湖北

縱觀歷年高考化學(xué)方程式或離子方程式的書寫，絕大多數(shù)都是以陌生情景中氧化還原反應(yīng)方程式的書寫作為考查的重點(diǎn)。高考命題者如此青睞氧化還原反應(yīng)，不僅僅是因?yàn)檠趸€原反應(yīng)作為高中必備的核心知識必須加以考查，而且氧化還原反應(yīng)還蘊(yùn)含豐富的學(xué)科思想方法，承載學(xué)科的核心能力——學(xué)生靈活運(yùn)用已有知識解決陌生情景中實(shí)際問題的能力，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的考查意圖。加之這樣的試題具有一定的難度和很強(qiáng)的區(qū)分度，因而是高考中必不可少的一道化學(xué)大餐。用心咀嚼，細(xì)細(xì)品味，給人以回味無窮之感。下面筆者以2019年全國高考化學(xué)試題為例談?wù)動(dòng)嘘P(guān)陌生情景中氧化還原反應(yīng)方程式的書寫策略，從中感悟規(guī)律，悟法開竅，希望能對2020屆高三學(xué)生有所裨益。

一、正確認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的思維模型是解題的關(guān)鍵

1.氧化還原反應(yīng)的思維模型

圖1 氧化還原反應(yīng)的一般思維模型圖

在此一般思維模型中，氧化還原反應(yīng)蘊(yùn)含著化學(xué)眾多的學(xué)科思想方法：認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系的思路方法——物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律；氧化性和還原性的強(qiáng)弱規(guī)律；化合價(jià)升降守恒規(guī)律；得失電子守恒規(guī)律；離子反應(yīng)所遵循的電荷守恒規(guī)律；質(zhì)量守恒定律(原子守恒、元素守恒、物料守恒)等等。

2.氧化還原反應(yīng)的學(xué)科價(jià)值

氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)體現(xiàn)了學(xué)科的價(jià)值，主要體現(xiàn)在：

從轉(zhuǎn)化的視角看，認(rèn)識元素在物質(zhì)中可以具有不同價(jià)態(tài)，可通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)含有不同價(jià)態(tài)元素的物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。

從分類的視角看，學(xué)生能夠建立對化學(xué)反應(yīng)分類的新視角，特別是形成化學(xué)反應(yīng)認(rèn)識的新視角，能夠更全面地認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化；

從思維的視角看，學(xué)生對于相關(guān)的實(shí)際現(xiàn)象和問題的解釋分析能力將得到進(jìn)一步的提高，使認(rèn)識思維從低階向高階發(fā)展；

從應(yīng)用的視角看，作為工具建構(gòu)原電池和電解池裝置，用于分析電池的形成，凸顯學(xué)科教學(xué)的應(yīng)用價(jià)值；

從辯證的視角看，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)作為對立的統(tǒng)一體，從電子的失和得、化合價(jià)的升和降、反應(yīng)物的氧化性和還原性、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物，全面揭示了物質(zhì)的對立統(tǒng)一規(guī)律。

二、從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)變化的視角認(rèn)識物質(zhì)的轉(zhuǎn)化路徑

結(jié)合物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)兩個(gè)角度，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和變化，建立認(rèn)識物質(zhì)轉(zhuǎn)化的二維模型，重點(diǎn)關(guān)注元素化合價(jià)變化。以“氧化還原”視角再認(rèn)識物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，幫助學(xué)生形成全面的認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的“元素化合價(jià)-物質(zhì)類別二維模型”(如圖2所示)。

圖2 元素化合價(jià)-物質(zhì)類別二維模型圖

該“元素化合價(jià)-物質(zhì)類別二維模型圖”(簡稱“價(jià)-類模型”)是在氧化還原反應(yīng)一般思維模型的基礎(chǔ)上，從物質(zhì)分類與元素化合價(jià)的視角給學(xué)生以直觀明晰的思維結(jié)構(gòu)：

(1)確定某物質(zhì)及其化合價(jià)所處的位置，以此來判斷該物質(zhì)具有的性質(zhì)(氧化性、還原性)。

(2)明確發(fā)生氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)之后，該物質(zhì)中核心元素的化合價(jià)變化，并且通過箭頭指向來表達(dá)反應(yīng)的過程(找到反應(yīng)物和生成物)，同時(shí)能夠看到物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化的多種途徑。

(3)通過化合價(jià)所處的位置，掌握該物質(zhì)具有的類別通性。

三、梳理常見物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是書寫氧化還原反應(yīng)方程式的必備工具

從高中教材及高考試題中梳理常見物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，是高中學(xué)生必備的基礎(chǔ)性工具知識，因此，學(xué)生應(yīng)熟記常見的氧化劑和還原劑并判斷還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。

強(qiáng)氧化劑被還原之后的產(chǎn)物強(qiáng)還原劑被氧化之后的產(chǎn)物Na2O2NaOHFe2+Fe3+Fe3+Fe2+SO2SO2-4NO2NOH2SO3SO2-4HNO3(濃)NO2Na2SO3、NaHSO3SO2-4HNO3(稀)NOH2SS、SO2、SO2-4H2O2H2OH2O2O2H2SO4(濃)SO2Na2S、NaHSS、SO2、SO2-4X2(鹵素單質(zhì)Cl2、Br2、I2)X-(Cl-、Br-、I-)Na2S2O3SO2-4ClO-、KClO3Cl-NaII2、IO-3NaClO、Ca(ClO)2Cl-NH3NO、N2KMnO4(H+)、MnO2(H+)Mn2+K2Cr2O7(H+)Cr3+

學(xué)生可結(jié)合上表中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化(或離子的轉(zhuǎn)化)，依據(jù)“價(jià)-類二維模型”，感悟其分析問題的一般方法。常見的鐵及其化合物之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：

圖3 鐵及其化合物的價(jià)-類二維圖

四、掌握有序書寫信息型氧化還原反應(yīng)方程式的一般步驟

第1步：找出發(fā)生氧化還原反應(yīng)的粒子。根據(jù)元素價(jià)態(tài)和氧化還原順序規(guī)律確定氧化劑和還原劑。

第2步：合理地預(yù)測產(chǎn)物。根據(jù)化合價(jià)規(guī)律及題給信息和已知元素化合物性質(zhì)確定相應(yīng)的還原產(chǎn)物、氧化產(chǎn)物。

第3步：配電子。即轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒。根據(jù)化合價(jià)升降總數(shù)相等確定發(fā)生氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)也應(yīng)相等，確定氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)。

第4步：配電荷。即方程式兩邊電荷守恒。根據(jù)溶液的酸堿性，通過在反應(yīng)方程式的兩端添加H+或OH-的形式使方程式兩端的電荷守恒。

第5步：配原子。即遵守質(zhì)量守恒定律，方程式左右兩邊各種元素的原子數(shù)守恒。根據(jù)原子守恒，通過在反應(yīng)方程式兩端“補(bǔ)缺”H+、OH-和H2O(或其他小分子、離子)使方程式兩端的原子守恒。其“補(bǔ)缺”技巧：

H+→H2O(酸性)、OH-→H2O(堿性)；

H2O→H+(中性或酸性)、H2O→OH-(中性或堿性)。

五、例析2019年高考陌生情景氧化還原反應(yīng)方程式的書寫

(一)典例剖析

【例題】(2019·全國卷Ⅲ·26改編)高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料，工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦(還含F(xiàn)e、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制備，工藝如下圖所示?；卮鹣铝袉栴}：

(1)“濾渣1”含有S和________；寫出“溶浸”中二氧化錳與硫化錳反應(yīng)的離子方程式：____________________。

(2)“氧化”中添加適量的MnO2的作用是___________________。

(2)將Fe2+氧化為Fe3+

【命題意圖】本題以工業(yè)上制備高純硫酸錳的工藝流程圖作為載體，考查元素化合物間的相互轉(zhuǎn)化與物質(zhì)的分離提純，重點(diǎn)考查了陌生情景下氧化還原反應(yīng)方程式的書寫。其情景素材來源于科學(xué)研究的成果《二氧化錳和硫化錳兩礦法制備高純硫酸錳》(劉清華著)，試題中的工藝流程進(jìn)行了簡化和改進(jìn)。

【思路分析】硫化錳礦中的Si元素主要以SiO2或不溶性硅酸鹽存在，SiO2與硫酸不反應(yīng)，所以濾渣1中除了S還有SiO2；在硫酸的溶浸過程中，二氧化錳和硫化錳發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，二氧化錳作氧化劑，硫化錳作還原劑。運(yùn)用“價(jià)-類二維模型”來分析反應(yīng)物MnO2和MnS反應(yīng)的產(chǎn)物：

圖4 錳、硫及其化合物的價(jià)-類二維圖

【解析】第1步：找出發(fā)生氧化還原反應(yīng)的粒子：MnO2中Mn為+4價(jià)，處在高價(jià)，因而具有氧化性；MnS中S為-2價(jià)，處在最低價(jià)，因而具有還原性。

第2步：合理地預(yù)測產(chǎn)物：MnO2發(fā)生還原反應(yīng)，Mn元素化合價(jià)降低，產(chǎn)物一般為+2價(jià)的Mn2+；MnS發(fā)生氧化反應(yīng)，S元素化合價(jià)升高，氧化產(chǎn)物一般為單質(zhì)S。由此可得，MnO2+MnS——2Mn2++S。

第3步：配電子。由于MnO2→Mn2+是得到2e-；MnS→S是失去2e-，因此，得失電子已經(jīng)相等了。

第4步：配電荷。由于加入的是硫酸溶浸，且方程式右邊總共有4個(gè)單位的正電荷，因而在方程式的左邊補(bǔ)上4個(gè)H+，使得方程式左右兩邊電荷守恒。即MnO2+MnS+4H+——2Mn2++S。

第5步：配原子。根據(jù)原子守恒，顯然在生成物的一邊要加2個(gè)H2O，即MnO2+MnS+4H+——2Mn2++S+2H2O。這樣該離子化學(xué)方程式就配平了。

【點(diǎn)評】書寫陌生情景中氧化還原反應(yīng)方程式，其核心在于理解氧化還原反應(yīng)的思維模型，從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)變化的視角認(rèn)識物質(zhì)的轉(zhuǎn)化路徑，找準(zhǔn)氧化劑和還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物。在氧化還原反應(yīng)中，元素化合價(jià)升高，失去電子，該物質(zhì)作還原劑，變?yōu)檠趸a(chǎn)物；元素化合價(jià)降低，獲得電子，該物質(zhì)作氧化劑，變?yōu)檫€原產(chǎn)物。元素化合價(jià)升降總數(shù)等于反應(yīng)過程中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目，可利用最小公倍數(shù)法配平氧化還原反應(yīng)方程式，對于離子反應(yīng)，同時(shí)還要符合電荷守恒及原子守恒。

(二)真題演練

1.(2019·全國卷Ⅰ·27改編)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實(shí)驗(yàn)室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，具體流程如下：

回答下列問題：

步驟③中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：___________________。

選用足量的H2O2，理由是____________________。

2.(2019·全國卷Ⅱ·26節(jié)選)立德粉ZnS·BaSO4(也稱鋅鋇白)，是一種常用白色顏料。

以重晶石(BaSO4)為原料，可按如下工藝生產(chǎn)立德粉：

在回轉(zhuǎn)爐中重晶石被過量焦炭還原為可溶性硫化鋇，該過程的化學(xué)方程式為________________________?；剞D(zhuǎn)爐尾氣中含有有毒氣體，生產(chǎn)上可通過水蒸氣變換反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為CO2和一種清潔能源氣體，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為________________________。

3.(2019·北京卷·26節(jié)選)化學(xué)小組用如下方法測定經(jīng)處理后的廢水中苯酚的含量(廢水中不含干擾測定的物質(zhì))。

Ⅰ.用已準(zhǔn)確稱量的KBrO3固體配制一定體積的amol·L-1KBrO3標(biāo)準(zhǔn)溶液；

Ⅱ.取v1mL上述溶液，加入過量KBr，加H2SO4酸化，溶液顏色呈棕黃色；

Ⅱ中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是__________________。

4.(2019·天津卷·2)下列離子方程式能用來解釋相應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的是

( )

5.(2019·江蘇卷·16節(jié)選)N2O、NO和NO2等氮氧化物是空氣污染物，含有氮氧化物的尾氣需處理后才能排放。

(1)N2O的處理。N2O是硝酸生產(chǎn)中氨催化氧化的副產(chǎn)物，用特種催化劑能使N2O分解。NH3與O2在加熱和催化劑作用下生成N2O的化學(xué)方程式為________________。

6.(2019·江蘇卷·18·節(jié)選)將一定量的FeSO4·7H2O溶于稀硫酸，在約70℃下邊攪拌邊緩慢加入一定量的H2O2溶液，繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間，得到紅棕色黏稠液體。H2O2氧化Fe2+的離子方程式為____________________。

【參考答案】

4.A