湖北 陳功健

(作者單位：華中科技大學(xué)附屬中學(xué))

2017年10月18日，習(xí)近平在十九大報(bào)告中指出，堅(jiān)持人與自然和諧共生。必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策。根據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)高中學(xué)生發(fā)展的具體要求，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)制定了高中化學(xué)的課程目標(biāo)。其中，涉及“綠色化學(xué)”主題部分指出學(xué)生應(yīng)該具備的核心素養(yǎng)為：“具有安全意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度；形成真理面前人人平等的意識(shí)；增強(qiáng)探究物質(zhì)性質(zhì)和變化的興趣，關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題，認(rèn)識(shí)環(huán)境保護(hù)和資源合理開發(fā)的重要性，具有‘綠色化學(xué)’觀念和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)；能較深刻地理解化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間的相互關(guān)系，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，能運(yùn)用已有知識(shí)和方法綜合分析化學(xué)過程對(duì)自然可能帶來的各種影響，權(quán)衡利弊，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任意識(shí)，積極參與有關(guān)化學(xué)問題的社會(huì)決策。”

工藝流程題關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境，它是以實(shí)際生產(chǎn)的工藝流程為背景素材，將工業(yè)生產(chǎn)中的真實(shí)情況以信息的形式給出，運(yùn)用中學(xué)化學(xué)中涉及的元素化合物知識(shí)、化學(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、化學(xué)計(jì)算來解決化工生產(chǎn)實(shí)際問題的綜合類題型。由此可見，高考中熱門題型“工藝流程題”與高中化學(xué)核心素養(yǎng)中“綠色化學(xué)”理念聯(lián)系密切，是考查學(xué)生高中化學(xué)核心素養(yǎng)5“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的重要部分。本文嘗試闡明“綠色化學(xué)”相關(guān)考點(diǎn)在高中化學(xué)教材和高考工藝流程題中的體現(xiàn)，幫助師生明晰二者的聯(lián)系。

一、“綠色化學(xué)”相關(guān)概念梳理

“綠色化學(xué)”相關(guān)概念在高中化學(xué)教與學(xué)的過程很容易被忽視，而作為高三備考很有必要梳理清楚高中化學(xué)教材中與之相關(guān)的概念。

2019年人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)第八章《化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展》第三節(jié)《環(huán)境保護(hù)與綠色》中涉及“綠色化學(xué)”相關(guān)概念。

《綠色化學(xué)化工概論》中介紹了“綠色化學(xué)工藝”：指在綠色化學(xué)基礎(chǔ)上開發(fā)的從源頭上阻止環(huán)境污染的化學(xué)工藝。該工藝的建立和開發(fā)的指導(dǎo)思想是采用“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)，即原料中每一個(gè)原子都轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，不產(chǎn)生任何廢物和副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”，也不采用有毒有害的原料、催化劑和溶劑，并生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品。按照綠色化學(xué)的思想，最理想的“原子經(jīng)濟(jì)型反應(yīng)”就是反應(yīng)物的原子全部轉(zhuǎn)化為期望的最終產(chǎn)物，這時(shí)原子利用率為100%，即期望產(chǎn)物的總質(zhì)量與生成物的總質(zhì)量之比為100%。

二、教材中“環(huán)境污染”類型歸納

教材中有許多與綠色化學(xué)相關(guān)的主題素材，可分為以下幾類：

(1)資源開發(fā)與能源利用：鋁土礦、硫鐵礦、煤等資源與能源的開發(fā)利用；從沙子到單晶硅；海水淡化；太陽能分解水制氫氣(如使用二氧化鈦催化劑)；燃料電池；化學(xué)在光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用；“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”與“工業(yè)生態(tài)”的實(shí)施案例。

(2)環(huán)境問題及處理：霧霾的主要成分與來源，汽車尾氣與霧霾的關(guān)系；大氣中的VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)的成分與來源；煤和石油的脫硝脫硫，煙道氣體排放中污染物的吸收；采礦和金屬提煉的環(huán)境代價(jià)；水體富營養(yǎng)化、COD(化學(xué)需氧量)或BOD(生化需氧量)的測(cè)定；垃圾及廢棄物的分類、回收處理與循環(huán)利用；可降解塑料(如聚乳酸)。

D

B

高考題中涉及與環(huán)境污染主題相關(guān)的主要為以下幾類：

1.CO相關(guān)污染，CO是無色無臭的有毒氣體，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。CO是排放量最大的大氣污染物。

2.NOx相關(guān)污染，NOx除了會(huì)導(dǎo)致“酸雨”外，還會(huì)參與大氣光化學(xué)過程。NO2經(jīng)光解而產(chǎn)生活潑的氧原子，氧原子與空氣中的O2結(jié)合生成O3，O3又可把NO氧化成NO2,因而NO,NO2與O3之間存在著化學(xué)循環(huán)。

當(dāng)陽光照射到含NO和NO2的空氣時(shí)，便發(fā)生如下反應(yīng)：

4.光化學(xué)煙霧相關(guān)污染，含氮氧化物和碳?xì)浠衔锏纫淮挝廴疚锏拇髿?，在太陽光照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生二次污染物，這種由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的煙霧污染現(xiàn)象，稱為光化學(xué)煙霧。

5.重金屬相關(guān)污染，重金屬離子對(duì)酶的抑制是不可逆的，重金屬離子會(huì)使蛋白質(zhì)變性失活，因此重金屬離子是有毒的。

6.富營養(yǎng)化，含氮、磷元素的大量污水任意排入河流、湖泊和近海水域，會(huì)出現(xiàn)水華、赤潮等水體污染問題。

三、化學(xué)與“三廢”污染問題

1.“三廢”污染是指工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢渣對(duì)環(huán)境的污染。三廢治理是采取多種措施對(duì)工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣、廢水、廢渣進(jìn)行處理和合理利用的系統(tǒng)工程。工業(yè)生產(chǎn)排出的廢氣中含有一氧化碳、二氧化碳、苯肼芘、硫化氫、氮氧化物、氟化氫、氯化氫、甲醛、氨等有害氣體；廢水中有含有原油或石油制品的廢水，含堿或硫化物的廢水，含重金屬(鉻、鎘、鎳、銅等)離子的廢水，含酸、堿、氰化物的廢水，以及熱水等；固體廢物為被丟棄的固體和泥狀物質(zhì)，其中有些是從廢水和廢氣中分離出來的固體顆粒等。如果不從治理的角度，而從回收和綜合利用的角度進(jìn)行處理，它們又可變成一個(gè)新的生產(chǎn)過程的原料。

2.大氣污染物與次生污染物的形成過程如圖1所示。

圖1 次生污染物的形成示意圖

3.化學(xué)與“污水”處理

(1)污水處理常用方法有物理法、化學(xué)法和生物法等。

(2)污水三級(jí)處理如圖2所示

圖2

4.化學(xué)與“廢渣”及生活垃圾

處理原則：無害化、減量化和資源化，達(dá)到減少環(huán)境污染和資源回收兩個(gè)目的。

四、工藝流程圖題中的綠色化學(xué)理念考查

1.工藝流程圖題的一般流程模式

工業(yè)流程題目在流程上一般分為三個(gè)過程：原料處理→分離提純→獲得產(chǎn)品。其流程如圖3所示：

圖3

縱觀化工生產(chǎn)的流程，無論是“原料預(yù)處理、除雜、凈化”，反應(yīng)過程中“原料的循環(huán)利用”，還是分離、提純產(chǎn)品時(shí)對(duì)排放物的無害處理，都充分體現(xiàn)出綠色化學(xué)的核心理念。其流程如圖4所示：

圖4

2.綠色化學(xué)理念在工藝流程圖題中的體現(xiàn)

為幫助學(xué)生更具體地理解綠色化學(xué)理念在工藝流程題中的體現(xiàn)，接下來筆者以高考真題為例，解析工藝流程題對(duì)綠色化學(xué)理念考查的幾種形式。

(1)綠色化學(xué)理念之“物質(zhì)循環(huán)利用”

【例1】(2021·全國乙卷·26節(jié)選)磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節(jié)約和充分利用資源，通過如圖5所示工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖5

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH見表1

表1

回答下列問題：

(6)將“母液①”和“母液②”混合，吸收尾氣，經(jīng)處理得________，循環(huán)利用。

【參考答案】(NH4)2SO4

【解析】本題以處理磁選后的煉鐵高鈦爐渣為試題情境，通過化學(xué)工藝流程回收鈦、鋁、鎂，既滲透綠色化學(xué)理念中“三廢處理”，又充分體現(xiàn)了處理廢渣“無害化、減量化和資源化”的基本原則,實(shí)現(xiàn)了原料的充分利用。

分析題干信息可知，尾氣為氨氣，母液①主要成分為硫酸銨、母液②主要成分為硫酸，將母液①和母液②混合后吸收氨氣得到硫酸銨溶液，(NH4)2SO4是“焙燒”環(huán)節(jié)的反應(yīng)物，可以循環(huán)使用，故答案為(NH4)2SO4。

物質(zhì)循環(huán)再利用，這是綠色化學(xué)理念在工藝流程圖題中的重要考查方式。很多學(xué)生不懂得借助“綠色化學(xué)”理念，分析工藝流程中何種物質(zhì)可被循環(huán)再利用。總結(jié)歸納高考題中關(guān)于“循環(huán)再利用”這一綠色化學(xué)理念的考查規(guī)律，可被循環(huán)再利用的物質(zhì)應(yīng)該有如下特點(diǎn)：

①該物質(zhì)在“前面的流程中出現(xiàn)過且往往為反應(yīng)物”；②被循環(huán)再利用的物質(zhì)可重復(fù)生成，沒有以沉淀、氣體等形式脫離反應(yīng)體系。

例如，本題中，(NH4)2SO4是“焙燒”環(huán)節(jié)的反應(yīng)物，又可以由母液①和母液②混合后重復(fù)生成。同類型的考查方式在高考真題中十分常見，不妨再看一案例。

【例2】(2021·河北省選擇性考試·15)綠色化學(xué)在推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。某科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種熔鹽液相氧化法制備高價(jià)鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產(chǎn)生廢棄物，實(shí)現(xiàn)了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內(nèi)循環(huán)。工藝流程如圖6：

圖6

回答下列問題：

(6)熱解工序產(chǎn)生的混合氣體最適宜返回工序________(填“①”“②”“③”或“④”)參與內(nèi)循環(huán)。

【參考答案】②

【解析】本題直接指明“綠色化學(xué)在推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用”，著力考查學(xué)生的高中化學(xué)核心素養(yǎng)5中水平2有關(guān)“綠色化學(xué)”觀念的要求：學(xué)生應(yīng)具有“綠色化學(xué)”觀念，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和探討某些化學(xué)過程對(duì)人類健康、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展可能帶來的雙重影響，并對(duì)這些影響從多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

分析題干信息可知，在整個(gè)工藝流程圖中，熱解工序產(chǎn)生的混合氣體為二氧化碳和水蒸氣，將混合氣體通入濾渣Ⅰ中可以將氧化鎂轉(zhuǎn)化為碳酸氫鎂溶液，則混合氣體最適宜返回工序?yàn)楣ば颌冢蚀鸢笧棰凇?/p>

全國高考題中關(guān)于綠色化學(xué)理念中“物質(zhì)循環(huán)再利用”的考題非常多，作為學(xué)生備戰(zhàn)高考時(shí)不必一一練習(xí)，而應(yīng)該把握此類題型的命題邏輯與本質(zhì)，深入理解綠色化學(xué)理念的核心，掌握此類題型的規(guī)律，遇到此類問題，定可迎刃而解。

(2)綠色化學(xué)理念之“最優(yōu)試劑”

綠色化學(xué)理念強(qiáng)調(diào)工藝流程中應(yīng)盡可能使用無毒、無害的試劑或催化劑，高考題中出現(xiàn)基于這一角度的考查，即選擇“最優(yōu)試劑”。

【例3】(2020·全國卷Ⅲ·27節(jié)選)某油脂廠廢棄的油脂加氫鎳催化劑主要含金屬Ni、Al、Fe及其氧化物，還有少量其他不溶性物質(zhì)。采用如圖7所示工藝流程回收其中的鎳制備硫酸鎳晶體(NiSO4·7H2O)：

(3) 該方法具有一定的適用性，可以為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安全性能評(píng)估提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)于基礎(chǔ)錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值及維護(hù)策略的制定具有一定參考意義。

A

圖7

溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

(3)“轉(zhuǎn)化”中可替代H2O2的物質(zhì)是________。

(6)將分離出硫酸鎳晶體后的母液收集、循環(huán)使用，其意義是______________________。

【參考答案】(3)O2或空氣

(6)提高鎳回收率。

【解析】本題以某油脂廠廢棄的油脂加氫鎳催化劑為原料，采用工藝流程回收其中的鎳制備硫酸鎳晶體(NiSO4·7H2O),充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念。滲透了《課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求：依據(jù)“綠色化學(xué)”思想和科學(xué)倫理對(duì)某一個(gè)化學(xué)過程進(jìn)行分析，權(quán)衡利弊，作出合理的決策。

“轉(zhuǎn)化”步驟中使用的H2O2是學(xué)生已經(jīng)熟知的綠色氧化劑，依據(jù)綠色化學(xué)理念，選擇最優(yōu)的替代物質(zhì)，該物質(zhì)應(yīng)該具備的特點(diǎn)應(yīng)為跟H2O2同樣具有氧化性，但同時(shí)具有某種優(yōu)點(diǎn)。從這種角度考慮，最優(yōu)物質(zhì)應(yīng)為成本較低較為廉價(jià)的空氣。

將分離出硫酸鎳晶體后的母液收集、循環(huán)使用，讓學(xué)生分析這樣做的意義。若學(xué)生不具備綠色化學(xué)理念，很難找準(zhǔn)答題角度。本工藝流程的目標(biāo)產(chǎn)品是硫酸鎳晶體(NiSO4·7H2O)，以綠色化學(xué)理念為依托，從提高產(chǎn)物的產(chǎn)率及原料的利用率角度考慮，即可較為容易地回答出本小題。

(3)綠色化學(xué)理念之“防止氣體污染問題”

《課程標(biāo)準(zhǔn)》在“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展主題”中指出高中學(xué)生應(yīng)“樹立‘綠色化學(xué)’思想，形成環(huán)境保護(hù)的意識(shí)?！?/p>

基于上述綠色化學(xué)理念，在工藝流程題中，常常涉及有毒氣體的處理問題。如考查“產(chǎn)生Cl2污染環(huán)境”這一體現(xiàn)高考對(duì)綠色化學(xué)理念考查的案例。關(guān)于這一點(diǎn)的考查，在高考題中也常常出現(xiàn)。

C

【例4】(2019·全國卷Ⅰ·27節(jié)選)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實(shí)驗(yàn)室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，具體流程如圖8：

圖8

(2)鐵屑中含有少量硫化物，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為________(填標(biāo)號(hào))。

【參考答案】C

【解析】本題以廢鐵屑來制備硫酸鐵銨為素材背景,考查了含硫有毒氣體的處理等，充分考查了學(xué)生的綠色化學(xué)理念。

鐵屑中含有少量硫化物，硫化物與硫酸反應(yīng)生成硫化氫氣體，可以用氫氧化鈉溶液吸收，為了防止倒吸可以加裝倒置的漏斗，故選擇C裝置。

五、總結(jié)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出“基礎(chǔ)教育課程承載著黨的教育方針和教育思想，規(guī)定了教育目標(biāo)和教育內(nèi)容，是國家意志在教育領(lǐng)域的直接體現(xiàn)，在立德樹人中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。”綠色化學(xué)理念便是高中教育在“立德樹人”方面的具體體現(xiàn)，今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)是高考試題中的高頻考點(diǎn)。

教師在考前復(fù)習(xí)高中化學(xué)知識(shí)的過程中，不僅要指導(dǎo)學(xué)生掌握綠色化學(xué)理念在高考試題中的各種考查方式，更應(yīng)主動(dòng)關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題，認(rèn)識(shí)環(huán)境保護(hù)和資源合理開發(fā)的重要性，逐步形成“綠色化學(xué)”觀念和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。