素養(yǎng)導向下無機工藝流程題中的信息方程式書寫
——基于物質結構與平衡思想的典例剖析

廣東 王金樂

1.無機工藝流程題的特點

無機工藝流程題是以真實的化學工業(yè)生產為試題情境，規(guī)?；刂苽浠蛱峒兡承┊a品，體現(xiàn)了物質及其轉化在促進資源綜合開發(fā)與利用中的重要作用。無論是在高考全國卷中，還是在各省市自主命題的試卷中，工藝流程題的考頻都較高?；凇吨袊呖荚u價體系》的理念，下表列出了近3年全國卷Ⅰ中的無機工藝流程題考查的多維細目表，涉及了情境素材、必備知識、關鍵能力、涵蓋的化學核心素養(yǎng)、考查的方程式設問個數(shù)及分值占比。

2019—2021年全國卷Ⅰ無機工藝流程題的考查要點

1.1 無機工藝流程題的試題結構

從表格可以看出，一般的無機工藝流程題的試題結構如圖1所示。

圖1

1.2 信息方程式的考查價值

從圖1可以看出，無機工藝流程題的核心是物質轉化過程中發(fā)生的一系列化學反應，化學方程式則是化學反應的重要表征，是化學用語的核心。由表1可知，基于化工情境的信息化學方程式(含離子方程式、電極反應式)考查分值約為4分，占比較大。這是考查信息方程式書寫的顯性價值。無機工藝流程題中的“流程”“框圖”“箭頭”等可視化的表征是題目的“明線”；而形式多樣的化學反應便是化工生產工藝逐步推進的“暗線”。只有分析清楚了每一步發(fā)生的化學反應，準確地把握物質的轉化，才能判斷濾液及濾渣成分，科學地調節(jié)生產工藝條件，進而選擇合理的分離提純方法，最終不斷提高化工生產的綜合效益，促進社會經濟的綠色可持續(xù)發(fā)展。信息方程式的書寫貫穿整個工藝流程分析的始末，起到承上啟下的作用，這體現(xiàn)了考查的隱形價值。

綜合來看，無機工藝流程題中的信息方程式書寫是考查重點，很多時候也是考查難點之一。因此教師在高考復習備考的過程中，開展無機工藝流程題中的信息方程式書寫等專題復習十分必要。

2.信息方程式的書寫

信息方程式的書寫是指利用已知信息(日常學習積累和題給信息)，結合物質的結構、反應的原理和規(guī)律，通過聯(lián)想、類比、遷移等方法書寫化學方程式。

2.1 信息方程式的類型

在具體的無機工藝流程題的試題情境中，信息方程式包含陌生的化學方程式、離子方程式、電極反應式或者電池總反應式。從化學反應的分類來看，信息方程式主要包括兩類化學反應——氧化還原反應和非氧化還原反應。已有大量論文介紹氧化還原反應類型的信息方程式書寫的方法、策略，筆者不再贅述。本文著重從物質結構、化學平衡思想等角度入手，探討無機工藝流程題中的信息方程式書寫策略。

2.2 信息方程式與能力素養(yǎng)

化學方程式是化學語言，是化學學科特有的表征手段，它搭建起了微觀世界與宏觀世界的溝通橋梁。在復雜的無機工藝流程試題情境中，考生須全面整合信息，厘清流程中的物質轉化，運用理解與辨析、分析與推測等化學學科關鍵能力，才能完成信息方程式的書寫。它旨在培養(yǎng)學生的宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)。教師可通過考試、復習、專題訓練等引導學生建立氧化還原反應型和非氧化還原反應型的信息方程式書寫的解題模型，提升學生的歸納與論證等關鍵能力和證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

2.3 物質結構思想與平衡思想

筆者所說的“物質結構思想”是指通過化合物類型、化學鍵類型等性質并結合元素周期律等遞變性規(guī)律，將反應物合理地拆分為正電性部分和負電性部分。在化學反應過程中，一種反應物的正電性部分與另一種反應物的負電性部分結合，逐步轉化為產物。該思想方法也可以稱為“電性重組”，俗稱“異性相吸”。

“平衡思想”是指在無機工藝流程題的物質轉化情境中，根據(jù)題干前后信息，將電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡和絡合平衡等原理、規(guī)律靈活運用起來，多角度分析物質的轉化，完成信息方程式的書寫。

3.信息方程式的書寫例析

3.1 基于物質結構書寫信息方程式

結構決定性質是化學學科的核心思想。然而多數(shù)學生對“物質結構”望而生畏，覺得抽象難懂，更談不上靈活運用。筆者認為，教師在日常教學中應該適時滲透物質結構的思想，幫助學生建立物質結構與性質的認知模型，可以事半功倍。

3.1.1 離子化合物類型

【例1】寫出實驗室用電石(CaC2)制備乙炔(C2H2)氣體的化學方程式。

圖2

【例2】Mg3N2遇H2O水解產生白色沉淀和能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍且有刺激性氣味的氣體，請寫出相應的化學方程式。

【思維程序】根據(jù)現(xiàn)象推測白色沉淀為Mg(OH)2，氣體為NH3。類比教材《有機化學基礎》中實驗室制取乙炔氣體的反應可知Mg3N2為離子化合物，由Mg2+和N3-構成；H2O是弱電解質，可電離出OH-和H+，根據(jù)電性重組分析過程如圖3所示。

圖3

3.1.2 共價化合物類型

【例3】(2021·廣東省適應性考試·18·節(jié)選)綜合利用煉鋅礦渣[主要含鐵酸鎵Ga2(Fe2O4)3、鐵酸鋅ZnFe2O4]獲得3種金屬鹽，并進一步利用鎵鹽制備具有優(yōu)異光電性能的氮化鎵(GaN)，部分工藝流程如圖4所示。

圖4

(5)GaN可采用MOCVD(金屬有機物化學氣相淀積)技術制得：以合成的三甲基鎵為原料，使其與NH3發(fā)生系列反應得到GaN和另一種產物，該過程的化學方程式為______________________________。

【思維程序】由題意可知“MOCVD”工序中的化學反應為Ga(CH3)3與NH3反應得到目標產物GaN和另一種產物。由分析可知Ga(CH3)3與NH3均為共價化合物，顯然NH3中N原子顯負電性，H原子顯正電性；Ga(CH3)3分子中心原子Ga為金屬元素，與之成鍵的C原子為非金屬元素，原子吸引電子能力C>Ga，故Ga—C共價鍵中C原子顯負電性，Ga原子顯正電性。其分析過程如圖5所示，根據(jù)電性重組，反應生成目標產物GaN和副產物CH4。

圖5

【例4】硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦(主要成分為Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)為原料制備硼酸(H3BO3)的工藝流程如圖6所示：

圖6

(5)單質硼可用于生產具有優(yōu)良抗沖擊性能的硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質硼，用化學方程式表示制備過程：

。

【思維程序】“以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質硼”，該反應體系涉及氧化還原反應，H3BO3中的B(Ⅲ)被金屬鎂還原為單質硼，那么鎂元素最終的存在形式呢？從H3BO3分子結構出發(fā)，由于非金屬性B

圖7

3.2 基于平衡思想書寫信息方程式

3.2.1 電離平衡與沉淀溶解平衡

【例5】(2019·全國卷Ⅲ·26節(jié)選)高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料，工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦(還含F(xiàn)e、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制備，工藝如圖8所示。回答下列問題：

圖8

(6)寫出“沉錳”的離子方程式：

。

圖9

3.2.2 水解平衡與沉淀溶解平衡

【例6】(2019·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)硼酸(H3BO3)是一種重要的化工原料，廣泛應用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工業(yè)。一種以硼鎂礦(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如圖10所示。

圖10

(4)在“沉鎂”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的離子方程式為

。

圖11

3.2.3 絡合平衡

【例7】(2021·湖北省適應性考試·節(jié)選)某化學興趣小組通過查閱文獻，設計了從某廠陽極泥(成分為Cu、Ag2Se、Au、Pt)中回收貴重金屬的工藝，其流程如圖12所示。

圖12

(4)“酸溶”時Pt、Au分別轉化為[PtCl6]2-和[AuCl4]-，寫出Au溶解的離子方程式：

。

3.3 抓住素養(yǎng)提升的時機——競爭反應

這兩個競爭反應統(tǒng)一于一個體系之中，至少可以從兩個角度出發(fā)去看問題，一是難溶物[Mg(OH)2與MgCO3]的溶解度，二是反應體系的pH。不難發(fā)現(xiàn)，其他條件不變時溶解度小的物質更容易生成；pH增大更有利于Mg(OH)2的生成。這說明了化學變化的發(fā)生及趨勢是有條件的，并遵循一定的規(guī)律，教師應引導學生多角度、動態(tài)地分析問題，發(fā)展學生的變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)。

4.結語