工艺流程题与相分离技术的探索研究（定稿分栏）

1、工艺流程题与相分离技术的实证研究左香华1 崔雪琴2（1深圳市宝安区教研室 广东 深圳518101；2 东莞实验中学 广东 东莞 523000）摘 要 阐述了工艺流程题的两个发展阶段、三个特点及分类，并列举典型案例介绍相分离技术在解答工艺流程题中的两种应用。关键词 工艺流程题 能力立意 相分离技术 两相分离 三相分离7自2004年高中实施新课改后，为了考查学生“接受、吸收、整合化学信息的能力”，广东省作为高中课改的先行省份，每年均有工艺流程题出现。这种题型的出现对于考查学生的能力，体现高考的公平性有着显著的作用。且这一题型是广东省高考方案（2010年开始实施新调整方案）调整后难度系数最小（最难）

2、的一道试题（见表1和表2）。如何有效地解答工艺流程题已成为广大化学教育工作者的一项重要攻关任务。表1 2010年高考广东省理科综合非选择题化学试题各项指标统计题号满分考查内容均分难度区分度3016有机化学9.280.580.803116理论原理11.770.740.783216化工流程8.020.500.723316实验探究8.410.530.75合计6437.41表2 2011年高考广东省理科综合非选择题化学试题各项指标统计题号满分考查内容均分难度区分度3016有机化学8.420.530.823115理论原理8.540.570.773216化工流程6.370.400.723317实验探究8.

3、300.490.63合计6431.631工艺流程题的两个发展阶段1.1初级阶段。2004年至2006年，广东省高考化学试题中均出现了工艺流程题，但这一阶段主要以工艺流程为载体，考查相关的化学知识，且这些化学知识与工艺流程非密切相关，以2004年最为突出，试题设问与工艺流程非密切相关程度达到100%（见表3）。1.2成熟阶段。在2007年到2010年共计5年的高考中，其中2007至2009年是纯化学专业考查，2010至2011年是以理科综合的形式考查化学内容，试题设问与工艺流程密切相关，以2010年最为突出，其密切相关程度高达87.5%（见表3），且试题区分度很好（区分度均大于0.4，优秀试题的

4、区分度均在0.4以上）。这一阶段的工艺流程题选材新颖，陌生度高，试题由知识立意向能力立意转轨，着重考查学生的自学能力。2 工艺流程题的三个特点2.1情境新颖。从广东省8年（20042011年）来的11道工艺流程题来看，试题情境和选材都比较新颖、真实、先进。如2005年以含氧化铁的钛铁矿为原料制备二氧化钛、2009年以硼砂为原料制取镁、2010年以锂辉石制备碳酸锂等，都是教师和学生少见或未见的新物质、新材料，这对于广大考生来说是公平的。由于工艺流程题情境新颖，突出能力立意，故能扼制题海战术。2.2跨度较大。工艺流程题除题干和设问有较长的文字叙述外，工艺流程以框图形式呈现，从原料到产品经若干框图，

5、试题跨度较大，学生需现场阅读提取有用信息，解决（解答）化学问题。2.3 综合性强。分析8年（20042011年）来的无机工艺流程题，我们可以发现，工艺流程题集流程分析、图像分析（主要载体为溶解度曲线）、表格分析（主要载体是金属离子沉淀的pH对应表）、金属离子的逐步沉淀和分离、重结晶、过滤、沉淀的洗涤、热化学方程式的书写、陌生化学方程式的书写等于一体，具有较强的综合性。这也是工艺流程题难度大、区分度好的重要原因之一。表3 20042011年广东省工艺流程题相关指标统计表年份题号分值广东省均分难度区分度与工艺流程非密切相关与工艺流程密切相关分值20042016100%00%167.060.440.

6、60200522650%650%128.110.680.67200620228967%69%4433%31%12137.217.210.600.550.680.58200721246660%60%60%4440%40%40%10105.383.520.540.350.530.63200819234736%64%50%7464%36%50%11115.578.140.510.740.410.56200922650%650%126.880.570.69201032212.5%1487.5%168.020.500.72201132956%744%166.370.400.723 工艺流程的结构模式原料

7、或废弃物操作或反应主产物辅助原料 图1操作或反应辅助原料副产物目标产物副产品副产物3.1工艺流程的构成模式从原料到产品，要加入一些辅助原料，并经过一系列操作或反应，得到目标产物和副产物。3.2工艺流程的考查模式原料无机矿物核心化学反应所需产品原料的循环利用产品的分离和提纯排放物的无害化处理原料预处理除杂、净化 图2反应条件的控制基本规律：“主线主产品，分支副产品，回头为循环。”4 工艺流程题的分类4.1从工艺流程的结构上分（属类）4.1.1单线型。所谓单线型系指整个流程的主目的只有一个的一条直线型的工艺流程。如：2008年广东卷第23题由石英砂制高纯硅（原题略）。试题从原料到产品，工艺流程呈直

8、线型结构，中间会涉及一些化学反应、物质的分离和提纯等相关知识。4.1.2多线型（含双线型）。所谓多线型系指整个流程的主目的有多个（含两个），工艺流程中会出现多个分叉型结构。如：2004年广东卷第20题由海水可制得精盐和镁（原题略）。4.2从考察原理上分类（属类）4.2.1除杂型。如2007年广东卷第24题，由软锰矿（主要成分为二氧化锰，还含有Si、Fe、Al、Zn、Cu等元素的化合物）得出高纯二氧化锰的流程就是一个完全除杂过程，中间虽然有化学反应发生，但都是为了除去杂质（原题略）。4.2.2制备型。如2007年广东卷第21题，以氯化钠和硫酸铵为原料制备氯化铵，中间经溶解、蒸发浓缩、趁热过滤、冷

9、却结晶、过滤、洗涤、干燥等过程，最终制得氯化铵，属制备型（原题略）。4.2.3除杂+制备型。如2010年广东卷第32题属于这一类型（原题略）。表4 20042011年广东省工艺流程题分类汇总表年份题号属类属类单线型多线型200420除杂+制备型200522除杂+制备型200620除杂+制备型200622除杂+制备型200721制备型200724除杂型200819除杂型200823除杂+制备型200922除杂+制备型201032除杂+制备型201132除杂型由表4可以看出，单线型结构的工艺流程题居多，除杂+制备型的工艺流程题居多。解决这一类问题时，多线型的工艺流程题可分解为单线型问题来解决，除杂

10、+制备型工艺流程题可分解为除杂和制备两个思路进行，除杂侧重于分离和提纯，制备则侧重于反应原理。当学生能够迅速并准确地判断工艺流程题的类型时，即已基本弄清题目的大致走向，再下笔答题时就能做到心中有数。5 求解工艺流程题学生应具备的知识与技能5.1学生应具备较熟练的常见无机物及其应用（Na、Al、Fe、Cu、C、Si、N、S、Cl等10种元素的单质及其化合物）、反应原理、化学计算等的基础知识。在工艺流程题中，由原料到产品，常涉及到一系列物质间的化学变化，这些变化中涉及到的核心化学反应方程式是解答工艺流程题的一架马车的两个轮子之一。5.2学生应具备较熟练的物质的分离与提纯的基本技能。如溶解、蒸发浓缩

11、、过滤（含趁热过滤、减压过滤）、结晶（含蒸发结晶、冷却结晶、重结晶）、蒸馏、干燥、沉淀的洗涤、萃取和分液等相关实验技能。物质的分离与提纯是解答工艺流程题的一架马车的另一个轮子。6 相分离技术及其应用相分离技术是利用物质的相变化而将混合物进行分离的一种方法。要实现物质的相变化，有时须提供一定的条件让相关物质直接发生相变化（物理变化），有时须发生化学反应生成新物质而使物质的状态发生改变。如果待分离物质为气相，则可将杂质转化为固相或液相而将杂质除去，或将目标物转化为固相或液相而得到目标物；如果待分离物质为液相，则可将杂质转变为固相或气相，或将目标物转变为固相或气相而得到目标物；如果待分离物质为固相，

12、同样可将杂质转变为液相或气相而将杂质除去，或将目标物转化为气相或液相而得到目标物。6.1 控制一定条件，使水溶液或非水溶液相形成两相分离【案例1】（2006年广东省高考化学卷22题）往有机聚合物中添加阻燃剂，可增加聚合物的使用安全性，扩大其应用范围。例如，在某聚乙烯树脂中加入等质量由特殊工艺制备的阻燃型Mg(OH)2，树脂可燃性大大降低。该Mg(OH)2的生产工艺（如图3）如下：石灰乳精制卤水合成水热处理过滤水洗表面处理过滤水洗干燥图3精制卤水中的MgCl2与适量石灰乳反应合成碱式氯化镁Mg(OH)2xClx·mH2O，反应的化学方程式为 。合成反应后，继续在393K523K下水热处

13、理8h，发生反应： Mg(OH)2xClx·mH2O=(1-)Mg(OH)2+MgCl2+mH2O水热处理后，过滤、水洗。水洗的目的是 。 阻燃型Mg(OH)2具有晶粒大，易分散、与高分子材料相容性好等特点。上述工艺流程中与此有关的步骤是 。 已知热化学方程式： Mg(OH)2(s)MgO(s)+H2O(g)；H1=+81.5kJ·mol-1 Al(OH)3(s)Al2O3(s)+H2O(g)；H2=+87.7kJ·mol-1Mg(OH)2和Al(OH)3起阻燃作用的主要原因是 。等质量Mg(OH)2和Al(OH)3相比，阻燃效果较好的是 原因是 。常用阻燃剂主要

14、有三类：A.卤系，如四溴乙烷；B.磷系，如磷酸三苯酯；C.无机类，主要是Mg(OH)2和Al(OH)3。从环保的角度考虑，应用时较理想的阻燃剂是 （填代号)，理由是 。【解析】这是一道单线型、也是除杂+制备型工艺流程题。（1）从碱式氯化镁的化学式可知，OH的量应为（2x），而将氢氧化钙的计量数配为（2x）之后，由于氢氧化钙的角指数为2，故碱式氯化镁的计量数可配为2；结晶水为2m，故反应物中应加上2mH2O；再从钙入手配平得氯化钙的计量数为（2x），最后检查氯和镁是否配平即可得所求答案。（2）从“在393K523K下水热处理8h”发生反应的化学方程式知产物中有氯化镁，同时在第一个反应中还有可溶性

15、氯化钙、以及未反应完的氢氧化钙。（3）从题中信息“Mg(OH)2具有晶粒大，易分散、与高分子材料相容性好等特点”，故在上述工艺流程中，与此有关的答案是：水热处理、表面处理。（4）从题中提供的氢氧化镁和氢氧化铝的分解反应均为吸热反应可知，它们用作阻燃剂的原因在于吸热。Mg(OH)2；单位质量Mg(OH)2和Al(OH)3的热效应分别是1.41kJ·g1、1.12kJ·g1；单位质量的氢氧化镁吸热更多。（5）从卤系、磷系和无机类三类阻燃剂的分解产物来看，只有无机类的分解产物不燃烧、无污染。【参考答案】（1）2MgCl2+（2x）Ca(OH)2+2mH2O2Mg(OH)2xClx

16、·mH2O+（2x）CaCl2（2）MgCl2、 CaCl2 、Ca(OH)2。（3）水热处理、表面处理。（4）吸热或分解反应是吸热反应或吸热分解。Mg(OH)2；单位质量的氢氧化镁吸热更多。（5）C。阻燃剂在高温下的分解产物不燃烧、无污染，其阻燃效果好。【评述】用石灰乳和海水制氢氧化镁是一种常用方法，带未知数的方程式配平则是考察学生抽象思维能力的具体体现。将生成的沉淀碱式氯化镁过滤（形成固液两相分离）后再进行水洗，水洗的目的是为了除去水溶性杂质，如生成的氯化钙、未反应完的氯化镁和氢氧化钙；氢氧化镁具有晶粒大、易分散等特点，因此进行“水热处理和表面处理”；一般来说，分解反应都是吸热反

17、应，作为阻燃剂需吸收热量，而且是单位质量的物质吸热越多，阻燃效果越好，阻燃剂在高温下的分解产物不燃烧、无污染。6.2控制一定条件，使混合物形成三相分离工艺流程题涉及到的除杂原理的本质在于相分离使杂质和目标物处于不同的相中使之分离。常考点有液相（水溶液、非水液相）除杂，可将目标离子沉淀，或将杂质离子沉淀或变为气体，达到相分离的目的。非水液相除杂：气相除杂学生比较熟悉，常用洗气除杂、或将目标气体先吸收后解析的方法以达到相分离的目的。如合成氨氨气与H2、N2的分离，采用将氨气液化的方法。【案例2】（2011广东省32题）由熔盐电解法获得的粗铝中含一定量的金属钠和氢气，这些杂质可采用吹气精炼法除去，产

18、生的尾气经处理后可用于钢材镀铝，工艺流程（如图4）如下：电解170NaCl、KCl 废碱液冷凝坩埚中精炼700，通入Cl2冷却粗铝除渣高纯铝液高纯铝锭尾气气体A固体B回收液熔融盐镀铝制品图4（注：NaCl的熔点为801，AlCl3在181升华）（1）精炼前，需清除坩埚表面的氧化铁和石英砂，防止精炼时它们分别与铝发生置换反应产生新的杂质。相关的化学方程式为 ， 。（2）将Cl2连续通入坩埚中的粗铝熔体，杂质随气泡上浮除去。气泡的主要成分除Cl2外，还含有 。固态杂质粘附于气泡上，在熔体表面形成浮渣，浮渣中肯定存在 。（3）在用废碱液处理气体A的过程中，所发生反应的离子方程式为 。（4）镀铝电解池

19、中，金属铝为 极。熔融盐电镀液中铝元素和氯元素主要以AlCl4和Al2Cl7形式存在，铝电极的主要电极反应式为 。（5）钢材镀铝后，表面形成的致密氧化铝膜能防止钢材腐蚀，其原因是 。【解析】这是一道多线型、除杂型的工艺流程题。流程解读（见图5）：粗铝（铝、钠、氢气）核心化学反应：Cl2和铝反应生氯化铝、和钠反应生成氯化钠、和氢气反应生成氯化氢。气相：AlCl3（181升华）、 HCl和过量Cl2。 图5反应条件700，通入Cl2液相：高纯铝液固相：浮渣NaCl（熔点801）粗铝中含有一定量的钠和氢气，700时，通入氯气，则铝、钠、氢气均会与氯气发生反应，生成氯化铝、氯化钠和氯化氢，由题给信息（

20、NaCl的熔点为801，AlCl3在181升华）知，氯化钠为固体会形成浮渣（固体），铝会形成液体（熔点为660.4，且题中已告诉铝形成液体），气泡（气相混合物）的主要成分除过量氯气外，还含有AlCl3 和HCl，700时三相混合物自动分离，气体物在上层，液体物在下层，浮渣（吹气精炼过程中，氯化钠固体像炸油条一样会变得疏松多孔，其密度小于液态铝的密度，故浮于液态铝之上）位于液态铝之上，因此浮渣中肯定存在NaCl。高温【参考答案】（1）Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe 高温3SiO2+2Al=3Si+2Al2O3（2）AlCl3 HCl ；NaCl（3）Cl2+2OH =Cl+ ClO+H2O；H+ +OH=H2O（4）阳极、Al 3e+7AlCl4= 4Al2Cl7（5）隔绝空气、防止空气中氧气与水分和钢铁作用发生电化腐蚀。【评述】对水