产业兴国 科技兴邦——基于化工生产真实情境下的矿物资源综合利用类工艺流程解题策略

广西 金敖然

一、问题的提出

“双新”背景下，高考更加注重对学生学科素养的综合考查。一线教师要努力提升学生的学科素养，使其成为学生进入未来社会依据的重要能力，成为学生受益终生的宝贵财富。正因为如此，高考试题选材非常重视与生活日常、工农业生产的联系。工艺流程是非常契合“双新”核心理念的题型，在高考中考频较高。高考试题所涉及的工艺流程源于化工生产的真实情境，内容十分丰富。这就要求教师在教学中树立以培养核心素养为主要任务的教学理念。教师在教授学生如何解答工艺流程题时，可以借助已建立的思维模型，从而渗透“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养的培养。工艺流程在设计时还要注重绿色化学理念，因此可以渗透“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。矿物在流程图中有转化，有循环，体现了“变化观念与平衡思想”。结合真实的矿物资源综合利用生产情境，使学生了解化工生产的真实过程，感受化学、化工生产对社会发展、人类进步的巨大贡献，对于我国产业兴国、科技兴邦思想也会深有体会。

二、工艺流程命题特点

工艺流程题以真实的化工生产情境为背景，以流程框架的形式呈现。分为三个部分，原料的预处理、核心反应、分离提纯为主线。过程中涉及反应条件的控制、三废处理、回收副产品、物质的循环利用等。既可以考查学生对化学基础知识的掌握和运用情况，也考查学生文字阅读、图像、文字信息的提取、加工和处理能力、分析推理、知识迁移的能力、计算和数据处理能力以及语言文字表述能力等综合素养。笔者总结了近三年全国卷工艺流程的考查内容：2019年全国卷Ⅰ中硼镁矿生产硼酸及轻质氧化镁，2019年全国卷Ⅱ中重晶石和焦炭制立德粉ZnS·BaSO4，2019年全国卷Ⅲ中硫化锰矿与天然二氧化锰生产高纯硫酸锰工艺，2020年全国卷Ⅰ中黏土钒矿制备NH4VO3，2020年全国卷Ⅲ镍催化剂回收镍制备硫酸镍晶体，2021年全国甲卷净化后海水制碘工艺，2021年全国乙卷高钛炉渣回收钛、铝、镁工艺，均为广泛应用的成熟工艺。通常涉及元素化合物、实验基础、氧化还原、离子反应、化学反应速率、化学平衡、溶液中的离子平衡、电化学知识、沉淀平衡、化学计算等知识。工艺流程题按照类型划分为矿物资源综合利用和废弃物无害化处理及回收再利用两种类型，这里笔者重点讲矿物资源综合利用类化学工艺流程。

三、矿物资源综合利用类工艺流程解题策略

1.教师可带领学生熟悉一些常见的化工生产所涉及的矿物元素的性质，了解当前社会重点发展的化学工艺，培养学生的学科核心素养，从而减少学生对试题的陌生感和恐惧心理，以便缩短答题时间，提升答题准确率，减少学生“无从下手”现象的发生。

(1)有关钒、钴、镍元素的拓展

③镍是近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，比铁稳定，室温时在空气中难氧化，不易与浓硝酸反应，在稀酸中可缓慢溶解，释放出氢气而产生绿色的Ni2+。可以形成Ni(OH)2、NiOOH两种沉淀。

(2)有关铬、锰、钒、钛元素的拓展

(3)有关铜、银元素的拓展

【例1】(2020·全国卷Ⅰ·26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。采用图1工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

图1

该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表1所示：

表1

回答下列问题：

(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________。

【备考指导】本题以黏土钒矿制备NH4VO3的工艺流程为载体，考查流程的分析、物质的分离和提纯、反应方程式的书写等，解题的关键是根据物质的流向分析每一步骤的作用和目的。若教师能在高三复习备考过程中带领学生补充学习工艺流程中相关的重要元素的性质，无疑给学生解题带来事半功倍的效果。

2.构建解答工艺流程试题的思维模型，形成解题的核心路径“原料处理—主反应—获得产品”，每个环节关键问题是“物质—反应—操作”。呈现形式包括反应原理、图像表格、条件控制、循环物质等。教师要帮助学生建构思维模型，化抽象为具体，进而将陌生问题转化为普遍规律和解题方法，帮助学生更好的解决相关问题。

图2 工艺流程的通用模型

【例2】(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，通过图3工艺流程回收钛、铝、镁等。

图3

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：____________________。

(2)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0，在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6，依次析出的金属离子是________。

(4)“水浸渣”在160℃“酸溶”，最适合的酸是________。“酸溶渣”的成分是________、________。

(5)“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，该反应的离子方程式是________。

(6)将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得________，循环利用。

(2)Fe3+、Al3+、Mg2+

(4)硫酸 SiO2CaSO4

(6)(NH4)2SO4

【分析】

图4 建立工艺流程的通用模型

由题给流程可知，高钛炉渣与硫酸铵混合后焙烧时，二氧化钛和二氧化硅不反应，氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化铁转化为相应的硫酸盐，尾气为氨气；在焙烧后物质中加入热水水浸，二氧化钛、二氧化硅不溶于水，微溶的硫酸钙部分溶于水，硫酸铁、硫酸镁和硫酸铝铵溶于水，过滤后得到含有二氧化钛、二氧化硅、硫酸钙的水浸渣和含有硫酸铁、硫酸镁、硫酸铝铵和硫酸钙的滤液；向pH约为2.0的滤液中加入氨水至pH为11.6，溶液中铁离子、铝离子和镁离子依次沉淀，过滤得到含有硫酸铵和硫酸钙的母液①和氢氧化物沉淀；向水浸渣中加入浓硫酸加热到160℃进行酸溶，二氧化硅和硫酸钙与浓硫酸不反应，二氧化钛与稀硫酸反应得到TiOSO4，过滤得到含有二氧化硅、硫酸钙的酸溶渣和TiOSO4溶液；将TiOSO4溶液加入热水稀释并适当加热，使TiOSO4完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，过滤得到含有硫酸的母液②和TiO2·xH2O。

【备考指导】学生利用建立思维模型来解答工艺流程试题，可以快速通览全局，明确工艺流程三个主要核心阶段，掌握每个阶段的各个环节，各环节之间既相互关联，又彼此独立，可以各个击破。教师在高三复习备考该模块教学时，可以带领学生进行专题训练，专门设置一些课时来让学生做建立化工流程思维模型的训练，使学生通过思维模型轻松、熟练突破该试题的难点，提高学生的化学学科核心素养。

四、小结