利用“模型法”突破工藝流程圖題

黃海云

摘要：通過對(duì)工藝流程圖題中實(shí)例原型的提煉與概括，抽象出分析解決常見問題的策略方法，以形成分析式、歸類式與程序式等模型，為解決工藝流程圖題提供類比參考。在應(yīng)用“模型法”協(xié)助學(xué)生解決工藝流程圖題時(shí)，要注重引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖，并逐步豐富與完善模型，以提升學(xué)生解決問題的正確性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：模型；模型法；工藝流程圖題

文章編號(hào)：1005–6629（2015）1–0084–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

工藝流程圖題是對(duì)化工生產(chǎn)過程（或化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究過程）進(jìn)行概括與抽象，將主要操作步驟或物質(zhì)轉(zhuǎn)化用框圖與箭頭連接起來，并以文字、表格或圖像補(bǔ)充相關(guān)信息，然后針對(duì)流程中涉及到的中學(xué)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)問[1]。工藝流程圖題綜合了元素化合物、反應(yīng)原理以及實(shí)驗(yàn)操作等知識(shí)內(nèi)容，能考查學(xué)生分析問題與解決問題的綜合能力，已成為化學(xué)高考試題中常見的題型。

將分析與解決工藝流程圖題中常見問題的策略方法進(jìn)行提煉與概括，抽象出解決此類問題的通用模式，稱之為模型。類比遷移模型去解決工藝流程圖題，可以使復(fù)雜的工藝流程問題變得簡(jiǎn)單而有規(guī)律，能夠使解題過程模式化、程序化與規(guī)范化，從而能夠有效地突破工藝流程圖題。

1 建構(gòu)模型

建構(gòu)模型，就是把研究對(duì)象，即實(shí)例原型的一些次要細(xì)節(jié)及非本質(zhì)內(nèi)容舍去，將解決問題的分析思路與步驟方案進(jìn)行提煉與概括，并用符號(hào)、線條與圖形等形式，簡(jiǎn)化和理想化原型中的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系[2]。依據(jù)實(shí)例原型建構(gòu)模型會(huì)比較直觀、具體，學(xué)生應(yīng)用起來也會(huì)比較自如。

案例1 建構(gòu)工藝流程圖分析模型

（2013江蘇，16）以菱鎂礦（主要成分為MgCO3，含少量FeCO3）為原料制備高純氧化鎂的實(shí)驗(yàn)流程如下：

該工藝是先將化工原料菱鎂礦用稀硫酸進(jìn)行預(yù)處理，然后除去不溶于稀硫酸的雜質(zhì)——濾渣1。再將雜質(zhì)Fe2+經(jīng)H2O2氧化為Fe3+，之后通過加入NH3·H2O調(diào)高pH以除去Fe（OH）3——濾渣2。最后將MgSO4溶液蒸干得到MgSO4固體，再用木炭還原制備高純度MgO。在實(shí)驗(yàn)流程中，“用木炭還原MgSO4制備MgO”是該實(shí)驗(yàn)的主要目的，稱之為核心反應(yīng)，其他實(shí)驗(yàn)操作都是為了鋪墊或延續(xù)該核心反應(yīng)。

結(jié)合其他一些工藝流程圖，可以概括抽象出工藝流程圖的一般組成與流程順序：預(yù)處理原料→除雜→核心反應(yīng)→分離產(chǎn)品→提純產(chǎn)品等。其中制得目標(biāo)產(chǎn)品是工藝流程的宗旨，整個(gè)流程操作都是圍繞著此宗旨而進(jìn)行。工藝流程圖的一般分析模型如下：

流程圖中箭頭進(jìn)入的是投料（即反應(yīng)物）、出去的是生成物（包括主產(chǎn)物和副產(chǎn)物）。在工藝流程圖中，將各個(gè)部分按照一定順序連接在一起的紐帶稱之為主線，常見的主線有：以物質(zhì)轉(zhuǎn)化為主線、以物質(zhì)轉(zhuǎn)化的設(shè)備為主線、以物質(zhì)轉(zhuǎn)化的操作為主線以及混合型主線等[3]。除主線之外，雜質(zhì)及副產(chǎn)物為支線，可循環(huán)利用的物質(zhì)則采用回頭線。

2 模型的種類

根據(jù)模型的形態(tài)與應(yīng)用功能，模型可分為分析式模型、歸類式模型與程序式模型等。

2.1 分析式模型

分析表征問題是解決問題的前提和條件，分析式模型是以分析問題為主，凸顯問題的整體結(jié)構(gòu)與分析思路。比如，“案例1”為工藝流程圖的分析模型。

2.2 歸類式模型

將工藝流程中諸如原料的預(yù)處理、除雜、產(chǎn)品的分離與提純等常見問題進(jìn)行歸類，以形成解決同類問題不同方法的歸類式模型。歸類式模型有利于學(xué)生優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)，能夠提升學(xué)生表征問題的準(zhǔn)確性，這也是高三化學(xué)復(fù)習(xí)中常用的建模方式。

案例2 工藝流程中的除雜方法

在進(jìn)行核心反應(yīng)之前，要將無關(guān)雜質(zhì)除去，以排除雜質(zhì)對(duì)核心反應(yīng)及提純產(chǎn)品的干擾。因此，什么是雜質(zhì)以及如何除去雜質(zhì)都要依據(jù)核心反應(yīng)及目標(biāo)產(chǎn)品來確定。工藝流程中常見的除雜方法有：

（1）沉淀法。既可以通過加入沉淀劑直接沉淀雜質(zhì)離子，也可以通過沉淀轉(zhuǎn)化間接除去。比如，（2014四川，11）加入MnS，通過轉(zhuǎn)化為溶解度更小的沉淀物，以除去MnSO4溶液中含有的Cu2+與Ni2+雜質(zhì)。

（2）調(diào)pH法。當(dāng)原料用酸浸進(jìn)行預(yù)處理后，溶液呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，加入物質(zhì)消耗部分H+會(huì)使溶液的pH升高，通過控制溶液pH的方法可以將雜質(zhì)離子沉淀除去。比如，加入CuO、Cu（OH）2、CuCO3或Cu2（OH）2CO3等將溶液的pH調(diào)高至3.7～5.2，可以除去CuSO4溶液中混有的Fe3+雜質(zhì)。

2.3 程序式模型

對(duì)問題進(jìn)行分析表征后，就進(jìn)入了解決問題的操作環(huán)節(jié)。將解決問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或步驟以簡(jiǎn)明扼要的形式進(jìn)行羅列，凸顯其條理性與可操作性，便形成了程序式模型。

案例3 氧化還原反應(yīng)類型離子方程式的書寫程序

方程式的書寫是分析工藝流程圖題的工具，并據(jù)此來分析流程圖中各部分的成分。方程式的書寫除根據(jù)框圖信息確定反應(yīng)物、生成物外，對(duì)于氧化還原類型離子方程式的書寫則需要依據(jù)一定的程序步驟。

比如，（2013安徽，27）H2O2將CeO2還原為Ce3+，具體的書寫程序?yàn)椋?/p>

（1）根據(jù)框圖信息及元素化合價(jià)升降原理寫出氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物等；

CeO2+H2O2→Ce3++O2↑

（2）利用電子轉(zhuǎn)移相等配平氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物；

2CeO2+H2O2→2Ce3++O2↑

（3）根據(jù)電荷守恒在方程式兩邊補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)目的H+或OH-。

2CeO2+H2O2+6H+→2Ce3++O2↑

（4）根據(jù)原子守恒配平方程式，如補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)目的H2O等。

2CeO2+H2O2+6H+=2Ce3++O2↑+4H2O

3 “模型法”的應(yīng)用策略

工藝流程圖題是由題頭、流程圖、問題三部分組成，題頭一般是簡(jiǎn)單介紹工藝生產(chǎn)的原料或工業(yè)生產(chǎn)的目的；流程圖主要用框圖的形式將操作或物質(zhì)轉(zhuǎn)換或原料到產(chǎn)品的主要工藝流程表示出來；問題部分主要是根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及到的化學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)成系列問題。

在解決工藝流程圖題時(shí)，首先要以流程圖為分析平臺(tái)，通過提取題頭、問題信息分析流程圖，同時(shí)借助于“工藝流程圖分析模型”進(jìn)行類比解讀。然后將待解決的具體問題轉(zhuǎn)化為容易解決的模型問題。最后將解決模型問題中的分析方法或程序步驟遷移至待解決的問題中，從而形成解決實(shí)際問題的策略方案。

應(yīng)用“模型法”解決工藝流程圖題的思路如下：

其中，解決工藝流程圖題的關(guān)鍵是分析與理解工藝流程圖，分析與理解流程圖的程度直接決定了解題的準(zhǔn)確度。

案例4 工藝流程圖的分析方法

（2014江蘇，16）實(shí)驗(yàn)室用粉煤灰（主要含Al2O3、SiO2等）制備堿式硫酸鋁[Al2（SO4）x（OH）6-2x]溶液，并用于煙氣脫硫研究。

應(yīng)用“模型法”分析解決此題時(shí)，首先要從粉煤灰的成分切入，利用各步反應(yīng)的方程式，分析各步操作后混合液的主要成分，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒔Y(jié)合“工藝流程圖分析模型”厘清各步操作的作用。

酸浸是為了將Al2O3處理轉(zhuǎn)化為Al3+，之后的過濾Ⅰ操作是為了除去SiO2雜質(zhì)。接著加入CaCO3粉末消耗H+，以調(diào)高混合液的pH，使Al3+水解為堿式硫酸鋁，之后進(jìn)行過濾Ⅱ操作除去CaSO4雜質(zhì)。最后，再用堿式硫酸鋁溶液吸收煙氣SO2并進(jìn)行研究。具體分析如下：

化學(xué)模型是一種理想化的范式，而實(shí)際問題情境又復(fù)雜多樣，因此，在應(yīng)用模型類比遷移解決具體問題時(shí)，要審辨問題的本質(zhì)和側(cè)重點(diǎn)，這樣才能夠做到靈活地應(yīng)用模型而不被模型所束縛。比如，上述流程圖中，在“核心反應(yīng)”之后，不僅有“分離提純”以制備堿式硫酸鋁，還增加了“堿式硫酸鋁溶液繼續(xù)作為吸收SO2煙氣脫硫研究”的“后續(xù)研究”內(nèi)容。

4 “模型法”的教學(xué)策略

4.1 引導(dǎo)學(xué)生繪制工藝流程圖

解決工藝流程圖題的關(guān)鍵是學(xué)會(huì)分析流程圖，引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖，以直觀、簡(jiǎn)潔的圖式展示實(shí)驗(yàn)全貌，既能夠消除學(xué)生對(duì)流程圖的神秘感和畏懼感，還能夠加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵操作和核心物質(zhì)的理解，并能夠提升學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)和概括實(shí)驗(yàn)的能力。因此，要積極開發(fā)課本中的實(shí)驗(yàn)素材價(jià)值，分模塊、按章節(jié)逐步引導(dǎo)學(xué)生繪制并使用流程圖。

案例5 繪制流程圖

人教版必修2（2007年3月第3版）P91“實(shí)驗(yàn)4-2”，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“檢驗(yàn)海帶中的碘元素”的實(shí)驗(yàn)步驟繪制實(shí)驗(yàn)流程圖：

課本中可引導(dǎo)學(xué)生畫出流程圖的實(shí)驗(yàn)還有：

（1）人教版選修5（2007年2月第2版）P42“科學(xué)探究”，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)“溴乙烷中溴元素檢驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)流程圖。

（1）人教版選修5（2007年2月第2版）P82“科學(xué)探究”，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)“蔗糖水解溶液的還原性實(shí)驗(yàn)”的流程圖。

……

4.2 豐富與完善模型

通過實(shí)例原型建構(gòu)起來的模型，內(nèi)容相對(duì)比較單一，隨著應(yīng)用內(nèi)容與范圍的不斷拓展，模型的內(nèi)涵與外延也在不斷地豐富與完善。當(dāng)累積到一定階段，就有必要對(duì)模型進(jìn)行重整與升級(jí)，以協(xié)助學(xué)生建構(gòu)更加完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并提升學(xué)生解決問題的準(zhǔn)確性與創(chuàng)新性。

案例6 晶體的制備方法與提純

通過創(chuàng)設(shè)“從NaCl與KNO3混合液中分別提純制得NaCl晶體與KNO3晶體”問題情境，將蒸發(fā)結(jié)晶法與降溫結(jié)晶法整合在一起，具體整理如下：

當(dāng)然，也可以把NaCl與KNO3混合液趁熱過濾得到NaCl晶體后，直接將母液冷卻結(jié)晶，即可析出KNO3晶體。

如果要對(duì)晶體粗品進(jìn)行提純，則要按照如下操作流程：將晶體粗品配成熱的飽和溶液→升溫結(jié)晶（或冷卻結(jié)晶）→趁熱過濾（或過濾）→洗滌→將晶體繼續(xù)配成熱的飽和溶液→……。將晶體粗品經(jīng)過多次提純后，便能得到一定純度的晶體。上述多次結(jié)晶的操作稱之為重結(jié)晶。

參考文獻(xiàn)：

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[3]姜雪青.探索化學(xué)工藝流程嘗試流程圖命題[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2011，（5）：56～58.