化工產(chǎn)品成份推斷與確定中“臺(tái)階題”的分析與理解

芮鵬程

摘要：化工產(chǎn)品成份推斷與確定中“臺(tái)階題”是要求學(xué)生對(duì)化工產(chǎn)品產(chǎn)生的復(fù)雜圖像進(jìn)行分析，通過(guò)一定的推斷和計(jì)算，最終確定其組成。“臺(tái)階題”所考查的內(nèi)容和圖像提供的信息都有一定的特點(diǎn)，根據(jù)這一特點(diǎn)可以得出解題策略。

關(guān)鍵詞：臺(tái)階題；化工產(chǎn)品；圖像；策略

文章編號(hào)：1008-0546（2017）05-0073-02 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.023

化學(xué)考試“重點(diǎn)考查考生的信息獲取與加工、化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究、從化學(xué)視角分析解決問(wèn)題和化學(xué)思維等能力。”為了達(dá)到這一考查目的，化學(xué)試題中常常出現(xiàn)圖像，讓學(xué)生借助圖像來(lái)分析和解決問(wèn)題。圖像題類(lèi)型較多，與生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密。“臺(tái)階題”是近幾年常常出的圖像題，它產(chǎn)生于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，人們對(duì)化工產(chǎn)品進(jìn)行分析，得出數(shù)據(jù)并繪制出圖像，然后根據(jù)已知條件確定其成份，因?yàn)樗c實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系比較緊密，因此是教學(xué)中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

一、“臺(tái)階題” 考查的內(nèi)容

“臺(tái)階題”是對(duì)復(fù)雜的化學(xué)產(chǎn)品進(jìn)行加熱分析，根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)變化引起的質(zhì)量變化，繪制出“臺(tái)階”圖像。學(xué)生在解這類(lèi)題目時(shí)，要根據(jù)“臺(tái)階”特點(diǎn)計(jì)算出物質(zhì)的質(zhì)量，再用化學(xué)知識(shí)分析可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，從而判斷出在一定溫度下分解產(chǎn)生的物質(zhì)。下面結(jié)合例題進(jìn)行分析。

例1（2014年江蘇高考題）堿式碳酸鋁鎂

[MgaAlb（OH）c（CO3）d·xH2O]常用作塑料阻燃劑。

（1）堿式碳酸鋁鎂具有阻燃作用，是由于其受熱分解需吸收大量熱量和 。

（2）[MgaAlb（OH）c（CO3）d·xH2O]中的a、b、c、d的代數(shù)關(guān)系式為 。

（3）為確定堿式碳酸鋁鎂的組成，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

①準(zhǔn)確稱(chēng)取3.390g樣品與足量稀鹽酸充分反應(yīng)，生成CO2 0.560L（已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下）；②另取一定量樣品在空氣中加熱，樣品的固體殘留率（×100%）隨溫度的變化如圖所示（樣品在270℃時(shí)已完全失去結(jié)晶水，600℃以上殘留固體為金屬氧化物的混合物）。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算堿式碳酸鋁鎂樣品中的n（OH-）：n（CO32-）（寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程）。

例題分析及解答：（1）堿式碳酸鋁鎂[MgaAlb（OH）c（CO3）d·xH2O]受熱分解最終生成MgO、Al2O3，MgO、Al2O3的熔點(diǎn)較高且都不燃燒，所以有阻燃作用，答案為：生成的產(chǎn)物具有阻燃作用。（2）化合物中各元素化合價(jià)的代數(shù)和為0，得2a+3b=c+2d；（3）n（CO2）=0.56/22.4 mol =2.50×10-2mol，m（CO2）=2.50×10-2mol×44g/mol=1.10g，在270℃～600℃之間，失去結(jié)晶水后的樣品進(jìn)一步受熱分解生成CO2、H2O，m（CO2）+m（H2O）=3.390g×（0.7345 - 0.3702） = 1.235g，m （H2O）=1.235g - 1.10g =0.135g，n（H2O）= 0.135/18 mol =7.50×10-3mol，再根據(jù)氫原子守恒得n（OH-）=2n（H2O）=1.50×10-2mol，根據(jù)C原子守恒得n（CO32-）=n（CO2）=2.50×10-2mol，所以

n（OH-）∶n（CO32-）=1.50×10-2mol∶2.50×10-2mol=3∶5，答：堿式碳酸鋁鎂樣品中的n（OH-）∶n（CO32-）=3∶5。

從例題中可以得出這樣結(jié)論，“臺(tái)階題”是比較復(fù)雜的有關(guān)圖像計(jì)算題，在限定時(shí)間內(nèi)，不但要能正確分析出塑料阻燃劑堿式碳酸鋁鎂在加熱的條件下，不同溫度下應(yīng)該發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，還要正確認(rèn)識(shí)圖像，從圖像“臺(tái)階”計(jì)算變化中水和二氧化碳的質(zhì)量，從而理清解題思路。

二、“臺(tái)階題”的圖像特點(diǎn)

“臺(tái)階題”圖像的橫坐標(biāo)是溫度，縱坐標(biāo)是固體質(zhì)量的殘留率或質(zhì)量。圖像中的“臺(tái)階”一般都在三級(jí)以上，但一般不會(huì)超過(guò)四級(jí)，主要原因是少于三級(jí)題目難度過(guò)小，不能達(dá)到測(cè)試目的，如多于四級(jí)則又化工產(chǎn)品過(guò)于復(fù)雜，可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)學(xué)生不能推斷出來(lái)，也不能達(dá)到測(cè)試目的。

例2（2015南京市學(xué)情調(diào)研題·部分）一水草酸鈣（CaC2O4·H2O）可用作分離稀有金屬的載體……

（3）為研究一水草酸鈣的熱分解性質(zhì)，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)確稱(chēng)取36.50g樣品加熱，樣品的固體殘留率（■×100%）隨溫度的變化如下圖所示。

①300℃時(shí)殘留固體的成分為 ，900℃時(shí)殘留固體的成分為 。②通過(guò)計(jì)算求出500℃時(shí)固體的成分及質(zhì)量。（寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程）

試題分析：CaC2O4·H2O第一步分解反應(yīng)是：CaC2O4·H2O■CaC2O4+H2O，146g CaC2O4·H2O分解產(chǎn)生128g CaC2O4，樣品的固體殘留率是（128g÷146g）×100%=87.67%，所以在300℃時(shí)殘留固體的成分為CaC2O4；CaC2O4·H2O■CaCO3+CO↑+ H2O，樣品的固體殘留率是（100g÷146g）×100%=68.49%，CaC2O4·H2O■CaO+CO2↑+CO↑+H2O。（56g÷146g） ×100%=38.36%，由此判斷900℃時(shí)殘留固體的成分為CaO；500℃時(shí)固體殘留率是76.16%，由于87.67%>76.16%>68.49%，所以固體應(yīng)為CaC2O4和CaCO3的混合物。開(kāi)始CaC2O4·H2O的物質(zhì)的量為n （CaC2O4·H2O）=36.50/146=0.25mol；設(shè)CaC2O4和CaCO3的物質(zhì)的量分別是xmol和ymol，可得128x+100y=36. 50g×76.16%；根據(jù)Ca元素守恒，得x+y=0.25，解方程得x=0.1，y=0.15。m（CaC2O4）=0.1mol×128g/mol=12.8g；m（CaCO3）= 0.15mol ×100g/mol=15.0g。

從“臺(tái)階題”的圖像看，第一“臺(tái)階”通常都是帶結(jié)晶水的化工產(chǎn)品失去結(jié)晶水；最后“臺(tái)階”通常都是得到不能再受熱分解的穩(wěn)定氧化物；中間“臺(tái)階”也就是第二或第三“臺(tái)階”是加熱溫度由低到高過(guò)程的化學(xué)變化，這一過(guò)程是解題的難點(diǎn)。

三、“臺(tái)階題”解題策略

從“臺(tái)階題”化學(xué)定量計(jì)算來(lái)看，它能讓學(xué)生“體會(huì)定量研究的方法對(duì)研究和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要作用”（高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)）；它是從定量的角度分析化工物質(zhì)的成份。這也就導(dǎo)致了在解題過(guò)程中必須用已有化學(xué)知識(shí)與實(shí)際有機(jī)相給合，理清思路，細(xì)心求解才能順利答完試題。在解題過(guò)程中要從這幾方面入手：一、審清題目。認(rèn)清圖像的坐標(biāo)是具體物質(zhì)的質(zhì)量還是百分含量，明白試題目的要求，避免由于粗心大意導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤；二、分析試題，通過(guò)已知、題示的所求結(jié)果，明白應(yīng)當(dāng)先求什么，后求什么，從整體把握解題的大致策略和方向，再發(fā)散思維在頭腦中構(gòu)建起解題具體方案；三、解題思路明確后，通過(guò)步驟的推斷計(jì)算，得出所求結(jié)果。

四、在有可能的情況下檢驗(yàn)結(jié)果，確保結(jié)果的正確性

例3硫酸鋁銨[Ala（NH4）b（SO4）c·xH2O]又叫做明礬、寶石明礬，其相對(duì)分子質(zhì)量為906，常用作凈水劑和制造人工剛玉（γ-Al2O3），（1）[Ala（NH4）b（SO4）c·xH2O]中a、b、c的代數(shù)關(guān)系式為 。

（2）如圖，硫酸鋁銨受熱最終分解為Al2O3、H2O、NH3和另外一種氣體的分子式是 。

（3）為確定硫酸鋁銨的組成，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

①準(zhǔn)確稱(chēng)取4.530g樣品與足量氯化鋇溶液充分反應(yīng)，生成白色沉淀4.660g。

②另取4.530g樣品在空氣中加熱，樣品的質(zhì)量隨溫度的變化如圖所示，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算硫酸鋁銨的分子式。

解析：（1）依據(jù)元素化合價(jià)代數(shù)和為零，得3a+b=2c。

（2）硫酸鋁銨受熱最終分解為Al2O3、H2O、NH3和另外一種氣體，反應(yīng)前后元素化合價(jià)不變，則硫酸鹽分解化合價(jià)也應(yīng)不變?yōu)?6價(jià)，所以得到的氣體為三氧化硫。

（3）根據(jù)硫酸鋁銨晶體質(zhì)量4.530g和相對(duì)分子質(zhì)量906，計(jì)算出它物質(zhì)的量0.005mol，后計(jì)算出反應(yīng)后的沉淀為硫酸鋇0.02mol，得到硫酸根離子物質(zhì)的量，依據(jù)圖像最后一“臺(tái)階”是氧化鋁并計(jì)算得出其物質(zhì)的量為0.005mol，結(jié)合化合價(jià)代數(shù)和為0 計(jì)算得到b，依據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算出x，據(jù)此確定化學(xué)式Al2（NH4）2（SO4）4·24H2O。

化學(xué)計(jì)算題的種類(lèi)很多，其中“臺(tái)階題”計(jì)算題是比較難的一類(lèi)題，它考查了學(xué)生對(duì)圖像的認(rèn)知能力，也考查了學(xué)生的計(jì)算能力，只要我們理解了它所表達(dá)的含義，就不難把它解出。

參與文獻(xiàn)

[1] 江蘇省教育考試院. 2017年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試（選修科目）說(shuō)明[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2016：29