高考中的“明星”題目
——工藝流程題的命題與解題

趙鑫光

(吉林省長春市長春吉大附中實(shí)驗(yàn)學(xué)校)

在新高考評(píng)價(jià)體系中,化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試的主要目的是評(píng)價(jià)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展?fàn)顩r和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)成程度,這是新高考區(qū)別于傳統(tǒng)考試的重要特征。《中國高考評(píng)價(jià)體系說明》中指出,引導(dǎo)學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變。采用真實(shí)情境下的主題式教學(xué),打破原有知識(shí)的孤立性和零散性。通過設(shè)置真實(shí)的問題情境,考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問題的能力,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,為學(xué)生的終生學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)學(xué)業(yè)水平考試的目的,化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試命題必須堅(jiān)持以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,準(zhǔn)確把握“素養(yǎng)” “情境” “問題”和“知識(shí)”四個(gè)要素在命題中的定位與相互聯(lián)系,構(gòu)建以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的命題框架。試題的命制應(yīng)該以實(shí)際問題為測(cè)試任務(wù),以真實(shí)情境為測(cè)試載體,以化學(xué)知識(shí)為解決問題的工具,以學(xué)科核心素養(yǎng)為測(cè)試宗旨。工藝流程題以簡(jiǎn)潔的工藝流程圖再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),情境真實(shí)而有意義,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任、引導(dǎo)教學(xué)、選拔具有創(chuàng)新思維和能力的學(xué)生大有裨益,充分顯示了新高考評(píng)價(jià)體系中“一核”的引領(lǐng)功能,試題中也能充分體現(xiàn)“四層” “四翼”的考查內(nèi)容和考查要求,完全符合新高考的命題原則,上述原因使得工藝流程題成為高考中的“明星”題目。

一、工藝流程題的命題框架

二、工藝流程題的學(xué)科價(jià)值

通過選取有引領(lǐng)作用的背景素材,再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),情境真實(shí)而有意義,這種真實(shí)情境可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心現(xiàn)實(shí)問題,解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任感,激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛。這是工藝流程題體現(xiàn)出的學(xué)科社會(huì)價(jià)值。

通過題干給出的信息和設(shè)置的問題,學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到化學(xué)科學(xué)對(duì)人類進(jìn)步和發(fā)展的貢獻(xiàn),秉承可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念,能對(duì)與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題作出正確的價(jià)值判斷,這是工藝流程題體現(xiàn)出的學(xué)科本質(zhì)價(jià)值。

通過流程圖的分析和解讀,學(xué)生可以了解科學(xué)研究的過程,領(lǐng)悟科學(xué)家的思維方法以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、不畏艱難、勇于探索和追求真理的科學(xué)精神;流程圖展示出了化學(xué)在新理論的創(chuàng)立、新材料的研制、新藥物的合成、新能源的開發(fā)等方面的巨大成果,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,這是工藝流程題體現(xiàn)出的學(xué)科育人價(jià)值。

三、工藝流程題命題過程

第一步:選取真實(shí)的情境素材

工藝流程題的背景素材來源于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),情境真實(shí)而有意義。這樣的素材選取原則啟示我們:源于生產(chǎn)、情境新穎是這類試題的一大特色。情境載體涉及面廣,以過渡金屬元素考查居多,且大都是學(xué)生較為陌生的內(nèi)容。

第二步:設(shè)計(jì)題干繪制流程圖

流程圖的設(shè)計(jì)首先要捕捉素材中與高中知識(shí)、素養(yǎng)、能力密切相關(guān)的內(nèi)容,然后將與考查內(nèi)容相關(guān)的關(guān)鍵流程、方法和技術(shù)處理成清晰、簡(jiǎn)潔的流程圖。但在設(shè)計(jì)流程時(shí)考慮到高中學(xué)生所學(xué)實(shí)際情況,對(duì)相關(guān)條件、步驟進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚?保留了關(guān)鍵操作,給出了必要的物質(zhì)信息。這樣簡(jiǎn)化處理給我們的啟示是:題目雖新,但考查的知識(shí)大多是我們學(xué)過的內(nèi)容。

第三步:設(shè)置基礎(chǔ)性為主的問題

命題時(shí),根據(jù)高中學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、素養(yǎng)要求以及高考對(duì)化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力的考查,所設(shè)計(jì)的問題大多是對(duì)主干知識(shí)的考查,避免出現(xiàn)偏難怪的設(shè)問,這就告訴我們要有自信心,高考大題是完全可以得大部分分?jǐn)?shù)的。

第四步:增強(qiáng)設(shè)問的綜合性和應(yīng)用性

該步驟緊扣學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力,整合情境素材和考查內(nèi)容,通過建立新舊知識(shí)的聯(lián)系、綜合多個(gè)模塊內(nèi)容,考查學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。個(gè)別題目應(yīng)具備一定的難度和區(qū)分度以體現(xiàn)高考的選拔功能。對(duì)于這些題目,學(xué)生需經(jīng)過慎重的思考推理才能解答,“跳一跳”才能摘到“桃子”,此外有些個(gè)別題目不會(huì)做實(shí)屬正常,不要過于糾結(jié)影響心情。

第五步:調(diào)整難度,設(shè)置分值

試題初步命制完之后,要整體統(tǒng)籌,做到難度合理,區(qū)分度明顯。試題難度調(diào)整可采取同類題目替換、信息提示、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化等方法。

總之,工藝流程題的命制以真實(shí)、新穎的情境為素材,保證了命題的科學(xué)性。融合多種必備知識(shí),在保證一定量的基礎(chǔ)性設(shè)問的前提下,設(shè)置學(xué)科內(nèi)綜合的問題和關(guān)于新情境應(yīng)用的問題,保證了設(shè)問的層次性。此外,在考查素養(yǎng)和能力的同時(shí)也向?qū)W生介紹了新知識(shí),展示了實(shí)際問題的復(fù)雜性、綜合性,展現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的魅力,實(shí)現(xiàn)了圍繞化學(xué)工藝流程進(jìn)行多角度、多層次、有梯度的考查。

四、工藝流程題解題策略——建模

(一)了解工藝流程題的結(jié)構(gòu)模型

工藝流程題的結(jié)構(gòu)主要分為題頭,題干和設(shè)問三部分,題頭主要是用準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的文字介紹該工藝生產(chǎn)中使用的原料、所含的雜質(zhì)、想要得到的目標(biāo)產(chǎn)品等基本信息。題干部分用框圖形式將需要進(jìn)行的操作、物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化、分離提純的過程等主要生產(chǎn)工藝流程表示出來。例如2020年全國Ⅰ卷,26題中的工藝流程圖就可以分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié):

圖1

(二)建立工藝流程題的解題思維模型

其中三條思維主線具體內(nèi)容如下:

①元素轉(zhuǎn)化線(跟蹤每種元素走向)

根據(jù)元素轉(zhuǎn)化守恒思想,跟蹤每種元素走向及其轉(zhuǎn)化形式,目標(biāo)元素肯定會(huì)走到最后,雜質(zhì)元素在過程中一定要除去,不能放過每一種雜質(zhì)元素。

②價(jià)態(tài)變化線(確定所加試劑作用)

根據(jù)分析元素的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變來判斷所加試劑的目的,是提供酸堿介質(zhì)還是調(diào)節(jié)pH,還是作氧化劑或還原劑。通過價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變來判斷反應(yīng)類型,氧化還原還是非氧化還原,從而正確書寫陌生方程式。

③實(shí)驗(yàn)操作線(確定除雜分離方法)

根據(jù)每一步操作目標(biāo)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程,分析雜質(zhì)是用什么試劑,用什么方法除去,目標(biāo)產(chǎn)物又是通過什么實(shí)驗(yàn)方法得到。

(三)構(gòu)建工藝流程題的知識(shí)體系

工藝流程題通常設(shè)置的考點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:(1)原料或廢料的預(yù)處理;(2)反應(yīng)條件的控制與優(yōu)化;(3)分離、提純等基本操作;(4)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化原理,化學(xué)方程式、離子方程式的書寫;(5)物質(zhì)成分的定量、定性分析,包括濾渣、循環(huán)物質(zhì)、母液等;(6)純度、含量、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率等的計(jì)算。根據(jù)考點(diǎn)的設(shè)置,知識(shí)體系的構(gòu)建如下:

(1)原料預(yù)處理階段要考慮以下幾個(gè)問題:

①為什么要進(jìn)行預(yù)處理?預(yù)處理的目的是使礦物原料中的粒子進(jìn)入溶液或高溫焙燒便于除雜。預(yù)處理過程可以發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化除去部分雜質(zhì)。

②怎樣進(jìn)行預(yù)處理?預(yù)處理的方式有研磨、粉碎、攪拌、水浸、酸浸、堿浸、鹽浸、醇浸、焙燒等。

③為什么要焙燒?高溫焙燒的目的是改變物質(zhì)結(jié)構(gòu),使一些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶的物質(zhì),使一些雜質(zhì)(如有機(jī)物等)在高溫下氧化分解等。

④如何能提高浸出的效果?提高浸出率的方法一般有:增大反應(yīng)物的接觸面積,適當(dāng)增大溶劑濃度,適當(dāng)升高溫度,多次攪拌,長時(shí)間浸取等。

(2)控制體系pH時(shí)要考慮以下幾點(diǎn):

①調(diào)節(jié)pH的目的是:使某些金屬離子生成沉淀而除去;調(diào)節(jié)溶液的酸堿性;促進(jìn)或抑制水解;創(chuàng)造核心反應(yīng)需要的酸性或堿性條件。

②調(diào)節(jié)pH的方法:加入氧化物、碳酸鹽、硫酸或鹽酸等酸液、氫氧化鈉或氨水等堿液、難溶性氫氧化物、堿式碳酸鹽等。

③調(diào)節(jié)pH的原則:不引入新雜質(zhì)離子,不能使所需離子或產(chǎn)物損失。

④調(diào)節(jié)pH時(shí)需注意范圍,pH過小會(huì)導(dǎo)致某些離子沉淀不完全,pH過大會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物損失。

(3)調(diào)控體系溫度時(shí)要考慮以下幾點(diǎn):

①升高溫度的目的有:加快反應(yīng)速率,加快溶浸速率,促進(jìn)化學(xué)平衡向吸熱方向移動(dòng),去除遇熱不穩(wěn)定的雜質(zhì)(如NaHCO3、NH4Cl、H2O2等),促進(jìn)低沸點(diǎn)的原料汽化或升華,促進(jìn)鹽類水解,促進(jìn)溶解度隨溫度升高而減小的物質(zhì)析出等。

②降低溫度的目的有:減慢反應(yīng)速率,促進(jìn)化學(xué)平衡向放熱方向移動(dòng),防止產(chǎn)物因溫度過高而分解或者揮發(fā),使某些物質(zhì)通過降溫液化或固化,降低某些物質(zhì)的溶解度從而結(jié)晶析出,減少能源成本、降低對(duì)設(shè)備的要求等。

③控制溫度在一定范圍內(nèi)的目的有:既能保證一定的反應(yīng)速率又能防止副反應(yīng)的發(fā)生,保持催化劑的最好活性,通過蒸餾或分餾得到產(chǎn)品或去除雜質(zhì),趁熱過濾時(shí)防止產(chǎn)品提前析出等?？刂茰囟仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)的方法是采用水浴、油浴或砂浴。

(4)物質(zhì)的分離提純主要考慮以下幾點(diǎn):

①固體和液體的分離:固液不互溶的采用過濾法分離。固液互溶的采用結(jié)晶法,結(jié)晶法有蒸發(fā)結(jié)晶和冷卻結(jié)晶兩種方法,溶解度隨溫度變化較小,產(chǎn)品受熱不容易分解的采用蒸發(fā)結(jié)晶法,溶解度隨溫度變化較大,產(chǎn)品含有結(jié)晶水或受熱易分解的采用冷卻結(jié)晶法。

②液體和液體的分離:液液混溶的采用蒸餾法,液液不互溶的采用分液法。

③固體和固體的分離:若其中某種物質(zhì)有易升華的性質(zhì),可采用升華法;若產(chǎn)物和雜質(zhì)在某種溶劑中的溶解度有較大差異可以采用重結(jié)晶的方法分離提純,重結(jié)晶的一般步驟是:加熱溶解,趁熱過濾,冷卻結(jié)晶,過濾、洗滌、干燥。

④其他方法:萃取法——用一種溶劑將溶質(zhì)從另一種溶劑中提取出來;鹽析——加無機(jī)鹽使溶質(zhì)的溶解度降低而析出。

(四)構(gòu)建工藝流程題的解題步驟

①明確目的,熟悉步驟:從題干信息中找到該化學(xué)工藝流程題要達(dá)到的目的。因?yàn)榛ゎ}中幾乎所有的設(shè)問都圍繞著如何實(shí)現(xiàn)該化學(xué)工藝目的。弄清楚化學(xué)工藝流程題要達(dá)到的目的,對(duì)后面問題的解決起著十分重要的作用,保證后面在回答問題時(shí)不答偏方向,即為解題奠定方向基礎(chǔ)。

②先審問題,再看流程:一般化工流程題的流程圖都較為復(fù)雜,但是問題一般只會(huì)涉及幾個(gè)關(guān)鍵的步驟,或者有些設(shè)問與流程圖根本沒關(guān)系。所以考生應(yīng)該帶著問題去研讀相應(yīng)流程圖中的某些步驟或圖像中回答問題必須要涉及的具體點(diǎn)?？辞宄栴}的具體指向,不要審錯(cuò)問題,千萬別犯低級(jí)錯(cuò)誤而導(dǎo)致丟分,這樣可以少走彎路、節(jié)省時(shí)間,考生可以在較短的時(shí)間內(nèi)快速作答,提高解題的針對(duì)性和時(shí)效性。

③關(guān)注信息,學(xué)會(huì)遷移:從某種原料出發(fā),要得到最終產(chǎn)品,必須除去什么元素、引進(jìn)什么元素?關(guān)注雜質(zhì)離子的去向及產(chǎn)品的生成,有時(shí)需要逆向推導(dǎo)。題干中的陌生信息一般是重要的暗示和突破口,所給的信息一定有用,但需要考生經(jīng)過提煉、重組、分解和遷移,并結(jié)合設(shè)問分析、判斷,才能應(yīng)用信息解決問題,正確作答。

④答案精準(zhǔn),答題規(guī)范:回答問題時(shí)盡可能使用準(zhǔn)確精練的語言,使用準(zhǔn)確的化學(xué)用語(化學(xué)反應(yīng)方程式或離子反應(yīng)方程式)規(guī)范作答。答題要抓住給分點(diǎn),避免因漏掉正確答案而失分。

五、典型例題分析

【例1】(2022年廣東卷,18題)稀土(RE)包括鑭、釔等元素,是高科技發(fā)展的關(guān)鍵支撐。我國南方特有的稀土礦可用離子交換法處理,一種從該類礦(含鐵、鋁等元素)中提取稀土的工藝如圖2:

圖2

已知:月桂酸(C11H23COOH)熔點(diǎn)為44°C;月桂酸和(C11H23COO)3RE均難溶于水。該工藝條件下,稀土離子保持+3價(jià)不變;(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8,Al(OH)3開始溶解時(shí)的pH為8.8;有關(guān)金屬離子沉淀的相關(guān)pH如下。

離子Mg2+Fe3+Al3+RE3+開始沉淀時(shí)的pH8.81.53.66.2～7.4沉淀完全時(shí)的pH/3.24.7/

(1)“氧化調(diào)pH”中,化合價(jià)有變化的金屬離子是________。

(2)“過濾1”前,用NaOH溶液調(diào)pH至________的范圍內(nèi),該過程中Al3+發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為__________________________________________________。

(3)“過濾2”后,濾餅中檢測(cè)不到Mg元素,濾液2中Mg2+濃度為2.7 g/L。為盡可能多地提取RE3+,可提高月桂酸鈉的加入量,但應(yīng)確?！斑^濾2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于________mol/L(保留兩位有效數(shù)字)。

(4)①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產(chǎn)率,其原因是__________________________________________________。

②“操作X”的過程為:先________,再固液分離。

(5)該工藝中,可再生循環(huán)利用的物質(zhì)有________(寫化學(xué)式)。

(6)稀土元素釔(Y)可用于制備高活性的合金類催化劑Pt3Y。

①還原YCl3和PtCl4熔融鹽制備Pt3Y時(shí),生成1 mol Pt3Y轉(zhuǎn)移________mol電子。

②Pt3Y/C用作氫氧燃料電池電極材料時(shí),能在堿性溶液中高效催化O2的還原,發(fā)生的電極反應(yīng)為__________________________________________________。

【解析】本題以稀土礦提取稀土的工藝流程為情境素材,考查學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,以及對(duì)流程圖、表格數(shù)據(jù)、題干信息的提取、分析和處理能力,在考查知識(shí)與技能的同時(shí),滲透了綠色化學(xué)的理念。各小題的考點(diǎn)設(shè)計(jì)、知識(shí)點(diǎn)和難度分布如表1所示:

表1

【例2】(2022年遼寧卷,16題節(jié)選)某工廠采用輝鉍礦(主要成分為Bi2S3,含有FeS2、SiO2雜質(zhì))與軟錳礦(主要成分為MnO2)聯(lián)合焙燒法制備BiOCl和MnSO4,工藝流程如圖3:

已知:①焙燒時(shí)過量的MnO2分解為Mn2O3,FeS2轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3;

②金屬活動(dòng)性:Fe>(H)>Bi>Cu;

③相關(guān)金屬離子形成氫氧化物的pH范圍如下:

開始沉淀pH完全沉淀pHFe2+6.58.3Fe3+1.62.8Mn2+8.110.1

回答下列問題:

(1)為提高焙燒效率,可采取的措施為__________________________________________________。

a.進(jìn)一步粉碎礦石

b.鼓入適當(dāng)過量的空氣

c.降低焙燒溫度

(2)Bi2S3在空氣中單獨(dú)焙燒生成Bi2O3,反應(yīng)的化學(xué)方程式為__________________________________________________。

(3)“酸浸”中過量濃鹽酸的作用為:①充分浸出Bi3+和Mn2+;②__________________________________________________。

(4)濾渣的主要成分為________(填化學(xué)式)。

(5)生成氣體A的離子方程式為________________。

(6)加入金屬Bi的目的是__________________________________________________。

【解析】本題以實(shí)際生產(chǎn)中用輝鉍礦和軟錳礦聯(lián)合焙燒法制備BiOCl和MnSO4為情境素材,考查學(xué)生綜合運(yùn)用高中所學(xué)化學(xué)知識(shí)和題干中所給陌生信息解決實(shí)際問題的能力,涉及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、分離、提純綜合應(yīng)用。各小題的考點(diǎn)設(shè)計(jì)、知識(shí)點(diǎn)和難度分布如表2所示:

表2

續(xù)表