综合实验试题中加入某物质的作用归纳与解析（发表于中小学实验与装备 2012年第1期）

房寿高

（江苏省常州高级中学  江苏 常州 213000）

综合试题中经常出现考查新加物质作用的试题，这类试题既能考查学生对物质性质的理解，还能考查学生运用化学反应原理解决实际问题的能力，从而考查学生的化学学科素养。新加入的物质的作用一般从以下几个角度去思考。

一、从发生的反应考虑

从发生的反应来看，新加入的物质作为反应物或生成物，有的使原料溶解；有的提供氧化剂或还原剂；有的是通过反应除去杂质；有的是抑制某些离子水解；有的是抑制某些物质吸收等等。

例1（2011盐城二模）：铁氧体可用于隐形飞机上吸收雷达波涂料。一种以废旧锌锰电池为原料制备锰锌铁氧体的主要流程如下：

http://s16/mw690/003txKeNgy6JeOv17xdcf&690

 

问题1：酸浸时，二氧化锰被还原的化学方程式为：                           。

问题2：活性铁粉除汞时，铁粉的作用是           （填：氧化剂、还原剂、吸附剂）。

解析：对于问题1，硫酸的作用主要是使锌等固体溶解；根据问题1中的信息“二氧化锰被还原，说明H₂O₂的作用是还原剂，化学方程式为：MnO₂+H₂O₂+H₂SO₄=MnSO₄+O₂↑+2H₂O。对于问题2，活性铁粉除汞时，铁粉的作用主要是作为还原剂，使溶液中的汞离子变为汞单质。

例2（2009江苏第15题改编）：医用氯化钙可用于生产补钙、抗过敏和消炎等药物。以工业碳酸钙（含有少量Na⁺、Al³⁺、Fe³⁺等杂质）生产医药级二水合氯化钙（CaCl₂·2H₂O的质量分数为97.0%-100.0%）的主要流程如下：

http://s16/mw690/003txKeNgy6JeOBpSCX8f&690

问题：酸化操作是加入盐酸，调节溶液的pH约为4.0，其目的有：①                 ；②                           ；③                              。

解析：在酸化操作未加盐酸时，溶液中有过剩的氢氧化钙，所以，目的之一是除去过剩的Ca(OH)₂，使之转化为CaCl₂；由于Ca²⁺在蒸发结晶时（160℃）会部分发生水解，在酸性条件下可以抑制Ca²⁺水解；另外，在酸性较弱或碱性条件下，氯化钙会吸收空气中的CO₂，酸性条件可以抑制CO₂的吸收。

二、从反应所需要的条件考虑

若从反应发生的条件考虑，加入某物质的作用，有的是作为催化剂；有的是提供反应所需的温度，如作为燃料燃烧放热提供热量，向溶液中加入硝酸铵可以使溶液温度降低；有的是为了控制溶液的酸碱性以提供反应所需的酸碱性要求，等等。

例1（2008江苏第17题）：工业上制备BaCl₂的工艺流程图如下：

http://s6/mw690/003txKeNgy6JeOK6YAd25&690

 

某研究小组在实验室用重晶石（主要成分BaSO₄）对工业过程进行模拟实验。查表得

http://s9/mw690/003txKeNgy6JeOSqivu38&690

 

问题：实际生产中必须加入过量的炭，同时还要通入空气，其目的是

                          ，                                      。

解析：加入过量的炭可以使BaSO₄得到充分的还原（或提高BaS的产量）；由于①②为吸热反应，炭和氧气反应放热可以维持反应所需高温。

例2（2011苏南二模第15题）工业上用粗氧化铜（含杂质FeO）为原料制取氯化铜晶体（CuCl₂•2H₂O）的生产流程如下：

http://s14/mw690/003txKeNgy6JeOZqudv7d&690

问题：流程中两次加入了CuO，而不是一次性向溶液B中加入过量的CuO，其理由是

                                                           。

解析：浓盐酸使CuO、FeO溶解为Cu²⁺、Fe²⁺，然后在NaClO作用下，Fe²⁺转变为Fe³⁺，加入CuO可控制溶液的PH，使Fe³⁺变为Fe(OH)₃沉淀；Cu(OH)₂完全沉淀所需的PH与Fe(OH)₃不同，此时通过加入CuO可使Cu(OH)₂沉淀出来。所以，CuO应该分两次加入，如果一次性向溶液B中加入过量的CuO，将导致Fe³⁺和Cu²⁺同时生成沉淀。

例3：（2011江苏）H₂S热分解制氢时，常向反应器中通入一定比例空气，使部分H₂S燃烧，其目的是                                                     。

参考答案：为H₂S热分解反应提供热量。

三、从物质的性质考虑

加入某种物质之后可以降低原物质的溶解度，如加入有机溶剂可以降低水的极性，降低一些无机盐在水中的溶解度；可以提高原物质的氧化性，如往高锰酸钾中加入稀硫酸可提高其氧化性；新制氢氧化铜和银氨在碱性条件下可提高其氧化性；有的可以抑制一些离子的水解，如往FeSO₄溶液中加入稀硫酸一方面可抑制Fe²⁺水解；加入某些物质可以防止原物质氧化，常见方法有：①利用一些气体来隔绝空气或氧气，如氢气还原氧化铜结束后，应先停止加热，还要继续通一会儿氢气，让生成的铜在氢气的氛围中冷却；又如在制金属钛时，可以在氩气的氛围中用过量的镁在加热条件下与TiCl₄反应制得金属钛；②加入其它更容易被氧化的物质来防止原物质被氧化；③通过加入某物质可以把原物质中的某些官能团保护起来，防止在后面的反应中被氧化，等等。

例1（2010江苏第18题）：正极材料为LiCoO₂的锂离子电池被广泛用作便携式电源。但钴的资源匮乏限制了其进一步发展。（1）橄榄石型LiFePO₄是一种潜在的锂离子电池正极材料，它可以通过(NH₄)₂Fe(SO₄)₂、H₃PO₄与LiOH溶液发生共沉淀反应，所得沉淀经80℃真空干燥、高温成型而制得。问题：共沉淀反应投料时，不将(NH₄)₂Fe(SO₄)₂和LiOH溶液直接混合的原因是                                                              。

解析：此题有一定的难度，能很好地考查学生的分析问题能力。此题很容易答成OH^-会与NH₄⁺反应。从目标产物LiFePO₄来看，即使OH^-与NH₄⁺反应对产物没什么影响，关键分析为什么要加入H₃PO₄而不是把两者直接混合，加与不加H₃PO₄的区别在什么地方，这样容易得出未加磷酸溶液显碱性，加入磷酸碱性降低，可能酸碱性对Fe²⁺的还原性有影响，这样经过分析可得出答案：Fe²⁺ 在碱性条件下更易被氧化。

例2（2011南京二模）PCl₃可用于半导体生产的外延、扩散工序。有关物质的部分性质如下：

http://s6/mw690/003txKeNgy6JeP81cFf45&690

问题：右图是实验室制备PCl₃的装置（部分仪器已省略）。向甲中通入干燥的Cl₂之前，需先通入一段时间

CO₂，目的是                                       。

http://s15/mw690/003txKeNgy6JePdkeFE1e&690

 

解析：由于PCl₃遇O₂会生成POCl₃，遇水生成H₃PO₃和HCl，通入一段时间的CO₂可以排尽装置中的空气，防止生成的PCl₃与空气中的O₂和水反应。

例3：绿矾（FeSO₄·7H₂O）是治疗缺铁性贫血的特效药。下面是以商品级纯度铁屑（含少量锡等杂质）生产绿矾的一种方法：

http://s6/mw690/003txKeNgy6JePjqcJv35&690

已知：在H₂S饱和溶液中，SnS沉淀完全时溶液的pH为1.6；FeS开始沉淀时溶液的pH为3.0，沉淀完全时的pH为5.5。

     问题：操作II在溶液中用硫酸酸化至pH=2的目的是              ；通入硫化氢至饱和的目的是：

①除去操作I所得溶液中含有的Sn²⁺等杂质离子；②                             。

解析：控制溶液的PH可以抑制一些离子的水解。根据题给信息，SnS沉淀完全时溶液的pH为1.6，而FeS开始沉淀时溶液的pH为3.0，所以，操作II在溶液中用硫酸酸化至pH=2的目的是使Sn²⁺完全变成SnS沉淀，而Fe²⁺不沉淀。由于硫化氢本身是一种强还原剂，所以，通入硫化氢至饱和的目的是除了除去操作I所得溶液中含有的Sn²⁺等杂质离子之外，还可以防止Fe²⁺被氧化。

四、从反应速率考虑

通过加入某物质以加快反应速率。常见的方法有：通压缩空气(相当于搅拌)、鼓热空气或热水蒸气(相当于加热和搅拌)；加入催化剂；加入的物质与原来物质构成原电池（如实验室用锌粒与稀硫酸反应制氢气，为了加快反应速率可以加少量铜粉或硫酸铜溶液），等等。

例题(2011南京二模) “废铁屑为原料生产莫尔盐的主要流程如下：

  http://s16/mw690/003txKeNgy6JePoaOKPef&690

问题：“反应I”中通入N₂的作用是                                   。

解析：加入N₂一方面可以防止空气中的氧气进入防止Fe^2＋被氧化为Fe^3＋，而且起搅拌作用，以加快反应速率。

   又如工业上从海水中提取溴时，先往已提取氯化钠的苦卤中通入氯气，得到溴水，然后鼓入热空气，此处热空气的作用有两点：其一由于是“热”空气，能降低溴在水中的溶解度，因为气体溶解度随温度升高而下降；其二，溴能以溴蒸气的形式随空气一起出来。

五、从化学平衡考虑

1.从转化率考虑

例如，用乙酸和乙醇制乙酸乙酯时为了提高乙酸的转化率可采用：再加入乙醇；加入浓硫酸吸水；及时蒸出乙酸乙酯，等等。

例题：我国自行研制的优质磷酸二氢钾（KDP）晶体被应用于大功率固体激光器中。现以氯化钾和磷酸为原料制取磷酸二氢钾，反应方程式为：                          

以下是在三正丁胺中制备磷酸二氢钾的工艺流程：

http://s8/mw690/003txKeNgy6JePvopXVb7&690

 

已知：三正丁胺是不溶于水的有机溶剂，与氯化氢反应生成一种可溶于水的盐，能使磷酸二氢钾在水中的溶解度降低

问题：使用三正丁胺能促进该反应进行的原因是                                 。除该方案外，促进该反应进行还可采取的措施有                               。

解析：根据已知信息，三正丁胺能降低KH₂PO₄的溶解度，使其析出后，降低了生成物浓度；同时生成的HCl与三正丁胺反应，也降低了HCl的浓度，使平衡向正反应方向移动。

2.从沉淀的转化考虑

实现沉淀转化一般可以通过以下方法：加入试剂生成更难溶的物质；增大离子浓度使Q_c＞K_sp，从而产生沉淀。

例如（2011南通二模）：高铁酸钾（K₂FeO₄）是一种新型、高效、多功能水处理剂，且不会造成二次污染。已知高铁酸盐热稳定性差，工业上用湿法制备高铁酸钾的基本流程如下图所示：

    http://s14/mw690/003txKeNgy6JePBjp3Tad&690

问题：结晶过程中加入浓KOH溶液的作用是：                          。

解析：Fe(OH)₃与KClO在碱性条件下会产生K₂FeO₄，加入浓KOH溶液，C(K⁺)会增大，有利于生成K₂FeO₄沉淀。

六、从产品的组成考虑

有时化工生产中经过一系列操作之后，产品的元素组成比不符合要求，可以再加入一些物质以调节元素的组成比。例如第一部分中的例题1，可以设计这样的问题：同时加入MnSO₄和铁粉的目的是                            。

参考答案：可以调节滤液离子的成分，符合水热后获得锰锌铁氧化体的组成（二次加入铁粉还可进一步除去汞）。