高考中的“明星”題目
——工藝流程題的命題與解題

趙鑫光

(吉林省長春市長春吉大附中實驗學校)

在新高考評價體系中,化學學業水平考試的主要目的是評價學生化學學科核心素養的發展狀況和學業質量標準的達成程度,這是新高考區別于傳統考試的重要特征。《中國高考評價體系說明》中指出,引導學生的關注點從“解題”向“解決問題”轉變。采用真實情境下的主題式教學,打破原有知識的孤立性和零散性。通過設置真實的問題情境,考查學生運用所學知識分析解決問題的能力,促進學生學習方式的轉變,為學生的終生學習奠定堅實的基礎。

根據學業水平考試的目的,化學學業水平考試命題必須堅持以化學學科核心素養為導向,準確把握“素養” “情境” “問題”和“知識”四個要素在命題中的定位與相互聯系,構建以化學學科核心素養為導向的命題框架。試題的命制應該以實際問題為測試任務,以真實情境為測試載體,以化學知識為解決問題的工具,以學科核心素養為測試宗旨。工藝流程題以簡潔的工藝流程圖再現實際生產的關鍵環節,情境真實而有意義,對培養學生的科學精神和社會責任、引導教學、選拔具有創新思維和能力的學生大有裨益,充分顯示了新高考評價體系中“一核”的引領功能,試題中也能充分體現“四層” “四翼”的考查內容和考查要求,完全符合新高考的命題原則,上述原因使得工藝流程題成為高考中的“明星”題目。

一、工藝流程題的命題框架

二、工藝流程題的學科價值

通過選取有引領作用的背景素材,再現實際生產的關鍵環節,情境真實而有意義,這種真實情境可以引導學生關心現實問題,解決生產、生活中的實際問題,有利于培養學生的科學精神和社會責任感,激發學生對化學學科的熱愛。這是工藝流程題體現出的學科社會價值。

通過題干給出的信息和設置的問題,學生可以認識到化學科學對人類進步和發展的貢獻,秉承可持續發展意識和綠色化學觀念,能對與化學有關的社會熱點問題作出正確的價值判斷,這是工藝流程題體現出的學科本質價值。

通過流程圖的分析和解讀,學生可以了解科學研究的過程,領悟科學家的思維方法以及嚴謹求實、不畏艱難、勇于探索和追求真理的科學精神;流程圖展示出了化學在新理論的創立、新材料的研制、新藥物的合成、新能源的開發等方面的巨大成果,激發學習興趣,這是工藝流程題體現出的學科育人價值。

三、工藝流程題命題過程

第一步:選取真實的情境素材

工藝流程題的背景素材來源于實際工業生產的關鍵環節,情境真實而有意義。這樣的素材選取原則啟示我們:源于生產、情境新穎是這類試題的一大特色。情境載體涉及面廣,以過渡金屬元素考查居多,且大都是學生較為陌生的內容。

第二步:設計題干繪制流程圖

流程圖的設計首先要捕捉素材中與高中知識、素養、能力密切相關的內容,然后將與考查內容相關的關鍵流程、方法和技術處理成清晰、簡潔的流程圖。但在設計流程時考慮到高中學生所學實際情況,對相關條件、步驟進行了適當的處理,保留了關鍵操作,給出了必要的物質信息。這樣簡化處理給我們的啟示是:題目雖新,但考查的知識大多是我們學過的內容。

第三步:設置基礎性為主的問題

命題時,根據高中學生的知識儲備、素養要求以及高考對化學學科關鍵能力的考查,所設計的問題大多是對主干知識的考查,避免出現偏難怪的設問,這就告訴我們要有自信心,高考大題是完全可以得大部分分數的。

第四步:增強設問的綜合性和應用性

該步驟緊扣學科素養和關鍵能力,整合情境素材和考查內容,通過建立新舊知識的聯系、綜合多個模塊內容,考查學生的綜合應用能力。個別題目應具備一定的難度和區分度以體現高考的選拔功能。對于這些題目,學生需經過慎重的思考推理才能解答,“跳一跳”才能摘到“桃子”,此外有些個別題目不會做實屬正常,不要過于糾結影響心情。

第五步:調整難度,設置分值

試題初步命制完之后,要整體統籌,做到難度合理,區分度明顯。試題難度調整可采取同類題目替換、信息提示、數據簡化等方法。

總之,工藝流程題的命制以真實、新穎的情境為素材,保證了命題的科學性。融合多種必備知識,在保證一定量的基礎性設問的前提下,設置學科內綜合的問題和關于新情境應用的問題,保證了設問的層次性。此外,在考查素養和能力的同時也向學生介紹了新知識,展示了實際問題的復雜性、綜合性,展現了化學學科的魅力,實現了圍繞化學工藝流程進行多角度、多層次、有梯度的考查。

四、工藝流程題解題策略——建模

(一)了解工藝流程題的結構模型

工藝流程題的結構主要分為題頭,題干和設問三部分,題頭主要是用準確簡單的文字介紹該工藝生產中使用的原料、所含的雜質、想要得到的目標產品等基本信息。題干部分用框圖形式將需要進行的操作、物質間的轉化、分離提純的過程等主要生產工藝流程表示出來。例如2020年全國Ⅰ卷,26題中的工藝流程圖就可以分為以下幾個環節:

圖1

(二)建立工藝流程題的解題思維模型

其中三條思維主線具體內容如下:

①元素轉化線(跟蹤每種元素走向)

根據元素轉化守恒思想,跟蹤每種元素走向及其轉化形式,目標元素肯定會走到最后,雜質元素在過程中一定要除去,不能放過每一種雜質元素。

②價態變化線(確定所加試劑作用)

根據分析元素的價態轉變來判斷所加試劑的目的,是提供酸堿介質還是調節pH,還是作氧化劑或還原劑。通過價態轉變來判斷反應類型,氧化還原還是非氧化還原,從而正確書寫陌生方程式。

③實驗操作線(確定除雜分離方法)

根據每一步操作目標物質的轉化過程,分析雜質是用什么試劑,用什么方法除去,目標產物又是通過什么實驗方法得到。

(三)構建工藝流程題的知識體系

工藝流程題通常設置的考點有以下幾個方面:(1)原料或廢料的預處理;(2)反應條件的控制與優化;(3)分離、提純等基本操作;(4)物質的轉化原理,化學方程式、離子方程式的書寫;(5)物質成分的定量、定性分析,包括濾渣、循環物質、母液等;(6)純度、含量、轉化率、產率等的計算。根據考點的設置,知識體系的構建如下:

(1)原料預處理階段要考慮以下幾個問題:

①為什么要進行預處理?預處理的目的是使礦物原料中的粒子進入溶液或高溫焙燒便于除雜。預處理過程可以發生物質轉化除去部分雜質。

②怎樣進行預處理?預處理的方式有研磨、粉碎、攪拌、水浸、酸浸、堿浸、鹽浸、醇浸、焙燒等。

③為什么要焙燒?高溫焙燒的目的是改變物質結構,使一些物質轉化為可溶的物質,使一些雜質(如有機物等)在高溫下氧化分解等。

④如何能提高浸出的效果?提高浸出率的方法一般有:增大反應物的接觸面積,適當增大溶劑濃度,適當升高溫度,多次攪拌,長時間浸取等。

(2)控制體系pH時要考慮以下幾點:

①調節pH的目的是:使某些金屬離子生成沉淀而除去;調節溶液的酸堿性;促進或抑制水解;創造核心反應需要的酸性或堿性條件。

②調節pH的方法:加入氧化物、碳酸鹽、硫酸或鹽酸等酸液、氫氧化鈉或氨水等堿液、難溶性氫氧化物、堿式碳酸鹽等。

③調節pH的原則:不引入新雜質離子,不能使所需離子或產物損失。

④調節pH時需注意范圍,pH過小會導致某些離子沉淀不完全,pH過大會導致目標產物損失。

(3)調控體系溫度時要考慮以下幾點:

①升高溫度的目的有:加快反應速率,加快溶浸速率,促進化學平衡向吸熱方向移動,去除遇熱不穩定的雜質(如NaHCO3、NH4Cl、H2O2等),促進低沸點的原料汽化或升華,促進鹽類水解,促進溶解度隨溫度升高而減小的物質析出等。

②降低溫度的目的有:減慢反應速率,促進化學平衡向放熱方向移動,防止產物因溫度過高而分解或者揮發,使某些物質通過降溫液化或固化,降低某些物質的溶解度從而結晶析出,減少能源成本、降低對設備的要求等。

③控制溫度在一定范圍內的目的有:既能保證一定的反應速率又能防止副反應的發生,保持催化劑的最好活性,通過蒸餾或分餾得到產品或去除雜質,趁熱過濾時防止產品提前析出等。控制溫度在一定范圍內的方法是采用水浴、油浴或砂浴。

(4)物質的分離提純主要考慮以下幾點:

①固體和液體的分離:固液不互溶的采用過濾法分離。固液互溶的采用結晶法,結晶法有蒸發結晶和冷卻結晶兩種方法,溶解度隨溫度變化較小,產品受熱不容易分解的采用蒸發結晶法,溶解度隨溫度變化較大,產品含有結晶水或受熱易分解的采用冷卻結晶法。

②液體和液體的分離:液液混溶的采用蒸餾法,液液不互溶的采用分液法。

③固體和固體的分離:若其中某種物質有易升華的性質,可采用升華法;若產物和雜質在某種溶劑中的溶解度有較大差異可以采用重結晶的方法分離提純,重結晶的一般步驟是:加熱溶解,趁熱過濾,冷卻結晶,過濾、洗滌、干燥。

④其他方法:萃取法——用一種溶劑將溶質從另一種溶劑中提取出來;鹽析——加無機鹽使溶質的溶解度降低而析出。

(四)構建工藝流程題的解題步驟

①明確目的,熟悉步驟:從題干信息中找到該化學工藝流程題要達到的目的。因為化工題中幾乎所有的設問都圍繞著如何實現該化學工藝目的。弄清楚化學工藝流程題要達到的目的,對后面問題的解決起著十分重要的作用,保證后面在回答問題時不答偏方向,即為解題奠定方向基礎。

②先審問題,再看流程:一般化工流程題的流程圖都較為復雜,但是問題一般只會涉及幾個關鍵的步驟,或者有些設問與流程圖根本沒關系。所以考生應該帶著問題去研讀相應流程圖中的某些步驟或圖像中回答問題必須要涉及的具體點。看清楚問題的具體指向,不要審錯問題,千萬別犯低級錯誤而導致丟分,這樣可以少走彎路、節省時間,考生可以在較短的時間內快速作答,提高解題的針對性和時效性。

③關注信息,學會遷移:從某種原料出發,要得到最終產品,必須除去什么元素、引進什么元素?關注雜質離子的去向及產品的生成,有時需要逆向推導。題干中的陌生信息一般是重要的暗示和突破口,所給的信息一定有用,但需要考生經過提煉、重組、分解和遷移,并結合設問分析、判斷,才能應用信息解決問題,正確作答。

④答案精準,答題規范:回答問題時盡可能使用準確精練的語言,使用準確的化學用語(化學反應方程式或離子反應方程式)規范作答。答題要抓住給分點,避免因漏掉正確答案而失分。

五、典型例題分析

【例1】(2022年廣東卷,18題)稀土(RE)包括鑭、釔等元素,是高科技發展的關鍵支撐。我國南方特有的稀土礦可用離子交換法處理,一種從該類礦(含鐵、鋁等元素)中提取稀土的工藝如圖2:

圖2

已知:月桂酸(C11H23COOH)熔點為44°C;月桂酸和(C11H23COO)3RE均難溶于水。該工藝條件下,稀土離子保持+3價不變;(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8,Al(OH)3開始溶解時的pH為8.8;有關金屬離子沉淀的相關pH如下。

離子Mg2+Fe3+Al3+RE3+開始沉淀時的pH8.81.53.66.2～7.4沉淀完全時的pH/3.24.7/

(1)“氧化調pH”中,化合價有變化的金屬離子是________。

(2)“過濾1”前,用NaOH溶液調pH至________的范圍內,該過程中Al3+發生反應的離子方程式為__________________________________________________。

(3)“過濾2”后,濾餅中檢測不到Mg元素,濾液2中Mg2+濃度為2.7 g/L。為盡可能多地提取RE3+,可提高月桂酸鈉的加入量,但應確保“過濾2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于________mol/L(保留兩位有效數字)。

(4)①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產率,其原因是__________________________________________________。

②“操作X”的過程為:先________,再固液分離。

(5)該工藝中,可再生循環利用的物質有________(寫化學式)。

(6)稀土元素釔(Y)可用于制備高活性的合金類催化劑Pt3Y。

①還原YCl3和PtCl4熔融鹽制備Pt3Y時,生成1 mol Pt3Y轉移________mol電子。

②Pt3Y/C用作氫氧燃料電池電極材料時,能在堿性溶液中高效催化O2的還原,發生的電極反應為__________________________________________________。

【解析】本題以稀土礦提取稀土的工藝流程為情境素材,考查學生綜合運用化學知識解決實際問題的能力,以及對流程圖、表格數據、題干信息的提取、分析和處理能力,在考查知識與技能的同時,滲透了綠色化學的理念。各小題的考點設計、知識點和難度分布如表1所示:

表1

【例2】(2022年遼寧卷,16題節選)某工廠采用輝鉍礦(主要成分為Bi2S3,含有FeS2、SiO2雜質)與軟錳礦(主要成分為MnO2)聯合焙燒法制備BiOCl和MnSO4,工藝流程如圖3:

已知:①焙燒時過量的MnO2分解為Mn2O3,FeS2轉變為Fe2O3;

②金屬活動性:Fe>(H)>Bi>Cu;

③相關金屬離子形成氫氧化物的pH范圍如下:

開始沉淀pH完全沉淀pHFe2+6.58.3Fe3+1.62.8Mn2+8.110.1

回答下列問題:

(1)為提高焙燒效率,可采取的措施為__________________________________________________。

a.進一步粉碎礦石

b.鼓入適當過量的空氣

c.降低焙燒溫度

(2)Bi2S3在空氣中單獨焙燒生成Bi2O3,反應的化學方程式為__________________________________________________。

(3)“酸浸”中過量濃鹽酸的作用為:①充分浸出Bi3+和Mn2+;②__________________________________________________。

(4)濾渣的主要成分為________(填化學式)。

(5)生成氣體A的離子方程式為________________。

(6)加入金屬Bi的目的是__________________________________________________。

【解析】本題以實際生產中用輝鉍礦和軟錳礦聯合焙燒法制備BiOCl和MnSO4為情境素材,考查學生綜合運用高中所學化學知識和題干中所給陌生信息解決實際問題的能力,涉及物質的轉化、分離、提純綜合應用。各小題的考點設計、知識點和難度分布如表2所示:

表2

續表