化工流程題分析思維模型的建構和應用

王麗平

一、思維模型建立的背景

化工流程題現在是高考試題中的必考題型，它往往以現代工業生產實際或科學實驗中的真實情境為基礎，與化工生產成本、除雜凈化、分離提純、產品產率以及環境保護等知識相融合，考查物質的溶解、檢驗、分離、提純等基本實驗原理在化工生產中的實際應用。該題型注重考察學生獲取信息的能力、分析問題的能力以及靈活運用結構化知識解決實際問題的能力，對學生學科核心素養的要求較高，分值也很大。而我們的學生失分原因也很多，通過分析學生失分的原因，我覺得用建立思維模型的方法指導學生進行解題，比較行之有效。

二、思維模型建立的意義

思維模型的建構是指通過抽象、概括和一般化，把特定的研究對象或問題轉化為普通的本質規律，從而用以解決實際問題的思維方法。而用在我們化學問題上就是建立一種合理的、科學的、優化的思維程序，它能幫助學生有序地去分析、解決化學問題，并對“繁雜”的化學知識進行分析、整理、歸納，避免盲目地、純憑經驗來分析和解決問題，使得思維更有條理。

三、思維模型建立和應用

我做了近兩年全國卷和2020年山東等級模擬題中化工實驗流程題，發現實驗化工流程題均以物質制備或物質分離提純為主體，以實驗操作原理、化學反應原理、氧化還原反應以及元素及其化合物的知識為背景，通過流程圖、裝置圖等方式進行呈現，重點考查學生對反應條件控制、儀器識別、物質的分離與提純以及陌生化學方程式的書寫等知識點。盡管每年試題情境不同，但從試題呈現方式和考查內容來看，存在許多相似的地方，這也為解決這類題型找到了突破口。

（1）從框圖解讀上進行突破。首先要會讀流程圖，箭頭進入的是投料（反應物）、出去的是主產物或副產物（生成物）;線和進線均表示物料流向或操作流程，可逆線表示物質循環。

其次要了解原料和產品，明確中心元素（就是留下哪種元素），其次抓住中心元素的變化方向，依據流程圖搞清流程中每一步發生了什么，最后根據反應或實驗原理，緊扣信息，大致弄清有關反應和實驗的目的。

我以2018年（全國卷Ⅱ）26題為例，運用思維模型解題，幫助學生從混亂思維中快速理清條理。題中提供的原料是一種閃鋅礦，主要成分為ZnS，含有二氧化硅和少量FeS、CdS、PbS雜質），最后得到產品金屬鋅。通過框頭、框尾的比較，確定框身中主要成分的中心元素為鋅，最后在產品中出現，因此在制備過程中要盡量減少損失，而中間過程的主要目的是采取一定的措施和方法除去鐵、鉛、鎘等元素。以上推理過程可概括為三個步驟，即“一看頭，知原料;二看尾，明產品;三看中間，辯目的”，由于目的分析相對復雜，牽涉到內容也比較多，要弄清楚原理還需要借助實驗操作目的和化學核心知識的運用加以解決。

（2）從實驗操作上進行突破。實驗操作是工藝流程題中必不可少的部分，溶解、除雜、過濾、洗滌和干燥幾乎每年都涉及，如果學生平時注重整理，總結歸納這些操作的使用目的，再將這些知識應用到解題作答上，就會大大提高解題效率。

高考題中先是將含雜質的閃鋅礦物燃燒，轉化為易溶于酸的ZnO（PbO、FeO、Fe2O3），然后加硫酸溶解，過濾得到不溶于水的SiO2和PbSO4。再通氧氣將Fe2+轉化為Fe3+，加入ZnO調節PH，目的是除去Fe3+。接下來加鋅粉還原除雜，除去Cd2+，通過置換反應將其變成金屬單質過濾出去，最后通過電解的原理制取Zn。

（3）從知識運用上進行突破?；瘜W核心知識是解決實際問題、完成測試任務不可或缺的工具，在高考試題中，對學科核心知識的考查，一直是命題的宗旨和目標。近三年，全國高考化學工藝流程題涉及到的核心知識主要有元素及其化合物、氧化還原反應、鹽類水解和電解原理等。對于這些核心素養的考查，學生要有相應的知識儲備和應對策略。例如，針對元素化合物的知識，學生能從物質類別的視角，依據復分解反應說明物質的轉化路徑;對于氧化還原反應，能從元素價態的角度認識元素在物質中可以具有不同價態，含有不同價態同種元素的物質可以進行轉化;對于鹽類水解，常?？紤]防止水解、促進生成沉淀或除去雜質等目的;而電解原理要在氧化還原反應的基礎上，充分認識陰、陽極的放電原理，實現物質轉化。

上述高考題中涉及到的知識原理比較簡單，元素化合物的知識主要是Zn、Pb、Fe的氧化物與酸的反應，二氧化硅和硫酸鉛都是難溶于硫酸的沉淀。氧化還原反應具體體現在亞鐵離子被雙氧水氧化成鐵離子的過程。真正有難度的在問題（2），對學生加試劑進行沉淀的能力要求較高，需要學生根據亞鐵離子、鐵離子、鋅離子、鉻離子沉淀時的PH進行分析，得出出去鐵元素必須先通氧氣，目的就是將亞鐵離子轉化為鐵離子然后加氧化鋅調PH，否則除去亞鐵離子也會將鋅離子除去了。以上分析過程需要學生在掌握元素化合物知識的基礎上善于挖掘信息、抓住關鍵、準確答題。

（4）有效思維模型的建立。一道完整的工藝流程題，其設計步驟一般為：原料分析→對原料的預處理→核心化學反應→產品的提純、分離→目標產物。學生在解答試題時，要學會建立有序思維的一般模型。首先找出要得到的主要物質是什么，混有哪些雜質;然后，認真分析當加入某一試劑后，能與什么物質發生反應，生成了什么產物或思考要用什么樣的方法才能將雜質除去。抓住一個關鍵點：一切反應或操作都是為獲得產品而服務，最后看清題目所問的問題。解答時，不需要將流程圖完全讀懂，有不明確的地方可以直接跳過去，先解答后面的問題。在做題時要注意文字敘述的規范性，化學式、化學方程式等書寫的準確性。

思維模型可使化學知識存儲有序化，又可以用于解決化學問題。而同學們做流程題思維混亂，很大程度上歸結于學生在學習的過程中未能深刻領悟化學學科思想，如分類思想、結構決定性質、性質決定用途的思想、以及事物變化順序的思想等，更不能將這種思想與學科核心知識進行融合，應用到化學試題的分析與解答上。所以我認為在平時的學習中，教師應有意識的引領學生搭建條件和目標之間的橋梁，培養建立思維模型的意識，讓同學們再面對流程題時不再是“無路可走”而是“有據可依”。