工業(yè)流程題重要物質(zhì)確定思維模型的構(gòu)建與應(yīng)用

廣東 劉漢國

工業(yè)流程題是高考常規(guī)題型，是元素化合物知識與生產(chǎn)工藝、化學(xué)原理、化學(xué)實驗等結(jié)合起來的綜合性試題，分值15分左右。工業(yè)流程題引導(dǎo)中學(xué)化學(xué)教學(xué)過程中關(guān)注化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用性和實踐性，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。該題型旨在考查學(xué)生在工藝流程中閱讀分析能力、化學(xué)反應(yīng)原理在工藝流程中的應(yīng)用能力、氧化還原反應(yīng)分析能力、元素化合物性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解和應(yīng)用能力等。工業(yè)流程題以流程圖的形式呈現(xiàn)，以情景方程式書寫、實驗操作、化學(xué)計算和重要物質(zhì)的推斷等為考查方式。工業(yè)流程題綜合性強、難度大，近幾年的得分率僅為30%左右。本文通過構(gòu)建“雜質(zhì)成分確定的思維模型、濾液成分確定的思維模型和循環(huán)物質(zhì)確定的思維模型”，突破工業(yè)流程題中重要物質(zhì)確定的難題，供各位同仁在教學(xué)時參考借鑒。

一、思維模型的構(gòu)建與應(yīng)用

1.雜質(zhì)成分確定的思維模型

除雜是工業(yè)流程中原料處理的重要環(huán)節(jié)。確定雜質(zhì)成分，首先分析題干信息，明確原料成分和產(chǎn)品成分，然后利用原子守恒等知識確定除雜元素，根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)推斷出除雜元素對應(yīng)的生成物，從而可確定雜質(zhì)成分。雜質(zhì)成分確定的思維模型如圖1所示：

圖1 雜質(zhì)成分確定的思維模型

例1(2018·全國卷Ⅱ·26·節(jié)選)我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家，一種以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì))為原料制備金屬鋅的流程如圖2所示：

圖2

相關(guān)金屬離子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如表所示：

金屬離子Fe3+Fe2+Zn2+Cd2+開始沉淀的pH1.56.36.27.4沉淀完全的pH2.88.38.29.4

回答下列問題：

濾渣1的主要成分除SiO2外還有；氧化除雜工序中ZnO的作用是，若不通入氧氣，其后果是。

【解析】根據(jù)題干信息可知，原料成分為ZnS(含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì))和產(chǎn)品成分為Zn，根據(jù)原子守恒推斷出雜質(zhì)元素為Si、Fe、Cd、Pb和S，其中S元素在焙燒時已經(jīng)以SO2氣體的形式除去。根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)可知，二氧化硅與稀硫酸不反應(yīng)，Pb元素對應(yīng)的產(chǎn)物硫酸鉛不溶于水，故濾渣除SiO2外還有PbSO4。由于沉淀亞鐵離子的pH較大，需要將其氧化為鐵離子，通過控制pH得到氫氧化鐵沉淀；濾液中加入鋅粉置換出Cd，最后將濾液電解得到金屬鋅。

【答案】PbSO4調(diào)節(jié)溶液的pH 無法除去雜質(zhì)Fe2+

變式訓(xùn)練1信息時代產(chǎn)生的大量電子垃圾對環(huán)境構(gòu)成了極大的威脅。某“變廢為寶”學(xué)生探究小組將一批廢棄的線路板簡單處理后，得到含70%Cu、25%Al、4%Fe及少量Au、Pt等金屬的混合物，并設(shè)計出如圖3所示制備硫酸銅和硫酸鋁晶體的路線：

圖3

請回答下列問題：

第①步Cu與酸反應(yīng)的離子方程式為；得到濾渣1的主要成分為。

【解析】根據(jù)題干信息可知，原料成分為Cu、Al、Fe、Au、Pt和產(chǎn)品成分中含有的元素為Cu、Al，根據(jù)原子守恒推斷出除雜元素為Fe、Au、Pt。根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)可知，F(xiàn)e與稀硫酸、濃硝酸發(fā)生了反應(yīng)，而Pt和Au不發(fā)生反應(yīng)，故濾渣為Pt和Au。

2.濾液成分確定的思維模型

確定濾液成分，首先分析題干信息，明確原料成分，看清流程圖中的箭頭指向，根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)寫出相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，最后根據(jù)題干信息確定濾液成分。濾液成分確定的思維模型如圖4所示：

圖4 濾液成分確定的思維模型

例2(2018·全國卷Ⅲ·21·節(jié)選)KIO3是一種重要的無機化合物，可作為食鹽中的補碘劑?；卮鹣铝袉栴}：

利用“KClO3氧化法”制備KIO3工藝流程如圖5所示：

圖5

“酸化反應(yīng)”所得產(chǎn)物有KH(IO3)2、Cl2和KCl?！爸餋l2”采用的方法是?！盀V液”中的溶質(zhì)主要是。“調(diào)pH”中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為。

變式訓(xùn)練2(2018·江蘇卷·16·節(jié)選)以高硫鋁土礦(主要成分為Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金屬硫酸鹽)為原料，生產(chǎn)氧化鋁并獲得Fe3O4的部分工藝流程如圖6 所示：

圖6

(3)向“過濾”得到的濾液中通入過量CO2，鋁元素存在的形式由(填化學(xué)式)轉(zhuǎn)化為(填化學(xué)式)。

【解析】根據(jù)題干信息可知，原料成分為Al2O3、Fe2O3、SiO2、FeS2和金屬硫酸鹽,根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)“堿浸”時，Al2O3、SiO2轉(zhuǎn)化為可溶于水的NaAlO2、Na2SiO3，向“過濾”得到的濾液中通入過量CO2，CO2與NaAlO2反應(yīng)生成NaHCO3和Al(OH)3。

【答案】NaAlO2Al(OH)3

3.循環(huán)物質(zhì)確定的思維模型

確定溶液成分，首先分析題干信息，根據(jù)箭頭指向明確加入的物質(zhì)，根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)確定生成的物質(zhì)，然后對加入的物質(zhì)和生成的物質(zhì)進(jìn)行對照，重復(fù)的物質(zhì)即為循環(huán)物質(zhì)。循環(huán)物質(zhì)確定的思維模型如圖7所示：

圖7 循環(huán)物質(zhì)確定的思維模型

例3某地煤矸石經(jīng)預(yù)處理后主要含SiO2(61%)、Al2O3(30%)和少量的Fe2O3、FeO及鈣鎂化合物等。某實驗小組利用其提取Al(OH)3，其流程圖如圖8所示：

圖8

上述流程中可循環(huán)利用的物質(zhì)的化學(xué)式是。

【解析】根據(jù)箭頭指向可知加入的物質(zhì)為鹽酸、氯氣、碳酸鈉、氫氧化鈉和二氧化碳，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)確定生成的物質(zhì)為二氧化碳、氫氧化鐵、氫氧化鋁等，然后對加入的物質(zhì)與生成的物質(zhì)取交集，得到循環(huán)的物質(zhì)為二氧化碳。

【答案】CO2

變式訓(xùn)練3利用石灰乳和硝酸工業(yè)的尾氣(含NO、NO2)反應(yīng)，既能凈化尾氣，又能獲得應(yīng)用廣泛的Ca(NO2)2，其部分工藝流程如圖9所示：

圖9

上述工藝中采用氣—液逆流接觸吸收(尾氣從吸收塔底部進(jìn)入，石灰乳從吸收塔頂部噴淋)，其目的是。濾渣可循環(huán)利用，濾渣的主要成分是(填化學(xué)式)。

【解析】根據(jù)題干信息知尾氣中含NO、NO2，所以工藝中采用氣—液逆流接觸吸收(尾氣從吸收塔底部進(jìn)入，石灰乳從吸收塔頂部噴淋)的目的是使尾氣中NO、NO2被充分吸收。根據(jù)箭頭指向可知加入的物質(zhì)為石灰乳，因為加入的物質(zhì)只有一種，所以循環(huán)使用的物質(zhì)只可能為Ca(OH)2。

【答案】使尾氣中NO、NO2被充分吸收 Ca(OH)2

二、工業(yè)流程題的備課建議

1.重視基礎(chǔ)，滲透觀念

工業(yè)流程題是綜合性試題，元素化合物、生產(chǎn)工藝、化學(xué)原理、化學(xué)實驗等知識是解決該題目的必備知識。在近幾年高考中，問題情境常常源于教材(例如2016·全國卷Ⅰ、2016·北京卷、2017·全國卷Ⅱ、2017·全國卷Ⅲ等)，工業(yè)流程題中的雜質(zhì)成分也是教材中的典型物質(zhì)，所以在高三復(fù)習(xí)時應(yīng)“先學(xué)基礎(chǔ)知識和基本技能，再逐步組合，最后才能綜合應(yīng)用”。另外，在復(fù)習(xí)過程中應(yīng)不斷滲透反應(yīng)觀、守恒觀、物質(zhì)觀等化學(xué)基本觀念。

2.重視應(yīng)用，聯(lián)系生活

工業(yè)流程題關(guān)注化學(xué)在能源、材料、技術(shù)等方面的應(yīng)用。在元素化合物知識復(fù)習(xí)時，不應(yīng)停留在“紙上談兵”，應(yīng)依托真實情景把教學(xué)內(nèi)容與基本實驗、化學(xué)反應(yīng)原理、氧化還原反應(yīng)、化工生產(chǎn)工藝、日常生活等結(jié)合起來，做到學(xué)以致用，而不是簡單的來回重復(fù)和死記硬背。

3.重視方法，聚焦思維