化工流程题解题思路和备考策略

摘要

对近3年高考全国卷化工流程试题进行分析，首先，从考查形式及特点、考查内容、考查能力与素养3个方面，分析化工流程试题特点；其次，从基于流程工序特点和基于流程主支线两个角度，探讨化工流程试题的解题思路；最后，提出“回归教材”“开展大单元教学”和“建构思维模型”3点备考策略，以期为高三化工流程的复习备考提供帮助。

Graphical abstract

关键词

试题特点 / 化工 / 流程工序 / 主支线 / 备考策略 / 高考全国卷 / 试题分析

化工流程试题以化学学科核心素养为测试宗旨，以新颖真实的工业生产流程情境为测试载体，要求学生在短时间内根据所给情境提取有效信息并加工整合，再结合化学知识，解决真实的、有意义的实际问题。因此，该类高考试题自2013年问世12年以来，一直是全国卷的稳定题型。目前，虽然有很多省市已经实行新高考自主命题，但全国卷的命题思想、试题结构和考查指向等内容仍具有极大的参考价值。基于上述思考，笔者对近3年高考全国卷化工流程题展开研究，分析试题特点，探讨试题解题思路，提出复习备考策略。

1 试题分析

以2022—2024年高考全国卷化工流程试题为研究对象，分析其考查形式及特点、考查内容，以及考查能力与素养等内容。

1.1 考查形式及特点

（1） 从试题作答形式看，高考全国卷全部以非选择题形式出现，填空数为8～10个，分值约15分。

（2） 从试题呈现形式看，试题全部以“文字叙述+‘原料→目标产物’流程框图”的形式呈现，图1为化工流程图的一般形式。当然，部分试题会包含表格和图象。研究发现，近3年全国卷试题多为含钛、钒、铬、锰、钴、镍、铅和钡等元素的矿物原料、工业废渣或废料到具有高附加利用价值化工产品的转化，这些原料中往往还含有硅、铝、铁、钙、镁、硫等杂质元素，在转化过程中也要将这些杂质元素全部去除。

1.2 考查内容

（1） 从考查主题和模块看，参考《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）对主题和模块的划分^［1］，主要包括必修教材中常见的无机物及其应用、化学反应规律主题，以及化学反应原理、物质结构与性质模块。

（2） 从考查内容看，参考“新课标”内容要求，主要包括氧化还原反应、电离与离子反应、元素及其化合物、化学反应与电能、化学反应的调控、水解反应、沉淀溶解平衡和化学实验（如过滤、萃取、结晶）等。

（3） 从设问角度看，试题主要考查：提高浸取速率的措施；某工序化学方程式的书写；滤渣或滤液的主要成分；某阶段加入试剂X的最优选择，可除去的杂质离子；能循环使用的物质；电极反应式书写；难溶物K_sp、金属离子浓度以及沉淀离子时须调节pH的计算；等等。值得注意的是，化工流程情境下陌生方程式书写的命题率为100%！

1.3 考查能力和素养

（1） 从考查能力看，《中国高考评价体系》对“关键能力”的定义为：即将进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力^［2］。高考化工流程试题主要考查的内容：理解与辨析能力（特定情境下陌生方程式的书写）、分析与推测能力（添加试剂的作用，以及滤液、滤渣的组成）、归纳与论证能力和探究与创新能力（高附加价值化工产品的制备设计）等。

（2） 从考查素养看，重点考查“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等学科素养，要求学生逐步树立化学学科的思想并掌握运用化学学科知识解决问题的方法。同时，兼顾考查“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”。

2 解题思路探讨

2.1 基于流程工序特点

化工流程包含：原料预处理、核心化学反应、产品分离与提纯等工序。每道工序均有进有出，进的物质为原料或上一道工序产出的滤液或滤饼，以及另外加入的试剂；产出的物质为滤液以及滤渣。一般将固体废物称为滤渣，有利用价值的固体称为滤饼。

（1） 原料预处理工序。

①预处理工序一般包括粉碎、煅烧、溶浸等步骤。在实际流程中可能均含有，也可能仅含有1～2个。

②矿物原料、废渣、废料一般会呈现为块状，因其颗粒较大，故须将其粉碎，这样既可以增加固体的比表面积，又增大后续溶浸（或浸出）阶段的速率，最终提高原料的利用率。

③煅烧目的主要包括以下4点：一是使稳定性较差的成分分解，如煅烧可使金属碳酸盐分解；二是使某些金属氧化物与固体盐发生复分解反应；三是将低价态的非金属元素氧化为高价气态氧化物逸出；四是将低价态的金属元素氧化为高价态化合物，如可以将铬铁矿（主要成分为FeCr₂O₄）在碱性介质中（如NaOH）氧化为最高价含氧酸盐（Na₂CrO₄、NaFeO₂）。

④溶浸步骤分为：酸浸、碱浸和水浸，其目的是使处于固体中的元素离子进入溶液中，从而便于后续的转化和除去。

⑤表1为2022—2024年高考全国卷工艺流程题预处理工序设问统计表。

在具体解答试题时，可以从粉碎、煅烧和溶浸目的入手。以2024年全国新课标卷T27为例，第（1）问“滤渣1”中金属元素主要为_______。“滤渣1”是硫酸酸浸后过滤得到的固体，联系硫酸酸浸可除去不溶于该酸的杂质（如SiO₂、CaSO₄、PbSO₄等），酸浸“浸”的是Co、Zn、Pb和Fe的单质或氧化物，因此这里的金属元素主要为Pb元素。又以2023年全国甲卷T26为例，第（1）问“焙烧”步骤中碳粉的主要作用是_______。联系焙烧能够将低价态的非金属元素氧化为高价气态氧化物逸出，即能使C转化为CO（一般C粉过量），且C元素化合价上升，因此C粉起到了还原剂的作用。

（2） 核心化学反应工序。

①添加试剂可以发生复分解反应（如水解反应、沉淀的生成或转化反应）、氧化还原反应等核心反应，借此实现产品的制备和杂质的去除。

②当添加氧化剂或还原剂时，可以转化目标元素或杂质元素的价态，如加入氧化剂可以将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，而后调节pH，使其转化为Fe（OH）₃沉淀除去；加入Zn还原剂时，可以置换出Cu单质，从而将Cu²⁺杂质除去。

③当添加可溶性硫化物时，可以使Zn²⁺、Ni²⁺等金属离子生成对应的硫化物沉淀；当加入可溶性碳酸氢盐（如NH₄HCO₃等）时，可使Mn²⁺、Co²⁺等金属离子生成对应的碳酸盐沉淀；当加入氟化物（如HF）时，也可除去Mg²⁺、Ca²⁺。

④当加入酸、碱、特定的金属氧化物时，可以通过控制溶液的pH促使金属离子（如Fe³⁺、Al³⁺等）形成氢氧化物沉淀析出；此外，还可以为氧化还原反应的发生创造所需要的酸性或碱性环境。

⑤值得注意的是，电解的方法可以改变目标元素的化合价，从而实现制备目标产物这一目的。例如，2023年全国乙卷中的制备LiMn₂O₄工艺流程，就采用了电解的方法将Mn²⁺转化为MnO₂。

⑥表2为近3年高考全国卷工艺流程题核心化学反应工序设问统计表。在具体解答试题时，可以从添加试剂的类型入手，推断该试剂在工序中的作用，进而进行有针对性的作答。

（3） 产品分离提纯工序。

工艺流程试题中常见的物质分离提纯操作有结晶、过滤、萃取和反萃取等^［3］，如表3所示。

2.2 基于流程主、支线

化工流程中均含有至少一条主线，即含目标元素物质的转化线，一般题干中均会给出各道工序中含目标元素的物质，这就要求学生需要结合试题中的具体问题进行具体分析。支线即含杂质元素的流程转化线，大多数工艺流程试题中的原料含有硅、铝、铁元素等杂质。近3年高考全国卷试题中含硅元素杂质出现5次、含铝元素杂质出现7次、含铁元素杂质出现7次，笔者总结了这些元素的流程转化线。

（1） 含硅元素杂质的转化。

当用硫酸或盐酸酸浸时，SiO₂不与它们发生反应，以滤渣形式呈现；当用氢氧化钠溶液进行碱浸或者加入Na₂CO₃进行高温煅烧时，SiO₂均会生成Na₂SiO₃。图2为矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系图象，当可溶组分浓度c≤1.0×10^-5 mol/L时，可认为已除尽。由图2可知，后续调节pH<9.3，即可使Na₂SiO₃变成H₂SiO₃沉淀。图3为工艺流程中的硅元素支线流程。

（2） 含铝元素杂质的转化。

当用硫酸或盐酸酸浸时，Al₂O₃会转化为Al₂（SO₄）₃或AlCl₃，后续调节pH=4.5～9.6，就能使之变成Al（OH）₃沉淀；当用氢氧化钠碱浸时，Al₂O₃会转化为Na［Al（OH）₄］，后续调节pH<9.6，即可使之变成Al（OH）₃沉淀。图4为工艺流程中的铝元素支线流程。

（3） 含铁元素杂质的转化。

当用硫酸或盐酸酸浸时，Fe₂O₃会转化为Fe₂（SO₄）₃或FeCl₃，FeO会转化为FeSO₄或FeCl₂；后续加入氧化剂（如H₂O₂、O₂、MnO₂、KMnO₄等），即可将Fe²⁺氧化成Fe³⁺；后续再调节pH>3.0，即可使之变成Fe（OH）₃沉淀。图5为工艺流程中的铁元素支线流程。

例1（2024年高考全国新课标卷，节选）：

钴及其化合物在制造合金、磁性材料、催化剂及陶瓷釉等方面有着广泛应用。一种从湿法炼锌产生的废渣（主要含Co、Zn、Pb、Fe的单质或氧化物）中富集回收得到含锰高钴成品的工艺如下（图6）：

已知溶液中相关离子开始沉淀和沉淀完全（c ≤1.0×10^-5 mol/L）时的pH（表4），回答下列问题：

（1） “滤渣1”中金属元素主要为_______。

（2） “过滤1”后的溶液中加入MnO₂的作用是_____。

（3） “氧化沉钴”中氧化还原反应离子方程式为____。

（4） “除钴液”中主要的盐有_______（写化学式）。

解析：①含钴目标元素的主线：\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{O}\underset{\mathrm{酸浸}}{\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}}{\to }}\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}

\underset{\mathrm{氧化}\mathrm{沉钴}}{\stackrel{\mathrm{加入}\mathrm{K}\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}}{\to }}\mathrm{C}\mathrm{o}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}、\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}（固体）和{\mathrm{K}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}（\mathrm{除钴}\mathrm{液}）。

②含铁元素杂质的支线：\mathrm{F}{\mathrm{e}}_x{\mathrm{O}}_y［\mathrm{既有}\mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{I}\mathrm{I})又有\mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I})］\underset{\mathrm{加入}\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}},\mathrm{将}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}\mathrm{氧化}\mathrm{为}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}}{\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}},\mathrm{生成}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}\mathrm{和}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}}{\to }}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}\underset{}{\stackrel{\mathrm{加入}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O},\mathrm{p}\mathrm{H}=\mathrm{4}}{\to }}\mathrm{F}\mathrm{e}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}（\mathrm{滤渣}\mathrm{2}）。

③含锌杂质的支线：\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}\underset{\mathrm{酸浸}}{\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}}{\to }}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{除钴}\mathrm{液})。

④含铅杂质的支线：\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}\underset{\mathrm{酸浸}}{\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}}{\to }}\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{滤渣}\mathrm{1})。

通过上述主线和支线可知：第（1）问“滤渣1”为PbSO₄，故滤渣1中的金属元素主要为Pb元素；第（2）问“过滤1”后溶液中加入MnO₂的作用是将溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺，以便在调节pH时除去Fe元素；第（3）问“氧化沉钴”中氧化还原反应离子方程式为：3Co³⁺+MnO₄^-+7H₂O=3Co（OH）₃↓+MnO₂↓+5H⁺、3Mn²⁺+2MnO₄^-+2H₂O=5MnO₂↓+4H⁺；第（4）问“除钴液”中主要的盐有ZnSO₄、K₂SO₄。

例2（2023年高考全国乙卷，节选）：

LiMn₂O₄作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿（MnCO₃，含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素）制备LiMn₂O₄的流程如下（图7）：

已知：K_sp［Fe（OH）₃］=2.8×10^-39，K_sp［Al（OH）₃］=1.3×10^-33，K_sp［Ni（OH）₂］=5.5×10^-16。

回答下列问题：

（3） 用石灰乳调节至pH≈7，除去的金属离子是____。

（5） 在电解槽中，发生电解反应的离子方程式为___。

解析：

①含锰目标元素的主线为：\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\underset{}{\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}}{\to }}\mathrm{M}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}+}

\underset{}{\stackrel{\mathrm{在电}\mathrm{解槽}\mathrm{中阳}\mathrm{极放}\mathrm{电}}{\to }}\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\underset{}{\stackrel{\mathrm{煅烧}}{\to }}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{M}{\mathrm{n}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}（\mathrm{产品}）。

②含硅元素杂质支线：SiO₂不与硫酸反应，出现在滤渣中。

③含铝元素杂质的支线为：

\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}}{\to }\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{\mathrm{3}+}\underset{}{\stackrel{\mathrm{加入}\mathrm{石灰}\mathrm{乳},\mathrm{p}\mathrm{H}\approx \mathrm{7}}{\to }}\mathrm{A}\mathrm{l}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}（\mathrm{滤渣}）。

④含铁元素杂质的支线为：

\mathrm{F}{\mathrm{e}}_x{\mathrm{O}}_y(\mathrm{既有}\mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{I}\mathrm{I})\mathrm{又有}\mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}))\underset{\mathrm{加入}\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}},\mathrm{将}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}\mathrm{氧化}\mathrm{为}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}}{\stackrel{\mathrm{加入}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}},\mathrm{生成}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}+}\mathrm{和}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}}{\to }}\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}+}\underset{}{\stackrel{\mathrm{加入}\mathrm{石灰}\mathrm{乳},\mathrm{p}\mathrm{H}\approx \mathrm{7}}{\to }}\mathrm{F}\mathrm{e}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{3}}(\mathrm{滤渣})。

通过上述主线和支线，易于知道：第（3）问中用石灰乳调节至pH≈7，除去的金属离子是Fe³⁺和Al³⁺；在电解槽中，Mn²⁺转化为了MnO₂，从而可准确写出电解反应的离子方程式为：Mn²⁺+2H₂O=MnO₂↓+H₂↑+2H⁺。

3 备考策略

3.1 回归教材

一切知识点来源于教材。在高三复习时，尤其是一轮复习时，不管是教师还是学生，都应以教材为重点，回归教材，让教材体现出应有的价值。因此，我们必须十分熟悉教材中出现的工艺流程，如硅的制备、硫酸的制备、硝酸的制备、纯碱的制备——索尔维制碱法和侯氏制碱法、铝土矿制取铝、海水提镁、海水提溴、海带提碘等，且这些化工流程和人们的生产生活都有着密切的关系。对于综合素质能力较强的学生，教师还可以在给出问题情境的前提下，根据教材中的文字描述，引导学生绘制化工流程图形并自主命制试题。这样做的好处是，可以让学生在学习过程中体验化学工程师完整的思维过程，从而对学生今后的发展具有借鉴价值。

3.2 开展大单元教学

在高三二轮复习时，教师可以积极进行基于真实情境创设下的微专题式复习模式，如元素及其化合物、陌生方程式的书写、物质的分离与提纯、化工流程中的图象分析与定量计算等。同时，教师要善于开展大单元教学，打破专题板块之间的界限，注重知识之间的前挂后连，从宏观、微观及符号表征角度整体上、立体地完善知识结构，以便对知识内容重新进行整合、优化与拓宽。完整的大单元整体教学设计，对学生知识体系的构建和形成更具实际意义。

3.3 建构思维模型

在化学学科中模型可分成物质模型与思维模型两个类别，其中思维模型是从化学视角出发，在认识事物、解决问题的过程中建构起来的思维模式。采用建模思想，将化学问题中的次要、非本质信息舍去，可使本质的知识变得清晰，更容易纳入学习者已有的框架，使学习者在解决问题时的知识迁移更容易、学习效率更高^［4-5］。近些年来，相关期刊上有关化工流程题解题思维模型建构类研究的报道较多。许礼干^［6］基于读题找寻落脚点、审题搜寻突破点、解题探寻发力点、品题摸寻思维点4个方面建构了解决化工流程问题的初步思维模型。吴晓红等^［7］基于化工流程题的一般特征提炼并建构信息模型、解题思维模型和评价模型，实现了解题过程中思维的可视化。

因此，教师在二轮复习中可以把物质转化与应用、反应变化与规律、实验原理与操作等化学主干知识与模型建构相融合，积极引导学生主动建构并运用模型，同时要善于运用知识修正模型。倘若如此，则学生必然在解答化工流程题的过程中发挥出最好的水平。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部，普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 教育部考试中心.中国高考评价体系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[3] 任宏江，王晨曦，李丹妮，等.高考理综全国Ⅱ卷中工艺流程类试题的分析与评价［J］.化学教与学，2021（12）：68-73.

[4] 毛小英.思维模型建构在高三化学复习中的应用：以“元素推断”为例［J］.中学教学参考，2023（32）：69-71.

[5] 李明娟，吴琼英.化学反应原理试题命题特点及复习备考策略［J］.中学化学教学参考，2023（04）：36-41.

[6] 许礼干.建构解题模型突破工艺流程题［J］.中学化学教学参考，2023（09）：59-62.

[7] 吴晓红，李奕霖.基于模型建构的化学工艺流程题解题策略［J］.中学化学教学参考，2021（10）：73-75.