资源简介

专题1 元素及其化合物
第三单元 物质的性质及综合应用(氧化还原反应)
第2讲 元素及其化合物综合应用
一、课程标准要求
1．认识元素可以组成不同种类的物质，根据物质的组成和性质可以对物质进行分类；
2．同类物质具有相似的性质，一定条件下各类物质可以相互转化；
3．认识元素在物质中可以具有不同的价态，可以通过氧化还原反应实现含有不同价态同种元素的物质的相互转化；
4．结合实例认识金属、非金属及其化合物的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
二、在高中化学教材体系中的地位
从课程模块层面看，元素及其化合物位于必修课程内容，是普通高中学生发展的共同基础；研究元素及其化合物性质的基本方法和在生产生活中的实际应用是研究元素及其化合物的基本思路。
通过元素及其化合物性质的学习，形成元素及其化合物的认知模型，明确认识思路，逐步提升利用“氧化还原反应”等认知角度研究元素及其化合物的性质的系统性。
三、思维导图
四、课时安排建议
第1课时 元素及其化合物综合应用(1课时)
第2课时 元素及其化合物综合应用(1课时)
第1课时 元素及其化合物综合应用(1课时)
一、教学流程
活动一：陌生方程式的书写
问题1：陌生非氧化还原反应方程式的书写的基本思路？
[例题1] Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备，工艺流程如下：
回答下列问题：
“酸浸”后，钛主要以TiOCl形式存在，写出相应反应的离子方程式：_________________。
[解析]　第一步：依据题意写出主要反应物及生成物。
用盐酸溶解FeTiO3，反应后钛主要以TiOCl形式存在，则O3―→OCl。
第二步：依据质量守恒和电荷守恒完成方程式。
①经分析，反应物中有氯元素，产物中有铁元素，且钛元素的价态未变化，可知左边应加上Cl－，右边生成Fe2＋：FeTiO3＋Cl－―→TiOCl＋Fe2＋。②左边比右边多两个氧原子，且左边电荷数为－1，右边电荷数为0，题中加了盐酸，可知左边还应补充H＋，右边生成H2O：FeTiO3＋H＋＋Cl－―→Fe2＋＋TiOCl＋H2O。依据右边有4个氯原子，可知左边Cl－前的化学计量数为4，铁原子与钛原子个数相等，右边电荷数为0，可知H＋的化学计量数为4，H2O前的化学计量数为2。
[答案]　FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl＋2H2O
[归纳总结] (一)、陌生非氧化还原反应方程式的书写
运用“证据→推理→符号”思路书写新情境方程式的基本过程如下：
读取题目中的有效信息(证据)，写出主要反应物和生成物的化学式(推理＋表征)；
再依据质量守恒、电荷守恒(基本规律)，即可轻松写出规范的方程式。
问题2：陌生氧化还原反应方程式的书写的基本思路？
[例题2] (1)写出高温煅烧下FePO4与Li2CO3、H2C2O4反应制备LiFePO4的化学方程式：___________________________________________。
(2)实验室中可用次氯酸钠溶液与氨反应制备联氨(N2H4)，反应的化学方程式为____________________________________________________。
(3)烟气中含有SO2和NO，写出用NaClO2溶液将烟气中NO转化成NO的离子方程式：___________________________________________________。
(4) (2021江苏高考) 400℃时，将一定比例H2、CO、CO2和H2S的混合气体以一定流速通过装有ZnFe2O4脱硫剂的硫化反应器。硫化过程中，ZnFe2O4与H2、H2S反应生成ZnS和FeS，其化学方程式为________________________________________。
[答案]　(1)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O42LiFePO4＋3CO2↑＋H2O
(2)2NH3＋NaClO===N2H4＋NaCl＋H2O
(3)4NO＋3ClO＋4OH－===4NO＋3Cl－＋2H2O
(4)ZnFe2O4＋3H2S＋H2ZnS＋2FeS＋4H2O
[例题3](2021江苏高考) 以软锰矿粉(含 MnO2及少量 Fe、Al、Si、Ca、Mg 等的氧化物)为原料制备电池级MnO2。
浸取。将一定量软锰矿粉与Na2SO3、H2SO4溶液中的一种配成悬浊液，加入到三颈瓶中(装置见题17图 1)，70℃下通过滴液漏斗缓慢滴加另一种溶液，充分反应，过滤。滴液漏斗中的溶液是 ；MnO2转化为Mn2+的离子方程式为 。
[答案] Na2SO3溶液
MnO2＋SO＋2H+＝Mn2+＋SO＋H2O。
[归纳总结]
(二)、书写陌生氧化还原反应及电极反应式的基本思路
1.熟记常见的氧化剂、还原剂及对应产物
氧化剂 Cl2 O2 浓H2SO4 HNO3 KMnO4(H＋)、 MnO2 Fe3＋ KClO3、ClO－ H2O2
还原 产物 Cl－ O2－、H2O、OH－ 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
2.(1)确定反应物与产物：想原理，定物质；
(2)确定电子转移的数量：标变价，算数目；
(3)配平反应式：补全物，思介质。
[练习1]按要求完成下列方程式。
(1)已知在酸性介质中FeSO4能将＋6价铬还原成＋3价铬。写出Cr2O与FeSO4溶液在酸性条件下反应的离子方程式：____________________________________________________。
(2)KMnO4氧化废水中Mn2＋生成MnO2的离子方程式为____________________________。
(3)利用石灰乳和硝酸工业的尾气(含NO、NO2)反应，既能净化尾气，又能获得应用广泛的Ca(NO2)2。生产中溶液需保持弱碱性，在酸性溶液中Ca(NO2)2会发生分解，产物之一是NO，反应的离子方程式：____________________________________。
(4)生产硫化钠大多采用无水芒硝(Na2SO4)—碳粉还原法，若煅烧所得气体为等物质的量的CO和CO2，写出煅烧时发生反应的化学方程式：___________________________________。
(5)向含碘废液中加入稍过量的Na2SO3溶液，将废液中的I2还原为I－，其离子方程式：
__________________________________________________________________________。
[答案]　(1)Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O
(2)3Mn2＋＋2MnO＋2H2O===5MnO2↓＋4H＋
(3)3NO＋2H＋===NO＋2NO↑＋H2O
(4)3Na2SO4＋8C3Na2S＋4CO↑＋4CO2↑
(5)SO＋I2＋H2O===2I－＋SO＋2H＋
活动二：(物质的转化与跟踪)重难点突破
问题3：反应与物质的转化、副产品如何判断？
[例题4] (2020·盐城市高三第三次模拟)用磷铁渣(含Fe、FeP、Fe2P及少量杂质)制备FePO4·2H2O(磷酸铁)的工艺流程如下：
(1)“浸取”时，在密闭反应器中加入硝酸、硫酸及活性炭，硝酸首先分解生成NO2和O2，O2将铁和磷分别氧化为Fe2O3、P2O5。
①Fe2P与O2反应的化学方程式为____________________________________________。
②加入硫酸的目的是__________；加入活性炭能降低有害气体的产生，这是因为_____________________________________________________________________。
③c(HNO3)与磷铁渣溶解率关系如图1所示，当c(HNO3)在1.5～2.0mol·L－1时，磷铁渣溶解率随硝酸的浓度增大而减小的原因是___________________________________。
(2)“制备”时，溶液的pH对磷酸铁产品中铁和磷的含量及n(Fe)/n(P)的值的影响如图2 所示[考虑到微量金属杂质，在pH＝1时，n(Fe)/n(P)为0.973最接近理论值]。在pH范围为1～1.5时，随pH增大，n(Fe)/n(P)明显增大，其原因是____________________；写出生成FePO4·2H2O的离子方程式：_____________________________。
解析　(1) ①根据题干信息，O2将Fe和P分别氧化为Fe2O3和P2O5，根据得失电子守恒和质量守恒，化学方程式为4Fe2P＋11O24Fe2O3＋2P2O5；②根据题干信息，首先硝酸分解得到NO2和O2，氧气将Fe2P氧化得到Fe2O3，但是经过浸取后，得到含有Fe3＋、H3PO4的溶液，加入硫酸，可以溶解Fe2O3，也可以维持酸性环境，防止Fe3＋水解，因此加入硫酸的目的是溶解Fe2O3并保持体系的酸度；硝酸分解可以得到有害气体NO2，而活性炭的体表面积较大，可以吸附NO2等有害气体。(2)pH开始增大时，促进溶液中的Fe3＋水解生成Fe(OH)3混入产品中，导致n(Fe)/n(P)明显增大；调节好Fe、P比例的溶液中，含有Fe3＋、H3PO4，加入NH3·H2O得到FePO4·2H2O，根据原子守恒和电荷守恒，离子方程式为Fe3＋＋H3PO4＋3NH3·H2O===FePO4·2H2O↓＋3NH＋H2O，如果NH3·H2O少量，H＋没有完全中和，离子方程式可表示为Fe3＋＋H3PO4＋nNH3·H2O＋(2－n)H2O===FePO4·2H2O↓＋nNH＋(3－n)H＋。
答案　(1)①4Fe2P＋11O24Fe2O3＋2P2O5　②溶解Fe2O3等并保持体系的酸度　活性炭具有吸附性，能吸附NO2等　③硝酸的分解速率大于硝酸分解产物中氧气与磷铁渣反应的反应速率(硝酸分解过快导致损失)　(2)pH增大，促进了Fe3＋水解，生成的Fe(OH)3混入产品中　Fe3＋＋H3PO4＋nNH3·H2O＋(2－n)H2O===FePO4·2H2O↓＋nNH＋(3－n)H＋(n＝1,2,3均可)
[归纳总结]
(三)1．反应与物质的转化
分析每一步操作的目的及所发生的化学反应，跟踪物质转化的形式，尤其要注意原料中的杂质在流程中是如何被除去的。滤液、滤渣成分的确定；反应过程中哪些物质(离子)发生了变化？产生了哪些离子？这些离子间是否能发生化学反应？所加试剂是否过量？
2．副产品的判断
[练习2] (2022江苏高考)实验室以二氧化铈()废渣为原料制备含量少的，其部分实验过程如下：
“酸浸”时与反应生成并放出，该反应的离子方程式为____________。
[答案] 2CeO2+H2O2+6H+=2Ce3++O2↑+4H2O
问题4：你对化学反应循环转化图的理解有何心得？
[例题5]以乙烯作为还原剂脱硝，脱硝机理如下图。若反应中n(NO)：n(NO2)=2：1，则总反应方程式：_____________________。
[归纳总结]
(四)化学反应循环转化图
[练习3]Fe3O4中含有、，分别表示为Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)，以Fe3O4/Pd为催化材料，可实现用H2消除酸性废水中的致癌物NO，其反应过程示意图如图所示，下列说法不正确的是
A．Pd上发生的电极反应为：H2－2e－===2H＋
B．Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的相互转化起到了传递电子的作用
C．反应过程中NO被Fe(Ⅱ)还原为N2
D．用该法处理后水体的pH降低
[解析]　由图可知Pd上氢气失电子生成氢离子，所以电极反应为：H2－2e－===2H＋，故A正确；Fe(Ⅲ)得电子生成Fe(Ⅱ)，Fe(Ⅱ)失电子生成Fe(Ⅲ)，则Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的相互转化起到了传递电子的作用，故B正确；由图可知反应过程中NO得到Fe(Ⅱ)给的电子生成N2，所以反应过程中NO被Fe(Ⅱ)还原为N2，故C正确；总反应方程式：2H＋＋2NO＋3H2N2＋4H2O，所以用该法处理后水体的pH升高，故D错误。
[答案]　D
[练习4]我国科研人员发现，在钙钛矿活性层中引入稀土Eu3＋/Eu2＋离子对，通过循环反应可消除零价铅和零价碘缺陷，大幅提高钙钛矿电池的使用寿命，其原理如图。下列说法正确的是
A．Eu3＋/Eu2＋离子对在反应过程中不断损耗，需定时补充
B．消除零价碘的过程中，Eu3＋/Eu2＋离子对发生还原反应
C．消除零价铅的反应为：2Eu3＋＋Pb0===2Eu2＋＋Pb2＋
D．整个过程实质上将电子从I0转移给Pb0
[解析]　Eu3＋/Eu2＋离子对在反应过程中循环使用，不会损耗，A选项错误；消除零价碘的过程中，发生反应I0＋Eu2＋===Eu3＋＋I－，反应中Eu2＋失去电子发生氧化反应生成Eu3＋，B选项错误；消除零价铅的反应为：2Eu3＋＋Pb0===2Eu2＋＋Pb2＋，C选项正确；整个过程中，Pb0失去电子，I0得到电子，即电子从Pb0转移给I0，D选项错误。
[答案]　C
活动三：巩固提升
1．(1)写出高温煅烧下FePO4与Li2CO3、H2C2O4反应制备LiFePO4的化学方程式：_____________________________________________。
(2)实验室中可用次氯酸钠溶液与氨反应制备联氨(N2H4)，反应的化学方程式为_______________________________________________________。
(3)烟气中含有SO2和NO，写出用NaClO2溶液将烟气中NO转化成NO的离子方程式__________________________________________________________。
2．一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：
在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为_________________________。
3．烟气脱硫能有效减少二氧化硫的排放。实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝[Al2(SO4)x(OH)6－2x]溶液，并用于烟气脱硫研究。
加CaCO3调节溶液的pH至3.6，其目的是中和溶液中的酸，并使Al2(SO4)3转化为Al2(SO4)x(OH)6－2x。若溶液的pH偏高，将会导致溶液中铝元素的含量降低，其原因是______________________________________(用离子方程式表示)。
4．铁炭混合物在水溶液中可形成许多微电池。将含有Cr2O的酸性废水通过铁炭混合物，在微电池正极上Cr2O转化为Cr3＋，其电极反应式为_____________________________。
5．“一酸两浸，两碱联合”法是实现粉煤灰(含SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等)综合利用的新工艺。工业流程如下：
回答下列问题：
(1)聚合氯化铝铁(PAFC)化学式为[Al2(OH)nCl6－n]m·[Fe2(OH)xCl6－x]y，是一种新型高效的净水剂，PAFC中铁元素的化合价为________________。
(2)“一酸两浸”中的酸是______________(填化学式)。
(3)实际工业中“酸浸”“碱浸”均不能充分反应，滤渣A中主要含有SiO2、Al2O3。“纯碱混合焙烧”中，它们分别发生反应的化学方程式为___________________________。
(4)“滤液B”的主要溶质有___________(填化学式)。滤液混合后“蒸发”的作用是____________________________________________________________________。
(5)“电解”时阳极的电极反应式为___________________________________________。
6．硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。将H2S和空气的混合气体通入FeCl3、FeCl2、CuCl2的混合溶液中反应回收S，其物质转化如图所示。下列叙述正确的是
A．在转化过程中化合价不变的元素只有Cu和Cl
B．由图示的转化可得出氧化性的强弱顺序：O2>Cu2＋>S
C．在转化过程中能循环利用的物质只有FeCl2
D．反应中当有34gH2S转化为硫单质时，保持溶液中Fe3＋的量不变，需要消耗O2的质量为16g
7．碱式氯化铜[CuaClb(OH)c·xH2O]是一种重要的无机杀虫剂，它可以通过以下步骤制备。步骤1：将铜粉加入稀盐酸中，并持续通空气反应生成CuCl2。已知Fe3＋对该反应有催化作用，其催化原理如图所示。步骤2：在制得的CuCl2溶液中，加入石灰乳充分反应后即可制得碱式氯化铜。下列有关说法错误的是
A．a、b、c之间的关系式为a＝2b＋2c
B．图中M、N分别为Fe3＋、Fe2＋
C．为了除去CuCl2溶液中的杂质Fe3＋，可加入过量的CuO、过滤
D．若制备1molCuaClb(OH)c·xH2O，理论上消耗11.2aL(标准状况)O2
8．厌氧氨化法(Anammox)是一种新型的氨氮去除技术，下列说法中不正确的是
A．1molNH所含的质子总数为10NA
B．联氨(N2H4)中含有极性键和非极性键
C．过程Ⅱ属于氧化反应，过程Ⅳ属于还原反应
D．过程Ⅰ中，参与反应的NH与NH2OH的物质的量之比为1∶1
参考答案
1． (1)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O42LiFePO4＋3CO2↑＋H2O
(2)2NH3＋NaClO===N2H4＋NaCl＋H2O
(3)4NO＋3ClO＋4OH－===4NO＋3Cl－＋2H2O
2． 2Mg2＋＋3CO＋2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2HCO
(或2Mg2＋＋2CO＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑)
3． 3CaCO3＋2Al3＋＋3SO＋3H2O===2Al(OH)3＋3CaSO4＋3CO2↑
4．Cr2O＋6e－＋14H＋===2Cr3＋＋7H2O
5． (1)＋3
(2)HCl
(3)Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑　Na2CO3＋Al2O32NaAlO2＋CO2↑
(4)AlCl3、NaCl　促进Al3＋、Fe3＋水解生成聚合氯化铝铁(PAFC)
(5)2Cl－－2e－===Cl2↑
解析：(1)由Fe2(OH)xCl6－x中元素化合价代数和等于零求得铁元素的化合价为＋3。(2)由最后产品含有氯元素分析可知，此酸是盐酸。(4)生成的Na2SiO3、NaAlO2经盐酸酸浸后生成硅酸沉淀、氯化铝溶液、氯化钠溶液；加热可促进铝离子、铁离子水解生成聚合氯化铝铁。
6．D
解析：根据图中各元素化合价知，Cu元素化合价都是＋2价、H元素化合价都是＋1价、Cl元素化合价都是－1价，所以化合价不变的是Cu、H、Cl元素，故A错误；转化过程中O2把Fe2＋氧化为Fe3＋，Fe3＋把硫离子氧化为S，则氧化性的强弱顺序：O2＞Fe3＋＞S，故B错误；根据图示，反应的本质是空气中的氧气氧化H2S转化为S和水，在转化过程中能循环利用的物质有FeCl2、CuCl2、FeCl3，故C错误；H2S转化为硫单质，硫元素的化合价从－2价变成0价，氧元素的化合价从0价变成－2价，依据得失电子数相等，2H2S～O2，所以有34gH2S转化为硫单质时，保持溶液中Fe3＋的量不变，需要消耗O2的质量为××32g·mol－1＝16g，故D正确。
7．A
解析：根据化合物中正、负化合价的代数和为0，可知2a＝b＋c，A选项错误；Fe3＋水解使溶液显酸性，CuO与H＋反应产生Cu2＋和水，当溶液的pH增大到一定程度，Fe3＋形成Fe(OH)3而除去，从而达到除去Fe3＋的目的，C选项正确；若制备1molCuaClb(OH)c·xH2O，转移的电子数为2amol，根据得失电子守恒，理论上消耗0.5amolO2，标准状况下的体积为11.2aL，D选项正确。
8．A
解析：1molNH中含有质子总物质的量为11mol，故A说法错误；联氨(N2H4)的结构式为，含有极性键和非极性键，故B说法正确；过程Ⅱ，N2H4→N2H2＋2H，此反应是氧化反应，过程Ⅳ，NO→NH2OH，添H或去O是还原反应，故C说法正确；NH中N显－3价，NH2OH中N显－1价，N2H4中N显－2价，因此过程Ⅰ中NH与NH2OH的物质的量之比为1∶1，故D说法正确。
二、教学建议
1．复习课不是把学过的知识简单罗列、机械重复，而是把学过的知识进行归纳、分析、对比，达到在原有基础上进一步提高的目的。
2．拓宽学生从化合价角度理解和掌握物质性质的认识视角，培养学生学会自主构建氧化还原反应、元素及其化合物的知识体系。
3．为了更有效地进行高中化学复习，教师要将课堂教学中心由“老师的复习”向“学生的学”和“对学生的评”转移，切实转变教与学的方式。
4．在对元素及其化合物的复习时，要重视元素及其化合物在生产和生活中的应用。
三、情境素材
1．近三年高考题中无机工业流程。
2．近三年大市调研试题中的无机工业流程。
3．补充：
①金属以及化合物的性质及应用：补铁剂；实验室中硫酸亚铁的保存与使用；印刷电路板的制作；打印机(复印机)使用的墨粉中铁的氧化物；菠菜中铁元素的检验；钠着火扑救；钠用作强除水剂。
②非金属以及化合物的性质及应用：火山喷发中含硫物质的转化；“雷雨发庄家”；氮的循环与氮的固定；工业合成氨、工业制硫酸(或硝酸)；氮肥的生产与合理使用；食品中适量添加二氧化硫的作用(去色、杀菌、抗氧化)；含氯消毒剂及其合理使用；氯气、氨气等泄露处理；酸雨的成因与防治；汽车尾气的处理。
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