07 凸显学科社会价值，谈2024年高考试题中的化学工艺考查-《中学生数理化》高考理化2024年10月刊

凸显学科社会价值,谈2024年高考试题中的化学工艺考查 ■河南省南阳市第一中学校 贾丽娟 杨海英 化学在材料、生命、环境、能源与信息等 领域均具有重要的学科价值,对推动人类社 会进步和科技发展作出了重大贡献。2024 年高考化学试题立足学科特点,结合学科与 社会热点,围绕环境、材料等领域的成果,考 查应用于其中的化学原理,充分体现出化学 学科对推动科技发展和人类社会进步的重要 作用,凸显化学学科的社会价值。其中,湖北 卷化学第2题以我国第三艘航空母舰福建舰 完成海试为主线,对不锈钢表面钝化工艺进 行了考查,增加了考生的民族自豪感;东北卷 化学第12题以“绿色零碳”氢能前景广阔为 载体命题;全国甲卷理综第7题以人类利用 能源的历史为主线,以不同时期的典型能源 为代表,让考生进一步了解我国能源发展方 向,了解发展清洁新能源的必然性,激发考生 改善人类生存环境、促进社会可持续发展的 责任感;全国甲卷理综第8题和贵州卷化学 第7题考查了玻璃蚀刻工艺。这些试题都是 以科技发展为载体,充分体现了化学学科的 社会价值。 一、发蓝处理 发蓝又叫烤蓝、烧蓝、发黑等,是指使钢 铁表面通过氧化反应,生成有一定厚度、均 匀、致密、附着力强、耐腐蚀性能好的深蓝色 氧化膜。发蓝工艺方法有热空气或蒸汽发 蓝:将钢铁工件在高温环境下(约550 ℃),精 确控制温度和时间,利用空气中的氧气或过 热蒸汽进行氧化处理,将工件表面氧化成四 氧化三铁。另一种是碱性或者熔盐发蓝:通 常是在约140 ℃下进行处理,借碱性氧化性 溶液(NaOH、NaNO3 和 NaNO2)的氧化作 用,在钢铁制件表面形成一层蓝黑色或深蓝 色磁性氧化铁薄膜,借此保护内部金属免受 腐蚀。反应表示如下: 3Fe+NaNO2+5NaOH 􀪅􀪅3Na2FeO2+ H2O+NH3↑ (Ⅰ) 6Na2FeO2 + NaNO2 + 5H2O 􀪅􀪅 3Na2Fe2O4+NH3↑+7NaOH (Ⅱ) Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O􀪅􀪅Fe3O4 +4NaOH (Ⅲ) 例 1 对钢铁零件进行表面发蓝处理 可大大增强抗蚀能力。常温发黑工艺,对于 低碳钢的效果不太好,在550 ℃下形成的氧 化物呈现出天蓝色,所以称为发蓝处理,在 350 ℃下形成的氧化物呈现出暗黑色,所以 称为发黑处理。发蓝处理一般用于兵器的制 造,发黑处理一般是在机械零件中使用。钢 铁零件经历如下转化进行发蓝处理,已知 NaNO2 的还原产物为NH3。请结合题目,回 答以下各题: (1)氧化膜致密性检查:①浓硝酸、②硫 酸、③氯水、④硫酸铜溶液、⑤KSCN 溶液、 ⑥NaOH溶液。请选用上述合适试剂设计方 案,检查发蓝零件的氧化膜致密性是否合格。 填写下表: 实验步骤 现象 结论 产品不合格 (2)发蓝液废水中含有致癌物 NaNO2, 可以用氧化剂(如漂白粉)将其转变成硝酸 钠,写出离子方程式: 。 (3)下列说法正确的是 。 A.钢铁零件发蓝处理所得的深蓝色氧 化膜是Fe3O4 B.反应①中氧化剂和还原剂的物质的量 之比为3∶1 C.反应②的离子方程式为6FeO2-2 + NO-2+7H+ △ 􀪅􀪅3Fe2O2-4 +NH3↑+2H2O D.反应③属于氧化还原反应 解析:(1)如果烤蓝不合格,金属铁可以 和硫酸铜发生反应置换出金属铜,会出现红 色斑点,因此实验步骤为:将零件浸没在硫酸 32 解题篇 创新题追根溯源 高考理化 2024年10月 铜溶液中;出现的现象为:零件表面出现红色 斑点。 (2)次氯酸根离子具有氧化性,可以将亚 硝酸根离子氧化为硝酸根离子,离子方程式 是NO-2+ClO-􀪅􀪅NO-3+Cl-。 (3)根据物质转化图及题给信息可知,发蓝 处理过程可用下列化学方程式表示: 反应 ①:3Fe+NaNO2 +5NaOH 􀪅􀪅 3Na2FeO2+H2O+NH3↑ 反应 ②:6Na2FeO2 +NaNO2 +5H2O 􀪅􀪅3Na2Fe2O4+NH3↑+7NaOH 反应③:Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O 􀪅􀪅Fe3O4+4NaOH。 答案:(1)将零件浸没在硫酸铜溶液中 零件表面出现红色斑点 (2)NO-2+ClO-􀪅􀪅NO-3+Cl- (3)A 二、表面渗镀 表面渗镀是将工件加热到一定的温度, 与能形成活性原子的介质起化学作用,使其 表层的化学成分发生变化,随之改变表面的 机械性能。使表层增加碳成分的处理称为渗 碳,增加氮的处理称为渗氮,其他还有渗铝、 渗铬、渗硅等。钢的表面渗金属,可以使表面 获得不同的机械性能,而内部又能保持原有 的强度和韧性。钢的渗碳,再经过淬火、回火 处理,可以使零件内部保持足够的强度和韧 性,表面层又具有较高的抗疲劳强度、硬度和耐 磨性。钢的渗氧,能提高零件表面的耐磨性、抗 疲劳强度和耐腐蚀性。渗氮,又可分为普通渗 氮、抗磨损渗氮、抗疲劳渗氮和抗腐蚀渗氮。此 外,若要工件表面获得抗高温氧化可渗铝,若要 抗腐蚀可渗铬,若要抗酸蚀可渗硅等。 例 2 2024年5月8日,我国第三艘航 空母舰福建舰顺利完成首次海试。舰体表面 需要采取有效的防锈措施,下列防锈措施中 不形成表面钝化膜的是( )。 A.发蓝处理 B.阳极氧化 C.表面渗镀 D.喷涂油漆 解析:发蓝处理技术可在金属表面形成 一层极薄的氧化膜,这层氧化膜能有效防锈; 阳极氧化是将待保护的金属与电源正极连 接,在金属表面形成一层氧化膜的过程;表面 渗镀是在高温下将气态、固态或熔化状态的 欲渗镀的物质(金属或非金属元素)通过扩散 作用从被渗镀的金属的表面渗入以形成表层 合金镀层的一种表面处理的方法;而喷涂油 漆是将油漆涂在待保护的金属表面并没有在 表面形成钝化膜。 答案:D 三、水电解制氢 水电解制氢是一种成熟的制氢技术,其 原理是通过直流电将水分解为氢气和氧气。 根据电解质的不同,水电解制氢可以分为碱 性水电解制氢(AWE)、质子交换膜水电解制 氢(PEM)和固体氧化物水电解制氢(SOEC) 等。其中,AWE技术主反应在电解槽中进 行,槽内装填电解质溶液,通过隔膜将槽体分 为阴、阳两室,各电极置于其中,该技术一般 在低 温(70~80 ℃)下 进 行,以 KOH 或 NaOH水溶液为电解质。电解槽中的隔膜为 石棉,电极一般采用镍基材料,产生的氢气纯 度约为99%,经分离后的氢气需配合脱附剂 以除去其中的水分和碱雾。PEM 技术采用 高分子聚合物阳离子交换膜代替了AWE技 术中的隔膜和液态电解质,起到隔离气体和 离子传导的双重作用。SOEC技术仍处于研 究阶 段,它 是 一 种 在 高 温 状 态 下 (600~ 1 000 ℃)电解水蒸气制氢技术,通过电极反 应将电能转化为化学能,水从阴极侧进入,反 应生成H2 和O2-,O2-通过电解质层进入阳 极侧,失电子后产生O2。 例 3 电解水制氢气是获取氢能的重 要研究方向,一种耦合甲醛(HCHO)氧化的 双极制氢新型电解水系统如图1所示。下列 说法正确的是( )。 图1 A.外接电源的a极为正极 42 解题篇 创新题追根溯源 高考理化 2024年10月 B.K+从左向右穿过离子交换膜 C.阳极的电极反应为2HCHO-2e-+ 4OH-􀪅􀪅2HCOO-+H2↑+2H2O D.外电路中每转移2 mol电子,理论上 可获得氢气22.4 L(标准状况) 解析:与电源a极相连的催化电极发生 还原反应,即电解池阴极发生反应2H2O+ 2e-􀪅􀪅H2↑+2OH-,则a极为电源负极。 与电源b极相连的催化电极发生氧化反应, 即电解池阳极发生反应2HCHO-2e- + 4OH-􀪅􀪅2HCOO-+H2↑+2H2O,则b极 为电源正极。该离子交换膜为阴离子交换 膜,在阴极产生OH-向右穿过阴离子交换膜 进入阳极区。 答案:C 四、蚀刻工艺 蚀刻工艺就是通过蒙砂粉或者用氢氟酸 和氟化物将玻璃表面均匀刻蚀出亚纳米级颗 粒,同时浸蚀后产生的反应物细微颗粒也附 着在玻璃表面,两者共同作用使玻璃表面形 成雾面从而使反光变为哑光漫反射表面。化 学蚀刻法的加工流程为:玻璃清洗→蚀刻→ 化学抛光→玻璃清洗。蚀刻玻璃可以达到防 眩光效果,也可以蚀刻出设计的图案,蚀刻液 和玻璃的化学反应可以表述为SiO2+4HF 􀪅􀪅SiF4↑+2H2O。 例 4 化学蚀刻法是指用化学药品在 一些固体材料表面腐蚀出图案的方法。下列 蚀刻方法可行的是 ( )。 A.用氢氟酸蚀刻玻璃 B.用浓HNO3 溶液蚀刻水晶 C.用FeCl2 溶液蚀刻铜板 D.用Na2CO3 溶液蚀刻大理石 解析:根据题意分析可知,玻璃的主要成分 中有SiO2,会和HF发生反应SiO2+4HF􀪅􀪅 SiF4↑+2H2O,因此常用氢氟酸刻蚀玻璃,A 项正确。水晶的主要成分为SiO2,SiO2 不与 硝酸反应,B项错误。铁比铜活泼,因此Fe2+ 不与Cu反应,C项错误。大理石的成分是 CaCO3,不与Na2CO3 反应,D项错误。 答案:A 例 5 河南省是化学蚀刻工艺的重要 生产基地,涌现出豫科光学、平顶山矽蚀光电 等一批优秀企业。化学蚀刻是通过蒙砂粉或 者用氢氟酸和氟化物将玻璃表面均匀刻蚀出 亚纳米级颗粒,通常被用作改善显示盖板成 像清晰度,也可以根据设计的图形对玻璃进 行图案定制加工。其中实验室制取 HF的原 理为CaF2+H2SO4(浓) △ 􀪅􀪅CaSO4+2HF↑, CaF2 的立方晶胞如图2所示,其晶胞参数为 a nm。下列说法错误的是( )。 图2 A.HF需要密封保存于塑料瓶 B.简单氢化物的稳定性:HF>H2O C.CaF2 的晶体密度为 312 a3×10-30NA g·cm-3 (NA 为阿伏加德罗常数的值) D.CaF2 晶体中F-与Ca2+之间的最近距 离为 3 8a nm 解析:HF能腐蚀玻璃,发生反应SiO2+ 4HF􀪅􀪅SiF4↑+2H2O,因此不能存放在玻璃 试剂瓶内,A项正确。非金属性F>O,则氢化 物的稳定性HF>H2O,B项正确。由氟化钙晶 胞可知,每个晶胞中含有4个Ca2+,8个F-,由 晶胞结构可知,其密度为 312 a3×10-30NA g·cm-3, C项正确。CaF2 晶体中Ca2+ 为面心立方最 密堆积,F-位于Ca2+围成的正四面体的空隙 中,F-与Ca2+之间的最近距离为立方晶胞体 对角线长的 1 4 ,即为 3 4a nm,D项错误。 答案:D 注:本文系河南省教育科学规划课题“基 于化学学科核心素养的多维育人途径研究” (课题编号:2023YB1107)阶段性成果。 (责任编辑 谢启刚) 52 解题篇 创新题追根溯源 高考理化 2024年10月