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领悟介质洞悉反应

来源:用户上传      作者: 冯子光

  化学教师在教学时往往会遇到这样一类问题:学生在书写方程式或进行实验设计时常常忽视化学反应的环境,即化学反应的介质,从而产生以下的错误:在强酸性介质中会产生碱性气体,在强碱性介质中会产生酸性气体,出现了与题给条件相矛盾的情况,甚至会出现离子方程式中既有H+又有OH-等。也正是这些细节决定成败,导致实验失败、工艺流程的失误以及学生考试时失分。为此,笔者分析总结如下,供学生和老师们参考。
  一、无机反应中的介质
  1.离子反应中的介质
  【例1】下列各组离子在指定溶液中一定能大量共存的是()。
  ①滴入甲基橙显黄色的溶液中:Na+、NO-3、Cl-、AlO-2、OH-
  ②pH=11的溶液中:CO2-3、Na+、AlO-2、NO-3
  ③加入Al能放出H2的溶液中:Cl-、HCO-3、NO-3、NH+4
  ④在由水电离出的c(OH-)=10-13mol・L-1的溶液中:Na+、Ba2+、Cl-、I-
  ⑤能使pH试纸变蓝色的溶液中:Na+、C1-、S2-、ClO-
  ⑥酸性溶液中:Fe2+、Al3+、NO-3、I-、Cl-
  ⑦加入苯酚显紫色的溶液中:NH+4、K+、Cl-、S2-
  ⑧在pH=0的溶液中:K+、Fe2+、C1-、NO-3
  A.②③⑤⑦B.②④⑤
  C.①②④⑤D.④⑤⑥⑧
  解析:选B。①中甲基橙显黄色,其pH>4.4,酸、碱、中性都有可能,在酸性中AlO-2、OH-与H+反应不能大量共存。③加入Al能放出H2的溶液可能显强酸性和强碱性,HCO-3在强酸和强碱中都不能大量存在,NH+4在强碱中也不能大量存在。④c(OH-)水=10-13mol・L-1的溶液其pH为13或1,四种离子可以共存。⑤pH试纸显蓝色的溶液为碱性溶液,无论在酸性还是碱性环境下ClO-都有强氧化性,能氧化S2-。⑥酸性溶液中NO-3能氧化I-。⑦加入苯酚显紫色的溶液为酸性溶液,且2Fe3++S2-=2Fe2++S↓。⑧pH=0的溶液为强酸性溶液,3Fe2++NO-3+4H+=3Fe3++NO↑+2H2O。
  2.离子方程式中的介质
  【例2】写出下列反应的离子方程式:
  (1)硫酸亚铁溶液中加入硫酸酸化的H2O2溶液;
  (2)在强碱性溶液中次氯酸钠与Fe(OH)3反应生成易溶于水的Na2FeO4;
  (3)在足量烧碱溶液中水解;
  (4)FeSO4溶液久置呈黄色;
  (5)少量的SO2通入苯酚钠溶液中。
  解析:(1)很多同学忽略了硫酸酸化这个条件,而错写为:6Fe2++3H2O2=2Fe(OH)3↓+4Fe3+,正确的写法是:2Fe2++2H++H2O2=2Fe3++2H2O。
  (2)因为溶液呈碱性,故:3ClO-+4OH-+2Fe(OH)3=2FeO2-4+3Cl-+5H2O,不能写成:3ClO-+2Fe(OH)3=2FeO2-4+3Cl-+H2O+4H+。
  (3)学生很容易忽略“足量”二字,错写为:+OH-△+CH3COO-+H2O。故方程式应写为:+3OH-△+CH3COO-+2H2O。
  (4)呈黄色的原因为Fe2+被氧化成Fe3+,但FeSO4溶液为酸性溶液(水解呈酸性,配制时要加入少量的稀硫酸),反应为4Fe2++4H++O2=4Fe3++2H2O。
  (5)如果不注意介质酸性强弱顺序很容易写成:C6H5O-+SO2+H2O→C6H5OH+HSO-3;但由于HSO-3的酸性大于苯酚,所以正确的写法是:2C6H5O-+SO2+H2O→2C6H5OH+SO2-3。
  3.无机工艺流程图中的介质
  【例3】制取纯净CuCl2・2H2O的生产过程是()。
  (1)将粗CuO(含少量铁)溶解在足量的稀盐酸里,加热、过滤,得到CuCl2(含FeCl2)的溶液,经测定,溶液的 pH为3。
  (2)对(1)的溶液按下列步骤进行提纯:
  已知:①可做氧化剂的物质有(A)KMnO4、(B)K2Cr2O7、(C)H2O2、(D)NaClO;
  ②Cu2+、Fe2+在pH值为4~5时不水解,而Fe3+却几乎全部水解。试回答:
  (1)加入的氧化剂X是(答编号);加入X的作用是;反应的离子方程式是。
  (2)物质Y是;沉淀Z是。加入Y能形成沉淀Z的原因是。
  解析:将介质的pH调为4~5即可将Fe3+完全转化为Fe(OH)3除去,但无法将Cu2+与Fe2+分离,所以应先将Fe2+完全氧化成Fe3+,然后再调节介质的pH。
  答案:(1)C;把Fe2+氧化成Fe3+;2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O。(2)CuO或Cu(OH)2或CuCO3或Cu2(OH)2CO3等;Fe(OH)3;CuO与H+反应,使溶液的pH升高,促进了Fe3+的水解,当pH为4~5时,Fe3+几乎完全水解生成Fe(OH)3。
  二、电化学反应中的介质
  1.原电池中电极反应的介质
  燃料电池:(1)电极:惰性电极。(2)燃料包含H2、烃如CH4、醇如C2H5OH等。(3)电解质包含:①酸性电解质溶液,如H2SO4溶液;②碱性电解质溶液,如KOH溶液;③熔融氧化物,如Y2O3;④熔融碳酸盐,如K2CO3等。
  【例4】以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。
  (1)酸性条件
  燃料电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O①   燃料电池正极反应:O2+4H++4e-=2H2O②
  ①-②×2得燃料电池负极反应:CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+。
  (2)碱性条件
  燃料电池总反应:CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O①;
  燃料电池正极反应:O2+2H2O+4e-=4OH-②
  ①-②×2得燃料电池负极反应:CH4+10OH--8e-=CO2-3+7H2O。
  (3)固体电解质(高温下能传导O2-)
  燃料电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O①
  燃料电池正极反应:O2+4e-=2O2-②
  ①-②×2得燃料电池负极反应:CH4+4O2--8e-=CO2+2H2O。
  (4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
  电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O;正极电极反应式:O2+2CO2+4e-=2CO2-3;电池总反应-正极电极反应式得负极反应式:CH4+4CO2-3-8e-=5CO2+2H2O。
  2.电解池中电极反应的介质
  【例5】实验室制O2需要的催化剂可由石墨为电极,电解酸化的MnSO4溶液得到,其电解时的阳极反应式为:。
  解析:介质呈酸性,故阳极反应式为:Mn2++2H2O-2e-=MnO2+4H+。不能写成:Mn2++4OH--2e-=MnO2+2H2O,更不能写成:4OH--4e-=2H2O+O2↑。
  3.可充电电池的电极反应的介质
  【例6】(2005・江苏)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池可长时间保持稳定的放电电压。3Zn+2K2FeO4+8H2O放电1充电3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,下列叙述不正确的是()。
  A.放电时负极反应为:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
  B.充电时阳极反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO2-4+4H2O
  C.放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被氧化
  D.放电时正极附近溶液的碱性增强
  解析:选C。放电作用是原电池的功能,其总反应式为:3Zn+2K2FeO4+8H2O=3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,其负极反应为:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2,正极反应为:FeO2-4+4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-,A正确。充电就是发生电解池反应,其总反应式为:3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH=3Zn+2K2FeO4+8H2O,其阳极反应为:Fe(OH)3+5OH--3e-=FeO2-4+4H2O,B正确。放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被还原为Fe(OH)3,而不是被氧化,C错误。根据正极反应式FeO2-4+4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-可知,放电时正极附近溶液的碱性增强。
  三、有机反应和有机工艺流程图中的介质
  【例7】请设计合理方案从合成(用反应流程图表示,并注明反应条件)。提示:R-CH=CH2HBr1过氧化物R-CH2-CH2-Br。
  示例:乙醇合成乙烯的反应流程图可表示为:
  CH3CH2OH浓硫酸1170℃CH2=CH2高温高压1催化剂CH2-CH2]n
  解析:此题是2006年江苏高考化学试题第23题第(4)小题,学生主要出错在介质问题上,该题在合成中反复涉及酸碱性介质。第一步碱性介质中羧酸应转化为羧酸钠,第二步酸性介质中将羧酸钠转化为羧酸,第三步碱性介质中羧酸又转化为羧酸钠,最后在浓硫酸作用下将羧酸钠转化为羧酸,同时发生分子内酯化。正确的工艺流程图如下:
  很多化学反应是在一定的介质中进行的,不同介质下的化学反应有可能大相径庭。所以,教师和学生在分析化学反应、工艺流程图和做化学实验时要特别重视条件对反应的多方面的影响,避免不必要的失误。
  链接练习:
  1.下列各组离子在水溶液中能大量共存的是()。
  A.Na+、Ba2+、H+、S2-、ClO-
  B.H+、S2-、SO2-3、K+、NO-3
  C.H+、Fe2+、Cl-、NO-3、I-
  D.Na+、S2-、SO2-3、OH-、NO-3
  2.写出下列反应的离子方程式:
  (1)S与NaOH溶液共热发生的歧化反应。
  (2)CH4可以用于设计燃料电池,一种甲烷燃料电池的工作原理如右图所示,负极的电极反应式为:。
  (3)镁与稀硝酸反应,硝酸的还原产物中N元素为-3价。
  (4)Na2FeO2与新制氯水反应。
  (5)Cl2将Fe(OH)3在KOH溶液中氧化为易溶于水的K2FeO4。
  3.在铝表面着色,先用电解法使铝表面附上一层氧化铝。方法是将铝件作阳极,铁作阴极,碳酸氢钠作电解液,进行电解。其原理是,通电后在铝件与电解液的接触面上逐渐形成氢氧化铝薄膜,薄膜的某些部件存在着小孔,电流从小孔通过并产生热量使氢氧化铝分解,从而在铝件表面形成一层较厚的氧化膜。试回答:
  (1)铝件与电解液的接触面上逐渐形成氢氧化铝薄膜的电极反应式为:。
  (2)电解过程中,必须使电解液酸碱性保持相对稳定(不能太大,也不能太小)的原因是:。
  (3)电解液碳酸氢钠溶液会缓解阴极区溶液碱性增强,能说明这一原理的离子方程式为:。
  链接练习答案:
  1.D。
  2.(1)3S+6OH-2S2-+SO2-3+3H2O;(2)CH4-8e-+3H2O+9CO2-3=10HCO-3;
  (3)4Mg+10H++NO-3=4Mg2++NH+4+3H2O;(4)2FeO22-+Cl2+8H+=2Fe3++2Cl-+4H2O;
  (5)10OH-+3Cl2+2Fe(OH)3=2FeO2-4+6Cl-+8H2O;
  3.(1)Al-3e-=Al3+,Al3++3HCO-3=Al(OH)3↓+3SO2↑或Al-3e-+3HCO-3=Al(OH)3↓+3SO2↑。
  (2)氢氧化铝、氧化铝均具有两性,酸碱性太大或太小都会使之溶解。
  (3)HCO-3+OH-=CO2-3+H2O。
  (责任编辑罗艳)
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