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

(河北丰宁满族自治县第一中学,河北 承德 068350)

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.

图1 工艺流程

(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,滤渣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:

第二步:根据得失电子守恒,写出相应系数.

第三步:电荷守恒,即反应物所带电荷数=生成物所带电荷数.

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.

②最后观察H、O原子个数,生成物补充8H2O,全部守恒.

写成化学方程式:

8Na2CrO4+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.

图2 工艺流程

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:

第二步:原子守恒,应用原子守恒配平主要原子.

第三步:电荷守恒,即反应物所带电荷数=生成物所带电荷数.

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.

Ce2(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.

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.

图3 工艺流程

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:

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

还有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:

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.

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.

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

第二种情况:

⑤先N原子守恒:

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.

图4 工艺流程

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

第二步:应用得失电子守恒,写出相应系数.

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.

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.

写成化学方程式:

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:

第二步:应用原子守恒配平主要原子.

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.

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.