巧用“试剂—杂质—操作—产品”四线法突破工艺流程题

湖南 周学兴 杨 华

1.背景分析

1.1 高考背景分析

高考的功能——立德树人、为国家选拔人才，高考题以真实问题的解决为背景考查所学知识，常以实际生产工艺为背景，以元素化合物基础知识为主线，着眼于学生接受、吸收、整合信息能力的考查。新课改后的高考有很强的时代感和实践性，化工生产技术的“工艺流程题”已成为新亮点和主流题型，突出考查学生对元素化合物知识的运用，以能力与核心素养考查为根本，着眼于学生对化学信息的接受、吸收、整合能力的考查，以化学核心知识、概念为题干，以知识模型建构为落脚点，跳出了让学生陷入题海战的桎梏。

2017年教育部公布的高考考纲发生了很大的变化，对化学而言，删去“化学与技术”模块，选考部分由原来的“三选一”改为“二选一”，工艺流程题在13、15、16、17年高考全国卷Ⅰ中均有考查，近三年高考化学考查工艺流程题的情况，见表1。

表1 近三年高考工艺流程题的考查情况

学生遇到工艺流程题时，畏惧心严重，得分率较低。2017年湖南省学生得分情况抽样表明，27题工艺流程题得分率最低，该题对学生整理、吸收、分析化学信息要求较高，平均得分情况见表2。

表2 2017年全国卷Ⅰ部分非选择题抽样平均得分情况

1.2 学生学情分析

学生应对高考，大多同学把“考点”作为复习依据，用“突破考点”“狂练考点”“强化训练”等为主要手段，进行大量的机械重复劳动，尽管花费了大量学习时间，但收效甚微。具体存在以下困难：①阅读困难，审题过程不能迅速捕捉有用信息。②答题语言不规范。③元素化合物知识不扎实，不能够辨析微观反应。④思考不全面，杂质选择性屏蔽。⑤思维定势，死记硬背，不能灵活运用化学原理分析问题。⑥流程的全面分析与题设解决的辩证与统一，有的时候，工艺流程并不需要各个阶段都详细分析，而应“粗”“细”结合，游刃有余。

笔者阅读了许多关于工艺流程题解题技巧的文章，本文基于模型认知的构建，提出“试剂—杂质—操作—产品”四线法，举例说明该法能帮助高三学生高效理解工艺流程，有效提高学生处理信息、分析问题、解决问题等方面的能力。

2.“四线法”介绍

“四线法”顾名思义，通过分析四条主线，突破工艺流程题的整体把握，四条主线分别为试剂线、杂质线、操作线、产品线。根据工艺流程题的类型不同，四条主线具体呈现的内容不同。

利用“试剂—杂质—操作—产品”四线法解工艺流程题的模型认知，见图1。

图1 四线法解工艺流程题的模型认知

四线法，符合真实化工流程的目的，更快更好地得到更纯的产品，有利于提升学生宏观辨识与微观探析的素养。

2018年全国卷Ⅰ工艺流程题的四线呈现情况、信息呈现形式，见表3。

表3 基于四线法的工艺流程题分析

粗看工艺流程框图，迅速把握“四线”，能够整体把控整个化工流程的框架，储备一些常见教材工艺流程，比如高中教材中涉及的化学工业：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海水中提取物质等。

2.1 试剂线

需要掌握常见试剂的类型、作用和相关反应，也可称为反应线。常见试剂及其作用，见表4。

表4 常见试剂及其作用

2.2 杂质线

对于矿物质而言，测定元素组成后，即可确定杂质，需要积累常见试剂的处理方法、常见杂质及其除杂方式，见表5。

表5 常见杂质及除杂方式

工艺流程分析过程中，需要抓住杂质的去向分析，切勿因为思维的不严谨，导致某杂质还未除去却茫然不知。违背了化工生产的目的。同时杂质的去除离不开试剂线的分析。

2.3 操作线

主要指的是分离提纯操作，每加一次试剂，便需要思考是否需要过滤、蒸发、冷却结晶、蒸馏、萃取等分离提纯操作，见表6。

表6 常见操作及目的

2.4 产品线

试剂线、杂质线、操作线展开是为了获取产品，产品的获取主要通过除去杂质，发生核心反应而获取产品。通过总结近几年全国卷Ⅰ高考化学工艺题产品的获取方式(见表7)，不难发现产品的获取具有以下特点：①主要围绕金属元素的相关工艺品进行考查；②工艺产品具有多样性，体现了经济需要实效性；③产品的获取可能在流程的前半部分；更多是后期才得到产品；④产品的获取，需要试剂参与反应转化，可能发生的是氧化还原反应；⑤产品的获取，所涉及的分离提纯操作及方法，离不开产品自身的性质，由于大部分产品是固体，故基本上离不开结晶的相关操作。

表7 工艺产品的获取

3.习题感悟

基于四线法，能够全面了解工艺流程框图的过程，理解如何除杂、试剂如何使用、产品如何获取、如何操作等。

【案例1】锶(Sr)为第五周期ⅡA族元素，高纯六水氯化锶晶体(SrCl2·6H2O)具有很高的经济价值，61℃时晶体开始失去结晶水，100℃时失去全部结晶水。用工业碳酸锶粉末(含少量Ba、Fe的化合物)制备高纯六水氯化锶的过程如图2。

图2

请回答：

(1)写出步骤②在浆液中加入盐酸时发生反应的离子方程式：________________。

(2)步骤③中调节溶液pH至8～10，宜选用的试剂为________。

A.稀硫酸 B.氢氧化锶粉末

C.氢氧化钠 D.氧化锶粉末

所得滤渣的主要成分是________(填化学式)。

(3)步骤⑤中，洗涤氯化锶晶体最好选用________。

A.水 B.稀硫酸

C.氢氧化钠溶液 D.氯化锶饱和溶液

(4)工业上用50～60℃热风吹干六水氯化锶，选择该温度的原因是________________。

(5)若滤液中Ba2+浓度为1×10-5mol·L-1，依据表8中数据可以推算滤液中Sr2+物质的量浓度为________。

表8

【工艺流程分析】

(2)BD BaSO4和Fe(OH)3

(3)D

(4)温度高于61℃，SrCl2·6H2O失去结晶水

通过试剂线、杂质线、操作线、产品线四线并进的分析方法，有序有效地突破了工艺流程题的难点，解决了学生思考不全面的问题。关注题目的每一条线，但不必将每一条线都推出，问什么推什么，要带着问题去精心研究某一步或某一个物质。

【案例2】(2018·全国卷Ⅰ·27，节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回答下列问题：

(1)生产Na2S2O5，通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。写出该过程的化学方程式：__________________________。

(2)利用烟道气中的SO2生产Na2S2O5的工艺如图3所示：

图3

① pH=4.1时，Ⅰ中为________(写化学式)溶液。

② 工艺中加入Na2CO3固体并再次充入SO2的目的是________________。

【工艺流程分析】整合吸收化学信息：工业上通过NaHSO3过饱和溶液结晶脱水制得Na2S2O5。分析流程可知，该题的主线为试剂线、产品线、操作线，并未体现试剂线与杂质线的关系。

直接切中要害，通入SO2即可得到产品，结合已知信息，其目的不言而喻，是为了得到NaHSO3过饱和溶液。

(2)①NaHSO3②得到NaHSO3过饱和溶液

【案例3】某科研小组以难溶性钾长石(K2O·Al2O3·6SiO2)为原料，提取Al2O3、K2CO3等物质，工艺流程如图4所示：

图4

上述工艺中可以循环利用的主要物质是________、________和水。

【工业流程分析】

既消耗又生成的物质，通过试剂线分析可知还有Na2CO3和CO2能够循环利用。

【答案】Na2CO3CO2

【案例4】(2017·全国卷Ⅰ·27，节选)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备，工艺流程如图5所示：

图5

(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如表9所示：

表9

分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因：________________________________。

【化工流程分析】

基于中间产物高效获取这一目的，结合产品线及操作线的分析，可知在该流程中温度为何选择40℃，需要从过高过低角度分析原因，低于40℃时，TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加，超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降。

【答案】低于40℃，TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加，超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降。

4.练后提炼——特殊设问及其解决策略

工艺流程题，往往需要在四线基础上，积累特殊设问的应对策略，这样工艺流程题不再会是高中生的“拦路虎”，近几年高考易错的热点设问如下：

4.1 分析循环利用的物质和可回收的物质

循环利用和回收利用，是工业生产提高经济效益、降低污染、提高物质的利用率等的必要手段。

①理解物质循环利用目的是节能减排，“绿色化学”，降低成本等，提炼出一定不会用于循环的物质：目标产物、杂质，可以用于循环的物质：辅助试剂、母液。

②可回收的物质：副产品(非目标产品)。

应对策略：弄清楚每一步的反应物、产物，对比“投入”“输出”，消耗又生成即为循环利用物质。

4.2 分析调节溶液的pH

①目的：使溶液中的某金属阳离子形成氢氧化物完全沉淀下来而除去。

②需要的物质：含主要阳离子的难溶性氧化物或氢氧化物或碳酸盐，即能与H+反应，使pH增大的物质，如MgO、Mg(OH)2等。

③原理：加入的物质能与溶液中的H+反应，降低了H+浓度，增大pH。

④pH控制的范围：大于除去离子的完全沉淀值，小于主要离子开始沉淀的pH。

4.3 分析洗涤沉淀

实际工业生产过程中，沉淀的洗涤主要围绕洗涤什么杂质、怎么洗(洗涤操作)、用什么洗涤、为什么用这个洗涤剂等问题展开分析，考题亦如此。

(1)沉淀洗涤的目的：除去沉淀表面附着或沉淀中包夹的可溶性离子。

(2)洗涤方法：向漏斗内加蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流出后，重复操作2～3次。

(3)沉淀剂是否过量的判断方法答题模板。

①加沉淀剂：静置，向上层清液中继续滴加少量沉淀剂，若无沉淀产生，则证明沉淀剂已过量。

②加入与沉淀剂反应的试剂：静置，取适量上层清液于另一洁净试管中，向其中加入少量与沉淀剂作用产生沉淀的试剂，若产生沉淀，证明沉淀剂已过量。注意：若需称量沉淀的质量而进行有关定量计算时则只能选用方法(1)。

(4)判断沉淀是否洗净的操作答题模板(一般考查氯离子和硫酸根离子等沉淀型的离子检验)取最后一次洗涤液，滴加……(试剂)，若没有……现象，证明沉淀已洗净。

4.4 分析控制温度

温度的控制，实际生产过程中主要基于反应速率、物质的溶解度(溶解度曲线)、物质的热分解与挥发(物质的性质分析)、弱离子的水解(平衡)、能源的利用(耗能)、副反应的发生、催化剂的活性、生产安全性等方面的思考。一般需要考虑温度过高、过低会有怎样的效果。具体如下：

(1)加热：加快反应速率或溶解速率

促进平衡向吸热方向移动；除杂，除去热稳定性差的杂质，如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、I2、NH4Cl等物质。使沸点相对较低的原料气化。

(2)降温：防止某物质在高温时溶解(或分解)

使化学平衡向着题目要求的方向移动(放热方向)，使某个沸点较高的产物液化，使其与其他物质分离，降低晶体的溶解度，减少损失，尤其是减压蒸发、减压烘干，通过降低温度需求，防止目标物质的分解。

(3)控温：(用水浴或油浴控温)

防止某种物质温度过高时分解或挥发，为了使某物质达到沸点挥发出来，使催化剂的活性达到最好，防止副反应的发生，降温或减压可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的要求。

4.5 分析化工流程的评价

实际工业生产过程中，评价化工流程，需要考虑速率、产率、产品纯度、成本、污染、循环利用等方面，其中污染主要指的是：废渣、废液(酸、碱、重金属盐)、废气(Cl2、Br2、硫和氮的氧化物等)。

教学中注重化工流程的评价，引导学生关注社会生产、社会环境等问题，激发学生探究潜质。

5.总结

利用“试剂—杂质—操作—产品”四线法可以快速地理解工艺流程题的流程模型，通过常见问题认知模型的构建，能够真正了解工艺流程的框架，掌握“四线”及常见设问的解决方式，高三学子便可不用对工艺流程题“望而生畏”。

但在教学过程中不能只强调解题，通过解题引导学生体会真实工艺的复杂性、综合性，比如杂质的去除可以选择方案Ⅰ也可以选择方案Ⅱ，需要综合考虑整个流程最终确定最佳方案，同时应该注重真实工业工艺的介绍，创设条件让学生走进生产一线，切实体会“纸上得来终觉浅”，提供有利条件，创设实验条件，抛出问题，让学生通过“四线法”自主设计如何综合利用矿物质或废渣的实验方案，并实施实验。最终让学生明白高考化学所考查的是一道工艺的简化模式，还需要有化工专业知识、实践经验、经济效益等方面的分析，才能够真正批量生产。通过利用四线法帮助学生从具体知识的掌握到实际问题的解决，最终到知识素养化的转变。通过“四线法”分析工艺流程题教学，让学生顺利地迈出认识化学工艺的第一步，并不断引导学生关注日常的生产实际问题，创设真实情境，提高学生分析、解决问题的能力。