从剖析工艺流程图看工艺流程题解题策略

张道年 黄立生

一、提出问题

真实的化学工艺流程图是比较复杂且专业的体系，例如图1是工业生产聚乙烯的设备与管道图，可见其专业性非常强，对于高中生来说，此种化学工艺“语言”无论在知识层面还是理解层面接受度都比较低。化学工艺是化学学科的重要组成部分，也是承载化学知识的重要载体，因此在高考题中设置了以“工艺流程”为背景的考题是非常有必要的，“工艺流程图”是化学工艺流程的“简约版”，能够真实地反映出化学工艺过程，包括化学反应和物理分离等过程。

设置工艺流程题的目的是通过给出化学工艺的运行过程并设置疑问，考查考生对流程的了解和理解程度。工艺流程图的起始都是混合物，经过多步提纯得到较为纯净的物质，一般来说混合物成份越多则提纯工艺越复杂。用工艺流程的考查也是让学生体会到我们生活中所用到的纯净物是如何一步一步得来的，过程艰辛也非常具有科学性，在提醒大家善于使用好身边的物品，注意节约，使物有所值。

解题思路则是遵循工艺流程题的设题原则和要求，矿物或废渣等经过一步步提纯，最终能够得到社会所需要的纯净物。工艺流程图本质上就是物质转化和物质提纯，物质转化靠的是化学反应，用化学反应方程式就可以表示出化学变化所包含的内涵；物质提纯是物理变化，例如在溶液中发生反应后再通过过滤就将滤渣和滤液分离开来。工序繁琐往往会使得学生顾此失彼，所以学生在解读工艺流程图需要能理解工艺流程的内涵，能够将复杂的化学语言“肢解”，学生要具备“化繁为简”的能力。在课堂教学实践中笔者要求学生将流程图中每个有化学反应的环节框出来，框内的内容可能有陌生方程式的书写、计算和曲线的理解等，这些内容在一起就构成一个“小集团”，当学生理解“小集团”时难度就会降低很多。以图2为例，它是以锂离子电池正极材料回收作为设题背景，将废旧钴酸锂电池经过放电、拆解等操作后获得正极材料（主要成分LiCoO2、铝箔和炭黑等），可采用湿法冶金回收正极材料中的金属。碱浸、酸浸是在一定酸碱性条件下反应，沉钴、沉锂是从滤液中获取金属元素，以难溶物的形式提取。

课堂调查发现学生对于图2过程还是存在不少问题的，其中错误比较多的包括：学生难以读懂题设信息的内容，对于隐含的信息抓取的不熟练；LiCoO2是电极材料，但部分学生难以领悟出LiCoO2在书写离子方程式时不能拆开；还有学生误认为H2O2是氧化剂，导致无法判断出哪个元素升价；而有的学生形成了惯性思维，认为H2O2一定是氧化剂；误认为氧气是生成物，且没有想到CO2-3加热后生成CO2和H2O，不但没有考虑“电子得失守恒”，也没有考虑到“质量守恒”。从上述学生的错误中，我们可以发现学生对于试题的理解整体性不是很强，对流程的认识还不够深入，所以将整个流程图分解后再分析是一种较为稳妥的方式。

二、案例分析

【典例】铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在，主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物，从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图3所示。回答下列问题：

已知：最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2O2-7存在，在碱性介质中以CrO2-4存在。

（1）煅烧过程中，钒和铬被氧化为相应的最高价含氧酸盐，其中含铬化合物主要为_________（填化学式）。

（2）水浸渣中主要有SiO2和_________。

（3）“沉淀”步骤调pH到弱碱性，主要除去的杂质是_________。

（4）“除硅磷”步骤中，使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀。该步需要控制溶液的 pH≈9 以达到最好的除杂效果。若pH<9时，会导致__________________；pH>9时，会导致___________________________。

（5）“分离钒”步骤中，将溶液 pH 调到18左右得到V2O5沉淀。V2O5在pH<1 时，溶解为VO+2或VO+3；在碱性条件下，溶解为 VO-3或VO3-4。上述性质说明V2O5具有_________（填标号）。

（6）“还原”步骤中加入焦亚硫酸钠 （Na2S2O5）溶液，反应的离子方程式为__________________。

【分析】

真实的化学工业流程高中生是难以理解和掌握的，所以学生在工艺流程题中所看到的图示过程都是简化版，都是经过命题专家刻意“剪辑”过的化学过程。虽然与真实的化学工程路线存在一定差异，但也并不影响考查学生对工艺流程图的解读和理解。按照笔者的分析可以将工艺流程的分析分成以下三步进行。

第一步是将整个流程切割成若干个部分。工艺路程图是化学语言的一种形式，学生惧怕这种形式的原因是因为过程很复杂，里面夹杂很多的形式，虽然每一步并不是很难，但是把这些内容综合在一起难度就会增大很多了。因此将整个流程“肢解”为若干个部分的好处是显而易见的，将复杂的过程简单化，毕竟每一步都是有自己的独立性，都是不同的，完全可以圈起来单独分析。例如用一个方框就代表一个化学反应及必要的物理分离方法，经过这步之后就会将混合物中的一部分分离出去，混合物的提纯更进一步。

第二步是将混合物的成份在流程图的最前面标注出来，分析的过程中每当分析出某一种元素从流程中分离出来后就可以将这种元素勾掉，顺利的话最终所有的元素都会找到去向。例如根据上图可见铬、钒、硅、磷的去处是非常明显的，就剩下两处不能够直接看出来，①的“水浸渣”和②的“滤渣”，根据混合物的元素成分，我们很容易推理出他们肯定是除铁和铝的步骤。根据两种元素的特点，②“滤渣”之前是通过调节pH值最终生成铝的氢氧化物沉淀，笔者带领学生写出中①的化学方程式Al2O3+Na2CO3=2NaAlO2+CO2↑，在②中通过调节pH值最终就产生滤渣Al（OH）3，毕竟在这个地方“稀硫酸调节pH值”用意太明顯不过了。再整体回看目前只有Fe元素找不到出处，那就应该是①处的“水浸渣”，物质是Fe2O3，因此①“水浸渣”肯定是用来分离铁元素的。这样的处理方式就可以将复杂的过程“肢解”为一个一个简单的过程，通过框图的方式将步骤与步骤之间的关系关联在一起，不会让学生“顾此失彼”了。

第三步是继续关注每一个框中的变化过程，集中精力将每一步发生的化学反应方程式写出来并能够清晰物理方法。如果说前两步骤都是方法，那么第三步就属于学生的关键能力了。这一步就是为了能将每个框中的内容再细化，便于解答后面的问题。例如在⑤中信息是比较完整的，等同于从框中寻找信息书写陌生的化学反应方程式，这种能力就属于学生应该具有的关键能力，最终写出化学方程式3S2O2-5+2Cr2O2-7+10H+=8SO2-4+4Cr3++5H2O。

【答案】

（1）Na2CrO4 （2）Fe2O3 （3）Al（OH）3（4）溶液中 c（PO3-4） 降低，不利于生成MgNH4PO4沉淀，同时可能产生硅酸胶状沉淀不宜处理；Mg2+形成Mg（OH）2沉淀（5）C（6）3S2O2-5+2Cr2O2-7+10H+=8SO2-4+4Cr3++5H2O

3.反思

工艺流程图在本质上与元素符号、化学式、化学方程式等相同的，都属于“化学语言”的形式，只不过工艺流程图这种语言在形式相对复杂，需要学生花费更多的精力和时间去阅读、理解和分析等。所以需要学生在解答这类问题时掌握一些方法，笔者认为在解答“工艺流程题”时需要从以下几个方面做起。

（1）基礎知识要抓牢

工艺流程的内涵与本质还是在考查基本的化学知识，包括方程式的书写、化学计算、分离方法等。化学工艺过程是化学工业重要的组成部分，一般都是从混合物中获取所需要的纯净物，表现出人类的智慧和化学工业的重要作用。所以这种方式就自带“浓重”的化学气息，每一步骤都有化学反应，通过化学反应改变了物质的种类和物理性质，再通过分离方法将物质分开，包括过滤、（反）萃取等，一步一步逐步地实现提纯的目标。教材中本来就有的化学方程式必须记住，在二轮复习中就可以回归课本，基本的物理操作方式在学生的脑海中必须非常清晰。

（2）关键能力要提升

流程图是复杂的化学语言，从内容的角度来看工艺流程图比单纯的元素符号、化学式、化学方程式等包含了相对丰富的内容，所以理解起来就会更加麻烦，相当于读取一篇“阅读理解”。学生需要将复杂的语言简单化，在理解的过程中将整个“阅读理解”的内容“肢解”为相对简单的内容。在这个过程中陌生化学方程式或者离子方程式的书写则是学生关键能力的重要组成部分，就必须达到相应的水平，例如在本题中需要书写离子方程式。

第一步，书写出根据信息所获得的所有反应物和生成物。

反应物：S2O2-5、Cr2O2-7生成物：Cr3+、SO2-4。然后根据电子得失守恒，得到3S2O2-5+2Cr2O2-7=4Cr3++6SO2-4，就是将涉及到有化合价升降的离子的系数配平。

第二步，在第一步的基础上根据电荷守恒用H+、OH-或H2O将使得方程式电荷守恒。

第三步，根据质量守恒，将方程式配平，3S2O2-5+2Cr2O2-7+10H+=8+6SO2-4+4Cr3++5H2O。

同时，计算能力、读取曲线数据等能力都是学生必不可少的关键能力，需要学生在平时多看、多想和多练。

（3）核心素养要关注

根据流程图的表现形式的特点。命题者在将化学工艺的流程设置成这种图示的形式，但是限于篇幅，不可能在图示中放更多的信息，所以笔者才认为它是工艺流程的省略版，很多工艺流程的信息并不能直接的体现出来，但是老师和学生可以根据混合物提纯的特点，采用逻辑推理的方式将工艺流程图中不能直接体现出来的东西推理推导出来。基于上述的分析，对案例的工艺流程图表征方式，笔者也可以从宏观表征、微观表征和符号表征三个方面来分析，以便于让学生从更加宽广的角度来看待这个题目。

读取“工艺流程”的方法和内涵可以推广到“有机流程图”中来，分析工艺流程图从某种意义上来看，对其他题目也有重要的借鉴意义。工艺流程图主要集中在如何将需要的物质提取出来，而有机流程图就是在进行官能团的转化，因此老师们可以从这个方面来多多研究有机流程图。

责任编辑 李平安