工業流程題解題策略分析

杜德祥

(昆明市第一中學，云南 昆明 650031)

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中明確指出[1]：“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會”——這闡述了命制這一類型試題的必要性；“試題情境的創設應緊密聯系學生學習和生活實際，體現科學、技術、社會和環境發展的成果，注重真實情境的針對性、啟發性、過程性和科學性”——這闡述了命題時對情境的要求；“將試題的測試任務融入真實、有意義的測試情境”——這闡述了考查方式。每一年的高考中都出現以真實的工業生產流程作為命題的素材和情境的試題，正是這一精神的具體體現，也是這一精神對高考命題的要求。

1 為什么要考工業流程題

試題源于生產實際，能充分體現理論與實踐相結合的觀點，學以致用，這是知識的價值體現；試題內容豐富，涉及的基礎知識和基本技能較為全面，能較好地考查學生對“雙基”的掌握情況；題目難度整體為中等偏上，分值較大，區分度好。

2 工業流程題的特點

以真實的化工生產過程為情境設計試題，該題型是將元素化合物知識與工業生產工藝結合起來，將化工生產過程中的主要生產階段用框圖流程形式表示出來。試題新穎，一般文字較長，閱讀量大，能夠很好地考查學生的閱讀能力和信息的收集處理能力。該類試題主要要解決以下問題：1)分析、弄懂生產過程中原料轉化為產品的化學原理；2)利用化學基本操作除去所含雜質并分離提純產品；3)循環利用中間產物以及控制條件以提高原材料的轉化率和目標產物的產率；4)減少污染，考慮綠色化學生產。試題的一般形式如圖1。

圖1 工業流程題的一般形式

3 工業流程題的解題策略

1)自始至終都要高度關注：元素的“來”“去”“留”。即要保留什么元素，工藝過程中加入了什么元素，要除掉什么元素。牢固樹立起“微粒觀”。

首先要明確原料是什么物質，含有哪些成分，含有什么元素以及各元素的化合價，目標產物是什么物質，含有什么成分，還含有什么元素以及各元素的化合價；關注化合價，目的是為了分析出工藝過程中需要加入氧化劑、還原劑或其它試劑。牢固樹立起“變化觀”。

2)關注箭頭：主線箭頭——主產品、支線箭頭——副產品、回頭箭頭——循環品。

3)利用試題關鍵信息及每一步流程后生成的物質的形態、組成，仔細分析有關過程，結合物質的物理和化學性質(含一些特性)，利用化學基礎知識和基本化學原理，仔細分析每一工藝或試劑的作用。

①原料處理階段

除去雜質，避免干擾核心反應。為核心反應提供合適的條件，如溫度、壓強、酸堿性、增大反應的接觸面積等。常見的原料預處理方式有：a)粉碎及目的：減小粒徑以增大反應的接觸面積、加快反應速率(生產中攪拌也能加快反應速率)、提高反應物的轉化率；b)煅燒及目的：除去有機物雜質或含碳雜質、使一些具有還原性的物質被空氣中氧氣氧化；c)溶解：酸溶(浸)——與酸反應；堿溶(浸)——與堿反應；水溶(浸)——溶解于水或者與水反應；氧化還原溶(浸)——通過改變化合價，溶解難溶物。

②核心反應階段

③產品精制階段

如何減少或除去產品中的雜質(運用哪些實驗方法)。在此過程中要注意減少產品損失，通過中間產物或副產物的循環利用；或者通過恰當的實驗操作，提高原料利用率，降低成本，防止產品變質等。

4)工藝過程中需要考慮的一些內容

①酸堿性控制。一般考慮三個方面的內容：a)提供反應所需要的酸堿性環境;b)促進水解或抑制水解;c)與試題提供的物質發生那些反應。

②溫度控制。a)據試題提供的反應條件，考慮一些反應物或生成物的熔沸點及性質(如控制某些物質為固態、液態，另一些物質為氣態等;又如溫度過高H2O2易分解、氨水易揮發等)；b)考慮溫度對促進或抑制水解或電離的影響；c)考慮某些反應物或生成物在某個溫度下可能會發生不利于生產流程的副反應；d)考慮溫度對化學反應速率、化學平衡的影響從而控制適宜的化工生產條件。

④氧化還原反應方程式的書寫(如2021年高考甲卷、2020年全國III卷、2019年全國II卷)。一般可以參照如下步驟進行：a)根據元素及其化合物的性質以及元素化合價的變化寫出氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物;b)根據最小公倍數法配平得失電子;c)完善，完善的順序一般是使左右電荷守恒→化合價未變的金屬→酸根離子→H→O。

常見的氧化劑及其主要的還原產物以及1 mol該氧化劑反應時轉移的電子數：KMnO4(H+)→Mn2+(5 mol)；O2→2O2-(4 mol)；濃HNO3→NO2(1 mol)；稀HNO3→NO(3 mol)；濃H2SO4→SO2(2 mol)；X2→2X-(2 mol)；HClO→Cl-(2 mol)；Fe3+→Fe2+(1 mol)；H2O2→2H2O(2 mol)。

⑤非氧化還原反應方程式的書寫(如2021年高考乙卷)。一般可以參照如下步驟進行：a)因為所有元素的化合價均沒有變化，所以先根據題給信息寫出主要反應物和主要生成物;b)配平主要元素;c)完善，完善的順序一般是使左右電荷守恒→酸根離子→H→O。

⑥沉淀的生成順序與沉淀的轉化。a)不一定是Ksp小的先沉淀，只有“同元”難溶電解質才可用Ksp比較離子濃度的大小；b)Ksp略小的難溶電解質也可轉化成Ksp稍大的難溶電解質，如AgBr → AgCl；c.應用Ksp選擇正確的沉淀順序，進行混合物的分離；d)建議同學們掌握表1常見離子完全沉淀時大約的pH的計算方法；

表1 常見離子完全沉淀時溶液的pH值

e)有一個經常被考到的知識點，應該引起我們足夠的重視，那就是工業上使用的原材料中常常含有鐵元素(原因：在自然界中鐵的含量較高，且是人類使用最多的金屬元素)。而很多工藝中又必須除盡鐵元素。操作方法常常是：在工藝的某個環節加入H2O2或其它合適的氧化劑，如氧氣、空氣等，先將Fe2+氧化為Fe3+，然后再加堿或合適的物質，調整溶液的pH=4，達到除盡鐵元素的目的。例如，2020年全國III卷中要除去Ni2+中的Fe2+，方法為先加H2O2或氧氣或空氣(如果加入氯水，則會引入新的雜質)，將Fe2+氧化為Fe3+，然后再除去Ni2+中的Fe3+；2019年全國III卷中，氧化Mn2+中的Fe2+，用的氧化劑是MnO2。以人教版2004年初審通過的《選修4 化學反應原理》P66的“練習”為例，進行詳細的分析。

例：在粗制CuSO4·5H2O晶體中常含有雜質Fe2+。在提純時，為了除去Fe2+，常加入少量H2O2，使Fe2+氧化為Fe3+，然后再加入少量堿至溶液pH=4，可以達到除去Fe3+而不損失CuSO4的目的。試解釋原因(在常溫下討論)。

⑦分離提純物質常用的六種方法(從原理、裝置、操作要點以及所涉及到的儀器的名稱、使用要求等角度進行學習掌握)：a)過濾、洗滌、干燥(掌握沉淀的洗滌方法以及沉淀是否洗凈的檢驗方法);b)蒸發結晶;c)蒸發濃縮，冷卻結晶，過濾、洗滌、干燥;d)萃取、分液;e)蒸餾與分餾，用的是直形冷凝管;f)冷凝或冷凝回流(注意：冷凝時常采用的兩種方式：①若生成物的沸點比反應物更低，一般使用直形冷凝管而不能用球形或蛇形冷凝管，裝置類似于蒸餾裝置，目的是及時蒸出生成物，使平衡正向移動，從而提高產率；②若生成物的沸點比反應物更高，一般要冷凝回流反應物，故使用球形或蛇形冷凝管比使用直形冷凝管冷凝效果更佳，在安裝裝置時要豎直安裝冷凝管，目的是冷凝回流反應物，從而提高反應物的轉化率)。

5)規范答題

②相似類推。根據元素周期律，利用元素及其同類化合物性質的相似性推斷陌生物質的性質和相關反應。

③表達。a)切忌空洞。如一般不能出現如“除去雜質”這樣的答案，而常常應該答為“除去……中的……”。b)圍繞目的答題。c)形成一些答題的范式。如：從平衡的角度分析有關的變化，答題模版一般為：……(某種變化或某種操作)，化學平衡向正或逆反應方向移動，從而提高或降低反應物的轉化率。d)杜絕答非所問(如誤將化學方程式寫成離子方程式等)。

6)具體實例

例(2021年高考理綜乙卷)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。

該工藝條件下，有關金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH見下表

金屬離子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+開始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4 沉淀完全的pH(c=1.0×10-5 moL·L-1)3.2 4.7 11.1 13.8

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“分布沉淀”時氨水逐步調節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”，最合適的酸是______。“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。

4 結語

解答工業流程題時，形成良好的解題習慣非常重要。首先關注原料及原料中各元素的化合價，關注產物的成分及各元素的化合價，關注工藝中的箭頭，箭頭的方向其實反映了原料中元素的去向；其次分析各環節所涉及到的化學原理及基本的實驗操作；作答時務必準確具體而不空洞。