巧用“元素歸位法”，快速分析化工題

費鵬

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，新課程改革的教育理念是要培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)，在命題中強調(diào)“以核心素養(yǎng)為測試宗旨，以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務(wù)，以化學知識為解決問題的工具” ，特別注重考查解決實際問題的能力。《中國高考評價體系》一書詳細介紹了我國“一核”“四層”“四翼”的高考評價內(nèi)容，強調(diào)“在面對生活實踐或?qū)W習探索問題情境時，組織整合相應(yīng)的知識與能力、運用不同的技術(shù)方法進行各種操作活動以解決問題的綜合品質(zhì)”。化工流程題以真實的化工生產(chǎn)為背景，考查學生對元素化合物知識綜合掌握情況，以及從理論到應(yīng)用的綜合能力和素養(yǎng)，非常符合新高考的考查目標，也具有較大難度和很好區(qū)分度。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，新課程改革的教育理念是要培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)，在命題中強調(diào)“以核心素養(yǎng)為測試宗旨，以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務(wù)，以化學知識為解決問題的工具” ，特別注重考查解決實際問題的能力。《中國高考評價體系》一書詳細介紹了我國“一核”“四層”“四翼”的高考評價內(nèi)容，強調(diào)“在面對生活實踐或?qū)W習探索問題情境時，組織整合相應(yīng)的知識與能力，運用不同的技術(shù)方法進行各種操作活動以解決問題的綜合品質(zhì)”。化工流程題以真實的化工生產(chǎn)為背景，考查學生對元素化合物知識綜合掌握情況，從理論到應(yīng)用的綜合能力和素養(yǎng)，非常符合新高考的考查目標。同時，這種題型也具有較大難度和很好區(qū)分度，最好能找到巧妙思考的?方法。

化工流程題的最大特點是通過流程圖的形式把物質(zhì)在化工生產(chǎn)中怎樣投料，怎樣反應(yīng)，是變成了主產(chǎn)品、副產(chǎn)品、還是雜質(zhì)，進行了綜合描述。由于題境陌生，信息量大，學生很難取得高分。因此，怎樣分析題干，怎樣從紛繁的信息中快速找到解題方向，就顯得尤為重要。我總結(jié)的“元素歸位法”就是研究如何迅速找到流程的突破口，進而分析流程中的物質(zhì)，特別在非常緊張的考場上，可以讓學生快速找到思路，理清流程，順利作答。

所謂的“元素歸位法”指的是在流程分析中，把加入的物質(zhì)分解為“元素”，分析這些元素各自到了流程的哪一部分，是產(chǎn)品，還是副產(chǎn)品、雜質(zhì)、濾液、濾渣等，這個過程只推導元素的走向，暫時不分析具體物質(zhì)，難度會大大降低。

具體推導過程如下：

1. 列出流程中出現(xiàn)的所有主要元素。分析原料以及流程中途加入的物質(zhì)，把全部元素列出來；

2. 找到已知去處的元素。從產(chǎn)品、已知物入手，綜合題目信息分析，得到這些物質(zhì)所涉及的元素；

3. 從原料的全部元素中，刪掉已經(jīng)有了去處的元素，剩下的就是流程中未知物質(zhì)涉及的元素了。

從產(chǎn)品入手，采用逆推思路，這是因為產(chǎn)品涉及的元素比較少，容易分析一些。

推導出各個節(jié)點物質(zhì)的元素后，再根據(jù)題目的其他信息，反應(yīng)規(guī)律等，得到流程中各個物質(zhì)的化學式，最后根據(jù)題目要求作答。下面我通過幾道高考原題，來介紹一下具體的?做法。

1. 分析原料和流程中加入的物質(zhì)，列出流程中所出現(xiàn)的所有主要元素；

2. 從產(chǎn)品化學式、題目信息、流程中已知的物質(zhì)等綜合分析，得到這些物質(zhì)所涉及的元素；

3. 從原料中的全部元素中，刪掉已經(jīng)有了去處的元素，剩下的就是流程中未知物質(zhì)涉及的元素了。

在分析時采用逆推的思路，因為產(chǎn)品涉及的元素比較少，推導容易。分析出各個節(jié)點物質(zhì)的元素，再根據(jù)題目的其他信息，反應(yīng)規(guī)律等，推導出流程中的具體物質(zhì)，最后根據(jù)題目要求作答。下面我通過幾道高考原題，來分析一下具體的做法。

【例1】（2020·山東卷）用軟錳礦（主要成分為MnO2，含少量Fe3O4、Al2O3）和BaS制備高純MnCO3的工藝流程如圖1所示。

已知：MnO2是一種兩性氧化物；25℃時相關(guān)物質(zhì)的K?sp?見下表。

物質(zhì)Fe（OH）2Fe（OH）3Al（OH）3Mn（OH）2

K?sp?1×10?－163?1×10?－386?1×10?－323?1×10?－127

分析：本題的流程比較復雜，有兩種物質(zhì)5種元素，同時在流程中還加入了三次其他物質(zhì)，難度較大。不過，采取“元素歸位法”分析，可以快速找到流程的突破口。

第一步：確定元素在流程中的“來”和“去”。推導時先簡后繁，先把產(chǎn)品列出來，再看流程中已知的物質(zhì)，比如副產(chǎn)品或者廢渣等，剩下的元素，就應(yīng)該出現(xiàn)在流程中未知物質(zhì)當中了。

這個流程中，兩種原料總共含有Mn、Fe、Al、Ba、S和O六種元素。流程有兩條主線，上面那條終點是Ba元素，下面那條終點是Mn元素，流程提示S元素為雜質(zhì)，則剩下的是Fe、Al和O元素了。O元素通常會形成H2O等，一般不考慮，而Fe和Al元素不太可能出現(xiàn)在濾液中，它倆應(yīng)該都出現(xiàn)在廢渣里。這一分析，雖然我們對具體流程還不是特別清晰，但元素的主要的“來”、“去”關(guān)系就已經(jīng)比較清楚了。分析示意圖如下：

第一步：確定元素在流程中的“來”和“去”。推導時先簡后繁，先把產(chǎn)品等已知物質(zhì)先列出來，再看流程中的副產(chǎn)品或者廢渣等，剩下的元素，就應(yīng)該出現(xiàn)在流程中未知物質(zhì)當中了。

這個流程中，兩種原料總共含有Mn、Fe、Al、Ba、S和O六種元素。流程有兩條主線，上面那條的終點是Ba元素，下面那條的終點是Mn元素，流程提示S元素為雜質(zhì)，則剩下的是Fe、Al和O元素了。O元素通常會形成H2O等，一般不考慮，而Fe和Al元素不太可能出現(xiàn)在濾液中，它倆應(yīng)該都出現(xiàn)在廢渣里。這一分析，雖然我們對具體流程還不是特別清晰，但元素的主要的“來”、“去”關(guān)系就已經(jīng)比較清楚了。分析示意圖如2所示。

第二步：確定各個節(jié)點具體是什么物質(zhì)。綜合運用化學反應(yīng)規(guī)律來分析和推導：如果化合價變化，則用氧化還原反應(yīng)的升降價規(guī)律來推導；如果沒有化合價變化，則一般用復分解反應(yīng)交換離子的規(guī)律來推導；如果是調(diào)pH來沉淀雜質(zhì)離子的，則沉淀一般為氫氧化物；如果加沉淀劑的，則沉淀一般為難溶鹽。綜合運用上述反應(yīng)規(guī)律，確定流程中物質(zhì)的具體化學式。而且，這個分析過程也是在研究流程中物質(zhì)反應(yīng)規(guī)律，可以幫助同學們正確完成有關(guān)方程式書寫的題目。

本題分析如下：

1. 原料中的S為-2價，副產(chǎn)物中的S為0價；原料中的Mn為+4價，產(chǎn)品中的Mn為+2價，因此，軟錳礦和BaS溶液混合后，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

2.同時，原料中的Fe元素有+3價，跟BaS反應(yīng)后，F(xiàn)e元素也會降價，產(chǎn)物也會有Fe?2+?。后續(xù)加氨水為調(diào)pH沉淀雜質(zhì)離子，所以，過濾出硫磺后，往濾液中加入的試劑X，很明顯為一種氧化劑，把Fe?2+?氧化為Fe?3+?，方便生成?Fe（OH）3?沉淀。由此得出，加入的氨水把Fe?3+?和Al?3+?變成?Fe（OH）?3和Al（OH）3沉淀而除去。

同時，原料中的Fe元素有+3價，跟BaS反應(yīng)后，F(xiàn)e元素也會降價，產(chǎn)物也會以Fe?2+?。所以，過濾出硫磺后，往濾液中加入的試劑X，很明顯為一種氧化劑，把Fe?2+?氧化為Fe?3+?，方便生成Fe（OH）3沉淀，所以，加氨水起到調(diào)節(jié)pH的作用，把Fe?3+?和Al?3+?變成Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀而除去。

3. 為什么Al元素也在這里沉淀了呢？很顯然，后面的流程沒有Al元素出現(xiàn)的地方了，根據(jù)“元素歸位法”分析，那么它只可能在這里被除掉。

4. 把廢渣壓濾出來后，溶液中只剩下Mn?2+?和SO?2-?4，所以濾液是MnSO4。加入NH4HCO3和NH3·H2O相當于加入（NH4）2CO3溶液，它和MnSO4只能發(fā)生復分解反應(yīng)，生成MnCO3固體，所以濾液II應(yīng)該是（NH4）2SO4。

5. 根據(jù)“元素歸位法”分析，原料中每個元素都有了去處，所以第一次過濾后，上面的主線中已經(jīng)沒有Ba（OH）2之外的元素了，這條線只是描述Ba（OH）2的結(jié)晶過程，所以濾液Ⅰ為Ba（OH）2母液。

同理，流程的下面一條主線中，把廢渣壓濾出來后，濾液中應(yīng)該是MnSO4，則加入NH4HCO3和NH3·H2O后，發(fā)生的是復分解反應(yīng)，固體是MnCO3了，則濾液II里則應(yīng)該是（NH4）2SO4。

把物質(zhì)分析出來后，即可以填在流程圖中：

第三步：理清流程后，根據(jù)題目的其他信息，包括Ksp，溶解性等，綜合分析，即可輕松答題。

本題有以下設(shè)問：

（1）軟錳礦預先粉碎的目的是?①?，MnO2與BaS溶液反應(yīng)轉(zhuǎn)化為MnO的化學方程式為?②?。

（2）保持BaS投料量不變，隨MnO2與BaS投料比增大，S的量達到最大值后無明顯變化，而Ba（OH）2的量達到最大值后會減小，減小的原因是?③?。

（3）濾液I可循環(huán)使用，應(yīng)當將其導入到?④?操作中（填操作單元的名稱）。

（4）凈化時需先加入的試劑X為?⑤?（填化學式）。再使用氨水調(diào)溶液的pH，則pH的理論最小值為?⑥?（當溶液中某離子濃度c< 10×10?-5?moL·L?－1?時，可認為該離子沉淀完全）。

（5）碳化過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為?⑦?。

可以看到，其中的第②④⑤⑦四個空，共計8分，都跟剛才的流程分析直接緊密相關(guān)，因此，使用“元素歸位法”分析流程，可以快速分析化工流程題中的物質(zhì)，起到事半功倍的效果。

【例2】（2020·新課標Ⅰ）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。

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Fe?3+?Fe?2+?Al?3+?Mn?2+

開始沉淀pH19703081

完全沉淀pH329047101

回答下列問題：

（1）“酸浸氧化”需要加熱，其原因是_______________________________________ 。

（2）“酸浸氧化”中，VO+和VO?2+?被氧化成VO+2，同時還有__________??離子被氧化。寫出VO+轉(zhuǎn)化為VO+2反應(yīng)的離子方程式__________________________ ??。

（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+、Mg?2+?、Na+、__________??，以及部分的__________________________ ??。

（4）“沉淀轉(zhuǎn)溶”中，V2O5·xH2O轉(zhuǎn)化為釩酸鹽溶解。濾渣③的主要成分是__________??。

（5）“調(diào)pH”中有沉淀生產(chǎn)，生成沉淀反應(yīng)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__________??。

“元素歸位法”分析：

本題涉及的物質(zhì)和元素都很多，提示的信息也很多，需要學生很強的信息分析能力。首先，把所涉及的元素在流程中列出來，則加入的主要元素有8種，分別是：V，K，Mg，Al，Si，F(xiàn)e以及后來加入的Mn，Na等。用逆推法推導，最后的產(chǎn)品中含V元素，濾渣1含Si元素，題目提示濾液2已經(jīng)有K，Mg，Na三種元素了，8-5=3，所以還有Mn，F(xiàn)e，Al三種元素，流程中還有濾渣等三個物質(zhì)，正好為三種元素的去處，根據(jù)性質(zhì)分析，則Mn，F(xiàn)e，Al三種元素分別存在于濾液2，濾渣3和濾渣4中。分析思路如下圖，符號所表示的都是元素：

分析元素以及題目中的信息，可以得出有關(guān)結(jié)論如下：

1. 根據(jù)變價規(guī)律，+4價的MnO2具有氧化性，把不同價態(tài)V元素都氧化為+5價的VO-3，同時，F(xiàn)e元素也被氧化為+3價，而溶液中將產(chǎn)生+2價的Mn?2+?，這里有2個氧化還原反應(yīng)。

2. 結(jié)合題目中離子沉淀的pH范圍，不難推出Mn元素位于濾液2中，加過量NaOH溶液后，Al元素轉(zhuǎn)化為AlO-2了，所以，濾渣3為Fe（OH）3，濾渣4為Al（OH）3。

具體物質(zhì)如圖6：

分析出流程中的物質(zhì)，再回答問題就很容易了。

【例3】（2019·新課標Ⅰ）硼酸（H3BO3）是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工藝。一種以硼鎂礦（含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3）為原料生產(chǎn)硼酸及輕質(zhì)氧化鎂的工藝流程如圖7所示。

回答下列問題：

（1）在95 ℃“溶浸”硼鎂礦粉，產(chǎn)生的氣體在“吸收”中反應(yīng)的化學方程式為?????。

（2）“濾渣1”的主要成分有?????。為檢驗“過濾1”后的濾液中是否含有Fe?3+?離子，可選用的化學試劑是???。

（3）根據(jù)H3BO3的解離反應(yīng)：H3BO3+H2OH++

B（OH）?-4，Ka=581×10-?10?，可判斷H3BO3是__________酸；

在“過濾2”前，將溶液pH調(diào)節(jié)至35，目的是__________ 。

（4）在“沉鎂”中生成Mg（OH）2·MgCO3沉淀的離子方程式為__________ ，母液經(jīng)加熱后可返回__________??工序循環(huán)使用。由堿式碳酸鎂制備輕質(zhì)氧化鎂的方法是?????。

“元素歸位法”分析：首先分析元素的“來”和“去”，原料總共有5種元素（Mg、B、Si、Fe、Al）加入，根據(jù)流程，主產(chǎn)物為Mg元素，副產(chǎn)物為B元素，流程中出去的只有濾渣1，因此這個濾渣含有Si、Fe、Al三種元素，得到如下的元素歸位圖：

進一步分析可以得出，B、Mg等元素的化合價在反應(yīng)前后沒有變化，加（NH4）2SO4溶液發(fā)生時，發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該為復分解反應(yīng)，所以出來的氣體為NH3，由于（NH4）2SO4溶液的酸性有限，所以濾渣1應(yīng)該是沒有參加反應(yīng)的Fe2O3、Al2O3和SiO2，用NH4HCO3吸收NH3反應(yīng)生成了（NH4）2CO3，所以沉鎂為MgSO4和（NH4）2CO3的反應(yīng)。

具體物質(zhì)如圖9所示。

流程分析清楚了，再按要求答題，就不是很難了。

綜上所述，利用“元素歸位法”可以快速地分析化工流程中各個節(jié)點的物質(zhì)，從而對學生解答題目提供思路。當然，一種方法不是能夠全面解決這種難題，需要老師們和同學們不斷探索，尋求更多解題規(guī)律。除此之外，也要理解化工生產(chǎn)的最終目標是為了“多快好省”地獲得產(chǎn)品，這樣可以更好理解化工生產(chǎn)陌生題境的目的。我們要多從實際出發(fā)進行思考，從而把這種題型做得更好。

責任編輯?李平安