從工藝流程題的解答中培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)

摘 要：化學(xué)工藝流程題以化工生產(chǎn)為載體，根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及的化學(xué)知識、化學(xué)原理、實驗操作等進行設(shè)問，充分體現(xiàn)了對證據(jù)推理與模型認知、變化觀念與平衡思想、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。文章對2020年和2021年高考全國卷部分工藝流程題進行了對比分析，對其設(shè)問方式、命題角度進行了歸納總結(jié)，并從解題思路上指導(dǎo)學(xué)生掌握此類題目的答題模式，旨在提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)核心素養(yǎng);工藝流程試題分析;解題思路;教學(xué)啟示

作者簡介：魏倩倩（1989—），女，甘肅省白銀市實驗中學(xué)，一級教師。

一、課題的提出

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》將高中化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)概括為五個方面，并強調(diào)核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)。因此，一線教師要加強對學(xué)科核心素養(yǎng)的研究和思考，并不斷在實踐中總結(jié)經(jīng)驗。按照其要求，高考命題應(yīng)該把真實情境、實際問題和學(xué)科知識有機地結(jié)合起來。

工藝流程題，就是用框圖形式將化工生產(chǎn)過程中的主要流程表示出來，并根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及的知識、原理、實驗操作等進行設(shè)問，形成以化工生產(chǎn)為載體的工藝試題。其素材主要涉及廢物的回收利用、礦石的開發(fā)提取等，充分體現(xiàn)了對證據(jù)推理與模型認知、變化觀念與平衡思想、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。本文對2020年和2021年高考全國卷部分工藝流程圖題進行了對比分析，對其設(shè)問方式、命題角度進行了歸納總結(jié)，并從解題思路上指導(dǎo)學(xué)生掌握此類題目的答題模式，促使學(xué)生在解題過程中不斷提升化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、高考化學(xué)工藝流程題分析

工藝流程題是近幾年高考化學(xué)必考題，一般以主觀題的形式出現(xiàn)?？疾閮?nèi)容主要涉及實驗基本操作，化學(xué)反應(yīng)原理，物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化，物質(zhì)的分離提純以及轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率等的計算。該模塊試題隱含的信息較多，并且大多是學(xué)生不熟悉的，學(xué)生有本能的畏懼心理，甚至無從下手，得分率普遍偏低。為改變這一現(xiàn)狀，筆者對2020年、2021年高考全國卷部分工藝流程題進行了統(tǒng)計分析，總結(jié)了這類題型的命題角度，并從核心素養(yǎng)的角度出發(fā)對學(xué)生素養(yǎng)水平的劃分做了進一步分析，詳見表1。由表1可知，工藝流程題的綜合性強、難度大，對學(xué)生能力要求高。下面以2021年全國乙卷化學(xué)26題為例做具體分析。

例題：磁選后的高鈦爐渣，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，通過如下工藝流程（見圖1）回收鈦、鋁、鎂等。

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH已知，回答以下問題：

（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“分布沉淀”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”中Mg2+濃度為___mol·L-1。

（4）“水浸渣”在160 ℃“酸溶”，最合適的酸是____。“酸溶渣”的成分是____、____。

（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。

分析：由第1問可知，高鈦爐渣與硫酸銨混合后焙燒時，TiO2、SiO2不反應(yīng)，Al2O3、MgO、Fe2O3、CaO轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽，尾氣為NH3;將焙燒后物質(zhì)加入熱水水浸，TiO2、SiO2不溶于水，微溶的CaSO4部分溶于水，NH4Al（SO4）2、MgSO4、Fe2（SO4）3溶于水，過濾得到含有TiO2、SiO2、CaSO4的水浸渣和含有NH4+、Al3+、Mg2+、Fe3+和少量CaSO4的濾液;由第2問可知向pH約為2.0的濾液中加入氨水調(diào)節(jié)pH至11.6，根據(jù)題給表格中有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH數(shù)據(jù)可知，溶液中Fe3+、Al3+和Mg2+依次沉淀，過濾得到含有（NH4）2SO4、CaSO4的母液和氫氧化物沉淀。由第4問可知，“水浸渣”需要在160 ℃“酸溶”，故只能選擇高沸點酸硫酸，而SiO2、CaSO4與濃硫酸不反應(yīng)，只有TiO2與稀硫酸反應(yīng)得到TiOSO4，過濾得到含有SiO2、CaSO4的酸溶渣和TiOSO4溶液;將TiOSO4溶液加入熱水稀釋并適當加熱，使TiO2+完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，過濾得到含有H2SO4的母液和TiO2·xH2O。

其中第1問和第5問考查陌生情境下方程式的書寫，體現(xiàn)了對信息閱讀、提取和應(yīng)用能力的考查以及原子守恒思想的運用。第2問考查通過調(diào)節(jié)溶液的pH，使某些金屬離子沉淀，體現(xiàn)了對教材知識遷移應(yīng)用的能力以及對數(shù)據(jù)信息接受、吸收、整合能力的要求。第3問通過Ksp與離子濃度的計算，考查沉淀溶解平衡理論的運用，體現(xiàn)了對利用平衡常數(shù)進行定量分析能力的要求。第4問考查流程圖中試劑的選擇以及物質(zhì)成分的分析，體現(xiàn)了對元素及其化合物性質(zhì)的辨識能力和對流程圖中物質(zhì)變化的分析推理能力的要求。第6問考查化工流程圖中循環(huán)物質(zhì)的確定，體現(xiàn)了對綠色化學(xué)核心觀念的要求。

三、解題思路指導(dǎo)

解答化學(xué)工藝流程題，首先，要從題目給出的信息剝離出流程圖的主線與核心：原料—預(yù)處理—核心反應(yīng)—產(chǎn)品的分離提純—目標產(chǎn)物。從題干上找出原料和目標產(chǎn)物相對較容易，難的是通過題目信息找出流程中涉及的兩條主線：物質(zhì)轉(zhuǎn)化線和操作線。要注意從問題中捕捉有用信息，幫助分析流程圖中的相關(guān)步驟。

其次，要從整體到局部把握整個流程，明確每步轉(zhuǎn)化的物質(zhì)變化與最終獲得目標產(chǎn)物的關(guān)系，分析每一步操作試劑的選擇及其目的。

最后，要仔細分析每一步反應(yīng)的條件以及得到的中間產(chǎn)物，并結(jié)合產(chǎn)物的物理、化學(xué)性質(zhì)，用相關(guān)的化學(xué)原理來解答實際問題。

化學(xué)工藝流程中對原料進行預(yù)處理的基本操作主要有粉碎、煅燒、酸溶、堿溶、鹽浸等，目的是初步除掉雜質(zhì)。產(chǎn)品的分離、提純操作主要有過濾、結(jié)晶、蒸餾、萃取、分液等。往往還需要考慮條件的選擇，如溫度、濃度、pH等，比如過濾操作中的趁熱過濾，其目的是防止產(chǎn)物因溫度下降導(dǎo)致溶解度減小而析出;同理還有洗滌操作中用冰水洗滌，其目的是防止因為水溫過高導(dǎo)致溶解度較大而造成產(chǎn)品的溶解損失;再比如平衡體系中通過調(diào)控溫度、離子濃度等改變反應(yīng)速率從而引起平衡移動;還有最?？嫉耐ㄟ^調(diào)節(jié)溶液的pH使不同的金屬離子分步沉淀;等等。這些都是解決工藝流程題需要儲備的知識，要求學(xué)生在復(fù)習(xí)時針對上述內(nèi)容進行強化記憶，為順利解答流程題打好理論基礎(chǔ)。

四、教學(xué)啟示

就目前高考工藝流程題的命題特點和考查標準來看，其著重考查學(xué)生的能力，即核心素養(yǎng)達成水平，要求教師對教學(xué)模式做出改進，不光要強調(diào)知識的掌握，還要重視能力的培養(yǎng)。在日常教學(xué)過程中滲透核心素養(yǎng)，可以從以下兩個方面入手。

（一）注重真實情境創(chuàng)設(shè)

素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)要求教師重視過程教育，要求教師在平常的教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實而且有意義的情境，讓學(xué)生通過對真實情境的分析、思考、討論、探究，體會化學(xué)知識在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，不斷提升思維能力、積累實踐經(jīng)驗，在分析和解決實際問題的過程中形成和發(fā)展核心素養(yǎng)。教師平時要善于積累情境素材，要有敏銳的化學(xué)思維，要能從日常生活、新聞熱點、科技前沿資訊等真實情境中發(fā)現(xiàn)隱含的化學(xué)知識，并分析這些情境素材中涉及的素養(yǎng)取向，及時地整理收集素材，為將來備課創(chuàng)設(shè)情境做好準備。教師要根據(jù)不同階段學(xué)生的知識儲備、心理特點、認知能力的差異，合理地運用這些情境素材，對情境剖析的深淺度應(yīng)該與學(xué)生的認知能力相匹配。通過文字、圖片、視頻等不同形式引入情境，讓學(xué)生身臨其境感受化學(xué)知識，圍繞情境進行思考、分析、探究，從而得出解決實際問題的辦法。這不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，還使學(xué)生產(chǎn)生了成就感，長期堅持就能形成良性循環(huán)，讓學(xué)生越來越喜歡化學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的內(nèi)生動力。

（二）注重夯實基礎(chǔ)，提高綜合能力

工藝流程題綜合性強，復(fù)習(xí)時教師應(yīng)重點關(guān)注學(xué)生多模塊知識的切換與綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。此類題往往結(jié)合元素化合物知識考查化學(xué)反應(yīng)原理，這就要求學(xué)生從本質(zhì)上理解影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、化學(xué)平衡理論、水溶液中的離子平衡以及電化學(xué)原理。比如離子濃度以及Ksp相關(guān)計算這類題型，要求教師在復(fù)習(xí)時通過專項訓(xùn)練提升學(xué)生基于證據(jù)進行推理的能力以及定性和定量分析結(jié)合的能力。工藝流程以化學(xué)實驗為基礎(chǔ)，所以學(xué)生要熟練掌握中學(xué)實驗涉及的基本操作，不光要知道怎么操作，還要知道為什么要這么做。教師在復(fù)習(xí)實驗操作時要重視課本上的基礎(chǔ)實驗，比如以粗鹽的提純、離子的檢驗、海水提溴、海帶提碘、乙酸乙酯的制備等基礎(chǔ)實驗為案例，進行實驗原理、實驗方法、實驗操作的復(fù)習(xí)。結(jié)合案例分析，便于學(xué)生理解每一步操作的目的，當然也更容易記憶。例如在學(xué)習(xí)“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”“平衡移動的影響因素”等知識點時，可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗方案進行探究。學(xué)生通過方案的設(shè)計、儀器的選擇、現(xiàn)象的觀察與分析、原理的解釋、歸納過程，熟悉實驗儀器的用途，明確實驗操作的目的，逐步提高分析問題、解決問題的綜合能力。

五、總結(jié)

化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要一線教師多思考、多實踐，將核心素養(yǎng)的發(fā)展落實在課堂教學(xué)中，并通過平時的考練掌握學(xué)生的素養(yǎng)達成水平。以上僅是筆者個人針對工藝流程題的解答作出的思考，希望對其他同仁能有所啟發(fā)。

[參考文獻]

中華人民共和國教育部.《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》[S].北京：人民教育出版社，2020.

林藝航，陳燕.基于化學(xué)核心素養(yǎng)的高考試題分析——評2020年全國Ⅰ卷化學(xué)試題[J].化學(xué)工程與裝備，2021（01）：282-284.