例1. 已知Fe2O3在高爐中有下列反應:Fe2O3+CO→2FeO+CO2,反應形成的固體混合物(Fe2O3、FeO)中,元素鐵和氧的質量比用m(Fe)∶m(O)表示。
(1)上述固體混合物中, m(Fe):m(O)不可能是__(選填A、B、C,多選扣分)。
A. 21∶9B. 21∶7.5 C. 21∶6
若m(Fe)∶m(O)=21∶8, 計算Fe2O3被CO還原的百分率。
(3)設Fe2O3被CO還原的百分率為A %,則A %和混合物中m(Fe)∶m(O)的關系式為[用含m(Fe)、m(O)的代數式表示]。
A%=_________________________。
請在圖1中畫出A %和m(Fe)/m(O)關系的圖形。
(4)如果Fe2O3和CO的反應分兩步進行:3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2、Fe3O4+CO→3FeO+CO2。
試分析反應形成的固體混合物可能的組成及相應的m(Fe)∶m(O)[令m(Fe)∶m(O)=21∶a, 寫出a的取值範圍]。將結果填入表1:
分析與解答:本題是壹道涉及鐵的氧化物(Fe2O3)在高爐中反應的綜合計算,由於題中給予的化學反應是未學過的,難度較大。為此,解答好題目的關鍵就是要依據題中條件,抓住反應形成的固體混合物中,元素鐵和氧的質量比,將其退到最簡單的問題,即由簡單氧化物的化學式來求解其元素的質量比,巧用極限方法,則題中的各個問題便可迎刃而解。
(1)假設反應形成的固體只有1 mol Fe2O3,則m(Fe)∶m(O)=2×56∶3×16=56∶16=21∶9;假設反應形成的固體只有1 mol FeO, 則m(Fe)∶m(O)=56∶16=21:6。根據題意可知,反應形成的固體混合物為Fe2O3和FeO, 故可推知m(Fe)∶m(O)之值不可能為21∶9或21∶6,其正確選項為A、C。
(2)由題中條件知:m(Fe)∶m(O)=21∶8,故可推知反應形成的固體混合物為Fe2O3和FeO。若設原有Fe2O3為n mol,還原百分率為A %,則有
Fe2O3+CO→2FeO+CO2
n·A % → 2n·A %
根據題意有:
(4)根據題給反應方程式可知,會出現如下3種情況:
①假設反應按第壹步進行,則反應形成的固體混合物組成為Fe2O3和Fe3O4,依據(1)的方法有:8<9 br> ②假設反應按第二步進行,則反應形成的固體混合物組成為Fe3O4和FeO, 依據(1)的方法有: 6<8 br> ③假設反應按第壹、第二兩步進行,則反應形成的固體混合物組成為Fe2O3、Fe3O4和FeO,依據(1)的方法有:6<9 答略 br> <9 答略><9 答略 br>例2. 接觸法制硫酸排放的尾氣中,含少量的二氧化硫,為防止汙染大氣,在排放前設法進行綜合利用。
(1) 某硫酸廠每天排放10000 m3(標準狀況)尾氣中含0.2 %(體積分數)的SO2。問用氫氧化鈉溶液、石灰及氧氣處理後,假設硫元素不損失,理論上可得到多少千克石膏(CaSO4·2H2O)?
(2)如果將壹定體積的尾氣通100 mL 2.000 mol·L-1的氫氧化鈉溶液使其完全反應,經測定所得溶液含16.7 g溶質。試分析溶液的成分,並計算確定各成分的物質的量。
(3)工廠在尾氣處理制石膏的過程中,中間產物是亞硫酸氫鈉,調節尾氣排放的流量,以取得二氧化硫與氫氧化鈉間物質的量的最佳比值,從而提高亞硫酸氫鈉的產量。 現設 n(SO2)、 n(NaOH)、
n(NaHSO3)分別表示二氧化硫、氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉的物質的量, 且n(SO2)/n(NaOH)=x, 試寫出x在不同取值範圍時,n(NaHSO3) 的值或 n(NaHSO3)與
n(SO2)、n(NaOH)間的關系式。
分析與解答:本題將科學技術與社會緊密結合,題型非常新穎,且綜合性強,在能力考查上有壹定坡度,由易到難。為此,學生在解答這類問題時,若巧用守恒法和極端假設法,則本題的3個小問題便可迎刃而解。
(1)設可制得石膏的質量為y,根據S元素守恒,則有
SO2～CaSO4·2H2O
22.4 m3172 kg
0.2 %×10000 m3 y
[22.4 m3/(0.2 %×10000 m3)]=172 kg/y→y=153.6 kg
(2)根據題意知: n(NaOH) = 2.000 mol·L-1× 0.100L=0.200 mol。假設溶液中溶質全部是Na2SO3,則有SO2+2NaOH = Na2SO3+H2O
2 mol126 g
0.200 mol 12.6 g<16.7 g
假設溶液中溶質全部是NaHSO3,則有
SO2+NaOH=NaHSO3
1 mol 104 g
0.200mol20.8 g>16.7 g
依據題意知,12.6 g<16.7 g<20.8 g,所以該溶液的成分為Na2SO3與NaHSO3的混合物。若設生成Na2SO3與NaHSO3的物質的量分別為a和b,則有
2a+b=0.200 mol126 g·mol-1×a+104 g·mol-1×b=16.7→a=0.0500 molb=0.100 mol
故混合液中含Na2SO3 0.0500 mol、NaHSO3 0.100 mol。
(3)由於SO2通入NaOH溶液中可能發生如下反應:
SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O ①
SO2+NaOH=NaHSO3②
故可分3種情況進行討論:
Ⅰ. 當x≤1/2時,反應按①式進行, 且SO2全部耗盡, 生成物為Na2SO3,無NaHSO3, 故n(NaHSO3)=0。
Ⅱ. 當1/2<1 反應按和兩式完全進行且NAOH和SO均無剩余生成物為NASO和NAHSO的混合物根據NAS守恒得出如下等式 br> Na守恒: n(NaOH)=2n(Na2SO3)+n(NaHSO3)③
S守恒: n(SO2)=n(Na2SO3)+n(NaHSO3)④
由式③-式④得: n(Na2SO3)=n(NaOH)-n(SO2) ⑤
將式 ⑤ 代入式 ④ 得:n(NaHSO3)=2n(SO2)-n(NaOH)。
Ⅲ. 當x≥1時,反應按②式進行,且NaOH全部耗盡,生成物全是NaHSO3。根據Na守恒得: n(NaHSO3)=n(NaOH)。
綜上所述,其結果見表2:
總之,新形勢下的化學教學,特別是在化學習題教學過程中,教師要適時向學生傳授壹些處理解決化學問題的科學思想方法。例如,整體思想、化歸思想、分類討論思想、函數思想、數形結合思想等等,這對提高學生獨立處理化學問題的能力無疑有積極的促進作用。教學中,教師要有意識地加強這些科學思想方法的滲透,培養學生解決各種問題的科學思想方法,使學生受益終身。