從剖析工藝流程圖看工藝流程題解題策略

一、提出問(wèn)題真實(shí)的化學(xué)工藝流程圖是比較復(fù)雜且專(zhuān)業(yè)的體系，例如圖1是工業(yè)生產(chǎn)聚乙烯的設(shè)備與管道圖，可見(jiàn)其專(zhuān)業(yè)性非常強(qiáng)，對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)，此種化學(xué)工藝“語(yǔ)言”無(wú)論在知識(shí)層面還是理解層面接受度都比較低?；瘜W(xué)工藝是化學(xué)學(xué)科的重要組成部分，也是承載化學(xué)知識(shí)的重要載體，因此在高考題中設(shè)置了以“工藝流程”為背景的考題是非常有必要的，“工藝流程圖”是化學(xué)工藝流程的“簡(jiǎn)約版”，能夠真實(shí)地反映出化學(xué)工藝過(guò)程，包括化學(xué)反應(yīng)和物理分離等過(guò)程。設(shè)置工藝流程題的目的是通過(guò)給出化學(xué)工藝的運(yùn)行過(guò)程并設(shè)置疑問(wèn)，考查考生對(duì)流程的了解和理解程度。工藝流程圖的起始都是混合物，經(jīng)過(guò)多步提純得到較為純凈的物質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)混合物成份越多則提純工藝越復(fù)雜。用工藝流程的考查也是讓學(xué)生體會(huì)到我們生活中所用到的純凈物是如何一步一步得來(lái)的，過(guò)程艱辛也非常具有科學(xué)性，在提醒大家善于使用好身邊的物品，注意節(jié)約，使物有所值。解題思路則是遵循工藝流程題的設(shè)題原則和要求，礦物或廢渣等經(jīng)過(guò)一步步提純，最終能夠得到社會(huì)所需要的純凈物。工藝流程圖本質(zhì)上就是物質(zhì)轉(zhuǎn)化和物質(zhì)提純，物質(zhì)轉(zhuǎn)化靠的是化學(xué)反應(yīng)，用化學(xué)反應(yīng)方程式就可以表示出化學(xué)變化所包含的內(nèi)涵；物質(zhì)提純是物理變化，例如在溶液中發(fā)生反應(yīng)后再通過(guò)過(guò)濾就將濾渣和濾液分離開(kāi)來(lái)。工序繁瑣往往會(huì)使得學(xué)生顧此失彼，所以學(xué)生在解讀工藝流程圖需要能理解工藝流程的內(nèi)涵，能夠?qū)?fù)雜的化學(xué)語(yǔ)言“肢解”，學(xué)生要具備“化繁為簡(jiǎn)”的能力。在課堂教學(xué)實(shí)踐中筆者要求學(xué)生將流程圖中每個(gè)有化學(xué)反應(yīng)的環(huán)節(jié)框出來(lái)，框內(nèi)的內(nèi)容可能有陌生方程式的書(shū)寫(xiě)、計(jì)算和曲線的理解等，這些內(nèi)容在一起就構(gòu)成一個(gè)“小集團(tuán)”，當(dāng)學(xué)生理解“小集團(tuán)”時(shí)難度就會(huì)降低很多。以圖2為例，它是以鋰離子電池正極材料回收作為設(shè)題背景，將廢舊鈷酸鋰電池經(jīng)過(guò)放電、拆解等操作后獲得正極材料（主要成分LiCoO2、鋁箔和炭黑等），可采用濕法冶金回收正極材料中的金屬。堿浸、酸浸是在一定酸堿性條件下反應(yīng)，沉鈷、沉鋰是從濾液中獲取金屬元素，以難溶物的形式提取。課堂調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于圖2過(guò)程還是存在不少問(wèn)題的，其中錯(cuò)誤比較多的包括：學(xué)生難以讀懂題設(shè)信息的內(nèi)容，對(duì)于隱含的信息抓取的不熟練；LiCoO2是電極材料，但部分學(xué)生難以領(lǐng)悟出LiCoO2在書(shū)寫(xiě)離子方程式時(shí)不能拆開(kāi)；還有學(xué)生誤認(rèn)為H2O2是氧化劑，導(dǎo)致無(wú)法判斷出哪個(gè)元素升價(jià)；而有的學(xué)生形成了慣性思維，認(rèn)為H2O2一定是氧化劑；誤認(rèn)為氧氣是生成物，且沒(méi)有想到CO2-3加熱后生成CO2和H2O，不但沒(méi)有考慮“電子得失守恒”，也沒(méi)有考慮到“質(zhì)量守恒”。從上述學(xué)生的錯(cuò)誤中，我們可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于試題的理解整體性不是很強(qiáng)，對(duì)流程的認(rèn)識(shí)還不夠深入，所以將整個(gè)流程圖分解后再分析是一種較為穩(wěn)妥的方式。二、案例分析【典例】鉻釩渣中鉻和釩以低價(jià)態(tài)含氧酸鹽形式存在，主要雜質(zhì)為鐵、鋁、硅、磷等的化合物，從鉻釩渣中分離提取鉻和釩的一種流程如下圖3所示。回答下列問(wèn)題：已知：最高價(jià)鉻酸根在酸性介質(zhì)中以Cr2O2-7存在，在堿性介質(zhì)中以CrO2-4存在。（1）煅燒過(guò)程中，釩和鉻被氧化為相應(yīng)的最高價(jià)含氧酸鹽，其中含鉻化合物主要為_(kāi)________（填化學(xué)式）。（2）水浸渣中主要有SiO2和_________。（3）“沉淀”步驟調(diào)pH到弱堿性，主要除去的雜質(zhì)是_________。（4）“除硅磷”步驟中，使硅、磷分別以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀。該步需要控制溶液的pH≈9以達(dá)到最好的除雜效果。若pH<9時(shí)，會(huì)導(dǎo)致__________________；pH>9時(shí)，會(huì)導(dǎo)致___________________________。（5）“分離釩”步驟中，將溶液pH調(diào)到18左右得到V2O5沉淀。V2O5在pH<1時(shí)，溶解為VO+2或VO+3；在堿性條件下，溶解為VO-3或VO3-4。上述性質(zhì)說(shuō)明V2O5具有_________（填標(biāo)號(hào)）。（6）“還原”步驟中加入焦亞硫酸鈉（Na2S2O5）溶液，反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)_________________?！痉治觥空鎸?shí)的化學(xué)工業(yè)流程高中生是難以理解和掌握的，所以學(xué)生在工藝流程題中所看到的圖示過(guò)程都是簡(jiǎn)化版，都是經(jīng)過(guò)命題專(zhuān)家刻意“剪輯”過(guò)的化學(xué)過(guò)程。雖然與真實(shí)的化學(xué)工程路線存在一定差異，但也并不影響考查學(xué)生對(duì)工藝流程圖的解讀和理解。按照筆者的分析可以將工藝流程的分析分成以下三步進(jìn)行。第一步是將整個(gè)流程切割成若干個(gè)部分。工藝路程圖是化學(xué)語(yǔ)言的一種形式，學(xué)生懼怕這種形式的原因是因?yàn)檫^(guò)程很復(fù)雜，里面夾雜很多的形式，雖然每一步并不是很難，但是把這些內(nèi)容綜合在一起難度就會(huì)增大很多了。因此將整個(gè)流程“肢解”為若干個(gè)部分的好處是顯而易見(jiàn)的，將復(fù)雜的過(guò)程簡(jiǎn)單化，畢竟每一步都是有自己的獨(dú)立性，都是不同的，完全可以圈起來(lái)單獨(dú)分析。例如用一個(gè)方框就代表一個(gè)化學(xué)反應(yīng)及必要的物理分離方法，經(jīng)過(guò)這步之后就會(huì)將混合物中的一部分分離出去，混合物的提純更進(jìn)一步。第二步是將混合物的成份在流程圖的最前面標(biāo)注出來(lái)，分析的過(guò)程中每當(dāng)分析出某一種元素從流程中分離出來(lái)后就可以將這種元素勾掉，順利的話最終所有的元素都會(huì)找到去向。例如根據(jù)上圖可見(jiàn)鉻、釩、硅、磷的去處是非常明顯的，就剩下兩處不能夠直接看出來(lái)，①的“水浸渣”和②的“濾渣”，根據(jù)混合物的元素成分，我們很容易推理出他們肯定是除鐵和鋁的步驟。根據(jù)兩種元素的特點(diǎn)，②“濾渣”之前是通過(guò)調(diào)節(jié)pH值最終生成鋁的氫氧化物沉淀，筆者帶領(lǐng)學(xué)生寫(xiě)出中①的化學(xué)方程式Al2O3+Na2CO3=2NaAlO2+CO2↑，在②中通過(guò)調(diào)節(jié)pH值最終就產(chǎn)生濾渣Al（OH）3，畢竟在這個(gè)地方“稀硫酸調(diào)節(jié)pH值”用意太明顯不過(guò)了。再整體回看目前只有Fe元素找不到出處，那就應(yīng)該是①處的“水浸渣”，物質(zhì)是Fe2O3，因此①“水浸渣”肯定是用來(lái)分離鐵元素的。這樣的處理方式就可以將復(fù)雜的過(guò)程“肢解”為一個(gè)一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，通過(guò)框圖的方式將步驟與步驟之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)在一起，不會(huì)讓學(xué)生“顧此失彼”了。第三步是繼續(xù)關(guān)注每一個(gè)框中的變化過(guò)程，集中精力將每一步發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式寫(xiě)出來(lái)并能夠清晰物理方法。如果說(shuō)前兩步驟都是方法，那么第三步就屬于學(xué)生的關(guān)鍵能力了。這一步就是為了能將每個(gè)框中的內(nèi)容再細(xì)化，便于解答后面的問(wèn)題。例如在⑤中信息是比較完整的，等同于從框中尋找信息書(shū)寫(xiě)陌生的化學(xué)反應(yīng)方程式，這種能力就屬于學(xué)生應(yīng)該具有的關(guān)鍵能力，最終寫(xiě)出化學(xué)方程式3S2O2-5+2Cr2O2-7+10H+=8SO2-4+4Cr3++5H2O?！敬鸢浮浚?）Na2CrO4（2）Fe2O3（3）Al（OH）3（4）溶液中c（PO3-4）降低，不利于生成MgNH4PO4沉淀，同時(shí)可能產(chǎn)生硅酸膠狀沉淀不宜處理；Mg2+形成Mg（OH）2沉淀（5）C（6）3S2O2-5+2Cr2O2-7+10H+=8SO2-4+4Cr3++5H2O3.反思工藝流程圖在本質(zhì)上與元素符號(hào)、化學(xué)式、化學(xué)方程式等相同的，都屬于“化學(xué)語(yǔ)言”的形式，只不過(guò)工藝流程圖這種語(yǔ)言在形式相對(duì)復(fù)雜，需要學(xué)生花費(fèi)更多的精力和時(shí)間去閱讀、理解和分析等。所以需要學(xué)生在解答這類(lèi)問(wèn)題時(shí)掌握一些方法，筆者認(rèn)為在解答“工藝流程題”時(shí)需要從以下幾個(gè)方面做起。（1）基礎(chǔ)知識(shí)要抓牢工藝流程的內(nèi)涵與本質(zhì)還是在考查基本的化學(xué)知識(shí)，包括方程式的書(shū)寫(xiě)、化學(xué)計(jì)算、分離方法等?；瘜W(xué)工藝過(guò)程是化學(xué)工業(yè)重要的組成部分，一般都是從混合物中獲取所需要的純凈物，表現(xiàn)出人類(lèi)的智慧和化學(xué)工業(yè)的重要作用。所以這種方式就自帶“濃重”的化學(xué)氣息，每一步驟都有化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變了物質(zhì)的種類(lèi)和物理性質(zhì)，再通過(guò)分離方法將物質(zhì)分開(kāi)，包括過(guò)濾、（反）萃取等，一步一步逐步地實(shí)現(xiàn)提純的目標(biāo)。教材中本來(lái)就有的化學(xué)方程式必須記住，在二輪復(fù)習(xí)中就可以回歸課本，基本的物理操作方式在學(xué)生的腦海中必須非常清晰。（2）關(guān)鍵能力要提升流程圖是復(fù)雜的化學(xué)語(yǔ)言，從內(nèi)容的角度來(lái)看工藝流程圖比單純的元素符號(hào)、化學(xué)式、化學(xué)方程式等包含了相對(duì)豐富的內(nèi)容，所以理解起來(lái)就會(huì)更加麻煩，相當(dāng)于讀取一篇“閱讀理解”。學(xué)生需要將復(fù)雜的語(yǔ)言簡(jiǎn)單化，在理解的過(guò)程中將整個(gè)“閱讀理解”的內(nèi)容“肢解”為相對(duì)簡(jiǎn)單的內(nèi)容。在這個(gè)過(guò)程中陌生化學(xué)方程式或者離子方程式的書(shū)寫(xiě)則是學(xué)生關(guān)鍵能力的重要組成部分，就必須達(dá)到相應(yīng)的水平，例如在本題中需要書(shū)寫(xiě)離子方程式。第一步，書(shū)寫(xiě)出根據(jù)信息所獲得的所有反應(yīng)物和生成物。反應(yīng)物：S2O2-5、Cr2O2-7生成物：Cr3+、SO2-4。然后根據(jù)電子得失守恒，得到3S2O2-5+2Cr2O2-7=4Cr3++6SO2-4，就是將涉及到有化合價(jià)升降的離子的系數(shù)配平。第二步，在第一步的基礎(chǔ)上根據(jù)電荷守恒用H+、OH-或H2O將使得方程式電荷守恒。第三步，根據(jù)質(zhì)量守恒，將方程式配平，3S2O2-5+2Cr2O2-7+10H+=8+6SO2-4+4Cr3++5H2O。同時(shí)，計(jì)算能力、讀取曲線數(shù)據(jù)等能力都是學(xué)生必不可少的關(guān)鍵能力，需要學(xué)生在平時(shí)多看、多想和多練。（3）核心素養(yǎng)要關(guān)注根據(jù)流程圖的表現(xiàn)形式的特點(diǎn)。命題者在將化學(xué)工藝的流程設(shè)置成這種圖示的形式，但是限于篇幅，不可能在圖示中放更多的信息，所以筆者才認(rèn)為它是工藝流程的省略版，很多工藝流程的信息并不能直接的體現(xiàn)出來(lái)，但是老師和學(xué)生可以根據(jù)混合物提純的特點(diǎn)，采用邏輯推理的方式將工藝流程圖中不能直接體現(xiàn)出來(lái)的東西推理