巧用“氣液固”三線法突破高考化學(xué)工藝流程題

湖南 周學(xué)興

教育部在2021年1月31日發(fā)布的《教育部關(guān)于做好2021年普通高校招生工作的通知》中強調(diào)“深化考試內(nèi)容改革。2021年高考命題要堅持立德樹人，加強對學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展的考查和引導(dǎo)。要優(yōu)化情境設(shè)計，增強試題開放性、靈活性，充分發(fā)揮高考命題的育人功能和積極導(dǎo)向作用，引導(dǎo)減少死記硬背和‘機械刷題’現(xiàn)象”。試題的命制應(yīng)遵循高考的考查目標和考查要求，明確“考什么”和“怎么考”，并保證試題的科學(xué)性、公平性和權(quán)威性，以提高測量的信度、效度和區(qū)分度。試題要立足基礎(chǔ)、凸顯能力、關(guān)注現(xiàn)實、彰顯學(xué)科特點?！吨袊逃龍蟆飞习l(fā)表的《牢記立德樹人使命，寫好教育考試奮進之筆》中闡述了高考命題的基本要求、基本步驟和基本原則，也為模擬試題的原創(chuàng)命制提供了方向。在近五年的高考試卷中，探究類實驗的考查角度多，能夠充分體現(xiàn)試題的開放性、靈活性。

筆者匯總了近五年高考真題中工藝流程題試題情境出現(xiàn)的物質(zhì)中主要含有的化學(xué)元素，詳見表1。

表1 近五年高考真題中工藝流程題考查物質(zhì)元素載體

由表1可知，元素周期表中的第四周期過渡元素屬于?？荚?，目標產(chǎn)品覆蓋面廣。物質(zhì)變化是工藝流程中最突出的主線，高考試題中常以陌生元素為主要載體，考查學(xué)生的必備知識與關(guān)鍵能力，給學(xué)生分析物質(zhì)變化帶來了較大難度。陌生元素的相關(guān)工藝體現(xiàn)了試題的真實情境，是提高試題開放性、靈活性的最佳途徑。工藝流程題是必備知識和陌生反應(yīng)的最佳融合體，且由于其陌生度較高，當對學(xué)生分析推理能力要求較高時，可能出現(xiàn)試題得分率比化學(xué)反應(yīng)原理題還低的情況。

如何提高分析工藝流程中各試劑、操作、物質(zhì)轉(zhuǎn)化等情況的準確率是高三復(fù)習(xí)階段的重要議題。本文介紹一種新穎的方法——“氣液固”三線法，以期為廣大教師和考生提供新的解題思路和復(fù)習(xí)方向。

一、方法介紹

“氣液固”三線法，是根據(jù)物質(zhì)在每一道工序過程中的物質(zhì)狀態(tài)的不同，進行“賬目”式記錄的方法，此方法有助于學(xué)生正確分析整個流程，避免失誤，提高解題效率。該方法的具體操作是將每個“工序格子”，分成氣體、液體、工序和固體四層來記錄各物質(zhì)的存在形式，分析混合體系中的物質(zhì)變化?！八膶邮健惫ば蚋褡有问饺鐖D1所示。

圖1 “四層式”工序格子示意圖

“四層式”工序格子非常準確地依據(jù)物質(zhì)密度的不同展示了各物質(zhì)的存在形式。通過記錄前后各工序各物質(zhì)的變化情況，最終連接成各物質(zhì)的變化記錄。

筆者以2021年全國乙卷第26題為例展示了“三線法”在解決工藝流程試題中的應(yīng)用。

【例1】(2021·全國乙卷·26)磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節(jié)約和充分利用資源，通過如圖2所示工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖2

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH見表2：

表2

回答下列問題：

(1)“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不發(fā)生反應(yīng)，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽。寫出Al2O3轉(zhuǎn)化為NH4Al(SO4)2的化學(xué)方程式：____________________。

(2)“水浸”后“濾液”的pH約為2.0，在“分步沉淀”時用氨水逐步調(diào)節(jié)pH至11.6，依次析出的金屬離子是________。

(3)“母液①”中Mg2+濃度為________mol·L-1。

(4)“水浸渣”在160 ℃“酸溶”，最適合的酸是________?！八崛茉钡某煞质莀_______、________。

(5)“酸溶”后，將溶液適當稀釋并加熱，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，該反應(yīng)的離子方程式是。

(6)將“母液①”和“母液②”混合，吸收尾氣，經(jīng)處理得________，循環(huán)利用。

【試題點評】本題主要考查了限定條件下方程式的書寫、調(diào)節(jié)pH沉淀對象的分析、Ksp的相關(guān)計算、試劑的選擇、濾渣的成分分析、循環(huán)利用物質(zhì)的分析，較好地考查學(xué)生分析推理的能力，發(fā)展了學(xué)生證據(jù)推理與模型認知的學(xué)科核心素養(yǎng)，滲透了綠色化學(xué)理念，突出了基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性的考查要求。

【“氣液固”三線法】

通過各道工序中焙燒、水浸、酸溶、水解、分步沉淀等步驟發(fā)生的物理變化及化學(xué)變化，確定物質(zhì)的變化情況，繼而根據(jù)“氣液固”三種狀態(tài)進行“四層式”工序格子的記錄?！皻庖汗獭比€法的應(yīng)用如圖3所示。

(2)結(jié)合圖2可知“分步沉淀”依次析出的金屬離子是Fe3+、Al3+、Mg2+；

(4)本題難度較大的工序是“焙燒”“酸溶”兩步，需要結(jié)合題給信息和后續(xù)流程的走向來確定物質(zhì)變化情況，比如應(yīng)結(jié)合“水解”以及設(shè)問(6)共同確定“酸溶”時加入的酸是硫酸。由圖3可知酸溶渣有CaSO4和SiO2；

圖3 “氣液固”三線法圖示

(5)結(jié)合“水解”和“分步沉淀”的“四層式”工序格子可知能夠循環(huán)利用的物質(zhì)為硫酸銨。

(2)Fe3+、Al3+、Mg2+

(3)1.0×10-6

(4)硫酸 SiO2和CaSO4

(6)(NH4)2SO4

【方法評價】通過“賬目式”記錄各物質(zhì)的三態(tài)存在形式，提高了各設(shè)問的分析效率，尤其例1中循環(huán)利用的物質(zhì)分析，通過分析母液①、母液②及尾氣的成分，即可推出循環(huán)利用的物質(zhì)為硫酸銨。此外，為了精準分析各物質(zhì)的變化情況，學(xué)生首先需要掌握教材中的元素相關(guān)知識，主要是Si、Al、Fe、K、Ca、Mg等元素的化合物的性質(zhì)，其次是要學(xué)會運用題干、流程圖、設(shè)問中出現(xiàn)的信息，綜合確定各物質(zhì)在“三態(tài)”中的具體存在形式。應(yīng)注意的是若某工序的物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)不確定時，可先進行假設(shè)反應(yīng)或不反應(yīng)，再結(jié)合各步驟物質(zhì)變化前后的比對，即可得出結(jié)論。如例1中要分析出“焙燒”時的物質(zhì)變化需要利用設(shè)問(1)中的題給信息。

由此可見，“氣液固”三線法具有以下優(yōu)點：

1.精準記錄了各工序物質(zhì)的變化情況，能夠高效解決分析“濾液”“濾渣”的成分、循環(huán)利用物質(zhì)、化學(xué)或離子方程式的書寫等具體的設(shè)問。

2.使得學(xué)生對整個工藝流程的分析更加嚴謹、精準，避免出現(xiàn)前后邏輯矛盾的問題。工藝流程中必然會考查陌生物質(zhì)的變化和必備知識中的物質(zhì)變化，通過此法，可明確陌生物質(zhì)變化的具體情況，避免分析錯誤，提高答題正確率。

3.通過此法，可鍛煉學(xué)生的分析解決具體問題的能力。大部分學(xué)生在解題過程中，往往會“斷章取義”，設(shè)問考查某道工序時，就只分析該工序的情況，造成了大片的邏輯錯誤，這也是工藝流程題正確率比化學(xué)反應(yīng)原理題正確率更低的根本原因。

該法適用于物質(zhì)推理較復(fù)雜的工藝流程題，但在一定程度上，存在做題時間長、陌生反應(yīng)的干擾等問題，所以并非每一道工藝流程題都要用這種方法。

二、練習(xí)

(2021·河北省選擇性考試·15)綠色化學(xué)在推動社會可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。某科研團隊設(shè)計了一種熔鹽液相氧化法制備高價鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產(chǎn)生廢棄物，實現(xiàn)了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內(nèi)循環(huán)。工藝流程如圖4：

圖4

回答下列問題：

(1)高溫連續(xù)氧化工序中被氧化的元素是________(填元素符號)。

(2)工序①的名稱為________。

(3)濾渣Ⅰ的主要成分是________(填化學(xué)式)。

(4)工序③中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為________________。

(5)物質(zhì)V可代替高溫連續(xù)氧化工序中的NaOH，此時發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________，可代替NaOH的化學(xué)試劑還有________(填化學(xué)式)。

(6)熱解工序產(chǎn)生的混合氣體最適宜返回工序________(填“①”“②”“③”或“④”)參與內(nèi)循環(huán)。

【試題點評】本題主要考查證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)，流程圖中有CO2、NaOH、H2O等物質(zhì)循環(huán)利用，且命題者將部分物質(zhì)設(shè)置為未知物質(zhì)，考查學(xué)生推理預(yù)測假設(shè)驗證的能力。

【“氣液固”三線法】

通過高溫連續(xù)氧化、工序①～④、熱解、介穩(wěn)態(tài)相分離、煅燒等各道工序中發(fā)生的物理變化及化學(xué)變化，確定物質(zhì)的變化情況，繼而根據(jù)“氣液固”三種狀態(tài)進行如圖5所示的“四層式”工序格子的落實。

圖5

結(jié)合圖5進行分析：

(1)對比工序“高溫連續(xù)氧化”和“介穩(wěn)態(tài)相分離”的“四層式”工序格子可知被氧化的元素有Cr、Fe；

(3)“高溫連續(xù)氧化”的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系是本題的難點。鉻鐵礦、熔融NaOH、O2在連續(xù)高溫氧化條件下，F(xiàn)e2+先生成Fe(OH)2再被氧化為Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3高溫條件下分解為Fe2O3(Fe(OH)3分解溫度是500 ℃以上，Mg(OH)2完全分解溫度為1 800 ℃)，所以濾渣Ⅰ含有Fe2O3，此處難點是MgO在此步驟中是以MgO形式存在還是以熔融后與NaOH結(jié)合生成的Mg(OH)2形式存在，因為若生成Mg(OH)2為濾渣，在過量CO2和水蒸氣氣相中處理為Mg(HCO3)2較容易，若以MgO的形式進入濾渣，在工序②中處理為Mg(HCO3)2也可以發(fā)生反應(yīng)。但從學(xué)生的認知出發(fā)，濾渣還是MgO和Fe2O3更容易理解。

(6)由圖5可知熱解工序中的混合氣體最適宜返回工序②。

【答案】(1)Fe和Cr(或Fe、Cr)

(2)水浸(或加水溶解、加水攪拌溶解、水溶)

(3)MgO和Fe2O3

(6)②

(7)8.37

【方法評價】本題最大的特點是，多種物質(zhì)未直接在題中給出，通過“氣液固”三線法圖示的展現(xiàn)，可快速推斷和驗證不確定物質(zhì)的化學(xué)式。

三、總結(jié)

該法在使用過程中，要特別注意陌生物質(zhì)是否反應(yīng)的處理。構(gòu)建四層工序格子時，初看陌生物質(zhì)的變化情況不能確定，可進行假設(shè)或待定的方式，到題干或后續(xù)工序中尋找證據(jù)，依據(jù)元素守恒再返回陌生物質(zhì)的工序填充物質(zhì)變化。切勿受到陌生物質(zhì)的干擾而得出錯誤結(jié)論。

高考化學(xué)試題的真實情境化，決定了化學(xué)學(xué)習(xí)過程中的復(fù)雜性：教材常規(guī)元素的性質(zhì)要識記，而卻不“機械性”考查，工藝流程試題通過陌生元素的物質(zhì)變化來考查基本理論與物質(zhì)轉(zhuǎn)化等知識。具體考查方向見表3。

表3 工藝流程題常見設(shè)問角度與考查頻率

工藝流程題是全國卷地區(qū)和大部分新高考地區(qū)高考化學(xué)的必考題型，該題型對學(xué)生的能力要求高，常出現(xiàn)物質(zhì)變化分析不清的問題，為了進一步提高解題效率，本文總結(jié)了依據(jù)“氣液固”三線法，記錄各工序中物質(zhì)的三態(tài)變化情況，該法可幫助學(xué)生厘清整個工藝流程中物質(zhì)的變化情況，利于解決實際問題，突出培育了學(xué)生的證據(jù)推理與模型認知、變化觀念與平衡思想的核心素養(yǎng)，尤其是高效解決了各工序的溶液、濾渣、循環(huán)利用物質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)等問題，且利用密度的不同分層呈現(xiàn)，直觀準確。這種方法可最大限度降低分析物質(zhì)變化的錯誤率。本文旨在希望學(xué)生通過此法訓(xùn)練學(xué)科思維，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)，從容應(yīng)對高考。同時為各位教師同仁提供解決工藝流程題的新思路。

本文系湖南省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度國家教育考試研究專項課題“普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試化學(xué)試題情境素材庫的建立與樣卷開發(fā)”的階段性成果。課題批準號：XJK21AKS005。