1-3-3 有关氧化还原反应的计算及综合应用
1.【2016年新课标Ⅲ卷T28(2)】(14分)
以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生成硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为:
物质
V2O5
V2O4
K2SO4
SiO2
Fe2O3
Al2O3
质量分数/%
2.2~2.9
2.8~3.1
22~28
60~65
1~2
<1
以下是一种废钒催化剂回收工艺路线:
回答下列问题:
(1)“酸浸”时V2O5转化为VO2+,反应的离子方程式为___________,同时V2O4转成VO2+。“废渣1”的主要成分是__________________。
(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2+变为VO2+,则需要氧化剂KClO3至少为______mol。
【答案】(1)V2O5+2H+=2VO2++H2O;SiO2;(2)0.5;
【解析】
试题分析:(1)“酸浸”时V2O5转化为VO2+,V元素化合价不变,说明不是氧化还原反应,根据原子守恒可知反应的离子方程式为V2O5+2H+=2VO2++H2O;二氧化硅与酸不反应,则“废渣1”的主要成分是二氧化硅。
(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2+变为VO2+,V元素化合价从+4价升高到+5价,而氧化剂KClO3中氯元素化合价从+5价降低到-1价,则根据电子得失守恒可知需要氯酸钾的物质的量为少3mol÷6=0.5mol。
2.【2016年新课标Ⅰ卷T28】(14分)NaClO2是一种重要的杀菌消毒剂,也常用来漂白织物等,其一种生产工艺如下:
回答下列问题:
(1)NaClO2中Cl的化合价为_______。
(2)写出“反应”步骤中生成ClO2的化学方程式_______。
(3)“电解”所用食盐水由粗盐水精制而成,精制时,为除去Mg2+和Ca2+,要加入的试剂分别为________、________。“电解”中阴极反应的主要产物是______。
(4)“尾气吸收”是吸收“电解”过程排出的少量ClO2。此吸收反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为________,该反应中氧化产物是_________。
(5)“有效氯含量”可用来衡量含氯消毒剂的消毒能力,其定义是:每克含氯消毒剂的氧化能力相当于多少克Cl2的氧化能力。NaClO2的有效氯含量为____。(计算结果保留两位小数)
【答案】(1)+3价;(2)2NaClO3+SO2+H2SO4=ClO2+2NaHSO4;
(3)NaOH溶液 ;Na2CO3溶液 ;ClO2-(或NaClO2);
(4)2:1; O2;
(5)1.57g。
【解析】
气体,产物为NaClO3,则此吸收反应中,氧化剂为ClO2,还原产物为NaClO2,还原剂是H2O2,氧化产物是O2,每1mol的H2O2转移2mol电子,反应方程式是:2NaOH+2ClO2+H2O2=2NaClO2+O2+2H2O,可知氧化剂和还原剂的物质的量之比为2:1,该反应中氧化产物O2。(5)每1克NaClO2的物质的量为n(NaClO2)=1g÷90.5g/mol=mol,其获得电子的物质的量是n(e-)=mol×4=4/90.5mol,1molCl2获得电子的物质的量是2mol,根据电子转移数目相等,可知其相对于氯气的物质的量为n=mol×4÷2=mol,则氯气的质量为mol×71g/mol=1.57g。
【考点定位】考查混合物的分离与提纯、氧化还原反应的分析及电解原理的应用的知识。
【名师点睛】化合价是元素形成化合物时表现出来的性质,在任何化合物中,所有元素正负化合价的代数和等于0,掌握常见元素的化合价,并根据元素吸引电子能力大小及化合物中,所有元素正负化合价的代数和等于0的原则判断元素的化合价。有元素化合价变化的反应是氧化还原反应,元素化合价升高,失去电子,该物质作还原剂,变为氧化产物;元素化合价降低,获得电子,该物质作氧化剂,变为还原产物,元素化合价升降总数等于反应过程中电子转移的数目;可利用最小公倍数法配平氧化还原反应方程式,对于离子反应,同时还要符合电荷守恒及原子守恒。物质的氧化能力大小可结合每1mol物质获得电子的多少,获得电子越多,其氧化能力就越强。
考纲中要求掌握氧化还原反应的配平及相关计算,在近几年的考题中将氧化还原反应与物质的分析推断结合在一起,将电化学原理、新型绿色能源的开发等与工农业生产、科学研究、社会日常生活等结合在一起,考查考生对学科内知识的综合应用能力。这类试题一般难度较大,侧重问题分析和解决能力。
一、利用守恒思想求解氧化还原反应问题的四大步骤
步骤1 找物质
找出氧化剂、还原剂及相应的还原产物和氧化产物;
步骤2 定得失
确定一个原子或离子得失电子数(注意化学式中的原子个数);
步骤3 列等式
根据题中物质的物质的量和得失电子守恒列出等式;
步骤4 找关系
对于多步连续进行的氧化还原反应,只要中间各步反应过程中没有损耗,可直接找出起始物和最终产物,删去中间产物,建立二者之间的电子守恒关系,快速求解。
二、熟记常见的氧化剂及对应的还原产物、还原剂及对应的氧化产物
氧化剂
Cl2
O2
浓H2SO4
HNO3
KMnO4(H+)、MnO2
Fe3+
KClO3、ClO-
H2O2
还原产物
Cl-
O2-
SO2
NO或NO2
Mn2+
Fe2+
Cl-
H2O
还原剂
I-(HI)
S2-(H2S)
CO、C
Fe2+
NH3
SO2、SO
H2O2
氧化产物
I2
S
CO2
Fe3+
NO
SO
O2
1.SO2气体与足量Fe2(SO4)3溶液完全反应后,再加入K2Cr2O7溶液,发生如下两个化学反应:
①SO2+2Fe3++2H2O=SO42-+2Fe2++4H+;
②Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O。
下列有关说法错误的是
A.氧化性:Cr2O72->Fe3+>SO2
B.K2Cr2O7能将Na2SO3氧化成Na2SO4
C.每有1 mol K2Cr2O7参加反应,转移电子的数目为6NA
D.若有6.72 L SO2(标准状况)参加反应,则最终消耗0.2 mol K2Cr2O7
【答案】D
【解析】A、由①可知,Fe元素的化合价降低,则氧化性为Fe3+>SO2,由②可知,Cr元素的化合价降低,则氧化性为Cr2O72->Fe3+,故A正确;B、因氧化性为Cr2O72->SO2,则K2Cr2O7能将Na2SO3氧化成Na2SO4,故B正确;C、每有1molK2Cr2O7参加反应,转移电子为1mol×2×(6-3)=6mol,即转移电子的数目为6NA,故C正确;D、6.72 L SO2(标准状况)参加反应,n(SO2)==0.3mol,由上述两个反应可知,存在3SO2~Cr2O72-,则最终消耗0.1molK2Cr2O7,故D错误;故选D。
2.向含Fe2+、I-、Br-的溶液中通入过量的氯气,溶液中四种粒子的物质的量变化如图所示,已知:b-a=5,线段Ⅳ表示一种含氧酸,且Ⅰ和Ⅳ表示的物质中含有相同的元素。下列说法不正确的是
A.线段Ⅱ表示Fe2+的变化情况
B.线段Ⅳ发生反应的离子方程式为:I2+5Cl2+12OH-=2IO3-+10Cl-+6H2O
C.根据图象可计算a=6
D.原溶液中c(Fe2+)∶c(I-)∶c(Br-)=2∶1∶3
【答案】B
【解析】向仅含Fe2+、I-、Br-的溶液中通入适量氯气,还原性I->Fe2+>Br-,首先发生反应:2I-+Cl2=I2+2Cl-,I-反应完毕,再反应反应:2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-,Fe2+反应完毕,又发生反应2Br-+Cl2=Br2+2Cl-,故线段I代表I-的变化情况,线段Ⅱ代表Fe2+的变化情况,线段Ⅲ代表Br-的变化情况,故A正确;线段IV表示一种含氧酸,且I和IV表示的物质中含有相同的元素,该元素为I元素,2I-+Cl2=I2+2Cl-,消耗1mol氯气,所以碘原子的物质的量为2mol,反应IV消耗氯气的物质的量为5mol,根据电子守恒,设该含氧酸中碘元素的化合价为x, (x-0)×2mol=5mol×2,解得x=+5,则该含氧酸为HIO3,离子方程是I2+5Cl2+6H2O =2IO3-+10Cl-+12H+,故B错误;由通入氯气可知,根据反应离子方程式可知溶液中n(I-)=2n(Cl2)=2mol,溶液中n(Fe2+)=2n(Cl2)=2×(3mol-1mol)=4mol,Fe2+反应完毕,根据电荷守恒可知n(I-)+n(Br-)=2n(Fe2+),故n(Br-)=2n(Fe2+)-n(I-)=2×4mol-2mol=6mol,根据2Br-+Cl2=Br2+2Cl-可知,溴离子反应需要氯气的物质的量为3mol,故a=3+3=6,故C正确;根据以上分析,原溶液中e(Fe2+):c(I-):c(Br-)=4:2:6=2:1:3,故D正确。
3.往200mLFeCl3溶液中通入4.48L标难状况下的H2S气体后(气体完全反应),再加入过量的Fe粉,反应停止后,测得溶液中含有1.2mol金属阳离子,下列说法正确的是
A.通入H2S时发生反应的离子方程式为Fe3++H2S=Fe2++S↓+2H+
B.若将加入Fe粉后溶液中的1.2mol金属阳离子完全氧化,需要通入Cl213.44L
C.若将上述4.48L标准状况下的H2S换成0.2molNa2S,加入过量的Fe粉后溶液中也能得到1.2mol金属阳离子
D.将原FeCl3溶液加热蒸干并灼烧,得到固体的质量为64g
【答案】D
4.卤族元素在化学中有着极为广泛的应用。
Ⅰ.由于氟的特殊化学性质,它和其他卤素在单质及化合物的制备与性质上存在较明显的差异。
(1)化学家研究发现,SbF5能与[MnF6]2-离子反应得到MnF4,SbF5转化成稳定离子[SbF6]-的盐。而MnF4很不稳定,受热易分解为MnF3和F2。根据以上研究写出以K2MnF6和SbF5为原料,在423 K 的温度下制备F2的化学方程式:________________________________________________。
(2)现代工业以电解熔融的氟氢化钾(KHF2)和氟化氢(HF)混合物制备氟单质,电解制氟装置如图所示。
电解制氟时,要用镍铜合金隔板将两种气体产物严格分开的原因是______________________。
(3)HF的水溶液是氢氟酸,能用于蚀刻玻璃,其化学反应方程式为: ____________________。
Ⅱ.实验室常用高锰酸钾固体与浓盐酸反应制备氯气。将0.08mol KMnO4固体加热一段时间后,收集到a molO2;向反应后残留的固体中加入足量的浓盐酸,又收集到b mol Cl2,此时Mn元素全部以Mn2+的形式存在于溶液中。
(1)请根据上述描述写出K2MnO4与浓盐酸反应制氯气的离子反应方程式:__________________。
(2)通过上述文字中提供的数据计算出a+b的范围为_____________________。
Ⅲ.ClO2可替代Cl2作为自来水消毒剂。常用 “有效氯含量”可用来衡量含氯消毒剂的消毒能力,其定义是:每克含氯消毒剂的氧化能力相当于多少克Cl2的氧化能力。则ClO2的有效氯含量为__________。(计算结果保留两位小数)
【答案】 2K2MnF6+4SbF54KSbF6+2MnF3+F2↑ 氟气和氢气能发生剧烈反应,引发爆炸 SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O MnO42-+8H++4Cl-=Mn2++2Cl2↑+4H2O 0.16≤a+b<0.2 2.63
(3)玻璃的主要成分为SiO2,SiO2与HF反应的化学方程式为:SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。
II(1)KMnO4受热分解生成K2MnO4、MnO2和O2,根据题意K2MnO4与浓盐酸反应产生Cl2,K2MnO4被还原成Mn2+,反应可写成:MnO42-+Cl-+H+→Mn2++Cl2↑+H2O,Mn元素的化合价由+6价降至+2价,Cl元素的化合价由-1价升至0价,根据得失电子守恒配平,MnO42-+4Cl-+H+→Mn2++2Cl2↑+H2O,结合原子守恒和电荷守恒,写出离子方程式为:MnO42-+4Cl-+8H+=Mn2++2Cl2↑+4H2O。
(2)在整个过程中KMnO4中所有Mn元素的化合价都由+7价降为+2价,分解过程中的氧化产物为O2,与浓盐酸反应的氧化产物为Cl2,根据得失电子守恒,0.08mol5=4n(O2)+2n(Cl2),4a+2b=0.4。若KMnO4没有分解,a=0,b=0.2,a+b=0.2;若KMnO4完全分解,根据方程式:2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑,a取最大值0.04,则b=0.12,a+b=0.16,a+b的取值范围为:0.16a+b0.2。
III.ClO2Cl-,1gClO2得到电子物质的量为5,根据“有效氯含量”的定义,m(Cl2)71g/mol2=5,m(Cl2)=2.63g,则ClO2的有效氯含量为2.63。
点睛:本题第II(2)应用氧化还原反应中的得失电子守恒和极限法进行解题,无需分析KMnO4、K2MnO4、MnO2各自与浓盐酸的反应,提高解题速度。