高考化學試題中工藝流程題的特點分析及解題策略

◇ 山東 張劍鋒

工藝流程題是將工業(yè)生產(chǎn)中的主要階段以框圖形式抽象出來，以背景的形式出現(xiàn)在試題中，結(jié)合中學化學知識步步設問，綜合考查學生的基礎知識、基本技能、學科思想、學科素養(yǎng)．在高考試卷中占有較大比重，綜合性較強，難度大，考生得分往往比較困難．本文結(jié)合2020年全國理綜卷Ⅰ化學試題加以分析．

1 試題特點

縱觀近幾年高考試題，工藝流程題主要選擇以過渡元素為背景元素，結(jié)合物質(zhì)的制備和分離考查元素化合物性質(zhì)、平衡移動原理、電解質(zhì)溶液、電化學、物質(zhì)分離提純實驗操作、物質(zhì)循環(huán)使用以及有關(guān)計算．

2 典例分析

例（2020年全國卷Ⅰ）釩具有廣泛用途．黏土釩礦中，釩以＋3、＋4、＋5價的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽以及Si O2、Fe3O4．采用圖1所示工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3．

圖1

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的p H如表1所示．

表1

回答下列問題:

（1）“酸浸氧化”需要加熱，其原因是________．

（2）“酸浸氧化”中，VO＋和 VO2＋被氧化成V，同時還有________被氧化．寫出VO＋轉(zhuǎn)化為V反應的離子方程式________．

（3）“中和沉淀”中，釩水解并沉淀為 V2O5·xH2O，隨濾液②可除去金屬離子 K＋、Mg2＋、Na＋、________，以及部分的________．

（4）“沉淀轉(zhuǎn)溶”中，V2O5·xH2O 轉(zhuǎn)化為釩酸鹽溶解．濾渣③的主要成分是________．

（5）“調(diào)p H”中有沉淀生成，生成沉淀反應的化學方程式是________．

（6）“沉釩”中析出NH4VO3晶體時，需要加入過量NH4Cl，其原因是________．

分析比較原料和產(chǎn)品，結(jié)合中間流程、表格數(shù)據(jù)和第（2）（3）（4）問中的相關(guān)信息，根據(jù)元素守恒和物質(zhì)轉(zhuǎn)化基本規(guī)律，得出釩的變化路徑是:釩礦粉先酸溶為VO＋和VO2＋，后氧化為VO＋2，然后“中和沉淀”為V2O5·xH2O，再“沉淀轉(zhuǎn)溶”為 Na VO3，最后“沉釩”為NH4VO3；鉀、鎂硫酸鹽易溶于水，“酸浸氧化”后進入濾液①，再“中和沉淀”后進入濾液②；鋁的變化是:鋁硅酸鹽被硫酸溶解為Al3＋，然后進入濾液①，再經(jīng)Na OH調(diào)節(jié)p H＝3.0～3.1后一部分進入濾液②，一部分變成Al（OH）3進入濾餅②（聯(lián)系表格信息中Al3＋沉淀的p H范圍），濾餅②中的Al（OH）3再經(jīng)過Na OH調(diào)節(jié)p H＞13變?yōu)閇Al（OH）－4]進入濾液③，最后再經(jīng)HCl調(diào)節(jié)p H變成Al（OH）3，進入濾渣④；鐵的變化為Fe3O4酸溶為Fe3＋和Fe2＋，F(xiàn)e2＋再被氧化為Fe3＋，經(jīng)“中和沉淀”一部分生成Fe（OH）3進入濾餅②，一部分進入濾液②（聯(lián)系表格信息中Fe3＋沉淀的p H范圍），濾餅②中的Fe（OH）3經(jīng)過沉淀轉(zhuǎn)溶環(huán)節(jié)進入濾渣③；Mn的變化為Mn O2被還原為Mn2＋，再經(jīng)Na OH調(diào)節(jié)p H＝3.0～3.1后進入濾液②．

答案（1）加快酸浸和氧化反應速率（促進氧化完全）．

（2）Fe2＋；

（3）Mn2＋；Al3＋和Fe3＋．

（6）利用同離子效應，促進NH4VO3盡可能析出完全．

點評

該題的難點是物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和推斷，在審題中要注意前后聯(lián)系，可采取先粗讀后細讀的方式，將附加信息或隱藏在題干或設問中的信息圈畫出來，用箭頭指向相關(guān)環(huán)節(jié)，進行推理．抓住一種元素進行追蹤，可以簡化分析問題的復雜性和難度．本題考查的是條件控制，是變化的觀念，第（2）問和第（5）問兩處考查了方程式的書寫，體現(xiàn)的是宏觀辨識與微觀探析以及符號表達；第（3）（4）問考查物質(zhì)轉(zhuǎn)化和混合物分離，體現(xiàn)的是變化觀念與守恒思想；第（6）問考查平衡原理在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和分離中的應用．氧化還原理論和氫氧化鋁的兩性是必備知識．該題綜合考查考生的綜合分析判斷能力、信息挖掘和應用能力、閱讀理解能力、陌生方程式的書寫能力等．

3 思維模型

解題中可以形成如圖2所示的思維模型．

1）審題頭，明確原料和生產(chǎn)目的．

2）審流程，看箭頭，明確反應條件、原理及物質(zhì)成分的分離、提純方法的選擇．

3）審問題，看考查的是反應方程式的書寫，還是平衡原理的應用，或者是物質(zhì)的判斷及相關(guān)的計算，然后認真作答．

圖2

4 高考的命題規(guī)律及設問方向

高考工藝流程題常以“以自然資源為原料制備無機物”或“從工業(yè)廢料中分離提純無機物”為載體進行考查．

1）無機化學基礎知識（物質(zhì)的類別、名稱、元素的化合價、化學式和電子式的規(guī)范書寫）．

2）基本技能（陌生化學方程式、離子方程式、電極反應式的書寫、離子交換膜的選擇；分離提純規(guī)范操作等）．

3）識圖能力（物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與跟蹤）；表格數(shù)據(jù)的分析能力；圖象工藝條件的選擇．

4）物質(zhì)制備及提純條件的控制（提高反應速率、產(chǎn)率或轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品純度的措施）．

5）基本計算（產(chǎn)品化學式、含量及純度、氧化還原反應中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目的計算等）．

5 破解策略

5.1 循環(huán)物質(zhì)的確定

1）從流程圖上看:箭頭回頭的是循環(huán)物質(zhì)．

2）從物質(zhì)的轉(zhuǎn)化上看:在流程中加入的物質(zhì)，參與反應后續(xù)步驟中又會產(chǎn)生（在濾渣或濾液中尋找）的物質(zhì)是循環(huán)物質(zhì)．

5.2 副產(chǎn)物的判斷

1）從流程圖上看:支線產(chǎn)品就是副產(chǎn)物．

2）從制備的目的上判斷:不是主產(chǎn)品的是副產(chǎn)物．

5.3 濾渣、濾液中成分的確定

要考慮樣品中原料和雜質(zhì)的成分在每一個步驟中與每一種試劑反應的情況:

1）反應過程中哪些物質(zhì)（離子）消失了（每種沉淀劑沉淀了哪些離子）?

2）所加試劑是否過量或離子間發(fā)生化學反應，又產(chǎn)生了哪些新離子?要考慮這些離子間是否會再發(fā)生反應．

此外，聯(lián)系設問回讀題目也很重要，有時單獨看題干信息，會有好多環(huán)節(jié)弄不清楚，很容易產(chǎn)生焦躁心理，甚至放棄解題．如果仔細把題目讀完，會發(fā)現(xiàn)有好多信息蘊藏在設問中，沒有這些信息的支持，題目很難讀懂，這樣就對考生的閱讀能力提出了較高要求，這也符合考試大綱中的基本思想，考生要引起足夠重視．

當然有時候，對于流程圖中個別環(huán)節(jié)即使沒有弄清，一般也不影響設問的作答，在考場上，考生一定不要在此糾結(jié)，以免浪費寶貴時間，影響考試時的發(fā)揮．

工藝流程題中開始的幾個小問題，很多時候與題干信息沒有多大聯(lián)系，可以直接作答，考試中應該先答上，千萬不要因為感覺題目過難就全盤放棄．

拓展硼及其化合物在工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等部門有許多用途．某工廠以鐵硼精礦（主要成分為B2O3·2 Mg O，還有Si O2、Ca O、Fe O等雜質(zhì)）制取硼酸、金屬鎂的工藝流程如圖3所示．

圖3

已知:硼酸在不同溫度下的溶解度見表1．

表1

回答下列問題:

（1）使用鹽酸酸浸，過程中主要反應的化學方程式為________，為提高浸出速率，可采取的措施有________（寫出兩條）．

（2）酸浸時，溫度與硼浸出率的關(guān)系如圖4所示，則合適的酸浸溫度為________．

圖4

（3）浸出液“氧化”步驟是將溶液中的Fe2＋用________試劑氧化為Fe3＋，反應的離子方程式為________．

（4）從濾液中獲得H3BO3晶體的“操作Ⅰ”具體操作是________．

（5）向濾液中加入有機萃取劑萃取分液，此時硼酸處于________層中（填“有機”或“無機”）．實驗室模擬“萃取”操作使用的玻璃儀器除燒杯外，另一主要玻璃儀器是________．

（6）某工廠用m1kg的鐵硼精礦制備硼酸，得到純度為99.8%的硼酸m2kg，則鐵硼精礦中硼的質(zhì)量分數(shù)是________（列式表達）．

分析先看原料和產(chǎn)品，依據(jù)元素守恒和對應元素化合物的性質(zhì)可知，“硼酸”是硼的去向，“提取鎂”是鎂的去向，“鐵精礦”和“Fe（OH）3”是鐵的去向，Si O2不溶于酸，去了鐵精礦中，“Ca O”溶于鹽酸變成了Ca Cl2，與Mg Cl2一起進入“母液”，通過萃取分離．氧化和調(diào)p H 是為了將Fe2＋氧化為Fe3＋再變成Fe（OH）3沉淀除去；第（4）問應“回讀”前面“硼酸在不同溫度下的溶解度”表格，想到蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾；結(jié)合設問（5）分析有機層中還有一部分H3BO3．

答案（1）B2O3·2 Mg O＋4 HCl＋H2O＝2 H3BO3＋2 Mg Cl2；適當增加鹽酸濃度、提高反應溫度、減小鐵硼礦粉粒徑、充分攪拌等．

（2）90～95℃（寫此范圍內(nèi)的任意溫度均可）．

（3）H2O2；2 Fe2＋＋H2O2＋2 H＋＝2 Fe3＋＋2 H2O（寫氯氣也可以得分，2 Fe2＋＋Cl2＝2 Fe3＋＋2 Cl－）．

（4）蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾．

（5）有機；分液漏斗．