物質(zhì)循環(huán)利用在高考題中的應(yīng)用

山東

一、研究背景

我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境問(wèn)題也日益顯著，綠色化學(xué)成為了解決當(dāng)前環(huán)境能源問(wèn)題的重要手段之一，落實(shí)綠色化學(xué)理念也成為化學(xué)工作者的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)的途徑之一就是通過(guò)物質(zhì)的循環(huán)利用，節(jié)約原料、降低生產(chǎn)成本，近幾年高考便通過(guò)這類試題體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理念。物質(zhì)的循環(huán)利用主要出現(xiàn)在工藝流程題中，原因在于工業(yè)生產(chǎn)需實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物用量最小化、利用率和產(chǎn)率最大化，最終實(shí)現(xiàn)效益最大化的目標(biāo)，因此能夠深化學(xué)生“綠色化學(xué)”的理念，發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)。該題型在近三年部分高考題中的考查見(jiàn)下表。

試卷考查形式考查內(nèi)容2020年全國(guó)卷Ⅰ選擇題102020年全國(guó)卷Ⅱ選擇題11借助反應(yīng)歷程圖中物質(zhì)的循環(huán)考查催化劑利用2020年全國(guó)卷Ⅲ非選擇題27(6)借助工藝流程題考查母液循環(huán)利用的意義山東省2020年普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試化學(xué)試題,以下簡(jiǎn)稱山東卷選擇題9C借助工藝流程題考查循環(huán)物質(zhì)的判斷非選擇題16(3)借助工藝流程題考查實(shí)現(xiàn)循環(huán)的操作工序2019年全國(guó)卷Ⅰ非選擇題26(4)2018年全國(guó)卷Ⅱ非選擇題26(4)借助工藝流程題考查實(shí)現(xiàn)循環(huán)的操作工序

通過(guò)對(duì)比近三年的高考題發(fā)現(xiàn)都涉及了物質(zhì)循環(huán)，多數(shù)題卷傳統(tǒng)地以工藝流程題為載體進(jìn)行考查，參與循環(huán)的物質(zhì)多是銨鹽?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版2020年修訂)》以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程對(duì)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義”。2020年全國(guó)卷Ⅰ、全國(guó)卷Ⅱ以《課程標(biāo)準(zhǔn)》為準(zhǔn)，以陌生的反應(yīng)歷程圖為載體，考查學(xué)生循環(huán)思想和解圖分析的能力，難度有所增加，也為后期的復(fù)習(xí)備考指明了方向。

二、考查方式

考查角度一、借助物質(zhì)的循環(huán)考查催化劑利用

催化劑在反應(yīng)中通過(guò)改變反應(yīng)過(guò)程從而改變反應(yīng)速率，能通過(guò)循環(huán)利用達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。

【例1】(2020·全國(guó)卷Ⅰ·10)銠的配合物離子[Rh(CO)2I2]-可催化甲醇羰基化，反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。

圖1

下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

A.CH3COI是反應(yīng)中間體

C.反應(yīng)過(guò)程中Rh的成鍵數(shù)目保持不變

【答案】C

【點(diǎn)睛】對(duì)于反應(yīng)歷程圖的分析，最基本的是判斷反應(yīng)物、產(chǎn)物以及催化劑；催化劑一般地在機(jī)理圖中多是以完整的循環(huán)出現(xiàn)的；反應(yīng)物則是通過(guò)一個(gè)箭頭進(jìn)入整個(gè)歷程的物質(zhì)；產(chǎn)物一般多是通過(guò)一個(gè)箭頭最終脫離整個(gè)歷程的物質(zhì)。

考查角度二、借助物質(zhì)的循環(huán)考查電化學(xué)知識(shí)

在利用電化學(xué)方法制取某些物質(zhì)或除掉某些污染物時(shí)，電解質(zhì)中某些物質(zhì)可以循環(huán)利用，起到了類似催化劑的作用，這樣可以降低生產(chǎn)成本，節(jié)約原料。解答這類問(wèn)題時(shí)需要根據(jù)電極反應(yīng)和總反應(yīng)，分析哪些物質(zhì)可以循環(huán)利用。

圖2

(1)該電解池的陽(yáng)極為_(kāi)_______，電極反應(yīng)式為

____________________。

(2)該電解池的陰極為_(kāi)_______，電極反應(yīng)式為

____________________。

(3)總反應(yīng)為_(kāi)_______。電解制備需要在無(wú)水條件下進(jìn)行，原因?yàn)椤?/p>

電解池中可以循環(huán)利用的物質(zhì)是________。

【解析】結(jié)合圖示可知電解法制備二茂鐵，要得到Fe2+，所以要用Fe作陽(yáng)極。Na+在陰極被還原為Na，再將環(huán)戊二烯還原為氫氣和環(huán)戊二烯負(fù)離子，進(jìn)而得到二茂鐵。若電解在水溶液中進(jìn)行，則被還原的不是Na+而是H2O，電離出的OH-與Fe2+反應(yīng)生成Fe(OH)2。反應(yīng)中Na+不斷被還原為Na單質(zhì)，Na單質(zhì)繼續(xù)還原環(huán)戊二烯，所以NaBr在電解池中循環(huán)利用。

【例3】(2019·全國(guó)卷Ⅲ·28節(jié)選)在傳統(tǒng)的電解氯化氫回收氯氣技術(shù)的基礎(chǔ)上，科學(xué)家最近采用碳基電極材料設(shè)計(jì)了一種新的工藝方案，主要包括電化學(xué)過(guò)程和化學(xué)過(guò)程，如圖3所示。負(fù)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)有________(寫反應(yīng)方程式)。電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子，需消耗氧氣________L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

圖3

【點(diǎn)睛】解題步驟一般是先看反應(yīng)原理、裝置圖以及題干信息，再寫出電極反應(yīng)式和電極產(chǎn)物，最后利用電極產(chǎn)物與溶液中的微粒發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)第二步反應(yīng)達(dá)到制備所需物質(zhì)或減少污染的目的。

考查角度三、借助物質(zhì)的循環(huán)考查能量的綜合利用

如果能夠較大程度的利用太陽(yáng)能，便會(huì)減少化石燃料的使用，那么，如何借助物質(zhì)的循環(huán)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再利用化學(xué)能提高太陽(yáng)能的利用效率，是科學(xué)研究的方向，同時(shí)也是考題方向。

【例4】(2018·北京卷·27節(jié)選)近年來(lái)，研究人員提出利用含硫物質(zhì)熱化學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)。過(guò)程如圖4：

圖4

反應(yīng)Ⅱ的熱化學(xué)方程式：。

【點(diǎn)睛】此類問(wèn)題常以含有某種化學(xué)元素的物質(zhì)為載體，經(jīng)過(guò)熱化學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存，含該元素的化合物不斷進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)化。主要考查蓋斯定律的應(yīng)用，解題關(guān)鍵是能分析出物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

考查角度四、借助物質(zhì)的循環(huán)考查物質(zhì)的制備

工業(yè)制取某些物質(zhì)時(shí)，可能由于熔點(diǎn)、壓強(qiáng)、能量消耗等原因?qū)е履承┓磻?yīng)難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但如果將反應(yīng)設(shè)計(jì)成多步完成或加入某些物質(zhì)則可克服這些困難，這樣既可以降低能耗，也可以降低對(duì)設(shè)備的要求，如電解氧化鋁制取鋁單質(zhì)時(shí)加入冰晶石可以降低氧化鋁的熔點(diǎn)，且冰晶石可以循環(huán)利用。

【例5】如圖是以太陽(yáng)能為熱源，熱化學(xué)硫碘循環(huán)分解水是一種高效、無(wú)污染的制氫方法.其反應(yīng)過(guò)程如圖5所示：

圖5

(1)反應(yīng)Ⅰ中，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為

；

(2)反應(yīng)Ⅲ中，反應(yīng)前后化合價(jià)發(fā)生改變的元素是________；

(3)在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，SO2、H2SO4、I2、HI都在循環(huán)使用，其中制得H2中氫元素最初來(lái)源于________(填化學(xué)式)，氫能相較于傳統(tǒng)的化石能源，其最大優(yōu)勢(shì)是。

(4)反應(yīng)Ⅰ得到的產(chǎn)物用I2進(jìn)行分離。該產(chǎn)物的溶液在過(guò)量I2的存在下會(huì)分成兩層——低濃度I2的H2SO4層和高濃度的I2的HI層。

①根據(jù)上述事實(shí)，下列說(shuō)法正確的是________(選填序號(hào))。

a.兩層溶液的密度存在差異

b.加I2前，H2SO4溶液和HI溶液不互溶

c.I2在HI溶液中比在H2SO4溶液中易溶

②辨別兩層溶液的方法是。

(2)H、I

(3)H2O 對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染

(4)①ac ②觀察顏色，顏色深的是HI層，顏色淺的是硫酸層 ③硫酸層中含有少量HI

【點(diǎn)睛】這類問(wèn)題以元素化合物的轉(zhuǎn)化為載體，考查物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化。解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵要學(xué)會(huì)分析圖像，獲取相關(guān)的信息，找準(zhǔn)哪種物質(zhì)是循環(huán)利用的物質(zhì)，通過(guò)題干的圖示中各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，找出物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)換。

三、解題策略