“數(shù)形結(jié)合”完成真實(shí)問題情境下的方程式書寫
——高三復(fù)習(xí)后期的“小切口”提分策略

呂 艷

(新疆烏蘇市第一中學(xué))

化學(xué)方程式作為化學(xué)用語,可以替代文字簡(jiǎn)潔、客觀地描述化學(xué)反應(yīng),離子方程式是在化學(xué)方程式的基礎(chǔ)上,以離子的形式描述溶液中發(fā)生的一個(gè)具體反應(yīng)或一類反應(yīng),更加接近反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)在學(xué)業(yè)質(zhì)量中對(duì)“化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫”提出兩個(gè)明確要求:一是能結(jié)合實(shí)例書寫離子方程式和氧化還原反應(yīng)方程式,二是能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理預(yù)測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物。

“結(jié)合實(shí)例”和“預(yù)測(cè)產(chǎn)物”,就是期望學(xué)生在題干預(yù)設(shè)的真實(shí)問題情境中靈活應(yīng)用已有知識(shí)完成陌生化學(xué)方程式的書寫。筆者將情境方程式書寫作為高三后期復(fù)習(xí)專項(xiàng)提升的一個(gè)小切口,力圖通過“數(shù)形結(jié)合”破解真實(shí)問題情境下的方程式書寫,希望能由一及多,引發(fā)教師和學(xué)生的深入思考。

一、“數(shù)形結(jié)合”實(shí)現(xiàn)已有知識(shí)在真實(shí)問題情境中的靈活應(yīng)用

(一)利用數(shù)軸,破解“配比類”方程式的書寫

配比類化學(xué)方程式一般由兩個(gè)或多個(gè)基礎(chǔ)方程式疊加形成,反應(yīng)多數(shù)存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

1.存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的氧化還原反應(yīng)方程式書寫

在氧化還原反應(yīng)中,氧化能力強(qiáng)的物質(zhì)與還原能力強(qiáng)的物質(zhì)優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)存在多種還原性物質(zhì)時(shí),按照還原能力的強(qiáng)弱,依次與氧化劑發(fā)生反應(yīng)。所以氧化劑投入量不同,被氧化的物質(zhì)種類和量也不同。破解這一類方程式的書寫,需要把握三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

第一:明確反應(yīng)體系中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的先后順序,完成“少量”和“過量”兩種情況下氧化還原反應(yīng)方程式的書寫;

第二:構(gòu)建數(shù)軸,確定氧化劑和還原劑配比的起止點(diǎn);

第三:在起止點(diǎn)之間,變換比例關(guān)系式,進(jìn)行思維拓展,完成真實(shí)問題情境下的方程式書寫。

【例1】向溴化亞鐵溶液中通入氯氣,已知還原性Fe2+>Br->Cl-,書寫可能發(fā)生的離子方程式。

圖1 向FeBr2溶液中通入Cl2·數(shù)軸構(gòu)建

【實(shí)戰(zhàn)演練】向碘化亞鐵溶液中通入氯氣。已知還原性I->Fe2+>Cl-,書寫可能發(fā)生的離子方程式。

【分析過程】思路如上,先從氯氣少、氯氣過量入手,完成基礎(chǔ)方程式書寫且確定數(shù)軸的起止點(diǎn),再對(duì)起止點(diǎn)的比例關(guān)系式進(jìn)行變形,實(shí)現(xiàn)多種比例關(guān)系下的情境方程式書寫。數(shù)軸構(gòu)建如圖2:

圖2 向FeI2溶液中通入Cl2·數(shù)軸構(gòu)建

利用數(shù)軸還可以破解“多種金屬陽離子的混合體系中加入金屬單質(zhì)”類型的問題。

【例2】向均含有amol的Ag+、Fe3+、Cu2+混合溶液中加入Fe粉。討論:燒杯中溶液和固體的可能組成。

【分析過程】三種陽離子的氧化能力:Ag+>Fe3+>Cu2+,加入的鐵粉依次與三者反應(yīng)。

圖3 向均含有a mol溶質(zhì)的Ag+、Fe3+、Cu2+混合溶液中加入Fe粉·數(shù)軸構(gòu)建

【小結(jié)】存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的氧化還原反應(yīng)方程式書寫,關(guān)鍵是厘清氧化性或還原性的相對(duì)強(qiáng)弱;在此基礎(chǔ)上明確反應(yīng)的先后順序,確定“少量”的起點(diǎn)和“過量”的止點(diǎn)并構(gòu)建數(shù)軸。在數(shù)軸的起止點(diǎn)之間對(duì)比例式進(jìn)行變形,可以實(shí)現(xiàn)不同配比的真實(shí)問題情境下的方程式書寫。其優(yōu)點(diǎn)是可以拓展學(xué)生對(duì)配比類氧化還原反應(yīng)方程式書寫的能力、拓寬理解的視角,同時(shí)加深理解氧化劑還原劑不同配比情況下生成物體系的組成。

【答案】FeCl3、I2

2.存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的復(fù)分解反應(yīng)方程式的書寫

復(fù)分解類型的方程式書寫,存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系時(shí)也可以利用數(shù)軸進(jìn)行分析。

圖4 向NH4Al(SO4)2溶液中加Ba(OH)2溶液·數(shù)軸構(gòu)建

【真題應(yīng)用2】(2022年全國(guó)甲卷,9題)能正確表示下列反應(yīng)的離子方程式為

( )

【答案】D

圖5 Ba(OH)2和NH4HSO4溶液反應(yīng)·數(shù)軸構(gòu)建

圖6 鐵的價(jià)類二維圖·氧化鐵合成路線一

圖7 鐵的價(jià)類二維圖·氧化鐵合成路線二

圖8 鐵的價(jià)類二維圖·氧化鐵合成路線三

(二)通過價(jià)類二維圖的視角,理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化和價(jià)態(tài)變價(jià)

價(jià)類二維圖,將物質(zhì)的價(jià)態(tài)和物質(zhì)的類別構(gòu)建在同一坐標(biāo)系中,從物質(zhì)類別和價(jià)態(tài)兩個(gè)維度來關(guān)注物質(zhì)的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化和制備。

(1)比如以單質(zhì)鐵為原料制備氧化鐵,可以按照下列三種路徑實(shí)現(xiàn):

通過價(jià)類二維圖可以看出,由于氧化鐵不溶于水,制備氧化鐵的路徑中,氫氧化鐵是必須的中間產(chǎn)物,所有的路徑都需要圍繞氫氧化鐵展開。

【真題應(yīng)用3】(2022年北京卷,19題節(jié)選)某小組同學(xué)探究不同條件下氯氣與二價(jià)錳化合物的反應(yīng)。

ⅲ. Cl2的氧化性與溶液的酸堿性無關(guān),NaClO的氧化性隨堿性增強(qiáng)而減弱。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖9(夾持裝置略)。

圖9

序號(hào)物質(zhì)aC中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通入Cl2前通入Cl2后Ⅰ水得到無色溶液產(chǎn)生棕黑色沉淀,且放置后不發(fā)生變化Ⅱ5% NaOH溶液產(chǎn)生白色沉淀,在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀棕黑色沉淀增多,放置后溶液變?yōu)樽仙?仍有沉淀Ⅲ40% NaOH溶液產(chǎn)生白色沉淀,在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀棕黑色沉淀增多,放置后溶液變?yōu)樽仙?仍有沉淀

(4)根據(jù)資料ⅱ,Ⅲ中應(yīng)得到綠色溶液,實(shí)驗(yàn)中得到紫色溶液,分析現(xiàn)象與資料不符的原因:

原因一:可能是通入Cl2導(dǎo)致溶液的堿性減弱。

②取Ⅲ中放置后的1 mL懸濁液,加入4 mL 40% NaOH溶液,溶液紫色迅速變?yōu)榫G色,且綠色緩慢加深。溶液紫色迅速變?yōu)榫G色的離子方程式為____________________;

③取Ⅲ中放置后的1 mL懸濁液,加入4 mL水,溶液紫色緩慢加深,發(fā)生的反應(yīng)是____________________________________。

【解析】分析題干已知信息,結(jié)合問題和價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化,進(jìn)行3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析:

序號(hào)物質(zhì)a環(huán)境C中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通入Cl2前通入Cl2后Ⅰ水中性Mn2+的無色溶液Cl2+Mn2++2H2OMnO2↓+4H++2Cl-產(chǎn)生二氧化錳棕黑色沉淀,且放置后不發(fā)生變化Ⅱ5% NaOH溶液堿性Mn2++2OH-Mn(OH)2↓產(chǎn)生白色沉淀2Mn(OH)2+O22MnO2+2H2O 氫氧化錳被氧氣氧化為二氧化錳棕黑色沉淀堿性環(huán)境中通入氯氣,錳從+4價(jià)轉(zhuǎn)化為+7價(jià),2MnO2+3Cl2+8OH-2MnO-4+6Cl-+4H2OⅢ40% NaOH溶液堿性較強(qiáng)Mn2++2OH-Mn(OH)2↓產(chǎn)生白色沉淀2Mn(OH)2+O22MnO2+2H2O 氫氧化錳被氧氣氧化為二氧化錳棕黑色沉淀1.堿性較強(qiáng)的環(huán)境中通入氯氣,根據(jù)信息氯氣的氧化性與溶液酸堿性無關(guān),錳從+4價(jià)轉(zhuǎn)化為+7價(jià),2MnO2+3Cl2+8OH-2MnO-4+6Cl-+4H2O2.根據(jù)信息,濃堿條件下,MnO-4可被OH-還原為MnO2-4。取Ⅲ中放置后的1 mL懸濁液,加入4 mL 40% NaOH溶液,發(fā)生:4MnO-4+4OH-4MnO2-4+O2↑+2H2O,錳從+7價(jià)轉(zhuǎn)化為+6價(jià),溶液紫色迅速變?yōu)榫G色3.依據(jù)信息,ClO-的氧化性隨堿性減弱而增強(qiáng),而氯氣的氧化性與溶液酸堿性無關(guān)。故取Ⅲ中放置后的1 mL懸濁液,加入4 mL水,堿性減弱,ClO-將錳從+4價(jià)氧化為+7價(jià),紫色緩慢加深,發(fā)生:2MnO2+3ClO-+2OH-2MnO-4+3Cl-+H2O

結(jié)合題目分析,在錳的價(jià)類二維圖中構(gòu)建三組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,結(jié)合已有知識(shí),可以豐富我們對(duì)錳的認(rèn)知:

圖10 錳的價(jià)類二維圖

+2價(jià)錳,在堿性環(huán)境中還原性較強(qiáng),可以被空氣中的氧氣氧化。

+4價(jià)錳,在堿性環(huán)境中主要表現(xiàn)還原性,在酸性環(huán)境中主要表現(xiàn)氧化性(實(shí)驗(yàn)室制備氯氣)。

+6價(jià)錳,在堿性環(huán)境中可以穩(wěn)定存在。

+7價(jià)錳,具有強(qiáng)氧化性,在堿性環(huán)境中轉(zhuǎn)變?yōu)?6價(jià),在酸性環(huán)境中轉(zhuǎn)變?yōu)?2價(jià),中性環(huán)境中轉(zhuǎn)變?yōu)?4價(jià)。

二、真實(shí)問題情境下的方程式書寫背后的必備積累

完成真實(shí)情境下的化學(xué)方程式的書寫,需要一定的知識(shí)積累。下文羅列了部分存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的非氧化還原反應(yīng)的先后順序和氧化還原反應(yīng)的基本價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化。(見表1,表2)

表1 必備知識(shí)積累之一:非氧化還原反應(yīng)中的先后順序

表2 必備知識(shí)積累之二:氧化還原反應(yīng)中常見價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化