產業興國 科技興邦
——基于化工生產真實情境下的礦物資源綜合利用類工藝流程解題策略

廣西 金敖然

一、問題的提出

“雙新”背景下，高考更加注重對學生學科素養的綜合考查。一線教師要努力提升學生的學科素養，使其成為學生進入未來社會依據的重要能力，成為學生受益終生的寶貴財富。正因為如此，高考試題選材非常重視與生活日常、工農業生產的聯系。工藝流程是非常契合“雙新”核心理念的題型，在高考中考頻較高。高考試題所涉及的工藝流程源于化工生產的真實情境，內容十分豐富。這就要求教師在教學中樹立以培養核心素養為主要任務的教學理念。教師在教授學生如何解答工藝流程題時，可以借助已建立的思維模型，從而滲透“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養的培養。工藝流程在設計時還要注重綠色化學理念，因此可以滲透“科學態度與社會責任”的化學學科核心素養。礦物在流程圖中有轉化，有循環，體現了“變化觀念與平衡思想”。結合真實的礦物資源綜合利用生產情境，使學生了解化工生產的真實過程，感受化學、化工生產對社會發展、人類進步的巨大貢獻，對于我國產業興國、科技興邦思想也會深有體會。

二、工藝流程命題特點

工藝流程題以真實的化工生產情境為背景，以流程框架的形式呈現。分為三個部分，原料的預處理、核心反應、分離提純為主線。過程中涉及反應條件的控制、三廢處理、回收副產品、物質的循環利用等。既可以考查學生對化學基礎知識的掌握和運用情況，也考查學生文字閱讀、圖像、文字信息的提取、加工和處理能力、分析推理、知識遷移的能力、計算和數據處理能力以及語言文字表述能力等綜合素養。筆者總結了近三年全國卷工藝流程的考查內容：2019年全國卷Ⅰ中硼鎂礦生產硼酸及輕質氧化鎂，2019年全國卷Ⅱ中重晶石和焦炭制立德粉ZnS·BaSO4，2019年全國卷Ⅲ中硫化錳礦與天然二氧化錳生產高純硫酸錳工藝，2020年全國卷Ⅰ中黏土釩礦制備NH4VO3，2020年全國卷Ⅲ鎳催化劑回收鎳制備硫酸鎳晶體，2021年全國甲卷凈化后海水制碘工藝，2021年全國乙卷高鈦爐渣回收鈦、鋁、鎂工藝，均為廣泛應用的成熟工藝。通常涉及元素化合物、實驗基礎、氧化還原、離子反應、化學反應速率、化學平衡、溶液中的離子平衡、電化學知識、沉淀平衡、化學計算等知識。工藝流程題按照類型劃分為礦物資源綜合利用和廢棄物無害化處理及回收再利用兩種類型，這里筆者重點講礦物資源綜合利用類化學工藝流程。

三、礦物資源綜合利用類工藝流程解題策略

1.教師可帶領學生熟悉一些常見的化工生產所涉及的礦物元素的性質，了解當前社會重點發展的化學工藝，培養學生的學科核心素養，從而減少學生對試題的陌生感和恐懼心理，以便縮短答題時間，提升答題準確率，減少學生“無從下手”現象的發生。

(1)有關釩、鈷、鎳元素的拓展

③鎳是近似銀白色、硬而有延展性并具有鐵磁性的金屬元素，比鐵穩定，室溫時在空氣中難氧化，不易與濃硝酸反應，在稀酸中可緩慢溶解，釋放出氫氣而產生綠色的Ni2+。可以形成Ni(OH)2、NiOOH兩種沉淀。

(2)有關鉻、錳、釩、鈦元素的拓展

(3)有關銅、銀元素的拓展

【例1】(2020·全國卷Ⅰ·26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。采用圖1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1所示：

表1

回答下列問題：

(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________。

【備考指導】本題以黏土釩礦制備NH4VO3的工藝流程為載體，考查流程的分析、物質的分離和提純、反應方程式的書寫等，解題的關鍵是根據物質的流向分析每一步驟的作用和目的。若教師能在高三復習備考過程中帶領學生補充學習工藝流程中相關的重要元素的性質，無疑給學生解題帶來事半功倍的效果。

2.構建解答工藝流程試題的思維模型，形成解題的核心路徑“原料處理—主反應—獲得產品”，每個環節關鍵問題是“物質—反應—操作”。呈現形式包括反應原理、圖像表格、條件控制、循環物質等。教師要幫助學生建構思維模型，化抽象為具體，進而將陌生問題轉化為普遍規律和解題方法，幫助學生更好的解決相關問題。

圖2 工藝流程的通用模型

【例2】(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，通過圖3工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖3

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：____________________。

(2)“水浸”后“濾液”的pH約為2.0，在“分步沉淀”時用氨水逐步調節pH至11.6，依次析出的金屬離子是________。

(4)“水浸渣”在160℃“酸溶”，最適合的酸是________。“酸溶渣”的成分是________、________。

(5)“酸溶”后，將溶液適當稀釋并加熱，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，該反應的離子方程式是________。

(6)將“母液①”和“母液②”混合，吸收尾氣，經處理得________，循環利用。

(2)Fe3+、Al3+、Mg2+

(4)硫酸 SiO2CaSO4

(6)(NH4)2SO4

【分析】

圖4 建立工藝流程的通用模型

由題給流程可知，高鈦爐渣與硫酸銨混合后焙燒時，二氧化鈦和二氧化硅不反應，氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鐵轉化為相應的硫酸鹽，尾氣為氨氣；在焙燒后物質中加入熱水水浸，二氧化鈦、二氧化硅不溶于水，微溶的硫酸鈣部分溶于水，硫酸鐵、硫酸鎂和硫酸鋁銨溶于水，過濾后得到含有二氧化鈦、二氧化硅、硫酸鈣的水浸渣和含有硫酸鐵、硫酸鎂、硫酸鋁銨和硫酸鈣的濾液；向pH約為2.0的濾液中加入氨水至pH為11.6，溶液中鐵離子、鋁離子和鎂離子依次沉淀，過濾得到含有硫酸銨和硫酸鈣的母液①和氫氧化物沉淀；向水浸渣中加入濃硫酸加熱到160℃進行酸溶，二氧化硅和硫酸鈣與濃硫酸不反應，二氧化鈦與稀硫酸反應得到TiOSO4，過濾得到含有二氧化硅、硫酸鈣的酸溶渣和TiOSO4溶液；將TiOSO4溶液加入熱水稀釋并適當加熱，使TiOSO4完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，過濾得到含有硫酸的母液②和TiO2·xH2O。

【備考指導】學生利用建立思維模型來解答工藝流程試題，可以快速通覽全局，明確工藝流程三個主要核心階段，掌握每個階段的各個環節，各環節之間既相互關聯，又彼此獨立，可以各個擊破。教師在高三復習備考該模塊教學時，可以帶領學生進行專題訓練，專門設置一些課時來讓學生做建立化工流程思維模型的訓練，使學生通過思維模型輕松、熟練突破該試題的難點，提高學生的化學學科核心素養。

四、小結