判斷混合物成分、計算混合物各組分含量問題是化學高考一大難點,本文從高考中常見的幾種題型出發,提煉方法,指導同學們突破混合物成分計算的障礙。
一、三元混合物中各組分量的范圍的問題
例1 在由Fe、FeO和Fe2O3組成的混合物中加入100 mL 2 mol/L鹽酸,固體混合物恰好完全溶解,放出448 mL氣體(標準狀況),此時,往溶液中加入KSCN溶液未出現血紅色,則下列判斷正確的是( )
A.原混合物里三種物質與鹽酸反應消耗氯化氫的物質的量之比為1∶2∶3
B.反應后溶液中,Fe2+與Cl-物質的量濃度之比為2∶1(不考慮水解反應)
C.原混合物里,FeO的物質的量無法確定,但Fe的物質的量比Fe2O3的多
D.原混合物里,Fe2O3的物質的量無法確定,但Fe的物質的量比FeO的多
【解析】依題意,發生的化學反應有:FeO+2HCl= FeCl2+H2O,Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O,由于Fe3+的氧化性比H+的強,因此先發生2FeCl3+Fe=3FeCl2,后再發生Fe+2HCl=FeCl2+H2↑,最后溶液中不存在Fe3+,且固體與鹽酸恰好完全反應,即溶質只有FeCl2。
A項,由于題目只給出氫氣的量,缺少其他數據,無法確定混合物各組分絕對量,因此也無法判斷各組分消耗氯化氫的物質的量之比,錯誤;B項,反應后的溶液中只有氯化亞鐵,不考慮鹽類水解,有n(Fe2+)∶n(Cl-)=1∶2,錯誤;C項,由化學方程式知,完全還原1 mol氧化鐵需要1 mol鐵,而剩余的鐵與鹽酸反應產生氫氣,故混合物中,鐵的物質的量比氧化鐵的物質的量多,正確;D項,由于鐵與氯化亞鐵不反應,不能找到鐵與氧化亞鐵的物質的量之間的聯系,不確定二者之間的關系,錯誤。
【答案】C
【解法速遞】——推算法
推算法是利用化學反應方程式或物質的化學性質,將部分定量問題轉化成定性問題,巧妙解題的一種思維方法。
運用推算法可以采用如下步驟:第一步,寫出相關化學方程式,如果有多個反應發生,則盡可能確定反應的先后順序;第二步,找出化學反應與相關量之間的聯系,判斷反應物量的變化關系;第三步,采用排除法篩選。
判斷反應順序需要聯系物質的氧化性和還原性,同一種金屬與多種氧化劑反應,氧化劑的氧化性越強越先反應。各離子的氧化性順序為Ag+>Fe3+> Cu2+>H+> Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+。
二、合金反應的凈增(減)量問題
這類問題最常考的就是合金與酸反應,考查反應系統質量的變化情況。常考金屬主要有鎂、鋁、鋅、鐵。
例2 在天平兩盤分別放置質量相等的兩只燒杯,在兩只燒杯里分別注入相同的X溶液,左盤燒杯放入M固體,右盤燒杯放入N固體。三種物質的組合如下表:
【解析】①2Na+H2SO4=Na2SO4+H2↑,Mg+H2SO4 =MgSO4+H2↑。從反應物的量看,金屬完全溶解,左、右盤燒杯里溶液凈增質量分別為2.2 g和2.2 g,反應后天平平衡。②假設法判斷過量:Mg+2H+=Mg2++H2↑,2Al+6H+=2Al3++3H2↑,Zn+2H+=Zn2++H2↑,已知n(H+)= 0.4 mol,假設硫酸完全反應,則分別消耗4.8 g Mg、3.6 g Al 、13 g Zn。從反應物的量看,硫酸過量,左盤產生的氫氣質量一定比右盤產生的氫氣質量大,反應后反應一定不平衡。③從反應物的量看,M、N金屬都過量,硫酸不足,即產生的氫氣量相等,反應后天平平衡。④2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑,Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑,9 g鋁完全反應產生1 g氫氣,而7 g硅完全反應產生1 g氫氣。從反應物的量看,氫氧化鈉溶液過量,產生的氫氣量不相等,反應后天平不平衡。
【答案】C
【解法速遞】——差量法
確定凈增或凈減質量,可以根據狀態分析:①固+液a液b+氣,溶液凈增質量=參與反應的固體質量-產生的氫氣質量;②液b+液b液c+氣,反應后溶液凈增質量=反應前兩種溶液質量之和-產生的氣體質量;③固a固b+氣,固體凈減質量=產生的氣體質量;④固a+氣a固b+氣b,固體質量變化量=氣體質量變化量。
如:Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑ 溶液凈增質量
24 g 2 g 22 g
2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2↑ 溶液凈增質量
54 g 6 g 48 g
根據溶液凈增質量判斷混合物成分可以向三種題型拓展:
一是某兩種金屬以任意比例組合與酸反應,溶液凈增質量相等。例如,鈉和鎂分別與足量的鹽酸反應,溶液凈增質量相等:
2Na+2HCl=2NaCl+H2↑ 溶液凈增質量
23 g 1 g 22 g
Mg+2HCl=MgCl2+H2↑ 溶液凈增質量
24 g 2 g 22 g
二是單一金屬向金屬合金拓展。例如,等質量鋁銅合金與鎂分別與足量的稀硫酸反應,產生的氫氣質量可能相等,溶液凈增質量可能相等。
2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2↑
54 g 6 g
Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑
72 g 6 g
即54 g Al完全反應產生6 g H2,72 g 鎂完全反應產生6 g 氫氣。如果在兩只燒杯里注入足量等質量稀硫酸,然后在左燒杯里加入72 g鎂,在右燒杯里加入 72 g銅鋁合金(其中,鋁為54 g,銅為18 g),完全反應后,兩只燒杯里混合物的凈增質量相等。
三是由金屬與酸反應向某些鹽與酸反應拓展。例如,等質量的碳酸氫鈉和碳酸鎂分別與足量的鹽酸反應,產生的氣體質量相等:
NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O
84 g 44 g
MgCO3+2HCl=MgCl2+CO2↑+H2O
84 g 44 g
三、混合物各組分的量的計算問題
例3 現有一包鐵粉和銅粉的混合粉末,為了確定其組成,現提供4 mol/LFeCl3溶液(其他用品略)與混合粉末反應。某合作學習小組的實驗結果如下:(假設反應前后溶液體積不變)
分析表中數據,回答下列問題:
(1)第②組得到的濾液中溶質的化學式為_____________。
(2)在第④組中,反應后剩余固體的化學式是_________________________,反應后溶液中c(Fe2+)________________________________。
【解析】鐵比銅活潑,銅鐵混合物加入氯化鐵溶液中,先發生反應Fe+2FeCl3=3FeCl2,后發生反應Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2。n(FeCl3)=4 mol/L×0.1 L =0.4 mol,0.4 mol FeCl3最多消耗0.2 mol Fe,質量為m(Fe)=0.2 mol×56 g/L=11.2 g。同理,0.4 mol FeCl3最多消耗0.2 mol Cu,質量為m(Cu)=0.2 mol×64 g/L =12.8 g。四組實驗所消耗的固體質量如下表所示:
比對數據找到規律:②組實驗中,氯化鐵先消耗完鐵,后消耗部分銅,而③和④組實驗中,氯化鐵只消耗鐵,不消耗銅。
(1)第②組實驗的濾液中,溶質是氯化亞鐵和氯化銅。
(2)比較第③和④組實驗數據知,向溶液中加入24 g固體,氯化鐵已完全反應,再繼續加入12 g固體,未反應。剩余固體一定有鐵和銅,濾液一定是氯化亞鐵。根據氯守恒知,n(FeCl2)=0.6 mol,
c(FeCl2)==6 mol/L。
【答案】(1)FeCl2、CuCl2 (2)Fe、Cu 6 mol/L
【解法速遞】——觀察比對法
通過一組數據確定混合物成分,需要仔細觀察并分析,找到數據之間的聯系,從而確定反應物過量或是完全反應,選擇完全反應的物質作為計量依據。
運用氧化還原反應優先律:多種金屬與同種氧化劑反應,金屬越活潑,越優先發生反應。
四、混合物有多種可能的組合方式的問題
例4 將9 g鋁粉跟一定量的金屬氧化物粉末混合形成鋁熱劑。發生鋁熱反應之后,所得固體中含金屬單質為18 g,則該氧化物粉末可能是( )
A. Fe2O3和MnO2 B. MnO2和V2O5
C. Cr2O3和V2O5 D. Fe2O3和FeO
【解析】審題時注意兩點,一是題中沒有強調是鋁粉完全反應還是金屬氧化物完全反應,二是氧化物組成“可能”是什么,即答案不確定。可以分兩種情況討論:
(1)假設鋁粉完全反應。依題意,9 g鋁粉完全反應可以提供1 mol電子,氧化物得到1 mol電子生成的相應金屬的質量就應該是18 g。 A項,Fe2O3→2Fe ,+3價Fe得到1 mol電子生成單質的質量為18.7 g, MnO2→Mn,+4價Mn得到1 mol電子生成的單質質量為13.8 g,由平均值原理知A項正確;B項,V2O5→2V,+5價V得到1 mol電子生成的單質質量為10.2 g,錳、釩單質的質量都小于18 g,B項錯誤;C項,Cr2O3→2Cr,+3價 Cr得到1 mol電子生成的單質質量為17.3 g,鉻和釩單質的質量都小于18 g,C項錯誤;D項,FeO→Fe,+2價Fe得到1 mol電子生成單質的質量為28 g,即當9 g鋁完全與氧化鐵、氧化亞鐵發生置換反應得到金屬鐵的質量一定大于18 g,不符合題意。
(2)假設鋁沒有完全發生置換反應,即提供給金屬氧化物的電子小于1 mol,氧化鐵和氧化亞鐵混合物得到的電子小于1 mol,生成的鐵質量小于18.7 g,即金屬質量可能為18 g,D項正確。
【答案】A、D
【解法速遞】——分類討論法
對于一些沒有明確給出確定數據的題目,不能直接計算結果,需要分幾種情況討論。但要注意,所劃分的情況要全面。
常需要討論的問題有:(1)反應完全的情況。對于A+B→C+D的反應,如果A、B的量有一個不確定或兩個都不確定,可以分三種情況討論:假設A完全反應、假設B完全反應或假設A與B恰好完全反應,根據假設情況分別計算。(2)金屬反應后的價態。當金屬的價態不明或者有多種價態時,可以假設價態為+1、+2、+3等一一討論。
五、反應過程復雜的混合物成分問題
例5 有鎂、鋁、鋅、鐵和銅五種常見金屬,現取其中3種金屬組成混合物,15 g該混合物與足量的稀硫酸反應,在標準狀況下產生氫氣的最大體積為11.2 L。推斷該金屬混合物的組合方式有( )
A.6種 B.7種 C.8種 D.9種
【解析】根據金屬分別與稀硫酸反應失去的電子數,求出金屬摩爾電子質量。銅不與稀硫酸反應,可以看成是“∞”。鎂、鋁、鐵、鋅的摩爾電子質量計算如下:
計算金屬混合物的平均摩爾電子質量,進而求混合物的平均摩爾質量:2H++2e-=H2↑,n(e-)=×2=1 mol,= =15 g/mol。
(1)若兩種金屬的摩爾電子質量都小于15 g/mol e-,根據平均值原理知,另一種金屬可能是鋅、鐵、銅,共有3種組合。
(2)若一種金屬的摩爾質量小于15 g/mol e-,則另兩種金屬可能是鋅與鐵、鋅與銅、銅與鐵,有3種組合。而本題中摩爾電子質量小于15 g/mol e-的金屬有兩種,故共有3×2=6種。
綜上所述,符合條件的金屬混合物組合方式有9種。
【答案】D
【解法速遞】——摩爾電子質量法
多種金屬與酸反應,化學方程式計算過程復雜,轉換思維,通過摩爾電子質量計算能避免書寫復雜化學方程式,達到速解巧解的目的。摩爾電子質量指金屬失去1 mol電子所消耗的金屬質量(M),計算表達式為(Ar表示金屬相對原子質
量,n為1個金屬原子失去的電子數),配合平均值、極端假設等思維方法能速解這些問題。