巧用“氣液固”三線法突破高考化學工藝流程題

湖南 周學興

教育部在2021年1月31日發布的《教育部關于做好2021年普通高校招生工作的通知》中強調“深化考試內容改革。2021年高考命題要堅持立德樹人，加強對學生德智體美勞全面發展的考查和引導。要優化情境設計，增強試題開放性、靈活性，充分發揮高考命題的育人功能和積極導向作用，引導減少死記硬背和‘機械刷題’現象”。試題的命制應遵循高考的考查目標和考查要求，明確“考什么”和“怎么考”，并保證試題的科學性、公平性和權威性，以提高測量的信度、效度和區分度。試題要立足基礎、凸顯能力、關注現實、彰顯學科特點。《中國教育報》上發表的《牢記立德樹人使命，寫好教育考試奮進之筆》中闡述了高考命題的基本要求、基本步驟和基本原則，也為模擬試題的原創命制提供了方向。在近五年的高考試卷中，探究類實驗的考查角度多，能夠充分體現試題的開放性、靈活性。

筆者匯總了近五年高考真題中工藝流程題試題情境出現的物質中主要含有的化學元素，詳見表1。

表1 近五年高考真題中工藝流程題考查物質元素載體

由表1可知，元素周期表中的第四周期過渡元素屬于常考元素，目標產品覆蓋面廣。物質變化是工藝流程中最突出的主線，高考試題中常以陌生元素為主要載體，考查學生的必備知識與關鍵能力，給學生分析物質變化帶來了較大難度。陌生元素的相關工藝體現了試題的真實情境，是提高試題開放性、靈活性的最佳途徑。工藝流程題是必備知識和陌生反應的最佳融合體，且由于其陌生度較高，當對學生分析推理能力要求較高時，可能出現試題得分率比化學反應原理題還低的情況。

如何提高分析工藝流程中各試劑、操作、物質轉化等情況的準確率是高三復習階段的重要議題。本文介紹一種新穎的方法——“氣液固”三線法，以期為廣大教師和考生提供新的解題思路和復習方向。

一、方法介紹

“氣液固”三線法，是根據物質在每一道工序過程中的物質狀態的不同，進行“賬目”式記錄的方法，此方法有助于學生正確分析整個流程，避免失誤，提高解題效率。該方法的具體操作是將每個“工序格子”，分成氣體、液體、工序和固體四層來記錄各物質的存在形式，分析混合體系中的物質變化。“四層式”工序格子形式如圖1所示。

圖1 “四層式”工序格子示意圖

“四層式”工序格子非常準確地依據物質密度的不同展示了各物質的存在形式。通過記錄前后各工序各物質的變化情況，最終連接成各物質的變化記錄。

筆者以2021年全國乙卷第26題為例展示了“三線法”在解決工藝流程試題中的應用。

【例1】(2021·全國乙卷·26)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，通過如圖2所示工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖2

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________。

(3)“母液①”中Mg2+濃度為________mol·L-1。

(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。

【試題點評】本題主要考查了限定條件下方程式的書寫、調節pH沉淀對象的分析、Ksp的相關計算、試劑的選擇、濾渣的成分分析、循環利用物質的分析，較好地考查學生分析推理的能力，發展了學生證據推理與模型認知的學科核心素養，滲透了綠色化學理念，突出了基礎性、綜合性、應用性的考查要求。

【“氣液固”三線法】

通過各道工序中焙燒、水浸、酸溶、水解、分步沉淀等步驟發生的物理變化及化學變化，確定物質的變化情況，繼而根據“氣液固”三種狀態進行“四層式”工序格子的記錄。“氣液固”三線法的應用如圖3所示。

(2)結合圖2可知“分步沉淀”依次析出的金屬離子是Fe3+、Al3+、Mg2+；

(4)本題難度較大的工序是“焙燒”“酸溶”兩步，需要結合題給信息和后續流程的走向來確定物質變化情況，比如應結合“水解”以及設問(6)共同確定“酸溶”時加入的酸是硫酸。由圖3可知酸溶渣有CaSO4和SiO2；

圖3 “氣液固”三線法圖示

(5)結合“水解”和“分步沉淀”的“四層式”工序格子可知能夠循環利用的物質為硫酸銨。

(2)Fe3+、Al3+、Mg2+

(3)1.0×10-6

(4)硫酸 SiO2和CaSO4

(6)(NH4)2SO4

【方法評價】通過“賬目式”記錄各物質的三態存在形式，提高了各設問的分析效率，尤其例1中循環利用的物質分析，通過分析母液①、母液②及尾氣的成分，即可推出循環利用的物質為硫酸銨。此外，為了精準分析各物質的變化情況，學生首先需要掌握教材中的元素相關知識，主要是Si、Al、Fe、K、Ca、Mg等元素的化合物的性質，其次是要學會運用題干、流程圖、設問中出現的信息，綜合確定各物質在“三態”中的具體存在形式。應注意的是若某工序的物質轉化反應不確定時，可先進行假設反應或不反應，再結合各步驟物質變化前后的比對，即可得出結論。如例1中要分析出“焙燒”時的物質變化需要利用設問(1)中的題給信息。

由此可見，“氣液固”三線法具有以下優點：

1.精準記錄了各工序物質的變化情況，能夠高效解決分析“濾液”“濾渣”的成分、循環利用物質、化學或離子方程式的書寫等具體的設問。

2.使得學生對整個工藝流程的分析更加嚴謹、精準，避免出現前后邏輯矛盾的問題。工藝流程中必然會考查陌生物質的變化和必備知識中的物質變化，通過此法，可明確陌生物質變化的具體情況，避免分析錯誤，提高答題正確率。

3.通過此法，可鍛煉學生的分析解決具體問題的能力。大部分學生在解題過程中，往往會“斷章取義”，設問考查某道工序時，就只分析該工序的情況，造成了大片的邏輯錯誤，這也是工藝流程題正確率比化學反應原理題正確率更低的根本原因。

該法適用于物質推理較復雜的工藝流程題，但在一定程度上，存在做題時間長、陌生反應的干擾等問題，所以并非每一道工藝流程題都要用這種方法。

二、練習

(2021·河北省選擇性考試·15)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4：

圖4

回答下列問題：

(1)高溫連續氧化工序中被氧化的元素是________(填元素符號)。

(2)工序①的名稱為________。

(3)濾渣Ⅰ的主要成分是________(填化學式)。

(4)工序③中發生反應的離子方程式為________________。

(5)物質V可代替高溫連續氧化工序中的NaOH，此時發生的主要反應的化學方程式為____________________，可代替NaOH的化學試劑還有________(填化學式)。

(6)熱解工序產生的混合氣體最適宜返回工序________(填“①”“②”“③”或“④”)參與內循環。

【試題點評】本題主要考查證據推理與模型認知核心素養，流程圖中有CO2、NaOH、H2O等物質循環利用，且命題者將部分物質設置為未知物質，考查學生推理預測假設驗證的能力。

【“氣液固”三線法】

通過高溫連續氧化、工序①～④、熱解、介穩態相分離、煅燒等各道工序中發生的物理變化及化學變化，確定物質的變化情況，繼而根據“氣液固”三種狀態進行如圖5所示的“四層式”工序格子的落實。

圖5

結合圖5進行分析：

(1)對比工序“高溫連續氧化”和“介穩態相分離”的“四層式”工序格子可知被氧化的元素有Cr、Fe；

(3)“高溫連續氧化”的物質轉化關系是本題的難點。鉻鐵礦、熔融NaOH、O2在連續高溫氧化條件下，Fe2+先生成Fe(OH)2再被氧化為Fe(OH)3，Fe(OH)3高溫條件下分解為Fe2O3(Fe(OH)3分解溫度是500 ℃以上，Mg(OH)2完全分解溫度為1 800 ℃)，所以濾渣Ⅰ含有Fe2O3，此處難點是MgO在此步驟中是以MgO形式存在還是以熔融后與NaOH結合生成的Mg(OH)2形式存在，因為若生成Mg(OH)2為濾渣，在過量CO2和水蒸氣氣相中處理為Mg(HCO3)2較容易，若以MgO的形式進入濾渣，在工序②中處理為Mg(HCO3)2也可以發生反應。但從學生的認知出發，濾渣還是MgO和Fe2O3更容易理解。

(6)由圖5可知熱解工序中的混合氣體最適宜返回工序②。

【答案】(1)Fe和Cr(或Fe、Cr)

(2)水浸(或加水溶解、加水攪拌溶解、水溶)

(3)MgO和Fe2O3

(6)②

(7)8.37

【方法評價】本題最大的特點是，多種物質未直接在題中給出，通過“氣液固”三線法圖示的展現，可快速推斷和驗證不確定物質的化學式。

三、總結

該法在使用過程中，要特別注意陌生物質是否反應的處理。構建四層工序格子時，初看陌生物質的變化情況不能確定，可進行假設或待定的方式，到題干或后續工序中尋找證據，依據元素守恒再返回陌生物質的工序填充物質變化。切勿受到陌生物質的干擾而得出錯誤結論。

高考化學試題的真實情境化，決定了化學學習過程中的復雜性：教材常規元素的性質要識記，而卻不“機械性”考查，工藝流程試題通過陌生元素的物質變化來考查基本理論與物質轉化等知識。具體考查方向見表3。

表3 工藝流程題常見設問角度與考查頻率

工藝流程題是全國卷地區和大部分新高考地區高考化學的必考題型，該題型對學生的能力要求高，常出現物質變化分析不清的問題，為了進一步提高解題效率，本文總結了依據“氣液固”三線法，記錄各工序中物質的三態變化情況，該法可幫助學生厘清整個工藝流程中物質的變化情況，利于解決實際問題，突出培育了學生的證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想的核心素養，尤其是高效解決了各工序的溶液、濾渣、循環利用物質、化學反應本質等問題，且利用密度的不同分層呈現，直觀準確。這種方法可最大限度降低分析物質變化的錯誤率。本文旨在希望學生通過此法訓練學科思維，培養學科核心素養，從容應對高考。同時為各位教師同仁提供解決工藝流程題的新思路。

本文系湖南省教育科學“十四五”規劃2021年度國家教育考試研究專項課題“普通高中學業水平選擇性考試化學試題情境素材庫的建立與樣卷開發”的階段性成果。課題批準號：XJK21AKS005。