基于“分析與推測能力”的工藝流程題復習與解題策略

河北 張建民 李子春

《中國高考評價體系說明》中要求“基于學科素養導向確定應考查學科的關鍵能力與必備知識”“關鍵能力是高考考查中的重點內容”。確立“能力立意”的命題形式之一就是創設情境設置工藝流程題目，命題特點是創設生產生活或學術探索情境，重點考查學生分析與推測能力。

一、工藝流程命題考查的內容

工藝流程題目是元素化合物知識的深入考查和綜合測評，試題的命題意圖是拓展元素化合物知識寬度和實驗思維的角度與深度，考查學生化學學科素養，提升關鍵能力，命題設計凸顯綜合性與應用性，2019—2021年全國卷及2021年新高考部分省份選擇性考試中考查內容分析如表1所示。

表1

二、工藝流程命題的考查視角與策略

由表1的分析可以總結出工藝流程有四個高頻考點：礦料預處理措施、核心反應原理書寫、反應條件控制或最佳反應條件選擇和物質分離方法。

1.礦料預處理措施

礦料預處理的目的是把固體礦料處理為溶液或熔融狀態，便于除去雜質，為分離得到所需產品提供便利條件。

【例1】(2021·全國乙卷·26節選)磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節約和充分利用資源，通過如下工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖1

該工藝條件下，有關金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH見表2。

表2

回答下列問題：

(1)“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不發生反應，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉化為相應的硫酸鹽。寫出Al2O3轉化為NH4Al(SO4)2的化學方程式_______________。

【解題策略】礦料的預處理是解決工藝流程問題的第一個環節，綜合考查學生分析與推測能力，讓學生在解決實際工業問題過程中形成思維模型。預處理工序的落腳點是通過物理方法或化學方法除去部分雜質，同時發生物質轉化，便于后續分離提純或制備物質。所以首先要分析這個環節有無物質轉化、怎樣轉化及轉化的目的，在處理過程中發生的化學反應是什么。常見的預處理方式有水浸、酸浸、堿浸、鹽浸、醇浸，這樣的處理主要是把礦料處理為溶液，進行渣液分離為后續工序做準備；礦料的預處理還可以采取高溫煅燒、焙燒等措施，高溫煅燒的目的主要是使一些物質轉化，如例題中“焙燒”的目的是使Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉化為相應的硫酸鹽，高溫煅燒還可以使一些雜質在高溫下氧化、分解而逸出反應體系。

常見預處理的目的如表3所示。

表3

2.核心反應原理書寫

核心反應原理的書寫是學生解決工藝流程問題的最大障礙，學生要通過試題情境提煉關鍵信息，確定反應物和生成物，結合環境條件配平反應方程式。核心反應的書寫是考查學生對流程中各環節物質變化的分析推測，利用化學用語對反應過程的符號表達。整個過程可以構建如下思維模型：

圖2

【例2】(2020·全國卷Ⅰ·26題節選)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3

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：

金屬離子Fe3+Fe2+Al3+Mn2+開始沉淀pH1.97.03.08.1完全沉淀pH3.29.04.710.1

回答下列問題：

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

【解題策略】核心反應的書寫能力考查比較綜合，學生要通過前后關聯推測物質，分析反應過程，結合流程環境，能熟練地用化學用語表達反應過程，構建如圖4的方法模型：

圖4

3.物質分離操作

工藝流程題中也會基于實驗思維考查物質分離方法，分離操作的目的是為了獲得產品除去雜質。

【例3】(2021·河北省選擇性考試·15節選)綠色化學在推動社會可持續發展中發揮著重要作用。某科研團隊設計了一種熔鹽液相氧化法制備高價鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產生廢棄物，實現了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內循環。工藝流程如圖5：

圖5

回答下列問題：

(2)工序①的名稱為________。

(3)濾渣Ⅰ的主要成分是________(填化學式)。

【答案】(2)溶解浸出

(3)MgO和Fe2O3

【解析】本題解題的要點是抓住關鍵工藝“不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產生廢棄物，實現制備高價鉻鹽，同時實現Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內循環”，從流程中Na2CrO4溶液的出現和依據工序④處理的NaAlO2溶液得Al(OH)3的提示，Cr元素發生變價制備鉻鹽，Al元素在連續高溫氧化步驟中變為NaAlO2，溶于水后成為溶液，通入過量氣體A成為Al(OH)3，所以氣體A是CO2氣體，CO2氣體是空氣的一種成分沒有利用其他資源，流程中NaOH溶液循環(Na+內循環)已經給出，所以連續高溫氧化的是Cr元素和Fe元素，即通過水溶操作得到Na2CrO4溶液和NaAlO2溶液，過濾得濾渣Mg(OH)2和Fe2O3，此題進行物質分離的操作多次用到“過濾”。

【解題策略】物質分離操作要注意把握操作要點，掌握常見的物質提純與分離方法：過濾、分液、蒸餾和蒸發結晶等。操作要點包括試劑選取、實驗裝置選擇和操作方法，常考的物質分離與提純基本方法如表4所示。

表4

4.條件控制的選擇

條件控制主要是控制溫度和溶液pH值，都是為獲得產品服務，控制恰當條件更容易除去雜質或生成產品。

【例4】(2020·全國卷Ⅰ·26題節選)(題干略)

(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________。

【答案】(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

【解析】此題最大的亮點是分析三次調控pH：3.013、pH=8.5。“酸浸氧化”后雜質金屬離子有K+、Mg2+、Fe3+、Al3+、Mn2+，“中和沉淀”加入NaOH，pH在3.0～3.1之間，由第三問的設問和溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH數據可知K+、Mg2+、Na+在濾液中，另外的Mn2+還未開始沉淀，也存在于濾液中；而Fe3+、Al3+部分沉淀，還未沉淀完全；所以“沉淀轉溶”時，pH大于13，Fe3+沉淀完全，濾渣③的主要成分是Fe(OH)3，濾液中還有的雜質為NaAlO2。

【解題策略】條件控制分為控制溫度和溶液pH。分析調節pH的主要目的，即調節pH是為了除去雜質還是生成產品，如例題中的三次調節pH均是為了除去雜質；溫度控制的出發點主要分析兩個層面：物質本身性質和反應原理。如控制溫度變化考慮物質的分解性、溶解度，升溫考慮加快速率化學反應。構建方法模型：

表5

三、結語

總之，解答工藝流程試題要建立元素守恒觀念，瞻前(礦料)顧后(產品)，確定保留元素和去除的雜質元素，構建整體思維框架，要多視角分析核心反應和物質分離措施，做到規范書寫反應方程式，準確、簡潔答題。