以化工流程為載體的元素化合物知識考查

■浙江省杭州市余杭高級中學 俞建鋒

以化工流程為載體來命題,能很好地體現考試大綱中“重視理論聯系實際,關注與化學有關的科學技術、社會經濟和生態環境的協調發展”的考核目標,又能很好地考查元素化合物、化學反應原理等知識,從能力要求看,化工流程題往往情境陌生,需要考生能接受并解讀工藝流程及相關圖表信息,可很好地考查考生接受、吸收、整合化學信息的能力,分析解決化學問題的能力。

一、統計近幾年化工流程題的命題素材選擇及考查點,明確備考方向

統計近3年的全國高考Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷,從素材的選取、問題的設置等角度了解工業流程題的命題方向。

1.題干素材的選擇。

從命題素材看,主要是以陌生的新情景工藝流程為主。如2017年全國Ⅰ卷考查從FeTiO3礦制鋰電池電極材料,2017年全國Ⅲ卷考查從鉻鐵礦出發制備重鉻酸鉀,2016年全國Ⅲ卷考查從廢釩催化劑中回收V2O5等。

2.問題設置的考查點。

從統計情況看,近幾年來化工流程題的主要命題點包括:

(1)新情景下信息方程式的書寫,一般考查1～2個。

(2)流程圖中某產物或濾渣的成分判斷。

(3)流程圖中反應原理的原因分析。

(4)從圖表中選擇合適的實驗條件或方法。

(5)物質結構基礎知識考查(如化合價判斷、某物質化學鍵數目、電子式等)。

(6)化學計算,主要涉及產品成分的滴定分析,產量(或產率),運用常數運算等。

二、賞析真題,體會高考命題角度和方向

以2017年全國Ⅰ卷理綜第27題化工流程題為例,了解元素化合物知識主要的命題角度和方向。

【示例】Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料,可利用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3,還含有少量MgO、SiO2等雜質)來制備,工藝流程如下:

回答下列問題:

(1)“酸浸”實驗中,鐵的浸出率結果如圖1所示。由圖可知,當鐵的浸出率為70%時,所采用的實驗條件為

(2)“酸浸”后,鈦主要以TiOCl2-4形式存在,寫出相應反應的離子方程式:

圖1

(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應40min所得實驗結果如表1所示。

表1

分析40℃時TiO2·xH2O轉化率最高的原因:

(4)Li2Ti5O15中Ti的化合價為+4,其中過氧鍵的數目為

(5)若“濾液②”中c(Mg2+)=0.02mol·L-1,加入雙氧水和磷酸(設溶液體積增加1倍),使Fe3+恰好沉淀完全,即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1,此時是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?(列式計算)。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分別為1.3×10-22、1.0×10-24。

(6)寫出“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4的化學方程式:

分析：從命題角度和方向看,這道化工流程題考查了信息型方程式書寫(第②⑥兩空),實驗條件的選擇(第①空),反應原理的原因分析(第③空),物質結構基礎判斷(第④空),化學計算(第⑤空),既全面考查了元素化合物知識(新情景下陌生物質以及已學的雙氧水等物質性質),又考查了物質結構、氧化還原、反應速率和平衡(如沉淀溶解平衡)等重要原理知識。

三、感悟方法,善于從高考真題中歸納重要命題考點的一般思路

1.化工流程題中信息型方程式的書寫的一般思考程序。

先看流程圖中的進、出物質,再判斷反應類型,最后按相應反應類型的書寫程序書寫。

再如第(6)小題,觀察高溫煅燒流程圖進出物質中顯然鐵元素從FePO4中的+3價降為LiFePO4中的+2價,發生還原,則必然為氧化還原反應,依據同學們積累的元素化合物知識,顯然“流程圖”中的草酸是還原劑,再依據升降守恒和元素守恒可寫出反應方程式:

2.化工流程題中反應原理的原因分析的一般思路。

化工流程題中原因分析主要的設問方向有:加某一試劑的作用或目的,選用某種實驗方法的作用或目的(如“加熱操作的目的”)等。其一般的解決思路是,先判斷這是一個什么問題(如是速率問題、平衡問題、能量問題還是物質性質等),再依據相應原理解答。

如第(3)小題,分析40℃時TiO2·xH2O轉化率最高的原因時,先判斷這是一個什么問題,為什么隨溫度升高,轉化率先增大后減小,顯然開始溫度升高轉化率增加是一個速率問題,而高于40℃時產率降低,一種可能是反應本身是放熱反應,達到平衡后,升溫平衡朝逆反應方向移動,但題中顯然沒有相關信息,猜測沒有依據。另一種可能是反應物雙氧水和氨水的性質問題,升高溫度,雙氧水分解以及氨氣逸出,均會降低反應速率。

其他諸如化學計算、實驗條件選擇等一般思路,限于篇幅請同學們自己總結體會,建立相應的思維模型,以便提高分析解決問題的能力。