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

(河北豐寧滿族自治縣第一中學,河北 承德 068350)

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.

圖1 工藝流程

(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:

第二步:根據得失電子守恒,寫出相應系數.

第三步:電荷守恒,即反應物所帶電荷數=生成物所帶電荷數.

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.

②最后觀察H、O原子個數,生成物補充8H2O,全部守恒.

寫成化學方程式:

8Na2CrO4+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.

圖2 工藝流程

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:

第二步:原子守恒,應用原子守恒配平主要原子.

第三步:電荷守恒,即反應物所帶電荷數=生成物所帶電荷數.

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.

Ce2(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.

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.

圖3 工藝流程

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:

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

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:

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.

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.

2NH4Al(SO4)2+6NH3+3H2O

第二種情況:

⑤先N原子守恒:

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.

圖4 工藝流程

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

第二步:應用得失電子守恒,寫出相應系數.

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.

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.

寫成化學方程式:

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:

第二步:應用原子守恒配平主要原子.

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.

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.