浅析高考化学无机工业流程题

安师大附中黄燕

高中化学课程改革的一个显著特点是,非常重视教材内容与工农业生产和日常生活的紧密联系。因此,反映化工生产技术的工业流程题,便成为新课改后的高中化学练习题的新增点和主流题型之一,所占的分数值大,且难度为中度偏上。下面重点谈谈无机工艺流程题的结构、分类并举例加以解析。

一、无机工业流程题的结构

工业流程题的题头一般简单介绍该工业生产的原材料和工业生产的目的(包括附产品),题干部分主要用框图形式表示从原料到产品的主要生产工业流程,题尾则是根据生产过程中涉及到的化学知识设计成系列问题,构成一道完整的化学试题。

二、无机工业流程题的特点

1.情境创设真实

通过创设真实情境,充分体现了新课程所倡导的“让学生用已有的知识解决真实情景中的化学问题”的理念;同时,利用工业副产品为原料,体现了绿色化学的理念。与纯粹的物质转变关系相比,无机化工题无疑更加具有化学味,更能体现新课程的要求。

2.框图信息新颖

从反应原料到目标产品用框图和箭头联系在一起,以化工生产为背景,减少了“题海战术”猜题的偶然性,使绝大多数考生站在同一起跑线上,增加了考试的公平性。框图中的物质都是已知的,而且连物质的状态都标明了,使学生少走弯路,很容易进入题目所创设的情境,能够较好地反映出学生所具有的化学科学素养。

3.问题设计广泛

紧扣工业生产实际,所设计的问题几乎可遍布化学模块的各个领域,主要涉及常见的无机物及其应用、化学基本理论、化学实验、物质结构和流程设计评价等,设问上有选择、填空、简答,极具挑战性和创新性,提升了对学生的能力要求。

三、无机工业流程题的分类

从主要化工工艺来分可以分为基础化工工艺题和精细化工工艺题;以生产过程中主要工序可分为除杂提纯工艺流程题(如海水纯化工艺流程题)、原材料化学转化工艺流程题、电解工艺流程题、有机合成题和资源能源综合利用工艺生产流程题等;按资源的不同,可将工艺流程题分为利用空气资源生产的工艺流程题(如合成氨工艺流程题)、利用水资源生产的工艺流程题(如海水制盐、氯碱工业、海水提溴碘、海水提镁等)、利用矿产资源生产的工艺流程题(工业制硫酸、冶铁炼钢等)、利用化石燃料生产的工艺流程题(如有机合成工艺题)等。

四、无机工业流程题的解题策略

1.快速浏览，明确实验目的，拿到基本分值

首先要仔细审读提炼出有效信息，分清每一个环节(包括反应和操作)的目的和结果，这样才能判断出最终所要达到的目的。

（1）关注箭头号

图1箭头表示的是反应物同时加入,图2表示反应物分步加入,图3表示循环反应。

注意框内所指

弄清每个方框内的物质成分或操作名称，向方框内加入某种试剂后在一定操作指引下在隐含的仪器或设备中，会发生哪些反应?生成物是什么?

（3）提练信息

从题中所给陌生的文字材料中提炼出物质的性质、用途等信息。有些信息可能在问题中根本没涉及，有些信息则可借以结合问题帮助理解或者直接答题。对不懂的信息或问题要大胆跳过。

2.对点思维，领会要点

工业生产流程的设计和实验室方案设计原理相似，只是对经济性、环保性等许多细节方面有着更高的要求，解题时应在实验原理的基础上结合实际因素，充分读懂工业生产流程每一步的意义。

（1）读懂化工生产流程主线的含义

原料一核心化学反应一所需产品，必须要掌握物质间的反应、产物分离提纯、除杂试剂的选择以及反应条件的控制等。了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息，并在下一步分析和解题中随时进行联系和调用：解析流程图并思考：从原料到产品依次进行了什么反应?利用了什么原理(氧化还原?溶解度?溶液中的平衡?)。每一步操作进行到什么程度最佳?每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物?这些物质又是怎样分离、提纯和循环利用的?如何体现“绿色化学”的思想。

（2）注重与实际相联系

工业生产中流程比较复杂，一般的选择原则是：工艺简单、生产效率高、污染小、能耗低。有的同学不太明确这些。导致回答不完整甚至完全错误。因此在备考复习时，要注意联系生产实际中的各类反应原理，多选择与生活生产实际相联系(如海水中提溴、海带中提碘、金属的冶炼、物质成分的测定等)涉及面广的习题，以提升学生分析问题、解决问题的能力。培养他们灵活应用知识的能力

3.规范答题

在答题过程中应当严格按照题目要求规范答题，落笔之前，应看清要求，书写注意规范严谨：

①填“化学方程式”还是“离子方程式”

②填“名称”、“符号”还是“代号”、“序号”等

③填“大于”还是“>”；“增大”还是“变大”等

④填“化学式”、“分子式”、“结构式”、“结构简式”、“最简式”还是“电子式”等

⑤书写化学方程式时要注意配平、注明反应条件以及“→”、“＝”、“→”、“↑”、“↓”等

⑥书写热化学方程式时要注意：

(1)物质状态

(2) “+”“-”号

(3) “kJ/mol”

(4)系数与热量值的对应

⑦所填数值的单位、所填计算式中的数值的单位

⑧一些容易写错的化学名词或术语中的字：“羟、羧、醛、羰”、“脂”和“酯”、“氨”和“铵”、“溶”和“熔”、“溢”和“逸”、“汽化、水浴、萃取、坩埚、蒸发、分馏、过滤、戊、苯、蓝、褪、褐”等。

4.必备知识

（1）熟练掌握元素化合物的性质

首先抓住物质类别的通性和具体物质的特性，其次分析物质所含元素化合价的可变性(即物质的氧化性和还原性)，判断哪些物质之间能发生反应，生成物是什么。

（2）控制反应条件的方法

蒸发、反应时的气体氛围；控制溶液的酸碱度使某些金属离子形成氢氧化物沉淀(大部分利用水解原理)。如Fe3+、Al、Mg2+的混合物分离，通常采用调节溶液的pH除去杂质达到提纯目的。在这过程中要选择合适的试剂，不要引入新杂质。

（3）明确结晶的几种方法

工业生产中，往往是从多种溶质或一种溶质的溶液中提取目标固体产物。需要用到结晶工艺。当溶液是单一溶质时：最后所得晶体不带结晶水(如NaCl、KN0₃)；蒸发浓缩(至有晶膜出现)、冷却结晶、过滤，最后所得晶体带结晶水(女HCuS0₄·5H₂0、摩尔盐)。当溶液中有两种或以上溶质时，经浓缩蒸发。其中溶解度最小、受温度影响最大的溶质，被趁热过滤成滤渣。而滤液中溶解度最小的溶质是饱和溶液。然后冷却结晶，过滤，得另一溶质(溶解度最大、受温度影响最大的溶质)。

（4）熟悉化工生产中的一些基本实验操作

浸出：固体加入水或酸溶解得到离子。

浸出率：加酸使矿石溶解后。离子在溶液中的含量多少。

酸浸：是指在酸溶液中反应使可溶金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去

水浸：与水接触反应或溶解，也可能离子发生了水解反应。

水洗：通常是为了除去水溶性的杂质。

酸洗：通常指清洁金属表面的一种方法。是电镀、搪瓷、轧制等工艺的前处理或中间处理步骤。即将制件浸入硫酸等酸的水溶液，以除去金属表面的氧化物等薄膜。

热滤：化学实验固液分离的一种操作。与“趁热过滤”有一定的区别。趁热过滤指将温度较高的固液混合物直接使用常规过滤操作进行过滤；热过滤指使用区别于常规过滤的仪器、保持固液混合物温度在一定范围内的过滤过程。

抽滤：利用抽气泵使抽滤瓶中的压强降低,达到固液分离的目的

5.（5）了解化工生产中渗透绿色化学的观点

①节省资源，提高原料转化率。例如。在合成氨工业、硝酸工业、接触法制硫酸、联合制碱法等工艺流程中采取的循环操作，体现了绿色化学中资源最大利用率的基本原理。

②介绍尾气回收方法和处理装置以防止或减少环境污染。例如，氨氧化法制硝酸、接触法制硫酸、炼钢、炼铁等均介绍了尾气处理或吸收的装置。

③设计新的化学反应途径及条件，降低对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。例如教材中介绍了元氰电镀，使用非汞催化剂等由乙炔制乙醛。 （6）熟悉化工生产中的一些常用工艺流程

高中教材中涉及到的化学工业：①候氏制碱法；②氯碱工业；③硅酸盐工业；④工业制硫酸；⑤合成氨工业；⑥工业制硝酸；⑦金属Na、Mg、Al、Fe、cu等的冶炼；⑧海水中提取物质；

五、无机工业流程题的解题方法

1.首尾分析法

对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题,首先对比分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品),从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答。

例1 (广州2008年高考一模23题)聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂,其单体是液态的碱式氯化铝[Al₂(OH)nCl₆-n]。该实验采用铝盐溶液水解絮凝法制碱式氯化铝。其制备原料为分布广、价格廉的高岭土,化学组成为:Al₂O₃(25 %～34 %)、SiO₂(40 %～50 %)、Fe₂O₃(0.5 %～3.0 %)以及少量杂质和水分。已知氧化铝有多种结构,化学性质也有差异,且一定条件下可相互转化;高岭土中的氧化铝难溶于酸。制备碱式氯化铝的实验流程如下:

根据流程图回答下列问题:

(1)“燃烧”的目的是________________。

(2)配制质量分数15 %的盐酸需要200mL30 %的浓盐酸(密度约为1.15 g/cm3)和____g蒸馏水,配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、______。

(3)“溶解”过程中发生反应的离子方程式为_____________。

(4)加少量铝粉的主要作用是_________。

(5)“调节溶液pH在4.2～4.5”的过程中,除添加必要时试剂,还需借助的实验用品是_________;“蒸发浓缩”需保持温度在90～100 ℃,控制温度的实验方法是______。

解析:对比原料与产品可知,该生产的主要工序:一是除去原料高岭土中的杂质,二是将Al₂O₃难溶于酸,必须经过煅烧以改变其结构。该题经这样分析,题设的所有问题的答案便在分析之中。

[点评]首尾分析法是一种解读工艺流程题的常见方法,该法特点:简单、直观,容易抓住解题的关键,用起来方便有效。使用这一方法解题,关键在于认真对比分析原材料与产品的组成,从中产生将原料转化为产品和除去原材料中所含杂质的基本原理和所用工艺的生产措施。当把生产的主线弄清楚了,围绕这条主线所设计的系列问题,也就可解答了。

2.截段分析法

对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工业流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点。

例2 (广东2007年高考第21题)以氯化钠和硫酸铵为原料制备氯化铵及副产品硫酸钠,工艺流程如下:

氯化铵和硫酸钠的溶解度随温度变化如图1所示。回答下列问题:

(1)欲制备10.7 gNH₄Cl,理论上需NaCl____g。

(2)实验室进行蒸发浓缩用到的主要仪器有_____、烧杯、玻璃棒、酒精灯等。

(3)“冷却结晶”过程中,析出NH₄Cl晶体的合适温度为_____。

(4)不用其他试剂,检查NH₄Cl产品是否纯净的方法及操作是_______。

(5)若NH₄Cl产品中含有硫酸钠杂质,进一步提纯产品的方法是_____________。

解析:该生产流程的特点:用同样原材料既生产主要产品氯化铵,同时又要生产副产品硫酸钠。因此,为了弄清整个生产流程工艺,只能分段分析,即先分析流程线路中如何将原料转化为硫酸钠的,然后再分析如何从生产硫酸钠的母液中生产氯化铵。如此,将题供的流程路线截成两段分析,这样,便可以降低解题的难度。

结合溶解度曲线和流程示意图分析,生产硫酸钠用的是热结晶法,而生产氯化铵必须用冷结晶法,因为温度降到35 ℃以下,结晶得到的产品为Na₂SO₄·10H₂O

[简评]用截断分析法解工业流程题是一种主流解题方法。因为当前化工生产,为了降低成本,减少污染,增加效益,都设计成综合利用原材料,生产多种产品的工艺生产线。用截断分析法解工业流程题关键在于看清主副产品是如何分开的,以此确定如何截段,截几段更合理。一般截段以生产的产品为准点。但也不一定,必须对情况作具体分析。学生必须好好总结一下物质的分离、提纯的各种方法及其所依托的化学原理。

3.交叉分析法

有些化工生产选用多组原材料,率先合成一种或几种中间产品,再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品。为了便于分析以这种生产方式设计的工业流程题,掌握生产流程的原理,最简单的方法,就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理画分成几条生产流水线,然后上下交叉分析。

例3某一化工厂的生产流程如下(图2)

(1)L、M的名称分别是______、________。

(2)G→H过程中为什么通入过量空气:____。

(3)用电子式表示J:___________________。

(4)写出饱和食盐水、E、F生成J和K(此条件下K为沉淀)的化学方程式:__________,要实现该反应,你认为应该如何操作:______________。

解析:根据流程示意图,若用空气、焦炭和水为原材料,最终生产L和J、M产品,首先,必须生产中间产物E。这样,主要生产流水线至少有两条(液态空气—E—L;焦炭—E—F—JM)。为了弄清该化工生产的工艺,须将这两条生产流水线,进行交叉综合分析,最终解答题设的有关问题。

[简评]从本题构成交叉分析的题形,从提供的工业流程看至少有三个因素(多组原材料;有中间产品;多种产品)和两条或多条生产流水线的生产工艺。利用交叉分析法解工业流程题的关键,在于找准中间产品(因为有时会出现多种中间产品)和生产流程中的几条分线,在分析过程中,需抓住中间物质的关联作用,结合已学化学物质的制取方法逐一破解。

4.“瞻前顾后”分析法

有些化工生产,为了充分利用原料,变废为宝,设计的生产流水线除了主要考虑将原料转化为产品外,还要考虑将生产过程的副产品转化为原料的循环生产工艺。解答这类题型,可用“瞻前顾后”分析法。瞻前顾后,指分析流程时,不仅要考虑原料转化的产品(瞻前),同时也要考虑原料的充分利用和再生产问题(顾后)。

例4 (上海2001年高考第21题)利用天然气合成氨的工艺流程示意如下:

依据上述流程,完成下列填空:

(1)天然气脱流时的化学方程式是________。

(2)n mol CH₄经一次转化后产生CO 0.9 n mol,产生H₂_______mol(用含n的代数式表示)。

(3)K₂CO₃(aq)和CO₂反应在加压下进行,加压的理论依据是_______

A.相似相容原理B.勒沙特列原理

C.酸碱中和原理

(4)分析流程示意图回答,该合成氨工艺主要原料是_____辅助原料有______。

(5)请写出由CH₄为基本原料经四次转化得到N₂、H₂的方程式_____________。

(6)整个流程有三处循环,一是Fe(OH)₃循环,二是K₂CO₃(aq)循环,请在上述流程图上标出第三处循环(循环方向和循环物质)。

解析:本题对原高考题稍作了改编。该生产工艺属于循环生产工艺,因此分析工艺流程示意图时,分析的主线是弄清基本原料CH₄转化为合成氨的原料气N₂和H₂的生产工艺原理。但还要回头分析循环生产的理由和工艺。通过这样的考虑,试题的问题也就可以解答了。

[点评]用“瞻前顾后”分析循环工艺生产流程题,关键是找到循环生产点,即在什么情况下,什么生产阶段实施循环生产。判断循环生产点的方法:一是看反应是否为可逆反应,如果是可逆反应,要考虑原料的循环利用。如本题合成氨反应是可逆反应,分离氨后的中尾气中还含有大量原料气N2和H2,千万不能随便放掉,必须送入合成塔,实施循环生产。二是看副产品的分子组成与某种原料的组成中有无相同的元素,如果有,而且该副产品又容易转化为这种原料,就可以考虑循环生产工艺。

六、无机工业流程题的教学策略

1.工业流程题考查的知识点虽然范围广,难度要求高,但在命题时是严格依据“大纲”、“说明”来进行的,因此深刻理解《考试大纲》的能力要求,准确把握《教学大纲》、《考试说明》的知识范围,才能做到化学知识的掌握不超、不漏,即内容超出的、难度超出的除参加竞赛的学生外,教师不要花时间和精力去讲授,“大纲”、“说明”要求的部分在教学时要全部到位,不能遗漏,这是学生解答工业流程题的前提。

2.化学课程标准要求:重视探究学习活动,发展学生的科学探究能力。工业流程题的最大特点是其真实的工业生产情景,在此情境下展示工业流程并设置问题,这正是新课程改革所要求的探究式学习的特点,从新课程教材的知识编排上可以看出元素化合物内容基本是以物质的工业制备为主线,串联起物质的应用、性质、实验操作等内容,便于教师设计探究式的教学方案。因此,教师要深刻领会新课程教材的编写意图,设计适合学生探究的教学过程,渗透工业流程思想和观念,让学生在平时的学习中逐渐适应该题型,增强面对该题型的自信心。

3.工业流程题的主线是具体的工业流程本身,理解工业流程的过程和命题人的意图,是解答该题型的关键,因此在教学讲解该题型时,应该把讲解整个工业流程的过程和目的作为重点,而不是拘泥于每一个小问题的答案,让学生养成做该题的一种大局观,把握住题目的主线,对整个题的思考就完整、系统、方向正确,题目中具体的问题就很容易解答了。

4.工业流程题的背景是真实的工业生产过程,该题型的背景材料不多,教师在教学中要注意在具体的题目训练上,把相同的背景材料,通过认真的修改、变化,达到全方位、多层次、多角度的训练,实现一个背景材料的充分利用。

5.在学生自主训练时,强化快速准确理解考题的能力、快速分析推理的能力、获取和加工信息的能力、准确规范的表述能力。

参考文献

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