巧用“元素归位法”，快速分析化工题

费鹏

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，新课程改革的教育理念是要培养学生的化学核心素养，在命题中强调“以核心素养为测试宗旨，以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务，以化学知识为解决问题的工具” ，特别注重考查解决实际问题的能力。《中国高考评价体系》一书详细介绍了我国“一核”“四层”“四翼”的高考评价内容，强调“在面对生活实践或学习探索问题情境时，组织整合相应的知识与能力、运用不同的技术方法进行各种操作活动以解决问题的综合品质”。化工流程题以真实的化工生产为背景，考查学生对元素化合物知识综合掌握情况，以及从理论到应用的综合能力和素养，非常符合新高考的考查目标，也具有较大难度和很好区分度。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，新课程改革的教育理念是要培养学生的化学核心素养，在命题中强调“以核心素养为测试宗旨，以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务，以化学知识为解决问题的工具” ，特别注重考查解决实际问题的能力。《中国高考评价体系》一书详细介绍了我国“一核”“四层”“四翼”的高考评价内容，强调“在面对生活实践或学习探索问题情境时，组织整合相应的知识与能力，运用不同的技术方法进行各种操作活动以解决问题的综合品质”。化工流程题以真实的化工生产为背景，考查学生对元素化合物知识综合掌握情况，从理论到应用的综合能力和素养，非常符合新高考的考查目标。同时，这种题型也具有较大难度和很好区分度，最好能找到巧妙思考的 方法。

化工流程题的最大特点是通过流程图的形式把物质在化工生产中怎样投料，怎样反应，是变成了主产品、副产品、还是杂质，进行了综合描述。由于题境陌生，信息量大，学生很难取得高分。因此，怎样分析题干，怎样从纷繁的信息中快速找到解题方向，就显得尤为重要。我总结的“元素归位法”就是研究如何迅速找到流程的突破口，进而分析流程中的物质，特别在非常紧张的考场上，可以让学生快速找到思路，理清流程，顺利作答。

所谓的“元素归位法”指的是在流程分析中，把加入的物质分解为“元素”，分析这些元素各自到了流程的哪一部分，是产品，还是副产品、杂质、滤液、滤渣等，这个过程只推导元素的走向，暂时不分析具体物质，难度会大大降低。

具体推导过程如下：

1. 列出流程中出现的所有主要元素。分析原料以及流程中途加入的物质，把全部元素列出来；

2. 找到已知去处的元素。从产品、已知物入手，综合题目信息分析，得到這些物质所涉及的元素；

3. 从原料的全部元素中，删掉已经有了去处的元素，剩下的就是流程中未知物质涉及的元素了。

从产品入手，采用逆推思路，这是因为产品涉及的元素比较少，容易分析一些。

推导出各个节点物质的元素后，再根据题目的其他信息，反应规律等，得到流程中各个物质的化学式，最后根据题目要求作答。下面我通过几道高考原题，来介绍一下具体的 做法。

1. 分析原料和流程中加入的物质，列出流程中所出现的所有主要元素；

2. 从产品化学式、题目信息、流程中已知的物质等综合分析，得到这些物质所涉及的元素；

3. 从原料中的全部元素中，删掉已经有了去处的元素，剩下的就是流程中未知物质涉及的元素了。

在分析时采用逆推的思路，因为产品涉及的元素比较少，推导容易。分析出各个节点物质的元素，再根据题目的其他信息，反应规律等，推导出流程中的具体物质，最后根据题目要求作答。下面我通过几道高考原题，来分析一下具体的做法。

【例1】（2020·山东卷）用软锰矿（主要成分为MnO2，含少量Fe3O4、Al2O3）和BaS制备高纯MnCO3的工艺流程如图1所示。

已知：MnO2是一种两性氧化物；25℃时相关物质的K sp 见下表。

物质Fe（OH）2Fe（OH）3Al（OH）3Mn（OH）2

K sp 1×10 －163 1×10 －386 1×10 －323 1×10 －127

分析：本题的流程比较复杂，有两种物质5种元素，同时在流程中还加入了三次其他物质，难度较大。不过，采取“元素归位法”分析，可以快速找到流程的突破口。

第一步：确定元素在流程中的“来”和“去”。推导时先简后繁，先把产品列出来，再看流程中已知的物质，比如副产品或者废渣等，剩下的元素，就应该出现在流程中未知物质当中了。

这个流程中，两种原料总共含有Mn、Fe、Al、Ba、S和O六种元素。流程有两条主线，上面那条终点是Ba元素，下面那条终点是Mn元素，流程提示S元素为杂质，则剩下的是Fe、Al和O元素了。O元素通常会形成H2O等，一般不考虑，而Fe和Al元素不太可能出现在滤液中，它俩应该都出现在废渣里。这一分析，虽然我们对具体流程还不是特别清晰，但元素的主要的“来”、“去”关系就已经比较清楚了。分析示意图如下：

第一步：确定元素在流程中的“来”和“去”。推导时先简后繁，先把产品等已知物质先列出来，再看流程中的副产品或者废渣等，剩下的元素，就应该出现在流程中未知物质当中了。

这个流程中，两种原料总共含有Mn、Fe、Al、Ba、S和O六种元素。流程有两条主线，上面那条的终点是Ba元素，下面那条的终点是Mn元素，流程提示S元素为杂质，则剩下的是Fe、Al和O元素了。O元素通常会形成H2O等，一般不考虑，而Fe和Al元素不太可能出现在滤液中，它俩应该都出现在废渣里。这一分析，虽然我们对具体流程还不是特别清晰，但元素的主要的“来”、“去”关系就已经比较清楚了。分析示意图如2所示。

第二步：确定各个节点具体是什么物质。综合运用化学反应规律来分析和推导：如果化合价变化，则用氧化还原反应的升降价规律来推导；如果没有化合价变化，则一般用复分解反应交换离子的规律来推导；如果是调pH来沉淀杂质离子的，则沉淀一般为氢氧化物；如果加沉淀剂的，则沉淀一般为难溶盐。综合运用上述反应规律，确定流程中物质的具体化学式。而且，这个分析过程也是在研究流程中物质反应规律，可以帮助同学们正确完成有关方程式书写的题目。

本题分析如下：

1. 原料中的S为-2价，副产物中的S为0价；原料中的Mn为+4价，产品中的Mn为+2价，因此，软锰矿和BaS溶液混合后，发生氧化还原反应。

2.同时，原料中的Fe元素有+3价，跟BaS反应后，Fe元素也会降价，产物也会有Fe 2+ 。后续加氨水为调pH沉淀杂质离子，所以，过滤出硫磺后，往滤液中加入的试剂X，很明显为一种氧化剂，把Fe 2+ 氧化为Fe 3+ ，方便生成 Fe（OH）3 沉淀。由此得出，加入的氨水把Fe 3+ 和Al 3+ 变成 Fe（OH） 3和Al（OH）3沉淀而除去。

同时，原料中的Fe元素有+3价，跟BaS反应后，Fe元素也会降价，产物也会以Fe 2+ 。所以，过滤出硫磺后，往滤液中加入的试剂X，很明显为一种氧化剂，把Fe 2+ 氧化为Fe 3+ ，方便生成Fe（OH）3沉淀，所以，加氨水起到调节pH的作用，把Fe 3+ 和Al 3+ 变成Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀而除去。

3. 为什么Al元素也在这里沉淀了呢？很显然，后面的流程没有Al元素出现的地方了，根据“元素归位法”分析，那么它只可能在这里被除掉。

4. 把废渣压滤出来后，溶液中只剩下Mn 2+ 和SO 2- 4，所以滤液是MnSO4。加入NH4HCO3和NH3·H2O相当于加入（NH4）2CO3溶液，它和MnSO4只能发生复分解反应，生成MnCO3固体，所以滤液II应该是（NH4）2SO4。

5. 根据“元素归位法”分析，原料中每个元素都有了去处，所以第一次过滤后，上面的主线中已经没有Ba（OH）2之外的元素了，这条线只是描述Ba（OH）2的结晶过程，所以滤液Ⅰ为Ba（OH）2母液。

同理，流程的下面一条主线中，把废渣压滤出来后，滤液中应该是MnSO4，则加入NH4HCO3和NH3·H2O后，发生的是复分解反应，固体是MnCO3了，则滤液II里则应该是（NH4）2SO4。

把物质分析出来后，即可以填在流程图中：

第三步：理清流程后，根据题目的其他信息，包括Ksp，溶解性等，综合分析，即可轻松答题。

本题有以下设问：

（1）软锰矿预先粉碎的目的是 ① ，MnO2与BaS溶液反应转化为MnO的化学方程式为 ② 。

（2）保持BaS投料量不变，随MnO2与BaS投料比增大，S的量达到最大值后无明显变化，而Ba（OH）2的量达到最大值后会减小，减小的原因是 ③ 。

（3）滤液I可循环使用，应当将其导入到 ④ 操作中（填操作单元的名称）。

（4）净化时需先加入的试剂X为 ⑤ （填化学式）。再使用氨水调溶液的pH，则pH的理论最小值为 ⑥ （当溶液中某离子浓度c< 10×10 -5 moL·L －1 時，可认为该离子沉淀完全）。

（5）碳化过程中发生反应的离子方程式为 ⑦ 。

可以看到，其中的第②④⑤⑦四个空，共计8分，都跟刚才的流程分析直接紧密相关，因此，使用“元素归位法”分析流程，可以快速分析化工流程题中的物质，起到事半功倍的效果。

【例2】（2020·新课标Ⅰ）钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以+3、+4、+5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：

金属离子Fe 3+ Fe 2+ Al 3+ Mn 2+

开始沉淀pH19703081

完全沉淀pH329047101

回答下列问题：

（1）“酸浸氧化”需要加热，其原因是_______________________________________ 。

（2）“酸浸氧化”中，VO+和VO 2+ 被氧化成VO+2，同时还有__________  离子被氧化。写出VO+转化为VO+2反应的离子方程式__________________________   。

（3）“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子K+、Mg 2+ 、Na+、__________  ，以及部分的__________________________   。

（4）“沉淀转溶”中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是__________  。

（5）“调pH”中有沉淀生产，生成沉淀反应的化学方程式是__________  。

（6）“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是__________  。

“元素归位法”分析：

本题涉及的物质和元素都很多，提示的信息也很多，需要学生很强的信息分析能力。首先，把所涉及的元素在流程中列出来，则加入的主要元素有8种，分别是：V，K，Mg，Al，Si，Fe以及后来加入的Mn，Na等。用逆推法推导，最后的产品中含V元素，滤渣1含Si元素，题目提示滤液2已经有K，Mg，Na三种元素了，8-5=3，所以还有Mn，Fe，Al三种元素，流程中还有滤渣等三个物质，正好为三种元素的去处，根据性质分析，则Mn，Fe，Al三种元素分别存在于滤液2，滤渣3和滤渣4中。分析思路如下图，符号所表示的都是元素：

分析元素以及题目中的信息，可以得出有关结论如下：

1. 根据变价规律，+4价的MnO2具有氧化性，把不同价态V元素都氧化为+5价的VO-3，同时，Fe元素也被氧化为+3价，而溶液中将产生+2价的Mn 2+ ，这里有2个氧化还原反应。

2. 结合题目中离子沉淀的pH范围，不难推出Mn元素位于滤液2中，加过量NaOH溶液后，Al元素转化为AlO-2了，所以，滤渣3为Fe（OH）3，滤渣4为Al（OH）3。

具体物质如图6：

分析出流程中的物质，再回答问题就很容易了。

【例3】（2019·新课标Ⅰ）硼酸（H3BO3）是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工艺。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7所示。

回答下列问题：

（1）在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉，产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为     。

（2）“滤渣1”的主要成分有     。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe 3+ 离子，可选用的化学试剂是   。

（3）根据H3BO3的解离反应：H3BO3+H2OH++

B（OH） -4，Ka=581×10- 10 ，可判断H3BO3是__________酸；

在“过滤2”前，将溶液pH调节至35，目的是__________ 。

（4）在“沉镁”中生成Mg（OH）2·MgCO3沉淀的离子方程式为__________ ，母液经加热后可返回__________  工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是     。

“元素归位法”分析：首先分析元素的“来”和“去”，原料总共有5种元素（Mg、B、Si、Fe、Al）加入，根据流程，主产物为Mg元素，副产物为B元素，流程中出去的只有滤渣1，因此这个滤渣含有Si、Fe、Al三种元素，得到如下的元素归位图：

进一步分析可以得出，B、Mg等元素的化合价在反应前后没有变化，加（NH4）2SO4溶液发生时，发生的反应应该为复分解反应，所以出来的气体为NH3，由于（NH4）2SO4溶液的酸性有限，所以濾渣1应该是没有参加反应的Fe2O3、Al2O3和SiO2，用NH4HCO3吸收NH3反应生成了（NH4）2CO3，所以沉镁为MgSO4和（NH4）2CO3的反应。

具体物质如图9所示。

流程分析清楚了，再按要求答题，就不是很难了。

综上所述，利用“元素归位法”可以快速地分析化工流程中各个节点的物质，从而对学生解答题目提供思路。当然，一种方法不是能够全面解决这种难题，需要老师们和同学们不断探索，寻求更多解题规律。除此之外，也要理解化工生产的最终目标是为了“多快好省”地获得产品，这样可以更好理解化工生产陌生题境的目的。我们要多从实际出发进行思考，从而把这种题型做得更好。

责任编辑 李平安