用化學(xué)反應(yīng)原理解決復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)問題

■浙江省杭州學(xué)軍中學(xué) 徐月明

高中階段我們對化學(xué)反應(yīng)的學(xué)習主要圍繞著氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等展開,我們所遇到的反應(yīng)雖然很多,但反應(yīng)發(fā)生的原理基本離不開上述兩方面,所以對氧化還原反應(yīng)、酸堿反應(yīng)等離子反應(yīng)的深層次理解可以幫助我們解決許多看似復(fù)雜的問題。

一、氧化還原反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)同時發(fā)生,結(jié)合反應(yīng)中各物質(zhì)的用量書寫反應(yīng)

例1將amolNa2O2粉末加入到含有bmolFeSO4的溶液中,下列說法不正確的是( )。

C.當a=b時,鐵元素恰好轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3沉淀

D.當鐵元素恰好轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3沉淀時,過氧化鈉既體現(xiàn)氧化性又體現(xiàn)還原性,且被氧化和被還原的過氧化鈉的物質(zhì)的量之比是1∶1

分析：同學(xué)們在審題的時候很容易發(fā)現(xiàn)這是一個氧化還原反應(yīng)的問題,部分同學(xué)在解答這個問題時預(yù)計會出現(xiàn)下面的想法,認為Na2O2先和水反應(yīng)生成NaOH和O2,FeSO4再和NaOH反應(yīng)生成Fe(OH)2,然后O2氧化Fe(OH)2生成Fe(OH)3,最后根據(jù)如上反應(yīng)順序結(jié)合Na2O2和FeSO4的物質(zhì)的量整合出總反應(yīng)。這樣雖然可以解出此題,但整體解題過程比較復(fù)雜,也不利于理解每一種反應(yīng)物在反應(yīng)中真正所起的作用,所以我們可以試著從參加反應(yīng)的各種物質(zhì)在反應(yīng)中所起作用的角度來思考這個問題。

Na2O2既具有強氧化性又可以在水溶液中發(fā)生歧化反應(yīng),所以當水溶液中有較強還原劑存在時可以認為Na2O2首先體現(xiàn)氧化性,過量的Na2O2再在水溶液中發(fā)生歧化反應(yīng),這樣就可以結(jié)合氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移守恒進行直接運算了,就解決了這個問題中氧化還原方面的問題。不過這里還有沉淀反應(yīng)的問題,可以認為Na2O2中被還原成負二價的氧離子直接和水反應(yīng)生成OH-,進而和Fe3+產(chǎn)生沉淀,根據(jù)兩者的量來確定反應(yīng)最終的產(chǎn)物。

同樣,本題也可以把氧化劑Na2O2換成其他具有相同特征的物質(zhì),比如我們把Na2O2換成NaClO。兩者的共同點是NaClO氧化了Fe2+后生成的OH-也會和Fe3+產(chǎn)生沉淀,同樣需要判斷恰好氧化時沉淀是否完全,如果沉淀不完全,過量的NaClO就會和Fe3+發(fā)生雙水解反應(yīng)。請看下面兩個可能會出現(xiàn)的離子方程式。

1.將NaClO溶液加入FeSO4溶液至恰好將二價鐵轉(zhuǎn)化為三價鐵:3ClO-+6Fe2++3H2O══3Cl-+2Fe(OH)3+4Fe3+。

2.將NaClO溶液加入FeSO4溶液至恰好將鐵元素全部轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀:5ClO-+2Fe2++5H2O══Cl-+2Fe(OH)3+4HClO。

同學(xué)們可以試著完成下面兩個練習:

練習1：分別寫出用過量亞硫酸鈉溶液吸收氯氣的離子反應(yīng)方程式和用次氯酸鈉溶液吸收廢氣中氮氧化物(以NO2為例)的離子方程式。

練習2：寫出向硝酸鋇中通入過量SO2的離子方程式。

提示：根據(jù)反應(yīng)物的化學(xué)性質(zhì),同學(xué)們能比較容易發(fā)現(xiàn)這幾個反應(yīng)都是典型的氧化還原反應(yīng),但是容易忽視氧化還原發(fā)生之后溶液的酸堿性環(huán)境變化或其他原因引起的復(fù)分解反應(yīng)。練習1中的兩個反應(yīng)都涉及氧化還原反應(yīng)后溶液酸性增強再和過量的弱酸鹽反應(yīng)的問題;練習2中涉及生成硫酸根離子和鋇離子沉淀的問題,且要注意硫酸根離子和鋇離子的量的問題。由于反應(yīng)中控制SO2過量,反應(yīng)以硝酸鋇來配平書寫,硫酸根離子過量。

答案：

延伸：同學(xué)們也可以自行練習當在硝酸鋇溶液中通入少量SO2氣體時的離子反應(yīng)方程式。

二、氧化還原反應(yīng)中氧化性、還原性強弱及反應(yīng)物用量不同引起不同反應(yīng)和原子守恒、電子轉(zhuǎn)移守恒綜合計算

例2將黃鐵礦與焦炭充分混合(FeS2與C反應(yīng)的質(zhì)量比為5∶2),在空氣不足時緩慢燃燒,可以得到兩種氧化物(已知還原性Fe＞C＞S),請寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式:___。

分析：本題顯然還是氧化還原問題,涉及多種還原劑,同時也明確了反應(yīng)物的用量,審題時要抓住兩個要點,一個是空氣不足和只得到了兩種氧化物,另一個是反應(yīng)物中各元素的還原性強弱。根據(jù)參加反應(yīng)的FeS2與C的質(zhì)量比求得其物質(zhì)的量之比為1∶4,結(jié)合還原性容易判斷出反應(yīng)后S元素以單質(zhì)存在,由于氧氣量不足生成的氧化物宜寫低價氧化物。反應(yīng)的方程式可以寫成以下形式:

2FeS2+8C+5O2══2FeO+8CO+4S或者3FeS2+12C+8O2══Fe3O4+12CO+6S。

同學(xué)們在書寫化學(xué)反應(yīng)方程式的過程中經(jīng)常會碰到像上面這樣的情況,請大家看下面這個例子:已知下列物質(zhì)在酸性條件下的氧化性順序為KBrO3＞KIO3＞Br2＞I2,請寫出向用硫酸酸化的KBrO3溶液中逐滴滴加KI溶液的分步反應(yīng)的離子方程式。

這個問題顯然也是溶液中各粒子氧化還原性差異引起的先后反應(yīng)和產(chǎn)物形態(tài)控制問題,同學(xué)們在書寫之前應(yīng)先弄清楚第一階段哪些粒子參加反應(yīng)并根據(jù)各個粒子的性質(zhì)和用量多少判斷最初的產(chǎn)物形態(tài)。本題中開始時顯然KBrO3過量,且其氧化性強于KIO3,所以最初的產(chǎn)物中I-應(yīng)被氧化成而由于過量,其還原產(chǎn)物只能為Br2,第一步反應(yīng)的方程式為隨著KI溶液的不斷滴入,此反應(yīng)在溶液中KBrO3消耗完后結(jié)束。由于離子的氧化性強于Br2,第二步反應(yīng)I-首先還原第三步反應(yīng)再還原Br2單質(zhì),后兩步反應(yīng)的離子方程式依次為根據(jù)同樣的思考方法,同學(xué)們還可以自行完成向用硫酸酸化的KI溶液中逐滴滴加KBrO3溶液的分步反應(yīng)的離子方程式書寫,再請同學(xué)們完成下面的練習。

練習3：硝酸與金屬反應(yīng)時往往產(chǎn)生氮氧化物,但是在某些特殊情況則不然。將稀硝酸(HNO3濃度低于2mol·L-1)與過量金屬鎂混合反應(yīng)放出氣體,反應(yīng)完全后向剩余溶液中加入過量NaOH固體并加熱,再次放出氣體,將兩次放出氣體全部收集并混合,用堿石灰干燥后通過灼熱氧化銅固體,觀察到固體變紅,將剩余氣體用濃硫酸干燥,氣體體積為原來的三分之一。已知反應(yīng)產(chǎn)生的氣體有兩種成分,記為A、B。試問:

①兩種氣體的化學(xué)式:___。

②兩種氣體的比例A∶B=____。

③兩種氣體與氧化銅反應(yīng)的方程式:___。

④鎂與稀硝酸反應(yīng)的離子方程式:___。

提示：本題也是氧化還原的概念和計算結(jié)合的問題,當硝酸用活潑金屬還原時依據(jù)硝酸濃度不同被還原成不同價態(tài),最后溶液加堿產(chǎn)生氣體,證明還原產(chǎn)物中有銨根離子。混合氣體都可以還原氧化銅,判斷氣體為氨氣和氫氣的混合物,根據(jù)和氧化銅反應(yīng)后剩余N2為原混合氣體的可知兩種氣體的體積比為2∶1。

練習4：復(fù)鹽M[K3Fe(C2O4)3·3H2O]可用于攝影和藍色印刷。某小組同學(xué)將純凈的化合物M在一定條件下加熱分解,對所得氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物進行實驗和探究。該小組同學(xué)查閱資料后推知,固體產(chǎn)物中,鐵元素不可能以三價形式存在,而鹽也只有K2CO3。為了進一步確定復(fù)鹽M的分解反應(yīng)方程式,小組同學(xué)對固體產(chǎn)物進行定量測量。

由以上實驗數(shù)據(jù)的分析可知,加熱后所得固體產(chǎn)物中除K2CO3外還含有什么物質(zhì)?它們之間的物質(zhì)的量之比為多少?請把你的結(jié)論填入表1中(可以不填滿或補充空格)。

表1

通過以上結(jié)論,復(fù)鹽M加熱分解的反應(yīng)方程式為____,當有0.2mol復(fù)鹽M分解時,反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為____mol。

提示：本題同樣是氧化還原概念和利用原子守恒及電子轉(zhuǎn)移守恒計算的綜合問題,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知固體中含有0.01mol的單質(zhì)Fe和0.01mol的FeO,計算時要注意原固體分兩等分進行實驗的細節(jié)。根據(jù)氧化還原規(guī)則,鐵的化合價下降必然會有部分碳元素的化合價上升,根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒,假設(shè)有2mol的K3Fe(C2O4)3·3H2O分解,鐵化合價下降轉(zhuǎn)移了4mol電子,6molC2O24-分解產(chǎn)生4molCO和8mol+4價碳。

答案：

表2

2K3Fe(C2O4)3·3H2O══3K2CO3+Fe+FeO+4CO+5CO2+6H2O 0.8

三、非氧化還原離子反應(yīng)中的反應(yīng)方向

例3已知下列化學(xué)反應(yīng):前者均比后者更易發(fā)生。下列對反應(yīng)事實現(xiàn)象的預(yù)測中,正確的是( )。

A.向氯化銀沉淀中加入氨水,沉淀溶解

B.向銀氨溶液中加入氯化鈉生成白色沉淀

C.向銀氨溶液中加入鹽酸可生成AgCl沉淀

D.銀氨溶液可以在酸性條件下穩(wěn)定存在

分析：本題的關(guān)鍵是對溶液中非氧化還原反應(yīng)進行條件的理解,根據(jù)離子反應(yīng)的條件,離子反應(yīng)總是容易向著某種離子濃度降低的方向進行,而經(jīng)過高中階段的學(xué)習,同學(xué)們已經(jīng)掌握降低某種離子濃度的方法:生成沉淀、弱電解質(zhì)、難電離配合離子或配合物分子等。本題中由于②Ag++2NH3══[Ag(NH3)2]+比反應(yīng)③Ag++Cl-══AgCl更易進行,即NH3比Cl-更易結(jié)合Ag+,故選項A正確;同理,由于反應(yīng)比反應(yīng)②Ag++2NH3══[Ag(NH3)2]+更易進行,即NH3更易結(jié)合H+,故選項C正確。

練習5：書寫向飽和碳酸鈉溶液中逐滴滴加新制氯水的離子反應(yīng)方程式:___。

提示：剛開始時碳酸鈉大大過量且HClO的酸性強于反應(yīng)為Cl2+H2O+反應(yīng)完后,新制氯水中的HCl先和ClO-反應(yīng),然后再和反應(yīng),離子反應(yīng)方程式依次為整個過程的總反應(yīng)相當于氯水過量之后的反應(yīng):

練習6：工業(yè)上常用氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]為原料,按圖1所示制取磷酸、重過磷酸鈣和氫氟酸。圖1中反應(yīng)1為氟磷灰石與另一種原料反應(yīng),生成A、B、C三種產(chǎn)物,其中產(chǎn)物C又與氟磷灰石發(fā)生反應(yīng)2生成B和重過磷酸鈣。寫出反應(yīng)1和反應(yīng)2的方程式。

圖1

提示：本題是很好的體現(xiàn)酸和鹽反應(yīng)的試題,從混鹽氟磷灰石出發(fā)得到相應(yīng)的弱酸和酸式鹽,很容易發(fā)現(xiàn)反應(yīng)1加入的反應(yīng)物是一種強酸,結(jié)合磷肥的知識應(yīng)該是加入硫酸。接下去關(guān)鍵是對產(chǎn)物C的分析,C物質(zhì)能夠繼續(xù)和氟磷灰石反應(yīng)得到B和D,按題意B和D一個為HF氣體另一個為Ca(H2PO4)2,故物質(zhì)C只有為H3PO4才合理。

反應(yīng)1:Ca5(PO4)3F+5H2SO4══5CaSO4+3H3PO4+HF↑。

反應(yīng)2:Ca5(PO4)3F+7H3PO4══5Ca(H2PO4)2+HF↑。