• 元素化合物之间的转化

把一块铁片放入蓝色的硫酸铜溶液中，过一会儿铁片表面会覆上一层红色的铜，溶液颜色也逐渐变浅——铁变成了铁离子，铜离子变成了铜单质。这种“你变我、我变你”的过程，正是元素化合物之间转化关系的缩影。理解这些转化，不是靠死记硬背每一个反应方程式，而是找到其中的规律：什么条件下一种物质会变成另一种物质，氧化还原在其中扮演了什么角色，酸碱环境又如何改变反应的走向。

转化关系的基本思路

每种元素在自然界中以不同的化合价形式存在，这些不同价态的化合物之间，可以通过化学反应相互转化。掌握转化关系，需要先建立两条基本线索。

• 第一条线索是价态变化。元素的化合价升高，说明该元素被氧化，需要氧化剂参与；化合价降低，说明该元素被还原，需要还原剂参与。例如铁从单质（0价）变成 $\text{Fe}^{2+}$（+2价），化合价升高，铁被氧化了。

• 第二条线索是酸碱环境。同一种物质在酸性和碱性条件下的转化路径往往不同。碳酸钠遇到过量二氧化碳会变成碳酸氢钠，加热碳酸氢钠则又回到碳酸钠——酸碱条件决定了反应的方向。

钠的化合物转化关系

钠的化合物是最常见的一类，从钠单质出发，沿着不同的路径可以到达不同的化合物。整个转化网络围绕着两条主线展开：一条是钠与氧气反应生成氧化物，另一条是钠的氧化物与水、二氧化碳的一系列后续反应。

钠在空气中缓慢氧化生成氧化钠（$\text{Na}_2\text{O}$），但若在过量的纯氧中点燃，则生成淡黄色的过氧化钠（$\text{Na}_2\text{O}_2$）：

$4\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Na}_2\text{O}$

$2\text{Na} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{Na}_2\text{O}_2$

氧化钠与水反应生成氢氧化钠，过氧化钠与水反应则同时放出氧气：

$\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$

$2\text{Na}_2\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{NaOH} + \text{O}_2\uparrow$

氢氧化钠与二氧化碳的反应，结果取决于两者的用量比：

$2\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} \quad \text{（NaOH 过量）}$

$\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{NaHCO}_3 \quad \text{（CO}_2\text{ 过量）}$

碳酸钠与过量二氧化碳和水反应可转化为碳酸氢钠，而碳酸氢钠加热则分解回碳酸钠：

$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaHCO}_3$

$2\text{NaHCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$

例题 1

向 NaOH 溶液中缓慢通入 $\text{CO}_2$，最终 $\text{CO}_2$ 过量。写出两步反应的方程式，并说明最终溶液中的主要溶质。

第一步（NaOH 过量时）：

$2\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

铁的化合物转化关系

铁的转化关系以“+2价与+3价之间的互变”为核心。铁有三种常见存在形式：铁单质（0价）、亚铁离子（$\text{Fe}^{2+}$，+2价）、铁离子（$\text{Fe}^{3+}$，+3价），它们之间的转化遵循氧化还原规律。

铁单质与稀盐酸或稀硫酸反应，生成的是 $\text{Fe}^{2+}$ 而不是 $\text{Fe}^{3+}$，原因在于铁本身也是还原剂，能把生成的 $\text{Fe}^{3+}$ 进一步还原：

$\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$

$\text{Fe} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow 3\text{Fe}^{2+}$

铁与氯气反应时，由于氯气是强氧化剂，铁被氧化到最高价 +3：

$2\text{Fe} + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{FeCl}_3$

$\text{Fe}^{2+}$ 被氧化为 $\text{Fe}^{3+}$ 需要氧化剂（如 $\text{Cl}_2$、$\text{H}_2\text{O}_2$、浓硝酸等）：

$2\text{FeCl}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{FeCl}_3$

$\text{Fe}^{3+}$ 被还原为 $\text{Fe}^{2+}$ 则需要还原剂（如铁粉、铜粉等）：

$\text{Fe} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow 3\text{Fe}^{2+}$

$\text{Cu} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Fe}^{2+}$

$\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Fe}^{3+}$ 与 NaOH 反应分别生成不同颜色的沉淀：

$\text{Fe}^{2+} + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Fe(OH)}_2\downarrow \quad \text{（白色沉淀）}$

$\text{Fe}^{3+} + 3\text{OH}^- \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow \quad \text{（红褐色沉淀）}$

白色的 $\text{Fe(OH)}_2$ 在空气中会被氧化，逐渐变为红褐色 $\text{Fe(OH)}_3$：

$4\text{Fe(OH)}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Fe(OH)}_3$

例题 2

将过量铁粉加入含有 $\text{FeCl}_3$ 和 $\text{CuCl}_2$ 的混合溶液中，充分反应后过滤。写出反应方程式，判断滤液和固体的组成。

铁首先与 $\text{FeCl}_3$ 反应（$\text{Fe}^{3+}$ 氧化性强于 $\text{Cu}^{2+}$）：

$\text{Fe}+2{\text{Fe}}^3$

硫的化合物转化关系

硫元素的化合价范围从 $-2$（$\text{H}_2\text{S}$）到 $+6$（$\text{H}_2\text{SO}_4$），跨度很大。工业上制造硫酸的过程，恰好完整地走了一遍从低价到高价的转化路径。

硫在自然界中以单质、$\text{H}_2\text{S}$、$\text{SO}_2$、$\text{SO}_3$ 和硫酸盐等多种形式存在。沿着氧化方向，转化路径如下：

$\text{S} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{SO}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2,\text{催化剂}} \text{SO}_3 \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}} \text{H}_2\text{SO}_4$

这正是工业制硫酸的核心流程（接触法）。每一步的反应方程式为：

$\text{S} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{SO}_2$

$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \underset{\Delta}{\overset{\text{催化剂}}{\rightleftharpoons}} 2\text{SO}_3$

$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$

$\text{H}_2\text{S}$ 是硫化氢气体，化合价为 $-2$，燃烧后生成 $\text{SO}_2$（氧气充足）或 $\text{S}$（氧气不足）：

$2\text{H}_2\text{S} + 3\text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{SO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \quad \text{（氧气充足）}$

$2\text{H}_2\text{S} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{S} + 2\text{H}_2\text{O} \quad \text{（氧气不足）}$

$\text{SO}_2$ 与水反应生成亚硫酸（$\text{H}_2\text{SO}_3$），但亚硫酸不稳定，加热分解恢复为 $\text{SO}_2$； 与 NaOH 反应的产物同样取决于用量比：

$\text{SO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \quad \text{（NaOH 过量）}$

$\text{SO}_2 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaHSO}_3 \quad \text{（SO}_2\text{ 过量）}$

例题 3

工业上由硫磺制造硫酸，经过三个关键步骤。写出每步反应的化学方程式，并指出哪一步是可逆反应，为什么该步需要控制温度和使用催化剂。

第一步：硫磺在空气中燃烧

$\text{S} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{SO}_2$

氮的化合物转化关系

氮元素的转化关系同样围绕着价态展开。氮气（$\text{N}_2$，0价）→ 一氧化氮（$\text{NO}$，+2价）→ 二氧化氮（$\text{NO}_2$，+4价）→ 硝酸（$\text{HNO}_3$，+5价），这是一条向高价方向的氧化路径；而另一条路径： → 氨气（，价）则是向低价方向的还原路径。

雷电时，大气中的氮气与氧气在高温下直接化合生成 $\text{NO}$，这是自然固氮的方式之一：

$\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{放电}} 2\text{NO}$

$\text{NO}$ 在常温下极易被空气中的氧气氧化为 $\text{NO}_2$（红棕色气体），$\text{NO}_2$ 再溶于水生成硝酸：

$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

$3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$

注意最后一步反应中还会生成 $\text{NO}$，$\text{NO}$ 在有氧气的情况下继续被氧化，所以工业制硝酸时需要反复循环。

工业合成氨（哈伯法）将 $\text{N}_2$ 和 $\text{H}_2$ 在高温高压、催化剂条件下化合：

$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \underset{\text{高温高压}}{\overset{\text{催化剂}}{\rightleftharpoons}} 2\text{NH}_3$

氨气溶于水生成氨水，氨气与酸反应生成铵盐：

$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_3\cdot\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$

$\text{NH}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$

工业上利用氨气催化氧化制造硝酸（奥斯特瓦尔德法），氨气在高温和铂催化剂下被氧化为 $\text{NO}$：

$4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt, }\Delta} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$

例题 4

工业制硝酸的流程为：$\text{NH}_3 \xrightarrow{\text{①}} \text{NO} \xrightarrow{\text{②}} \text{NO}_2 \xrightarrow{\text{③}} \text{HNO}_3$。写出三步的反应方程式，并指出哪一步不是氧化还原反应。

第①步（催化氧化）：

$4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt, }\Delta} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$

综合转化的分析方法

在实际题目中，往往不会单独考查某一种元素的转化，而是给出一个多步转化的流程，要求判断每步的产物或所用的试剂。面对这类题目，可以按照以下步骤有条不紊地分析。

第一步，确认元素和价态。拿到题目先看清楚涉及的元素是什么，现在处于哪个价态，目标是哪个价态。

第二步，判断转化方向。目标价态高于起始价态，需要氧化剂；目标价态低于起始价态，需要还原剂；价态不变则考虑酸碱或复分解途径。

第三步，选择合适试剂。根据转化类型选择试剂，注意避免引入不需要的离子。例如要把 $\text{FeCl}_2$ 转化为 $\text{FeCl}_3$，用 $\text{Cl}_2$ 氧化最合适，不引入新的阴离子。

第四步，验证条件。有些反应需要加热、催化剂或特定酸碱环境，最终检查条件是否合理。

例题 5

已知某溶液中含有 $\text{FeCl}_3$，请设计一步转化将其转化为 $\text{FeCl}_2$，再设计一步将 $\text{FeCl}_2$ 转化回 ${\text{FeCl}}_3$，写出反应方程式，说明每步转化属于哪种类型。

练习题

第 1 题（选择题）

将铁粉加入含有 $\text{FeCl}_3$ 和 $\text{CuCl}_2$ 的混合溶液中，充分反应后铁粉有剩余。过滤后，滤液中存在的阳离子是（　　）

A. $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Fe}^{3+}$

B. $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Cu}^{2+}$

C. 只有 $\text{Fe}^{2+}$

D. $\text{Fe}^{2+}$、$\text{Fe}^{3+}$ 和 $\text{Cu}^{2+}$

知识点：铁与 $\text{Fe}^{3+}$、$\text{Cu}^{2+}$ 的反应顺序及过量判断

第 2 题（选择题）

向 NaOH 溶液中通入过量 $\text{CO}_2$ 气体，再加热所得溶液。最终溶液中的主要溶质是（　　）

A. $\text{Na}_2\text{CO}_3$

B. $\text{NaHCO}_3$

C. $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 和 $\text{NaHCO}_3$

D. $\text{NaOH}$ 和 $\text{Na}_2\text{CO}_3$

知识点：NaOH 与过量 $\text{CO}_2$ 反应，以及 $\text{NaHCO}_3$ 受热分解

第 3 题（选择题）

下列关于硫的化合物转化关系的说法，正确的是（　　）

A. $\text{SO}_2$ 通入水中即可直接生成 $\text{H}_2\text{SO}_4$

B. 稀硫酸与铜在常温下反应生成 $\text{CuSO}_4$ 和 $\text{H}_2$

C. 工业制硫酸中，$\text{SO}_2$ 转化为 $\text{SO}_3$ 是可逆反应

D. $\text{H}_2\text{S}$ 在充足氧气中燃烧生成 $\text{S}$ 和水

知识点：硫的化合物转化路径及浓稀硫酸的区别

第 4 题（选择题）

工业合成氨后，将氨气催化氧化制备硝酸，流程为 $\text{NH}_3 \rightarrow \text{NO} \rightarrow \text{NO}_2 \rightarrow \text{HNO}_3$。其中氮元素化合价变化为（　　）

A. $-3 \rightarrow +2 \rightarrow +4 \rightarrow +5$

B. $-3 \rightarrow +4 \rightarrow +2 \rightarrow +5$

C. $0 \rightarrow +2 \rightarrow +4 \rightarrow +5$

D. $-3 \rightarrow +2 \rightarrow +4 \rightarrow +4$

知识点：氮元素在各化合物中的化合价判断

第 5 题（计算题）

将 $5.6\ \text{g}$ 铁粉加入 $100\ \text{mL}$ 含有 $\text{FeCl}_3$ 的溶液中，充分反应后铁粉恰好完全溶解。

（1）写出反应的离子方程式；

（2）计算原溶液中 $\text{Fe}^{3+}$ 的物质的量浓度。

第 6 题（计算题）

向 $500\ \text{mL}$ NaOH 溶液中缓慢通入 $\text{CO}_2$，最终 $\text{CO}_2$ 过量，所得溶液中溶质为纯 $\text{NaHCO}_3$，测得溶液中 的物质的量为 。

（1）写出该过程总反应的化学方程式；

（2）计算原 NaOH 溶液的物质的量浓度；

（3）计算被吸收的 $\text{CO}_2$ 在标准状况下的体积。

第二步（$\text{CO}_2$ 继续通入，变为过量时）：

$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaHCO}_3$

最终溶液中主要溶质为 $\text{NaHCO}_3$。

$\text{Fe}^{3+}$ 耗尽后，铁再与 $\text{Cu}^{2+}$ 反应：

$\text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}$

由于铁过量，两步反应都能完全进行，$\text{Fe}^{3+}$ 和 $\text{Cu}^{2+}$ 均被消耗。

滤液中只有 $\text{FeCl}_2$（含 $\text{Fe}^{2+}$）；固体为过量的铁粉和置换出来的铜。

第二步：$\text{SO}_2$ 被催化氧化为 $\text{SO}_3$（可逆反应）

第三步：$\text{SO}_3$ 被浓硫酸吸收（工业上不用水直接吸收，防止形成酸雾）

$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$

第二步是可逆反应。该反应正向为放热反应，降低温度有利于 $\text{SO}_3$ 的生成，但温度过低催化剂活性不足，反应速率太慢。因此工业上选择约 $450\ ^\circ\text{C}$ 的适宜温度，同时使用催化剂提高反应速率，实现“转化率”与“速率”的平衡。

第②步（NO 氧化）：

$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

第③步（NO₂ 与水反应）：

$3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$

第③步中氮的化合价发生了变化（$\text{NO}_2$ 中 N 为 +4，产物中 $\text{HNO}_3$ 里 N 为 +5，$\text{NO}$ 里 N 为 +2），属于歧化反应（同一种元素同时升价和降价），本质上仍是氧化还原反应。三步均涉及氧化还原。

由反应方程式，$n(\text{Fe}) : n(\text{Fe}^{3+}) = 1 : 2$，所以：

$n(\text{Fe}^{3+}) = 2 \times n(\text{Fe}) = 2 \times 0.1\ \text{mol} = 0.2\ \text{mol}$

溶液体积为 $100\ \text{mL} = 0.1\ \text{L}$，则：

$c(\text{Fe}^{3+}) = \frac{0.2\ \text{mol}}{0.1\ \text{L}} = 2\ \text{mol/L}$

答：原溶液中 $\text{Fe}^{3+}$ 的物质的量浓度为 $2\ \text{mol/L}$。

知识点：利用铁与 $\text{Fe}^{3+}$ 反应的化学计量比计算离子浓度

（2）由方程式，$n(\text{NaOH}) : n(\text{NaHCO}_3) = 1 : 1$，所以：

$n(\text{NaOH}) = n(\text{NaHCO}_3) = 0.4\ \text{mol}$

溶液体积为 $500\ \text{mL} = 0.5\ \text{L}$：

$c(\text{NaOH}) = \frac{0.4\ \text{mol}}{0.5\ \text{L}} = 0.8\ \text{mol/L}$

（3）由方程式，$n(\text{CO}_2) : n(\text{NaHCO}_3) = 1 : 1$，所以：

$n(\text{CO}_2) = n(\text{NaHCO}_3) = 0.4\ \text{mol}$

标准状况下体积：

$V(\text{CO}_2) = 0.4\ \text{mol} \times 22.4\ \text{L/mol} = 8.96\ \text{L}$

答：原 NaOH 溶液的物质的量浓度为 $0.8\ \text{mol/L}$；被吸收的 $\text{CO}_2$ 在标准状况下的体积为 $8.96\ \text{L}$。

知识点：NaOH 与过量 $\text{CO}_2$ 的反应计算及气体体积换算