過渡元素在化工生產流程題中的應用

2022-10-26 14:09:10劉宏華杜際更

高中數理化 2022年18期

劉宏華杜際更

(1.河北省唐山市海港高級中學 2.河北省唐山市第一中學)

過渡元素包括:第ⅢB～ⅦB、Ⅷ、第ⅠB 和第ⅡB的所有元素,又稱過渡金屬;也就是d區、f區和ds區的元素,而d區則是更典型的過渡元素.第四周期過渡元素被稱為第一過渡系元素,也叫輕過渡系元素;第五、六周期過渡元素被稱為第二、第三過渡系元素,也叫重過渡系元素.輕過渡系元素一般化學性質較活潑,而重過渡系元素一般化學性質較穩定;輕過渡系元素一般低價態比較穩定,而重過渡系元素一般高價態比較穩定.受鑭系收縮的影響,同一副族元素從上到下金屬性逐漸減弱.在新高考中常以化工生產流程題為載體考查過渡元素,重點考查的是輕過渡系元素及少數重過渡系元素,如Fe、Cu、Zn、Mn、Cr、Ti、V、Ni、Mo等.

1 氧化還原反應有關問題

1)陌生氧化還原反應方程式的書寫:先根據氧化還原反應規律(主要是鄰價轉化規律,即元素變價時優先轉變成其穩定的相鄰價態)確定產物,再結合溶液環境,利用氧化還原反應配平的方法進行配平.

2)電子轉移數目有關的計算:結合線橋法(單線橋法和雙線橋法),考慮電子轉移數與反應物(或生成物)物質的量之間的關系.

3)過渡金屬與氧形成的氧基離子:如TiO2＋、、ZrO2＋等.

例1(2021 年山東卷)實驗室中利用固體KMnO4進行如圖1所示的實驗,下列說法中錯誤的是().

圖1

A.G 與H 均為氧化產物

B.實驗中KMnO4只作氧化劑

C.Mn元素至少參與了3個氧化還原反應

D.G 與H 的物質的量之和可能為0.25mol

解析本題圍繞KMnO4受熱分解及分解后的固體與足量濃鹽酸反應為情境展開,情境相對比較簡單,以含Mn化合物的化學性質為載體考查了氧化還原反應的判斷、相關概念及簡單計算.

KMnO4受熱分解產生K2MnO4、MnO2、O2,其中O2為氧化產物.加熱后所得固體除了含有K2MnO4、MnO2外還可能含有剩余的KMnO4,固體與足量濃HCl反應最后所得溶液為MnCl2溶液,說明它們均可與濃HCl反應,根據化合價變化可知,MnCl2為還原產物,生成的氣體單質H 為Cl2,為氧化產物.由以上分析可知G 為O2、H 為Cl2,均為氧化產物,選項A 正確.KMnO4受熱分解時,它既是氧化劑又是還原劑,選項B 錯誤.本題中涉及的反應有:①KMnO4受熱分解;②K2MnO4與HCl反應;③MnO2與HCl反應.若KMnO4過量,則還會有④KMnO4與HCl的反應,這4個反應均為氧化還原反應,所以Mn元素至少參與了3個氧化還原反應,選項C正確.把整個過程當成一個整體來看,KMnO4和濃HCl是反應物,O2、Cl2為氧化產物,MnCl2為還原產物,K2MnO4和MnO2相當于中間產物.整個過程中0.1molKMnO4作氧化劑得到0.5mole－,根據得失電子守恒可得

所以n(O2)＋n(Cl2)＜0.25mol,選項D 錯誤.答案為B、D.

例2(2022全國甲卷,節選)硫酸鋅(ZnSO4)是制備各種含鋅材料的原料,在防腐、電鍍、醫學上有諸多應用.硫酸鋅可由菱鋅礦制備.菱鋅礦的主要成分為(ZnCO3,雜質為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物).其制備流程如圖2所示.本題中所涉及離子的氫氧化物溶度積常數如表1所示.

表1

圖2

回答下列問題:

(4)向80～90 ℃的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應后過濾,濾渣②中有MnO2,該步反應的離子方程式為_________.

(5)濾液②中加入鋅粉的目的是_________.

解析(4)向80～90 ℃濾液①中加入KMnO4溶液,可氧化Fe2＋,得到含有Fe(OH)3和MnO2的濾渣②,反應的離子方程式為3Fe2＋＋＋7H2O＝3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋.(5)濾液②中加入鋅粉,發生反應Zn＋Cu2＋＝Zn2＋＋Cu,故加入鋅粉的目的為置換Cu2＋為Cu從而除去.

(5)將Cu2＋置換為Cu從而除去.

例3(2020 年全國Ⅰ卷,節選)釩具有廣泛用途.黏土釩礦中,釩以＋3、＋4、＋5價的化合物存在,還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽以及SiO2、Fe3O4.采用圖3所示工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3.

圖3

點評以過渡元素為載體考查氧化還原反應知識,最關鍵的問題是產物的判斷,可以根據已有的知識,也可以根據價態變化規律,還可以根據金屬活動性順序表或元素周期表等.例如,根據黃鐵礦煅燒的情況,推知其他過渡金屬硫化物在空氣中煅燒或焙燒時也生成金屬氧化物和二氧化硫.再如,例題中的Zn能置換Cd,就是因為它們屬于同一副族,從上到下金屬性逐漸減弱.