基于建模思想的高中化學工藝流程題解題策略研究

張麗麗

(廣東省湛江四中 524000)

“證據推理與模型認知”是《普通高中化學課程標準》(2017版)中化學學科五大核心素養之一，模型認知作為其中一個關鍵要素被列入核心素養當中.它要求學生通過分析、推理等方法建立認知模型，能夠運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律，并應用到解決化工生產的實際問題當中.

1 化學建模教學

建模是一種科學的思維方法，是一種認識的工具.建模思想是運用模型解決問題的一種思想，就是將復雜的化學問題去掉非本質的東西，抽象出解決問題的思維方式，然后運用這一模型去解決相關問題.建模思想的優點在于把研究對象的一些次要細節及非本質的聯系或提取或舍去，從而建立程序化模型有助于判斷和推理.化工流程題是高考復習的重難點，在課堂設計中幫助學生建立化學工業流程的解題模型，有助于學生對化學工業流程的各步驟及其作用有更清晰的理解和認識，從而勝任高考中化工流程類題目的考查.

2 化學工藝流程題

2.1 化工流程題的命題分析

試題考查形式主要有物質制備類(如圖1所示)和混合物分離提純類(如圖2所示)兩大類，其中以物質制備類為主.

圖1

圖2

命題情境：

(1)生產環保情境：自然資源的綜合利用，生產條件的優化，廢物回收利用和毒害物質處理.

(2)學術探究情境：最新的生產方法，提取技術的應用等.

命題立意：

(1)以典型無機物、部分過渡元素的性質及其轉化為知識載體，以化學實驗的基本操作，物質的檢驗、分離、提純，實驗數據的處理與分析為手段，結合電解質溶液、電化學、熱力學、動力學等方面知識，綜合考查物質的制備、分離、提純.

(2)通過理解、辨析基礎知識、基本概念、基本理論、基本信息，考查學生的信息提取、整合能力和遷移應用能力.通過對數據、圖表、圖像等計算、分析，考查學生的思維認知能力.通過實驗現象、實驗數據、方案設計與評價，考查學生通過實驗技能解決生產中的實際問題的能力.

(3)以實際生產中的真實問題為背景，加強對實驗探究與創新意識實踐基礎的考查，培養學生證據推理與模型認知、宏微結合與變化平衡的學科核心思維，滲透綠色、節能、環保等科學精神與社會責任的核心價值立場.

2.2 化工流程題的結構和特點

化工流程題的結構可分為題頭、題干和題尾三個部分.題頭：主要介紹該工藝生產用到的原材料(包括雜質)、工藝生產的目的、獲得的產品、用途等信息，有時根據題頭的需要，會提供一系列文字、圖表和其他相關注釋信息；題干：主要用框圖形式將操作或物質轉化之間的關系或原料到產品的主要生產工藝流程表示出來；題尾：主要是根據流程中涉及到的化學知識設計成系列問題，構成一道完整的化學試題.

此類試題集綜合性、真實性、開放性于一體，包含必要的操作名稱、化工術語或文字說明.題型包括選擇題和非選擇題，選擇題主要考查元素化合物知識和工藝流程中的基本操作.非選擇題考查知識面廣、綜合性強、思維容量大.題干的呈現形式多為流程圖、表格和圖像，設問角度一般為操作措施、物質成分、化學反應、條件控制的原因和產率計算等；能力考查側重于獲取信息的能力、分析問題的能力、語言表達能力和計算能力；涉及的化學知識有基本理論、元素化合物和實驗基礎知識等.

3 化學工藝流程題解題策略

3.1 題頭分析

題頭信息一般給出原材料和雜質成分及指定產品，有時還會提及原材料或產品的基本性質.這些基本屬性可以在分析流程圖后解決問題時使用，在解答問題之前需要先分析原材料、產品的性質和化合價是否發生變化等基本信息，并初步判斷原料轉化為產品的過程經歷了哪些步驟，是否為氧化還原反應，以便于結合后續工藝中添加的物質轉化關系和反應條件的控制書寫相關反應方程式，并分析濾渣、濾液的成分，推導出除雜順序、選擇分離提純方法.

3.2 流程圖分析

化學工藝流程圖主要由原料的預處理、核心化學反應和產品的分離提純三個部分組成，涉及主產品的制備、副產品的制備和循環過程三條流程線.原料的預處理，包括煅燒、酸溶、堿溶、除雜、過濾等過程；核心化學反應就是生成產品的反應，這個階段也可能會生成副產品；產品的分離提純，包括過濾、結晶、蒸餾、萃取分液、醇洗、水洗等過程，通常還要考慮分離條件如調節pH、溫度等.三條流程線:從原料到產品的過程稱為主線，原料到副產品的過程稱為分支線，循環利用的工序組成了回頭線.即:“主線一主產品”“分支一副產品”和“回頭一為循環”.

3.3 建構化工流程題分析模型

化工流程問題是以元素化合物知識為基礎，通過流程圖將一個化學工藝生產過程中的主要生產流程表示出來，并根據生產流程中涉及的化學知識設計問題.加強對該類題型結構框架的認識，建構工藝流程題的分析模型，能幫助學生形成化學學科的思維方法，提升學科素養.

工藝流程題的基本框架為：原料→核心化學反應→產品，從元素的角度分析，觀察主線中留下哪些元素，除去了哪些元素，通過追蹤元素的去向明確各個環節的目的，是除雜還是核心反應？是中間產物還是對于下一步的預處理？若是除雜問題，考慮化學實驗過程中的分離、提純原理和實驗操作方法，化工生產的最終目的是為了獲得更多更純凈的產品.若是核心反應，考查的一般都是高中化學中常見的幾個反應類型，氧化還原反應，復分解反應和電化學反應.其它的問題則從生產條件控制、平衡移動、具體的生產措施、綠色化學、成本控制、工藝步驟、設備腐蝕等這些角度思考，從而找到解題思路.

現以2022年全國甲卷26題為例，分析其結構框架，剖析轉化流程，建構化工流程的分析模型.

真題(2022全國甲卷26題)硫酸鋅(ZnSO4)是制備各種含鋅材料的原料，在防腐、電鍍、醫學上有諸多應用.硫酸鋅可由菱鋅礦制備.菱鋅礦的主要成分為ZnCO3，雜質為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物.其制備流程如圖3所示.

圖3

本題中所涉及離子的氫氧化物溶度積常數見表1.

表1

回答下列問題：

(1)菱鋅礦焙燒生成氧化鋅的化學方程式為____.

(2)為了提高鋅的浸取效果，可采取的措施有____、____.

(3)加入物質X調溶液pH=5，最適宜使用的X是____(填標號).

A．NH3·H2O B．Ca(OH)2C．NaOH

濾渣①的主要成分是____、____、____.

(4)向80～90℃的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應后過濾，濾渣②中有MnO2，該步反應的離子方程式為____.

(5)濾液②中加入鋅粉的目的是____.

(6)濾渣④與濃H2SO4反應可以釋放HF并循環利用，同時得到的副產物是____、____.

解題分析基本框架分析如圖4所示:

圖4

結合流程圖逐一分析:

問題(2)浸取的目的是將礦物中的元素轉移進溶液，提高浸取效率可理解為加快化學反應速率，可采用增大壓強、將焙燒后的產物碾碎，增大接觸面積、增大硫酸的濃度等方式提高鋅的浸取率；實際考查的是影響化學反應速率的因素，體現了學生思辨能力的運用.

問題(3)用物質X調節pH的目的是除去溶液中某些雜質離子，X的選擇要考慮無污染、低成本、不引入新雜質，NH3·H2O易分解產生NH3污染空氣，且成本較高，故A不合適；Ca(OH)2不會引入新的雜質，且成本較低，故B合適；NaOH會引入雜質Na+，且成本較高，C不合適；當沉淀完全時即離子濃度小于10-5mol/L，結合表格Ksp計算各離子完全沉淀時pH<5的只有Fe3+，故濾渣①中有Fe(OH)3，又CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故濾渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；透過題目分析出背后的考點為pH控制與試劑選擇，濾渣成分分析，考查酸堿中和、除雜、沉淀溶解平衡相關知識.判斷濾渣成分涉及沉淀溶解平衡相關計算，難度和綜合性較強，突出了信息遷移能力和計算能力的考查.

問題(6)濾渣④為CaF2、MgF2，與濃硫酸反應可得到HF，同時得到的副產物為CaSO4、MgSO4.考查知識點為實驗室制備氫鹵酸原理，利用高沸點酸制低沸點酸，側重知識遷移運用能力.

試題背景：以菱鋅礦制備硫酸鋅的工藝為情景素材，通過對菱鋅礦焙燒、酸浸預處理，考查化學方程式書寫及原料預處理的措施，再通過核心反應條件控制，逐步分離除去雜質，考查步驟中試劑的選擇、成分的推斷，提供有關金屬離子難溶電解質的溶度積，要求學生基于數據綜合分析整個工藝流程，引導學生思考不同物質的分離條件，考查學生綜合運用化學知識解決實際問題的能力.