“三角度”解析工藝流程題型

黑龍江 馬德喜 李 穎

一、工藝流程題高考考情分析

近兩年全國卷、地方卷，及2021年各省新高考適應性考試中，工藝流程題型考查情況統計如表1：

表1

從命題情景素材方面，情境材料來源主要可以分為兩類：一是礦石開發利用類，如鈦鐵礦、鉻鐵礦、軟錳礦、菱鎂礦、鐵硼礦、鋁土礦、磷礦石、白云石、螢石等天然礦石；二是廢棄資源回收利用類，如廢鐵屑、廢鋁片、廢釩催化劑、廢玻璃、廢舊鋰離子電池、廢舊鋅錳電池、粉煤灰、銀銅合金廢料等。

涉及知識：環境保護，化學用語，物質間的轉化，基本實驗操作，電化學應用，速率平衡原理及計算等。

涉及主要元素和高頻化合物：情境素材中常考查變價元素、兩性元素和陌生元素的單質和化合物，如Fe、Cr、Mn、Cu、V、N、P、Cl、Al、Zn等元素，備考中重點積累相關知識。

試題中的高頻化合物，主要可以分為兩類：一是原料所含雜質類，如SiO2、Al2O3、FexOy、MgO、MnO2、CaO等。二是外加試劑類，如H2O2、KMnO4、K2Cr2O7、H2C2O4、NaBH4、ZnS、FeS、MnS、NH4HCO3、NaF等。備考中，相關知識也應給予重點關注。

二、解題框架分析新思路——“三角度”

從近幾年全國卷以及各地模擬試卷中可知，工藝流程題型已成為高考必考題型，說明該類題型符合《中國高考評價體系》的要求，重能力輕記憶，這種要求因無固定的解題思路使得得分率較低。下面筆者探討一種解題框架分析新思路——“三角度”法。

解題框架分析思路(三角度)：

1.宏觀角度(大方向)

①首尾呼應：通過原料與目標產物進行對比，確定有用元素，這種元素在流程中是可以增加的，同時也能確定外來元素及其化合價情況；

②中間受“棄”：確定有用元素的基礎上刪除其余元素。

2.微觀角度(“棄”場)

一般工藝流程題設計思路為原料(礦石或廢渣)→粉碎→高溫→溶解→除雜(“棄”無用元素)及制備→目標產物(溶液)→目標產物固體。解題時，通常會將難溶性物質轉換為自由移動離子，再除去無用離子。

“棄”無用元素或元素改價或制備：工藝流程除雜工序部分為去除多余元素和調整元素的化合價需要通過外加試劑進行除雜和改變化合價。

外加試劑(“七劑”)：溶解劑(酸溶或堿溶)，氧化劑，還原劑，抑制劑，沉淀劑、調pH劑和核心劑，外加試劑時要注意雜質引入的問題，再結合目標產物中元素價態和外加元素進行相應試劑的選擇。

3.設問角度(小方向)

①化學用語、物質間的轉化和電化學應用

主要考查陌生化學反應方程式書寫，尤其是氧化還原的離子方程式書寫。

②基本實驗操作

主要考查儀器名稱、分離提純的操作、滴定實驗等。

③速率及平衡原理

化學反應速率與化學平衡、水溶液中離子平衡(K、Ka、Kw、Kh、Ksp的應用)。

④環境保護

物質的循環使用，是否產生有害氣體。

⑤計算

計算轉化率、產率、純度及方程式有關計算。

三、“三角度”法應用示例

【例1】(2020·全國Ⅰ·26)釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5價的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖1

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

回答下列問題：

(1)“酸浸氧化”需要加熱，其原因是________________。

(3)“中和沉淀”中，釩水解并沉淀為V2O5·xH2O，隨濾液②可除去金屬離子K+、Mg2+、Na+、________，以及部分的________。

(4)“沉淀轉溶”中，V2O5·xH2O轉化為釩酸鹽溶解。濾渣③的主要成分是________。

(5)“調pH”中有沉淀生產，生成沉淀反應的化學方程式是________________。

(6)“沉釩”中析出NH4VO3晶體時，需要加入過量NH4Cl，其原因是________________。

【答案】(1)加快酸浸和氧化反應速率(促進氧化完全)

(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

(6)利用同離子效應，促進NH4VO3盡可能析出完全

【分析】解題框架分析思路(三角度)：

宏觀角度

圖2

確定有用元素為：釩；

無用元素：鉀、鎂、鋁、硅和鐵；

外加元素：氮；

價態變化元素：釩

微觀角度

設計思路：

原料(礦石)→溶解→除雜(“棄”硅鉀鎂鋁鐵氯鈉元素)→目標產物固體

圖3

沉淀轉溶：濾餅②中加入NaOH溶液調至pH>13時，V2O5·xH2O轉化為釩酸鹽，Al(OH)3轉化為NaAlO2而溶解，則濾渣③的主要成分為Fe(OH)3。

調pH：濾液③中含釩酸鹽、偏鋁酸鈉，加入HCl調至pH=8.5，NaAlO2轉化為Al(OH)3沉淀從而除去。

設問角度

1.化學用語、物質間的轉化和電化學應用

第(2)(3)(4)(5)問。

2.速率及平衡原理

第(1)(6)問。

【解析】(1)速率：“酸浸氧化”需要加熱的原因是溫度升高，酸浸和氧化反應加快，并且使浸出和氧化更完全，故答案為加快酸浸和氧化反應速率(促進氧化完全)。

(3)物質間的轉化：根據設問提示及金屬離子沉淀pH表分析，“中和沉淀”中，釩水解生成沉淀V2O5·xH2O，隨濾液②可除去的金屬離子有K+、Mg2+、Na+、Mn2+，以及部分的Fe3+、Al3+，故答案為Mn2+，Fe3+、Al3+。

(4)物質間的轉化：根據設問提示及金屬離子沉淀pH表分析，濾渣③的主要成分是Fe(OH)3，故答案為Fe(OH)3。

四、工藝流程設計模塊總結

工藝流程題型宜采取“三角度”法去分析問題，實際解決問題時要注重答題的技巧和細節，大多數問題的解決都有一定的模塊化。現將部分答題技巧和模塊總結如下：

一般工藝流程題設計思路：

原料(礦石或廢渣)→粉碎→高溫→溶解→除雜(“棄”無用元素)及制備→目標產物(溶液)→目標產物固體

1.粉碎或研磨：增大固液(或固氣或固固)接觸面積，加快反應(溶解)速率，增大原料的轉化率(或浸取率)。

2.高溫(灼燒、焙燒、煅燒)：一般是將元素轉化為氧化物。

(1)灼燒：不易轉化的物質轉為容易提取的物質；其他物質轉化為氧化物；除去有機物；除去不穩定的雜質。

(2)煅燒：改變結構，使一些物質在后續過程中易溶解，并使一些雜質(如有機物)在高溫下氧化、分解。

(3)控制溫度范圍：確保催化劑的催化效果，兼顧速率和轉化率，追求更好地經濟效益，防止副反應發生；防止某種物質溫度過高時會分解或揮發；為了使某物質達到沸點揮發出來；降溫或減壓可以減少能源成本，降低對設備的要求，達到綠色化學的要求。

(4)加熱的目的：加快反應速率或溶解速率；減少氣體生成物的溶解并使其逸出；使平衡向需要的方向移動；趁熱過濾，防止某物質降溫時因析出而損耗或帶入新的雜質；除雜，除去熱不穩定的雜質，如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、I2、NH4Cl等物質；使沸點相對較低的原料氣化。

3.溶解：將氧化物轉化為鹽(一般溶于水)，酸溶或堿溶時抑制離子水解。

(1)水浸：與水接觸溶解或反應，通過增加水浸時間、攪拌或適當升高溫度提高浸出率。

(2)酸浸：溶解、去氧化物(膜)、調節pH促進水解。

(3)堿溶：去油污，去鋁片氧化膜，溶解鋁、二氧化硅，調節pH促進水解。

4.外加試劑(“七劑”)：溶解劑(酸溶或堿溶)，氧化劑，還原劑，抑制劑，沉淀劑、調pH劑和核心劑，外加試劑時要注意雜質引入的問題，判斷目標產物中元素價態和外加元素進行相應試劑的選擇。

(1)溶解劑：利用特殊溶劑把雜質溶解而除去，如Fe(Al)可用過量的NaOH溶液而除去Al，CO2(HCl、H2O)先通過飽和食鹽水，再通過濃H2SO4。

常見的氧化劑：Cl2、Br2、HNO3、濃H2SO4、O2、H2O2、KMnO4/H+、ClO-、Fe3+。

表3

還原劑一般對應氧化產物Fe2+Fe3+SO2 (SO2-3)SO3(SO2-4)H2O2O2S2-、H2SSNH3N2或NOH2C2O4CO2I-、HII2

(3)沉淀劑：①加合適的沉淀劑(要使雜質離子充分沉淀，加入的沉淀劑必須過量，且在后續步驟中易除去)。②調節溶液的酸堿性。

(4)調pH劑：

①控制溶液的酸堿性使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀，調pH劑的選擇一般應滿足兩點：能與H+反應，使溶液pH增大；不引入新雜質。

②抑制某微粒水解。

5.目標產物(溶液)→目標產物固體：

思路簡圖

圖4

五、工藝流程題答題技巧及規范總結

化工生產流程和綜合實驗題中經常會出現一些表述性詞語，這些表述性詞語即為隱性信息，它可以暗示試題的考查角度及方向。通常用到的表述性詞語：

(1)“控制較低溫度”——從物質的揮發性和不穩定性等考慮。

(2)“加過量試劑”——從反應完全或增大轉化率、產率等考慮。

(3)“能否加其他物質”——從引入雜質或影響產物的純度考慮。

(4)“分離”“提純”——從過濾、蒸發、萃取、分液和蒸餾等常規操作考慮。

(5)“溶液呈酸性或堿性”——從電離或水解產生的H+或OH-考慮，使溶液呈酸性或堿性。

(6)“利用率”——從經濟性或環保性考慮。

(7)“在空氣中或在其他氣體中”——從O2、H2O、CO2或其他氣體是否參與反應或達到防氧化、防水解、防潮解等目的進行考慮。

(8)“判斷沉淀是否洗凈”——取少量最后一次洗滌液于試管中，向其中滴加某試劑，以檢驗其中的某種離子。

(9)“檢驗某物質的設計方案”——取少量液體于試管中，加入另一試劑產生某現象，從而得出結論。

(10)“控制pH”——從防水解、促進生成沉淀或除去雜質等方向考慮。

(11)“用某些有機試劑清洗”——從降低物質溶解度有利于析出、減少損耗和提高利用率等方向考慮。

(12)“控制溫度”——可考慮加熱加快反應速率或溫度過高使物質會分解或揮發。