基于建模思想的高中化學工藝流程題解題策略研究

張麗麗

(廣東省湛江四中 524000)

“證據(jù)推理與模型認知”是《普通高中化學課程標準》(2017版)中化學學科五大核心素養(yǎng)之一，模型認知作為其中一個關鍵要素被列入核心素養(yǎng)當中.它要求學生通過分析、推理等方法建立認知模型，能夠運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，并應用到解決化工生產(chǎn)的實際問題當中.

1 化學建模教學

建模是一種科學的思維方法，是一種認識的工具.建模思想是運用模型解決問題的一種思想，就是將復雜的化學問題去掉非本質(zhì)的東西，抽象出解決問題的思維方式，然后運用這一模型去解決相關問題.建模思想的優(yōu)點在于把研究對象的一些次要細節(jié)及非本質(zhì)的聯(lián)系或提取或舍去，從而建立程序化模型有助于判斷和推理.化工流程題是高考復習的重難點，在課堂設計中幫助學生建立化學工業(yè)流程的解題模型，有助于學生對化學工業(yè)流程的各步驟及其作用有更清晰的理解和認識，從而勝任高考中化工流程類題目的考查.

2 化學工藝流程題

2.1 化工流程題的命題分析

試題考查形式主要有物質(zhì)制備類(如圖1所示)和混合物分離提純類(如圖2所示)兩大類，其中以物質(zhì)制備類為主.

圖1

圖2

命題情境：

(1)生產(chǎn)環(huán)保情境：自然資源的綜合利用，生產(chǎn)條件的優(yōu)化，廢物回收利用和毒害物質(zhì)處理.

(2)學術探究情境：最新的生產(chǎn)方法，提取技術的應用等.

命題立意：

(1)以典型無機物、部分過渡元素的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化為知識載體，以化學實驗的基本操作，物質(zhì)的檢驗、分離、提純，實驗數(shù)據(jù)的處理與分析為手段，結(jié)合電解質(zhì)溶液、電化學、熱力學、動力學等方面知識，綜合考查物質(zhì)的制備、分離、提純.

(2)通過理解、辨析基礎知識、基本概念、基本理論、基本信息，考查學生的信息提取、整合能力和遷移應用能力.通過對數(shù)據(jù)、圖表、圖像等計算、分析，考查學生的思維認知能力.通過實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)、方案設計與評價，考查學生通過實驗技能解決生產(chǎn)中的實際問題的能力.

(3)以實際生產(chǎn)中的真實問題為背景，加強對實驗探究與創(chuàng)新意識實踐基礎的考查，培養(yǎng)學生證據(jù)推理與模型認知、宏微結(jié)合與變化平衡的學科核心思維，滲透綠色、節(jié)能、環(huán)保等科學精神與社會責任的核心價值立場.

2.2 化工流程題的結(jié)構(gòu)和特點

化工流程題的結(jié)構(gòu)可分為題頭、題干和題尾三個部分.題頭：主要介紹該工藝生產(chǎn)用到的原材料(包括雜質(zhì))、工藝生產(chǎn)的目的、獲得的產(chǎn)品、用途等信息，有時根據(jù)題頭的需要，會提供一系列文字、圖表和其他相關注釋信息；題干：主要用框圖形式將操作或物質(zhì)轉(zhuǎn)化之間的關系或原料到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝流程表示出來；題尾：主要是根據(jù)流程中涉及到的化學知識設計成系列問題，構(gòu)成一道完整的化學試題.

此類試題集綜合性、真實性、開放性于一體，包含必要的操作名稱、化工術語或文字說明.題型包括選擇題和非選擇題，選擇題主要考查元素化合物知識和工藝流程中的基本操作.非選擇題考查知識面廣、綜合性強、思維容量大.題干的呈現(xiàn)形式多為流程圖、表格和圖像，設問角度一般為操作措施、物質(zhì)成分、化學反應、條件控制的原因和產(chǎn)率計算等；能力考查側(cè)重于獲取信息的能力、分析問題的能力、語言表達能力和計算能力；涉及的化學知識有基本理論、元素化合物和實驗基礎知識等.

3 化學工藝流程題解題策略

3.1 題頭分析

題頭信息一般給出原材料和雜質(zhì)成分及指定產(chǎn)品，有時還會提及原材料或產(chǎn)品的基本性質(zhì).這些基本屬性可以在分析流程圖后解決問題時使用，在解答問題之前需要先分析原材料、產(chǎn)品的性質(zhì)和化合價是否發(fā)生變化等基本信息，并初步判斷原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程經(jīng)歷了哪些步驟，是否為氧化還原反應，以便于結(jié)合后續(xù)工藝中添加的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關系和反應條件的控制書寫相關反應方程式，并分析濾渣、濾液的成分，推導出除雜順序、選擇分離提純方法.

3.2 流程圖分析

化學工藝流程圖主要由原料的預處理、核心化學反應和產(chǎn)品的分離提純?nèi)齻€部分組成，涉及主產(chǎn)品的制備、副產(chǎn)品的制備和循環(huán)過程三條流程線.原料的預處理，包括煅燒、酸溶、堿溶、除雜、過濾等過程；核心化學反應就是生成產(chǎn)品的反應，這個階段也可能會生成副產(chǎn)品；產(chǎn)品的分離提純，包括過濾、結(jié)晶、蒸餾、萃取分液、醇洗、水洗等過程，通常還要考慮分離條件如調(diào)節(jié)pH、溫度等.三條流程線:從原料到產(chǎn)品的過程稱為主線，原料到副產(chǎn)品的過程稱為分支線，循環(huán)利用的工序組成了回頭線.即:“主線一主產(chǎn)品”“分支一副產(chǎn)品”和“回頭一為循環(huán)”.

3.3 建構(gòu)化工流程題分析模型

化工流程問題是以元素化合物知識為基礎，通過流程圖將一個化學工藝生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)流程表示出來，并根據(jù)生產(chǎn)流程中涉及的化學知識設計問題.加強對該類題型結(jié)構(gòu)框架的認識，建構(gòu)工藝流程題的分析模型，能幫助學生形成化學學科的思維方法，提升學科素養(yǎng).

工藝流程題的基本框架為：原料→核心化學反應→產(chǎn)品，從元素的角度分析，觀察主線中留下哪些元素，除去了哪些元素，通過追蹤元素的去向明確各個環(huán)節(jié)的目的，是除雜還是核心反應？是中間產(chǎn)物還是對于下一步的預處理？若是除雜問題，考慮化學實驗過程中的分離、提純原理和實驗操作方法，化工生產(chǎn)的最終目的是為了獲得更多更純凈的產(chǎn)品.若是核心反應，考查的一般都是高中化學中常見的幾個反應類型，氧化還原反應，復分解反應和電化學反應.其它的問題則從生產(chǎn)條件控制、平衡移動、具體的生產(chǎn)措施、綠色化學、成本控制、工藝步驟、設備腐蝕等這些角度思考，從而找到解題思路.

現(xiàn)以2022年全國甲卷26題為例，分析其結(jié)構(gòu)框架，剖析轉(zhuǎn)化流程，建構(gòu)化工流程的分析模型.

真題(2022全國甲卷26題)硫酸鋅(ZnSO4)是制備各種含鋅材料的原料，在防腐、電鍍、醫(yī)學上有諸多應用.硫酸鋅可由菱鋅礦制備.菱鋅礦的主要成分為ZnCO3，雜質(zhì)為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物.其制備流程如圖3所示.

圖3

本題中所涉及離子的氫氧化物溶度積常數(shù)見表1.

表1

回答下列問題：

(1)菱鋅礦焙燒生成氧化鋅的化學方程式為____.

(2)為了提高鋅的浸取效果，可采取的措施有____、____.

(3)加入物質(zhì)X調(diào)溶液pH=5，最適宜使用的X是____(填標號).

A．NH3·H2O B．Ca(OH)2C．NaOH

濾渣①的主要成分是____、____、____.

(4)向80～90℃的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應后過濾，濾渣②中有MnO2，該步反應的離子方程式為____.

(5)濾液②中加入鋅粉的目的是____.

(6)濾渣④與濃H2SO4反應可以釋放HF并循環(huán)利用，同時得到的副產(chǎn)物是____、____.

解題分析基本框架分析如圖4所示:

圖4

結(jié)合流程圖逐一分析:

問題(2)浸取的目的是將礦物中的元素轉(zhuǎn)移進溶液，提高浸取效率可理解為加快化學反應速率，可采用增大壓強、將焙燒后的產(chǎn)物碾碎，增大接觸面積、增大硫酸的濃度等方式提高鋅的浸取率；實際考查的是影響化學反應速率的因素，體現(xiàn)了學生思辨能力的運用.

問題(3)用物質(zhì)X調(diào)節(jié)pH的目的是除去溶液中某些雜質(zhì)離子，X的選擇要考慮無污染、低成本、不引入新雜質(zhì)，NH3·H2O易分解產(chǎn)生NH3污染空氣，且成本較高，故A不合適；Ca(OH)2不會引入新的雜質(zhì)，且成本較低，故B合適；NaOH會引入雜質(zhì)Na+，且成本較高，C不合適；當沉淀完全時即離子濃度小于10-5mol/L，結(jié)合表格Ksp計算各離子完全沉淀時pH<5的只有Fe3+，故濾渣①中有Fe(OH)3，又CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故濾渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；透過題目分析出背后的考點為pH控制與試劑選擇，濾渣成分分析，考查酸堿中和、除雜、沉淀溶解平衡相關知識.判斷濾渣成分涉及沉淀溶解平衡相關計算，難度和綜合性較強，突出了信息遷移能力和計算能力的考查.

問題(6)濾渣④為CaF2、MgF2，與濃硫酸反應可得到HF，同時得到的副產(chǎn)物為CaSO4、MgSO4.考查知識點為實驗室制備氫鹵酸原理，利用高沸點酸制低沸點酸，側(cè)重知識遷移運用能力.

試題背景：以菱鋅礦制備硫酸鋅的工藝為情景素材，通過對菱鋅礦焙燒、酸浸預處理，考查化學方程式書寫及原料預處理的措施，再通過核心反應條件控制，逐步分離除去雜質(zhì)，考查步驟中試劑的選擇、成分的推斷，提供有關金屬離子難溶電解質(zhì)的溶度積，要求學生基于數(shù)據(jù)綜合分析整個工藝流程，引導學生思考不同物質(zhì)的分離條件，考查學生綜合運用化學知識解決實際問題的能力.