六、分类思想突破新情境下化学方程式的书写
(一)文字描述情境
1.工业上可用Na2CO3·nH2O(固体)与SO2气体充分接触反应制备焦亚硫酸钠(Na2S2O5),此法常称为干法制备焦亚硫酸盐,写出反应的化学方程式:2SO2+Na2CO3·nH2ONa2S2O5+CO2+nH2O。
2.取一定量高纯TiCl4固体于三颈烧瓶中,加入浓盐酸配成TiCl4溶液,然后加水稀释转化成一定浓度的TiOCl2溶液,最后将氨水缓慢滴入TiOCl2溶液中,搅拌,析出H2TiO3。写出氨水与TiOCl2溶液反应产生H2TiO3的化学方程式:TiOCl2+2NH3·H2OH2TiO3↓+2NH4Cl。
3.橄榄石型LiFePO4是一种潜在的锂离子电池正极材料,它可以通过(NH4)2Fe(SO4)2 、H3PO4与LiOH溶液发生共沉淀反应,所得沉淀经80 ℃真空干燥、高温成型而制得。共沉淀反应的化学方程式为(NH4)2Fe(SO4)2+LiOH+H3PO4LiFePO4↓+2NH4HSO4+H2O。
(二)反应机理情境
4.甲酸在纳米级磁性Fe3O4-Pd表面分解为活性H2和CO2,经下列历程实现N的催化还原,从而减少污染。
根据流程,该总反应方程式为2N+5HCOOH+2H+ N2↑+5CO2↑+6H2O。
解析:在反应历程图中箭头指进循环过程的为反应物,箭头从循环过程中指出的为生成物,故总反应方程式为2N+5HCOOH+2H+ N2↑+5CO2↑+6H2O。
5.2023年12月28日,全球规模最大的乙醇生产装置(60万吨/年)在安徽淮北启动试生产,利用CH3OH、CO2与H2合成CH3CH2OH的主要历程如图所示。
该过程的总反应方程式为CH3OH+CO2+3H2CH3CH2OH+2H2O。
解析:利用CH3OH、CO2与H2合成CH3CH2OH,还有水的生成,总反应方程式为CH3OH+CO2+3H2CH3CH2OH+2H2O。
6.某些生物酶体系可以促进H+和e-的转移(如a、b和c),能将海洋中的N转化为N2进入大气层,反应过程如图所示。
(1)过程Ⅰ的反应方程式为N+2H++e-NO↑+H2O;
(2)过程Ⅱ的反应方程式为NO+N+2H++3e-N2H4+H2O;
(3)过程Ⅲ的反应方程式为N2H4-4e-N2↑+4H+;
(4)过程Ⅰ→Ⅲ的总反应为N+NN2↑+2H2O。
(三)工艺流程情境
7.2023年诺贝尔化学奖授予对合成量子点有突出贡献的科研工作者。碲化镉(CdTe)量子点具有优异的光电性能,常用作太阳能薄膜电池材料。我国科研人员设计以电解精炼铜获得的富碲渣(含铜、碲、银等)为原料合成碲化镉量子点的流程如下:
回答下列问题:
(1)“硫酸酸浸”时,取含单质Te 6.38%的富碲渣20 g,为将Te全部溶出转化为Te(SO4)2,需加质量分数为30%的H2O2(密度:1.1 g·cm-3)2.06mL(保留到小数点后两位)。但实际操作中,H2O2用量远高于该计算值,原因之一是Cu同时也被H2O2浸出,请写出Cu被浸出时发生反应的离子方程式:Cu+H2O2+2H+Cu2++2H2O。
(2)化学中用标准电极电势Eθ(氧化态/还原态)反映微粒间得失电子能力的强弱,一般这个数值越大,氧化态转化为还原态越容易。已知硫酸酸浸液中部分微粒的标准还原电极电势为Eθ(Cu2+/Cu)=0.337 V、Eθ(Te4+/Te)=0.630 V,则SO2“还原”酸浸液时,主要发生反应的离子方程式是Te4++2SO2+4H2OTe+8H++2S。
解析:(1)“硫酸酸浸”时,取含单质Te 6.38%的富碲渣20 g,为将Te全部溶出转化为Te(SO4)2,该反应方程式为Te+2H2SO4+2H2O2Te(SO4)2+4H2O,则需加质量分数为30%的H2O2(密度:1.1 g·cm-3)的体积为×1 mL·cm-3≈2.06 mL(保留到小数点后两位);但实际操作中,H2O2用量远高于该计算值,原因之一是Cu同时也被H2O2浸出,Cu被浸出时发生反应的离子方程式:Cu+H2O2+2H+Cu2++2H2O。(2)由题干信息可知,化学中用标准电极电势Eθ(氧化态/还原态)反映微粒间得失电子能力的强弱,一般这个数值越大,氧化态转化为还原态越容易,结合硫酸酸浸液中部分微粒的标准还原电极电势为Eθ(Cu2+/Cu)=0.337 V、Eθ(Te4+/Te)=0.630 V,Te4+较Cu2+易被还原,则SO2“还原”酸浸液时,主要发生反应的离子方程式是Te4++2SO2+4H2OTe+8H++2S。
8.硒(34Se)与氧同主族,硒元素及其化合物与人体健康、工业生产密切相关。某科研小组以阳极泥(主要成分是Se,含有CuSe、Ag2Se等杂质)为原料,提炼硒的流程如图:
已知滤液A中主要成分是Na2SeO3;滤液C中主要成分是Na2Se。
(1)高温下用焦炭还原固体B的化学方程式为Na2SeO4+4CNa2Se+4CO↑。
(2)滤液C中析出硒的离子方程式为2Se2-+O2+2CO22Se↓+2C(或2Se2-+O2+4CO2+2H2O2Se↓+4HC)。
解析:(1)滤液A中主要成分是Na2SeO3,通入空气,蒸干,得到固体B,则固体B为Na2SeO4,高温下用焦炭还原固体B的化学方程式为Na2SeO4+4CNa2Se+4CO↑。(2)在滤液C中通入空气,氧气可把还原性强的Se2-氧化为单质Se,通入CO2可以减弱反应后溶液的碱性,有利于Se的析出,依题意可知该反应的离子方程式为2Se2-+O2+2CO22Se↓+2C(或2Se2-+O2+4CO2+2H2O2Se↓+4HC)。
9.氯氧化铋(BiOCl)广泛用于彩釉调料、塑料助剂等。一种用火法炼铜过程产生的铜转炉烟尘(除含铋的化合物之外,还有CuSO4、ZnSO4、CuS、Fe2O3、PbSO4及As2O3)制备高纯氯氧化铋的工艺流程如下:
已知:①BiOCl难溶于水;
②“浸铋”所得浸取液中含BiCl3、AsCl3等物质。
(1)“浸铜”时有单质硫生成,发生反应的离子方程式为CuS+MnO2+4H+Cu2++Mn2++S+2H2O。
(2)“沉铋”时需控制溶液的pH=3.0,此时BiCl3发生反应的化学方程式为BiCl3+Na2CO3BiOCl↓+2NaCl+CO2↑。“沉铋”所得滤液可导入浸铋中使用(填流程中操作单元名称)。
(3)工业生产中还可采用铁盐氧化法除砷。向“浸铋”所得浸取液中加入Fe2(SO4)3和H2O2,并调节pH,生成FeAsO4沉淀,发生反应的离子方程式是Fe3++H2O2+As3++2H2OFeAsO4↓+6H+。
解析:(1)“浸铜”时加入的物质是MnO2、稀硫酸,得到单质硫,初步确定反应为MnO2+H++CuSS+Mn2++Cu2++H2O,根据得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒配平,得离子方程式为CuS+MnO2+4H+Cu2++Mn2++S+2H2O。(2)“沉铋”时,加入Na2CO3,BiCl3转化为BiOCl,同时有NaCl、CO2生成,根据原子守恒配平得方程式为BiCl3+Na2CO3BiOCl↓+2NaCl+CO2↑;“沉铋”后的滤液中含有NaCl,可导入“浸铋”环节循环使用。(3)“浸铋”所得浸取液中砷元素以As3+形式存在,反应后转化为FeAsO4,As元素化合价升高,则H2O2中O元素化合价降低,根据得失电子守恒配平离子方程式为Fe3++As3++H2O2+2H2OFeAsO4↓+6H+。
(四)实验装置或原理情境
10.某兴趣小组用CaS与MgCl2反应制备高纯H2S,实验装置如图所示(装置A内产生的H2S气体中含有酸性气体杂质)。
装置A中发生反应的化学方程式是CaS+MgCl2+2H2OCaCl2+Mg(OH)2↓+H2S↑。
解析:由题干装置图可知,用CaS与MgCl2反应制备高纯H2S,装置A作为H2S的发生装置,反应的化学方程式:CaS+MgCl2+2H2OCaCl2+Mg(OH)2↓+H2S↑。
11.草酸可作还原剂、沉淀剂、金属除锈剂、织物漂白剂等。实验室用电石(主要成分为CaC2,含少量CaS杂质)为原料制取H2C2O4·H2O的装置如图所示。已知:CaC2+2H2OCa(OH)2+C2H2↑。请回答下列问题:
(1)装置B中的试剂名称是氢氧化钠溶液或硫酸铜溶液。
(2)装置C中多孔球泡的作用是增大气体和溶液的接触面积,加快反应速率,使反应充分进行,
装置D的作用是防止倒吸。
(3)装置C中生成H2C2O4的化学方程式为C2H2+8HNO3(浓)H2C2O4+8NO2+4H2O。
解析:(1)电石中的CaS杂质会与水反应生成H2S气体,需要用氢氧化钠溶液或硫酸铜溶液吸收。(2)装置C中多孔球泡的作用是增大气体和溶液的接触面积,加快反应速率,使反应充分进行;NO2与NaOH溶液极易反应,因此装置D是为了防止NO2与NaOH溶液反应产生倒吸,即作用为防止倒吸。(3)由题图可知,反应物为C2H2和浓硝酸,条件是水浴加热,少量硝酸汞为催化剂,产物为H2C2O4和NO2,因此反应的化学方程式为C2H2+8HNO3(浓)H2C2O4+8NO2+4H2O。
12.[Co(NH3)6]Cl3(三氯化六氨合钴,Mr=267.5)是合成其他含钴配合物的重要原料,实验室中可由金属钴及其他原料制备[Co(NH3)6]Cl3。
制备步骤如下:
Ⅰ.CoCl2的制备:用金属钴与氯气反应制备CoCl2,实验中利用如图装置(连接处橡胶管省略)进行制备。
Ⅱ.在100 mL锥形瓶内加入5.2 g研细的CoCl2、3.5 g NH4Cl和6 mL水,加热溶解后加入0.3 g活性炭作催化剂。
Ⅲ.冷却后,加入浓氨水混合均匀。控制温度在10 ℃以下并缓慢加入12 mL H2O2溶液。
Ⅳ.在60 ℃下反应一段时间后,经过趁热过滤、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等操作,得到橙黄色的[Co(NH3)6]Cl3晶体7.2 g。
请回答下列问题:
(1)仪器a的名称为圆底烧瓶。
(2)用图中的装置组合制备CoCl2,仪器的连接顺序为A→D→C→E→B。装置B的作用是吸收多余的Cl2,防止污染空气;同时防止空气中的水蒸气进入装置E,使CoCl2潮解。
(3)制备三氯化六氨合钴的反应方程式为2CoCl2+10NH3·H2O+2NH4Cl+H2O22[Co(NH3)6]Cl3+12H2O。
解析:(1)仪器a的名称为圆底烧瓶。(2)先制取氯气,再进行氯气的除杂和干燥,最后Cl2和钴反应,故顺序为A→D→C→E→B;CoCl2易潮解,装置B可以防止空气中的水蒸气进入装置E,氯气有毒,也用于氯气的尾气处理。(3)根据得失电子守恒、原子守恒可得化学方程式为2CoCl2+10NH3·H2O+2NH4Cl+H2O22[Co(NH3)6]Cl3+12H2O。
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