鄭婷婷
摘 要:化學(xué)工藝流程題型關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題,信息容量大,知識(shí)涉獵面廣,綜合性強(qiáng)。學(xué)生對(duì)工業(yè)背景相對(duì)陌生,做題普遍感覺(jué)有難度。本文以2023年高考化學(xué)試卷中的工藝流程題型為研究對(duì)象,深入剖析試題的考查內(nèi)容、方式及特點(diǎn),總結(jié)和歸納解決此類(lèi)問(wèn)題的科學(xué)思維方式、解題技巧,并在明確試題對(duì)學(xué)生學(xué)科能力與核心素養(yǎng)要求的基礎(chǔ)上,提出若干復(fù)習(xí)備考建議。
關(guān)鍵詞:化學(xué)工藝流程題型;高三復(fù)習(xí);備考策略
化學(xué)工藝流程題型以實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)為背景,以流程圖的形式呈現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程,以解決化學(xué)實(shí)際問(wèn)題為思路設(shè)置問(wèn)題,有時(shí)還結(jié)合表格和圖像提供多種信息,可以考查學(xué)生對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的理解與掌握情況,以及在生產(chǎn)工藝流程中獲取與加工信息的能力、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決新問(wèn)題的能力,因此成為高考的熱點(diǎn)問(wèn)題。
一、試題分析
(一)考查的內(nèi)容
從化學(xué)工藝流程題型的物質(zhì)載體看,均以無(wú)機(jī)化合物為載體,且多數(shù)是高中階段常見(jiàn)的物質(zhì),主要涉及鋰、鎂、鋁等主族元素,以及鉻、錳、鎳、鈷等過(guò)渡元素。
從化學(xué)工藝生產(chǎn)的目的看,可以分為兩類(lèi):一是利用礦物或廢渣等制備物質(zhì),如全國(guó)甲卷26題以BaSO4制備壓電材料BaTiO3,全國(guó)乙卷27題利用菱錳礦制備新型鋰電池正極材料LiMn2O4,浙江卷(6月)20題以鋁土礦制備絮凝劑聚合氧化鋁;二是從礦物或廢渣等混合物中分離、提純有價(jià)值的物質(zhì),如全國(guó)新課標(biāo)卷27題從鉻釩渣中分離提純鉻和釩,北京卷18題以銀錳精礦和氧化錳礦為原料聯(lián)合提取銀和錳,廣東卷18題從處理后的礦石硝酸浸取液中提取Ni、Co并獲得高附加值化工產(chǎn)品。
綜合工藝流程的物質(zhì)載體和生產(chǎn)目的兩個(gè)角度看,試題傾向于將常見(jiàn)無(wú)機(jī)物的性質(zhì)及應(yīng)用與化學(xué)反應(yīng)原理相結(jié)合進(jìn)行考查,更有融合物質(zhì)結(jié)構(gòu)的趨勢(shì),以體現(xiàn)物質(zhì)“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—反應(yīng)原理”的認(rèn)知鏈。如湖北卷16題利用廢棄鋰電池正極材料LiCoO2回收Li、Co等金屬,考查了Co元素在周期表中的位置和微粒結(jié)構(gòu)及微粒間作用力對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響;又如福建卷11題從銅鈷礦冶煉中間產(chǎn)物白合金中分離回收金屬,考查了天然硫化銅晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。
從工藝流程題型的設(shè)問(wèn)角度看,一般主要從以下6個(gè)方面來(lái)設(shè)置問(wèn)題:(1)基本操作:除雜、分離、檢驗(yàn)、洗滌、干燥等實(shí)驗(yàn)操作的步驟描述;加入某些試劑或某個(gè)操作步驟的目的描述等。(2)物質(zhì)的分離與提純:通過(guò)調(diào)節(jié)pH使溶液中的金屬離子沉淀達(dá)到分離除雜的目的,據(jù)此選擇需要加入的化學(xué)試劑;加入某種物質(zhì)使難溶物轉(zhuǎn)化為更難溶的物質(zhì)后,通過(guò)過(guò)濾除去等。(3)化學(xué)方程式或離子方程式的書(shū)寫(xiě):根據(jù)流程圖及設(shè)問(wèn)中的信息找出反應(yīng)物和生成物,書(shū)寫(xiě)指定的化學(xué)方程式或離子方程式。(4)化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡理論的運(yùn)用:例如,研磨使反應(yīng)物顆粒變小,增大反應(yīng)物間的接觸面積,提高反應(yīng)速率,提高原料利用率;升高溫度能提高反應(yīng)速率,使吸熱反應(yīng)平衡正向移動(dòng)等。(5)化學(xué)計(jì)算:聯(lián)系原料純度、轉(zhuǎn)化率、損失率、產(chǎn)物產(chǎn)率等計(jì)算產(chǎn)品質(zhì)量,聯(lián)系溶液配制、滴定操作測(cè)定樣品中某元素含量或產(chǎn)品純度,聯(lián)系溶度積常數(shù)計(jì)算溶液中某離子濃度或完全沉淀時(shí)的pH等。(6)環(huán)境與綠色化學(xué)思想:流程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)、資源的回收和利用、“三廢”的來(lái)源、對(duì)環(huán)境的影響及處理措施等。
(二)考查的方式及特點(diǎn)
從試題的作答形式看,工藝流程題型以非選擇題題型為主,部分省市除了非選擇題外,還以選擇題形式出現(xiàn),如山東卷第13題、湖南卷第9題、福建卷第7題等。
從試題的呈現(xiàn)方式看,工藝流程題型都以“文字?jǐn)⑹?生產(chǎn)工藝流程圖”的形式呈現(xiàn)。試題先用文字簡(jiǎn)單介紹該工藝生產(chǎn)的原材料和工藝生產(chǎn)的目的(包括副產(chǎn)品),并提供必要的相關(guān)物質(zhì)性質(zhì)等信息,再用框圖形式將原料到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝流程表示出來(lái)。從原料到目標(biāo)產(chǎn)物一般經(jīng)過(guò)三大步驟:原料預(yù)處理(初步除雜、凈化)、核心化學(xué)反應(yīng)(可能有副反應(yīng))和產(chǎn)品的分離提純(需調(diào)控條件),其中每一步都需要綜合考慮生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境友好問(wèn)題,以及副產(chǎn)品的循環(huán)利用問(wèn)題。
(三)考查的能力和素養(yǎng)
化學(xué)工藝流程題型主要考查以下能力:(1)信
息獲取與加工能力。如全國(guó)乙卷要求根據(jù)電解后生成MnO2寫(xiě)出電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)的離子方程式,并結(jié)合產(chǎn)生的MnO2與H2的比值推知為保持電解液成分穩(wěn)定應(yīng)不斷加入的物質(zhì)是Mn(OH)2。(2)邏輯推理能力。如全國(guó)甲卷要求分析焙燒后的產(chǎn)物直接用酸浸取是否可行的原因。(3)靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決新問(wèn)題的能力。如湖南卷要求根據(jù)所給已知信息“金屬Ga的化學(xué)性質(zhì)和Al相似,Ga的熔點(diǎn)為29.8℃”解釋電解池溫度控制在40~45℃的原因并寫(xiě)出陰極電極反應(yīng)式。(4)對(duì)教材中不同模塊間知識(shí)融會(huì)貫通能力。如湖北卷16題與福建卷11題均將物質(zhì)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理模塊知識(shí)融合。
化學(xué)工藝流程題型重點(diǎn)考查的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“變化觀(guān)念與平衡思想”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”,兼顧考查“宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)[1]”。
二、解題策略
(一)解答工藝流程題型的基本步驟
先通讀全題,包括文字?jǐn)⑹龊蜕a(chǎn)工藝流程圖,對(duì)該工藝流程有個(gè)大體的了解。
接著用鉛筆將原料、雜質(zhì)和產(chǎn)品圈出,由此分析在生產(chǎn)流程中保留什么元素、除去什么雜質(zhì)以及引入什么成分。將原料和產(chǎn)品中相關(guān)的核心元素的化合價(jià)標(biāo)出,判斷從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中所涉及的反應(yīng)是否屬于氧化還原反應(yīng),并根據(jù)提供的信息,用鉛筆在流程圖中標(biāo)出物質(zhì)(即元素)流向。
再帶著設(shè)問(wèn)去工藝流程圖里尋找答案,一般一個(gè)小題的設(shè)問(wèn)對(duì)應(yīng)工藝流程圖的一個(gè)步驟,需要特別關(guān)注題目里提供的“已知”信息,尤其在分析卡殼的時(shí)候更要仔細(xì)琢磨。
最后按照題設(shè)要求,用恰當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言文字和化學(xué)用語(yǔ),規(guī)范作答[2]。
(二)工藝流程題型的解答技巧
1.關(guān)于原料分析與預(yù)處理
原料通常是礦物或工業(yè)廢渣,根據(jù)地殼中含量較多的元素是氧、硅、鋁、鐵等可以推知,雜質(zhì)通常有SiO2或硅酸鹽,以及含鐵化合物和含鋁化合物。
為了提取目標(biāo)元素,通常需要先“焙燒”后“酸浸”(也可能是“水浸”或“堿浸”),為了提高反應(yīng)速率以及提高原料利用率,通常會(huì)將原料粉碎或研磨后再進(jìn)行提取,浸取時(shí)還會(huì)適當(dāng)提高浸取溫度或浸取液的濃度[3]。在酸浸時(shí)SiO2或硅酸鹽將以沉淀的形式從體系中分離,含鐵化合物和含鋁化合物轉(zhuǎn)化為含F(xiàn)e3+、Fe2+、Al3+等離子存在于溶液中,可以通過(guò)先將Fe2+氧化成Fe3+、再調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe3+、Al3+等離子分別以Fe(OH)3、Al(OH)3等氫氧化物的形式從溶液體系中分離。
2.關(guān)于核心反應(yīng)
根據(jù)圖表信息選擇合適的反應(yīng)條件,結(jié)合氧化還原反應(yīng)原理、四大平衡理論、電化學(xué)理論等相關(guān)理論分析題設(shè)問(wèn)題,并從對(duì)應(yīng)要求的角度用準(zhǔn)確規(guī)范的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)回答問(wèn)題,或根據(jù)原理進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。如題目要求從化學(xué)平衡的角度解釋原因,那就要從中找出“平衡”,可能是化學(xué)反應(yīng)平衡,也可能是物質(zhì)的溶解平衡,然后分析哪些外界條件對(duì)這個(gè)“平衡”造成的影響會(huì)呈現(xiàn)出流程中的結(jié)果。
3.產(chǎn)品的分離提純
工業(yè)流程中常用的物質(zhì)分離與提純的物理方法有:過(guò)濾、結(jié)晶(重結(jié)晶)、蒸餾(或分餾)、萃取、分液、升華等。在復(fù)習(xí)的時(shí)候需要熟練掌握這些方法的常規(guī)操作,如從溶液中獲得可溶性物質(zhì)的方法是結(jié)晶,結(jié)晶的常規(guī)操作是蒸發(fā)濃縮—冷卻結(jié)晶—過(guò)濾—(洗滌、干燥)。
4.流程中可循環(huán)利用的物質(zhì)分析
綠色化學(xué)的核心思想是利用化學(xué)原理從源頭上減少和消除工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染,終極目標(biāo)是原子利用率達(dá)到100%,即反應(yīng)物中的原子全部轉(zhuǎn)化為期望的最終產(chǎn)品。所以,在生產(chǎn)過(guò)程中需要充分考慮到物質(zhì)的循環(huán)利用、廢物處理、原子利用率、能量充分利用等問(wèn)題??梢杂^(guān)察在整個(gè)工藝流程中加入的物質(zhì)有哪些,分離出來(lái)的物質(zhì)又有哪些,若最初加入的物質(zhì)在后續(xù)的分離除雜過(guò)程中又被分離出來(lái),那這種物質(zhì)就可以繼續(xù)循環(huán)利用了。此處要特別留心容易被忽略的可溶性物質(zhì)。
需要注意的是,不是每一個(gè)步驟的“來(lái)龍去脈”都要清晰明了,如果分析不明白的地方不影響解題,是可以大膽放過(guò)的。
三、備考策略與教學(xué)建議
高考化學(xué)工藝流程題型立足真實(shí)性,強(qiáng)調(diào)綜合性,突出應(yīng)用性,體現(xiàn)社會(huì)責(zé)任,全面考查必備知識(shí)、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)、規(guī)范表達(dá)。筆者按照“學(xué)科知識(shí)—學(xué)科思維—學(xué)科能力—學(xué)科素養(yǎng)”的發(fā)展進(jìn)階,提出以下復(fù)習(xí)備考建議。
(一)夯實(shí)基礎(chǔ)
素養(yǎng)導(dǎo)向下的試題離不開(kāi)必備知識(shí)的支撐,這是發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)?;瘜W(xué)工藝流程專(zhuān)題復(fù)習(xí),通常是在完成無(wú)機(jī)化合物性質(zhì)及其應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理等模塊復(fù)習(xí)之后的綜合復(fù)習(xí)。在構(gòu)建學(xué)科大概念和化學(xué)觀(guān)念復(fù)習(xí)課教學(xué)時(shí),教師應(yīng)以核心概念或原理為中心,將相關(guān)知識(shí)串成鏈、織成網(wǎng),構(gòu)建完整的知識(shí)體系,為分析問(wèn)題和解決問(wèn)題提供理論依據(jù)和思維模型。
在“常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”主題復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師需要繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生在復(fù)習(xí)教材中的個(gè)別代表性元素涉及的相關(guān)單質(zhì)和化合物的性質(zhì)過(guò)程中,學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的方法,明確可以從哪些視角認(rèn)識(shí)、預(yù)測(cè)、解釋、表征元素化合物性質(zhì),并能將這些思路遷移到陌生元素及化合物的學(xué)習(xí)中。教師要充分挖掘教材中出現(xiàn)的工藝流程[4],結(jié)合真實(shí)的問(wèn)題情境,培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察分析工藝流程圖、獲取整合信息的能力,以及從物質(zhì)類(lèi)別和元素價(jià)態(tài)變化的視角對(duì)流程圖中物質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行證據(jù)推理、得出合理的結(jié)論的能力。
在“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”主題復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師要注重促進(jìn)學(xué)生理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的內(nèi)涵,通過(guò)聯(lián)系與學(xué)生生活密切相關(guān)的問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學(xué)習(xí)興趣,體會(huì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的基本思路和方法,形成觀(guān)念性認(rèn)識(shí)。如理解原子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理并正確書(shū)寫(xiě)常見(jiàn)元素(1~36號(hào))基態(tài)原子或離子的核外電子或價(jià)電子排布式和軌道表示式,認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的原子、離子、分子等微粒之間存在的不同類(lèi)型的相互作用,并能根據(jù)晶胞結(jié)構(gòu)圖說(shuō)出微粒間作用的主要類(lèi)型,計(jì)算晶胞所含微粒數(shù)、晶體密度等。
在“化學(xué)反應(yīng)原理”主題復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師要幫助學(xué)生深刻理解概念原理的內(nèi)涵,如反應(yīng)速率概念、化學(xué)平衡常數(shù)含義與表征方法和定量關(guān)系、化學(xué)平衡移動(dòng)影響因素及影響規(guī)律和影響結(jié)果,并熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能,如在理解難溶氫氧化物Ksp含義的基礎(chǔ)上,能利用常見(jiàn)難溶氫氧化物的Ksp計(jì)算Fe3+、Al3+等離子開(kāi)始沉淀以及沉淀完全時(shí)的pH,也能夠根據(jù)所給相關(guān)信息給出合理的調(diào)節(jié)pH的范圍。
(二)構(gòu)建思維模型
模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。高考試題科學(xué)設(shè)問(wèn),注重考查通用性方法,以避免將學(xué)生導(dǎo)向細(xì)枝末節(jié)知識(shí)的辨析、典型題套路和技巧的運(yùn)用,引導(dǎo)減少死記硬背和“機(jī)械刷題”現(xiàn)象。因此,在化學(xué)工藝流程專(zhuān)題復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師應(yīng)堅(jiān)持基于真實(shí)情境的教學(xué),在真實(shí)復(fù)雜的情境中將知識(shí)、方法問(wèn)題化,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過(guò)獨(dú)立思考和交流研討以及教師點(diǎn)評(píng),歸納總結(jié)出解決問(wèn)題的通識(shí)、通法,跳出情境去構(gòu)建分析解決相關(guān)問(wèn)題的基本思路,并能熟練、自主遷移到其他陌生情境中去解決相關(guān)問(wèn)題。例如,綜合流程信息及物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的合理推測(cè)的思維模型可以概括為“分析核心元素化合價(jià)——判斷是否是氧化還原反應(yīng)——根據(jù)氧化還原規(guī)律或物質(zhì)類(lèi)別轉(zhuǎn)化規(guī)律分析各步驟產(chǎn)物”。
(三)提升綜合能力
素養(yǎng)導(dǎo)向下的試題也離不開(kāi)關(guān)鍵能力的支撐,這同樣是發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)。化學(xué)工藝流程試題以生產(chǎn)工藝流程圖為載體,集物質(zhì)性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)于一體,考查學(xué)生在物質(zhì)轉(zhuǎn)化的新情境中,依據(jù)數(shù)據(jù)、圖表信息進(jìn)行定量分析和推理的能力,是高考試題綜合性的體現(xiàn)。在化學(xué)工藝流程專(zhuān)題復(fù)習(xí)的教學(xué)中,教師需將必修、選擇性必修各模塊的必備知識(shí)融會(huì)貫通,選取真實(shí)的情境素材,設(shè)置真實(shí)的化學(xué)問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生從多角度分析和解決問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。
在“無(wú)情境不成題”的背景下,信息獲取能力是問(wèn)題解決的基礎(chǔ),也是高考考查的重要能力。在復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師應(yīng)注重加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察分析圖表數(shù)據(jù)、加工信息、證據(jù)推理的綜合能力,以便更好地適應(yīng)新時(shí)代高考的要求。同時(shí),教師還要幫助學(xué)生克服思維定勢(shì),并在分析生產(chǎn)工藝流程的過(guò)程中逐步建立綠色化學(xué)觀(guān)念。
(四)規(guī)范科學(xué)表達(dá)
化學(xué)用語(yǔ)是化學(xué)學(xué)科的語(yǔ)言,包括化學(xué)專(zhuān)有名詞、元素或微粒的符號(hào)、各種反應(yīng)式等。能用化學(xué)用語(yǔ)規(guī)范表達(dá)體現(xiàn)了學(xué)生思維過(guò)程的正確性、敏捷性和嚴(yán)謹(jǐn)性,高考試題以此評(píng)價(jià)考生的思維品質(zhì)。而規(guī)范表達(dá)的關(guān)鍵是要理解問(wèn)題本質(zhì),明確符號(hào)表征要求,關(guān)注各因素前后邏輯關(guān)系,提煉和理解問(wèn)題的本質(zhì)。因此,教師在復(fù)習(xí)教學(xué)中要指導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)復(fù)雜的情境中如何提煉問(wèn)題的本質(zhì),找準(zhǔn)解題的方向,學(xué)會(huì)精準(zhǔn)表達(dá)思考過(guò)程和結(jié)果,提升規(guī)范表達(dá)的能力。
不難發(fā)現(xiàn),在工藝流程專(zhuān)題復(fù)習(xí)過(guò)程中,需要大量的真實(shí)情境素材,歷年高考試題便是優(yōu)質(zhì)的素材資源庫(kù)。教師可以根據(jù)教學(xué)需求將近年的高考試題按物質(zhì)載體、生產(chǎn)目的、轉(zhuǎn)化原理等項(xiàng)目分類(lèi),再進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)復(fù)習(xí)。
結(jié)束語(yǔ)
工藝流程題型的高三復(fù)習(xí)備考是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要將其滲透在無(wú)機(jī)化合物、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理等主題內(nèi)容的復(fù)習(xí)教學(xué)中,貫穿在整個(gè)高三復(fù)習(xí)備考的全過(guò)程,促進(jìn)學(xué)生對(duì)必備知識(shí)和關(guān)鍵能力的掌握,不斷提高學(xué)生的學(xué)科思維能力與證據(jù)推理分析能力。
參考文獻(xiàn)
[1]葉煒華.高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題的命題特點(diǎn)與備考策略[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2023(1):55-60.
[2]張輝.淺談高考化學(xué)工業(yè)流程試題的解決策略[J].學(xué)周刊,2017(2):180-181.
[3]金振江.高考化學(xué)工業(yè)流程型試題的突破方法[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2020(11):72-73.
[4]陳文珍.在化學(xué)工藝流程題型復(fù)習(xí)中聚焦學(xué)生的核心素養(yǎng)[J].名師在線(xiàn),2023(15):8-10.