从工艺流程题的解答中培养化学核心素养

摘 要：化学工艺流程题以化工生产为载体，根据生产过程中涉及的化学知识、化学原理、实验操作等进行设问，充分体现了对证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想、科学探究与创新意识等学科核心素养的考查。文章对2020年和2021年高考全国卷部分工艺流程题进行了对比分析，对其设问方式、命题角度进行了归纳总结，并从解题思路上指导学生掌握此类题目的答题模式，旨在提升学生的化学核心素养。

关键词：化学核心素养;工艺流程试题分析;解题思路;教学启示

作者简介：魏倩倩（1989—），女，甘肃省白银市实验中学，一级教师。

一、课题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》将高中化学学科的核心素养概括为五个方面，并强调核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生综合素质的具体体现。因此，一线教师要加强对学科核心素养的研究和思考，并不断在实践中总结经验。按照其要求，高考命题应该把真实情境、实际问题和学科知识有机地结合起来。

工艺流程题，就是用框图形式将化工生产过程中的主要流程表示出来，并根据生产过程中涉及的知识、原理、实验操作等进行设问，形成以化工生产为载体的工艺试题。其素材主要涉及废物的回收利用、矿石的开发提取等，充分体现了对证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想、科学探究与创新意识等高中化学学科核心素养的考查。本文对2020年和2021年高考全国卷部分工艺流程图题进行了对比分析，对其设问方式、命题角度进行了归纳总结，并从解题思路上指导学生掌握此类题目的答题模式，促使学生在解题过程中不断提升化学核心素养。

二、高考化学工艺流程题分析

工艺流程题是近几年高考化学必考题，一般以主观题的形式出现。考查内容主要涉及实验基本操作，化学反应原理，物质之间的相互转化，物质的分离提纯以及转化率、产率等的计算。该模块试题隐含的信息较多，并且大多是学生不熟悉的，学生有本能的畏惧心理，甚至无从下手，得分率普遍偏低。为改变这一现状，笔者对2020年、2021年高考全国卷部分工艺流程题进行了统计分析，总结了这类题型的命题角度，并从核心素养的角度出发对学生素养水平的划分做了进一步分析，详见表1。由表1可知，工艺流程题的综合性强、难度大，对学生能力要求高。下面以2021年全国乙卷化学26题为例做具体分析。

例题：磁选后的高钛炉渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程（见图1）回收钛、铝、镁等。

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH已知，回答以下问题：

（1）“焙烧”中，TiO2、SiO2几乎不发生反应，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应的硫酸盐。写出Al2O3转化为NH4Al（SO4）2的化学方程式_____。

（2）“水浸”后“滤液”的pH约为2.0，在“分布沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6，依次析出的金属离子是____。

（3）“母液”中Mg2+浓度为___mol·L-1。

（4）“水浸渣”在160 ℃“酸溶”，最合适的酸是____。“酸溶渣”的成分是____、____。

（5）“酸溶”后，将溶液適当稀释并加热，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，该反应的离子方程式是_________。

（6）将“母液1”和“母液2”混合，吸收尾气，经处理得______，循环利用。

分析：由第1问可知，高钛炉渣与硫酸铵混合后焙烧时，TiO2、SiO2不反应，Al2O3、MgO、Fe2O3、CaO转化为相应的硫酸盐，尾气为NH3;将焙烧后物质加入热水水浸，TiO2、SiO2不溶于水，微溶的CaSO4部分溶于水，NH4Al（SO4）2、MgSO4、Fe2（SO4）3溶于水，过滤得到含有TiO2、SiO2、CaSO4的水浸渣和含有NH4+、Al3+、Mg2+、Fe3+和少量CaSO4的滤液;由第2问可知向pH约为2.0的滤液中加入氨水调节pH至11.6，根据题给表格中有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH数据可知，溶液中Fe3+、Al3+和Mg2+依次沉淀，过滤得到含有（NH4）2SO4、CaSO4的母液和氢氧化物沉淀。由第4问可知，“水浸渣”需要在160 ℃“酸溶”，故只能选择高沸点酸硫酸，而SiO2、CaSO4与浓硫酸不反应，只有TiO2与稀硫酸反应得到TiOSO4，过滤得到含有SiO2、CaSO4的酸溶渣和TiOSO4溶液;将TiOSO4溶液加入热水稀释并适当加热，使TiO2+完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，过滤得到含有H2SO4的母液和TiO2·xH2O。

其中第1问和第5问考查陌生情境下方程式的书写，体现了对信息阅读、提取和应用能力的考查以及原子守恒思想的运用。第2问考查通过调节溶液的pH，使某些金属离子沉淀，体现了对教材知识迁移应用的能力以及对数据信息接受、吸收、整合能力的要求。第3问通过Ksp与离子浓度的计算，考查沉淀溶解平衡理论的运用，体现了对利用平衡常数进行定量分析能力的要求。第4问考查流程图中试剂的选择以及物质成分的分析，体现了对元素及其化合物性质的辨识能力和对流程图中物质变化的分析推理能力的要求。第6问考查化工流程图中循环物质的确定，体现了对绿色化学核心观念的要求。

三、解题思路指导

解答化学工艺流程题，首先，要从题目给出的信息剥离出流程图的主线与核心：原料—预处理—核心反应—产品的分离提纯—目标产物。从题干上找出原料和目标产物相对较容易，难的是通过题目信息找出流程中涉及的两条主线：物质转化线和操作线。要注意从问题中捕捉有用信息，帮助分析流程图中的相关步骤。

其次，要从整体到局部把握整个流程，明确每步转化的物质变化与最终获得目标产物的关系，分析每一步操作试剂的选择及其目的。

最后，要仔细分析每一步反應的条件以及得到的中间产物，并结合产物的物理、化学性质，用相关的化学原理来解答实际问题。

化学工艺流程中对原料进行预处理的基本操作主要有粉碎、煅烧、酸溶、碱溶、盐浸等，目的是初步除掉杂质。产品的分离、提纯操作主要有过滤、结晶、蒸馏、萃取、分液等。往往还需要考虑条件的选择，如温度、浓度、pH等，比如过滤操作中的趁热过滤，其目的是防止产物因温度下降导致溶解度减小而析出;同理还有洗涤操作中用冰水洗涤，其目的是防止因为水温过高导致溶解度较大而造成产品的溶解损失;再比如平衡体系中通过调控温度、离子浓度等改变反应速率从而引起平衡移动;还有最常考的通过调节溶液的pH使不同的金属离子分步沉淀;等等。这些都是解决工艺流程题需要储备的知识，要求学生在复习时针对上述内容进行强化记忆，为顺利解答流程题打好理论基础。

四、教学启示

就目前高考工艺流程题的命题特点和考查标准来看，其着重考查学生的能力，即核心素养达成水平，要求教师对教学模式做出改进，不光要强调知识的掌握，还要重视能力的培养。在日常教学过程中渗透核心素养，可以从以下两个方面入手。

（一）注重真实情境创设

素养为本的课堂教学要求教师重视过程教育，要求教师在平常的教学中创设真实而且有意义的情境，让学生通过对真实情境的分析、思考、讨论、探究，体会化学知识在生产生活中的广泛应用，不断提升思维能力、积累实践经验，在分析和解决实际问题的过程中形成和发展核心素养。教师平时要善于积累情境素材，要有敏锐的化学思维，要能从日常生活、新闻热点、科技前沿资讯等真实情境中发现隐含的化学知识，并分析这些情境素材中涉及的素养取向，及时地整理收集素材，为将来备课创设情境做好准备。教师要根据不同阶段学生的知识储备、心理特点、认知能力的差异，合理地运用这些情境素材，对情境剖析的深浅度应该与学生的认知能力相匹配。通过文字、图片、视频等不同形式引入情境，让学生身临其境感受化学知识，围绕情境进行思考、分析、探究，从而得出解决实际问题的办法。这不仅提高了学生的学习兴趣和课堂参与度，还使学生产生了成就感，长期坚持就能形成良性循环，让学生越来越喜欢化学，从而激发学生的内生动力。

（二）注重夯实基础，提高综合能力

工艺流程题综合性强，复习时教师应重点关注学生多模块知识的切换与综合应用能力的培养。此类题往往结合元素化合物知识考查化学反应原理，这就要求学生从本质上理解影响化学反应速率的因素、化学平衡理论、水溶液中的离子平衡以及电化学原理。比如离子浓度以及Ksp相关计算这类题型，要求教师在复习时通过专项训练提升学生基于证据进行推理的能力以及定性和定量分析结合的能力。工艺流程以化学实验为基础，所以学生要熟练掌握中学实验涉及的基本操作，不光要知道怎么操作，还要知道为什么要这么做。教师在复习实验操作时要重视课本上的基础实验，比如以粗盐的提纯、离子的检验、海水提溴、海带提碘、乙酸乙酯的制备等基础实验为案例，进行实验原理、实验方法、实验操作的复习。结合案例分析，便于学生理解每一步操作的目的，当然也更容易记忆。例如在学习“影响化学反应速率的因素”“平衡移动的影响因素”等知识点时，可以引导学生自主设计实验方案进行探究。学生通过方案的设计、仪器的选择、现象的观察与分析、原理的解释、归纳过程，熟悉实验仪器的用途，明确实验操作的目的，逐步提高分析问题、解决问题的综合能力。

五、总结

化学核心素养的培养不是一蹴而就的，需要一线教师多思考、多实践，将核心素养的发展落实在课堂教学中，并通过平时的考练掌握学生的素养达成水平。以上仅是笔者个人针对工艺流程题的解答作出的思考，希望对其他同仁能有所启发。

[参考文献]

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.

林艺航，陈燕.基于化学核心素养的高考试题分析——评2020年全国Ⅰ卷化学试题[J].化学工程与装备，2021（01）：282-284.