应用“三个守恒”书写新高考化工流程题中复杂化学方程式方法

徐兴宇

摘 要：文章应用“得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒”三个守恒，通过四道高考试题，详细介绍了化工流程题中复杂化学方程式书写方法，此方法简单、实用、易于掌握.

关键词：电子守恒；电荷守恒；原子守恒；化工流程题；化学方程式；高中化学

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2023）34-0129-04

新高考化学工艺流程题涉及复杂化学方程式书写［1］.本文通过2021年高考化工流程题，分两种类型详细介绍用“三个守恒”书写化学方程式的方法，并用该方法书写2022年高考化工流程题涉及的化学方程式加以佐证.1 氧化还原反应方程式书写

书写化学方程式，使用“三个守恒”顺序依次为：得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒.

例1 ［2021年河北省普通高中学业水平选择性考试化学试题15题 （5）］

绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要作用.某科研团队设计了一种熔盐液相氧化法，制备高价铬盐的新工艺，该工艺不消耗除铬铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现了Cr—Fe—Al—Mg深度利用和Na+内循环.工艺流程如图1所示.

（5）物质V可代替高温连续氧化工序中的NaOH，此时发生的主要反应的化学方程式为：_______.

分析 书写步骤如下：

第一步 ：确定氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物.

反应物：Fe（CrO2）2、O2、NaHCO3

生成物：Na2CrO4 ，濾渣I中有Fe（CrO2）2中

+2价Fe高温连续氧化后生成的难溶于水的+3价Fe化合物，经分析为Fe2O3.

氧化剂：O2 ；还原剂： Fe（CrO2）2

氧化产物：Na2CrO4、Fe2O3；还原产物：-2价O化合物

离子方程式：

Fe（CrO2）2+O2CrO2-4+ Fe2O3

第二步：根据得失电子守恒，写出相应系数.

4Fe（CrO2）2+7O28CrO2-4+ 2Fe2O3

第三步：电荷守恒，即反应物所带电荷数=生成物所带电荷数.

反应物电荷数：0，生成物电荷数：-8×2=-16，反应物有NaHCO3参与反应，故反应物应由HCO-3提供负电荷，电荷数为：-1×16 =-16，即反应物由16HCO-3提供16个负电荷.

4Fe（CrO2）2+7O2+16HCO-38CrO2-4+2Fe2O3

第四步：原子守恒，应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原子个数守恒.

反应物有16个C原子，生成物也应有16个C原子，但必须是呈电中性化合价为+4价的C的化合物.经分析16CO2符合.

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

②最后观察H、O原子个数，生成物补充8H2O，全部守恒.

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

写成化学方程式：

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

2 非氧化还原反应方程式书写

书写化学方程式，使用“一个守恒”：原子守恒.

例2 ［2021年湖南省普通高中学业水平选择性考试化学试题17题（5）］

Ce2（CO3）3可用于催化剂载体及功能材料的制备.天然独居石中，铈（Ce）主要以CePO4形式存在，还含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaF2等物质.以独居石为原料制备Ce2（CO3）3·nH2O的工艺流程如图2所示.

回答以下问题：

（5）“沉铈”过程中，生成Ce2（CO3）3·nH2O的离子方程式为_______.

分析 书写步骤如下：

第一步：写出题中已经确定的反应物和生成物.

离子方程式：

Ce3++HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O

第二步：原子守恒，应用原子守恒配平主要原子.

2Ce3++3HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O

第三步：电荷守恒，即反应物所带电荷数=生成物所带电荷数.

反应物电荷数：2×3-3×1=3，生成物电荷数：0，反应物有NH4HCO3参与反应，故反应物应由HCO-3提供负电荷，电荷数为：-1×3=-3，即反应物由3HCO-3提供3个负电荷.

2Ce3++3HCO-3+3HCO-3Ce2（CO3）3·nH2O

第四步：原子守恒，应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原子个数守恒.

反应物中有6个C原子，生成物中已有3个C原子还应再有3个C原子，但必须是呈电中性化合价为+4价的C元素的化合物，经分析3CO2符合.

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

②最后观察H、O原子个数，反应物补充（n-3）H2O，全部守恒.

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

例3 ［2021年全国乙卷化学试题26题（1）］

磁选后的炼铁高钛炉渣中，其主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO和少量Fe2O3，为节约并充分利用资源，通过图3所示工艺流程回收钛、铝、镁等.

回答下列问题：

（1）“焙烧”中，TiO2、SiO2几乎不能发生化学反应，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应硫酸盐，写出Al2O3转化为NH4Al（SO4）2的化学方程式_______.

分析 书写步骤如下：

第一步 ：写出题中已经确定的反应物和生成物.

化学方程式：

Al2O3+（NH4）2SO4NH4Al（SO4）2

第二步：原子守恒，应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原子守恒两种情况.

第一种情况：

②先S原子守恒：

1Al2O3+4（NH4）2SO42NH4Al（SO4）2

③再N原子守恒：

反应物中有8个N原子，生成物中已有2个N原子还应再有6个N原子，但必须是呈电中性化合价为+3价的N元素的化合物.经分析6NH3符合.

1Al2O3+4（NH4）2SO4

2NH4Al（SO4）2+6NH3

④最后观察H、O原子个数，生成物补充3H2O，全部守恒.

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

第二种情况：

⑤先N原子守恒：

1Al2O3+1（NH4）2SO42NH4Al（SO4）2

⑥再S原子守恒：

反应物中有1个S原子，生成物中有4个S原子，反应物中还应再有3个S原子，但必须是呈电中性化合价为+6价的S元素的化合物.经分析3SO3或3H2SO4符合.但从工艺流程分析，高炉矿渣焙烧工序，无SO3或H2SO4参与此步反应.故这种情况不能写出化学方程式.

例4 ［2022年6月浙江省普通高校招生选考科目考试化学试题28题（3）］

化合物X由三种元素组成，某个实验小组按图4所示流程进行实验.

回答：

（3）①写出X到A的化学方程式_______.

②X难溶于水，但可溶于氨水中，写出该反应的离子方程式_______.

分析 第①问的书写步骤如下：

第一步 ：确定氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物.

反应物：BaCu3O4、NH3

生成物：Cu，Cu化合价降低，得到电子，则氨中N化合价升高，NH3被氧化生成N2.

氧化剂：BaCu3O4；还原剂：NH3

氧化产物：N2；还原产物：Cu

离子方程式：NH3+Cu3O2-4Cu+N2

第二步：应用得失电子守恒，写出相应系数.

2NH3+Cu3O2-43Cu+N2

第三步：电荷守恒.

反应物电荷数：-2，生成物电荷数： 0，反应物有NH3参与反应，碱性环境，故生应物应由OH-提供负电荷，电荷数为：-1×2 =-2，即生成物由2OH-提供2个负电荷.

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

第四步：原子守恒，观察H、O原子个数，生成物补充2H2O，全部守恒.

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

写成化学方程式：

2NH3+BaCu3O4Ba（OH）2+3Cu+N2+2H2O

第②问的书写步骤如下；

第一步：写出题中已经确定的反应物和生成物.

离子方程式：

Cu3O2-4+NH3·H2OCu（NH3）2+4

第二步：应用原子守恒配平主要原子.

Cu3O2-4+12NH3·H2O3Cu（NH3）2+4

第三步：电荷守恒.

反应物电荷数：-2，生成物电荷数：3×2=+6，反应物有NH3·H2O参与反应，碱性环境.故生成物应由OH-提供负电荷，电荷数为：-1×8=-8，即生成物由8OH-提供8个负电荷.

Cu3O2-4+12NH3·H2O3Cu（NH3）2+4+8OH-

第四步：原子守恒，观察H、O原子个数，生成物补充8H2O，全部守恒.

Cu3O2-4+12NH3·H2O

3Cu（NH3）2+4+8OH-+8H2O

BaCu3O4难溶于水，离子方程式中BaCu3O4不能写成Cu3O2-4，

故离子方程式为：

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

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［责任编辑：季春阳］