浅析化工流程题中的绿色化学理念

湖北 陈功健

(作者单位：华中科技大学附属中学)

2017年10月18日，习近平在十九大报告中指出，坚持人与自然和谐共生。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。根据化学学科核心素养对高中学生发展的具体要求，《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)制定了高中化学的课程目标。其中，涉及“绿色化学”主题部分指出学生应该具备的核心素养为：“具有安全意识和严谨求实的科学态度；形成真理面前人人平等的意识；增强探究物质性质和变化的兴趣，关注与化学有关的社会热点问题，认识环境保护和资源合理开发的重要性，具有‘绿色化学’观念和可持续发展意识；能较深刻地理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，认识化学对社会发展的重大贡献，能运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响，权衡利弊，强化社会责任意识，积极参与有关化学问题的社会决策。”

工艺流程题关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境，它是以实际生产的工艺流程为背景素材，将工业生产中的真实情况以信息的形式给出，运用中学化学中涉及的元素化合物知识、化学反应原理、化学实验技能、化学计算来解决化工生产实际问题的综合类题型。由此可见，高考中热门题型“工艺流程题”与高中化学核心素养中“绿色化学”理念联系密切，是考查学生高中化学核心素养5“科学态度与社会责任”的重要部分。本文尝试阐明“绿色化学”相关考点在高中化学教材和高考工艺流程题中的体现，帮助师生明晰二者的联系。

一、“绿色化学”相关概念梳理

“绿色化学”相关概念在高中化学教与学的过程很容易被忽视，而作为高三备考很有必要梳理清楚高中化学教材中与之相关的概念。

2019年人教版高中化学必修第二册第八章《化学与可持续发展》第三节《环境保护与绿色》中涉及“绿色化学”相关概念。

《绿色化学化工概论》中介绍了“绿色化学工艺”：指在绿色化学基础上开发的从源头上阻止环境污染的化学工艺。该工艺的建立和开发的指导思想是采用“原子经济”反应，即原料中每一个原子都转化成产品，不产生任何废物和副产品，实现废物的“零排放”，也不采用有毒有害的原料、催化剂和溶剂，并生产环境友好的产品。按照绿色化学的思想，最理想的“原子经济型反应”就是反应物的原子全部转化为期望的最终产物，这时原子利用率为100%，即期望产物的总质量与生成物的总质量之比为100%。

二、教材中“环境污染”类型归纳

教材中有许多与绿色化学相关的主题素材，可分为以下几类：

(1)资源开发与能源利用：铝土矿、硫铁矿、煤等资源与能源的开发利用；从沙子到单晶硅；海水淡化；太阳能分解水制氢气(如使用二氧化钛催化剂)；燃料电池；化学在光伏产业中的应用；“循环经济”与“工业生态”的实施案例。

(2)环境问题及处理：雾霾的主要成分与来源，汽车尾气与雾霾的关系；大气中的VOC(挥发性有机化合物)的成分与来源；煤和石油的脱硝脱硫，烟道气体排放中污染物的吸收；采矿和金属提炼的环境代价；水体富营养化、COD(化学需氧量)或BOD(生化需氧量)的测定；垃圾及废弃物的分类、回收处理与循环利用；可降解塑料(如聚乳酸)。

D

B

高考题中涉及与环境污染主题相关的主要为以下几类：

1.CO相关污染，CO是无色无臭的有毒气体，化学性质较稳定。CO是排放量最大的大气污染物。

2.NOx相关污染，NOx除了会导致“酸雨”外，还会参与大气光化学过程。NO2经光解而产生活泼的氧原子，氧原子与空气中的O2结合生成O3，O3又可把NO氧化成NO2,因而NO,NO2与O3之间存在着化学循环。

当阳光照射到含NO和NO2的空气时，便发生如下反应：

4.光化学烟雾相关污染，含氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物的大气，在太阳光照射下发生光化学反应而产生二次污染物，这种由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。

5.重金属相关污染，重金属离子对酶的抑制是不可逆的，重金属离子会使蛋白质变性失活，因此重金属离子是有毒的。

6.富营养化，含氮、磷元素的大量污水任意排入河流、湖泊和近海水域，会出现水华、赤潮等水体污染问题。

三、化学与“三废”污染问题

1.“三废”污染是指工业生产中产生的废气、废液、废渣对环境的污染。三废治理是采取多种措施对工业生产排放的废气、废水、废渣进行处理和合理利用的系统工程。工业生产排出的废气中含有一氧化碳、二氧化碳、苯肼芘、硫化氢、氮氧化物、氟化氢、氯化氢、甲醛、氨等有害气体；废水中有含有原油或石油制品的废水，含碱或硫化物的废水，含重金属(铬、镉、镍、铜等)离子的废水，含酸、碱、氰化物的废水，以及热水等；固体废物为被丢弃的固体和泥状物质，其中有些是从废水和废气中分离出来的固体颗粒等。如果不从治理的角度，而从回收和综合利用的角度进行处理，它们又可变成一个新的生产过程的原料。

2.大气污染物与次生污染物的形成过程如图1所示。

图1 次生污染物的形成示意图

3.化学与“污水”处理

(1)污水处理常用方法有物理法、化学法和生物法等。

(2)污水三级处理如图2所示

图2

4.化学与“废渣”及生活垃圾

处理原则：无害化、减量化和资源化，达到减少环境污染和资源回收两个目的。

四、工艺流程图题中的绿色化学理念考查

1.工艺流程图题的一般流程模式

工业流程题目在流程上一般分为三个过程：原料处理→分离提纯→获得产品。其流程如图3所示：

图3

纵观化工生产的流程，无论是“原料预处理、除杂、净化”，反应过程中“原料的循环利用”，还是分离、提纯产品时对排放物的无害处理，都充分体现出绿色化学的核心理念。其流程如图4所示：

图4

2.绿色化学理念在工艺流程图题中的体现

为帮助学生更具体地理解绿色化学理念在工艺流程题中的体现，接下来笔者以高考真题为例，解析工艺流程题对绿色化学理念考查的几种形式。

(1)绿色化学理念之“物质循环利用”

【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，通过如图5所示工艺流程回收钛、铝、镁等。

图5

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH见表1

表1

回答下列问题：

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

【参考答案】(NH4)2SO4

【解析】本题以处理磁选后的炼铁高钛炉渣为试题情境，通过化学工艺流程回收钛、铝、镁，既渗透绿色化学理念中“三废处理”，又充分体现了处理废渣“无害化、减量化和资源化”的基本原则,实现了原料的充分利用。

分析题干信息可知，尾气为氨气，母液①主要成分为硫酸铵、母液②主要成分为硫酸，将母液①和母液②混合后吸收氨气得到硫酸铵溶液，(NH4)2SO4是“焙烧”环节的反应物，可以循环使用，故答案为(NH4)2SO4。

物质循环再利用，这是绿色化学理念在工艺流程图题中的重要考查方式。很多学生不懂得借助“绿色化学”理念，分析工艺流程中何种物质可被循环再利用。总结归纳高考题中关于“循环再利用”这一绿色化学理念的考查规律，可被循环再利用的物质应该有如下特点：

①该物质在“前面的流程中出现过且往往为反应物”；②被循环再利用的物质可重复生成，没有以沉淀、气体等形式脱离反应体系。

例如，本题中，(NH4)2SO4是“焙烧”环节的反应物，又可以由母液①和母液②混合后重复生成。同类型的考查方式在高考真题中十分常见，不妨再看一案例。

【例2】(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6：

图6

回答下列问题：

(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。

【参考答案】②

【解析】本题直接指明“绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要作用”，着力考查学生的高中化学核心素养5中水平2有关“绿色化学”观念的要求：学生应具有“绿色化学”观念，能运用所学知识分析和探讨某些化学过程对人类健康、社会可持续发展可能带来的双重影响，并对这些影响从多个方面进行评估。

分析题干信息可知，在整个工艺流程图中，热解工序产生的混合气体为二氧化碳和水蒸气，将混合气体通入滤渣Ⅰ中可以将氧化镁转化为碳酸氢镁溶液，则混合气体最适宜返回工序为工序②，故答案为②。

全国高考题中关于绿色化学理念中“物质循环再利用”的考题非常多，作为学生备战高考时不必一一练习，而应该把握此类题型的命题逻辑与本质，深入理解绿色化学理念的核心，掌握此类题型的规律，遇到此类问题，定可迎刃而解。

(2)绿色化学理念之“最优试剂”

绿色化学理念强调工艺流程中应尽可能使用无毒、无害的试剂或催化剂，高考题中出现基于这一角度的考查，即选择“最优试剂”。

【例3】(2020·全国卷Ⅲ·27节选)某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物，还有少量其他不溶性物质。采用如图7所示工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)：

(3) 该方法具有一定的适用性，可以为风机基础安全性能评估提供依据，同时对于基础锚杆预应力设计值及维护策略的制定具有一定参考意义。

A

图7

溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

(3)“转化”中可替代H2O2的物质是________。

(6)将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，其意义是______________________。

【参考答案】(3)O2或空气

(6)提高镍回收率。

【解析】本题以某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂为原料，采用工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O),充分体现了绿色化学理念。渗透了《课程标准》中对学科核心素养的要求：依据“绿色化学”思想和科学伦理对某一个化学过程进行分析，权衡利弊，作出合理的决策。

“转化”步骤中使用的H2O2是学生已经熟知的绿色氧化剂，依据绿色化学理念，选择最优的替代物质，该物质应该具备的特点应为跟H2O2同样具有氧化性，但同时具有某种优点。从这种角度考虑，最优物质应为成本较低较为廉价的空气。

将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，让学生分析这样做的意义。若学生不具备绿色化学理念，很难找准答题角度。本工艺流程的目标产品是硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)，以绿色化学理念为依托，从提高产物的产率及原料的利用率角度考虑，即可较为容易地回答出本小题。

(3)绿色化学理念之“防止气体污染问题”

《课程标准》在“化学与可持续发展主题”中指出高中学生应“树立‘绿色化学’思想，形成环境保护的意识。”

基于上述绿色化学理念，在工艺流程题中，常常涉及有毒气体的处理问题。如考查“产生Cl2污染环境”这一体现高考对绿色化学理念考查的案例。关于这一点的考查，在高考题中也常常出现。

C

【例4】(2019·全国卷Ⅰ·27节选)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如图8：

图8

(2)铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为________(填标号)。

【参考答案】C

【解析】本题以废铁屑来制备硫酸铁铵为素材背景,考查了含硫有毒气体的处理等，充分考查了学生的绿色化学理念。

铁屑中含有少量硫化物，硫化物与硫酸反应生成硫化氢气体，可以用氢氧化钠溶液吸收，为了防止倒吸可以加装倒置的漏斗，故选择C装置。

五、总结

《课程标准》中指出“基础教育课程承载着党的教育方针和教育思想，规定了教育目标和教育内容，是国家意志在教育领域的直接体现，在立德树人中发挥着关键作用。”绿色化学理念便是高中教育在“立德树人”方面的具体体现，今后很长一段时间内都会是高考试题中的高频考点。

教师在考前复习高中化学知识的过程中，不仅要指导学生掌握绿色化学理念在高考试题中的各种考查方式，更应主动关注与化学有关的社会热点问题，认识环境保护和资源合理开发的重要性，逐步形成“绿色化学”观念和可持续发展意识。