化學工藝流程題的結構\\特點\\分類與解法

文章編號:1005-6629(2010)03-0057-04 中圖分類號:G632.479 文獻標識碼:B

高中化學課程改革的一個顯著特點是，非常重視教材內容與工農業生產和日常生活的緊密聯系。因此，反映化工生產技術的工藝流程題，便成為新課改后的高中化學練習題的新增點和主流題型之一，不少省區，還將化學工藝流程題，作為一年一度的化學高考試題。為此，本文建議化學教學要充分利用生產、生活中的鮮活實例，激發學生學習化學的興趣，“活化”學生的知識。本文將重點談化學工藝流程題的結構、特點與解法技巧。

1 工藝流程題的結構、特點和作用

化學工藝流程題，顧名思議，就是將化工生產過程中的主要生產階段用框圖流程形式表示出來，并根據生產流程中有關的化學知識步步設問，形成與化工生產緊密聯系的化工工藝試題。工藝流程題的結構分題頭、題干和題尾三部分。題頭一般簡單介紹該工藝生產的原材料和工藝生產的目的(包括附產品);題干部分主要用框圖形式表示從原料到產品的主要生產工藝流程;題尾則是根據生產過程中涉及到的化學知識設計成系列問題，構成一道完整的化學試題。

其特點與作用有三:一是試題源于生產實際，以解決化學實際問題作思路進行設問，使問題情境真實，以培養學生理論聯系實際，學以致用的學習觀;二是試題內容豐富，涉及多方面的化學基礎，能考查學生化學雙基知識的掌握情況和應用雙基解決化工生產中有關問題的遷移推理能力;三是試題新穎，一般較長，閱讀量大，能考查學生的閱讀能力和資料的收集處理能力。

2 化學工藝流程題的分類

就目前已有試題來看，從化工工藝來分可分為基礎化工和精細化工題;以生產過程中主要工序可分為除雜提純工藝流程題(如海水純化工藝流程題)、原材料轉化流程題、電解流程題、有機合成題和資源能源綜合利用生產流程題等;按資源的不同，可將工藝流程分為利用空氣資源(如合成氨工藝流程)、利用水資源生產的(如海水制鹽、氯堿工業、海水提溴碘、海水提鎂等)、利用礦產資源生產的(工業制硫酸、交通法規鐵煉鋼等)、利用化石燃料生產的工藝流程題(如有機合成工藝題)等。本文偏重于以原料轉化為依據的分類方法，這樣，更方便于學生聯系已學化學知識并進行歸類、分析，有利于掌握解題技巧。

3 解題方法

化學工藝生產主要解決的矛盾，歸納起來主要有六個方面:一是解決將原料轉化為產品的生產原理;二是除去所有雜質并分離提純產品;三是提高產量與產率;四是減少污染，實施“綠色化學”生產;五是原料的來源既要豐富，還要考慮成本問題;六是生產設備簡單，生產工藝簡便可行等工藝生產問題?；ち鞒填}，一般也就圍繞這六個方面設問求解。為要準確、順利解題，學生除了必須掌握物質的性質和物質之間相互作用的基本知識以及除雜分離提純物質的基本技能外，最關鍵的問題要具備分析工藝生產流程的方法和能力。為此，特提出下列四種解題基本方法供參考。

3.1首尾分析法

對一些線型流程工藝(從原料到產品為一條龍的生產工序)試題，首先對比分析流程圖(見圖1)中第一種物質(原材料)與最后一種物質(產品)，從對比分析中找出原料與產品之間的關系，弄清生產過程中原料轉化為產品的基本原理和除雜、分離、提純產品的化工工藝，然后再結合題設的問題，逐一推敲解答。

例1(廣州2008 年高考一模23題)聚合氯化鋁是一種新型、高效絮凝劑和凈水劑，其單體是液態的堿式氯化鋁[Al2(OH)nCl6-n]。該實驗采用鋁鹽溶液水解絮凝法制堿式氯化鋁。其制備原料為分布廣、價格廉的高嶺土，化學組成為:Al2O3(25 %～34 %)、SiO2(40 %～50 %)、 Fe2O3(0.5 %～3.0 %)以及少量雜質和水分。已知氧化鋁有多種結構，化學性質也有差異，且一定條件下可相互轉化;高嶺土中的氧化鋁難溶于酸。制備堿式氯化鋁的實驗流程如下:

根據流程圖回答下列問題:

(1)“燃燒”的目的是________________。

(2)配制質量分數15 %的鹽酸需要200 mL 30 %的濃鹽酸(密度約為1.15 g/cm3)和____g蒸餾水，配制用到的儀器有燒杯、玻璃棒、______。

(3)“溶解”過程中發生反應的離子方程式為_____________。

(4)加少量鋁粉的主要作用是_________。

(5)“調節溶液pH在4.2～4.5”的過程中，除添加必要時試劑，還需借助的實驗用品是_________;“蒸發濃縮”需保持溫度在90～100 ℃，控制溫度的實驗方法是______。

解析:對比原料與產品可知，該生產的主要工序:一是除去原料高嶺土中的雜質，二是將Al2O3難溶于酸，必須經過煅燒以改變其結構。該題經這樣分析，題設的所有問題的答案便在分析之中。

參考答案:(1)改變高嶺土的結構，使其能溶于酸。(2)230;量筒。

(3)Al2O3+6H+=2Al3++3H2O

Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O

(4)除去溶液中的鐵離子;

(5)pH計(或精密pH試紙);水浴加熱

[點評]首尾分析法是一種解讀工藝流程題的常見方法，該法特點:簡單、直觀，容易抓住解題的關鍵，用起來方便有效。使用這一方法解題，關鍵在于認真對比分析原材料與產品的組成，從中產生將原料轉化為產品和除去原材料中所含雜質的基本原理和所用工藝的生產措施。當把生產的主線弄清楚了，圍繞這條主線所設計的系列問題，也就可解答了。

3.2截段分析法

對于用同樣的原材料生產多種(兩種或兩種以上)產品(包括副產品)的工藝流程題，用截段分析法更容易找到解題的切入點。

例2(廣東2007 年高考第21題)以氯化鈉和硫酸銨為原料制備氯化銨及副產品硫酸鈉，工藝流程如下:

氯化銨和硫酸鈉的溶解度隨溫度變化如圖1所示?；卮鹣铝袉栴}:

(1)欲制備10.7 g NH4Cl，理論上需NaCl____g。

(2)實驗室進行蒸發濃縮用到的主要儀器有_____、燒杯、玻璃棒、酒精燈等。

(3)“冷卻結晶”過程中，析出NH4Cl晶體的合適溫度為_____。

(4)不用其他試劑，檢查NH4Cl產品是否純凈的方法及操作是_______。

(5)若NH4Cl產品中含有硫酸鈉雜質，進一步提純產品的方法是_____________。

解析:該生產流程的特點:用同樣原材料既生產主要產品氯化銨，同時又要生產副產品硫酸鈉。因此，為了弄清整個生產流程工藝，只能分段分析，即先分析流程線路中如何將原料轉化為硫酸鈉的，然后再分析如何從生產硫酸鈉的母液中生產氯化銨。如此，將題供的流程路線截成兩段分析，這樣，便可以降低解題的難度。

結合溶解度曲線和流程示意圖分析，生產硫酸鈉用的是熱結晶法，而生產氯化銨必須用冷結晶法，因為溫度降到35 ℃以下，結晶得到的產品為Na2SO4·10H2O。

參考答案:(1)11.7 g;(2)蒸發皿;(3)35 ℃(或33℃～40 ℃之間);(4)加熱法。取少量氯化銨產品于試管底部，加熱，若試管底部無殘留物，表明氯化銨產品純凈。(5)重結晶。

[簡評]用截斷分析法解工藝流程題是一種主流解題方法。因為當前化工生產，為了降低成本，減少污染，增加效益，都設計成綜合利用原材料，生產多種產品的工藝生產線。用截斷分析法解工藝流程題關鍵在于看清主副產品是如何分開的，以此確定如何截段，截幾段更合理。一般截段以生產的產品為準點。但也不一定，必須對情況作具體分析。學生必須好好總結一下物質的分離、提純的各種方法及其所依托的化學原理。

3.3交叉分析法

有些化工生產選用多組原材料，率先合成一種或幾種中間產品，再用這一中間產品與部分其他原材料生產所需的主流產品。為了便于分析以這種生產方式設計的工藝流程題，掌握生產流程的原理，最簡單的方法，就是將提供的工藝流程示意圖結合常見化合物的制取原理畫分成幾條生產流水線，然后上下交叉分析。

例3.某一化工廠的生產流程如下(圖2)

(1)L、M的名稱分別是______、________。

(2)G→H過程中為什么通入過量空氣:____。

(3)用電子式表示J:___________________。

(4)寫出飽和食鹽水、E、F生成J和K(此條件下K為沉淀)的化學方程式:__________，要實現該反應，你認為應該如何操作:______________。

解析:根據流程示意圖，若用空氣、焦炭和水為原材料，最終生產L和J、M產品，首先，必須生產中間產物E。這樣，主要生產流水線至少有兩條(液態空氣—E—L;焦炭—E—F—JM)。為了弄清該化工生產的工藝，須將這兩條生產流水線，進行交叉綜合分析，最終解答題設的有關問題。

參考答案:(1)硝酸銨;碳酸鈉;(2)提高NO的轉化率

(4)NH3+H2O+NaCl+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl

向飽和的食鹽水中先通入足量的NH3，再通入足的CO2。

[簡評]從本題構成交叉分析的題形，從提供的工藝流程看至少有三個因素(多組原材料;有中間產品;多種產品)和兩條或多條生產流水線的生產工藝。利用交叉分析法解工藝流程題的關鍵，在于找準中間產品(因為有時會出現多種中間產品)和生產流程中的幾條分線，在分析過程中，需抓住中間物質的關聯作用，結合已學化學物質的制取方法逐一破解。

3.4“瞻前顧后”分析法

有些化工生產，為了充分利用原料，變廢為寶，設計的生產流水線除了主要考慮將原料轉化為產品外，還要考慮將生產過程的副產品轉化為原料的循環生產工藝。解答這類題型，可用“瞻前顧后”分析法。瞻前顧后，指分析流程時，不僅要考慮原料轉化的產品(瞻前)，同時也要考慮原料的充分利用和再生產問題(顧后)。

例4.(上海2001 年高考第21題)利用天然氣合成氨的工藝流程示意如下:

依據上述流程，完成下列填空:

(1)天然氣脫流時的化學方程式是________。

(2)n mol CH4經一次轉化后產生CO 0.9 n mol，產生H2_______mol(用含n的代數式表示)。

(3)K2CO3(aq)和CO2反應在加壓下進行，加壓的理論依據是_______

A. 相似相容原理B. 勒沙特列原理

C. 酸堿中和原理

(4)分析流程示意圖回答，該合成氨工藝主要原料是_____輔助原料有______。

(5)請寫出由CH4為基本原料經四次轉化得到N2、H2的方程式_____________。

(6)整個流程有三處循環，一是Fe(OH)3 循環， 二是K2CO3(aq)循環，請在上述流程圖上標出第三處循環(循環方向和循環物質)。

解析:本題對原高考題稍作了改編。該生產工藝屬于循環生產工藝，因此分析工藝流程示意圖時，分析的主線是弄清基本原料CH4轉化為合成氨的原料氣N2和H2的生產工藝原理。但還要回頭分析循環生產的理由和工藝。通過這樣的考慮，試題的問題也就可以解答了。

參考答案:(1)3H2S+2Fe(OH)3=Fe2S3+6H2O; (2)2.7 n; (3)B; (4)CH4、H2O、空氣; K2CO3; Fe(OH)3;(5)CH4+H2O=CO+3H2; 2CH4+3O2=2CO+4H2OCO2+H2O+K2CO3=2KHCO3

(6)

[點評]用“瞻前顧后”分析循環工藝生產流程題，關鍵是找到循環生產點，即在什么情況下，什么生產階段實施循環生產。判斷循環生產點的方法:一是看反應是否為可逆反應，如果是可逆反應，要考慮原料的循環利用。如本題合成氨反應是可逆反應，分離氨后的中尾氣中還含有大量原料氣N2和H2，千萬不能隨便放掉，必須送入合成塔，實施循環生產。二是看副產品的分子組成與某種原料的組成中有無相同的元素，如果有，而且該副產品又容易轉化為這種原料，就可以考慮循環生產工藝。

解化學工藝流程題的方法很多，在此就不一一詳說了?；瘜W工藝流程題在高考命題中得到廣泛關注，是因為該類題型體現了化學學科與工業生產和日常生活的緊密聯系，并且還能綜合考查學生對元素化合物、化學實驗和化學基本理論板塊知識的掌握情況。為此，可以預期，今后的高考命題，工藝流程題還會加強。本文再次提醒各化學教師，在日常的教學中要有意識地引導學生對該類題型的解法強加練習，不可忽視。