巧用“試劑—雜質—操作—產品”四線法突破工藝流程題

湖南 周學興 楊 華

1.背景分析

1.1 高考背景分析

高考的功能——立德樹人、為國家選拔人才，高考題以真實問題的解決為背景考查所學知識，常以實際生產工藝為背景，以元素化合物基礎知識為主線，著眼于學生接受、吸收、整合信息能力的考查。新課改后的高考有很強的時代感和實踐性，化工生產技術的“工藝流程題”已成為新亮點和主流題型，突出考查學生對元素化合物知識的運用，以能力與核心素養考查為根本，著眼于學生對化學信息的接受、吸收、整合能力的考查，以化學核心知識、概念為題干，以知識模型建構為落腳點，跳出了讓學生陷入題海戰的桎梏。

2017年教育部公布的高考考綱發生了很大的變化，對化學而言，刪去“化學與技術”模塊，選考部分由原來的“三選一”改為“二選一”，工藝流程題在13、15、16、17年高考全國卷Ⅰ中均有考查，近三年高考化學考查工藝流程題的情況，見表1。

表1 近三年高考工藝流程題的考查情況

學生遇到工藝流程題時，畏懼心嚴重，得分率較低。2017年湖南省學生得分情況抽樣表明，27題工藝流程題得分率最低，該題對學生整理、吸收、分析化學信息要求較高，平均得分情況見表2。

表2 2017年全國卷Ⅰ部分非選擇題抽樣平均得分情況

1.2 學生學情分析

學生應對高考，大多同學把“考點”作為復習依據，用“突破考點”“狂練考點”“強化訓練”等為主要手段，進行大量的機械重復勞動，盡管花費了大量學習時間，但收效甚微。具體存在以下困難：①閱讀困難，審題過程不能迅速捕捉有用信息。②答題語言不規范。③元素化合物知識不扎實，不能夠辨析微觀反應。④思考不全面，雜質選擇性屏蔽。⑤思維定勢，死記硬背，不能靈活運用化學原理分析問題。⑥流程的全面分析與題設解決的辯證與統一，有的時候，工藝流程并不需要各個階段都詳細分析，而應“粗”“細”結合，游刃有余。

筆者閱讀了許多關于工藝流程題解題技巧的文章，本文基于模型認知的構建，提出“試劑—雜質—操作—產品”四線法，舉例說明該法能幫助高三學生高效理解工藝流程，有效提高學生處理信息、分析問題、解決問題等方面的能力。

2.“四線法”介紹

“四線法”顧名思義，通過分析四條主線，突破工藝流程題的整體把握，四條主線分別為試劑線、雜質線、操作線、產品線。根據工藝流程題的類型不同，四條主線具體呈現的內容不同。

利用“試劑—雜質—操作—產品”四線法解工藝流程題的模型認知，見圖1。

圖1 四線法解工藝流程題的模型認知

四線法，符合真實化工流程的目的，更快更好地得到更純的產品，有利于提升學生宏觀辨識與微觀探析的素養。

2018年全國卷Ⅰ工藝流程題的四線呈現情況、信息呈現形式，見表3。

表3 基于四線法的工藝流程題分析

粗看工藝流程框圖，迅速把握“四線”，能夠整體把控整個化工流程的框架，儲備一些常見教材工藝流程，比如高中教材中涉及的化學工業：①候氏制堿法，②氯堿工業，③硅酸鹽工業，④工業制硫酸，⑤合成氨工業，⑥工業制硝酸，⑦金屬Na、Mg、Al、Fe、Cu等的冶煉，⑧海水中提取物質等。

2.1 試劑線

需要掌握常見試劑的類型、作用和相關反應，也可稱為反應線。常見試劑及其作用，見表4。

表4 常見試劑及其作用

2.2 雜質線

對于礦物質而言，測定元素組成后，即可確定雜質，需要積累常見試劑的處理方法、常見雜質及其除雜方式，見表5。

表5 常見雜質及除雜方式

工藝流程分析過程中，需要抓住雜質的去向分析，切勿因為思維的不嚴謹，導致某雜質還未除去卻茫然不知。違背了化工生產的目的。同時雜質的去除離不開試劑線的分析。

2.3 操作線

主要指的是分離提純操作，每加一次試劑，便需要思考是否需要過濾、蒸發、冷卻結晶、蒸餾、萃取等分離提純操作，見表6。

表6 常見操作及目的

2.4 產品線

試劑線、雜質線、操作線展開是為了獲取產品，產品的獲取主要通過除去雜質，發生核心反應而獲取產品。通過總結近幾年全國卷Ⅰ高考化學工藝題產品的獲取方式(見表7)，不難發現產品的獲取具有以下特點：①主要圍繞金屬元素的相關工藝品進行考查；②工藝產品具有多樣性，體現了經濟需要實效性；③產品的獲取可能在流程的前半部分；更多是后期才得到產品；④產品的獲取，需要試劑參與反應轉化，可能發生的是氧化還原反應；⑤產品的獲取，所涉及的分離提純操作及方法，離不開產品自身的性質，由于大部分產品是固體，故基本上離不開結晶的相關操作。

表7 工藝產品的獲取

3.習題感悟

基于四線法，能夠全面了解工藝流程框圖的過程，理解如何除雜、試劑如何使用、產品如何獲取、如何操作等。

【案例1】鍶(Sr)為第五周期ⅡA族元素，高純六水氯化鍶晶體(SrCl2·6H2O)具有很高的經濟價值，61℃時晶體開始失去結晶水，100℃時失去全部結晶水。用工業碳酸鍶粉末(含少量Ba、Fe的化合物)制備高純六水氯化鍶的過程如圖2。

圖2

請回答：

(1)寫出步驟②在漿液中加入鹽酸時發生反應的離子方程式：________________。

(2)步驟③中調節溶液pH至8～10，宜選用的試劑為________。

A.稀硫酸 B.氫氧化鍶粉末

C.氫氧化鈉 D.氧化鍶粉末

所得濾渣的主要成分是________(填化學式)。

(3)步驟⑤中，洗滌氯化鍶晶體最好選用________。

A.水 B.稀硫酸

C.氫氧化鈉溶液 D.氯化鍶飽和溶液

(4)工業上用50～60℃熱風吹干六水氯化鍶，選擇該溫度的原因是________________。

(5)若濾液中Ba2+濃度為1×10-5mol·L-1，依據表8中數據可以推算濾液中Sr2+物質的量濃度為________。

表8

【工藝流程分析】

(2)BD BaSO4和Fe(OH)3

(3)D

(4)溫度高于61℃，SrCl2·6H2O失去結晶水

通過試劑線、雜質線、操作線、產品線四線并進的分析方法，有序有效地突破了工藝流程題的難點，解決了學生思考不全面的問題。關注題目的每一條線，但不必將每一條線都推出，問什么推什么，要帶著問題去精心研究某一步或某一個物質。

【案例2】(2018·全國卷Ⅰ·27，節選)焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)在醫藥、橡膠、印染、食品等方面應用廣泛。回答下列問題：

(1)生產Na2S2O5，通常是由NaHSO3過飽和溶液經結晶脫水制得。寫出該過程的化學方程式：__________________________。

(2)利用煙道氣中的SO2生產Na2S2O5的工藝如圖3所示：

圖3

① pH=4.1時，Ⅰ中為________(寫化學式)溶液。

② 工藝中加入Na2CO3固體并再次充入SO2的目的是________________。

【工藝流程分析】整合吸收化學信息：工業上通過NaHSO3過飽和溶液結晶脫水制得Na2S2O5。分析流程可知，該題的主線為試劑線、產品線、操作線，并未體現試劑線與雜質線的關系。

直接切中要害，通入SO2即可得到產品，結合已知信息，其目的不言而喻，是為了得到NaHSO3過飽和溶液。

(2)①NaHSO3②得到NaHSO3過飽和溶液

【案例3】某科研小組以難溶性鉀長石(K2O·Al2O3·6SiO2)為原料，提取Al2O3、K2CO3等物質，工藝流程如圖4所示：

圖4

上述工藝中可以循環利用的主要物質是________、________和水。

【工業流程分析】

既消耗又生成的物質，通過試劑線分析可知還有Na2CO3和CO2能夠循環利用。

【答案】Na2CO3CO2

【案例4】(2017·全國卷Ⅰ·27，節選)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，工藝流程如圖5所示：

圖5

(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應40 min所得實驗結果如表9所示：

表9

分析40℃時TiO2·xH2O轉化率最高的原因：________________________________。

【化工流程分析】

基于中間產物高效獲取這一目的，結合產品線及操作線的分析，可知在該流程中溫度為何選擇40℃，需要從過高過低角度分析原因，低于40℃時，TiO2·xH2O轉化率隨溫度升高而增加，超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導致TiO2·xH2O轉化反應速率下降。

【答案】低于40℃，TiO2·xH2O轉化率隨溫度升高而增加，超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導致TiO2·xH2O轉化反應速率下降。

4.練后提煉——特殊設問及其解決策略

工藝流程題，往往需要在四線基礎上，積累特殊設問的應對策略，這樣工藝流程題不再會是高中生的“攔路虎”，近幾年高考易錯的熱點設問如下：

4.1 分析循環利用的物質和可回收的物質

循環利用和回收利用，是工業生產提高經濟效益、降低污染、提高物質的利用率等的必要手段。

①理解物質循環利用目的是節能減排，“綠色化學”，降低成本等，提煉出一定不會用于循環的物質：目標產物、雜質，可以用于循環的物質：輔助試劑、母液。

②可回收的物質：副產品(非目標產品)。

應對策略：弄清楚每一步的反應物、產物，對比“投入”“輸出”，消耗又生成即為循環利用物質。

4.2 分析調節溶液的pH

①目的：使溶液中的某金屬陽離子形成氫氧化物完全沉淀下來而除去。

②需要的物質：含主要陽離子的難溶性氧化物或氫氧化物或碳酸鹽，即能與H+反應，使pH增大的物質，如MgO、Mg(OH)2等。

③原理：加入的物質能與溶液中的H+反應，降低了H+濃度，增大pH。

④pH控制的范圍：大于除去離子的完全沉淀值，小于主要離子開始沉淀的pH。

4.3 分析洗滌沉淀

實際工業生產過程中，沉淀的洗滌主要圍繞洗滌什么雜質、怎么洗(洗滌操作)、用什么洗滌、為什么用這個洗滌劑等問題展開分析，考題亦如此。

(1)沉淀洗滌的目的：除去沉淀表面附著或沉淀中包夾的可溶性離子。

(2)洗滌方法：向漏斗內加蒸餾水至浸沒沉淀，待水自然流出后，重復操作2～3次。

(3)沉淀劑是否過量的判斷方法答題模板。

①加沉淀劑：靜置，向上層清液中繼續滴加少量沉淀劑，若無沉淀產生，則證明沉淀劑已過量。

②加入與沉淀劑反應的試劑：靜置，取適量上層清液于另一潔凈試管中，向其中加入少量與沉淀劑作用產生沉淀的試劑，若產生沉淀，證明沉淀劑已過量。注意：若需稱量沉淀的質量而進行有關定量計算時則只能選用方法(1)。

(4)判斷沉淀是否洗凈的操作答題模板(一般考查氯離子和硫酸根離子等沉淀型的離子檢驗)取最后一次洗滌液，滴加……(試劑)，若沒有……現象，證明沉淀已洗凈。

4.4 分析控制溫度

溫度的控制，實際生產過程中主要基于反應速率、物質的溶解度(溶解度曲線)、物質的熱分解與揮發(物質的性質分析)、弱離子的水解(平衡)、能源的利用(耗能)、副反應的發生、催化劑的活性、生產安全性等方面的思考。一般需要考慮溫度過高、過低會有怎樣的效果。具體如下：

(1)加熱：加快反應速率或溶解速率

促進平衡向吸熱方向移動；除雜，除去熱穩定性差的雜質，如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、I2、NH4Cl等物質。使沸點相對較低的原料氣化。

(2)降溫：防止某物質在高溫時溶解(或分解)

使化學平衡向著題目要求的方向移動(放熱方向)，使某個沸點較高的產物液化，使其與其他物質分離，降低晶體的溶解度，減少損失，尤其是減壓蒸發、減壓烘干，通過降低溫度需求，防止目標物質的分解。

(3)控溫：(用水浴或油浴控溫)

防止某種物質溫度過高時分解或揮發，為了使某物質達到沸點揮發出來，使催化劑的活性達到最好，防止副反應的發生，降溫或減壓可以減少能源成本，降低對設備的要求，達到綠色化學的要求。

4.5 分析化工流程的評價

實際工業生產過程中，評價化工流程，需要考慮速率、產率、產品純度、成本、污染、循環利用等方面，其中污染主要指的是：廢渣、廢液(酸、堿、重金屬鹽)、廢氣(Cl2、Br2、硫和氮的氧化物等)。

教學中注重化工流程的評價，引導學生關注社會生產、社會環境等問題，激發學生探究潛質。

5.總結

利用“試劑—雜質—操作—產品”四線法可以快速地理解工藝流程題的流程模型，通過常見問題認知模型的構建，能夠真正了解工藝流程的框架，掌握“四線”及常見設問的解決方式，高三學子便可不用對工藝流程題“望而生畏”。

但在教學過程中不能只強調解題，通過解題引導學生體會真實工藝的復雜性、綜合性，比如雜質的去除可以選擇方案Ⅰ也可以選擇方案Ⅱ，需要綜合考慮整個流程最終確定最佳方案，同時應該注重真實工業工藝的介紹，創設條件讓學生走進生產一線，切實體會“紙上得來終覺淺”，提供有利條件，創設實驗條件，拋出問題，讓學生通過“四線法”自主設計如何綜合利用礦物質或廢渣的實驗方案，并實施實驗。最終讓學生明白高考化學所考查的是一道工藝的簡化模式，還需要有化工專業知識、實踐經驗、經濟效益等方面的分析，才能夠真正批量生產。通過利用四線法幫助學生從具體知識的掌握到實際問題的解決，最終到知識素養化的轉變。通過“四線法”分析工藝流程題教學，讓學生順利地邁出認識化學工藝的第一步，并不斷引導學生關注日常的生產實際問題，創設真實情境，提高學生分析、解決問題的能力。