電離與離子反應高考探源

■廣東省佛山市高明區教師發展中心 雷范軍

電離與離子反應是常見無機物及其應用主題中的重要內容,也是高考必考的核心知識。《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中要求同學們通過導電性實驗認識酸、堿、鹽等電解質在水溶液中或熔融狀態下能發生電離,能用電離方程式表示某些酸、堿、鹽的電離;通過測定導電性、電流或溶液電導率等變化的實驗事實,探究電解質溶液中離子反應的實質及發生條件,能用離子方程式正確表示典型物質的主要化學性質;設計常見物質制備、分離、提純、檢驗等方案,能分析、解釋有關實驗現象。下面結合典型試題予以分類解析。

一、電解質及其電離

例1下列說法正確的是( )。

A.一次性鑒別等濃度的KNO3、NH4Cl、Na2CO3三種溶液,可以采取測定pH、焰色試驗、滴加AlCl3溶液、滴加飽和Ca(OH)2溶液并微熱的方法

B.設NA為阿伏加德羅常數的值,1 L 1 mol·L-1HCl溶液中,HCl分子的數目為NA

C.鳥嘌呤(G)是一種有機弱堿,與鹽酸反應生成鹽酸鹽(用GHCl表示)。已知GHCl水溶液呈酸性,GHCl在水中的電離方程式為GHCl＝＝G+HCl

D.檢驗溶液中FeSO4是否被氧化,取少量待測液,滴加KSCN溶液,觀察溶液顏色變化

解析:KNO3溶液顯中性,NH4Cl溶液顯酸性,Na2CO3溶液顯堿性,可以用測定pH的方法鑒別;KNO3的焰色試驗現象為透過藍色鈷玻璃呈紫色,NH4Cl的焰色試驗無現象,Na2CO3的焰色試驗現象為黃色,可以用焰色試驗的方法鑒別;KNO3、NH4Cl、Na2CO3中只有Na2CO3能與AlCl3反應有現象,KNO3和NH4Cl不能鑒別;2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O有刺激性氣味氣體產生,Na2CO3+Ca(OH)2＝＝CaCO3↓+2NaOH有白色沉淀產生,而KNO3不反應無現象,可以鑒別,A項錯誤。由n=cV可知,n(HCl) = 1 mol,HCl在水溶液里是完全電離的強電解質,不能再以1 mol HCl分子的形式存在,而是變為1 mol H+、1 mol Cl-,B項錯誤。依據已知信息可知,GHCl為強酸弱堿鹽,在水中電離方程式為GHCl＝＝GH++Cl-,C項錯誤。若Fe2+被氧化為Fe3+,Fe3+能與SCN-生成Fe(SCN)3,溶液變成血紅色,能達到實驗目的,D項正確。

答案:D

【連線教材】教科書以電離為“生長點”,辨別強電解質還是弱電解質,辨認常見電解質溶液中溶質存在形式、常見離子的檢驗,均屬于考生應知應會的必備知識,而真實情境下陌生電解質的電離及其常見離子的檢驗原理和方法,則屬于考生必須學會遷移的關鍵能力。

二、離子共存的判斷

例2常溫下,下列各組離子在給定溶液中能大量共存的是( )。

A.pH=1的溶液:Fe2+、Mg2+、、

B.pH=12的 溶 液:K+、Na+、、

C.pH=7的溶液:Na+、Cu2+、S2-、Cl-

D.pH=7的溶液:Al3+、K+、Cl-、H

解析:pH=1的溶液呈酸性,強氧化性的與強還原性的Fe2+在酸性條件下會發生氧化還原反應,離子方程式為3Fe2+++4H+＝＝3Fe3++NO↑+2H2O,A項錯誤。pH=12的溶液呈堿性,K+、Na+、與OH-既不能發生復分解反應又不能發生氧化還原反應或絡合反應等,因此能大量共存,B項正確。pH=7的溶液中,Cu2+、S2-會發生反應生成沉淀,Cu2++S2-＝＝CuS↓,因此不能大量共存,C項錯誤。pH=7的溶液中,Al3+、HCO-3會發生雙水解,Al3++3H＝＝Al(OH)3↓+3CO2↑,因此不能大量共存,D項錯誤。

答案:B

【連線教材】教科書以離子反應發生的條件為例,介紹了酸堿鹽溶液參與的復分解反應、氧化還原反應、鹽類水解、絡合反應發生的條件與反應規律,離子之間發生上述反應就不能大量共存,不能發生化學反應則能夠大量共存。本題考查限定條件下給定溶液中離子是否大量共存,關鍵要弄清楚強氧化性離子和強還原性離子容易發生氧化還原反應、復分解反應或雙水解反應的條件,熟練掌握元素化合物性質、變化和用途。

三、粒子共存及其解釋

例3對下列粒子組在溶液中能否大量共存的判斷和分析均正確的是( )。

選項 粒子組 判斷和分析A Na+、Al3+、Cl-、NH3·H2O不能大量共存,因發生反應:Al3++4NH3·H2O＝＝AlO-2+4NH+4+2H2O B H+、K+、S2O2-3、SO2-4不能大量共存,因發生反應:2 H++S2O2-3＝＝S↓+SO2↑+H2O C Na+、Fe3+、SO2-4、H2O2能大量共存,粒子間不反應D H+、Na+、Cl-、MnO-4能大量共存,粒子間不反應

解析:Al3+和NH3·H2O生成Al(OH)3沉淀而不是生成,A項錯誤;S2和H+反應生成單質硫、二氧化硫和水,離子方程式為2H++＝＝S↓+SO2↑+H2O,B項正確。Fe3+可以將H2O2氧化,離子方程式為2Fe3++H2O2＝＝2Fe2++O2↑+2H+,因此不能大量共存,C項錯誤。在酸性條件下,強氧化性的Mn能將強還原性的Cl-氧化為Cl2,2 Mn+16H++10Cl-＝＝2Mn2++5Cl2↑+8H2O,因此不能大量共存,D項錯誤。

答案:B

【連線教材】本題考查離子共存及其原因解釋,教科書中介紹了離子方程式的書寫步驟、注意事項和常見元素化合物知識,離子共存與離子方程式之間具有內在的關系。解答此類型題不僅要求考生對離子共存知其然,更要求對解釋共存與否知其所以然。

四、酸堿鹽兩兩反應過程的導電性

例4使用如圖1所示裝置(攪拌裝置略)探究溶液離子濃度變化,燈光變化不可能出現“亮→暗(或滅)→亮”現象的是( )。

圖1

選項 A B C D試劑a CuSO4 NH4HCO3 H2SO4 CH3COOH試劑b Ba(OH)2 Ca(OH)2 Ba(OH)2 NH3·H2O

解析:Ba(OH)2與CuSO4發生離子反應Ba2++2OH-+Cu2++＝＝BaSO4↓+Cu(OH)2↓,隨著反應的進行,溶液中自由移動的離子濃度減小,燈泡變暗,當二者恰好反應時,溶液中幾乎不存在自由移動的微粒,燈泡完全熄滅;當CuSO4溶液過量時,其電離產生的Cu2+導電,使燈泡逐漸又變亮,A項不符合題意。Ca(OH)2與NH4HCO3發生離子反應Ca2++2OH-++＝＝CaCO3↓+H2O+NH3·H2O,隨著反應的進行,溶液中自由移動離子濃度減小,燈泡逐漸變暗,當二者恰好反應時,溶液中自由移動的微粒濃度很小,燈泡很暗;當NH4HCO3溶液過量時,其電離產生的、HCO-3導電,使燈泡逐漸又變亮,B項不符合題意。Ba(OH)2與H2SO4發生離子反應Ba2++2OH-+2H++＝＝BaSO4↓+2H2O,隨著反應的進行,溶液中自由移動的離子濃度減小,燈泡變暗,當二者恰好反應時,溶液中幾乎不存在自由移動的微粒,燈泡完全熄滅;當H2SO4溶液過量時,其電離產生的H+導電,使燈泡逐漸又變亮,C項不符合題意。CH3COOH與氨水發生離子反應CH3COOH+NH3·H2O＝＝CH3COO-++H2O,反應后自由移動的離子濃度增大,溶液導電能力增強,燈泡更明亮,不出現亮—滅(或暗)—亮的變化,D項符合題意。

答案:D

【連線教材】教材以酸堿鹽的電離和溶液導電性為例,認識電離和電離方程式,這種宏微結合加深學科知識理解的研究方法可以遷移到離子反應的學習理解,通過實驗探究可以達到見微知著、見著知微的目的。

五、離子方程式的判斷及論證

例5下列過程中的化學反應,相應的離子方程式正確的是( )。

B.向次氯酸鈣溶液中通入少量二氧化碳氣體:ClO-+CO2+H2O＝＝HClO+H

C.將SO2通入酸性KMnO4溶液中:5SO2+4OH-+2Mn＝＝5S+2H2O+2Mn2+

D.SO2與KClO溶液反應:SO2+2ClO-+H2O＝＝2HClO+

解析:硫酸鈣微溶,用碳酸鈉溶液處理水垢中的硫酸鈣轉化為難溶的碳酸鈣,離子方程式為+CaSO4＝＝CaCO3+,A項正確。向次氯酸鈣溶液中通入少量CO2氣體,發生反應生成CaCO3和HClO:Ca2++2ClO-+H2O+CO2＝＝CaCO3↓+2HClO,B項錯誤。酸性溶液中不可能大量存在OH-,SO2通入酸性KMnO4溶液中,SO2被氧化為,Mn被SO2還原為Mn2+,再根據得失電子守恒、電荷守恒和元素守恒可得離子方程式5SO2+2H2O+2Mn＝＝5+4H++2Mn2+,C項錯誤。由于ClO-具有強氧化性,SO2具有強還原性,SO2與KClO溶液反應的離子方程式為SO2+ClO-+H2O＝＝2H++Cl-+,D項錯誤。

答案:A

【連線教材】本題考查離子方程式書寫的步驟、注意事項和規律,涉及微溶物、難溶物、弱電解質、單質、氣體、沉淀等化學式的處理,以及氧化還原反應的電子守恒、電荷守恒和原子守恒原理等問題。

六、真實情境下離子方程式的書寫

例6(1)磁選后的煉鐵高鈦爐渣,主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節約和充分利用資源,通過如下工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀,該反應的離子方程式是_____。

(2)氧化石墨烯具有穩定的網狀結構,在能源、材料等領域有著重要的應用前景,通過氧化剝離石墨制備氧化石墨烯的一種方法如圖2所示:

圖2

Ⅰ.將濃硫酸、NaNO3、石墨粉末在c中混合,置于冰水浴中,劇烈攪拌下,分批緩慢加入KMnO4粉末,塞好瓶口。

Ⅱ.轉至油浴中,35 ℃攪拌1小時,緩慢滴加一定量的蒸餾水。升溫至98 ℃并保持1小時。

Ⅲ.轉移至大燒杯中,靜置冷卻至室溫。加入大量蒸餾水,而后滴加H2O2至懸濁液由紫色變為土黃色。

Ⅳ.離心分離,稀鹽酸洗滌沉淀。

Ⅴ.蒸餾水洗滌沉淀。

Ⅵ.冷凍干燥,得到土黃色的氧化石墨烯。

步驟Ⅲ中,H2O2的作用是____(以離子方程式表示)。

(3)碘(紫黑色固體,微溶于水)及其化合物廣泛用于醫藥、染料等方面。回答下列問題:

① I2的一種制備方法如下所示:

由于地理位置限制，鋼板樁等大型支護設備無法進場，經多方考慮，圍護結構采用插打工字鋼防護，工字鋼外邊距承臺邊1m，間距20cm，單根長度8m。

加入Fe粉進行轉化反應的離子方程式為____,生成的沉淀與硝酸反應,生成____后可循環使用。

②以NaIO3為原料制備I2的方法:先向NaIO3溶液中加入過量的NaHSO3,生成碘化物;再向混合溶液中加入NaIO3溶液,反應得到I2,上述制備I2的總反應的離子方程式為_____。

(4)鈷(Co)的合金材料廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。圖3為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置。電解時總反應的離子方程式為____。

圖3

(5)Ce2(CO3)3可用于催化劑載體及功能材料的制備。天然獨居石中,鈰(Ce)主要以CePO4形式存在,還含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaF2等物質。以獨居石為原料制備Ce2(CO3)3·nH2O的工藝流程如下:

“沉鈰”過程中,生成Ce2(CO3)3·nH2O的離子方程式為____。

(6)綠色化學在推動社會可持續發展中發揮著重要作用。某科研團隊設計了一種熔鹽液相氧化法制備高價鉻鹽的新工藝,該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料,不產生廢棄物,實現了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內循環。工藝流程如下:

工序③中發生反應的離子方程式為_____。

解析:(1)酸溶后將TiOSO4溶液加入熱水稀釋并適當加熱,能使TiOSO4完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸,反應的離子方程式為TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+。

(2)由滴加H2O2后發生的現象可知,加入H2O2的目的是除去過量的KMnO4,則反應的離子方程式為2Mn+5H2O2+6H+＝＝2 Mn2++5O2↑+8H2O。

(3)①由流程圖可知懸濁液中含AgI,AgI可與Fe反應生成FeI2和Ag,FeI2易溶于水,在離子方程式中能拆,加入Fe粉進行轉化反應的離子方程式為2AgI+Fe＝＝2Ag+Fe2++2I-,生成的銀能與硝酸反應生成硝酸銀參與循環中。

②先向NaIO3溶液中加入過量的NaHSO3,生成碘化物即含I-的物質;再向混合溶液中(含I-)加入NaIO3溶液,反應得到I2,上述制備I2的兩個反應中I-為中間產物,總反應為與發生氧化還原反應,生成和I2,根據得失電子守恒、電荷守恒及元素守恒配平離子方程式,即可得+5＝＝I2+5+3H++H2O。

(4)由圖可知,該裝置為電解池,石墨電極為陽極,水在陽極失去電子發生氧化反應生成氧氣和氫離子,電極反應式為2H2O-4e-＝＝O2↑+4H+,Ⅰ室中陽離子電荷數大于陰離子電荷數,放電生成的氫離子通過陽離子交換膜由Ⅰ室向Ⅱ室移動,鈷電極為陰極,鈷離子在陰極得到電子發生還原反應生成鈷,電極反應式為Co2++2e-＝＝Co,Ⅲ室中陰離子電荷數大于陽離子電荷數,氯離子透過陰離子交換膜由Ⅲ室向Ⅱ室移動,電解的總反應的離子方程式為2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+。

(5)用碳酸氫銨“沉鈰”,則結合原子守恒、電荷守恒可知生成Ce2(CO3)3·nH2O的離子方程式為6+2Ce3++(n-3)H2O＝＝Ce2(CO3)3·nH2O+3CO2↑。

(6)工序③中發生的反應為鉻酸鈉溶液與過量的二氧化碳反應生成重鉻酸鈉和碳酸氫鈉沉淀,反應的離子方程式為2 Na+++2CO2+H2O＝＝+2NaHCO3↓。

答案:(1)TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+

(3)① 2AgI+Fe＝＝2Ag+Fe2++2IAgNO3②+5HS＝＝I2+5+3H++H2O

(4)2 Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+

(6)2Na++2Cr+2CO2+H2O＝＝Cr2+2NaHCO3↓

【連線教材】教科書中介紹了離子反應的廣泛應用,本題基于工業生產中資源綜合利用真實問題情境,考查工藝流程圖中關鍵環節的離子方程式的書寫,可以根據質量守恒定律、物質類別、元素價態等預測并進行證據推理,考查內容包含知識、能力、素養、價值多個維度,考查要求涉及基礎性、綜合性和應用性等方面。

基于上述六類試題不難看出,電離與離子反應高考題型種類豐富多樣,考查知識來源于教科書但又高于教科書,強弱電解質、離子共存、離子方程式的考查常考常新。復習本部分內容的關鍵不在于機械刷題或題海訓練,而在于加強理解、融會貫通、舉一反三,學會遷移應用,這樣才能真正掌握陌生情境下離子共存判斷或離子方程式問題的分析與解答。