探究化學(xué)工藝流程題的解題策略

孫麗娟

縱觀近幾年的高考化學(xué)試題，化學(xué)工藝流程題已成為必考題型，探究此類(lèi)試題的解題策略勢(shì)在必行。在課程改革后，中學(xué)教育對(duì)學(xué)生學(xué)科綜合能力的培養(yǎng)越來(lái)越重視，特別是在STEM[科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）]教育理念走進(jìn)校園后，提高學(xué)生運(yùn)用學(xué)科綜合知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力已成為中學(xué)化學(xué)教師教學(xué)的重要組成部分。與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)緊密相關(guān)的化學(xué)工藝流程題有著集科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)于一身的特點(diǎn)，備受命題者的青睞?；瘜W(xué)工藝流程試題考查的知識(shí)面廣，有利于考查學(xué)生中學(xué)化學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，試題的陌生度高、文字量大，是知識(shí)與能力的巧妙融合，有利于檢測(cè)學(xué)生的思維能力及知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

一、以回收金屬為目的的工藝流程題

以回收金屬為目的的工藝流程題，多以線型工藝流程題呈現(xiàn)。在分析此類(lèi)試題時(shí)，我們可先對(duì)比分析原料和產(chǎn)品之間的關(guān)系，弄清楚由原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)哪些基本工藝，在這些工藝過(guò)程中又需要加入哪些物質(zhì)，最后逐步解答試題中的問(wèn)題。分析過(guò)程中既要“瞻前”又要“顧后”，即考慮原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的同時(shí)，考慮原料的充分利用和副產(chǎn)品的變廢為寶。

例1（2018年全國(guó)卷Ⅰ）磷酸亞鐵鋰（LiFePO4）電池是新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池之一。采用濕法冶金工藝回收廢舊磷酸亞鐵鋰電池正極片中的金屬，其流程如下：

下列敘述錯(cuò)誤的是（ ）

A.合理處理廢舊電池有利于保護(hù)環(huán)境和資源再利用

B.從“正極片”中可回收的金屬元素有Al、Fe、Li

C.“沉淀”反應(yīng)的金屬離子為Fe3+

D.上述流程中可用硫酸鈉代替碳酸鈉

解析：由題給流程圖可知，原料是正極片，所需產(chǎn)品是其中含有的金屬元素。正極片通過(guò)堿溶生成偏鋁酸鈉濾液和含磷酸亞鐵鋰的濾渣;由產(chǎn)品可知，需要把濾渣中所含的金屬元素分離提純，可與硫酸和硝酸反應(yīng)生成Li+、PO43-、Fe3+等的濾液，以及不溶于硫酸和硝酸的炭黑等濾渣;由得到的濾液中含有的金屬元素可知，可將其中的Fe3+生成沉淀濾出，可使用堿液進(jìn)行提取，生成的沉淀是強(qiáng)氧化鐵;與堿液反應(yīng)得到的濾液中含有鋰元素，可與碳酸鈉反應(yīng)生成LiCO3沉淀。由此分析各選項(xiàng)：A項(xiàng)，廢舊電池中含有重金屬元素，隨意丟棄會(huì)污染環(huán)境，且廢舊電池中含有可回收利用的金屬，故合理處理廢舊電池有利于保護(hù)環(huán)境和資源的再利用，正確;B項(xiàng)，由流程圖可知，從正極片中含有的金屬元素有Al、Fe、Li，正確;C項(xiàng)，濾液和堿液反應(yīng)生成的沉淀是氫氧化鐵沉淀，含有鐵離子，正確;D項(xiàng)，若用硫酸鈉代替碳酸鈉，最終生成的物質(zhì)是硫酸鋰，不能形成沉淀，故不可用硫酸鈉代替碳酸鈉，錯(cuò)誤。

答案：D

二、以混合物的分離、提純?yōu)槟康牡墓に嚵鞒填}

在解答以混合物的分離、提純?yōu)槟康牡墓に嚵鞒填}時(shí)，首先要在流程中找出所需物質(zhì)，而原料中除含有主要物質(zhì)外還含有哪些雜質(zhì)，并找出它們之間的關(guān)系，又要如何才能將它們分開(kāi);然后逐一分析加入的試劑，清楚加入試劑的目的以及加入試劑后發(fā)生的反應(yīng)及產(chǎn)物，若有雜質(zhì)則要考慮除雜方法，采用什么樣的方法才能將雜質(zhì)除去;最后逐步解答試題中設(shè)置的問(wèn)題。為快速、正確地解答此類(lèi)試題，宜采用“分段”分析法和“交叉”分析法，即可以先從流程圖中找出解答問(wèn)題時(shí)所學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)，如原產(chǎn)品的處理階段、雜質(zhì)與其他物質(zhì)之間的分離階段、產(chǎn)品的獲得階段，認(rèn)真分析、仔細(xì)辨認(rèn)，獲得有效信息;而在流程圖中包含多種原產(chǎn)品時(shí)則可以采用“交叉”分析法，由幾種原材料經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)得到各種中間產(chǎn)品，中間產(chǎn)品再經(jīng)過(guò)與其他物質(zhì)反應(yīng)結(jié)合成最終產(chǎn)品，其中還會(huì)有部分物質(zhì)可循環(huán)利用（此時(shí)試題中可能涉及“綠色化學(xué)”的考查），需要學(xué)生具備“眼觀八方”之能，分析各種原材料與產(chǎn)品之間的關(guān)系，不僅橫向分析，還要縱向分析。

例2（2018年江蘇卷）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的部分工藝流程如下：

（1）焙燒過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生SO2，用NaOH溶液吸收過(guò)量SO2的離子方程式為。

（2）添加1%CaO和不添加CaO的礦粉焙燒，其硫去除率隨溫度變化曲線如右圖所示。

已知：多數(shù)金屬硫酸鹽的分解溫度都高于600℃

硫去除率=（1-）×100%

①不添加CaO的礦粉在低于500℃焙燒時(shí)，去除的硫元素主要來(lái)源于。

②700℃焙燒時(shí)，添加1%CaO的礦粉硫去除率比不添加CaO的礦粉硫去除率低，其主要原因是。

（3）向“過(guò)濾”得到的濾液中通入過(guò)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）。

（4）“過(guò)濾”得到的濾渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3與FeS2混合后在缺氧條件下焙燒生成Fe3O4和SO2，理論上完全反應(yīng)消耗的n（FeS2）∶n（Fe2O3）=。

解析：（1）SO2為酸性氧化物，與堿反應(yīng)生成的鹽是亞酸鹽，即過(guò)量SO2與NaOH反應(yīng)生成NaHSO3，由此可寫(xiě)出反應(yīng)的化學(xué)方程式，然后根據(jù)離子方程式的書(shū)寫(xiě)規(guī)則正確書(shū)寫(xiě)出離子方程式。（2）①題設(shè)中已知“多數(shù)金屬硫酸鹽的分解溫度都高于600℃”，則不添加CaO的礦粉在低于500℃焙燒時(shí)，去除的硫元素主要來(lái)源于含有硫元素的FeS2。②由題設(shè)所給圖示可知，同一溫度下添加CaO的礦粉硫去除率更低，由硫去除率的公式可知，其主要原因是添加了1%CaO的礦粉硫可以使其中的硫元素轉(zhuǎn)化為CaSO4而留在礦粉中，化學(xué)方程式為2CaO+2SO2+O2=2CaSO4。（3）“過(guò)濾”后得到的濾液中含有NaAlO2、Na2SiO3，向其中加入過(guò)量的CO2，鋁元素的形式由NaAlO2轉(zhuǎn)化為Al（OH）3，對(duì)應(yīng)的離子方程式為CO2+AlO2-+2H2O=Al（OH）3↓+HCO3-;（4）Fe2O3與FeS2的混合物在缺氧條件下焙燒，生成的是Fe3O4和SO2，反應(yīng)的化學(xué)方程式為16Fe2O3+FeS211Fe3O4+2SO2↑，由此可知，理論上完全反應(yīng)消耗的n（FeS2）∶n（Fe2O3）=1︰16。

答案：（1）SO2+OH-===HSO3-（2）①FeS2②硫元素轉(zhuǎn)化為CaSO4而留在礦粉中（3）NaAlO3Al（OH）3（4）1︰16

綜上，解答化學(xué)工藝流程題時(shí)要從生產(chǎn)目標(biāo)出發(fā)，讀懂流程圖，明確一切反應(yīng)或操作都是為了獲得產(chǎn)品，從試題和題設(shè)問(wèn)題中獲取信息，深入了解工藝流程后再開(kāi)始逐一答題。在答題時(shí)要按照題目要求，運(yùn)用正確規(guī)范的化學(xué)用語(yǔ)，力求答案的清晰性、精準(zhǔn)性。