物質循環利用在高考題中的應用

山東

一、研究背景

我國在經濟發展的同時，環境問題也日益顯著，綠色化學成為了解決當前環境能源問題的重要手段之一，落實綠色化學理念也成為化學工作者的目標。實現綠色化學的途徑之一就是通過物質的循環利用，節約原料、降低生產成本，近幾年高考便通過這類試題體現可持續發展的理念。物質的循環利用主要出現在工藝流程題中，原因在于工業生產需實現反應物用量最小化、利用率和產率最大化，最終實現效益最大化的目標，因此能夠深化學生“綠色化學”的理念，發展“科學態度與社會責任”的學科核心素養。該題型在近三年部分高考題中的考查見下表。

試卷考查形式考查內容2020年全國卷Ⅰ選擇題102020年全國卷Ⅱ選擇題11借助反應歷程圖中物質的循環考查催化劑利用2020年全國卷Ⅲ非選擇題27(6)借助工藝流程題考查母液循環利用的意義山東省2020年普通高中學業水平等級考試化學試題,以下簡稱山東卷選擇題9C借助工藝流程題考查循環物質的判斷非選擇題16(3)借助工藝流程題考查實現循環的操作工序2019年全國卷Ⅰ非選擇題26(4)2018年全國卷Ⅱ非選擇題26(4)借助工藝流程題考查實現循環的操作工序

通過對比近三年的高考題發現都涉及了物質循環，多數題卷傳統地以工藝流程題為載體進行考查，參與循環的物質多是銨鹽。《普通高中化學課程標準(2017版2020年修訂)》以下簡稱《課程標準》提出“知道催化劑可以改變反應歷程對調控化學反應速率具有重要意義”。2020年全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ以《課程標準》為準，以陌生的反應歷程圖為載體，考查學生循環思想和解圖分析的能力，難度有所增加，也為后期的復習備考指明了方向。

二、考查方式

考查角度一、借助物質的循環考查催化劑利用

催化劑在反應中通過改變反應過程從而改變反應速率，能通過循環利用達到節約生產成本的目的。

【例1】(2020·全國卷Ⅰ·10)銠的配合物離子[Rh(CO)2I2]-可催化甲醇羰基化，反應過程如圖1所示。

圖1

下列敘述錯誤的是

( )

A.CH3COI是反應中間體

C.反應過程中Rh的成鍵數目保持不變

【答案】C

【點睛】對于反應歷程圖的分析，最基本的是判斷反應物、產物以及催化劑；催化劑一般地在機理圖中多是以完整的循環出現的；反應物則是通過一個箭頭進入整個歷程的物質；產物一般多是通過一個箭頭最終脫離整個歷程的物質。

考查角度二、借助物質的循環考查電化學知識

在利用電化學方法制取某些物質或除掉某些污染物時，電解質中某些物質可以循環利用，起到了類似催化劑的作用，這樣可以降低生產成本，節約原料。解答這類問題時需要根據電極反應和總反應，分析哪些物質可以循環利用。

圖2

(1)該電解池的陽極為________，電極反應式為

____________________。

(2)該電解池的陰極為________，電極反應式為

____________________。

(3)總反應為________。電解制備需要在無水條件下進行，原因為。

電解池中可以循環利用的物質是________。

【解析】結合圖示可知電解法制備二茂鐵，要得到Fe2+，所以要用Fe作陽極。Na+在陰極被還原為Na，再將環戊二烯還原為氫氣和環戊二烯負離子，進而得到二茂鐵。若電解在水溶液中進行，則被還原的不是Na+而是H2O，電離出的OH-與Fe2+反應生成Fe(OH)2。反應中Na+不斷被還原為Na單質，Na單質繼續還原環戊二烯，所以NaBr在電解池中循環利用。

【例3】(2019·全國卷Ⅲ·28節選)在傳統的電解氯化氫回收氯氣技術的基礎上，科學家最近采用碳基電極材料設計了一種新的工藝方案，主要包括電化學過程和化學過程，如圖3所示。負極區發生的反應有________(寫反應方程式)。電路中轉移1 mol電子，需消耗氧氣________L(標準狀況)。

圖3

【點睛】解題步驟一般是先看反應原理、裝置圖以及題干信息，再寫出電極反應式和電極產物，最后利用電極產物與溶液中的微粒發生反應，通過第二步反應達到制備所需物質或減少污染的目的。

考查角度三、借助物質的循環考查能量的綜合利用

如果能夠較大程度的利用太陽能，便會減少化石燃料的使用，那么，如何借助物質的循環將太陽能轉化為化學能，再利用化學能提高太陽能的利用效率，是科學研究的方向，同時也是考題方向。

【例4】(2018·北京卷·27節選)近年來，研究人員提出利用含硫物質熱化學循環實現太陽能的轉化與存儲。過程如圖4：

圖4

反應Ⅱ的熱化學方程式：。

【點睛】此類問題常以含有某種化學元素的物質為載體，經過熱化學循環實現太陽能的轉化和儲存，含該元素的化合物不斷進行循環轉化。主要考查蓋斯定律的應用，解題關鍵是能分析出物質間的轉化關系，考查學生靈活運用所學知識解決實際問題的能力。

考查角度四、借助物質的循環考查物質的制備

工業制取某些物質時，可能由于熔點、壓強、能量消耗等原因導致某些反應難以實現工業化生產，但如果將反應設計成多步完成或加入某些物質則可克服這些困難，這樣既可以降低能耗，也可以降低對設備的要求，如電解氧化鋁制取鋁單質時加入冰晶石可以降低氧化鋁的熔點，且冰晶石可以循環利用。

【例5】如圖是以太陽能為熱源，熱化學硫碘循環分解水是一種高效、無污染的制氫方法.其反應過程如圖5所示：

圖5

(1)反應Ⅰ中，發生反應的化學方程式為

；

(2)反應Ⅲ中，反應前后化合價發生改變的元素是________；

(3)在整個反應過程中，SO2、H2SO4、I2、HI都在循環使用，其中制得H2中氫元素最初來源于________(填化學式)，氫能相較于傳統的化石能源，其最大優勢是。

(4)反應Ⅰ得到的產物用I2進行分離。該產物的溶液在過量I2的存在下會分成兩層——低濃度I2的H2SO4層和高濃度的I2的HI層。

①根據上述事實，下列說法正確的是________(選填序號)。

a.兩層溶液的密度存在差異

b.加I2前，H2SO4溶液和HI溶液不互溶

c.I2在HI溶液中比在H2SO4溶液中易溶

②辨別兩層溶液的方法是。

(2)H、I

(3)H2O 對環境沒有污染

(4)①ac ②觀察顏色，顏色深的是HI層，顏色淺的是硫酸層 ③硫酸層中含有少量HI

【點睛】這類問題以元素化合物的轉化為載體，考查物質間的轉化。解決這類問題的關鍵要學會分析圖像，獲取相關的信息，找準哪種物質是循環利用的物質，通過題干的圖示中各物質的轉化關系，找出物質間的相互轉換。

三、解題策略