电离与离子反应高考探源

■广东省佛山市高明区教师发展中心 雷范军

电离与离子反应是常见无机物及其应用主题中的重要内容,也是高考必考的核心知识。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中要求同学们通过导电性实验认识酸、碱、盐等电解质在水溶液中或熔融状态下能发生电离,能用电离方程式表示某些酸、碱、盐的电离;通过测定导电性、电流或溶液电导率等变化的实验事实,探究电解质溶液中离子反应的实质及发生条件,能用离子方程式正确表示典型物质的主要化学性质;设计常见物质制备、分离、提纯、检验等方案,能分析、解释有关实验现象。下面结合典型试题予以分类解析。

一、电解质及其电离

例1下列说法正确的是( )。

A.一次性鉴别等浓度的KNO3、NH4Cl、Na2CO3三种溶液,可以采取测定pH、焰色试验、滴加AlCl3溶液、滴加饱和Ca(OH)2溶液并微热的方法

B.设NA为阿伏加德罗常数的值,1 L 1 mol·L-1HCl溶液中,HCl分子的数目为NA

C.鸟嘌呤(G)是一种有机弱碱,与盐酸反应生成盐酸盐(用GHCl表示)。已知GHCl水溶液呈酸性,GHCl在水中的电离方程式为GHCl＝＝G+HCl

D.检验溶液中FeSO4是否被氧化,取少量待测液,滴加KSCN溶液,观察溶液颜色变化

解析:KNO3溶液显中性,NH4Cl溶液显酸性,Na2CO3溶液显碱性,可以用测定pH的方法鉴别;KNO3的焰色试验现象为透过蓝色钴玻璃呈紫色,NH4Cl的焰色试验无现象,Na2CO3的焰色试验现象为黄色,可以用焰色试验的方法鉴别;KNO3、NH4Cl、Na2CO3中只有Na2CO3能与AlCl3反应有现象,KNO3和NH4Cl不能鉴别;2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O有刺激性气味气体产生,Na2CO3+Ca(OH)2＝＝CaCO3↓+2NaOH有白色沉淀产生,而KNO3不反应无现象,可以鉴别,A项错误。由n=cV可知,n(HCl) = 1 mol,HCl在水溶液里是完全电离的强电解质,不能再以1 mol HCl分子的形式存在,而是变为1 mol H+、1 mol Cl-,B项错误。依据已知信息可知,GHCl为强酸弱碱盐,在水中电离方程式为GHCl＝＝GH++Cl-,C项错误。若Fe2+被氧化为Fe3+,Fe3+能与SCN-生成Fe(SCN)3,溶液变成血红色,能达到实验目的,D项正确。

答案:D

【连线教材】教科书以电离为“生长点”,辨别强电解质还是弱电解质,辨认常见电解质溶液中溶质存在形式、常见离子的检验,均属于考生应知应会的必备知识,而真实情境下陌生电解质的电离及其常见离子的检验原理和方法,则属于考生必须学会迁移的关键能力。

二、离子共存的判断

例2常温下,下列各组离子在给定溶液中能大量共存的是( )。

A.pH=1的溶液:Fe2+、Mg2+、、

B.pH=12的 溶 液:K+、Na+、、

C.pH=7的溶液:Na+、Cu2+、S2-、Cl-

D.pH=7的溶液:Al3+、K+、Cl-、H

解析:pH=1的溶液呈酸性,强氧化性的与强还原性的Fe2+在酸性条件下会发生氧化还原反应,离子方程式为3Fe2+++4H+＝＝3Fe3++NO↑+2H2O,A项错误。pH=12的溶液呈碱性,K+、Na+、与OH-既不能发生复分解反应又不能发生氧化还原反应或络合反应等,因此能大量共存,B项正确。pH=7的溶液中,Cu2+、S2-会发生反应生成沉淀,Cu2++S2-＝＝CuS↓,因此不能大量共存,C项错误。pH=7的溶液中,Al3+、HCO-3会发生双水解,Al3++3H＝＝Al(OH)3↓+3CO2↑,因此不能大量共存,D项错误。

答案:B

【连线教材】教科书以离子反应发生的条件为例,介绍了酸碱盐溶液参与的复分解反应、氧化还原反应、盐类水解、络合反应发生的条件与反应规律,离子之间发生上述反应就不能大量共存,不能发生化学反应则能够大量共存。本题考查限定条件下给定溶液中离子是否大量共存,关键要弄清楚强氧化性离子和强还原性离子容易发生氧化还原反应、复分解反应或双水解反应的条件,熟练掌握元素化合物性质、变化和用途。

三、粒子共存及其解释

例3对下列粒子组在溶液中能否大量共存的判断和分析均正确的是( )。

选项 粒子组 判断和分析A Na+、Al3+、Cl-、NH3·H2O不能大量共存,因发生反应:Al3++4NH3·H2O＝＝AlO-2+4NH+4+2H2O B H+、K+、S2O2-3、SO2-4不能大量共存,因发生反应:2 H++S2O2-3＝＝S↓+SO2↑+H2O C Na+、Fe3+、SO2-4、H2O2能大量共存,粒子间不反应D H+、Na+、Cl-、MnO-4能大量共存,粒子间不反应

解析:Al3+和NH3·H2O生成Al(OH)3沉淀而不是生成,A项错误;S2和H+反应生成单质硫、二氧化硫和水,离子方程式为2H++＝＝S↓+SO2↑+H2O,B项正确。Fe3+可以将H2O2氧化,离子方程式为2Fe3++H2O2＝＝2Fe2++O2↑+2H+,因此不能大量共存,C项错误。在酸性条件下,强氧化性的Mn能将强还原性的Cl-氧化为Cl2,2 Mn+16H++10Cl-＝＝2Mn2++5Cl2↑+8H2O,因此不能大量共存,D项错误。

答案:B

【连线教材】本题考查离子共存及其原因解释,教科书中介绍了离子方程式的书写步骤、注意事项和常见元素化合物知识,离子共存与离子方程式之间具有内在的关系。解答此类型题不仅要求考生对离子共存知其然,更要求对解释共存与否知其所以然。

四、酸碱盐两两反应过程的导电性

例4使用如图1所示装置(搅拌装置略)探究溶液离子浓度变化,灯光变化不可能出现“亮→暗(或灭)→亮”现象的是( )。

图1

选项 A B C D试剂a CuSO4 NH4HCO3 H2SO4 CH3COOH试剂b Ba(OH)2 Ca(OH)2 Ba(OH)2 NH3·H2O

解析:Ba(OH)2与CuSO4发生离子反应Ba2++2OH-+Cu2++＝＝BaSO4↓+Cu(OH)2↓,随着反应的进行,溶液中自由移动的离子浓度减小,灯泡变暗,当二者恰好反应时,溶液中几乎不存在自由移动的微粒,灯泡完全熄灭;当CuSO4溶液过量时,其电离产生的Cu2+导电,使灯泡逐渐又变亮,A项不符合题意。Ca(OH)2与NH4HCO3发生离子反应Ca2++2OH-++＝＝CaCO3↓+H2O+NH3·H2O,随着反应的进行,溶液中自由移动离子浓度减小,灯泡逐渐变暗,当二者恰好反应时,溶液中自由移动的微粒浓度很小,灯泡很暗;当NH4HCO3溶液过量时,其电离产生的、HCO-3导电,使灯泡逐渐又变亮,B项不符合题意。Ba(OH)2与H2SO4发生离子反应Ba2++2OH-+2H++＝＝BaSO4↓+2H2O,随着反应的进行,溶液中自由移动的离子浓度减小,灯泡变暗,当二者恰好反应时,溶液中几乎不存在自由移动的微粒,灯泡完全熄灭;当H2SO4溶液过量时,其电离产生的H+导电,使灯泡逐渐又变亮,C项不符合题意。CH3COOH与氨水发生离子反应CH3COOH+NH3·H2O＝＝CH3COO-++H2O,反应后自由移动的离子浓度增大,溶液导电能力增强,灯泡更明亮,不出现亮—灭(或暗)—亮的变化,D项符合题意。

答案:D

【连线教材】教材以酸碱盐的电离和溶液导电性为例,认识电离和电离方程式,这种宏微结合加深学科知识理解的研究方法可以迁移到离子反应的学习理解,通过实验探究可以达到见微知著、见著知微的目的。

五、离子方程式的判断及论证

例5下列过程中的化学反应,相应的离子方程式正确的是( )。

B.向次氯酸钙溶液中通入少量二氧化碳气体:ClO-+CO2+H2O＝＝HClO+H

C.将SO2通入酸性KMnO4溶液中:5SO2+4OH-+2Mn＝＝5S+2H2O+2Mn2+

D.SO2与KClO溶液反应:SO2+2ClO-+H2O＝＝2HClO+

解析:硫酸钙微溶,用碳酸钠溶液处理水垢中的硫酸钙转化为难溶的碳酸钙,离子方程式为+CaSO4＝＝CaCO3+,A项正确。向次氯酸钙溶液中通入少量CO2气体,发生反应生成CaCO3和HClO:Ca2++2ClO-+H2O+CO2＝＝CaCO3↓+2HClO,B项错误。酸性溶液中不可能大量存在OH-,SO2通入酸性KMnO4溶液中,SO2被氧化为,Mn被SO2还原为Mn2+,再根据得失电子守恒、电荷守恒和元素守恒可得离子方程式5SO2+2H2O+2Mn＝＝5+4H++2Mn2+,C项错误。由于ClO-具有强氧化性,SO2具有强还原性,SO2与KClO溶液反应的离子方程式为SO2+ClO-+H2O＝＝2H++Cl-+,D项错误。

答案:A

【连线教材】本题考查离子方程式书写的步骤、注意事项和规律,涉及微溶物、难溶物、弱电解质、单质、气体、沉淀等化学式的处理,以及氧化还原反应的电子守恒、电荷守恒和原子守恒原理等问题。

六、真实情境下离子方程式的书写

例6(1)磁选后的炼铁高钛炉渣,主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源,通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀,该反应的离子方程式是_____。

(2)氧化石墨烯具有稳定的网状结构,在能源、材料等领域有着重要的应用前景,通过氧化剥离石墨制备氧化石墨烯的一种方法如图2所示:

图2

Ⅰ.将浓硫酸、NaNO3、石墨粉末在c中混合,置于冰水浴中,剧烈搅拌下,分批缓慢加入KMnO4粉末,塞好瓶口。

Ⅱ.转至油浴中,35 ℃搅拌1小时,缓慢滴加一定量的蒸馏水。升温至98 ℃并保持1小时。

Ⅲ.转移至大烧杯中,静置冷却至室温。加入大量蒸馏水,而后滴加H2O2至悬浊液由紫色变为土黄色。

Ⅳ.离心分离,稀盐酸洗涤沉淀。

Ⅴ.蒸馏水洗涤沉淀。

Ⅵ.冷冻干燥,得到土黄色的氧化石墨烯。

步骤Ⅲ中,H2O2的作用是____(以离子方程式表示)。

(3)碘(紫黑色固体,微溶于水)及其化合物广泛用于医药、染料等方面。回答下列问题:

① I2的一种制备方法如下所示:

由于地理位置限制，钢板桩等大型支护设备无法进场，经多方考虑，围护结构采用插打工字钢防护，工字钢外边距承台边1m，间距20cm，单根长度8m。

加入Fe粉进行转化反应的离子方程式为____,生成的沉淀与硝酸反应,生成____后可循环使用。

②以NaIO3为原料制备I2的方法:先向NaIO3溶液中加入过量的NaHSO3,生成碘化物;再向混合溶液中加入NaIO3溶液,反应得到I2,上述制备I2的总反应的离子方程式为_____。

(4)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。图3为水溶液中电解制备金属钴的装置。电解时总反应的离子方程式为____。

图3

(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的工艺流程如下:

“沉铈”过程中,生成Ce2(CO3)3·nH2O的离子方程式为____。

(6)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的深度利用和Na+内循环。工艺流程如下:

工序③中发生反应的离子方程式为_____。

解析:(1)酸溶后将TiOSO4溶液加入热水稀释并适当加热,能使TiOSO4完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸,反应的离子方程式为TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+。

(2)由滴加H2O2后发生的现象可知,加入H2O2的目的是除去过量的KMnO4,则反应的离子方程式为2Mn+5H2O2+6H+＝＝2 Mn2++5O2↑+8H2O。

(3)①由流程图可知悬浊液中含AgI,AgI可与Fe反应生成FeI2和Ag,FeI2易溶于水,在离子方程式中能拆,加入Fe粉进行转化反应的离子方程式为2AgI+Fe＝＝2Ag+Fe2++2I-,生成的银能与硝酸反应生成硝酸银参与循环中。

②先向NaIO3溶液中加入过量的NaHSO3,生成碘化物即含I-的物质;再向混合溶液中(含I-)加入NaIO3溶液,反应得到I2,上述制备I2的两个反应中I-为中间产物,总反应为与发生氧化还原反应,生成和I2,根据得失电子守恒、电荷守恒及元素守恒配平离子方程式,即可得+5＝＝I2+5+3H++H2O。

(4)由图可知,该装置为电解池,石墨电极为阳极,水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子,电极反应式为2H2O-4e-＝＝O2↑+4H+,Ⅰ室中阳离子电荷数大于阴离子电荷数,放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动,钴电极为阴极,钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴,电极反应式为Co2++2e-＝＝Co,Ⅲ室中阴离子电荷数大于阳离子电荷数,氯离子透过阴离子交换膜由Ⅲ室向Ⅱ室移动,电解的总反应的离子方程式为2Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+。

(5)用碳酸氢铵“沉铈”,则结合原子守恒、电荷守恒可知生成Ce2(CO3)3·nH2O的离子方程式为6+2Ce3++(n-3)H2O＝＝Ce2(CO3)3·nH2O+3CO2↑。

(6)工序③中发生的反应为铬酸钠溶液与过量的二氧化碳反应生成重铬酸钠和碳酸氢钠沉淀,反应的离子方程式为2 Na+++2CO2+H2O＝＝+2NaHCO3↓。

答案:(1)TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+

(3)① 2AgI+Fe＝＝2Ag+Fe2++2IAgNO3②+5HS＝＝I2+5+3H++H2O

(4)2 Co2++2H2O2Co+O2↑+4H+

(6)2Na++2Cr+2CO2+H2O＝＝Cr2+2NaHCO3↓

【连线教材】教科书中介绍了离子反应的广泛应用,本题基于工业生产中资源综合利用真实问题情境,考查工艺流程图中关键环节的离子方程式的书写,可以根据质量守恒定律、物质类别、元素价态等预测并进行证据推理,考查内容包含知识、能力、素养、价值多个维度,考查要求涉及基础性、综合性和应用性等方面。

基于上述六类试题不难看出,电离与离子反应高考题型种类丰富多样,考查知识来源于教科书但又高于教科书,强弱电解质、离子共存、离子方程式的考查常考常新。复习本部分内容的关键不在于机械刷题或题海训练,而在于加强理解、融会贯通、举一反三,学会迁移应用,这样才能真正掌握陌生情境下离子共存判断或离子方程式问题的分析与解答。