依據(jù)反應(yīng)實際條件合理添加水后氣體符號

2013-04-29 10:12:21李旭娃

化學(xué)教學(xué) 2013年8期

李旭娃

摘要：針對教材中化學(xué)方程式中生成物有水存在時，其氣體符號標(biāo)注的混亂情況進(jìn)行了分析，總結(jié)了水后氣體符號的使用條件，通過舉例說明提出了教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：化學(xué)方程式；水后氣體符號；使用條件

文章編號：1005–6629（2013）8–0076–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題提出

嚴(yán)格而言，化學(xué)方程式中各物質(zhì)的聚集狀態(tài)都必須標(biāo)注，才能確定反應(yīng)的各項參數(shù)，如實反映反應(yīng)體系的狀態(tài)，在化學(xué)熱力學(xué)中就是這樣嚴(yán)格規(guī)范的。而在現(xiàn)行中學(xué)教材化學(xué)方程式的生成物中，在生成物水的后面氣體符號的標(biāo)注出現(xiàn)了許多不同的標(biāo)有氣體符號的情況。

（1）都是NaHCO3的加熱反應(yīng)，有些教材在生成物水的后面標(biāo)有氣體符號[1]，而有些教材在生成物水的后面卻不標(biāo)氣體符號[2]（NaHCO3等物質(zhì)的分解，在有些高等教材中也存在著水后標(biāo)和不標(biāo)氣體符號的不一致的問題）。類似問題在不同的中學(xué)教材之間還有很多。

（2）根據(jù)資料敘述，NH4HCO3的分解溫度為36～ 60℃[3]，此溫度范圍內(nèi)的水呈液態(tài)，但同樣出現(xiàn)了生成物水標(biāo)有氣體符號[4]和不標(biāo)氣體符號的情況[5]。

水后氣體符號的使用，在各種不同的化學(xué)教材及教參中都沒有進(jìn)行說明，也沒有統(tǒng)一的規(guī)定，使用未見明確的依據(jù)，不使用也沒有充分的理由。不僅不同教材中有使用不同的現(xiàn)象，而且同一套教材中的使用也是時此時彼。

那么，水后氣體符號的使用條件應(yīng)該是什么？教師在教學(xué)中又應(yīng)該怎樣向?qū)W生做出解釋呢？

2 問題探討

在化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)反應(yīng)區(qū)域中反應(yīng)物生成的水是氣態(tài)時，化學(xué)方程式中生成物的水后才能標(biāo)氣體符號。這應(yīng)是水后氣體符號使用的先決條件。

對于敞開體系中固體物質(zhì)參加的有關(guān)反應(yīng)，一般可以用純水的沸點為參考，粗略地以反應(yīng)區(qū)域的溫度是否高于100℃為依據(jù)，來判斷在水后是否使用氣體符號。

對于其他情況下的反應(yīng)，一般可以根據(jù)反應(yīng)區(qū)域中生成的水是否直接形成水蒸氣，來確定是否使用氣體符號。

這就從宏觀上對水后氣體符號的使用，確定了一個大致的范圍。

下面將從對不同類型、不同特點的反應(yīng)中，具體分析水后應(yīng)用氣體符號的條件。

2.1 固體物質(zhì)在空氣中的反應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)常常需要外界供熱。為了討論問題方便，對于固體物質(zhì)的反應(yīng)，把能夠使反應(yīng)在低于100℃時發(fā)生的供熱叫做微熱（例如，用酒精燈輕微的間斷的供熱、太陽的適度照曬、熱水浴等），把能夠使反應(yīng)在高于100℃時發(fā)生的供熱叫做加熱（或高溫）。

化學(xué)反應(yīng)涉及到溫度問題。在此應(yīng)該指出，下面會出現(xiàn)的“反應(yīng)溫度”，是指反應(yīng)能夠發(fā)生的最低溫度（具有不變性），而“反應(yīng)區(qū)域的溫度”則是指反應(yīng)過程中的實際溫度（具有可變性）。在本文中這是兩個不同的概念范疇的問題。根據(jù)反應(yīng)溫度，可將固體物質(zhì)的反應(yīng)分為兩類。

2.1.1 反應(yīng)溫度低于100℃的反應(yīng)

這類反應(yīng)在不供熱、微熱、加熱（或高溫）情況下都有可能發(fā)生。生成的水的狀態(tài)隨溫度范圍的不同而不同。例如，NH4HCO3的分解溫度為36～60℃，當(dāng)微熱使反應(yīng)區(qū)域的溫度在36～100℃時，NH4HCO3分解，但生成的水以液體存在，水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。當(dāng)加熱使反應(yīng)區(qū)域的溫度高于100℃時，NH4HCO3分解生成的水以氣體存在，水后應(yīng)標(biāo)氣體符號。

NH4HCO3 NH3↑+CO2↑+H2O

NH4HCO3 NH3↑+CO2↑+H2O↑

結(jié)晶水合物的失水反應(yīng)，有風(fēng)化和加熱兩種情況。風(fēng)化是在空氣中很緩慢的自然失水的過程，生成的水的溫度低于100℃，由于生成的水相對很少，看不到水蒸氣的現(xiàn)象，雖以氣體揮發(fā)于空氣中，但其是一種特殊情況，水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。而加熱失水時，會使反應(yīng)區(qū)域的溫度高于100℃，水后應(yīng)標(biāo)氣體符號。例如Na2CO3·10H2O的失水

Na2CO3·10H2O Na2CO3+10H2O Na2CO3·10H2O Na2CO3+10H2O↑2.1.2 反應(yīng)溫度高于100℃的反應(yīng)

這類物質(zhì)只有在加熱（或高溫）情況下，才有可能發(fā)生，反應(yīng)區(qū)域的溫度高于100℃，生成的水以氣體存在。例如，NaHCO3的分解溫度高于100℃[6]，當(dāng)加熱使反應(yīng)進(jìn)行到有水生成時，反應(yīng)區(qū)域的溫度至少在100℃以上，水后應(yīng)標(biāo)氣體符號。

2NaHCO3 Na2CO3+ CO2↑+H2O↑

我們在實際教學(xué)中遇到的固體物質(zhì)參加的反應(yīng)，絕大多數(shù)是不知道其反應(yīng)溫度的。同時，在實驗過程中常常是用酒精燈連續(xù)的加熱，不論哪一種反應(yīng)情況，都會使反應(yīng)區(qū)域的溫度高于100℃。所以，用酒精燈加熱的反應(yīng)，不需要知道其反應(yīng)溫度是多少，只要有水生成，水后就應(yīng)標(biāo)氣體符號。這就為實際應(yīng)用帶來了很大的方便。例如

CuSO4·5H2O CuSO4+5H2O↑[7]

MgCl2·6H2O Mg（OH）Cl+HCl↑+5H2O↑[8] 2Fe（OH）3 Fe2O3+3H2O↑[9]

Cu2（OH）2CO3 2CuO+CO2↑+H2O↑[10]

Ca（HCO3）2 CaCO3+CO2↑+H2O↑

又如各種教材中一直存在的一個問題：用酒精燈加熱固體NH4Cl與固體Ca（OH）2的混合物制取氨的反應(yīng)，在水后未標(biāo)氣體符號，這是不合理的。因為觀察這種制取氨的實驗過程就會發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)區(qū)域中生成的水蒸氣，一部分與氨一起排出，一部分在試管口附近凝結(jié)為液體。故在水后應(yīng)標(biāo)氣體符號。

Ca（OH）2+2NH4Cl CaCl2+2NH3↑+2H2O↑

但如果將這兩種固體混合后不加熱而只進(jìn)行攪拌時，雖然也能反應(yīng)生成水，但反應(yīng)區(qū)域的溫度低于100℃，水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。

2.2 燃燒反應(yīng)

燃燒反應(yīng)在其反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的溫度一般高于100℃。如果在反應(yīng)物中無氣體參加，則在生成的水后應(yīng)標(biāo)氣體符號。例如，用作火箭發(fā)射動力燃料的液態(tài)偏二甲肼

（C2H8N2）與液態(tài)N2O4的燃燒反應(yīng)：

C2H8N2（液）+2N2O4（液） 2CO2↑+3N2↑+4H2O↑[11]

2.3 液體混合物中進(jìn)行的反應(yīng)

液體混合物中的反應(yīng)，不論起始是否有固體參加，都主要在液體內(nèi)部進(jìn)行。

2.3.1 濃硫酸參與的反應(yīng)

當(dāng)濃硫酸作為反應(yīng)物或催化劑時，生成的水又被濃硫酸吸收，生成H2SO4·H2O、H2SO4·2H2O、H2SO4·4H2O等。當(dāng)濃硫酸溶于水時放出大量的熱，就是因為生成了這些結(jié)合作用很強、很穩(wěn)定的水合物[12]。說明在反應(yīng)中，當(dāng)溫度不是很高時，這些水合硫酸不會分解，不會有游離的水分子大量出現(xiàn)。所以，雖然溫度高于100℃，但不會有水蒸氣逸出，故在水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。例如

Cu+2H2SO4（濃） CuSO4+SO2↑+2H2O

CH3CH2OH CH2=CH2↑+H2O

C12H22O11 12C+11H2O

2.3.2 水溶液中的反應(yīng)

水溶液中的反應(yīng)，不論溶液的溫度是否高于100℃，生成的水分子都會進(jìn)入到溶液中，成為溶液中的分子。當(dāng)溶液的溫度低于100℃時，液體上部不會有大量的水蒸氣形成，在水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。當(dāng)溶液的溫度高于100℃時，在液體上部會有大量的水蒸氣形成，但這些水蒸氣并非由生成的水分子直接形成，而是由溶液中的水分子獲得足夠能量后脫離液體表面，進(jìn)入空氣中而形成的，是物理現(xiàn)象，與反應(yīng)幾乎無關(guān)。在水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。所以，水溶液中的反應(yīng)，不論溶液的溫度高低，在化學(xué)方程式中的生成物水后，都不應(yīng)標(biāo)氣體符號。例如暫時硬水的軟化：

Ca（HCO3）2 CaCO3↓+CO2↑+H2O

Mg（HCO3）2 MgCO3↓+CO2↑+H2O

2.3.3 懸濁液中的反應(yīng)

由固體與水形成的懸濁液（或固液混合物），固體所處的介質(zhì)是水。對于這種懸濁液，產(chǎn)生水蒸氣的情況與溶液中的反應(yīng)類似。所以，不論溫度高低，水后也不應(yīng)標(biāo)氣體符號。例如，水中的Cu（OH）2在80℃時分解生成CuO和H2O[13]。若將混合物煮沸時，水后也不應(yīng)標(biāo)氣體符號。

Cu（OH）2（懸濁液） CuO+H2O

又如用二氧化錳與濃鹽酸制取氯氣的反應(yīng)，雖然進(jìn)行了加熱，但水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。

MnO2+4HCl（濃） MnCl2+Cl2↑+2H2O

3 問題總結(jié)

對于化學(xué)教材中的任何一個問題的對待和處理，都關(guān)系到化學(xué)科學(xué)的嚴(yán)肅性、嚴(yán)密性，都影響著學(xué)生對化學(xué)的情感態(tài)度的培養(yǎng)和形成，也關(guān)系到教學(xué)過程能否順利進(jìn)行。水后氣體符號的使用在教材中如此的混亂現(xiàn)狀，顯然是不利于達(dá)到教育教學(xué)目的的。所以，對于水后氣體符號的使用，應(yīng)有一個合理的統(tǒng)一的規(guī)定。

綜合以上具體情況實例，對于有水生成的反應(yīng)來說，水的狀態(tài)、其所處的介質(zhì)，反應(yīng)溫度、外界供熱、反應(yīng)的熱效應(yīng)等種種因素都會對氣體符號的使用與否產(chǎn)生影響，這就決定了水后氣體符號使用的復(fù)雜性。為了便于教學(xué)工作的順利開展，對于水后氣體符號的使用范圍及理由可總結(jié)如下：

（1）固體物質(zhì)在加熱（或高溫）等條件下的反應(yīng)、無氣體參加的燃燒反應(yīng)，其反應(yīng)區(qū)域的溫度一般高于100℃，在生成物水后一般應(yīng)標(biāo)氣體符號；

（2）固體物質(zhì)在微熱（或不供熱）條件下的反應(yīng)、液體中的反應(yīng)等，在反應(yīng)區(qū)域中生成的水一般不能形成（或不能直接形成）大量的水蒸氣，水后不應(yīng)標(biāo)氣體符號。

簡言之，在化學(xué)方程式中標(biāo)注產(chǎn)物水的氣體符號必須同時具備水以氣態(tài)存在和反應(yīng)區(qū)域的溫度在100℃以上這兩個條件。這樣，對于水后氣體符號使用的教學(xué)，不僅便于記憶，而且有了一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有助于問題的解決。

此外，在教材中應(yīng)明確統(tǒng)一上述問題的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)教學(xué)工作的順利進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、實事求是的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（選修）[M].北京：人民教育出版社，2007：16.

[2]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：56.

[3]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·教師教學(xué)用書（化學(xué)1·必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：90.

[4]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（選修）[M].北京：人民教育出版社，2007：98.

[5]初級中學(xué)課本·化學(xué)（全一冊）[M].北京：人民教育出版社，1982：202.

[6]高級中學(xué)化學(xué)（必修）·教學(xué)參考書第一冊[M].北京：人民教育出版社，1995：184.

[7]初級中學(xué)課本·化學(xué)（全一冊）[M].北京：人民教育出版社，1982：152.

[8]北京師范大學(xué)等編.無機化學(xué)（下冊）[M].北京：人民教育出版社，1981：739.

[9]全日制普通高級中學(xué)教科書（必修加選修）·化學(xué)（第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：89.

[10]義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)（下冊）[M].廣州：廣東教育出版社，2007：191.