工业流程题解题策略分析

杜德祥

(昆明市第一中学，云南 昆明 650031)

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中明确指出[1]：“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会”——这阐述了命制这一类型试题的必要性；“试题情境的创设应紧密联系学生学习和生活实际，体现科学、技术、社会和环境发展的成果，注重真实情境的针对性、启发性、过程性和科学性”——这阐述了命题时对情境的要求；“将试题的测试任务融入真实、有意义的测试情境”——这阐述了考查方式。每一年的高考中都出现以真实的工业生产流程作为命题的素材和情境的试题，正是这一精神的具体体现，也是这一精神对高考命题的要求。

1 为什么要考工业流程题

试题源于生产实际，能充分体现理论与实践相结合的观点，学以致用，这是知识的价值体现；试题内容丰富，涉及的基础知识和基本技能较为全面，能较好地考查学生对“双基”的掌握情况；题目难度整体为中等偏上，分值较大，区分度好。

2 工业流程题的特点

以真实的化工生产过程为情境设计试题，该题型是将元素化合物知识与工业生产工艺结合起来，将化工生产过程中的主要生产阶段用框图流程形式表示出来。试题新颖，一般文字较长，阅读量大，能够很好地考查学生的阅读能力和信息的收集处理能力。该类试题主要要解决以下问题：1)分析、弄懂生产过程中原料转化为产品的化学原理；2)利用化学基本操作除去所含杂质并分离提纯产品；3)循环利用中间产物以及控制条件以提高原材料的转化率和目标产物的产率；4)减少污染，考虑绿色化学生产。试题的一般形式如图1。

图1 工业流程题的一般形式

3 工业流程题的解题策略

1)自始至终都要高度关注：元素的“来”“去”“留”。即要保留什么元素，工艺过程中加入了什么元素，要除掉什么元素。牢固树立起“微粒观”。

首先要明确原料是什么物质，含有哪些成分，含有什么元素以及各元素的化合价，目标产物是什么物质，含有什么成分，还含有什么元素以及各元素的化合价；关注化合价，目的是为了分析出工艺过程中需要加入氧化剂、还原剂或其它试剂。牢固树立起“变化观”。

2)关注箭头：主线箭头——主产品、支线箭头——副产品、回头箭头——循环品。

3)利用试题关键信息及每一步流程后生成的物质的形态、组成，仔细分析有关过程，结合物质的物理和化学性质(含一些特性)，利用化学基础知识和基本化学原理，仔细分析每一工艺或试剂的作用。

①原料处理阶段

除去杂质，避免干扰核心反应。为核心反应提供合适的条件，如温度、压强、酸碱性、增大反应的接触面积等。常见的原料预处理方式有：a)粉碎及目的：减小粒径以增大反应的接触面积、加快反应速率(生产中搅拌也能加快反应速率)、提高反应物的转化率；b)煅烧及目的：除去有机物杂质或含碳杂质、使一些具有还原性的物质被空气中氧气氧化；c)溶解：酸溶(浸)——与酸反应；碱溶(浸)——与碱反应；水溶(浸)——溶解于水或者与水反应；氧化还原溶(浸)——通过改变化合价，溶解难溶物。

②核心反应阶段

③产品精制阶段

如何减少或除去产品中的杂质(运用哪些实验方法)。在此过程中要注意减少产品损失，通过中间产物或副产物的循环利用；或者通过恰当的实验操作，提高原料利用率，降低成本，防止产品变质等。

4)工艺过程中需要考虑的一些内容

①酸碱性控制。一般考虑三个方面的内容：a)提供反应所需要的酸碱性环境;b)促进水解或抑制水解;c)与试题提供的物质发生那些反应。

②温度控制。a)据试题提供的反应条件，考虑一些反应物或生成物的熔沸点及性质(如控制某些物质为固态、液态，另一些物质为气态等;又如温度过高H2O2易分解、氨水易挥发等)；b)考虑温度对促进或抑制水解或电离的影响；c)考虑某些反应物或生成物在某个温度下可能会发生不利于生产流程的副反应；d)考虑温度对化学反应速率、化学平衡的影响从而控制适宜的化工生产条件。

④氧化还原反应方程式的书写(如2021年高考甲卷、2020年全国III卷、2019年全国II卷)。一般可以参照如下步骤进行：a)根据元素及其化合物的性质以及元素化合价的变化写出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物;b)根据最小公倍数法配平得失电子;c)完善，完善的顺序一般是使左右电荷守恒→化合价未变的金属→酸根离子→H→O。

常见的氧化剂及其主要的还原产物以及1 mol该氧化剂反应时转移的电子数：KMnO4(H+)→Mn2+(5 mol)；O2→2O2-(4 mol)；浓HNO3→NO2(1 mol)；稀HNO3→NO(3 mol)；浓H2SO4→SO2(2 mol)；X2→2X-(2 mol)；HClO→Cl-(2 mol)；Fe3+→Fe2+(1 mol)；H2O2→2H2O(2 mol)。

⑤非氧化还原反应方程式的书写(如2021年高考乙卷)。一般可以参照如下步骤进行：a)因为所有元素的化合价均没有变化，所以先根据题给信息写出主要反应物和主要生成物;b)配平主要元素;c)完善，完善的顺序一般是使左右电荷守恒→酸根离子→H→O。

⑥沉淀的生成顺序与沉淀的转化。a)不一定是Ksp小的先沉淀，只有“同元”难溶电解质才可用Ksp比较离子浓度的大小；b)Ksp略小的难溶电解质也可转化成Ksp稍大的难溶电解质，如AgBr → AgCl；c.应用Ksp选择正确的沉淀顺序，进行混合物的分离；d)建议同学们掌握表1常见离子完全沉淀时大约的pH的计算方法；

表1 常见离子完全沉淀时溶液的pH值

e)有一个经常被考到的知识点，应该引起我们足够的重视，那就是工业上使用的原材料中常常含有铁元素(原因：在自然界中铁的含量较高，且是人类使用最多的金属元素)。而很多工艺中又必须除尽铁元素。操作方法常常是：在工艺的某个环节加入H2O2或其它合适的氧化剂，如氧气、空气等，先将Fe2+氧化为Fe3+，然后再加碱或合适的物质，调整溶液的pH=4，达到除尽铁元素的目的。例如，2020年全国III卷中要除去Ni2+中的Fe2+，方法为先加H2O2或氧气或空气(如果加入氯水，则会引入新的杂质)，将Fe2+氧化为Fe3+，然后再除去Ni2+中的Fe3+；2019年全国III卷中，氧化Mn2+中的Fe2+，用的氧化剂是MnO2。以人教版2004年初审通过的《选修4 化学反应原理》P66的“练习”为例，进行详细的分析。

例：在粗制CuSO4·5H2O晶体中常含有杂质Fe2+。在提纯时，为了除去Fe2+，常加入少量H2O2，使Fe2+氧化为Fe3+，然后再加入少量碱至溶液pH=4，可以达到除去Fe3+而不损失CuSO4的目的。试解释原因(在常温下讨论)。

⑦分离提纯物质常用的六种方法(从原理、装置、操作要点以及所涉及到的仪器的名称、使用要求等角度进行学习掌握)：a)过滤、洗涤、干燥(掌握沉淀的洗涤方法以及沉淀是否洗净的检验方法);b)蒸发结晶;c)蒸发浓缩，冷却结晶，过滤、洗涤、干燥;d)萃取、分液;e)蒸馏与分馏，用的是直形冷凝管;f)冷凝或冷凝回流(注意：冷凝时常采用的两种方式：①若生成物的沸点比反应物更低，一般使用直形冷凝管而不能用球形或蛇形冷凝管，装置类似于蒸馏装置，目的是及时蒸出生成物，使平衡正向移动，从而提高产率；②若生成物的沸点比反应物更高，一般要冷凝回流反应物，故使用球形或蛇形冷凝管比使用直形冷凝管冷凝效果更佳，在安装装置时要竖直安装冷凝管，目的是冷凝回流反应物，从而提高反应物的转化率)。

5)规范答题

②相似类推。根据元素周期律，利用元素及其同类化合物性质的相似性推断陌生物质的性质和相关反应。

③表达。a)切忌空洞。如一般不能出现如“除去杂质”这样的答案，而常常应该答为“除去……中的……”。b)围绕目的答题。c)形成一些答题的范式。如：从平衡的角度分析有关的变化，答题模版一般为：……(某种变化或某种操作)，化学平衡向正或逆反应方向移动，从而提高或降低反应物的转化率。d)杜绝答非所问(如误将化学方程式写成离子方程式等)。

6)具体实例

例(2021年高考理综乙卷)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。

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH见下表

金属离子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4 沉淀完全的pH(c=1.0×10-5 moL·L-1)3.2 4.7 11.1 13.8

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“分布沉淀”时氨水逐步调节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”，最合适的酸是______。“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。

4 结语

解答工业流程题时，形成良好的解题习惯非常重要。首先关注原料及原料中各元素的化合价，关注产物的成分及各元素的化合价，关注工艺中的箭头，箭头的方向其实反映了原料中元素的去向；其次分析各环节所涉及到的化学原理及基本的实验操作；作答时务必准确具体而不空洞。