應用“三個守恒”書寫新高考化工流程題中復雜化學方程式方法

徐興宇

摘 要：文章應用“得失電子守恒、電荷守恒、原子守恒”三個守恒，通過四道高考試題，詳細介紹了化工流程題中復雜化學方程式書寫方法，此方法簡單、實用、易于掌握.

關鍵詞：電子守恒；電荷守恒；原子守恒；化工流程題；化學方程式；高中化學

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）34-0129-04

新高考化學工藝流程題涉及復雜化學方程式書寫［1］.本文通過2021年高考化工流程題，分兩種類型詳細介紹用“三個守恒”書寫化學方程式的方法，并用該方法書寫2022年高考化工流程題涉及的化學方程式加以佐證.1 氧化還原反應方程式書寫

書寫化學方程式，使用“三個守恒”順序依次為：得失電子守恒、電荷守恒、原子守恒.

例1 ［2021年河北省普通高中學業水平選擇性考試化學試題15題 （5）］

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深度利用和Na+內循環.工藝流程如圖1所示.

（5）物質V可代替高溫連續氧化工序中的NaOH，此時發生的主要反應的化學方程式為：_______.

分析 書寫步驟如下：

第一步 ：確定氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物.

反應物：Fe（CrO2）2、O2、NaHCO3

生成物：Na2CrO4 ，濾渣I中有Fe（CrO2）2中

+2價Fe高溫連續氧化后生成的難溶于水的+3價Fe化合物，經分析為Fe2O3.

氧化劑：O2 ；還原劑： Fe（CrO2）2

氧化產物：Na2CrO4、Fe2O3；還原產物：-2價O化合物

離子方程式：

Fe（CrO2）2+O2CrO2-4+ Fe2O3

第二步：根據得失電子守恒，寫出相應系數.

4Fe（CrO2）2+7O28CrO2-4+ 2Fe2O3

第三步：電荷守恒，即反應物所帶電荷數=生成物所帶電荷數.

反應物電荷數：0，生成物電荷數：-8×2=-16，反應物有NaHCO3參與反應，故反應物應由HCO-3提供負電荷，電荷數為：-1×16 =-16，即反應物由16HCO-3提供16個負電荷.

4Fe（CrO2）2+7O2+16HCO-38CrO2-4+2Fe2O3

第四步：原子守恒，應用原子守恒依次配平主要原子和H、O等原子.

①配平主要原子C，使C原子個數守恒.

反應物有16個C原子，生成物也應有16個C原子，但必須是呈電中性化合價為+4價的C的化合物.經分析16CO2符合.

4Fe（CrO2）2+7O2+16HCO-38CrO2-4+ 2Fe2O3+ 16CO2

②最后觀察H、O原子個數，生成物補充8H2O，全部守恒.

4Fe（CrO2）2+7O2+16HCO-38CrO2-4+ 2Fe2O3+ 16CO2+8H2O

寫成化學方程式：

4Fe（CrO2）2+ 7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2 Fe2O3+ 16CO2+8H2O

2 非氧化還原反應方程式書寫

書寫化學方程式，使用“一個守恒”：原子守恒.

例2 ［2021年湖南省普通高中學業水平選擇性考試化學試題17題（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的工藝流程如圖2所示.

回答以下問題：

（5）“沉鈰”過程中，生成Ce2（CO3）3·nH2O的離子方程式為_______.

分析 書寫步驟如下：

第一步：寫出題中已經確定的反應物和生成物.

離子方程式：

Ce3++HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O

第二步：原子守恒，應用原子守恒配平主要原子.

2Ce3++3HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O

第三步：電荷守恒，即反應物所帶電荷數=生成物所帶電荷數.

反應物電荷數：2×3-3×1=3，生成物電荷數：0，反應物有NH4HCO3參與反應，故反應物應由HCO-3提供負電荷，電荷數為：-1×3=-3，即反應物由3HCO-3提供3個負電荷.

2Ce3++3HCO-3+3HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O

第四步：原子守恒，應用原子守恒依次配平主要原子和H、O原子.

①配平主要原子C，使C原子個數守恒.

反應物中有6個C原子，生成物中已有3個C原子還應再有3個C原子，但必須是呈電中性化合價為+4價的C元素的化合物，經分析3CO2符合.

2Ce3++3HCO-3+3HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O+3CO2

②最后觀察H、O原子個數，反應物補充（n-3）H2O，全部守恒.

2Ce3++6HCO-3+（n-3）H2O Ce2（CO3）3·nH2O+3CO2

例3 ［2021年全國乙卷化學試題26題（1）］

磁選后的煉鐵高鈦爐渣中，其主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO和少量Fe2O3，為節約并充分利用資源，通過圖3所示工藝流程回收鈦、鋁、鎂等.

回答下列問題：

（1）“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不能發生化學反應，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉化為相應硫酸鹽，寫出Al2O3轉化為NH4Al（SO4）2的化學方程式_______.

分析 書寫步驟如下：

第一步 ：寫出題中已經確定的反應物和生成物.

化學方程式：

Al2O3+（NH4）2SO4NH4Al（SO4）2

第二步：原子守恒，應用原子守恒依次配平主要原子和H、O原子.

①Al原子守恒

1Al2O3+（NH4）2SO42NH4Al（SO4）2

還有S原子守恒和N原子守恒兩種情況.

第一種情況：

②先S原子守恒：

1Al2O3+4（NH4）2SO42NH4Al（SO4）2

③再N原子守恒：

反應物中有8個N原子，生成物中已有2個N原子還應再有6個N原子，但必須是呈電中性化合價為+3價的N元素的化合物.經分析6NH3符合.

1Al2O3+4（NH4）2SO4

2NH4Al（SO4）2+6NH3

④最后觀察H、O原子個數，生成物補充3H2O，全部守恒.

1Al2O3+4（NH4）2SO42NH4Al（SO4）2+6NH3+3H2O

第二種情況：

⑤先N原子守恒：

1Al2O3+1（NH4）2SO42NH4Al（SO4）2

⑥再S原子守恒：

反應物中有1個S原子，生成物中有4個S原子，反應物中還應再有3個S原子，但必須是呈電中性化合價為+6價的S元素的化合物.經分析3SO3或3H2SO4符合.但從工藝流程分析，高爐礦渣焙燒工序，無SO3或H2SO4參與此步反應.故這種情況不能寫出化學方程式.

例4 ［2022年6月浙江省普通高校招生選考科目考試化學試題28題（3）］

化合物X由三種元素組成，某個實驗小組按圖4所示流程進行實驗.

回答：

（3）①寫出X到A的化學方程式_______.

②X難溶于水，但可溶于氨水中，寫出該反應的離子方程式_______.

分析 第①問的書寫步驟如下：

第一步 ：確定氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物.

反應物：BaCu3O4、NH3

生成物：Cu，Cu化合價降低，得到電子，則氨中N化合價升高，NH3被氧化生成N2.

氧化劑：BaCu3O4；還原劑：NH3

氧化產物：N2；還原產物：Cu

離子方程式：NH3+Cu3O2-4Cu+N2

第二步：應用得失電子守恒，寫出相應系數.

2NH3+Cu3O2-43Cu+N2

第三步：電荷守恒.

反應物電荷數：-2，生成物電荷數： 0，反應物有NH3參與反應，堿性環境，故生應物應由OH-提供負電荷，電荷數為：-1×2 =-2，即生成物由2OH-提供2個負電荷.

2NH3+Cu3O2-43Cu+N2+2OH-

第四步：原子守恒，觀察H、O原子個數，生成物補充2H2O，全部守恒.

2NH3+Cu3O2-43Cu+N2+2OH-+2H2O

寫成化學方程式：

2NH3+BaCu3O4Ba（OH）2+3Cu+N2+2H2O

第②問的書寫步驟如下；

第一步：寫出題中已經確定的反應物和生成物.

離子方程式：

Cu3O2-4+NH3·H2OCu（NH3）2+4

第二步：應用原子守恒配平主要原子.

Cu3O2-4+12NH3·H2O3Cu（NH3）2+4

第三步：電荷守恒.

反應物電荷數：-2，生成物電荷數：3×2=+6，反應物有NH3·H2O參與反應，堿性環境.故生成物應由OH-提供負電荷，電荷數為：-1×8=-8，即生成物由8OH-提供8個負電荷.

Cu3O2-4+12NH3·H2O3Cu（NH3）2+4+8OH-

第四步：原子守恒，觀察H、O原子個數，生成物補充8H2O，全部守恒.

Cu3O2-4+12NH3·H2O

3Cu（NH3）2+4+8OH-+8H2O

BaCu3O4難溶于水，離子方程式中BaCu3O4不能寫成Cu3O2-4，

故離子方程式為：

BaCu3O4+12NH3·H2O3Cu（NH3）2+4+Ba2++8OH-+8H2O

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［責任編輯：季春陽］