素养导向下无机工艺流程题中的信息方程式书写——基于物质结构与平衡思想的典例剖析

广东 王金乐

1.无机工艺流程题的特点

无机工艺流程题是以真实的化学工业生产为试题情境，规模化地制备或提纯某些产品，体现了物质及其转化在促进资源综合开发与利用中的重要作用。无论是在高考全国卷中，还是在各省市自主命题的试卷中，工艺流程题的考频都较高。基于《中国高考评价体系》的理念，下表列出了近3年全国卷Ⅰ中的无机工艺流程题考查的多维细目表，涉及了情境素材、必备知识、关键能力、涵盖的化学核心素养、考查的方程式设问个数及分值占比。

2019—2021年全国卷Ⅰ无机工艺流程题的考查要点

1.1 无机工艺流程题的试题结构

从表格可以看出，一般的无机工艺流程题的试题结构如图1所示。

图1

1.2 信息方程式的考查价值

从图1可以看出，无机工艺流程题的核心是物质转化过程中发生的一系列化学反应，化学方程式则是化学反应的重要表征，是化学用语的核心。由表1可知，基于化工情境的信息化学方程式(含离子方程式、电极反应式)考查分值约为4分，占比较大。这是考查信息方程式书写的显性价值。无机工艺流程题中的“流程”“框图”“箭头”等可视化的表征是题目的“明线”；而形式多样的化学反应便是化工生产工艺逐步推进的“暗线”。只有分析清楚了每一步发生的化学反应，准确地把握物质的转化，才能判断滤液及滤渣成分，科学地调节生产工艺条件，进而选择合理的分离提纯方法，最终不断提高化工生产的综合效益，促进社会经济的绿色可持续发展。信息方程式的书写贯穿整个工艺流程分析的始末，起到承上启下的作用，这体现了考查的隐形价值。

综合来看，无机工艺流程题中的信息方程式书写是考查重点，很多时候也是考查难点之一。因此教师在高考复习备考的过程中，开展无机工艺流程题中的信息方程式书写等专题复习十分必要。

2.信息方程式的书写

信息方程式的书写是指利用已知信息(日常学习积累和题给信息)，结合物质的结构、反应的原理和规律，通过联想、类比、迁移等方法书写化学方程式。

2.1 信息方程式的类型

在具体的无机工艺流程题的试题情境中，信息方程式包含陌生的化学方程式、离子方程式、电极反应式或者电池总反应式。从化学反应的分类来看，信息方程式主要包括两类化学反应——氧化还原反应和非氧化还原反应。已有大量论文介绍氧化还原反应类型的信息方程式书写的方法、策略，笔者不再赘述。本文着重从物质结构、化学平衡思想等角度入手，探讨无机工艺流程题中的信息方程式书写策略。

2.2 信息方程式与能力素养

化学方程式是化学语言，是化学学科特有的表征手段，它搭建起了微观世界与宏观世界的沟通桥梁。在复杂的无机工艺流程试题情境中，考生须全面整合信息，厘清流程中的物质转化，运用理解与辨析、分析与推测等化学学科关键能力，才能完成信息方程式的书写。它旨在培养学生的宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想等核心素养。教师可通过考试、复习、专题训练等引导学生建立氧化还原反应型和非氧化还原反应型的信息方程式书写的解题模型，提升学生的归纳与论证等关键能力和证据推理与模型认知的核心素养。

2.3 物质结构思想与平衡思想

笔者所说的“物质结构思想”是指通过化合物类型、化学键类型等性质并结合元素周期律等递变性规律，将反应物合理地拆分为正电性部分和负电性部分。在化学反应过程中，一种反应物的正电性部分与另一种反应物的负电性部分结合，逐步转化为产物。该思想方法也可以称为“电性重组”，俗称“异性相吸”。

“平衡思想”是指在无机工艺流程题的物质转化情境中，根据题干前后信息，将电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡和络合平衡等原理、规律灵活运用起来，多角度分析物质的转化，完成信息方程式的书写。

3.信息方程式的书写例析

3.1 基于物质结构书写信息方程式

结构决定性质是化学学科的核心思想。然而多数学生对“物质结构”望而生畏，觉得抽象难懂，更谈不上灵活运用。笔者认为，教师在日常教学中应该适时渗透物质结构的思想，帮助学生建立物质结构与性质的认知模型，可以事半功倍。

3.1.1 离子化合物类型

【例1】写出实验室用电石(CaC2)制备乙炔(C2H2)气体的化学方程式。

图2

【例2】Mg3N2遇H2O水解产生白色沉淀和能使湿润的红色石蕊试纸变蓝且有刺激性气味的气体，请写出相应的化学方程式。

【思维程序】根据现象推测白色沉淀为Mg(OH)2，气体为NH3。类比教材《有机化学基础》中实验室制取乙炔气体的反应可知Mg3N2为离子化合物，由Mg2+和N3-构成；H2O是弱电解质，可电离出OH-和H+，根据电性重组分析过程如图3所示。

图3

3.1.2 共价化合物类型

【例3】(2021·广东省适应性考试·18·节选)综合利用炼锌矿渣[主要含铁酸镓Ga2(Fe2O4)3、铁酸锌ZnFe2O4]获得3种金属盐，并进一步利用镓盐制备具有优异光电性能的氮化镓(GaN)，部分工艺流程如图4所示。

图4

(5)GaN可采用MOCVD(金属有机物化学气相淀积)技术制得：以合成的三甲基镓为原料，使其与NH3发生系列反应得到GaN和另一种产物，该过程的化学方程式为______________________________。

【思维程序】由题意可知“MOCVD”工序中的化学反应为Ga(CH3)3与NH3反应得到目标产物GaN和另一种产物。由分析可知Ga(CH3)3与NH3均为共价化合物，显然NH3中N原子显负电性，H原子显正电性；Ga(CH3)3分子中心原子Ga为金属元素，与之成键的C原子为非金属元素，原子吸引电子能力C>Ga，故Ga—C共价键中C原子显负电性，Ga原子显正电性。其分析过程如图5所示，根据电性重组，反应生成目标产物GaN和副产物CH4。

图5

【例4】硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如图6所示：

图6

(5)单质硼可用于生产具有优良抗冲击性能的硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程：

。

【思维程序】“以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼”，该反应体系涉及氧化还原反应，H3BO3中的B(Ⅲ)被金属镁还原为单质硼，那么镁元素最终的存在形式呢？从H3BO3分子结构出发，由于非金属性B

图7

3.2 基于平衡思想书写信息方程式

3.2.1 电离平衡与沉淀溶解平衡

【例5】(2019·全国卷Ⅲ·26节选)高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备，工艺如图8所示。回答下列问题：

图8

(6)写出“沉锰”的离子方程式：

。

图9

3.2.2 水解平衡与沉淀溶解平衡

【例6】(2019·全国卷Ⅰ·26节选)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如图10所示。

图10

(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为

。

图11

3.2.3 络合平衡

【例7】(2021·湖北省适应性考试·节选)某化学兴趣小组通过查阅文献，设计了从某厂阳极泥(成分为Cu、Ag2Se、Au、Pt)中回收贵重金属的工艺，其流程如图12所示。

图12

(4)“酸溶”时Pt、Au分别转化为[PtCl6]2-和[AuCl4]-，写出Au溶解的离子方程式：

。

3.3 抓住素养提升的时机——竞争反应

这两个竞争反应统一于一个体系之中，至少可以从两个角度出发去看问题，一是难溶物[Mg(OH)2与MgCO3]的溶解度，二是反应体系的pH。不难发现，其他条件不变时溶解度小的物质更容易生成；pH增大更有利于Mg(OH)2的生成。这说明了化学变化的发生及趋势是有条件的，并遵循一定的规律，教师应引导学生多角度、动态地分析问题，发展学生的变化观念与平衡思想核心素养。

4.结语