“三角度”解析工藝流程題型

黑龍江 馬德喜 李 穎

一、工藝流程題高考考情分析

近兩年全國卷、地方卷，及2021年各省新高考適應(yīng)性考試中，工藝流程題型考查情況統(tǒng)計(jì)如表1：

表1

從命題情景素材方面，情境材料來源主要可以分為兩類：一是礦石開發(fā)利用類，如鈦鐵礦、鉻鐵礦、軟錳礦、菱鎂礦、鐵硼礦、鋁土礦、磷礦石、白云石、螢石等天然礦石；二是廢棄資源回收利用類，如廢鐵屑、廢鋁片、廢釩催化劑、廢玻璃、廢舊鋰離子電池、廢舊鋅錳電池、粉煤灰、銀銅合金廢料等。

涉及知識：環(huán)境保護(hù)，化學(xué)用語，物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，基本實(shí)驗(yàn)操作，電化學(xué)應(yīng)用，速率平衡原理及計(jì)算等。

涉及主要元素和高頻化合物：情境素材中?？疾樽儍r(jià)元素、兩性元素和陌生元素的單質(zhì)和化合物，如Fe、Cr、Mn、Cu、V、N、P、Cl、Al、Zn等元素，備考中重點(diǎn)積累相關(guān)知識。

試題中的高頻化合物，主要可以分為兩類：一是原料所含雜質(zhì)類，如SiO2、Al2O3、FexOy、MgO、MnO2、CaO等。二是外加試劑類，如H2O2、KMnO4、K2Cr2O7、H2C2O4、NaBH4、ZnS、FeS、MnS、NH4HCO3、NaF等。備考中，相關(guān)知識也應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

二、解題框架分析新思路——“三角度”

從近幾年全國卷以及各地模擬試卷中可知，工藝流程題型已成為高考必考題型，說明該類題型符合《中國高考評價(jià)體系》的要求，重能力輕記憶，這種要求因無固定的解題思路使得得分率較低。下面筆者探討一種解題框架分析新思路——“三角度”法。

解題框架分析思路(三角度)：

1.宏觀角度(大方向)

①首尾呼應(yīng)：通過原料與目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行對比，確定有用元素，這種元素在流程中是可以增加的，同時(shí)也能確定外來元素及其化合價(jià)情況；

②中間受“棄”：確定有用元素的基礎(chǔ)上刪除其余元素。

2.微觀角度(“棄”場)

一般工藝流程題設(shè)計(jì)思路為原料(礦石或廢渣)→粉碎→高溫→溶解→除雜(“棄”無用元素)及制備→目標(biāo)產(chǎn)物(溶液)→目標(biāo)產(chǎn)物固體。解題時(shí)，通常會將難溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)換為自由移動(dòng)離子，再除去無用離子。

“棄”無用元素或元素改價(jià)或制備：工藝流程除雜工序部分為去除多余元素和調(diào)整元素的化合價(jià)需要通過外加試劑進(jìn)行除雜和改變化合價(jià)。

外加試劑(“七劑”)：溶解劑(酸溶或堿溶)，氧化劑，還原劑，抑制劑，沉淀劑、調(diào)pH劑和核心劑，外加試劑時(shí)要注意雜質(zhì)引入的問題，再結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)物中元素價(jià)態(tài)和外加元素進(jìn)行相應(yīng)試劑的選擇。

3.設(shè)問角度(小方向)

①化學(xué)用語、物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化和電化學(xué)應(yīng)用

主要考查陌生化學(xué)反應(yīng)方程式書寫，尤其是氧化還原的離子方程式書寫。

②基本實(shí)驗(yàn)操作

主要考查儀器名稱、分離提純的操作、滴定實(shí)驗(yàn)等。

③速率及平衡原理

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡、水溶液中離子平衡(K、Ka、Kw、Kh、Ksp的應(yīng)用)。

④環(huán)境保護(hù)

物質(zhì)的循環(huán)使用，是否產(chǎn)生有害氣體。

⑤計(jì)算

計(jì)算轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、純度及方程式有關(guān)計(jì)算。

三、“三角度”法應(yīng)用示例

【例1】(2020·全國Ⅰ·26)釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5價(jià)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1

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

回答下列問題：

(1)“酸浸氧化”需要加熱，其原因是________________。

(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)pH”中有沉淀生產(chǎn)，生成沉淀反應(yīng)的化學(xué)方程式是________________。

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

【答案】(1)加快酸浸和氧化反應(yīng)速率(促進(jìn)氧化完全)

(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

(6)利用同離子效應(yīng)，促進(jìn)NH4VO3盡可能析出完全

【分析】解題框架分析思路(三角度)：

宏觀角度

圖2

確定有用元素為：釩；

無用元素：鉀、鎂、鋁、硅和鐵；

外加元素：氮；

價(jià)態(tài)變化元素：釩

微觀角度

設(shè)計(jì)思路：

原料(礦石)→溶解→除雜(“棄”硅鉀鎂鋁鐵氯鈉元素)→目標(biāo)產(chǎn)物固體

圖3

沉淀轉(zhuǎn)溶：濾餅②中加入NaOH溶液調(diào)至pH>13時(shí)，V2O5·xH2O轉(zhuǎn)化為釩酸鹽，Al(OH)3轉(zhuǎn)化為NaAlO2而溶解，則濾渣③的主要成分為Fe(OH)3。

調(diào)pH：濾液③中含釩酸鹽、偏鋁酸鈉，加入HCl調(diào)至pH=8.5，NaAlO2轉(zhuǎn)化為Al(OH)3沉淀從而除去。

設(shè)問角度

1.化學(xué)用語、物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化和電化學(xué)應(yīng)用

第(2)(3)(4)(5)問。

2.速率及平衡原理

第(1)(6)問。

【解析】(1)速率：“酸浸氧化”需要加熱的原因是溫度升高，酸浸和氧化反應(yīng)加快，并且使浸出和氧化更完全，故答案為加快酸浸和氧化反應(yīng)速率(促進(jìn)氧化完全)。

(3)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化：根據(jù)設(shè)問提示及金屬離子沉淀pH表分析，“中和沉淀”中，釩水解生成沉淀V2O5·xH2O，隨濾液②可除去的金屬離子有K+、Mg2+、Na+、Mn2+，以及部分的Fe3+、Al3+，故答案為Mn2+，F(xiàn)e3+、Al3+。

(4)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化：根據(jù)設(shè)問提示及金屬離子沉淀pH表分析，濾渣③的主要成分是Fe(OH)3，故答案為Fe(OH)3。

四、工藝流程設(shè)計(jì)模塊總結(jié)

工藝流程題型宜采取“三角度”法去分析問題，實(shí)際解決問題時(shí)要注重答題的技巧和細(xì)節(jié)，大多數(shù)問題的解決都有一定的模塊化?，F(xiàn)將部分答題技巧和模塊總結(jié)如下：

一般工藝流程題設(shè)計(jì)思路：

原料(礦石或廢渣)→粉碎→高溫→溶解→除雜(“棄”無用元素)及制備→目標(biāo)產(chǎn)物(溶液)→目標(biāo)產(chǎn)物固體

1.粉碎或研磨：增大固液(或固氣或固固)接觸面積，加快反應(yīng)(溶解)速率，增大原料的轉(zhuǎn)化率(或浸取率)。

2.高溫(灼燒、焙燒、煅燒)：一般是將元素轉(zhuǎn)化為氧化物。

(1)灼燒：不易轉(zhuǎn)化的物質(zhì)轉(zhuǎn)為容易提取的物質(zhì)；其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氧化物；除去有機(jī)物；除去不穩(wěn)定的雜質(zhì)。

(2)煅燒：改變結(jié)構(gòu)，使一些物質(zhì)在后續(xù)過程中易溶解，并使一些雜質(zhì)(如有機(jī)物)在高溫下氧化、分解。

(3)控制溫度范圍：確保催化劑的催化效果，兼顧速率和轉(zhuǎn)化率，追求更好地經(jīng)濟(jì)效益，防止副反應(yīng)發(fā)生；防止某種物質(zhì)溫度過高時(shí)會分解或揮發(fā)；為了使某物質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)揮發(fā)出來；降溫或減壓可以減少能源成本，降低對設(shè)備的要求，達(dá)到綠色化學(xué)的要求。

(4)加熱的目的：加快反應(yīng)速率或溶解速率；減少氣體生成物的溶解并使其逸出；使平衡向需要的方向移動(dòng)；趁熱過濾，防止某物質(zhì)降溫時(shí)因析出而損耗或帶入新的雜質(zhì)；除雜，除去熱不穩(wěn)定的雜質(zhì)，如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、I2、NH4Cl等物質(zhì)；使沸點(diǎn)相對較低的原料氣化。

3.溶解：將氧化物轉(zhuǎn)化為鹽(一般溶于水)，酸溶或堿溶時(shí)抑制離子水解。

(1)水浸：與水接觸溶解或反應(yīng)，通過增加水浸時(shí)間、攪拌或適當(dāng)升高溫度提高浸出率。

(2)酸浸：溶解、去氧化物(膜)、調(diào)節(jié)pH促進(jìn)水解。

(3)堿溶：去油污，去鋁片氧化膜，溶解鋁、二氧化硅，調(diào)節(jié)pH促進(jìn)水解。

4.外加試劑(“七劑”)：溶解劑(酸溶或堿溶)，氧化劑，還原劑，抑制劑，沉淀劑、調(diào)pH劑和核心劑，外加試劑時(shí)要注意雜質(zhì)引入的問題，判斷目標(biāo)產(chǎn)物中元素價(jià)態(tài)和外加元素進(jìn)行相應(yīng)試劑的選擇。

(1)溶解劑：利用特殊溶劑把雜質(zhì)溶解而除去，如Fe(Al)可用過量的NaOH溶液而除去Al，CO2(HCl、H2O)先通過飽和食鹽水，再通過濃H2SO4。

常見的氧化劑：Cl2、Br2、HNO3、濃H2SO4、O2、H2O2、KMnO4/H+、ClO-、Fe3+。

表3

還原劑一般對應(yīng)氧化產(chǎn)物Fe2+Fe3+SO2 (SO2-3)SO3(SO2-4)H2O2O2S2-、H2SSNH3N2或NOH2C2O4CO2I-、HII2

(3)沉淀劑：①加合適的沉淀劑(要使雜質(zhì)離子充分沉淀，加入的沉淀劑必須過量，且在后續(xù)步驟中易除去)。②調(diào)節(jié)溶液的酸堿性。

(4)調(diào)pH劑：

①控制溶液的酸堿性使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀，調(diào)pH劑的選擇一般應(yīng)滿足兩點(diǎn)：能與H+反應(yīng)，使溶液pH增大；不引入新雜質(zhì)。

②抑制某微粒水解。

5.目標(biāo)產(chǎn)物(溶液)→目標(biāo)產(chǎn)物固體：

思路簡圖

圖4

五、工藝流程題答題技巧及規(guī)范總結(jié)

化工生產(chǎn)流程和綜合實(shí)驗(yàn)題中經(jīng)常會出現(xiàn)一些表述性詞語，這些表述性詞語即為隱性信息，它可以暗示試題的考查角度及方向。通常用到的表述性詞語：

(1)“控制較低溫度”——從物質(zhì)的揮發(fā)性和不穩(wěn)定性等考慮。

(2)“加過量試劑”——從反應(yīng)完全或增大轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率等考慮。

(3)“能否加其他物質(zhì)”——從引入雜質(zhì)或影響產(chǎn)物的純度考慮。

(4)“分離”“提純”——從過濾、蒸發(fā)、萃取、分液和蒸餾等常規(guī)操作考慮。

(5)“溶液呈酸性或堿性”——從電離或水解產(chǎn)生的H+或OH-考慮，使溶液呈酸性或堿性。

(6)“利用率”——從經(jīng)濟(jì)性或環(huán)保性考慮。

(7)“在空氣中或在其他氣體中”——從O2、H2O、CO2或其他氣體是否參與反應(yīng)或達(dá)到防氧化、防水解、防潮解等目的進(jìn)行考慮。

(8)“判斷沉淀是否洗凈”——取少量最后一次洗滌液于試管中，向其中滴加某試劑，以檢驗(yàn)其中的某種離子。

(9)“檢驗(yàn)?zāi)澄镔|(zhì)的設(shè)計(jì)方案”——取少量液體于試管中，加入另一試劑產(chǎn)生某現(xiàn)象，從而得出結(jié)論。

(10)“控制pH”——從防水解、促進(jìn)生成沉淀或除去雜質(zhì)等方向考慮。

(11)“用某些有機(jī)試劑清洗”——從降低物質(zhì)溶解度有利于析出、減少損耗和提高利用率等方向考慮。

(12)“控制溫度”——可考慮加熱加快反應(yīng)速率或溫度過高使物質(zhì)會分解或揮發(fā)。