化工流程题的备考策略

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  一、化工流程题情景设置分析
  1. 近三年全国?玉卷中化工流程题的情景特点
  将近三年全国?玉卷中化工流程题的情景归纳如表1所示。
  从表1可以看出:
  (1)背景材料保持一定的真实度和复杂度;《普通高中化学课程标准(2017版)》(以下简称 “2017版新课标”)中明确指出“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和以化学知识为解决问题的工具”的命题原则。化工流程题以真实的工业生产为背景,需要学生结合已学知识解决工业生产中遇到的问题,尤其工艺流程中涉及的生产流程、原料选择及利用、反应条件控制、产物分离和三废处理等问题更能体现学生的分析和解决真实问题的能力。相信2020年高考化学试题命制过程中会进一步落实“2017版新课标”的精神,在试题中融合化学学科核心素养的要求,而在化工流程题中最突出的就是对“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”和“科学态度与社会责任”等核心素养的考查。
  (2)工艺流程中物质变化类型以水溶液中的离子反应为主;在高考化学全国I卷中,对元素化合物部分的考查主要集中在化工流程题中,在不能脱离高中化学的知识框架且保证背景素材的真实度和复杂度的情况下,将反应体系设定为水溶液是最能体现高中化学必备基础知识的情景。学生在高中阶段学习的绝大部分元素化合物的知识、基本概念及基本原理都是以水溶液体系为背景的。因此水溶液体系是学生最熟悉的反应体系。将工艺流程设定在水溶液体系的框架下,能更有效地考查学生是否能根据已有知识体系分析、解决实际问题。在接下来的高考化工流程题命制过程中,相信仍然会以水溶液为主要反应体系。
  (3)弱化實际操作过程中涉及的问题;不管是单线程还是多线程的工艺流程,都可以简单地划分为“物质转化”和“分离提纯”两个部分。在2017-2019的全国?玉卷中,都将化工流程题的着眼点放在了“物质转化”上,而“分离提纯”部分只涉及简单的结晶和过滤等操作,这些简单的“分离提纯”情景,明显是为了有别于实验题的考查方向,避免考点重复,实现对学生能力的多角度考查。
  2. 化工流程题的情景来源。
  高考化学全国?玉卷化工流程题的情景虽然都具有一定的真实度和复杂度,但仔细观察可以发现,这些工艺流程有些部分是高中化学常见知识的适当拓展。例如2017年考查的钛铁矿制备磷酸铁所有的技术路线:“先氧化再沉淀”是人教高中化学必修2第四章中介绍的铁元素的沉淀方法; 2018年考查的湿法工艺制备焦亚硫酸钠则颇有侯氏制碱法的影子;而2019年考察的硼镁矿制轻质氧化镁则是人教高中化学必修2第四章中卤块制轻质氧化镁的拓展版。人教版高中化学教材中含有大量的类似于以上的工艺情景,例如必修2第四章中金属的冶炼、海水中提取镁元素、海水中提取溴元素和海带中提取碘元素等具体的化工工艺;选修4第三章中沉淀的形成与转化,第四章中的电解工业等。将这些工艺情景做适当延伸,就能设置出一个很好的工艺流程情景。
  化工流程题要真实呈现工业生产的过程,只利用高中化学常见知识进行情景设置,明显不能达到考查的要求,因此化工流程题的情景设置需要实际生产工艺和实际工艺研究的支撑,才能更好地将真实的工业生产过程呈现在考生面前。如2018年考查的焦亚硫酸钠的制备组合了《化工生产与技术》2000年刊登的《焦亚硫酸钠及其生产工艺》一文中介绍的焦亚硫酸钠的湿法生产工艺和《化工装备技术》2003年刊登的《膜电解法处理低浓度SO2烟气吸收液研究》一文中介绍的膜电解法处理SO2的工艺。2019年考察的硼镁矿制备硼酸和轻质碳酸镁则在1996年公开的专利《由硼镁铁矿制备硼酸和氧化镁的方法》中详细介绍了生产的细节。由此可见,实际生产过程中涉及的化学问题,是高考化学全国?玉卷中的重点考查方向。
  二、化工流程题设问特点分析
  近三年全国?玉卷的化工流程题设问可以简单地分成两类,一类是与工艺流程关系不大的基础性问题,考生不需要读懂工艺流程,甚至不阅读题目情景都可以回答此类问题;另一类是与工艺流程密切相关的分析性问题,面对这类问题考生需要仔细分析工艺流程的来龙去脉才能比较准确地回答。根据以上分类方式,可以将2017-2019年高考化学全国?玉卷化工流程题的设问归纳如表2所示。
  从上表可以看出,基础性问题主要是围绕基本概念(如氧化还原反应、物质组成与结构)和基本原理(如外界因素对化学反应的影响、水溶液中的离子平衡、电解的基本原理和化学计算技巧等)展开的,这部分问题的难度区间跨度很宽,既有十分基础的元素化合价的计算,又有思维能力要求很高的溶度积的应用。虽然这类型问题对于考生来说难度不好掌握,但是解答基础性问题不需详细研究题中所给的工艺流程,考试过程中,此类问题的解答不会耗费考生太多的时间。
  而分析性问题都是涉及工艺流程中物质转化的问题。例如2018年考查“工艺中加入Na2CO3固体、并再次充入SO2的目的”、2019年考查的“产生的气体在‘吸收’中反应的化学方程式”等问题,都是需要对工艺流程中物质转化及物质流向有深入的了解才能解决的问题。这部分问题能切实地考查考生的“变化观念”和“证据推理”的素养水平,任何一个思维环节出错都会导致考生不能正确回答这类问题,所以这类问题的难度通常比较大。
  三、化工流程题的二轮复习策略
  1. 整合课本素材,充分利用经典素材备考。
  一轮复习结束时学生已经对课本内容有一个比较全面、深入的了解,加上大量的重复性练习,学生已经对重点内容的基础知识烂熟于心了,如果二轮复习不把这些内容进行重新整合,学生必然会感到疲累而毫无收获。
  此时可将化工流程题中出现率较高的知识从各章节中提取出来,形成专题资料。例如复习化工工艺整体思路时,可将课本中涉及的化工工艺(见表3)归纳整理出来,作为化工工艺整体思路的复习资料。   下表所罗列的只是教材中出现过的的一部分化工工艺,但是已经涵盖了过去3年高考化学全国Ⅰ卷中化工流程题中的绝大部分知识点。因此,在备考过程中,不管是学生还是教师,都应该在化工流程题的专题复习过程中,先将教材中的素材的整合工作做好,形成适合自身复习情况的专题资料。通过这些专题资料,深刻地理解化工工艺的一般思路,学习如何透过工艺流程图理解化工工艺的实质内涵。
  2. 夯实双基知识,保证基础知识不失分。
  基本概念与基本原理等双基知识是化工流程题中基础性问题的主要考查内容,而基础性问题中又有部分是难度较小的问题,为了能让学生在化工流程题中有较好的表现,在二轮复习过程中不能减弱对双基知识的巩固,尤其是与工艺流程题中出现频率较高的知识点和相关知识点,都需要不断加强训练。
  化工流程专题复习过程中的双基知识训练不能简单地重复一轮复习中的训练方式,训练的重点应该放在知识点的综合训练及思维的发散训练。备考过程中可以利用现有试题中的工艺流程图,另外配上几个基础性问题作为训练素材。现以2015年广东卷的工艺流程图(图1)为例,简单说明双基知识的复习方案。
  首先将以上工艺流程图中涉及的物质全部找出来,并做好分类:
  原料:白云石(主要含CaCO3和MgCO3)、废Al片
  辅料:NH4NO3、NaOH、CO2、NH3、Na2CO3
  中间产物:CaO、MgO、Ca(NO3)2、CaCO3、Al(OH)3、Al2O3
  产品: H2、12CaO·7Al2O3
  然后依照2017版新课标的学业要求,围绕这些物质设计问题:
  化学用语:写出电子式、书写结构式、计算元素化合价等;
  物质基本性质:钙及其化合物的性质、铝及其化合物的性质、氨气的性质等;
  氧化还原反应:铝及其化合物的反应过程中涉及的氧化还原反应的相关知识、电解基本原理等;
  化学反应速率:煅烧时原料预处理、煅粉溶解时的条件选择等;
  盐类水解原理:NH4NO3溶液和Na2CO3溶液的相关性质等;
  ……
  这个工艺流程涉及的物质都是高中化学中十分常见的,十分适合学生双基知识的复习及训练。学生在回答上述问题的过程中,教师可以发现学生在基础知识的一轮复习过程中是否仍存在漏洞,协助学生完成查漏补缺的重要工作。这种以化工流程题为背景的基础性问题设计并不困难,首先把工艺流程中的物质种类理清,然后就能够以这些物质为基础结合双基知识设置问题。学生在化工流程题的背景下完成双基知识的二轮复习,既增强了学生对基础知识的印象,也能减低学生对化工流程题的陌生感和畏惧感,是一种非常有效的复习方案。
  3. 博览化工工艺,把脉2020高考方向。
  分析性问题是化工流程题中考查学生化学学习能力的主要部分,因此在备考过程中,针对化学基础较扎实的学生,应该提高分析性问题的训练量并加深训练难度,以此提高学生化学学习的能力。
  分析性问题的训练素材可以通过以下方式获得。第一种是现有试题中相似的工艺流程图,相似的工艺流程图可以是原料相同,或者产品相同,还可以是工艺手段相同。通过对比阅读相似的工艺流程图,可以培养学生的全局观念,让学生更多地从整体的角度考虑工艺流程中每一步骤的目的和意义,学习如何通过外界条件的控制实现生产效率的提高。相似的工艺流程之间的差异是化工工作者对工业生产的深入思考,学生从这些工艺流程图中可以领略化工工作者的智慧,体会化学工作者的研究态度以及对社会应负的责任。
  流程1:某工厂回收电镀污泥主要成分为Cu(OH)2、Ni(OH)2、Fe(OH)2、Al(OH)3和砂土中的铜和镍:
  流程2:以电镀污泥主要成分为Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3、Fe(OH)3和SiO2等为原料制备纳米铜
  上面两个工艺流程均是以电镀污泥为原料回收金属元素的工艺流程。对于流程1,学生应该重点分析各滤渣的主要成分、“电解过滤”中发生的化学反应和除铁、铝时所用的沉淀剂的种类等问题。对于流程2,则需要重点考虑萃取和反萃取的原理、流程中溶液pH制的控制等问题。将相似的工艺流程图放在一起思考,既能帮助学生归纳分析性问题的一般解答思路,又能帮助学生积累素材,是二轮复习前期一种重要的复习方法。
  到了二轮复习后期,学生已经经过大量的训练,现有试题已经无法满足部分学生的学习需求了。这时就需要挖掘新的训练素材,而寻找训练素材最有效的途径就是通过阅读学术文献发现优秀的工艺流程。而历年的高考试题中也出现了很多学术文献中提及的化工流程。学术文献中记载的工艺流程都是化工工作者通过大量的研究工作总结出来的经验,可行性都是经过推敲和论证的;而且学术文献中有大量的最新科研成果,这些工艺流程作为学生二轮复习后期的训练素材,必定能够吸引学生再进一步地思考已经学过的知识和已经掌握的方法,促进学生知识体系的构建和知识的内化。但是,从学术文献中挖掘工艺流程素材的工作对教师的专业知识和思维能力要求比较高,而且备考过程需要大量的文献,工作量会非常大,因此建议以备课组或教研组为单位,组内教师分工合作,才能较好地完成这部分的备考工作。
  相信2020年高考会继承前几年高考中深化改革、平稳过渡和探索创新的特点,因此在化工流程题的专题复习过程中,学生和教师应该将重点放在以下几个方面,才能提高化工流程题的备考效率:
  (1)基础知识的落实,尤其是基本概念和基本原理的基础知识落实,这些内容是化工流程题的理论基础;
  (2)答题技巧的掌握,基础性问题和分析性問题的答题技巧完全不同,学生需要学会如何甄别这两种类型的设问,答题的过程才能减少不必要的时间损耗。
  (3)准确的自我定位,化工流程题在备考过程中需要投放较多的时间,学生只要在复习过程中对自我能力的准确判断,才能在化工流程题的备考过程中针对弱项加强训练,达到短期内提高学习效果的目的。
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