工业流程题重要物质确定思维模型的构建与应用

广东 刘汉国

工业流程题是高考常规题型，是元素化合物知识与生产工艺、化学原理、化学实验等结合起来的综合性试题，分值15分左右。工业流程题引导中学化学教学过程中关注化学学科的应用性和实践性，培养学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。该题型旨在考查学生在工艺流程中阅读分析能力、化学反应原理在工艺流程中的应用能力、氧化还原反应分析能力、元素化合物性质及其转化关系的理解和应用能力等。工业流程题以流程图的形式呈现，以情景方程式书写、实验操作、化学计算和重要物质的推断等为考查方式。工业流程题综合性强、难度大，近几年的得分率仅为30%左右。本文通过构建“杂质成分确定的思维模型、滤液成分确定的思维模型和循环物质确定的思维模型”，突破工业流程题中重要物质确定的难题，供各位同仁在教学时参考借鉴。

一、思维模型的构建与应用

1.杂质成分确定的思维模型

除杂是工业流程中原料处理的重要环节。确定杂质成分，首先分析题干信息，明确原料成分和产品成分，然后利用原子守恒等知识确定除杂元素，根据物质性质和化学反应推断出除杂元素对应的生成物，从而可确定杂质成分。杂质成分确定的思维模型如图1所示：

图1 杂质成分确定的思维模型

例1(2018·全国卷Ⅱ·26·节选)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家，一种以闪锌矿(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图2所示：

图2

相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如表所示：

金属离子Fe3+Fe2+Zn2+Cd2+开始沉淀的pH1.56.36.27.4沉淀完全的pH2.88.38.29.4

回答下列问题：

滤渣1的主要成分除SiO2外还有；氧化除杂工序中ZnO的作用是，若不通入氧气，其后果是。

【解析】根据题干信息可知，原料成分为ZnS(含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)和产品成分为Zn，根据原子守恒推断出杂质元素为Si、Fe、Cd、Pb和S，其中S元素在焙烧时已经以SO2气体的形式除去。根据物质的性质可知，二氧化硅与稀硫酸不反应，Pb元素对应的产物硫酸铅不溶于水，故滤渣除SiO2外还有PbSO4。由于沉淀亚铁离子的pH较大，需要将其氧化为铁离子，通过控制pH得到氢氧化铁沉淀；滤液中加入锌粉置换出Cd，最后将滤液电解得到金属锌。

【答案】PbSO4调节溶液的pH 无法除去杂质Fe2+

变式训练1信息时代产生的大量电子垃圾对环境构成了极大的威胁。某“变废为宝”学生探究小组将一批废弃的线路板简单处理后，得到含70%Cu、25%Al、4%Fe及少量Au、Pt等金属的混合物，并设计出如图3所示制备硫酸铜和硫酸铝晶体的路线：

图3

请回答下列问题：

第①步Cu与酸反应的离子方程式为；得到滤渣1的主要成分为。

【解析】根据题干信息可知，原料成分为Cu、Al、Fe、Au、Pt和产品成分中含有的元素为Cu、Al，根据原子守恒推断出除杂元素为Fe、Au、Pt。根据物质的性质可知，Fe与稀硫酸、浓硝酸发生了反应，而Pt和Au不发生反应，故滤渣为Pt和Au。

2.滤液成分确定的思维模型

确定滤液成分，首先分析题干信息，明确原料成分，看清流程图中的箭头指向，根据物质性质写出相关的化学反应，最后根据题干信息确定滤液成分。滤液成分确定的思维模型如图4所示：

图4 滤液成分确定的思维模型

例2(2018·全国卷Ⅲ·21·节选)KIO3是一种重要的无机化合物，可作为食盐中的补碘剂。回答下列问题：

利用“KClO3氧化法”制备KIO3工艺流程如图5所示：

图5

“酸化反应”所得产物有KH(IO3)2、Cl2和KCl。“逐Cl2”采用的方法是。“滤液”中的溶质主要是。“调pH”中发生的化学反应方程式为。

变式训练2(2018·江苏卷·16·节选)以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金属硫酸盐)为原料，生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如图6 所示：

图6

(3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2，铝元素存在的形式由(填化学式)转化为(填化学式)。

【解析】根据题干信息可知，原料成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2、FeS2和金属硫酸盐,根据物质性质“碱浸”时，Al2O3、SiO2转化为可溶于水的NaAlO2、Na2SiO3，向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2，CO2与NaAlO2反应生成NaHCO3和Al(OH)3。

【答案】NaAlO2Al(OH)3

3.循环物质确定的思维模型

确定溶液成分，首先分析题干信息，根据箭头指向明确加入的物质，根据物质性质和化学反应确定生成的物质，然后对加入的物质和生成的物质进行对照，重复的物质即为循环物质。循环物质确定的思维模型如图7所示：

图7 循环物质确定的思维模型

例3某地煤矸石经预处理后主要含SiO2(61%)、Al2O3(30%)和少量的Fe2O3、FeO及钙镁化合物等。某实验小组利用其提取Al(OH)3，其流程图如图8所示：

图8

上述流程中可循环利用的物质的化学式是。

【解析】根据箭头指向可知加入的物质为盐酸、氯气、碳酸钠、氢氧化钠和二氧化碳，根据化学反应确定生成的物质为二氧化碳、氢氧化铁、氢氧化铝等，然后对加入的物质与生成的物质取交集，得到循环的物质为二氧化碳。

【答案】CO2

变式训练3利用石灰乳和硝酸工业的尾气(含NO、NO2)反应，既能净化尾气，又能获得应用广泛的Ca(NO2)2，其部分工艺流程如图9所示：

图9

上述工艺中采用气—液逆流接触吸收(尾气从吸收塔底部进入，石灰乳从吸收塔顶部喷淋)，其目的是。滤渣可循环利用，滤渣的主要成分是(填化学式)。

【解析】根据题干信息知尾气中含NO、NO2，所以工艺中采用气—液逆流接触吸收(尾气从吸收塔底部进入，石灰乳从吸收塔顶部喷淋)的目的是使尾气中NO、NO2被充分吸收。根据箭头指向可知加入的物质为石灰乳，因为加入的物质只有一种，所以循环使用的物质只可能为Ca(OH)2。

【答案】使尾气中NO、NO2被充分吸收 Ca(OH)2

二、工业流程题的备课建议

1.重视基础，渗透观念

工业流程题是综合性试题，元素化合物、生产工艺、化学原理、化学实验等知识是解决该题目的必备知识。在近几年高考中，问题情境常常源于教材(例如2016·全国卷Ⅰ、2016·北京卷、2017·全国卷Ⅱ、2017·全国卷Ⅲ等)，工业流程题中的杂质成分也是教材中的典型物质，所以在高三复习时应“先学基础知识和基本技能，再逐步组合，最后才能综合应用”。另外，在复习过程中应不断渗透反应观、守恒观、物质观等化学基本观念。

2.重视应用，联系生活

工业流程题关注化学在能源、材料、技术等方面的应用。在元素化合物知识复习时，不应停留在“纸上谈兵”，应依托真实情景把教学内容与基本实验、化学反应原理、氧化还原反应、化工生产工艺、日常生活等结合起来，做到学以致用，而不是简单的来回重复和死记硬背。

3.重视方法，聚焦思维