淺談化工流程題的高考二輪復(fù)習(xí)策略

河北

(作者單位：石家莊市第二十二中學(xué)河北定州中學(xué))

化工流程題常以某種化工產(chǎn)品的制備為背景，要求考生綜合運(yùn)用物質(zhì)的分離提純、化學(xué)反應(yīng)原理、元素及其化合物性質(zhì)等相關(guān)知識合理分析工藝流程圖等題給信息，考查考生在真實(shí)、復(fù)雜的問題情境中解決問題的能力?；ち鞒填}因其具有陌生度高、信息量大、綜合性強(qiáng)、能充分評價考生素養(yǎng)水平等特點(diǎn)，已成為高考必考題型，但也是得分率較低的題型。本文試對化工流程題的高考二輪復(fù)習(xí)思路和策略進(jìn)行探討，以期能夠?qū)熒兴鶐椭?/p>

一、化工流程題的復(fù)習(xí)思路

化工流程題的復(fù)習(xí)可分兩輪進(jìn)行。一輪復(fù)習(xí)重在幫助學(xué)生了解試題結(jié)構(gòu)，明確常見工藝操作步驟的作用，使學(xué)生初步學(xué)會分析工藝流程圖，能夠借助題干信息梳理出產(chǎn)品中核心元素的轉(zhuǎn)化主線和雜質(zhì)的分離過程及方法，完成簡單的題目設(shè)置。二輪復(fù)習(xí)則強(qiáng)調(diào)綜合性和應(yīng)用性，著眼于引導(dǎo)學(xué)生完善解題模型，形成化工流程圖包含“預(yù)處理、核心反應(yīng)、產(chǎn)品提純”三個主要組成部分的思維模式，綜合利用所學(xué)知識和題目信息分析各轉(zhuǎn)化步驟的操作和反應(yīng)的意義及目的，熟練掌握解題技巧。

一輪復(fù)習(xí)后，學(xué)生在化工流程題型中常出現(xiàn)的問題有：死記硬背基礎(chǔ)知識，不能綜合所學(xué)知識處理陌生信息類試題；面對復(fù)雜多變的轉(zhuǎn)化流程無法理清頭緒；解題模型運(yùn)用不靈活，考慮問題較片面，不能從全局分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。

為了提高復(fù)習(xí)效率，二輪復(fù)習(xí)不宜單純采用刷題策略，建議采用“以點(diǎn)帶面”的方式，選取具有典型性的物質(zhì)制備工藝為情境，設(shè)計系列問題任務(wù)，通過問題解決促使學(xué)生進(jìn)一步反思、優(yōu)化相關(guān)知識結(jié)構(gòu)。例如，過渡金屬釩的工業(yè)價值高，價態(tài)多，存在形式會根據(jù)溶液pH的變化而改變，同時釩元素的分離提純涉及萃取法、離子交換法、沉淀法等，使釩的工業(yè)提取涉及氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、平衡原理、物質(zhì)分離基本方法等眾多知識，因此釩的工業(yè)提取可作為教學(xué)情境范例。下文就以釩的工業(yè)提取工藝為例，淺談化工流程題的二輪復(fù)習(xí)具體策略。

二、化工流程題的二輪復(fù)習(xí)策略

1.明目的，抓核心元素，明確產(chǎn)品轉(zhuǎn)化主線

二輪復(fù)習(xí)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生牢牢抓住工藝目的，從目的出發(fā)解析工藝流程圖，對比原料和產(chǎn)品中的元素，分析哪些是產(chǎn)品元素，哪些是雜質(zhì)元素，進(jìn)而提取出產(chǎn)品中核心元素的轉(zhuǎn)化主線和核心轉(zhuǎn)化反應(yīng)，明確雜質(zhì)元素的分離操作步驟，將工藝流程圖劃分為原料預(yù)處理、核心轉(zhuǎn)化反應(yīng)和產(chǎn)品分離提純?nèi)糠?見圖1)。

圖1

釩的提取工藝主要有火法焙燒提釩和濕法浸出提釩兩種方式。在復(fù)習(xí)時，可先設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)1：根據(jù)工藝目的，自主分析釩的兩種工業(yè)提取流程(見例1、例2)，明確核心元素轉(zhuǎn)化主線，按照圖1所示將工藝流程圖進(jìn)行適當(dāng)劃分。

【例1】(2016·全國卷Ⅲ·28節(jié)選)以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生產(chǎn)硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為

表1

圖2是一種廢釩催化劑回收工藝路線：

圖2

【例2】(2020·濟(jì)南市高三一模·16節(jié)選)利用某冶金行業(yè)廢渣(主要含V2O3，還有少量SiO2、P2O5等雜質(zhì))制備(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)9·10H2O，生產(chǎn)工藝如圖3：

圖3

學(xué)生通過自主思考、組內(nèi)交流、展示匯報等環(huán)節(jié)完成學(xué)習(xí)任務(wù)1，分析結(jié)果如圖4。然后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：釩的兩種提取工藝流程的共性是什么？學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，兩個流程都是先將釩元素從含釩原料轉(zhuǎn)化成無機(jī)鹽類化合物，利用浸取實(shí)現(xiàn)釩元素與難溶雜質(zhì)的分離，再利用萃取-反萃取法或離子交換法實(shí)現(xiàn)釩元素的富集純化，最后加入可溶性鈣或銨鹽沉釩、煅燒得到精品V2O5。這樣設(shè)問的目的在于使學(xué)生體會復(fù)雜多變的工藝流程仍是有諸多共性的，學(xué)會從全局角度去分析工藝流程圖，用元素守恒的思想分析元素的流向，用元素的價態(tài)觀分析化學(xué)反應(yīng)，就能消除分析工藝流程圖時的懼怕心理。

圖4

2.精析各工藝步驟，關(guān)注操作和反應(yīng)

在宏觀把握整個流程之后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生聚焦于各個步驟，對于每一個步驟，既要關(guān)注操作，又要關(guān)注轉(zhuǎn)化反應(yīng)，可針對題給問題分析細(xì)節(jié)，無需把每個步驟的原理都搞清楚。

具體來說，可設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)2：分析例1，回答以下問題：①酸浸的目的是什么？如何加快酸浸速率？②氧化步驟的目的是什么？請寫出對應(yīng)的化學(xué)方程式。還可以用什么氧化劑？③沉釩步驟的目的又是什么？

對于問題①，教師可在學(xué)生相互討論補(bǔ)充的基礎(chǔ)上，適時總結(jié)提高原料浸出效率的措施，明確目的在于實(shí)現(xiàn)核心元素和雜質(zhì)元素的分離，提高釩的轉(zhuǎn)化效率。對于問題②，教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注流程圖中箭頭的指向，前后比較，追溯物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)思考雜質(zhì)元素分離方法，同時認(rèn)識到由于原料中釩元素有+3、+5價兩種價態(tài)，為便于后續(xù)生產(chǎn)，需要加入氧化劑將釩元素全部氧化為+5價，并通過書寫方程式進(jìn)一步鞏固氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)等知識。對于問題③，教師可進(jìn)一步給出NH4VO3的溶度積常數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生通過計算所需試劑濃度來鞏固沉淀溶解平衡知識。在此之后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考、總結(jié)雜質(zhì)元素和核心元素分離的總體思路，即“轉(zhuǎn)化→分離”。

3.解讀陌生信息，感悟反應(yīng)條件控制

化工流程題常設(shè)置陌生信息，考查學(xué)生有效提取、整合、應(yīng)用新信息的能力。釩的工業(yè)提取中常出現(xiàn)的信息有：不同金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH、釩元素存在形式與溶液pH的關(guān)系、釩元素的富集方法等。面對新信息，需要教師幫助學(xué)生理解提示信息，挖掘隱含作用，然后結(jié)合離子反應(yīng)、平衡原理、實(shí)驗(yàn)基本知識等已學(xué)內(nèi)容，把看似復(fù)雜、陌生的分離、富集、轉(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)化為化學(xué)知識去認(rèn)識、去思考。

具體來說，教師可先提出學(xué)習(xí)任務(wù)3：結(jié)合信息，分析例3流程，思考如何選擇調(diào)pH的合理區(qū)間。

【例3】(2020·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)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SiO2、Fe3O4。采用以下工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖5

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

學(xué)生依據(jù)“不增不減易分離”的除雜原則，經(jīng)討論得出答案，并總結(jié)出調(diào)節(jié)pH的方法：除去酸性溶液的雜質(zhì)元素，多加入含核心元素的難溶氧化物、氫氧化物或碳酸鹽等，以增大雜質(zhì)離子水解程度，達(dá)到將雜質(zhì)離子轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀而除去的目的，即雜質(zhì)離子完全沉淀pH≤應(yīng)調(diào)節(jié)的pH<核心離子開始沉淀pH，據(jù)此確定pH調(diào)節(jié)范圍，如除去MnSO4中的Fe2(SO4)3應(yīng)為3.2≤pH<8.1。

教師追問：要除去MnSO4中的FeSO4，應(yīng)如何操作？調(diào)節(jié)溶液pH分離雜質(zhì)時，一定要將雜質(zhì)離子轉(zhuǎn)化為沉淀而除去嗎？這里要強(qiáng)調(diào)：面對沉淀pH較為接近的兩種金屬離子，需要加入試劑(如H2O2等氧化劑)轉(zhuǎn)化金屬離子形態(tài)，來增大沉淀pH的差距；而面對易溶的Na+、K+等雜質(zhì)離子，需要逆向思維，將核心元素轉(zhuǎn)化為沉淀與雜質(zhì)離子分離。

接著，教師提出學(xué)習(xí)任務(wù)4：利用如下信息分析例2流程中釩元素的存在形式所發(fā)生的變化及對應(yīng)步驟的作用。

表3

教師再提出學(xué)習(xí)任務(wù)5：分析例4流程中萃取、反萃取兩個步驟的作用，并結(jié)合信息思考如何提高萃取率？

【例4】從廢釩(主要成分為V2O5、Fe2O3、SiO2等)中回收V2O5的一種工藝流程如圖6所示：

圖6

最后，教師提出學(xué)習(xí)任務(wù)6：分析例1流程中離子交換和洗脫兩步驟，并結(jié)合如下信息思考如何提高洗脫效率？

上述學(xué)習(xí)任務(wù)3-6重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會解析信息、聯(lián)系反應(yīng)原理解決問題。面對陌生信息時，特別是萃取法、離子交換法等，需要引導(dǎo)學(xué)生圍繞核心元素的轉(zhuǎn)化去思考如何做到“去粗取精”，選擇最佳轉(zhuǎn)化條件，學(xué)會調(diào)取已掌握的相關(guān)知識綜合解決。

4.注重引導(dǎo)學(xué)生反思，完善解題模型

針對化工流程題二輪復(fù)習(xí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對整個復(fù)習(xí)過程進(jìn)行反思和總結(jié)，解答問題時要總攬全局、細(xì)致審題，緊緊抓住“原料→產(chǎn)品”這條主線，流程中每一步操作都是為了將核心元素向產(chǎn)品靠攏、雜質(zhì)元素向與核心元素相反的存在形式轉(zhuǎn)化。通過分段剖析、明晰細(xì)節(jié)，結(jié)合已有知識和設(shè)問信息，對每一設(shè)問步驟反復(fù)思考“反應(yīng)物是什么？發(fā)生了怎樣的反應(yīng)？目的是什么？應(yīng)采取怎樣的操作？”從反應(yīng)原理、環(huán)境保護(hù)、資源綜合利用、循環(huán)回收等角度全面思考，使每種元素各有所歸，做到規(guī)范作答。