化工流程题分析思维模型的建构和应用

王丽平

一、思维模型建立的背景

化工流程题现在是高考试题中的必考题型，它往往以现代工业生产实际或科学实验中的真实情境为基础，与化工生产成本、除杂净化、分离提纯、产品产率以及环境保护等知识相融合，考查物质的溶解、检验、分离、提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用。该题型注重考察学生获取信息的能力、分析问题的能力以及灵活运用结构化知识解决实际问题的能力，对学生学科核心素养的要求较高，分值也很大。而我们的学生失分原因也很多，通过分析学生失分的原因，我觉得用建立思维模型的方法指导学生进行解题，比较行之有效。

二、思维模型建立的意义

思维模型的建构是指通过抽象、概括和一般化，把特定的研究对象或问题转化为普通的本质规律，从而用以解决实际问题的思維方法。而用在我们化学问题上就是建立一种合理的、科学的、优化的思维程序，它能帮助学生有序地去分析、解决化学问题，并对“繁杂”的化学知识进行分析、整理、归纳，避免盲目地、纯凭经验来分析和解决问题，使得思维更有条理。

三、思维模型建立和应用

我做了近两年全国卷和2020年山东等级模拟题中化工实验流程题，发现实验化工流程题均以物质制备或物质分离提纯为主体，以实验操作原理、化学反应原理、氧化还原反应以及元素及其化合物的知识为背景，通过流程图、装置图等方式进行呈现，重点考查学生对反应条件控制、仪器识别、物质的分离与提纯以及陌生化学方程式的书写等知识点。尽管每年试题情境不同，但从试题呈现方式和考查内容来看，存在许多相似的地方，这也为解决这类题型找到了突破口。

（1）从框图解读上进行突破。首先要会读流程图，箭头进入的是投料（反应物）、出去的是主产物或副产物（生成物）;线和进线均表示物料流向或操作流程，可逆线表示物质循环。

其次要了解原料和产品，明确中心元素（就是留下哪种元素），其次抓住中心元素的变化方向，依据流程图搞清流程中每一步发生了什么，最后根据反应或实验原理，紧扣信息，大致弄清有关反应和实验的目的。

我以2018年（全国卷Ⅱ）26题为例，运用思维模型解题，帮助学生从混乱思维中快速理清条理。题中提供的原料是一种闪锌矿，主要成分为ZnS，含有二氧化硅和少量FeS、CdS、PbS杂质），最后得到产品金属锌。通过框头、框尾的比较，确定框身中主要成分的中心元素为锌，最后在产品中出现，因此在制备过程中要尽量减少损失，而中间过程的主要目的是采取一定的措施和方法除去铁、铅、镉等元素。以上推理过程可概括为三个步骤，即“一看头，知原料;二看尾，明产品;三看中间，辩目的”，由于目的分析相对复杂，牵涉到内容也比较多，要弄清楚原理还需要借助实验操作目的和化学核心知识的运用加以解决。

（2）从实验操作上进行突破。实验操作是工艺流程题中必不可少的部分，溶解、除杂、过滤、洗涤和干燥几乎每年都涉及，如果学生平时注重整理，总结归纳这些操作的使用目的，再将这些知识应用到解题作答上，就会大大提高解题效率。

高考题中先是将含杂质的闪锌矿物燃烧，转化为易溶于酸的ZnO（PbO、FeO、Fe2O3），然后加硫酸溶解，过滤得到不溶于水的SiO2和PbSO4。再通氧气将Fe2+转化为Fe3+，加入ZnO调节PH，目的是除去Fe3+。接下来加锌粉还原除杂，除去Cd2+，通过置换反应将其变成金属单质过滤出去，最后通过电解的原理制取Zn。

（3）从知识运用上进行突破。化学核心知识是解决实际问题、完成测试任务不可或缺的工具，在高考试题中，对学科核心知识的考查，一直是命题的宗旨和目标。近三年，全国高考化学工艺流程题涉及到的核心知识主要有元素及其化合物、氧化还原反应、盐类水解和电解原理等。对于这些核心素养的考查，学生要有相应的知识储备和应对策略。例如，针对元素化合物的知识，学生能从物质类别的视角，依据复分解反应说明物质的转化路径;对于氧化还原反应，能从元素价态的角度认识元素在物质中可以具有不同价态，含有不同价态同种元素的物质可以进行转化;对于盐类水解，常常考虑防止水解、促进生成沉淀或除去杂质等目的;而电解原理要在氧化还原反应的基础上，充分认识阴、阳极的放电原理，实现物质转化。

上述高考题中涉及到的知识原理比较简单，元素化合物的知识主要是Zn、Pb、Fe的氧化物与酸的反应，二氧化硅和硫酸铅都是难溶于硫酸的沉淀。氧化还原反应具体体现在亚铁离子被双氧水氧化成铁离子的过程。真正有难度的在问题（2），对学生加试剂进行沉淀的能力要求较高，需要学生根据亚铁离子、铁离子、锌离子、铬离子沉淀时的PH进行分析，得出出去铁元素必须先通氧气，目的就是将亚铁离子转化为铁离子然后加氧化锌调PH，否则除去亚铁离子也会将锌离子除去了。以上分析过程需要学生在掌握元素化合物知识的基础上善于挖掘信息、抓住关键、准确答题。

（4）有效思维模型的建立。一道完整的工艺流程题，其设计步骤一般为：原料分析→对原料的预处理→核心化学反应→产品的提纯、分离→目标产物。学生在解答试题时，要学会建立有序思维的一般模型。首先找出要得到的主要物质是什么，混有哪些杂质;然后，认真分析当加入某一试剂后，能与什么物质发生反应，生成了什么产物或思考要用什么样的方法才能将杂质除去。抓住一个关键点：一切反应或操作都是为获得产品而服务，最后看清题目所问的问题。解答时，不需要将流程图完全读懂，有不明确的地方可以直接跳过去，先解答后面的问题。在做题时要注意文字叙述的规范性，化学式、化学方程式等书写的准确性。

思维模型可使化学知识存储有序化，又可以用于解决化学问题。而同学们做流程题思维混乱，很大程度上归结于学生在学习的过程中未能深刻领悟化学学科思想，如分类思想、结构决定性质、性质决定用途的思想、以及事物变化顺序的思想等，更不能将这种思想与学科核心知识进行融合，应用到化学试题的分析与解答上。所以我认为在平时的学习中，教师应有意识的引领学生搭建条件和目标之间的桥梁，培养建立思维模型的意识，让同学们再面对流程题时不再是“无路可走”而是“有据可依”。