高中化學工藝流程題的結(jié)構(gòu)、特點與解法技巧

高中化學工藝流程題的結(jié)構(gòu)、特點與解法技巧

高中化學課程改革的一個顯著特點是，教材內(nèi)容與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活密切相關(guān)。因此,反映化工生產(chǎn)技術(shù)的工藝流程題,便成為新課改后的高中化學練習題的新增點和主流題型之一,不少省區(qū),還將化學工藝流程題,作為一年一度的化學高考試題。為此,本文建議化學教學要充分利用生產(chǎn)、生活中的鮮活實例,激發(fā)學生學習化學的興趣,“活化”學生的知識。本文將重點談化學工藝流程題的結(jié)構(gòu)、特點與解法技巧。1課程內(nèi)容介紹化學工藝流程題,顧名思議,就是將化工生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)階段用框圖流程形式表示出來,并根據(jù)生產(chǎn)流程中有關(guān)的化學知識步步設問,形成與化工生產(chǎn)緊密聯(lián)系的化工工藝試題。工藝流程題的結(jié)構(gòu)分題頭、題干和題尾三部分。題頭一般簡單介紹該工藝生產(chǎn)的原材料和工藝生產(chǎn)的目的(包括附產(chǎn)品);題干部分主要用框圖形式表示從原料到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝流程;題尾則是根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及到的化學知識設計成系列問題,構(gòu)成一道完整的化學試題。其特點與作用有三:一是試題源于生產(chǎn)實際,以解決化學實際問題作思路進行設問,使問題情境真實,以培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際,學以致用的學習觀;二是試題內(nèi)容豐富,涉及多方面的化學基礎,能考查學生化學雙基知識的掌握情況和應用雙基解決化工生產(chǎn)中有關(guān)問題的遷移推理能力;三是試題新穎,一般較長,閱讀量大,能考查學生的閱讀能力和資料的收集處理能力。2從不同的合成工藝題就目前已有試題來看,從化工工藝來分可分為基礎化工和精細化工題;以生產(chǎn)過程中主要工序可分為除雜提純工藝流程題(如海水純化工藝流程題)、原材料轉(zhuǎn)化流程題、電解流程題、有機合成題和資源能源綜合利用生產(chǎn)流程題等;按資源的不同,可將工藝流程分為利用空氣資源(如合成氨工藝流程)、利用水資源生產(chǎn)的(如海水制鹽、氯堿工業(yè)、海水提溴碘、海水提鎂等)、利用礦產(chǎn)資源生產(chǎn)的(工業(yè)制硫酸、交通法規(guī)鐵煉鋼等)、利用化石燃料生產(chǎn)的工藝流程題(如有機合成工藝題等。本文偏重于以原料轉(zhuǎn)化為依據(jù)的分類方法,這樣,更方便于學生聯(lián)系已學化學知識并進行歸類、分析,有利于掌握解題技巧。3生產(chǎn)工藝的要求化學工藝生產(chǎn)主要解決的矛盾,歸納起來主要有六個方面:一是解決將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的生產(chǎn)原理;二是除去所有雜質(zhì)并分離提純產(chǎn)品;三是提高產(chǎn)量與產(chǎn)率;四是減少污染,實施“綠色化學”生產(chǎn);五是原料的來源既要豐富,還要考慮成本問題;六是生產(chǎn)設備簡單,生產(chǎn)工藝簡便可行等工藝生產(chǎn)問題?；ち鞒填},一般也就圍繞這六個方面設問求解。為要準確、順利解題,學生除了必須掌握物質(zhì)的性質(zhì)和物質(zhì)之間相互作用的基本知識以及除雜分離提純物質(zhì)的基本技能外,最關(guān)鍵的問題要具備分析工藝生產(chǎn)流程的方法和能力。為此,特提出下列四種解題基本方法供參考。3.1實驗過程與方法對一些線型流程工藝(從原料到產(chǎn)品為一條龍的生產(chǎn)工序)試題,首先對比分析流程圖(見圖1中第一種物質(zhì)(原材料)與最后一種物質(zhì)(產(chǎn)品),從對比分析中找出原料與產(chǎn)品之間的關(guān)系,弄清生產(chǎn)過程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本原理和除雜、分離、提純產(chǎn)品的化工工藝,然后再結(jié)合題設的問題,逐一推敲解答。例1(廣州2008年高考一模23題)聚合氯化鋁是一種新型、高效絮凝劑和凈水劑,其單體是液態(tài)的堿式氯化鋁[Al2(OH)nCl6-n]。該實驗采用鋁鹽溶液水解絮凝法制堿式氯化鋁。其制備原料為分布廣、價格廉的高嶺土,化學組成為:Al2O3(25%~34%)、SiO2(40%~50%)、Fe2O3(0.5%~3.0%)以及少量雜質(zhì)和水分。已知氧化鋁有多種結(jié)構(gòu),化學性質(zhì)也有差異,且一定條件下可相互轉(zhuǎn)化;高嶺土中的氧化鋁難溶于酸。制備堿式氯化鋁的實驗流程如下:根據(jù)流程圖回答下列問題:(1)“燃燒”的目的是________________。(2)配制質(zhì)量分數(shù)15%的鹽酸需要200mL30%的濃鹽酸(密度約為1.15g/cm3)和____g蒸餾水,配制用到的儀器有燒杯、玻璃棒、______。(3)“溶解”過程中發(fā)生反應的離子方程式為_____________。(4)加少量鋁粉的主要作用是_________。(5)“調(diào)節(jié)溶液pH在4.2~4.5”的過程中,除添加必要時試劑,還需借助的實驗用品是_________;“蒸發(fā)濃縮”需保持溫度在90~100℃,控制溫度的實驗方法是______。解析:對比原料與產(chǎn)品可知,該生產(chǎn)的主要工序:一是除去原料高嶺土中的雜質(zhì),二是將Al2O3難溶于酸,必須經(jīng)過煅燒以改變其結(jié)構(gòu)。該題經(jīng)這樣分析,題設的所有問題的答案便在分析之中。參考答案:(1)改變高嶺土的結(jié)構(gòu),使其能溶于酸。(2)230;量筒。(4)除去溶液中的鐵離子;(5)pH計(或精密pH試紙);水浴加熱[點評]首尾分析法是一種解讀工藝流程題的常見方法,該法特點:簡單、直觀,容易抓住解題的關(guān)鍵,用起來方便有效。使用這一方法解題,關(guān)鍵在于認真對比分析原材料與產(chǎn)品的組成,從中產(chǎn)生將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和除去原材料中所含雜質(zhì)的基本原理和所用工藝的生產(chǎn)措施。當把生產(chǎn)的主線弄清楚了,圍繞這條主線所設計的系列問題,也就可解答了。3.2硫酸銨結(jié)晶結(jié)晶對于用同樣的原材料生產(chǎn)多種(兩種或兩種以上)產(chǎn)品(包括副產(chǎn)品)的工藝流程題,用截段分析法更容易找到解題的切入點。例2(廣東2007年高考第21題)以氯化鈉和硫酸銨為原料制備氯化銨及副產(chǎn)品硫酸鈉,工藝流程如下:氯化銨和硫酸鈉的溶解度隨溫度變化如圖1所示?；卮鹣铝袉栴}:(1)欲制備10.7gNH4Cl,理論上需NaCl____g。(2)實驗室進行蒸發(fā)濃縮用到的主要儀器有_____、燒杯、玻璃棒、酒精燈等。(3)“冷卻結(jié)晶”過程中,析出NH4Cl晶體的合適溫度為_____。(4)不用其他試劑,檢查NH4Cl產(chǎn)品是否純凈的方法及操作是_______。(5)若NH4Cl產(chǎn)品中含有硫酸鈉雜質(zhì),進一步提純產(chǎn)品的方法是_____________。解析:該生產(chǎn)流程的特點:用同樣原材料既生產(chǎn)主要產(chǎn)品氯化銨,同時又要生產(chǎn)副產(chǎn)品硫酸鈉。因此,為了弄清整個生產(chǎn)流程工藝,只能分段分析,即先分析流程線路中如何將原料轉(zhuǎn)化為硫酸鈉的,然后再分析如何從生產(chǎn)硫酸鈉的母液中生產(chǎn)氯化銨。如此,將題供的流程路線截成兩段分析,這樣,便可以降低解題的難度。結(jié)合溶解度曲線和流程示意圖分析,生產(chǎn)硫酸鈉用的是熱結(jié)晶法,而生產(chǎn)氯化銨必須用冷結(jié)晶法,因為溫度降到35℃以下,結(jié)晶得到的產(chǎn)品為Na2SO4·10H2O。參考答案:(1)11.7g;(2)蒸發(fā)皿;(3)35℃(或33℃~40℃之間);(4)加熱法。取少量氯化銨產(chǎn)品于試管底部,加熱,若試管底部無殘留物,表明氯化銨產(chǎn)品純凈。(5)重結(jié)晶。[簡評]用截斷分析法解工藝流程題是一種主流解題方法。因為當前化工生產(chǎn),為了降低成本,減少污染,增加效益,都設計成綜合利用原材料,生產(chǎn)多種產(chǎn)品的工藝生產(chǎn)線。用截斷分析法解工藝流程題關(guān)鍵在于看清主副產(chǎn)品是如何分開的,以此確定如何截段,截幾段更合理。一般截段以生產(chǎn)的產(chǎn)品為準點。但也不一定,必須對情況作具體分析。學生必須好好總結(jié)一下物質(zhì)的分離、提純的各種方法及其所依托的化學原理。3.3有些化工生產(chǎn)選用多組原材料,率先合成一種或幾種中間產(chǎn)品,再用這一中間產(chǎn)品與部分其他原材料生產(chǎn)所需的主流產(chǎn)品。為了便于分析以這種生產(chǎn)方式設計的工藝流程題,掌握生產(chǎn)流程的原理,最簡單的方法,就是將提供的工藝流程示意圖結(jié)合常見化合物的制取原理畫分成幾條生產(chǎn)流水線,然后上下交叉分析。例3.某一化工廠的生產(chǎn)流程如下(圖2)(1)L、M的名稱分別是______、________。(2)G→H過程中為什么通入過量空氣:____。(3)用電子式表示J:___________________。(4)寫出飽和食鹽水、E、F生成J和K(此條件下K為沉淀)的化學方程式:__________,要實現(xiàn)該反應,你認為應該如何操作:______________。解析:根據(jù)流程示意圖,若用空氣、焦炭和水為原材料,最終生產(chǎn)L和J、M產(chǎn)品,首先,必須生產(chǎn)中間產(chǎn)物E。這樣,主要生產(chǎn)流水線至少有兩條(液態(tài)空氣—E—L;焦炭—E—F—JM)。為了弄清該化工生產(chǎn)的工藝,須將這兩條生產(chǎn)流水線,進行交叉綜合分析,最終解答題設的有關(guān)問題。參考答案:(1)硝酸銨;碳酸鈉;(2)提高NO的轉(zhuǎn)化率向飽和的食鹽水中先通入足量的NH3,再通入足的CO2。[簡評]從本題構(gòu)成交叉分析的題形,從提供的工藝流程看至少有三個因素(多組原材料;有中間產(chǎn)品;多種產(chǎn)品)和兩條或多條生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)工藝。利用交叉分析法解工藝流程題的關(guān)鍵,在于找準中間產(chǎn)品(因為有時會出現(xiàn)多種中間產(chǎn)品)和生產(chǎn)流程中的幾條分線,在分析過程中,需抓住中間物質(zhì)的關(guān)聯(lián)作用,結(jié)合已學化學物質(zhì)的制取方法逐一破解。3.4循環(huán)生產(chǎn)點的確定有些化工生產(chǎn),為了充分利用原料,變廢為寶,設計的生產(chǎn)流水線除了主要考慮將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品外,還要考慮將生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為原料的循環(huán)生產(chǎn)工藝。解答這類題型,可用“瞻前顧后”分析法。瞻前顧后,指分析流程時,不僅要考慮原料轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品(瞻前),同時也要考慮原料的充分利用和再生產(chǎn)問題(顧后)。例4.(上海2001年高考第21題)利用天然氣合成氨的工藝流程示意如下:依據(jù)上述流程,完成下列填空:(1)天然氣脫流時的化學方程式是________。(2)nmolCH4經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生CO0.9nmol,產(chǎn)生H2_______mol(用含n的代數(shù)式表示)。(3)K2CO3(aq)和CO2反應在加壓下進行,加壓的理論依據(jù)是_______A.相似相容原理C.酸堿中和原理(4)分析流程示意圖回答,該合成氨工藝主要原料是_____輔助原料有______。(5)請寫出由CH4為基本原料經(jīng)四次轉(zhuǎn)化得到N2、H2的方程式_____________。(6)整個流程有三處循環(huán),一是Fe(OH)3循環(huán),二是K2CO3(aq)循環(huán),請在上述流程圖上標出第三處循環(huán)(循環(huán)方向和循環(huán)物質(zhì))。解析:本題對原高考題稍作了改編。該生產(chǎn)工藝屬于循環(huán)生產(chǎn)工藝,因此分析工藝流程示意圖時,分析的主線是弄清基本原料CH4轉(zhuǎn)化為合成氨的原料氣N2和H2的生產(chǎn)工藝原理。但還要回頭分析循環(huán)生產(chǎn)的理由和工藝。通過這樣的考慮,試題的問題也就可以解答了。參考答案:(1)3H2S+2Fe(OH)3=Fe2S3+6H2O;(2)2.7n;(3)B;(4)CH4、H2O、空氣;K2CO3;Fe(OH)3;(5)CH4+H2O=CO+3H2;2CH4+3O2=2CO+4H2OCO2+H2O+K2CO3=2KHCO3[點評]用“瞻前顧后”分析循環(huán)工藝生產(chǎn)流程題,關(guān)鍵是找到循環(huán)生產(chǎn)點,即在什么情況下,什么生產(chǎn)階段實施循環(huán)生產(chǎn)。判斷循環(huán)生產(chǎn)點的方法:一是看反應是否為可逆反應,如果是可逆反應,要考慮原料的循環(huán)利用。如本題合成氨反應是可逆反應,分離氨后的中尾氣中還含有大量原料氣N2和H2,千萬不能隨便放掉,必須送入合成塔,實施循環(huán)生產(chǎn)。二是看副產(chǎn)品的分子組成與某種原料的組成中有無相同的元素,如果有,而且該副產(chǎn)品又容易轉(zhuǎn)化為這種原料,就可以考慮循環(huán)生產(chǎn)工藝。解化學工藝流程題