探究化學工藝流程題的解題策略

孫麗娟

縱觀近幾年的高考化學試題，化學工藝流程題已成為必考題型，探究此類試題的解題策略勢在必行。在課程改革后，中學教育對學生學科綜合能力的培養越來越重視，特別是在STEM[科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）]教育理念走進校園后，提高學生運用學科綜合知識解決實際問題的能力已成為中學化學教師教學的重要組成部分。與現代工業生產緊密相關的化學工藝流程題有著集科學、技術、工程、數學于一身的特點，備受命題者的青睞。化學工藝流程試題考查的知識面廣，有利于考查學生中學化學知識的綜合運用，試題的陌生度高、文字量大，是知識與能力的巧妙融合，有利于檢測學生的思維能力及知識的綜合應用能力。

一、以回收金屬為目的的工藝流程題

以回收金屬為目的的工藝流程題，多以線型工藝流程題呈現。在分析此類試題時，我們可先對比分析原料和產品之間的關系，弄清楚由原料轉化為產品需要經過哪些基本工藝，在這些工藝過程中又需要加入哪些物質，最后逐步解答試題中的問題。分析過程中既要“瞻前”又要“顧后”，即考慮原料轉化為產品的同時，考慮原料的充分利用和副產品的變廢為寶。

例1（2018年全國卷Ⅰ）磷酸亞鐵鋰（LiFePO4）電池是新能源汽車的動力電池之一。采用濕法冶金工藝回收廢舊磷酸亞鐵鋰電池正極片中的金屬，其流程如下：

下列敘述錯誤的是（ ）

A.合理處理廢舊電池有利于保護環境和資源再利用

B.從“正極片”中可回收的金屬元素有Al、Fe、Li

C.“沉淀”反應的金屬離子為Fe3+

D.上述流程中可用硫酸鈉代替碳酸鈉

解析：由題給流程圖可知，原料是正極片，所需產品是其中含有的金屬元素。正極片通過堿溶生成偏鋁酸鈉濾液和含磷酸亞鐵鋰的濾渣;由產品可知，需要把濾渣中所含的金屬元素分離提純，可與硫酸和硝酸反應生成Li+、PO43-、Fe3+等的濾液，以及不溶于硫酸和硝酸的炭黑等濾渣;由得到的濾液中含有的金屬元素可知，可將其中的Fe3+生成沉淀濾出，可使用堿液進行提取，生成的沉淀是強氧化鐵;與堿液反應得到的濾液中含有鋰元素，可與碳酸鈉反應生成LiCO3沉淀。由此分析各選項：A項，廢舊電池中含有重金屬元素，隨意丟棄會污染環境，且廢舊電池中含有可回收利用的金屬，故合理處理廢舊電池有利于保護環境和資源的再利用，正確;B項，由流程圖可知，從正極片中含有的金屬元素有Al、Fe、Li，正確;C項，濾液和堿液反應生成的沉淀是氫氧化鐵沉淀，含有鐵離子，正確;D項，若用硫酸鈉代替碳酸鈉，最終生成的物質是硫酸鋰，不能形成沉淀，故不可用硫酸鈉代替碳酸鈉，錯誤。

答案：D

二、以混合物的分離、提純為目的的工藝流程題

在解答以混合物的分離、提純為目的的工藝流程題時，首先要在流程中找出所需物質，而原料中除含有主要物質外還含有哪些雜質，并找出它們之間的關系，又要如何才能將它們分開;然后逐一分析加入的試劑，清楚加入試劑的目的以及加入試劑后發生的反應及產物，若有雜質則要考慮除雜方法，采用什么樣的方法才能將雜質除去;最后逐步解答試題中設置的問題。為快速、正確地解答此類試題，宜采用“分段”分析法和“交叉”分析法，即可以先從流程圖中找出解答問題時所學的關鍵點，如原產品的處理階段、雜質與其他物質之間的分離階段、產品的獲得階段，認真分析、仔細辨認，獲得有效信息;而在流程圖中包含多種原產品時則可以采用“交叉”分析法，由幾種原材料經過一系列的反應得到各種中間產品，中間產品再經過與其他物質反應結合成最終產品，其中還會有部分物質可循環利用（此時試題中可能涉及“綠色化學”的考查），需要學生具備“眼觀八方”之能，分析各種原材料與產品之間的關系，不僅橫向分析，還要縱向分析。

例2（2018年江蘇卷）以高硫鋁土礦（主要成分為Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金屬硫酸鹽）為原料，生產氧化鋁并獲得Fe3O4的部分工藝流程如下：

（1）焙燒過程均會產生SO2，用NaOH溶液吸收過量SO2的離子方程式為。

（2）添加1%CaO和不添加CaO的礦粉焙燒，其硫去除率隨溫度變化曲線如右圖所示。

已知：多數金屬硫酸鹽的分解溫度都高于600℃

硫去除率=（1-）×100%

①不添加CaO的礦粉在低于500℃焙燒時，去除的硫元素主要來源于。

②700℃焙燒時，添加1%CaO的礦粉硫去除率比不添加CaO的礦粉硫去除率低，其主要原因是。

（3）向“過濾”得到的濾液中通入過量CO2，鋁元素存在的形式由（填化學式）轉化為（填化學式）。

（4）“過濾”得到的濾渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3與FeS2混合后在缺氧條件下焙燒生成Fe3O4和SO2，理論上完全反應消耗的n（FeS2）∶n（Fe2O3）=。

解析：（1）SO2為酸性氧化物，與堿反應生成的鹽是亞酸鹽，即過量SO2與NaOH反應生成NaHSO3，由此可寫出反應的化學方程式，然后根據離子方程式的書寫規則正確書寫出離子方程式。（2）①題設中已知“多數金屬硫酸鹽的分解溫度都高于600℃”，則不添加CaO的礦粉在低于500℃焙燒時，去除的硫元素主要來源于含有硫元素的FeS2。②由題設所給圖示可知，同一溫度下添加CaO的礦粉硫去除率更低，由硫去除率的公式可知，其主要原因是添加了1%CaO的礦粉硫可以使其中的硫元素轉化為CaSO4而留在礦粉中，化學方程式為2CaO+2SO2+O2=2CaSO4。（3）“過濾”后得到的濾液中含有NaAlO2、Na2SiO3，向其中加入過量的CO2，鋁元素的形式由NaAlO2轉化為Al（OH）3，對應的離子方程式為CO2+AlO2-+2H2O=Al（OH）3↓+HCO3-;（4）Fe2O3與FeS2的混合物在缺氧條件下焙燒，生成的是Fe3O4和SO2，反應的化學方程式為16Fe2O3+FeS211Fe3O4+2SO2↑，由此可知，理論上完全反應消耗的n（FeS2）∶n（Fe2O3）=1︰16。

答案：（1）SO2+OH-===HSO3-（2）①FeS2②硫元素轉化為CaSO4而留在礦粉中（3）NaAlO3Al（OH）3（4）1︰16

綜上，解答化學工藝流程題時要從生產目標出發，讀懂流程圖，明確一切反應或操作都是為了獲得產品，從試題和題設問題中獲取信息，深入了解工藝流程后再開始逐一答題。在答題時要按照題目要求，運用正確規范的化學用語，力求答案的清晰性、精準性。