高考||化学工艺流程题型解题模型建构及教学启示

摘要：通过对化学工艺流程题典型实例的剖析，建构化学工艺流程题型的认知模型，尝试从工艺流程题型的一般框架、剖析角度（方法）和化工生产思想等维度进行建模，渗透化工生产思想，并提出化学工艺流程题的教学建议。

关键词：模型认知；化学工艺流程；化工生产思想

一、问题的提出

从近年全国卷高考化学试题看，化学工艺流程题型成为高考化学试题的热点题型，而真实的化工生产已成为高考命题的重要素材。这类试题通常以元素流程图的形式呈现，重点考查学生应用典型的元素化合物知识、基本的反应原理和基础的实验操作去分析物质的转化过程和工艺条件，体现能力立意的命题指导思想，综合考查考生的分析解决问题的能力，体现综合性和应用性的要求。［1］如何科学有效地突破工艺流程题型，将复杂又陌生的情境剥离，找准解题方向，形成解题型策略呢？本文尝试从分析流程题型结构框架、建构工艺流程题型分析模型、培养学生化工生产思维角度展开讨论，并提出相关的教学建议。

二、建构工艺流程题型分析模型

科学模型在科学发展中起了巨大的作用，而化学模型作为科学模型中的一种科学方法，越来越受到重视。《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出高中化学课程要以发展学生的核心素养为主旨。“模型认知”作为化学学科五大核心素养之一，要求“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”［2］。可见，加强对模型认知的认识，对工艺流程进行分析建模，能帮助学生形成化学学科的思想方法，提升学生的素养水平。

现以2019年福建省高三毕业班质量检查试卷化学试题“用脆硫铅锑矿制取锑白”为例，分析其结构框架，剖析其流程转化，尝试建构工艺流程题分析模型。

原题呈现：利用脆硫铅锑矿（ 主要成分为Pb4FeSb6S14）制取锑白（Sb2O3）的湿法冶炼工艺流程如图1所示。

图1

1

认识流程图结构框架

化学工艺流程题以真实的化工生产过程为背景，对化工生产过程进行概括和抽象，将主要操作步骤或物质转化用框图和箭头连接起来，并以文字、表格或图像补充相关的信息，然后根据流程中涉及的中学化学知识进行设问，从而构成与化工生产紧密联系的试题。［3］试题包含题头、题干和设问三部分。试题的题头通常简要介绍化工产品的用途以及所用原料，题干呈现生产工艺流程图，对生产过程中涉及的中学化学知识设问。工艺流程图的解读尤其关键，通常将工艺流程图划分为三部分：原料的预处理阶段、核心反应阶段以及产品的分离、提纯阶段。可将上述流程图的结构框架划分，如图2所示。

图2 工艺流程图的结构框架

分析历年高考化学工艺流程题，不论是教育部考试中心统一命制的全国卷，还是各省、市自主命制的试题，基本都有一个化工生产流程图，其一般模型可用图3来表示：

图3 工艺流程图的一般模型

2

剖析流程转化，紧扣元素与操作主线

通过流程图的结构框架，可明确原料转化成产品的过程经历的一系列转化和相应的操作，将分析的重点放在核心反应阶段。不仅要弄清核心元素在流程转化各步骤中的变化，即加入了哪些物质、发生了什么反应、转化成了什么形式，而且要弄清杂质元素是如何从体系中分离出来、生产中经历了哪些工艺操作、如何控制操作条件等问题。对于核心反应的剖析，可从元素观的层面切入，从相同价态和不同价态两个角度展开，分析得到元素转化主线图，如图4所示。

图4 元素转化路线

工艺生产过程是一个围绕除去核心元素中所含杂质元素的过程。在分析转化过程时需要厘清在哪个环节除去了哪种杂质元素，是通过什么形式除去的，转化时需要采取什么措施或操作。这就需要从操作主线入手，该工艺流程所经历的操作主线如图5所示。

图5 操作步骤路线

工艺流程中涉及一系列实验基本操作，实验操作是解读流程转化的关键。对流程中所涉及的实验操作进行解读，有利于厘清生产过程中物质发生的变化，理解流程中各步转化的目的。现结合流程框架，梳理并总结工艺流程各阶段常涉及到的实验操作。原料预处理阶段涉及的主要操作有粉碎、研磨、浸取（酸浸、碱浸）、焙烧、煅烧等（如图6所示），产品的分离、提纯阶段涉及的主要操作有蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤（水洗、乙醇洗）、干燥、灼烧等（如图7所示）。

图6 原料预处理阶段的关键信息及解读

图7 产品分离提纯阶段关键信息及解读

3

培养化学工程观，聚焦科学态度和社会责任

化工生产是一个科学严谨的过程，是培养学生严谨求实科学态度的好素材，是培养“科学态度和社会责任”这一核心素养的重要途径。化工生产有别于实验室制备物质，表现在以下几个方面：首先，实验室制取物质时，原料通常是纯度很高的化学试剂，而化工生产所使用的原料成分复杂，通常含大量的杂质。因此化工生产需要考虑原料的来源、成本以及所含杂质对产品制备的影响。其次，实验室反应条件通常比较单一，操作也是简单易行的，加热是最常见的反应条件；而化工生产对反应条件要求十分苛刻，通过控制或优化反应条件以达到生产目的。［4］再者，实验室通常只制取少量物质，而化工生产是大批量生产，对于环境保护的意识、对于经济效益的追求，如何实现物质的循环利用、如何实现节能减排、如何提高生产效益，这些都是化工生产时需要考虑并解决的问题。

4

将流程图知识网络化，化整为零各个

击破

通过对脆硫铅锑矿制取锑白的工艺流程的实例分析，对工艺流程题进行思维建模。首先对流程图框架结构进行划分，反应前“原料的预处理”和反应后“产品的分离提纯”可从涉及的操作关键信息入手。“核心反应”是分析建模的重点和难点，将复杂陌生情境剥离，着重从化学观念和实验操作两大层面分析，将元素化合物知识、化学原理、实验方法等知识融会贯通，逐步渗透元素观、分类观和价态观等化学基本观念，培养绿色化学思想和条件优化思想，化整为零各个击破，最终达到将流程图知识网络化的目的。化学工艺流程解题建模如图8所示。

图8 化学工艺流程解题建模图

三、教学建议

1

注重流程分析，培养化工生产思维

流程中时常要求根据题给信息判断元素化合价是否改变，从而确定反应物和生成物，书写相关反应的化学方程式；判断流程中有无可循环利用的物质；对生产工艺的优缺点进行简单的评价，都是化工生产思维在试题中的体现。教学中可以发掘教材中的素材，将真实的流程呈现，引导学生分析流程时把握化工生产与实验室制备的不同。如教材中有海水提镁、海水提溴、铝土矿中铝的冶炼。这些都能设计出合理的流程，引导学生展开讨论，融入化工生产思维，从经济性、优化性、绿色化等角度入手，有意识地落实化学工程观。

2

注重实验基础知识和化学基本原理的

教学

从高考命题趋势看，更加重视基础知识和化学基本原理在生产生活中实际应用的考查；从学生解答时常犯错误看，实验基础知识欠缺和化学基本原理不牢是失分严重的一个重要原因。教学时要挖掘教材，稳抓夯牢，熟练掌握基本实验操作和基本技能，通过题给信息拓展提升，逐步将化学基本原理融会贯通。如铝土矿中冶炼铝是利用Al2O3的两性，BeO、ZnO、Sb2O3等陌生元素的氧化物也是两性化合物，将陌生元素、陌生情境剥离，迅速而又准确地获取并加工有实质性的信息——“两性”，从而快速分析解答。

3

注重教学中引导学生动脑绘制流程图

快速而准确地破解流程图是解题的关键。在绘制流程图的过程中，促使学生关注工艺流程中的关键词，充分理解流程转化的关键点以及核心反应中工艺条件的控制选择，逐步克服解流程题的畏惧感，从而达到良好的教学效果。［5］教学时引导并鼓励学生建构分析模型，引导学生尝试绘制流程转化图。如鼓励学生动手尝试绘制高中化学《必修1》教材中《海水中的元素》“海水提镁”“海水提溴”的流程图，协助学生逐步完善并丰富流程的细节，建构更科学合理的流程，启发学生从命题者的角度思考设问，并提升回答问题的规范性和合理性。

参考文献：

［1］单旭峰. 在继承的基础上探索创新［J］. 中学化学教学参考，2017(7).

［2］单旭峰. 对“模型认知”学科核心素养的认识与思考［J］. 化学教学，2019(3).

［3］王保强. 化学工艺流程图题的命题特点和应对策略［J］. 化学教学，2013(8).

［4］王钦忠，高明. 浅议中学化学教学联系化工案例的思考与实践［J］. 化学教学，2018(2).

［5］黄海云. 利用“模型法”突破工艺流程图题［J］. 化学教学，2015(1).

作者：刘宝强 严业安   三明第一中学

基金项目：福建省中学化学严业安名师工作室阶段性研究成果。

文章来源：福建基础教育研究2019年第7期