淺析高考化學(xué)“工藝流程問題”的解題方法

于海宇，張曉卓，趙麗娜

(吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

工藝流程問題主要是依據(jù)元素化合物、基本化學(xué)原理和化學(xué)計(jì)算的相關(guān)知識，通過生活生產(chǎn)中具體實(shí)例，將高中化學(xué)知識點(diǎn)與材料加工過程相聯(lián)系，通過嚴(yán)密的邏輯推理后所總結(jié)出的試題。隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，化學(xué)考試大綱對學(xué)生的能力提出了更高的要求，體現(xiàn)了“接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力”[1]。工藝流程題是近幾年高考的熱點(diǎn)，所占分值大，此類試題的陌生程度高，試題文字太多，考察知識面廣泛，綜合性強(qiáng)，新穎靈活，計(jì)算復(fù)雜，對學(xué)生的理解能力、解題能力和考場應(yīng)試能力都是巨大考驗(yàn)[2-3]。

在新課程的引領(lǐng)下，高考試卷中“工藝流程問題”命題的方向、內(nèi)容、意圖致力于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生對該問題的理解程度和作答情況，決定著化學(xué)學(xué)科分?jǐn)?shù)的高低。因此，掌握好流程題的解題思路和策略，能有效地提升學(xué)生能力，提高學(xué)生分?jǐn)?shù)。

1 方法與解析

1.1 首尾分析法

首尾分析法是以原料與產(chǎn)品之間的聯(lián)系入手，以共同元素為鏈進(jìn)行分析，中間步驟是關(guān)于核心反應(yīng)溶解、除雜、凈化、分離、投料等，但目的都是為了得到產(chǎn)品，可通過首尾結(jié)合考慮流程鏈。首尾呼應(yīng)是解決流程問題的基本方法，適用于中間步驟中物質(zhì)判斷有難度或粒子多而復(fù)雜的試題。工藝流程試題通常是以提取或生產(chǎn)某種產(chǎn)品為目標(biāo)所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)給定的內(nèi)容，選擇合適的試劑和步驟，補(bǔ)充過程中未被呈現(xiàn)的內(nèi)容。試題取材廣泛，構(gòu)思獨(dú)特新穎，內(nèi)容復(fù)雜多樣，要求學(xué)生會(huì)首尾分析，綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。

例1.(2018年全國II卷節(jié)選)以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和量FeS、CdS、PdS雜質(zhì))為原料制備金屬鋅的流程如圖1所示。

圖1 制備金屬鋅的流程

相關(guān)金屬離子[C0(Mnn+)=0.1mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH值范圍如表1。

表1 形成氫氧化物沉淀的pH值范圍

解析：在復(fù)雜步驟分析中，采用首尾分析法可使思路清晰，從首尾入手，整體把握原料閃鋅礦和產(chǎn)物單質(zhì)鋅的生產(chǎn)鏈，不管中間步驟如何復(fù)雜，保證Zn不流失，最后得到純凈的單質(zhì)鋅。流程中產(chǎn)生了氣體和濾渣，這些一定是不含鋅元素的物質(zhì)，因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)的角度分析，不應(yīng)將目的產(chǎn)物浪費(fèi)。金屬元素經(jīng)過焙燒形成金屬氧化物不是氣體，只有非金屬硫元素在高溫焙燒狀態(tài)下與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生SO2。酸浸把固體物質(zhì)溶解，除雜是把Zn2+以外的金屬離子以沉淀形式除去。濾渣1是不溶于H2SO4的SiO2和PbO與H2SO4生成的PbSO4固體，加入ZnO與過量的H2SO4反應(yīng)，調(diào)節(jié)pH使Fe3+沉淀，通入氧氣才使Fe2+氧化為Fe3+，濾渣2為氫氧化鐵。溶液中還剩下Cd2+未除去，加入鋅粉發(fā)生置換反應(yīng)Cd2++Zn=Cd+Zn2+，溶液中金屬離子只有Zn2+存在，通過電解溶液得到Zn。

1.2 逆向思維法

逆向思維法是用反向思維來解決常規(guī)思路難以解決的問題。逆向思維孕育著創(chuàng)造性思維的萌芽，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，而中學(xué)階段又是學(xué)生思維能力發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期[4]。把逆向思維應(yīng)用于工藝流程問題的解決，有利于試題的解答，逆著流程鏈往回推測物質(zhì)和成分，往往能事半功倍。此法要求在認(rèn)真領(lǐng)會(huì)的基礎(chǔ)上，選準(zhǔn)切入點(diǎn)，多角度思考，多層次分析，多方位解答。這種方法適用于對原材料已知比較少或成分混合復(fù)雜，中間步驟反應(yīng)條件很清楚，對目標(biāo)產(chǎn)物很熟悉的試題。

例2.(2017年全國II卷節(jié)選)水泥主要成分為CaO、SiO2，并含有一定量的鐵、鋁和鎂等金屬的氧化物。實(shí)驗(yàn)室測定水泥樣品中鈣含量的過程如圖2所示：

圖2 測定水泥樣品中鈣含量的過程

解析：水泥的成分比較復(fù)雜，除鈣以外的元素多，正向分析要分別考慮每種氧化物的成分，鐵有三種氧化物，分析起來復(fù)雜，思路容易混亂。采用逆向分析，從草酸鈣和高錳酸鉀滴定開始，就無需考慮原物質(zhì)的成分，節(jié)省時(shí)間，分析流程步驟簡單化。(NH4)2C2O4與濾液反應(yīng)生成CaC2O4，說明此時(shí)的濾液中已無其他金屬離子，在pH值=4～5時(shí)Fe3+、Al3+可水解成Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀，且加熱可提高反應(yīng)速率，加快沉淀生成。沉淀A是不溶于酸的SiO2，在分解水泥樣品過程中加入具有氧化性的HNO3，將分解的Fe2+完全氧化成Fe3+，便于后續(xù)沉淀處理，也可用其他氧化劑代替。從后往前，不考慮如何反應(yīng)，只把需要的元素提煉出來，就可輕松地解題。

1.3 以點(diǎn)帶面法

以點(diǎn)帶面是用一個(gè)單位或地方的成功經(jīng)驗(yàn)來帶動(dòng)許多單位或成片地方的工作。工藝流程題要以某一步驟的分析帶動(dòng)整個(gè)題的分析，從某一個(gè)熟悉的經(jīng)典反應(yīng)類型或反應(yīng)條件著手，挖掘反應(yīng)流程的本質(zhì)，抓住題中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尋找解題突破口，從而推斷出整個(gè)流程鏈。以點(diǎn)帶面適用于考察物質(zhì)的性質(zhì)、用途、特征、顏色、反應(yīng)規(guī)律等命題，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)圖，綜合考查學(xué)生應(yīng)用元素及其化合物知識解決實(shí)際問題的能力。

例3.(2017年江蘇高考題節(jié)選)以鋁土礦(主要成分為Al2O3，含SiO2和Fe2O3等雜質(zhì))為原料制備鋁的一種工藝流程如圖3(注：SiO2在“堿溶”時(shí)轉(zhuǎn)化為鋁硅酸鈉沉淀)。

圖3 以鋁土礦為原料制備鋁的工藝流程

2 考點(diǎn)與總結(jié)

(1) 元素化合物知識點(diǎn)是工藝流程問題的基礎(chǔ)，人教版化學(xué)教材必修一第三章和第四章分別介紹了金屬和非金屬元素結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、參加的反應(yīng)、用途，涉及到生產(chǎn)生活中的化學(xué)反應(yīng)，要求考生將已學(xué)過的知識與試題結(jié)合，把握個(gè)體到整體，個(gè)性到共性，做到舉一反三。

(2) 化學(xué)方程式體現(xiàn)了學(xué)科素養(yǎng)中變化觀念和平衡思想，需要判斷反應(yīng)物與生成物后進(jìn)行配平，根據(jù)元素守恒、電荷守恒、得失電子守恒補(bǔ)充隱含的粒子?？疾煅趸€原配平法是出題的常見形式，要熟悉氧化還原反應(yīng)知識，特別是得失電子守恒的理解，還要合理利用題干或流程圖中給定的大量信息。

(3) 電化學(xué)應(yīng)用于流程中的電解步驟，要掌握電解池基本原理，分清陰陽兩極放電粒子，陽極氧化反應(yīng)的放電順序：活潑電極先放電，惰性電極的溶液中存在S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子，由于弱電解質(zhì)水會(huì)電離出OH-，有溶液存在含氧酸根就不參加反應(yīng)，陰極還原反應(yīng)放電順序：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Na+等。

(4) 化學(xué)計(jì)算要掌握一般計(jì)算公式，流程題中?？嫉味▎栴}，包括酸堿中和滴定法、氧化還原滴定法、沉淀滴定法，選修四中提及酸堿中和滴定，H+和OH-反應(yīng)物質(zhì)的量比為1∶1，從而C酸V酸=C堿V堿。流程題中氧化還原滴定較多，可根據(jù)化合價(jià)的變化得出物質(zhì)反應(yīng)比例，再進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)束語

時(shí)代性和應(yīng)用性高考化學(xué)試題已成為高考熱點(diǎn)和亮點(diǎn)的新命題形式，更加注重考核知識與生活生產(chǎn)的聯(lián)系，生活化教學(xué)將成為未來教學(xué)的重要模式。通過工業(yè)流程問題來考察應(yīng)用化學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力，高考大綱更加注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的意識、方法和品質(zhì)。因此，在教學(xué)中除了讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識外，還要讓學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度、形成科學(xué)思維、掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)理解能力，體驗(yàn)探究過程和樂趣，感悟?qū)W習(xí)化學(xué)的價(jià)值所在。