巧用“气液固”三线法突破高考化学工艺流程题

湖南 周学兴

教育部在2021年1月31日发布的《教育部关于做好2021年普通高校招生工作的通知》中强调“深化考试内容改革。2021年高考命题要坚持立德树人，加强对学生德智体美劳全面发展的考查和引导。要优化情境设计，增强试题开放性、灵活性，充分发挥高考命题的育人功能和积极导向作用，引导减少死记硬背和‘机械刷题’现象”。试题的命制应遵循高考的考查目标和考查要求，明确“考什么”和“怎么考”，并保证试题的科学性、公平性和权威性，以提高测量的信度、效度和区分度。试题要立足基础、凸显能力、关注现实、彰显学科特点。《中国教育报》上发表的《牢记立德树人使命，写好教育考试奋进之笔》中阐述了高考命题的基本要求、基本步骤和基本原则，也为模拟试题的原创命制提供了方向。在近五年的高考试卷中，探究类实验的考查角度多，能够充分体现试题的开放性、灵活性。

笔者汇总了近五年高考真题中工艺流程题试题情境出现的物质中主要含有的化学元素，详见表1。

表1 近五年高考真题中工艺流程题考查物质元素载体

由表1可知，元素周期表中的第四周期过渡元素属于常考元素，目标产品覆盖面广。物质变化是工艺流程中最突出的主线，高考试题中常以陌生元素为主要载体，考查学生的必备知识与关键能力，给学生分析物质变化带来了较大难度。陌生元素的相关工艺体现了试题的真实情境，是提高试题开放性、灵活性的最佳途径。工艺流程题是必备知识和陌生反应的最佳融合体，且由于其陌生度较高，当对学生分析推理能力要求较高时，可能出现试题得分率比化学反应原理题还低的情况。

如何提高分析工艺流程中各试剂、操作、物质转化等情况的准确率是高三复习阶段的重要议题。本文介绍一种新颖的方法——“气液固”三线法，以期为广大教师和考生提供新的解题思路和复习方向。

一、方法介绍

“气液固”三线法，是根据物质在每一道工序过程中的物质状态的不同，进行“账目”式记录的方法，此方法有助于学生正确分析整个流程，避免失误，提高解题效率。该方法的具体操作是将每个“工序格子”，分成气体、液体、工序和固体四层来记录各物质的存在形式，分析混合体系中的物质变化。“四层式”工序格子形式如图1所示。

图1 “四层式”工序格子示意图

“四层式”工序格子非常准确地依据物质密度的不同展示了各物质的存在形式。通过记录前后各工序各物质的变化情况，最终连接成各物质的变化记录。

笔者以2021年全国乙卷第26题为例展示了“三线法”在解决工艺流程试题中的应用。

【例1】(2021·全国乙卷·26)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，通过如图2所示工艺流程回收钛、铝、镁等。

图2

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________。

(3)“母液①”中Mg2+浓度为________mol·L-1。

(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。

【试题点评】本题主要考查了限定条件下方程式的书写、调节pH沉淀对象的分析、Ksp的相关计算、试剂的选择、滤渣的成分分析、循环利用物质的分析，较好地考查学生分析推理的能力，发展了学生证据推理与模型认知的学科核心素养，渗透了绿色化学理念，突出了基础性、综合性、应用性的考查要求。

【“气液固”三线法】

通过各道工序中焙烧、水浸、酸溶、水解、分步沉淀等步骤发生的物理变化及化学变化，确定物质的变化情况，继而根据“气液固”三种状态进行“四层式”工序格子的记录。“气液固”三线法的应用如图3所示。

(2)结合图2可知“分步沉淀”依次析出的金属离子是Fe3+、Al3+、Mg2+；

(4)本题难度较大的工序是“焙烧”“酸溶”两步，需要结合题给信息和后续流程的走向来确定物质变化情况，比如应结合“水解”以及设问(6)共同确定“酸溶”时加入的酸是硫酸。由图3可知酸溶渣有CaSO4和SiO2；

图3 “气液固”三线法图示

(5)结合“水解”和“分步沉淀”的“四层式”工序格子可知能够循环利用的物质为硫酸铵。

(2)Fe3+、Al3+、Mg2+

(3)1.0×10-6

(4)硫酸 SiO2和CaSO4

(6)(NH4)2SO4

【方法评价】通过“账目式”记录各物质的三态存在形式，提高了各设问的分析效率，尤其例1中循环利用的物质分析，通过分析母液①、母液②及尾气的成分，即可推出循环利用的物质为硫酸铵。此外，为了精准分析各物质的变化情况，学生首先需要掌握教材中的元素相关知识，主要是Si、Al、Fe、K、Ca、Mg等元素的化合物的性质，其次是要学会运用题干、流程图、设问中出现的信息，综合确定各物质在“三态”中的具体存在形式。应注意的是若某工序的物质转化反应不确定时，可先进行假设反应或不反应，再结合各步骤物质变化前后的比对，即可得出结论。如例1中要分析出“焙烧”时的物质变化需要利用设问(1)中的题给信息。

由此可见，“气液固”三线法具有以下优点：

1.精准记录了各工序物质的变化情况，能够高效解决分析“滤液”“滤渣”的成分、循环利用物质、化学或离子方程式的书写等具体的设问。

2.使得学生对整个工艺流程的分析更加严谨、精准，避免出现前后逻辑矛盾的问题。工艺流程中必然会考查陌生物质的变化和必备知识中的物质变化，通过此法，可明确陌生物质变化的具体情况，避免分析错误，提高答题正确率。

3.通过此法，可锻炼学生的分析解决具体问题的能力。大部分学生在解题过程中，往往会“断章取义”，设问考查某道工序时，就只分析该工序的情况，造成了大片的逻辑错误，这也是工艺流程题正确率比化学反应原理题正确率更低的根本原因。

该法适用于物质推理较复杂的工艺流程题，但在一定程度上，存在做题时间长、陌生反应的干扰等问题，所以并非每一道工艺流程题都要用这种方法。

二、练习

(2021·河北省选择性考试·15)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4：

图4

回答下列问题：

(1)高温连续氧化工序中被氧化的元素是________(填元素符号)。

(2)工序①的名称为________。

(3)滤渣Ⅰ的主要成分是________(填化学式)。

(4)工序③中发生反应的离子方程式为________________。

(5)物质V可代替高温连续氧化工序中的NaOH，此时发生的主要反应的化学方程式为____________________，可代替NaOH的化学试剂还有________(填化学式)。

(6)热解工序产生的混合气体最适宜返回工序________(填“①”“②”“③”或“④”)参与内循环。

【试题点评】本题主要考查证据推理与模型认知核心素养，流程图中有CO2、NaOH、H2O等物质循环利用，且命题者将部分物质设置为未知物质，考查学生推理预测假设验证的能力。

【“气液固”三线法】

通过高温连续氧化、工序①～④、热解、介稳态相分离、煅烧等各道工序中发生的物理变化及化学变化，确定物质的变化情况，继而根据“气液固”三种状态进行如图5所示的“四层式”工序格子的落实。

图5

结合图5进行分析：

(1)对比工序“高温连续氧化”和“介稳态相分离”的“四层式”工序格子可知被氧化的元素有Cr、Fe；

(3)“高温连续氧化”的物质转化关系是本题的难点。铬铁矿、熔融NaOH、O2在连续高温氧化条件下，Fe2+先生成Fe(OH)2再被氧化为Fe(OH)3，Fe(OH)3高温条件下分解为Fe2O3(Fe(OH)3分解温度是500 ℃以上，Mg(OH)2完全分解温度为1 800 ℃)，所以滤渣Ⅰ含有Fe2O3，此处难点是MgO在此步骤中是以MgO形式存在还是以熔融后与NaOH结合生成的Mg(OH)2形式存在，因为若生成Mg(OH)2为滤渣，在过量CO2和水蒸气气相中处理为Mg(HCO3)2较容易，若以MgO的形式进入滤渣，在工序②中处理为Mg(HCO3)2也可以发生反应。但从学生的认知出发，滤渣还是MgO和Fe2O3更容易理解。

(6)由图5可知热解工序中的混合气体最适宜返回工序②。

【答案】(1)Fe和Cr(或Fe、Cr)

(2)水浸(或加水溶解、加水搅拌溶解、水溶)

(3)MgO和Fe2O3

(6)②

(7)8.37

【方法评价】本题最大的特点是，多种物质未直接在题中给出，通过“气液固”三线法图示的展现，可快速推断和验证不确定物质的化学式。

三、总结

该法在使用过程中，要特别注意陌生物质是否反应的处理。构建四层工序格子时，初看陌生物质的变化情况不能确定，可进行假设或待定的方式，到题干或后续工序中寻找证据，依据元素守恒再返回陌生物质的工序填充物质变化。切勿受到陌生物质的干扰而得出错误结论。

高考化学试题的真实情境化，决定了化学学习过程中的复杂性：教材常规元素的性质要识记，而却不“机械性”考查，工艺流程试题通过陌生元素的物质变化来考查基本理论与物质转化等知识。具体考查方向见表3。

表3 工艺流程题常见设问角度与考查频率

工艺流程题是全国卷地区和大部分新高考地区高考化学的必考题型，该题型对学生的能力要求高，常出现物质变化分析不清的问题，为了进一步提高解题效率，本文总结了依据“气液固”三线法，记录各工序中物质的三态变化情况，该法可帮助学生厘清整个工艺流程中物质的变化情况，利于解决实际问题，突出培育了学生的证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想的核心素养，尤其是高效解决了各工序的溶液、滤渣、循环利用物质、化学反应本质等问题，且利用密度的不同分层呈现，直观准确。这种方法可最大限度降低分析物质变化的错误率。本文旨在希望学生通过此法训练学科思维，培养学科核心素养，从容应对高考。同时为各位教师同仁提供解决工艺流程题的新思路。

本文系湖南省教育科学“十四五”规划2021年度国家教育考试研究专项课题“普通高中学业水平选择性考试化学试题情境素材库的建立与样卷开发”的阶段性成果。课题批准号：XJK21AKS005。