物质循环利用在高考题中的应用

山东

一、研究背景

我国在经济发展的同时，环境问题也日益显著，绿色化学成为了解决当前环境能源问题的重要手段之一，落实绿色化学理念也成为化学工作者的目标。实现绿色化学的途径之一就是通过物质的循环利用，节约原料、降低生产成本，近几年高考便通过这类试题体现可持续发展的理念。物质的循环利用主要出现在工艺流程题中，原因在于工业生产需实现反应物用量最小化、利用率和产率最大化，最终实现效益最大化的目标，因此能够深化学生“绿色化学”的理念，发展“科学态度与社会责任”的学科核心素养。该题型在近三年部分高考题中的考查见下表。

试卷考查形式考查内容2020年全国卷Ⅰ选择题102020年全国卷Ⅱ选择题11借助反应历程图中物质的循环考查催化剂利用2020年全国卷Ⅲ非选择题27(6)借助工艺流程题考查母液循环利用的意义山东省2020年普通高中学业水平等级考试化学试题,以下简称山东卷选择题9C借助工艺流程题考查循环物质的判断非选择题16(3)借助工艺流程题考查实现循环的操作工序2019年全国卷Ⅰ非选择题26(4)2018年全国卷Ⅱ非选择题26(4)借助工艺流程题考查实现循环的操作工序

通过对比近三年的高考题发现都涉及了物质循环，多数题卷传统地以工艺流程题为载体进行考查，参与循环的物质多是铵盐。《普通高中化学课程标准(2017版2020年修订)》以下简称《课程标准》提出“知道催化剂可以改变反应历程对调控化学反应速率具有重要意义”。2020年全国卷Ⅰ、全国卷Ⅱ以《课程标准》为准，以陌生的反应历程图为载体，考查学生循环思想和解图分析的能力，难度有所增加，也为后期的复习备考指明了方向。

二、考查方式

考查角度一、借助物质的循环考查催化剂利用

催化剂在反应中通过改变反应过程从而改变反应速率，能通过循环利用达到节约生产成本的目的。

【例1】(2020·全国卷Ⅰ·10)铑的配合物离子[Rh(CO)2I2]-可催化甲醇羰基化，反应过程如图1所示。

图1

下列叙述错误的是

( )

A.CH3COI是反应中间体

C.反应过程中Rh的成键数目保持不变

【答案】C

【点睛】对于反应历程图的分析，最基本的是判断反应物、产物以及催化剂；催化剂一般地在机理图中多是以完整的循环出现的；反应物则是通过一个箭头进入整个历程的物质；产物一般多是通过一个箭头最终脱离整个历程的物质。

考查角度二、借助物质的循环考查电化学知识

在利用电化学方法制取某些物质或除掉某些污染物时，电解质中某些物质可以循环利用，起到了类似催化剂的作用，这样可以降低生产成本，节约原料。解答这类问题时需要根据电极反应和总反应，分析哪些物质可以循环利用。

图2

(1)该电解池的阳极为________，电极反应式为

____________________。

(2)该电解池的阴极为________，电极反应式为

____________________。

(3)总反应为________。电解制备需要在无水条件下进行，原因为。

电解池中可以循环利用的物质是________。

【解析】结合图示可知电解法制备二茂铁，要得到Fe2+，所以要用Fe作阳极。Na+在阴极被还原为Na，再将环戊二烯还原为氢气和环戊二烯负离子，进而得到二茂铁。若电解在水溶液中进行，则被还原的不是Na+而是H2O，电离出的OH-与Fe2+反应生成Fe(OH)2。反应中Na+不断被还原为Na单质，Na单质继续还原环戊二烯，所以NaBr在电解池中循环利用。

【例3】(2019·全国卷Ⅲ·28节选)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如图3所示。负极区发生的反应有________(写反应方程式)。电路中转移1 mol电子，需消耗氧气________L(标准状况)。

图3

【点睛】解题步骤一般是先看反应原理、装置图以及题干信息，再写出电极反应式和电极产物，最后利用电极产物与溶液中的微粒发生反应，通过第二步反应达到制备所需物质或减少污染的目的。

考查角度三、借助物质的循环考查能量的综合利用

如果能够较大程度的利用太阳能，便会减少化石燃料的使用，那么，如何借助物质的循环将太阳能转化为化学能，再利用化学能提高太阳能的利用效率，是科学研究的方向，同时也是考题方向。

【例4】(2018·北京卷·27节选)近年来，研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。过程如图4：

图4

反应Ⅱ的热化学方程式：。

【点睛】此类问题常以含有某种化学元素的物质为载体，经过热化学循环实现太阳能的转化和储存，含该元素的化合物不断进行循环转化。主要考查盖斯定律的应用，解题关键是能分析出物质间的转化关系，考查学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力。

考查角度四、借助物质的循环考查物质的制备

工业制取某些物质时，可能由于熔点、压强、能量消耗等原因导致某些反应难以实现工业化生产，但如果将反应设计成多步完成或加入某些物质则可克服这些困难，这样既可以降低能耗，也可以降低对设备的要求，如电解氧化铝制取铝单质时加入冰晶石可以降低氧化铝的熔点，且冰晶石可以循环利用。

【例5】如图是以太阳能为热源，热化学硫碘循环分解水是一种高效、无污染的制氢方法.其反应过程如图5所示：

图5

(1)反应Ⅰ中，发生反应的化学方程式为

；

(2)反应Ⅲ中，反应前后化合价发生改变的元素是________；

(3)在整个反应过程中，SO2、H2SO4、I2、HI都在循环使用，其中制得H2中氢元素最初来源于________(填化学式)，氢能相较于传统的化石能源，其最大优势是。

(4)反应Ⅰ得到的产物用I2进行分离。该产物的溶液在过量I2的存在下会分成两层——低浓度I2的H2SO4层和高浓度的I2的HI层。

①根据上述事实，下列说法正确的是________(选填序号)。

a.两层溶液的密度存在差异

b.加I2前，H2SO4溶液和HI溶液不互溶

c.I2在HI溶液中比在H2SO4溶液中易溶

②辨别两层溶液的方法是。

(2)H、I

(3)H2O 对环境没有污染

(4)①ac ②观察颜色，颜色深的是HI层，颜色浅的是硫酸层 ③硫酸层中含有少量HI

【点睛】这类问题以元素化合物的转化为载体，考查物质间的转化。解决这类问题的关键要学会分析图像，获取相关的信息，找准哪种物质是循环利用的物质，通过题干的图示中各物质的转化关系，找出物质间的相互转换。

三、解题策略