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工艺流程题的特点与解法

  1.  工艺流程题的结构、特点和作用

化学工艺流程题,就是将化工生产过程或化学实验中的主要流程用框图形式表示出来,并针对流程中有关的化学知识步步设问,形成与化工生产或化学实验紧密联系的化学工艺流程试题。工艺流程题的结构分题头、题干和题尾三部分。题头简单介绍化工生产或化学实验所需的材料,描述化工生产或化学实验的目的;题干则用框图形式将原料到产品的主要生产流程表示出来,或把化学实验中物质的制备和分离提纯的流程表示出来;题尾主要是根据生产过程或化学实验中涉及到的化学知识设制成系列问题。

其特点与作用有三:一是试题源于生产和化学实验,以解决化学实际问题作思路进行设问,使问题情境真实,能培养学生理论联系实际,学以致用的学习观;二是试题内容丰富,涉及的化学基础知识方方面面,能考查学生化学双基知识的掌握情况和应用双基知识解决化工生产和化学实验中有关问题的迁移推理能力;三是阅读量大,文字、框图与图表并用,能考查学生的阅读能力和收集处理资料的能力。

需要指出的是:化学工艺流程题并不是最近几年新课程高考化学试题中出现的新题型,早在上世纪九十年代,上海高考题已多次出现过化学工艺流程题,但那时还没有人给这类题型起“化学工艺流程题”这个名字,到近几年新课程高考中频繁出现这种题型,这才引起了一线教师的注意,有人称这种题型为“新课程高考新增点”是不准确的。

  2.  化学工艺流程题的分类

有关“工艺流程题解法”的文章已散见于各种教学杂志或网络,这类题型自2007年新课程高考以来也引起了广大教师和命题专家的高度重视,近四年的新课程高考试题及各地模拟题已创作命制了不少优秀题目,纵观这些题目,大概可以有以下几种分类法:以生产过程中主要工序可分为除杂提纯工艺流程题(如海水纯化工艺流程题)、原材料化学转化工艺流程题、电解工艺流程题、有机合成题和资源能源综合利用工艺生产流程题等;按资源的不同,可将工艺流程题分为利用空气资源生产的工艺流程题(如合成氨工艺流程题)、利用水资源生产的工艺流程题(如海水制盐、氯碱工业、海水提溴碘、海水提镁等)、利用矿产资源生产的工艺流程题(工业制硫酸、冶铁炼钢等)、利用化石燃料生产的工艺流程题(如有机合成工艺题)等。

  3.  解题方法

化工生产主要解决六个方面的问题:一是解决将原料转化为产品的生产原理;二是除去所有杂质并分离提纯产品;三是提高产量与产率;四是减少污染,考虑 “绿色化学”生产;五是原料的来源既要考虑丰富,还要考虑成本问题;六是生产设备简单,生产工艺简便可行。化学工艺流程题,一般也就围绕这六个方面设问求解。要准确、顺利解答工艺流程题,学生除了必须要掌握物质的性质和物质之间相互作用的基本知识以及除杂分离提纯物质的基本技能外,最关键的问题要具备分析工艺生产流程的方法和能力。

从解题流程方面看,要解决好三个问题:道先要读懂题头,即题目开始用文字叙述的部分,弄清楚化工生产的目标产品是什么,如果是化学实验流程题,则要搞清楚实验的目的是什么?是合成新物质还是分离提纯物质?其次要读懂工艺流程图,即从第一个流程开始沿着流程图读到结束,弄清楚每一步流程中的化学变化和化学操作,有时需要联系前后左右的相关流程进行推测各流程中所发生的化学变化或分离提纯操作,理解了流程图描述的原料怎样变成目标产物,就算是读懂了流程图,读懂流程图是解答这类题型的核心,需要学生相当熟练高中化学中的元素化合物知识和化学实验基本操作技能。第三,是针对问题作出回答,第二个问题解决了,第三个问题便会迎刃而解,只需要考生注意使用化学用语的规范性,尤其要注意原理性描述语言跟操作性语言描述的区别。

下面着重从解答这类题型的思维顺序上介绍几种方法,供读者参考。

  3.1  首尾分析法

对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙生产工序)试题,首先对比分析生产流程示意图中的第一种物质原材料与最后一种物质产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产流程过程中原料转化为产品的基本原理和除杂分离提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答。

例1.(广州2008年高考一模23题)聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂,其单体是液态的碱式氯化铝[Al2(OH)nCl6-n]。本实验采用铝盐溶液水解絮凝法制碱式氯化铝。其制备原料为分布广、价格廉的高岭土,化学组成为:Al2O3(25%~34%)、SiO2(40%~50%)、Fe2O3(0.5%~3.0%)以及少量杂质和水分。已知氧化铝有多种结构,化学性质也有差异,且一定条件下可相互转化;高岭土中的氧化铝难溶于酸。制备碱式氯化铝的实验流程如下:

工艺流程题的特点与解法

根据流程图回答下列问题:

(1) “煅烧”的目的是____________________。

(2)配制质量分数15%的盐酸需要200mL30%的浓盐酸(密度约为1.15g/cm3)和_______g蒸馏水,配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、____________________。

(3) “溶解”过程中发生反应的离子方程式为________________________________。

(4)加少量铝粉的主要作用是________________________。

(5) “调节溶液pH在4.2~4.5”的过程中,除添加必要的试剂,还需借助的实验用品是___________________; “蒸发浓缩”需保持温度在90~100 0C,控制温度的实验方法是___________________。

解析:对比原料与产品可知,该生产的主要工序:一是除去原料高岭土中的杂质,二是将Al203利用水解絮凝法转化为产品。再进一步分析,除铁用铝置换后过滤,高岭土中的Al203不溶于酸,必须经煅烧改变结构。该题经这样分析,题设的所有问题的答案并在分析之中。

参考答案:(1)改变高岭土的结构,使其能溶于酸。(2)230;量筒。

(3)Al203+6H+==2Al3++3H2O  Fe2O3+6H+==2Fe3++3H2O

(4)除去溶液中的铁离子;  (5)pH计(或精密pH试纸);水浴加热

[点评] 首尾分析法是一种解工艺流程题的常见方法,这种方法的特点:简单、直观,很容易抓住解题的关键,用起来方便有效。使用这一方法解题,关键在于认真对比分析原材料与产品的组成,从中产生将原料转化为产品和除去原材料中所包含的杂质的基本原理和所采用的工艺生产措施。当把生产的主线弄清楚了,围绕生产主线所设计的系列问题,也就可解答了。

  3.2  截段分析法

对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工艺流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点。

例2  (广东2007年高考第21题)以氯化钠和硫酸钠为原料制备氯化铵及副产品硫酸钠,工艺流程如下:

工艺流程题的特点与解法

氯化铵和硫酸钠的溶解度随温度变化如上图所示。回答下列问题:

(1)欲制备10.7gNH4Cl,理论上需 NaCl   g。

工艺流程题的特点与解法

(2)实验室进行蒸发浓缩用到的主要仪器有   、烧杯、玻璃棒、酒精灯等。

(3)“冷却结晶”过程中,析出NH4Cl晶体的合适温度为   。

(4)不用其它试剂,检查NH4Cl产品是否纯净的方法及操作是   。

(5)若NH4Cl产品中含有硫酸钠杂质,进一步提纯产品的方法是   。

解析:该生产流程的特点:用同样原材料既生产主要产品氯化铵,同时又要生产副产品硫酸钠。因此,为了弄清整个生产流程工艺,只能分段分析,即先分析流程线路中如何将原料转化为硫酸钠的,然后再分析又如何从生产硫酸钠的母液中生产氯化铵,即将题供的流程路线截成两段分析,这样,便可以降低解题的难度。

结合流程示意图和溶解度曲线图分析,生产硫酸钠只能用热结晶法,生产氯化铵用冷结晶法,因为温度降到35 0C以下,结晶得到的产品为Na2SO4·10H2O。

参考答案:(1)11.7g  (2)蒸发皿  (3)35 0C(或33 0C~40 0C之间任意值)

(4)加热法。取少量氯化铵产品于试管底部,加热,若试管底部无残留物,表明氯化铵产品纯净。  (5)工艺流程题的特点与解法重结晶

[简评] 用截断分析法解工艺流程题是一种主流解题方法。因为当前化工生产,为了降低成本,减少污染,增加效益,大都设计成综合利用原材料,生产多种产品的工艺生产线。为此这种工艺流程题很多。用截断分析法解工艺流程题关键在于选对题型和如何截段,截几段更合理。一般截段以生产的产品为准点。

  3.3  交叉分析法

有些化工生产选用多组原材料,事先合成一种或几种中间产品,再用这一中间产品与部分其它原材料生产所需的主流产品。以这种工艺生产方式设计的工艺流程题,为了便于分析掌握生产流程的原理,方便解题,最简单的方法,就是将提供的工艺流程示意图画分成几条生产流水线,上下交叉分析。

例3 .某一化工厂的生产流程如下图:

工艺流程题的特点与解法 

⑴L、M的名称分别是   、   。

⑵G→H过程中为什么通入过量空气:   。

⑶用电子式表示J:   。

⑷写出饱和食盐水、E、F生成J和K(此条件下K为沉淀)的化学方程式:    ,要实现该反应,你认为应该如何操作:   

解析:根据流程示意图分析可知,用空气、焦炭和水为原材料,最终生产L和J、M的产品,首先必须生产中间产品E。这样,主要生产流水线至少有两条(液态空气—E—M;焦炭—E—L)。为了弄清该化工生产的生产工艺,须将这两条生产流水线交叉综合分析,最终解答题设的有关问题。

参考答案:(1)硝酸铵;碳酸钠  (2)提高NO的转化率 

工艺流程题的特点与解法

⑷NH3+H2O+NaCl+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl

向饱和食盐水中选通入足量的氨气,再通入足量的CO2

[简评] 从本题分析得知,构成交叉分析的题型,提供的工艺流程至少有三个因素(多组原材料;中间产品;多种产品)和两条或多条生产流水线的化工生产工艺。利用交叉分析法解工艺流程题的关键,在于找准中间产品(因为有时会出现多种中间产品)和流水生产的分线,在分析过程中,抓住中间物质的关联作用,逐一破解。

  3.4  “ 瞻前顾后”分析法

有些化工生产,为了充分利用原料,变废为宝,设计的生产流水线除了主要考虑将原料转化为产品外,同时还要考虑将生产过程的副产品转化为原料的循环生产工艺。解答这种类型题,用 瞻前顾后分析法。瞻前顾后分析法,指分析工艺生产流程时,主要考虑原料转化为的产品(瞻前),同时也要考虑原料的充分利用和再生产问题(顾后)。

4 利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下:

  工艺流程题的特点与解法 

   依据上述流程,完成下列填空:

1)天然气脱流时的化学方程式是_____________________

2n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9nmol,产生H2________mol(用含n的代数式表示)

3K2CO3(aq)CO2反应在加压下进行,加压的理论依据是___________

  A.格似格容原理   B.勒夏特列原理   C. 酸碱中和原理

4)分析流程示意图回答,该合成氨工艺主要原料是_____________辅助原料有_________

5)请写出由CH4为基本原料经四次转化为合成氨的N2H2的化学反应方程式___________________________

6)整个流程有三处循环,一是Fe(OH)3循环,二是K2CO3aq)循环,请在上述流程图上标出第三处循环(循环方向和循环物质)。

解析:该生产工艺属于多处循环生产工艺,因此分析工艺流程示意图时,分析的主线是弄清基本原材料CH4转化为合成氨的基本原料N2H2的工艺生产原理。但还要回头分析循环生产的理由和循环生产的工艺生产段。通过这样既考虑产品的合成,又考虑原料的充分利用,该题所涉及到的问题也就可以解答了。

参考答案:(13H2S + 2Fe(OH)3 == Fe2S3 + 6H2O

   22.7n   (3)B   (4) CH4H2O、空气;K2CO3Fe(OH)3

   5CH4+H2O == CO + 3H2   CO + H2O==CO2+H2

   2CH4+3O2 == 2CO + 4H2  CO2 +H2O + K2CO3 == KHCO3

   6工艺流程题的特点与解法

  [点评]   瞻前顾后分析循环工艺生产流程题,关键是如何找到循环生产点,即在什么情况下,什么生产阶段实施循环生产。判断循环生产点的方法:一是看反应是否为可逆反应,如果是可逆反应,要考虑原料的循环利用。如本题合成氨反应是可逆反应,分离氨后的尾气中还含有大量原料气N2H2,千万不能随便放掉,必须送入合成塔,实施循环生产。二是看副产品的分子组成与某种原料的组成中有无相同的元素,如果有,而且该副产品又容易转化为某种原料,就可以考虑循环生产工艺。

如本题的Fe2S3  工艺流程题的特点与解法   Fe(OH)3的循环生产;KHCO3  工艺流程题的特点与解法K2CO3的循环生产。

解化学工艺流程题的方法很多,在此就不一一详说了。化学工艺流程题在高考命题中得到广泛关注,是因为该类题型体现了化学新课改的其中一个重要作用--化学学科与工业生产和日常生活的紧密联系,并且还能综合考查学生对元素化合物、化学实验和化学基本理论扳块知识的掌握情况。为此,今后的高考命题,工艺流程题还会加强。此文再次提醒中学各化学教师,在日常的教学中要有意识地引导学生对该类题型的解法强加练习,不可忽视。

(责任编辑:化学自习室)
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