高考化學(xué)工藝流程題命題探討

岳慶先　呂存正

摘要： 分析高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對高中生化學(xué)素養(yǎng)的要求，探究工藝流程題與核心素養(yǎng)的關(guān)系及命題特點(diǎn)，建構(gòu)工藝流程題的命題模型，并在模型指導(dǎo)下以部分高考試題為例，分析工藝流程題的命題角度和?？純?nèi)容，探究工藝流程題與發(fā)展學(xué)生認(rèn)知模型、建構(gòu)思維模型及其應(yīng)用之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 高考命題; 工藝流程題; 溶浸; 轉(zhuǎn)化與分離; 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2019）10007705中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對學(xué)生未來發(fā)展的重要價(jià)值[1]。試題命制的原則要以核心素養(yǎng)為測試宗旨，以真實(shí)情境為測試載體，以實(shí)際問題為測試任務(wù)，以化學(xué)知識為問題解決工具[2]。“工藝流程題”具有形式新穎、信息豐富、靈活多變的特點(diǎn)，既可以考查“元素及其化合物性質(zhì)”，又可以考查“實(shí)驗(yàn)”及“化學(xué)與技術(shù)”。考查內(nèi)容既有常見元素及其化合物的性質(zhì)與應(yīng)用，又有化學(xué)反應(yīng)原理理論知識的運(yùn)用，還有實(shí)驗(yàn)操作與化工技術(shù)等[3]。由于利用這種題型可以創(chuàng)設(shè)陌生新穎的情境，能夠很好地考查學(xué)生在陌生情境中提取信息，利用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，把化學(xué)素養(yǎng)較高的考生選拔出來，在高考試題中備受命題人的青睞。近三年新課標(biāo)卷工藝流程題統(tǒng)計(jì)如表1所示。

在相關(guān)期刊上，可以看到一些有關(guān)工藝流程題的解析類文章，但這些文章偏重于工藝流程題的解題策略和解題技巧，從命題角度探討工藝流程題的文章還不多見。本文從工藝流程題的命題角度入手，探究工藝流程題的命題模型，以高考真題為例，分析工藝流程題的常見命題角度和?？純?nèi)容，探究工藝流程題與發(fā)展學(xué)生認(rèn)知模型、建構(gòu)思維模型及思維模型應(yīng)用的關(guān)系。

1 工藝流程題的考查內(nèi)容與核心素養(yǎng)的發(fā)展

工藝流程題是以工藝流程的形式，以元素及其化合物為基本素材，以物質(zhì)轉(zhuǎn)化中涉及的氧化還原反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)、水解反應(yīng)的應(yīng)用為考查重點(diǎn)，以流程中涉及沉淀溶解平衡分析及計(jì)算、電解池原理的應(yīng)用為難點(diǎn)，以常見物質(zhì)的分離方法及實(shí)驗(yàn)操作為探究手段，綜合考查學(xué)生解決化學(xué)問題的能力。工藝流程題是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的理想題型，圖1是工藝流程題與發(fā)展核心素養(yǎng)的關(guān)系圖。

2 工藝流程題的命題模型

工藝流程題的命題素材一般是從大學(xué)教材、《濕法冶金屬原理》、《萃取冶金》等書上選取的。從選取的工藝流程素材中找出與中學(xué)聯(lián)系緊密的物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)、條件控制方法、物質(zhì)分離操作等進(jìn)行命題。因?yàn)楣I(yè)冶金一般分為三個(gè)階段，所以該試題一般也分為“三階段”，即預(yù)處理階段、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分離階段、目標(biāo)產(chǎn)品生成階段（見圖2），體現(xiàn)了試題的真實(shí)性。

工藝流程題表示方法來源于化工生產(chǎn)實(shí)際，規(guī)范的工藝流程一般呈現(xiàn)以下四方面的信息：

① 表示物料（物質(zhì)）走向，即什么步驟加入哪些物質(zhì)，每種物質(zhì)發(fā)生什么反應(yīng)或轉(zhuǎn)變，又以何種形式得到。

② 表示工藝的主要步驟。實(shí)際化工生產(chǎn)非常復(fù)雜，步驟很多，難以一一表示出來，流程圖只要將主要步驟表示出來即可。

③ 用“方框”框起來的地方表示有操作，傳統(tǒng)化工的實(shí)際生產(chǎn)中往往設(shè)置崗位，需要工人值崗;而不加方框的地方表示沒有操作。

④ 標(biāo)注操作或反應(yīng)的主要條件，如用量、pH控制、溫度等[4]。

3 工業(yè)流程題命題模型示例

示例1（2018全國Ⅱ卷T26） 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3所示。

3.1 預(yù)處理階段

預(yù)處理一般指原料粉碎、焙燒等。預(yù)處理的目的是使原料中待提取元素的狀態(tài)，由難浸出的化合物或單質(zhì)轉(zhuǎn)變成易浸出的化合物[5]。粉碎可以增加固體的比表面積，增大后續(xù)溶浸（或浸出）階段的速率。在焙燒預(yù)處理中，有氧化焙燒、硫酸化焙燒和氯化焙燒[6]。原料在空氣中灼燒，焙燒的目的主要有兩點(diǎn)： 一為非金屬元素被氧化為高價(jià)氣態(tài)氧化物逸出或氧化成高價(jià)態(tài)化合物;二為金屬元素被氧化為高價(jià)態(tài)氧化物或高價(jià)態(tài)化合物。真題在預(yù)處理階段的設(shè)問角度往往從粉碎與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系、焙燒中的化學(xué)反應(yīng)等入手。近3年真題涉及的預(yù)處理統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由表2內(nèi)容可知，粉碎（或研磨）的目的常設(shè)計(jì)為條件對反應(yīng)速率的影響問題。焙燒（熔融）的目的常設(shè)計(jì)為氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式或離子方程式的書寫問題。

3.2 物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分離階段

物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分離階段是達(dá)到工藝流程目的的關(guān)鍵階段，在該階段物料通過氧化還原反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)、鹽類水解、沉淀轉(zhuǎn)化等反應(yīng)達(dá)到除雜、元素化合價(jià)變化等目的。該階段一般包括溶浸（酸浸、堿浸、鹽浸）、元素化合物的氧化還原或沉淀轉(zhuǎn)化、除雜及分離（過濾、萃取分液）等內(nèi)容。近3年真題涉及的溶浸統(tǒng)計(jì)見表3。

由表3內(nèi)容可知，溶浸目的常設(shè)計(jì)為化學(xué)方程式或離子方程式的書寫或者設(shè)計(jì)為溶浸所得的濾渣中產(chǎn)物的分析。

3.2.1 溶浸

溶浸的目的是把固體轉(zhuǎn)化為溶液，以便于后繼的轉(zhuǎn)化或分離。

酸浸是指把預(yù)處理得到的物料與酸（鹽酸或硫酸）溶液進(jìn)行反應(yīng)，使物料中的堿性或兩性氧化物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鹽、并用酸抑制該鹽的水解同時(shí)除去不溶于該酸的雜質(zhì)（如SiO2或CaSO4等）。

堿浸主要是用堿溶液將物料中的酸性氧化物、兩性氧化物或鋁鹽等浸入溶液（如NaOH溶液與氧化鋁或鋁鹽反應(yīng)），以便于后繼的轉(zhuǎn)化或除去。

鹽浸主要是用鹽溶液氧化物料中的還原性金屬（如FeCl3溶液氧化銅、鐵，用NaClO溶液氧化

銀等）、或者用鹽把物料中的難溶鹽轉(zhuǎn)化為易溶鹽[如Na2CO3將白鎢礦中（CaWO4）的W元素轉(zhuǎn)化成Na2WO4]。

3.2.2 元素化合物的氧化還原或沉淀轉(zhuǎn)化

元素化合物的氧化還原一般是指利用氧化劑O2、 H2O2、 HNO3、 NaClO、 KClO3等氧化低價(jià)金屬離子（如Fe2+→Fe3+、 VO2+→VO+2），或者用還原劑SO2、 HCHO、 N2H4及活潑金屬等還原氧化性的微粒（如SO2-3、 Ag+），以達(dá)到除去雜質(zhì)或達(dá)到轉(zhuǎn)化目的。

由表4可知，常利用加入氧化劑氧化具有還原性的離子而達(dá)到轉(zhuǎn)化目的，也有少數(shù)題是利用加入還原劑還原某些具有氧化性的離子達(dá)到除雜或轉(zhuǎn)化目的。另外，電解法也可以代替試劑達(dá)到轉(zhuǎn)化目的。

3.2.3 物質(zhì)的分離

該階段有關(guān)物質(zhì)的分離常見的為過濾、萃取與反萃取。過濾是固相與液相的分離方法。萃取則是利用物質(zhì)性質(zhì)由一個(gè)液相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)液相的分離方法。萃取的作用是： 從礦石的浸出液中，提取和富集有價(jià)金屬;分離化學(xué)性質(zhì)相近的金屬離子[7]。

萃取的操作步驟一般是首先將水溶液（料液）與有機(jī)溶劑（或溶液）充分混合，然后利用兩相的密度不同靜置分相。分出的稱為萃余液，有機(jī)相稱為負(fù)載有機(jī)相，被萃入到有機(jī)相中去的物質(zhì)稱為被萃取物（起富集或分離作用）。被萃取物萃入有機(jī)相后，一般需要使其重新返回水相，此時(shí)把負(fù)載有機(jī)相與反萃劑（一般為無機(jī)酸或堿的水溶液，也可以是純水）接觸，使被萃取物轉(zhuǎn)入水相，這一過程相當(dāng)于萃取的逆過程，故稱為反萃取[8]。如： 2013課標(biāo)Ⅰ卷27題出現(xiàn)有機(jī)相萃取Co2+及反萃取Co2+的步驟。

3.3 目標(biāo)產(chǎn)品生成階段

目標(biāo)產(chǎn)品生成階段是工業(yè)流程制備目標(biāo)產(chǎn)物的最后階段。該階段是把前階段所得的鹽溶液通過蒸發(fā)結(jié)晶（或蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶）、過濾、洗滌、干燥得到目標(biāo)產(chǎn)物的晶體，或者將所得溶液經(jīng)過電解制取目標(biāo)產(chǎn)物。若前階段得到的物質(zhì)為固體，一般通過氧化劑氧化或者采用還原劑還原得目標(biāo)產(chǎn)物。近3年真題涉及目標(biāo)產(chǎn)品生成階段統(tǒng)計(jì)見表5。

由表5可知，若目標(biāo)產(chǎn)品為鹽（或含結(jié)晶水的鹽），一般設(shè)計(jì)“得到該鹽的操作是什么”，如蒸發(fā)結(jié)晶或蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌。若目標(biāo)產(chǎn)品為高價(jià)態(tài)鹽（或金屬單質(zhì)），一般設(shè)計(jì)為“電解得到該產(chǎn)物的陽極（或陰極）電極反應(yīng)式的書寫”問題。通過煅燒得到產(chǎn)品的，一般設(shè)計(jì)為“書寫該煅燒過程反應(yīng)的化學(xué)方程式”。

工藝流程題的命題思路，往往是通過流程分析，考查學(xué)生能否利用物質(zhì)守恒思想弄明白各元素的來龍去脈、物料走向，在明白各步操作目的與原理的基礎(chǔ)上，獲取主要信息和有用信息，并運(yùn)用相關(guān)知識進(jìn)行分析問題和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 3， 78～79.

[3][4]教育部考試中心. 高考理科試題分析理科綜合分冊（2018年版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 210， 211.

[5][6]馬榮駿. 濕法冶金原理[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2007： 299.

[7][8]馬榮駿. 萃取冶金[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2009： 5.