

【解析】根據題干信息可知，原料成分為Cu、Al、Fe、Au、Pt和產品成分中含有的元素為Cu、Al，根據原子守恒推斷出除雜元素為Fe、Au、Pt。根據物質的性質可知，Fe與稀硫酸、濃硝酸發生了反應，而Pt和Au不發生反應，故濾渣為Pt和Au。

2.濾液成分確定的思維模型

確定濾液成分，首先分析題干信息，明確原料成分，看清流程圖中的箭頭指向，根據物質性質寫出相關的化學反應，最后根據題干信息確定濾液成分。濾液成分確定的思維模型如圖4所示：

圖4 濾液成分確定的思維模型

例2(2018·全國卷Ⅲ·21·節選)KIO3是一種重要的無機化合物，可作為食鹽中的補碘劑。回答下列問題：

利用“KClO3氧化法”制備KIO3工藝流程如圖5所示：

圖5

“酸化反應”所得產物有KH(IO3)2、Cl2和KCl。“逐Cl2”采用的方法是。“濾液”中的溶質主要是。“調pH”中發生的化學反應方程式為。

變式訓練2(2018·江蘇卷·16·節選)以高硫鋁土礦(主要成分為Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金屬硫酸鹽)為原料，生產氧化鋁并獲得Fe3O4的部分工藝流程如圖6 所示：

圖6

(3)向“過濾”得到的濾液中通入過量CO2，鋁元素存在的形式由(填化學式)轉化為(填化學式)。

【解析】根據題干信息可知，原料成分為Al2O3、Fe2O3、SiO2、FeS2和金屬硫酸鹽,根據物質性質“堿浸”時，Al2O3、SiO2轉化為可溶于水的NaAlO2、Na2SiO3，向“過濾”得到的濾液中通入過量CO2，CO2與NaAlO2反應生成NaHCO3和Al(OH)3。

【答案】NaAlO2Al(OH)3

3.循環物質確定的思維模型

確定溶液成分，首先分析題干信息，根據箭頭指向明確加入的物質，根據物質性質和化學反應確定生成的物質，然后對加入的物質和生成的物質進行對照，重復的物質即為循環物質。循環物質確定的思維模型如圖7所示：

圖7 循環物質確定的思維模型

例3某地煤矸石經預處理后主要含SiO2(61%)、Al2O3(30%)和少量的Fe2O3、FeO及鈣鎂化合物等。某實驗小組利用其提取Al(OH)3，其流程圖如圖8所示：

圖8

上述流程中可循環利用的物質的化學式是。

【解析】根據箭頭指向可知加入的物質為鹽酸、氯氣、碳酸鈉、氫氧化鈉和二氧化碳，根據化學反應確定生成的物質為二氧化碳、氫氧化鐵、氫氧化鋁等，然后對加入的物質與生成的物質取交集，得到循環的物質為二氧化碳。

【答案】CO2

變式訓練3利用石灰乳和硝酸工業的尾氣(含NO、NO2)反應，既能凈化尾氣，又能獲得應用廣泛的Ca(NO2)2，其部分工藝流程如圖9所示：

圖9

上述工藝中采用氣—液逆流接觸吸收(尾氣從吸收塔底部進入，石灰乳從吸收塔頂部噴淋)，其目的是。濾渣可循環利用，濾渣的主要成分是(填化學式)。

【解析】根據題干信息知尾氣中含NO、NO2，所以工藝中采用氣—液逆流接觸吸收(尾氣從吸收塔底部進入，石灰乳從吸收塔頂部噴淋)的目的是使尾氣中NO、NO2被充分吸收。根據箭頭指向可知加入的物質為石灰乳，因為加入的物質只有一種，所以循環使用的物質只可能為Ca(OH)2。

【答案】使尾氣中NO、NO2被充分吸收 Ca(OH)2

二、工業流程題的備課建議

1.重視基礎，滲透觀念

工業流程題是綜合性試題，元素化合物、生產工藝、化學原理、化學實驗等知識是解決該題目的必備知識。在近幾年高考中，問題情境常常源于教材(例如2016·全國卷Ⅰ、2016·北京卷、2017·全國卷Ⅱ、2017·全國卷Ⅲ等)，工業流程題中的雜質成分也是教材中的典型物質，所以在高三復習時應“先學基礎知識和基本技能，再逐步組合，最后才能綜合應用”。另外，在復習過程中應不斷滲透反應觀、守恒觀、物質觀等化學基本觀念。

2.重視應用，聯系生活

工業流程題關注化學在能源、材料、技術等方面的應用。在元素化合物知識復習時，不應停留在“紙上談兵”，應依托真實情景把教學內容與基本實驗、化學反應原理、氧化還原反應、化工生產工藝、日常生活等結合起來，做到學以致用，而不是簡單的來回重復和死記硬背。

3.重視方法，聚焦思維