巧用“試劑—雜質(zhì)—操作—產(chǎn)品”四線法突破工藝流程題

湖南 周學(xué)興 楊 華

1.背景分析

1.1 高考背景分析

高考的功能——立德樹人、為國家選拔人才，高考題以真實(shí)問題的解決為背景考查所學(xué)知識(shí)，常以實(shí)際生產(chǎn)工藝為背景，以元素化合物基礎(chǔ)知識(shí)為主線，著眼于學(xué)生接受、吸收、整合信息能力的考查。新課改后的高考有很強(qiáng)的時(shí)代感和實(shí)踐性，化工生產(chǎn)技術(shù)的“工藝流程題”已成為新亮點(diǎn)和主流題型，突出考查學(xué)生對(duì)元素化合物知識(shí)的運(yùn)用，以能力與核心素養(yǎng)考查為根本，著眼于學(xué)生對(duì)化學(xué)信息的接受、吸收、整合能力的考查，以化學(xué)核心知識(shí)、概念為題干，以知識(shí)模型建構(gòu)為落腳點(diǎn)，跳出了讓學(xué)生陷入題海戰(zhàn)的桎梏。

2017年教育部公布的高考考綱發(fā)生了很大的變化，對(duì)化學(xué)而言，刪去“化學(xué)與技術(shù)”模塊，選考部分由原來的“三選一”改為“二選一”，工藝流程題在13、15、16、17年高考全國卷Ⅰ中均有考查，近三年高考化學(xué)考查工藝流程題的情況，見表1。

表1 近三年高考工藝流程題的考查情況

學(xué)生遇到工藝流程題時(shí)，畏懼心嚴(yán)重，得分率較低。2017年湖南省學(xué)生得分情況抽樣表明，27題工藝流程題得分率最低，該題對(duì)學(xué)生整理、吸收、分析化學(xué)信息要求較高，平均得分情況見表2。

表2 2017年全國卷Ⅰ部分非選擇題抽樣平均得分情況

1.2 學(xué)生學(xué)情分析

學(xué)生應(yīng)對(duì)高考，大多同學(xué)把“考點(diǎn)”作為復(fù)習(xí)依據(jù)，用“突破考點(diǎn)”“狂練考點(diǎn)”“強(qiáng)化訓(xùn)練”等為主要手段，進(jìn)行大量的機(jī)械重復(fù)勞動(dòng)，盡管花費(fèi)了大量學(xué)習(xí)時(shí)間，但收效甚微。具體存在以下困難：①閱讀困難，審題過程不能迅速捕捉有用信息。②答題語言不規(guī)范。③元素化合物知識(shí)不扎實(shí)，不能夠辨析微觀反應(yīng)。④思考不全面，雜質(zhì)選擇性屏蔽。⑤思維定勢(shì)，死記硬背，不能靈活運(yùn)用化學(xué)原理分析問題。⑥流程的全面分析與題設(shè)解決的辯證與統(tǒng)一，有的時(shí)候，工藝流程并不需要各個(gè)階段都詳細(xì)分析，而應(yīng)“粗”“細(xì)”結(jié)合，游刃有余。

筆者閱讀了許多關(guān)于工藝流程題解題技巧的文章，本文基于模型認(rèn)知的構(gòu)建，提出“試劑—雜質(zhì)—操作—產(chǎn)品”四線法，舉例說明該法能幫助高三學(xué)生高效理解工藝流程，有效提高學(xué)生處理信息、分析問題、解決問題等方面的能力。

2.“四線法”介紹

“四線法”顧名思義，通過分析四條主線，突破工藝流程題的整體把握，四條主線分別為試劑線、雜質(zhì)線、操作線、產(chǎn)品線。根據(jù)工藝流程題的類型不同，四條主線具體呈現(xiàn)的內(nèi)容不同。

利用“試劑—雜質(zhì)—操作—產(chǎn)品”四線法解工藝流程題的模型認(rèn)知，見圖1。

圖1 四線法解工藝流程題的模型認(rèn)知

四線法，符合真實(shí)化工流程的目的，更快更好地得到更純的產(chǎn)品，有利于提升學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的素養(yǎng)。

2018年全國卷Ⅰ工藝流程題的四線呈現(xiàn)情況、信息呈現(xiàn)形式，見表3。

表3 基于四線法的工藝流程題分析

粗看工藝流程框圖，迅速把握“四線”，能夠整體把控整個(gè)化工流程的框架，儲(chǔ)備一些常見教材工藝流程，比如高中教材中涉及的化學(xué)工業(yè)：①候氏制堿法，②氯堿工業(yè)，③硅酸鹽工業(yè)，④工業(yè)制硫酸，⑤合成氨工業(yè)，⑥工業(yè)制硝酸，⑦金屬Na、Mg、Al、Fe、Cu等的冶煉，⑧海水中提取物質(zhì)等。

2.1 試劑線

需要掌握常見試劑的類型、作用和相關(guān)反應(yīng)，也可稱為反應(yīng)線。常見試劑及其作用，見表4。

表4 常見試劑及其作用

2.2 雜質(zhì)線

對(duì)于礦物質(zhì)而言，測(cè)定元素組成后，即可確定雜質(zhì)，需要積累常見試劑的處理方法、常見雜質(zhì)及其除雜方式，見表5。

表5 常見雜質(zhì)及除雜方式

工藝流程分析過程中，需要抓住雜質(zhì)的去向分析，切勿因?yàn)樗季S的不嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致某雜質(zhì)還未除去卻茫然不知。違背了化工生產(chǎn)的目的。同時(shí)雜質(zhì)的去除離不開試劑線的分析。

2.3 操作線

主要指的是分離提純操作，每加一次試劑，便需要思考是否需要過濾、蒸發(fā)、冷卻結(jié)晶、蒸餾、萃取等分離提純操作，見表6。

表6 常見操作及目的

2.4 產(chǎn)品線

試劑線、雜質(zhì)線、操作線展開是為了獲取產(chǎn)品，產(chǎn)品的獲取主要通過除去雜質(zhì)，發(fā)生核心反應(yīng)而獲取產(chǎn)品。通過總結(jié)近幾年全國卷Ⅰ高考化學(xué)工藝題產(chǎn)品的獲取方式(見表7)，不難發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的獲取具有以下特點(diǎn)：①主要圍繞金屬元素的相關(guān)工藝品進(jìn)行考查；②工藝產(chǎn)品具有多樣性，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)需要實(shí)效性；③產(chǎn)品的獲取可能在流程的前半部分；更多是后期才得到產(chǎn)品；④產(chǎn)品的獲取，需要試劑參與反應(yīng)轉(zhuǎn)化，可能發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)；⑤產(chǎn)品的獲取，所涉及的分離提純操作及方法，離不開產(chǎn)品自身的性質(zhì)，由于大部分產(chǎn)品是固體，故基本上離不開結(jié)晶的相關(guān)操作。

表7 工藝產(chǎn)品的獲取

3.習(xí)題感悟

基于四線法，能夠全面了解工藝流程框圖的過程，理解如何除雜、試劑如何使用、產(chǎn)品如何獲取、如何操作等。

【案例1】鍶(Sr)為第五周期ⅡA族元素，高純六水氯化鍶晶體(SrCl2·6H2O)具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，61℃時(shí)晶體開始失去結(jié)晶水，100℃時(shí)失去全部結(jié)晶水。用工業(yè)碳酸鍶粉末(含少量Ba、Fe的化合物)制備高純六水氯化鍶的過程如圖2。

圖2

請(qǐng)回答：

(1)寫出步驟②在漿液中加入鹽酸時(shí)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：________________。

(2)步驟③中調(diào)節(jié)溶液pH至8～10，宜選用的試劑為________。

A.稀硫酸 B.氫氧化鍶粉末

C.氫氧化鈉 D.氧化鍶粉末

所得濾渣的主要成分是________(填化學(xué)式)。

(3)步驟⑤中，洗滌氯化鍶晶體最好選用________。

A.水 B.稀硫酸

C.氫氧化鈉溶液 D.氯化鍶飽和溶液

(4)工業(yè)上用50～60℃熱風(fēng)吹干六水氯化鍶，選擇該溫度的原因是________________。

(5)若濾液中Ba2+濃度為1×10-5mol·L-1，依據(jù)表8中數(shù)據(jù)可以推算濾液中Sr2+物質(zhì)的量濃度為________。

表8

【工藝流程分析】

(2)BD BaSO4和Fe(OH)3

(3)D

(4)溫度高于61℃，SrCl2·6H2O失去結(jié)晶水

通過試劑線、雜質(zhì)線、操作線、產(chǎn)品線四線并進(jìn)的分析方法，有序有效地突破了工藝流程題的難點(diǎn)，解決了學(xué)生思考不全面的問題。關(guān)注題目的每一條線，但不必將每一條線都推出，問什么推什么，要帶著問題去精心研究某一步或某一個(gè)物質(zhì)。

【案例2】(2018·全國卷Ⅰ·27，節(jié)選)焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)在醫(yī)藥、橡膠、印染、食品等方面應(yīng)用廣泛?；卮鹣铝袉栴}：

(1)生產(chǎn)Na2S2O5，通常是由NaHSO3過飽和溶液經(jīng)結(jié)晶脫水制得。寫出該過程的化學(xué)方程式：__________________________。

(2)利用煙道氣中的SO2生產(chǎn)Na2S2O5的工藝如圖3所示：

圖3

① pH=4.1時(shí)，Ⅰ中為________(寫化學(xué)式)溶液。

② 工藝中加入Na2CO3固體并再次充入SO2的目的是________________。

【工藝流程分析】整合吸收化學(xué)信息：工業(yè)上通過NaHSO3過飽和溶液結(jié)晶脫水制得Na2S2O5。分析流程可知，該題的主線為試劑線、產(chǎn)品線、操作線，并未體現(xiàn)試劑線與雜質(zhì)線的關(guān)系。

直接切中要害，通入SO2即可得到產(chǎn)品，結(jié)合已知信息，其目的不言而喻，是為了得到NaHSO3過飽和溶液。

(2)①NaHSO3②得到NaHSO3過飽和溶液

【案例3】某科研小組以難溶性鉀長石(K2O·Al2O3·6SiO2)為原料，提取Al2O3、K2CO3等物質(zhì)，工藝流程如圖4所示：

圖4

上述工藝中可以循環(huán)利用的主要物質(zhì)是________、________和水。

【工業(yè)流程分析】

既消耗又生成的物質(zhì)，通過試劑線分析可知還有Na2CO3和CO2能夠循環(huán)利用。

【答案】Na2CO3CO2

【案例4】(2017·全國卷Ⅰ·27，節(jié)選)Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì))來制備，工藝流程如圖5所示：

圖5

(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應(yīng)40 min所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示：

表9

分析40℃時(shí)TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率最高的原因：________________________________。

【化工流程分析】

基于中間產(chǎn)物高效獲取這一目的，結(jié)合產(chǎn)品線及操作線的分析，可知在該流程中溫度為何選擇40℃，需要從過高過低角度分析原因，低于40℃時(shí)，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增加，超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率下降。

【答案】低于40℃，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增加，超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率下降。

4.練后提煉——特殊設(shè)問及其解決策略

工藝流程題，往往需要在四線基礎(chǔ)上，積累特殊設(shè)問的應(yīng)對(duì)策略，這樣工藝流程題不再會(huì)是高中生的“攔路虎”，近幾年高考易錯(cuò)的熱點(diǎn)設(shè)問如下：

4.1 分析循環(huán)利用的物質(zhì)和可回收的物質(zhì)

循環(huán)利用和回收利用，是工業(yè)生產(chǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益、降低污染、提高物質(zhì)的利用率等的必要手段。

①理解物質(zhì)循環(huán)利用目的是節(jié)能減排，“綠色化學(xué)”，降低成本等，提煉出一定不會(huì)用于循環(huán)的物質(zhì)：目標(biāo)產(chǎn)物、雜質(zhì)，可以用于循環(huán)的物質(zhì)：輔助試劑、母液。

②可回收的物質(zhì)：副產(chǎn)品(非目標(biāo)產(chǎn)品)。

應(yīng)對(duì)策略：弄清楚每一步的反應(yīng)物、產(chǎn)物，對(duì)比“投入”“輸出”，消耗又生成即為循環(huán)利用物質(zhì)。

4.2 分析調(diào)節(jié)溶液的pH

①目的：使溶液中的某金屬陽離子形成氫氧化物完全沉淀下來而除去。

②需要的物質(zhì)：含主要陽離子的難溶性氧化物或氫氧化物或碳酸鹽，即能與H+反應(yīng)，使pH增大的物質(zhì)，如MgO、Mg(OH)2等。

③原理：加入的物質(zhì)能與溶液中的H+反應(yīng)，降低了H+濃度，增大pH。

④pH控制的范圍：大于除去離子的完全沉淀值，小于主要離子開始沉淀的pH。

4.3 分析洗滌沉淀

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，沉淀的洗滌主要圍繞洗滌什么雜質(zhì)、怎么洗(洗滌操作)、用什么洗滌、為什么用這個(gè)洗滌劑等問題展開分析，考題亦如此。

(1)沉淀洗滌的目的：除去沉淀表面附著或沉淀中包夾的可溶性離子。

(2)洗滌方法：向漏斗內(nèi)加蒸餾水至浸沒沉淀，待水自然流出后，重復(fù)操作2～3次。

(3)沉淀劑是否過量的判斷方法答題模板。

①加沉淀劑：靜置，向上層清液中繼續(xù)滴加少量沉淀劑，若無沉淀產(chǎn)生，則證明沉淀劑已過量。

②加入與沉淀劑反應(yīng)的試劑：靜置，取適量上層清液于另一潔凈試管中，向其中加入少量與沉淀劑作用產(chǎn)生沉淀的試劑，若產(chǎn)生沉淀，證明沉淀劑已過量。注意：若需稱量沉淀的質(zhì)量而進(jìn)行有關(guān)定量計(jì)算時(shí)則只能選用方法(1)。

(4)判斷沉淀是否洗凈的操作答題模板(一般考查氯離子和硫酸根離子等沉淀型的離子檢驗(yàn))取最后一次洗滌液，滴加……(試劑)，若沒有……現(xiàn)象，證明沉淀已洗凈。

4.4 分析控制溫度

溫度的控制，實(shí)際生產(chǎn)過程中主要基于反應(yīng)速率、物質(zhì)的溶解度(溶解度曲線)、物質(zhì)的熱分解與揮發(fā)(物質(zhì)的性質(zhì)分析)、弱離子的水解(平衡)、能源的利用(耗能)、副反應(yīng)的發(fā)生、催化劑的活性、生產(chǎn)安全性等方面的思考。一般需要考慮溫度過高、過低會(huì)有怎樣的效果。具體如下：

(1)加熱：加快反應(yīng)速率或溶解速率

促進(jìn)平衡向吸熱方向移動(dòng)；除雜，除去熱穩(wěn)定性差的雜質(zhì)，如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、I2、NH4Cl等物質(zhì)。使沸點(diǎn)相對(duì)較低的原料氣化。

(2)降溫：防止某物質(zhì)在高溫時(shí)溶解(或分解)

使化學(xué)平衡向著題目要求的方向移動(dòng)(放熱方向)，使某個(gè)沸點(diǎn)較高的產(chǎn)物液化，使其與其他物質(zhì)分離，降低晶體的溶解度，減少損失，尤其是減壓蒸發(fā)、減壓烘干，通過降低溫度需求，防止目標(biāo)物質(zhì)的分解。

(3)控溫：(用水浴或油浴控溫)

防止某種物質(zhì)溫度過高時(shí)分解或揮發(fā)，為了使某物質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)揮發(fā)出來，使催化劑的活性達(dá)到最好，防止副反應(yīng)的發(fā)生，降溫或減壓可以減少能源成本，降低對(duì)設(shè)備的要求，達(dá)到綠色化學(xué)的要求。

4.5 分析化工流程的評(píng)價(jià)

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，評(píng)價(jià)化工流程，需要考慮速率、產(chǎn)率、產(chǎn)品純度、成本、污染、循環(huán)利用等方面，其中污染主要指的是：廢渣、廢液(酸、堿、重金屬鹽)、廢氣(Cl2、Br2、硫和氮的氧化物等)。

教學(xué)中注重化工流程的評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)生產(chǎn)、社會(huì)環(huán)境等問題，激發(fā)學(xué)生探究潛質(zhì)。

5.總結(jié)

利用“試劑—雜質(zhì)—操作—產(chǎn)品”四線法可以快速地理解工藝流程題的流程模型，通過常見問題認(rèn)知模型的構(gòu)建，能夠真正了解工藝流程的框架，掌握“四線”及常見設(shè)問的解決方式，高三學(xué)子便可不用對(duì)工藝流程題“望而生畏”。

但在教學(xué)過程中不能只強(qiáng)調(diào)解題，通過解題引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)真實(shí)工藝的復(fù)雜性、綜合性，比如雜質(zhì)的去除可以選擇方案Ⅰ也可以選擇方案Ⅱ，需要綜合考慮整個(gè)流程最終確定最佳方案，同時(shí)應(yīng)該注重真實(shí)工業(yè)工藝的介紹，創(chuàng)設(shè)條件讓學(xué)生走進(jìn)生產(chǎn)一線，切實(shí)體會(huì)“紙上得來終覺淺”，提供有利條件，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件，拋出問題，讓學(xué)生通過“四線法”自主設(shè)計(jì)如何綜合利用礦物質(zhì)或廢渣的實(shí)驗(yàn)方案，并實(shí)施實(shí)驗(yàn)。最終讓學(xué)生明白高考化學(xué)所考查的是一道工藝的簡(jiǎn)化模式，還需要有化工專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)效益等方面的分析，才能夠真正批量生產(chǎn)。通過利用四線法幫助學(xué)生從具體知識(shí)的掌握到實(shí)際問題的解決，最終到知識(shí)素養(yǎng)化的轉(zhuǎn)變。通過“四線法”分析工藝流程題教學(xué)，讓學(xué)生順利地邁出認(rèn)識(shí)化學(xué)工藝的第一步，并不斷引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注日常的生產(chǎn)實(shí)際問題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提高學(xué)生分析、解決問題的能力。