基于“地方特色化工情境”的化学作业题设计

摘要： 选取江西地区“稀土化工”为情境载体，以新课标对考试评价的要求为依据，命制了一套高三化学高考备考用作业题。阐述了作业题命制的思路，论证了作业题的合理性，提供高三化学作业题命制的新角度。

关键词： 作业题命制； 核心素养； 稀土（RE）化工； 地方特色情境

文章编号： 1005-6629（2023）02-0089-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

基于地方特色化学工业情境的社会情境涉及到STSE（科学、技术、社会、环境）的各个方面，能在拓展学生视野的同时，发展其化学学科核心素养。本文选取江西特色的稀土化工产业为社会情境，挖掘真实工业流程中涉及的高中化学知识点进行综合性作业题的命制。

1  江西地区“稀土化工”概述

稀土元素是化学性质相似的镧系元素、21号钪（Sc）元素和39号钇（Y）元素的总称［1］。稀土元素在电子、石油化工、冶金、机械等领域都有着重要的应用。

随着高新技术的快速发展，以江西为代表的中重稀土资源的国内外市场需求量快速增长［2］。为了守护我国的绿水青山，科研工作者们推动了稀土污染物排放标准的改革，2011年颁布实施的《稀土工业污染物排放标准》将氨氮排放标准降至15mg·L-1［3］。经长期科技攻关，形成了硫酸铵溶液原地浸矿-碳酸氢铵沉淀稀土的离子型稀土矿山开采工艺［4］。

而稀土元素的特殊性质使其容易在冶炼过程中进入母液或废液，引起有价稀土元素的流失，同时造成环境污染。因此从稀溶液中富集分离、分析稀土元素是稀土应用中的重要问题［5］，而溶剂萃取是目前所采用的稀土富集、分离的主要手段。

2  作业题呈现

2.1  作业题命制思路

在选取好作业题命制的地方特色工业情境后，对其工业背景、研究热点方向及工艺流程进行充分的调查和了解。在此基础上挖掘情境中学生运用新课标必备知识所能解决的问题，根据作业题所要达到的测试目的，参考相应学业质量水平所对应的核心素养发展水平以确定测试目标，并以此为依据进行高三作业题的命制，命制思路如图1所示。

2.1.1  作业题知识点挖掘

在对江西地区特色的稀土化工产业进行调查了解后，依据课标内容要求对其涵盖的知识点进行了挖掘，按高三学生所要达到的学业质量水平设计作业题命制多维细目表，如表1所示。

2.1.2  稀土工艺流程简化

硫酸铵溶液原地浸矿-碳酸氢铵沉淀稀土的离子型稀土矿山开采工艺原工艺流程中含有工程设计等要素［6］，需对其进行简化加工，省略不含化学反应和操作的步骤，以匹配作业题测试的需要。简化后的工艺流程图如图2所示。

2.1.3  学生试做、修改、定题

作业题初制完成后，选取了两所中学4个高三班级的学生共224人进行了试做。对试做结果进行分析发现初制的作业题存在一定问题，下文以题（1）③为例阐述修改原因与过程。

题（1）③中原设问为“如图所示是Sc其中一种合金的晶胞，其晶胞参数为a=b=c=0.656nm，晶胞中所含的Sc、 Al、 Ag原子数目比为：________，其化学式为：________，晶胞密度为________g·cm-3（结果保留两位有效数字）。”此题第二空的本意是希望学生在第一空的计算基础之上对各元素的电负性进行比较，继而写出其化学式。但对试做结果进行分析与访谈后发现，有许多学生并未思考元素的电负性来判定书写顺序，而是按照题干中的元素顺序直接进行了书写，且Ag的电负性大小较为特殊，学生并不能以已学的元素周期律进行推断，因此将原设问修改如下：“如下图所示是Sc其中一种合金的晶胞，其晶胞参数为a=b=c=0.656nm，晶胞中所含的Sc、 Ag、 Al原子数目比为：________，已知Ag的电负性在三者之中最高，其化学式为：________，晶胞密度为________g·cm-3（结果保留两位有效数字）。”

经统计分析，作业题的整体难度为0.504，核心素养考察水平在3以上的各小题区分度在0.4以上。

2.2  作业题终貌

作业题最终定稿如下：

（1） 钪（Sc）是稀土元素（RE）家族中非常重要的一员，单质形式的钪被大量应用于合金的掺杂，可以极大程度改善金属的性能。回答下列问题：

① 写出Sc的核外电子排布式及价电子排布式：________、________。

② 离子化合物Na［Sc（C2O4）2］中，存在的作用力除离子键外还有________。钪的配合物离子［Sc（C2O4）2］-中，配体为________（填微粒符号）。

③ 如右图所示是Sc其中一种合金的晶胞，其晶胞参数为a=b=c=0.656nm，晶胞中所含的Sc、 Ag、 Al原子数目比为：________，已知Ag的电负性在三者之中最高，其化学式为：________，晶胞密度为________g·cm-3（结果保留两位有效数字），此合金的熔点（高于、低于）________单质Al。

（2） 在稀土元素的开采工艺上，早先赣南地区采用的池浸和堆浸的氨氮工艺对矿区生态造成了相当程度的破坏，为克服旧工艺的缺点，经过长期的科技攻关与持续技术创新，形成了（NH4）2SO4溶液原地浸矿-NH4HCO3沉淀稀土的离子型稀土矿山开采工艺。工艺流程见图2。

已知：

a. 稀土原矿中含有的稀土元素离子与杂质离子（Fe2+、 Fe3+、 Cu2+等）主要吸附于铝硅酸盐中，稀土元素离子RE3+［Al2SiO3（OH）4］m·nRE3+（s）与杂质离子［Al2SiO3（OH）4］m·nMa+（s），在矿洞中发生的反应为阳离子的交换反应，可通过此反应将RE3+与Ma+从铝硅酸盐中置换出来。

b. 稀土离子与杂质离子沉淀的pH范围如下表。

回答下列问题：

① 流程中操作1与操作2所涉及的实验操作分别为________、________，在实验室中操作1需要用到的玻璃仪器为________________。

② 流程中可以循环利用的物质为________，将进行操作1后得到的废液投入矿洞中的目的为：________________________  。

③ 矿洞中发生的主要反应的离子方程式为________________      ，________________      。（杂质离子以Cu2+为例，需标出物质状态）

④ 在除杂步骤中，调节pH所用的碱为________，在调节pH前需进行的操作为________，沉淀杂质离子的pH范围应为________。

⑤ 出于环境方面的考虑，根据《稀土工业污染物排放标准》的新要求，排放物中氨氮的排放标准为15mg·L-1（排放物中的氨氮存在形式为NH+4、 NH3、 NO-3、 NO-2），为检验工业过程中排放的污水是否达到环保标准，化学兴趣小组的同学查阅文献后设计了以下检测方案：Ⅰ. 先用Fe2+将NO-3与NO-2还原为NH+4；Ⅱ. 再以蒸馏-中和滴定法测定NH3的量，计算得出水样中的氨氮含量。

Ⅰ. 写出Fe2+还原NO-3的离子方程式：  。

Ⅱ. 小组同学取1L工业污水，将水样pH调节至6.0～7.4，过滤后留水样，加入MgO后加热蒸馏，释出的NH3被H3BO3溶液吸收生成（NH4）2B4O7，以甲基红-亚甲蓝为指示剂，用盐酸标准溶液（0.1mol·L-1）滴定馏出液中的铵，实验总共消耗盐酸标准溶液amL。依此判断若污水中的氨氮含量达到排放标准，a的取值范围为________（要求写出计算过程）。

Ⅲ. 上述稀土开采流程中，是否仍存在一定缺陷？对发现的缺陷提出合理的改进建议。

（3） 在上题中的工艺流程中含有的多次“操作2”等步骤是为了进一步提高稀土元素的纯度，这是因为稀土元素的特殊性质使其容易在冶炼过程中进入母液或废液，引起有价稀土元素的流失，并造成环境污染。因此，人们投入了大量精力研发从稀溶液中富集、分离稀土元素的萃取剂，二甘酰胺离子液体便是其中一种，可用于f区稀土元素镥（Lu）的萃取。其合成路线如下所示。

① A的分子式为：________，A与B生成C的反应类型为________。

② C中所含的含氧官能团为________________。

③ 写出n-BuBr的结构简式：________。

④ 写出一种符合下列条件的A的同分异构体的结构简式：________。

Ⅰ． 可与新制Cu（OH）2反应生成砖红色沉淀；

Ⅱ． 可水解，且1mol该物质的水解产物最多可与2mol NaOH反应；

Ⅲ． 1H-NMR谱图中只有3组峰，且峰面积比为2∶1∶1；

⑤ 根据以上信息，写出以A为原料，设计合成下图有机物，写出合成路线。

2.3  作业题答案

（1） ①［Ar］3d14s2；3d14s2；②配位键、共价键；C2O2-4；③1∶2∶1；ScAlAg2；6.8

（2） ① 过滤；萃取；玻璃棒、漏斗、烧杯；

② （NH4）2SO4；提高稀土离子浸出率，提高（NH4）2SO4利用率；

③ ［Al2SiO3（OH）4］m·nSc3+（s）+3nNH+4（aq）nSc3+（aq）+［Al2SiO3（OH）4］m·（NH+4）3n（s）； ［Al2SiO3（OH）4］m·nCu2+（s）+2nNH+4（aq）nCu2+（aq）+［Al2SiO3（OH）4］m·（NH+4）2n（s）

④ 氨水；将Fe2+氧化为Fe3+； 6.4<pH<6.8；

⑤ Ⅰ. 8Fe2++10H++NO-3NH+4+8Fe3++3H2O；

Ⅱ. （NH4）2B4O7+2HCl+5H2O2NH4Cl+4H3BO3；

n（HCl）=n（NH+4）=0.1mol·L-1×amL=a×10-4mol；

N%=a×10-4mol×14g·mol-1÷1L=1.4amg·L-1；

1.4a≤15； a≤75/7ml

Ⅲ. 从工艺流程的原料、利用率等绿色化学角度出发，言之有理即可。

（3） ①C4H4O4；取代反应；②羰基、醚键、羧基；③CH3CH2CH2CH2Br；④；

⑤

3  作业题剖析

3.1  测试载体与测试宗旨

以江西稀土化工情境为测试情境载体，结合高中化学教学实际，以江西稀土化工的理论背景、工艺流程和研究热点为中心，创设了真实、有指向、有意义的测试情境，并在此基础上完成了此套作业题的设计。此套作业题以测试学生化学学科核心素养的发展水平、丰富学生对真实化学工业的了解与开拓学生的视野为测试宗旨，要求学生能综合运用所学的化学知识，面对陌生的真实情境做到知识迁移，加深“结构决定性质，性质决定用途”等观念，能结合宏微观的不同视角分析与解决生活中的真实问题。该套作业题所提出的各个问题均从不同角度在一定程度上反映了上述测试宗旨的要求。

3.2  测试任务与解决问题的工具