高考中的“明星”题目<br/>——工艺流程题的命题与解题

高考中的“明星”题目
——工艺流程题的命题与解题

2023-04-17赵鑫光

教学考试(高考化学) 2023年2期

赵鑫光

(吉林省长春市长春吉大附中实验学校)

在新高考评价体系中,化学学业水平考试的主要目的是评价学生化学学科核心素养的发展状况和学业质量标准的达成程度,这是新高考区别于传统考试的重要特征。《中国高考评价体系说明》中指出,引导学生的关注点从“解题”向“解决问题”转变。采用真实情境下的主题式教学,打破原有知识的孤立性和零散性。通过设置真实的问题情境,考查学生运用所学知识分析解决问题的能力,促进学生学习方式的转变,为学生的终生学习奠定坚实的基础。

根据学业水平考试的目的,化学学业水平考试命题必须坚持以化学学科核心素养为导向,准确把握“素养” “情境” “问题”和“知识”四个要素在命题中的定位与相互联系,构建以化学学科核心素养为导向的命题框架。试题的命制应该以实际问题为测试任务,以真实情境为测试载体,以化学知识为解决问题的工具,以学科核心素养为测试宗旨。工艺流程题以简洁的工艺流程图再现实际生产的关键环节,情境真实而有意义,对培养学生的科学精神和社会责任、引导教学、选拔具有创新思维和能力的学生大有裨益,充分显示了新高考评价体系中“一核”的引领功能,试题中也能充分体现“四层” “四翼”的考查内容和考查要求,完全符合新高考的命题原则,上述原因使得工艺流程题成为高考中的“明星”题目。

一、工艺流程题的命题框架

二、工艺流程题的学科价值

通过选取有引领作用的背景素材,再现实际生产的关键环节,情境真实而有意义,这种真实情境可以引导学生关心现实问题,解决生产、生活中的实际问题,有利于培养学生的科学精神和社会责任感,激发学生对化学学科的热爱。这是工艺流程题体现出的学科社会价值。

通过题干给出的信息和设置的问题,学生可以认识到化学科学对人类进步和发展的贡献,秉承可持续发展意识和绿色化学观念,能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断,这是工艺流程题体现出的学科本质价值。

通过流程图的分析和解读,学生可以了解科学研究的过程,领悟科学家的思维方法以及严谨求实、不畏艰难、勇于探索和追求真理的科学精神;流程图展示出了化学在新理论的创立、新材料的研制、新药物的合成、新能源的开发等方面的巨大成果,激发学习兴趣,这是工艺流程题体现出的学科育人价值。

三、工艺流程题命题过程

第一步:选取真实的情境素材

工艺流程题的背景素材来源于实际工业生产的关键环节,情境真实而有意义。这样的素材选取原则启示我们:源于生产、情境新颖是这类试题的一大特色。情境载体涉及面广,以过渡金属元素考查居多,且大都是学生较为陌生的内容。

第二步:设计题干绘制流程图

流程图的设计首先要捕捉素材中与高中知识、素养、能力密切相关的内容,然后将与考查内容相关的关键流程、方法和技术处理成清晰、简洁的流程图。但在设计流程时考虑到高中学生所学实际情况,对相关条件、步骤进行了适当的处理,保留了关键操作,给出了必要的物质信息。这样简化处理给我们的启示是:题目虽新,但考查的知识大多是我们学过的内容。

第三步:设置基础性为主的问题

命题时,根据高中学生的知识储备、素养要求以及高考对化学学科关键能力的考查,所设计的问题大多是对主干知识的考查,避免出现偏难怪的设问,这就告诉我们要有自信心,高考大题是完全可以得大部分分数的。

第四步:增强设问的综合性和应用性

该步骤紧扣学科素养和关键能力,整合情境素材和考查内容,通过建立新旧知识的联系、综合多个模块内容,考查学生的综合应用能力。个别题目应具备一定的难度和区分度以体现高考的选拔功能。对于这些题目,学生需经过慎重的思考推理才能解答,“跳一跳”才能摘到“桃子”,此外有些个别题目不会做实属正常,不要过于纠结影响心情。

第五步:调整难度,设置分值

试题初步命制完之后,要整体统筹,做到难度合理,区分度明显。试题难度调整可采取同类题目替换、信息提示、数据简化等方法。

总之,工艺流程题的命制以真实、新颖的情境为素材,保证了命题的科学性。融合多种必备知识,在保证一定量的基础性设问的前提下,设置学科内综合的问题和关于新情境应用的问题,保证了设问的层次性。此外,在考查素养和能力的同时也向学生介绍了新知识,展示了实际问题的复杂性、综合性,展现了化学学科的魅力,实现了围绕化学工艺流程进行多角度、多层次、有梯度的考查。

四、工艺流程题解题策略——建模

(一)了解工艺流程题的结构模型

工艺流程题的结构主要分为题头,题干和设问三部分,题头主要是用准确简单的文字介绍该工艺生产中使用的原料、所含的杂质、想要得到的目标产品等基本信息。题干部分用框图形式将需要进行的操作、物质间的转化、分离提纯的过程等主要生产工艺流程表示出来。例如2020年全国Ⅰ卷,26题中的工艺流程图就可以分为以下几个环节:

图1

(二)建立工艺流程题的解题思维模型

其中三条思维主线具体内容如下:

①元素转化线(跟踪每种元素走向)

根据元素转化守恒思想,跟踪每种元素走向及其转化形式,目标元素肯定会走到最后,杂质元素在过程中一定要除去,不能放过每一种杂质元素。

②价态变化线(确定所加试剂作用)

根据分析元素的价态转变来判断所加试剂的目的,是提供酸碱介质还是调节pH,还是作氧化剂或还原剂。通过价态转变来判断反应类型,氧化还原还是非氧化还原,从而正确书写陌生方程式。

③实验操作线(确定除杂分离方法)

根据每一步操作目标物质的转化过程,分析杂质是用什么试剂,用什么方法除去,目标产物又是通过什么实验方法得到。

(三)构建工艺流程题的知识体系

工艺流程题通常设置的考点有以下几个方面:(1)原料或废料的预处理;(2)反应条件的控制与优化;(3)分离、提纯等基本操作;(4)物质的转化原理,化学方程式、离子方程式的书写;(5)物质成分的定量、定性分析,包括滤渣、循环物质、母液等;(6)纯度、含量、转化率、产率等的计算。根据考点的设置,知识体系的构建如下:

(1)原料预处理阶段要考虑以下几个问题:

①为什么要进行预处理?预处理的目的是使矿物原料中的粒子进入溶液或高温焙烧便于除杂。预处理过程可以发生物质转化除去部分杂质。

②怎样进行预处理?预处理的方式有研磨、粉碎、搅拌、水浸、酸浸、碱浸、盐浸、醇浸、焙烧等。

③为什么要焙烧?高温焙烧的目的是改变物质结构,使一些物质转化为可溶的物质,使一些杂质(如有机物等)在高温下氧化分解等。

④如何能提高浸出的效果?提高浸出率的方法一般有:增大反应物的接触面积,适当增大溶剂浓度,适当升高温度,多次搅拌,长时间浸取等。

(2)控制体系pH时要考虑以下几点:

①调节pH的目的是:使某些金属离子生成沉淀而除去;调节溶液的酸碱性;促进或抑制水解;创造核心反应需要的酸性或碱性条件。

②调节pH的方法:加入氧化物、碳酸盐、硫酸或盐酸等酸液、氢氧化钠或氨水等碱液、难溶性氢氧化物、碱式碳酸盐等。

③调节pH的原则:不引入新杂质离子,不能使所需离子或产物损失。

④调节pH时需注意范围,pH过小会导致某些离子沉淀不完全,pH过大会导致目标产物损失。

(3)调控体系温度时要考虑以下几点:

①升高温度的目的有:加快反应速率,加快溶浸速率,促进化学平衡向吸热方向移动,去除遇热不稳定的杂质(如NaHCO3、NH4Cl、H2O2等),促进低沸点的原料汽化或升华,促进盐类水解,促进溶解度随温度升高而减小的物质析出等。

②降低温度的目的有:减慢反应速率,促进化学平衡向放热方向移动,防止产物因温度过高而分解或者挥发,使某些物质通过降温液化或固化,降低某些物质的溶解度从而结晶析出,减少能源成本、降低对设备的要求等。

③控制温度在一定范围内的目的有:既能保证一定的反应速率又能防止副反应的发生,保持催化剂的最好活性,通过蒸馏或分馏得到产品或去除杂质,趁热过滤时防止产品提前析出等。控制温度在一定范围内的方法是采用水浴、油浴或砂浴。

(4)物质的分离提纯主要考虑以下几点:

①固体和液体的分离:固液不互溶的采用过滤法分离。固液互溶的采用结晶法,结晶法有蒸发结晶和冷却结晶两种方法,溶解度随温度变化较小,产品受热不容易分解的采用蒸发结晶法,溶解度随温度变化较大,产品含有结晶水或受热易分解的采用冷却结晶法。

②液体和液体的分离:液液混溶的采用蒸馏法,液液不互溶的采用分液法。

③固体和固体的分离:若其中某种物质有易升华的性质,可采用升华法;若产物和杂质在某种溶剂中的溶解度有较大差异可以采用重结晶的方法分离提纯,重结晶的一般步骤是:加热溶解,趁热过滤,冷却结晶,过滤、洗涤、干燥。

④其他方法:萃取法——用一种溶剂将溶质从另一种溶剂中提取出来;盐析——加无机盐使溶质的溶解度降低而析出。

(四)构建工艺流程题的解题步骤

①明确目的,熟悉步骤:从题干信息中找到该化学工艺流程题要达到的目的。因为化工题中几乎所有的设问都围绕着如何实现该化学工艺目的。弄清楚化学工艺流程题要达到的目的,对后面问题的解决起着十分重要的作用,保证后面在回答问题时不答偏方向,即为解题奠定方向基础。

②先审问题,再看流程:一般化工流程题的流程图都较为复杂,但是问题一般只会涉及几个关键的步骤,或者有些设问与流程图根本没关系。所以考生应该带着问题去研读相应流程图中的某些步骤或图像中回答问题必须要涉及的具体点。看清楚问题的具体指向,不要审错问题,千万别犯低级错误而导致丢分,这样可以少走弯路、节省时间,考生可以在较短的时间内快速作答,提高解题的针对性和时效性。

③关注信息,学会迁移:从某种原料出发,要得到最终产品,必须除去什么元素、引进什么元素?关注杂质离子的去向及产品的生成,有时需要逆向推导。题干中的陌生信息一般是重要的暗示和突破口,所给的信息一定有用,但需要考生经过提炼、重组、分解和迁移,并结合设问分析、判断,才能应用信息解决问题,正确作答。

④答案精准,答题规范:回答问题时尽可能使用准确精练的语言,使用准确的化学用语(化学反应方程式或离子反应方程式)规范作答。答题要抓住给分点,避免因漏掉正确答案而失分。