基于“分析与推测能力”的工艺流程题复习与解题策略

河北 张建民 李子春

《中国高考评价体系说明》中要求“基于学科素养导向确定应考查学科的关键能力与必备知识”“关键能力是高考考查中的重点内容”。确立“能力立意”的命题形式之一就是创设情境设置工艺流程题目，命题特点是创设生产生活或学术探索情境，重点考查学生分析与推测能力。

一、工艺流程命题考查的内容

工艺流程题目是元素化合物知识的深入考查和综合测评，试题的命题意图是拓展元素化合物知识宽度和实验思维的角度与深度，考查学生化学学科素养，提升关键能力，命题设计凸显综合性与应用性，2019—2021年全国卷及2021年新高考部分省份选择性考试中考查内容分析如表1所示。

表1

二、工艺流程命题的考查视角与策略

由表1的分析可以总结出工艺流程有四个高频考点：矿料预处理措施、核心反应原理书写、反应条件控制或最佳反应条件选择和物质分离方法。

1.矿料预处理措施

矿料预处理的目的是把固体矿料处理为溶液或熔融状态，便于除去杂质，为分离得到所需产品提供便利条件。

【例1】(2021·全国乙卷·26节选)磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

图1

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见表2。

表2

回答下列问题：

(1)“焙烧”中，TiO2、SiO2几乎不发生反应，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应的硫酸盐。写出Al2O3转化为NH4Al(SO4)2的化学方程式_______________。

【解题策略】矿料的预处理是解决工艺流程问题的第一个环节，综合考查学生分析与推测能力，让学生在解决实际工业问题过程中形成思维模型。预处理工序的落脚点是通过物理方法或化学方法除去部分杂质，同时发生物质转化，便于后续分离提纯或制备物质。所以首先要分析这个环节有无物质转化、怎样转化及转化的目的，在处理过程中发生的化学反应是什么。常见的预处理方式有水浸、酸浸、碱浸、盐浸、醇浸，这样的处理主要是把矿料处理为溶液，进行渣液分离为后续工序做准备；矿料的预处理还可以采取高温煅烧、焙烧等措施，高温煅烧的目的主要是使一些物质转化，如例题中“焙烧”的目的是使Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应的硫酸盐，高温煅烧还可以使一些杂质在高温下氧化、分解而逸出反应体系。

常见预处理的目的如表3所示。

表3

2.核心反应原理书写

核心反应原理的书写是学生解决工艺流程问题的最大障碍，学生要通过试题情境提炼关键信息，确定反应物和生成物，结合环境条件配平反应方程式。核心反应的书写是考查学生对流程中各环节物质变化的分析推测，利用化学用语对反应过程的符号表达。整个过程可以构建如下思维模型：

图2

【例2】(2020·全国卷Ⅰ·26题节选)钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以+3、+4、+5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

图3

该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：

金属离子Fe3+Fe2+Al3+Mn2+开始沉淀pH1.97.03.08.1完全沉淀pH3.29.04.710.1

回答下列问题：

(5)“调pH”中有沉淀生成。生成沉淀反应的化学方程式是_______________。

【解题策略】核心反应的书写能力考查比较综合，学生要通过前后关联推测物质，分析反应过程，结合流程环境，能熟练地用化学用语表达反应过程，构建如图4的方法模型：

图4

3.物质分离操作

工艺流程题中也会基于实验思维考查物质分离方法，分离操作的目的是为了获得产品除去杂质。

【例3】(2021·河北省选择性考试·15节选)绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要作用。某科研团队设计了一种熔盐液相氧化法制备高价铬盐的新工艺，该工艺不消耗除铬铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+内循环。工艺流程如图5：

图5

回答下列问题：

(2)工序①的名称为________。

(3)滤渣Ⅰ的主要成分是________(填化学式)。

【答案】(2)溶解浸出

(3)MgO和Fe2O3

【解析】本题解题的要点是抓住关键工艺“不消耗除铬铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现制备高价铬盐，同时实现Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+内循环”，从流程中Na2CrO4溶液的出现和依据工序④处理的NaAlO2溶液得Al(OH)3的提示，Cr元素发生变价制备铬盐，Al元素在连续高温氧化步骤中变为NaAlO2，溶于水后成为溶液，通入过量气体A成为Al(OH)3，所以气体A是CO2气体，CO2气体是空气的一种成分没有利用其他资源，流程中NaOH溶液循环(Na+内循环)已经给出，所以连续高温氧化的是Cr元素和Fe元素，即通过水溶操作得到Na2CrO4溶液和NaAlO2溶液，过滤得滤渣Mg(OH)2和Fe2O3，此题进行物质分离的操作多次用到“过滤”。

【解题策略】物质分离操作要注意把握操作要点，掌握常见的物质提纯与分离方法：过滤、分液、蒸馏和蒸发结晶等。操作要点包括试剂选取、实验装置选择和操作方法，常考的物质分离与提纯基本方法如表4所示。

表4

4.条件控制的选择

条件控制主要是控制温度和溶液pH值，都是为获得产品服务，控制恰当条件更容易除去杂质或生成产品。

【例4】(2020·全国卷Ⅰ·26题节选)(题干略)

(3)“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、________，以及部分的________。

(4)“沉淀转溶”中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是________。

【答案】(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

【解析】此题最大的亮点是分析三次调控pH：3.013、pH=8.5。“酸浸氧化”后杂质金属离子有K+、Mg2+、Fe3+、Al3+、Mn2+，“中和沉淀”加入NaOH，pH在3.0～3.1之间，由第三问的设问和溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH数据可知K+、Mg2+、Na+在滤液中，另外的Mn2+还未开始沉淀，也存在于滤液中；而Fe3+、Al3+部分沉淀，还未沉淀完全；所以“沉淀转溶”时，pH大于13，Fe3+沉淀完全，滤渣③的主要成分是Fe(OH)3，滤液中还有的杂质为NaAlO2。

【解题策略】条件控制分为控制温度和溶液pH。分析调节pH的主要目的，即调节pH是为了除去杂质还是生成产品，如例题中的三次调节pH均是为了除去杂质；温度控制的出发点主要分析两个层面：物质本身性质和反应原理。如控制温度变化考虑物质的分解性、溶解度，升温考虑加快速率化学反应。构建方法模型：

表5

三、结语

总之，解答工艺流程试题要建立元素守恒观念，瞻前(矿料)顾后(产品)，确定保留元素和去除的杂质元素，构建整体思维框架，要多视角分析核心反应和物质分离措施，做到规范书写反应方程式，准确、简洁答题。