從不同角度認(rèn)識(shí)元素化合物

■浙江省杭州市基礎(chǔ)教育研究室 陳進(jìn)前(特級(jí)教師)

高一階段,大多數(shù)同學(xué)能夠憑借記憶等手段通過(guò)元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí),解決一些側(cè)重考查知識(shí)識(shí)記的試題。但到了高三階段,隨著內(nèi)容的綜合性增強(qiáng),就會(huì)有較多同學(xué)感到元素化合物內(nèi)容繁多雜亂,找不到提煉的主線,出題點(diǎn)變幻莫測(cè),找不到分析的角度和思路,尤其是碰到陌生物質(zhì)和真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)更是無(wú)從入手。復(fù)習(xí)階段必須重視從多個(gè)不同角度梳理元素化合物知識(shí),才能提升認(rèn)識(shí)和解決元素化合物相關(guān)問(wèn)題的水平。

一、從物質(zhì)分類角度提高認(rèn)識(shí)

物質(zhì)分類是研究和梳理元素化合物的一種有效方法,同一類物質(zhì)必定會(huì)有相似的性質(zhì),酸的酸性、堿的通性、金屬的通性、兩性氧化物的通性等都是在物質(zhì)分類的基礎(chǔ)上得出來(lái)的。從物質(zhì)分類角度梳理元素化合物知識(shí),基于“類別通性”進(jìn)行類比推理,可以提高預(yù)測(cè)“新物質(zhì)”性質(zhì)的能力。

高三復(fù)習(xí)階段,要用物質(zhì)分類方法將已學(xué)過(guò)的元素化合物聯(lián)系起來(lái),還要將試題中遇到的“新物質(zhì)”跟已學(xué)過(guò)的物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)。如CO2、SiO2、SO2、SO3等都是酸性氧化物,都有酸性氧化物的通性,還可以推斷Cl2O(HClO的酸酐)、Cl2O5(HClO3的酸酐)、N2O3(HNO2的酸酐)、N2O5(HNO3的酸酐)、P4O10(H3PO4和HPO3的酸酐)等也具有酸性氧化物的通性,也能發(fā)生酸性氧化物的特征反應(yīng)。再如Al2O3、Al(OH)3分別是典型的兩性氧化物、兩性氫氧化物,在強(qiáng)堿性條件下“Al2O3、Al(OH)3→AlO-2”,根據(jù)這一信息,若在新試題中遇到“CrO-2、FeO-2(與AlO-2類似)”或“氫氧化銅能溶于強(qiáng)堿性溶液中”等信息,可推斷Cr(OH)3、Fe(OH)3、Cu(OH)2等化合物在一定條件下也能表現(xiàn)“兩性氫氧化物”的某些特征性質(zhì)。

高三復(fù)習(xí)階段,要重視從不同角度認(rèn)識(shí)某物質(zhì)的類別屬性,從中預(yù)測(cè)該物質(zhì)的性質(zhì)。如MgSO3是鎂鹽、亞硫酸鹽,還是中間價(jià)態(tài)(其中硫元素顯+4價(jià))的化合物,這樣就可以從三種角度來(lái)預(yù)測(cè)它的性質(zhì)(鎂鹽的性質(zhì)、亞硫酸鹽的性質(zhì)、中間價(jià)態(tài)化合物性質(zhì)等)。再如FeC2O4是亞鐵鹽、草酸鹽,還是中間價(jià)態(tài)化合物(鐵顯+2價(jià)、碳顯+3價(jià)),也就可以判斷它具有亞鐵鹽的性質(zhì)特征,也具有草酸鹽的性質(zhì)特征,還具有中間價(jià)態(tài)化合物性質(zhì)(既能被氧化劑氧化,也能被還原劑還原)等,有了這個(gè)基礎(chǔ)就有了預(yù)測(cè)FeC2O4性質(zhì)的思路了。

例1寫(xiě)出下列化學(xué)方程式。

(1)Ba(AlO2)2、Mg2Al3分別溶于稀硫酸:___。

(2)高溫下AlN、Si3N4分別跟熔融的氫氧化鈉共熔:____。

簡(jiǎn)析：Ba(AlO2)2、Mg2Al3、AlN、Si3N4都是陌生物質(zhì),如何判斷反應(yīng)產(chǎn)物呢?分析這些化合物組成,聯(lián)系已學(xué)物質(zhì)的性質(zhì),就可以突破這一難點(diǎn)。Ba(AlO2)2是由Ba2+、構(gòu)成的,跟稀硫酸混合時(shí)會(huì)生成硫酸鋇和硫酸鋁。Mg2Al3可看作是Al、Mg構(gòu)成的,Al、Mg都能跟稀硫酸中H+發(fā)生反應(yīng)生成H2。相關(guān)反應(yīng)式為Ba(AlO2)2+4H2SO4══BaSO4↓+Al2(SO4)3+4H2O,2Mg2Al3+13H2SO4══4MgSO4+3Al2(SO4)3+13H2↑。

AlN可看作是Al3+、N3-結(jié)合而成的,Al3+跟NaOH反應(yīng)可生成N3-遇H2O可生成NH3,將兩項(xiàng)組合起來(lái)就可得到化學(xué)方程式

Si3N4中硅元素顯+4,氮元素顯-3價(jià),分別跟NaOH反應(yīng)可生成和NH3,將兩項(xiàng)組合起來(lái)就可得到化學(xué)方程

二、從氧化還原反應(yīng)角度提高認(rèn)識(shí)

運(yùn)用氧化還原反應(yīng)原理,基于“元素化合價(jià)”預(yù)測(cè)元素化合物的性質(zhì),是中學(xué)階段最重要的一種認(rèn)識(shí)角度。跟元素化合物相關(guān)的高考試題中,都會(huì)涉及較復(fù)雜的氧化還原反應(yīng),基于“元素化合價(jià)”角度梳理元素化合物是提升解決這類問(wèn)題能力的最好途徑。

高三復(fù)習(xí)階段,應(yīng)將各種重要元素的化合物梳理成“化合價(jià)—物質(zhì)分類”二維圖,可以提高系統(tǒng)性。如,將已學(xué)過(guò)的氯及其化合物梳理成圖1所示關(guān)系。

圖1

抓住物質(zhì)中“中心元素的化合價(jià)”,研究物質(zhì)氧化性或還原性是一種重要思路,高三復(fù)習(xí)階段可根據(jù)如下流程進(jìn)行梳理。

高中階段常見(jiàn)的中間價(jià)態(tài)物質(zhì)有SO2(中心元素硫元素顯+4價(jià))、H2O2(中心元素氧元素顯-1價(jià))、FeCl2(中心元素鐵元素顯+2價(jià))、MnO2(中心元素錳元素顯+4價(jià))、ClO2(中心元素氯元素顯+4價(jià))、NO和NO2(中心元素氮元素顯+2價(jià)和+4價(jià))等,它們都是既有還原性,又有氧化性,若在實(shí)際問(wèn)題中遇到這些物質(zhì)參加反應(yīng),要特別注意通過(guò)題給條件來(lái)判斷其表現(xiàn)氧化性還是還原性。

例2某同學(xué)設(shè)計(jì)完成了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

①向盛有KI溶液的試管中加入少許CCl4后滴加氯水,CCl4層變成紫色。繼續(xù)向試管中滴加氯水,振蕩,CCl4層會(huì)逐漸變淺,最后變成無(wú)色(生成了HIO3)。

②向盛有KBr溶液的試管中加入少許CCl4后滴加氯水,CCl4層變成紅棕色。繼續(xù)向試管中滴加氯水,振蕩,CCl4層的顏色沒(méi)有變化。

下列說(shuō)法不正確的是( )。

A.實(shí)驗(yàn)①生成HIO3時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為I2+5Cl2+6H2O══2HIO3+10HCl

B.實(shí)驗(yàn)②中當(dāng)CCl4層變成紅棕色時(shí),可通過(guò)分液的方法獲得Br2的CCl4溶液

C.從上述實(shí)驗(yàn)可得出該條件下Cl2、Br2、I2的氧化性由強(qiáng)到弱的順序是Cl2＞Br2＞I2

D.從上述實(shí)驗(yàn)得出對(duì)應(yīng)條件下Cl2、HIO3、HBrO3氧化性由強(qiáng)到弱順序是HBrO3＞Cl2＞HIO3

簡(jiǎn)析：以氧化還原反應(yīng)為落點(diǎn)測(cè)試科學(xué)探究素養(yǎng)。雖然“氧化性Cl2＞Br2＞I2”是大家熟知的事實(shí),但在題給實(shí)驗(yàn)方案中還缺少比較I2、Br2氧化性強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)步驟,無(wú)法得出這一結(jié)論。從證據(jù)推理層面看,所給證據(jù)還不能形成完整的邏輯推理鏈條,即證據(jù)不充分。若考生拘泥于已掌握的知識(shí),就會(huì)露出“科學(xué)探究”“證據(jù)推理”等方面的素養(yǎng)不高的漏洞,以致誤入歧路得出錯(cuò)誤答案。本題答案為C。

例3分析下列實(shí)驗(yàn)流程,回答問(wèn)題。

(1)某課題組用含SiO2、CeO2(二氧化鈰)的粉末為原料回收鈰,設(shè)計(jì)流程如下。

寫(xiě)出上述流程中H2O2、O2參加反應(yīng)的離子方程式:____。

(2)亞硫酸鹽是一種常見(jiàn)食品添加劑,為檢驗(yàn)?zāi)呈称分衼喠蛩猁}含量,某研究小組設(shè)計(jì)了如下流程:

寫(xiě)出第①步反應(yīng)的離子方程式:____。能否改用稀鹽酸代替稀硫酸:___。

簡(jiǎn)析：遇到像H2O2等既有氧化性又有還原性的物質(zhì),就要特別重視研究題中給出的其他條件以判斷其表現(xiàn)了哪種性質(zhì)。(1)中有“CeO2→Ce3+”信息,由此可判斷其中H2O2表現(xiàn)還原性,(2)中有“A(SO2)→H2SO4”信息,可判斷其中H2O2表現(xiàn)氧化性。

答案：(1)2CeO2+H2O2+6H+══2Ce3++O2↑+4H2O,4Ce(OH)3+O2+2H2O══4Ce(OH)4

(2)SO2+H2O2══SO2-4+2H+不能用稀鹽酸代替稀硫酸,因?yàn)橄←}酸易揮發(fā)出HCl,對(duì)后續(xù)操作有干擾

例4寫(xiě)出下列反應(yīng)的化學(xué)方程式。

(1)由石英砂可制取粗硅,SiO是反應(yīng)過(guò)程中的中間產(chǎn)物,寫(xiě)出隔絕空氣時(shí)SiO與NaOH溶液反應(yīng)(產(chǎn)物中硅顯最高價(jià))的化學(xué)方程式:____。

(2)地下水中黃鐵礦(FeS2)可被氧化,同時(shí)有生成(地下水保持的pH＞5),FeS2被O2氧化的離子方程式為_(kāi)___。

簡(jiǎn)析：(1)大家對(duì)SiO很陌生,若從硅元素化合價(jià)分析就可找到思路。大家知道硅單質(zhì)可跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成Na2SiO3、H2(硅元素從0價(jià)→+4價(jià)),進(jìn)而可判斷SiO(硅元素顯+2價(jià))也能跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成硅酸鈉,同時(shí)也會(huì)還原出H2。所以反應(yīng)式為SiO+2NaOH══Na2SiO3+H2↑。

(2)FeS2中鐵、硫元素分別顯+2和-1價(jià),氧氣可以將-1價(jià)硫氧化為價(jià)鐵會(huì)同時(shí)被氧化成+3價(jià)鐵,pH＞5時(shí)以Fe(OH)3形式存在。所以離子方程式為

三、從價(jià)鍵結(jié)構(gòu)、元素周期律角度提高認(rèn)識(shí)

元素周期律和化學(xué)鍵等是比較、解釋、預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的重要依據(jù)。在高三復(fù)習(xí)階段,要將元素化合物知識(shí)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)綜合起來(lái),提升用元素周期律、化學(xué)鍵理論預(yù)測(cè)和解釋物質(zhì)性質(zhì)的能力。例如,高三復(fù)習(xí)階段中不僅要熟悉Cl2、Br2、I2的性質(zhì),還要深入理解“為什么Cl2的化學(xué)性質(zhì)比Br2、I2的化學(xué)性質(zhì)活潑”,還要學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)“At2的化學(xué)性質(zhì)”。同樣,在復(fù)習(xí)碳、硅、硫、氮等元素及化合物性質(zhì)時(shí),要多用元素周期律解釋和理解這些元素跟其他元素之間性質(zhì)變化規(guī)律,復(fù)習(xí)鈉、鎂、鋁、鐵等金屬元素及其化合物時(shí),也要將鉀、鈣、鋇、鋅、銅、錳等聯(lián)系起來(lái)。將“原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)”聯(lián)系起來(lái)解釋不同元素化合物的性質(zhì)規(guī)律,從“價(jià)鍵結(jié)構(gòu)”“氧化還原反應(yīng)”等不同角度綜合起來(lái)比較不同元素化合物的性質(zhì)。

例5羥胺(NH2OH)可看成是氨分子內(nèi)的1個(gè)氫原子被羥基取代的物質(zhì),常用作還原劑,其水溶液顯弱堿性。

(1)羥胺的電子式為_(kāi)___。NH2OH的水溶液呈弱堿性的原理與NH3相似,寫(xiě)出NH2OH的水溶液中的電離方程式:___。

(2)羥胺(NH2OH)具有強(qiáng)還原性,實(shí)驗(yàn)室可用羥胺來(lái)除去標(biāo)準(zhǔn)亞鐵鹽溶液中的Fe3+,相關(guān)的離子方程式為_(kāi)___,請(qǐng)從你所書(shū)寫(xiě)的離子反應(yīng)產(chǎn)物角度分析用羥胺作上述除雜試劑的優(yōu)點(diǎn):___,___。

(3)用惰性電極電解硝酸溶液可制備羥胺,其陰極上的電極反應(yīng)式為_(kāi)___。

簡(jiǎn)析：從結(jié)構(gòu)上看,氨基、羥基結(jié)合形成羥胺,其電子式為NH3顯堿性是NH3跟水生成了NH3·H2O,NH3·H2O再電離生成銨離子和氫氧根離子。從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)遷移到羥胺可得其電離方程式(要特別注意,不要誤寫(xiě)為

從“羥胺有強(qiáng)還原性”“Fe3+有較強(qiáng)氧化性”等可判斷羥胺跟Fe3+可發(fā)生氧化還原反應(yīng)。由“羥胺中氮元素顯-1價(jià),N2分子很穩(wěn)定”判斷氧化產(chǎn)物是N2。離子方程式為2NH2OH+2Fe3+══2Fe2++N2↑+2H2O+2H+。

注意“除去標(biāo)準(zhǔn)亞鐵鹽溶液中的Fe3+”這一條件。由此可得出以下兩點(diǎn):第一,除去Fe3+的同時(shí)可保持標(biāo)準(zhǔn)溶液中c(Fe2+)不變[若加鐵粉除去Fe3+會(huì)改變標(biāo)準(zhǔn)溶液中c(Fe2+)的濃度];第二,生成物是N2、H2O,不會(huì)帶入新雜質(zhì)。

抓住“用惰性電極電解硝酸溶液可制備NH2OH”這一關(guān)鍵信息,可得出陰極上是被還原為NH2OH,電極反應(yīng)式為

四、從反應(yīng)原理角度提高認(rèn)識(shí)

反應(yīng)熱、電化學(xué)、反應(yīng)速率、反應(yīng)方向、化學(xué)平衡等都是研究化學(xué)反應(yīng)的理論工具,從反應(yīng)原理角度梳理元素化合物知識(shí)可以加深理解元素化合物知識(shí)。從反應(yīng)原理角度梳理元素化合物知識(shí),關(guān)鍵是要達(dá)到以下三個(gè)目標(biāo):第一,是“由孤立走向聯(lián)系”(將原先分散的孤立的知識(shí)聯(lián)結(jié)起來(lái),形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò));第二,是“由靜止走向動(dòng)態(tài)”(用動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)物質(zhì)之間的反應(yīng));第三,是“由定性走向定量”(對(duì)重要反應(yīng)有定量認(rèn)識(shí))。總之,要從原先的靠經(jīng)驗(yàn)、憑記憶學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)發(fā)展到更本質(zhì)的理性化認(rèn)識(shí)。

例如,將制取粗硅的反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)方向聯(lián)系,就能理解下列反應(yīng)①比反應(yīng)②更容易自發(fā)進(jìn)行,所以高溫下二氧化硅、焦炭反應(yīng)的化學(xué)方程式中產(chǎn)物不能寫(xiě)成二氧化碳。

例6飲用水中含有砷會(huì)導(dǎo)致砷中毒,水體中溶解的砷主要以As(Ⅲ)亞砷酸鹽和As(Ⅴ)砷酸鹽形式存在。

(1)去除水體中的砷,可先將As(Ⅲ)轉(zhuǎn)化為As(Ⅴ),選用NaClO可實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)化。研究NaClO投加量對(duì)As(Ⅲ)氧化率的影響得到如圖2所示結(jié)果。

圖2

已知:投料前水樣pH=5.81,0.1mol·L-1NaClO溶液pH=10.5,溶液中起氧化作用的物質(zhì)是次氯酸。產(chǎn)生此結(jié)果的原因是____。

(2)強(qiáng)陰離子交換柱可以吸附以陰離子形態(tài)存在的As(Ⅴ)達(dá)到去除As的目的。

已知:一定條件下,As(Ⅴ)的存在形式如表1所示。

表1

pH=6時(shí),NaClO氧化亞砷酸(H3AsO3)的離子方程式是____。

簡(jiǎn)析：(1)要從圖像中發(fā)現(xiàn)“加入氧化劑越多,As(Ⅲ)的氧化率越低”這一個(gè)跟常理不太吻合的事實(shí),再要挑戰(zhàn)“常規(guī)”,找出理論依據(jù)來(lái)解釋這一事實(shí)。起氧化作用的物質(zhì)是次氯酸,NaClO溶液為堿性,當(dāng)加入量大時(shí),溶液堿性增強(qiáng),NaClO溶液濃度增大,水解程度降低,次氯酸不易生成,所以As(Ⅲ)氧化率降低。

第(2)問(wèn)要求寫(xiě)出離子方程式,但由于書(shū)寫(xiě)離子方程式所要用到的關(guān)鍵信息隱蔽性強(qiáng),不容易被發(fā)現(xiàn),易落入問(wèn)題陷阱之中。第一,雖題中指出是“NaClO氧化亞砷酸(H3AsO3)”但pH=6時(shí),不能寫(xiě)成ClO-,應(yīng)該寫(xiě)成HClO;第二,根據(jù)題給表中信息pH=6時(shí)生成的+5價(jià)砷元素應(yīng)該以形式存在;第三,H3AsO3是更弱的酸,pH=6時(shí)主要以H3AsO3分子存在,離子方程式為

例7用FeCl3酸性溶液脫除H2S后的廢液,通過(guò)控制電壓電解得以再生。某同學(xué)使用石墨電極,在不同電壓(x)下電解pH=1的0.1mol·L-1FeCl2溶液,研究廢液再生機(jī)理,記錄如表2所示(a、b、c代表電壓值)。

表2

(1)用KSCN溶液檢驗(yàn)出Fe3+的現(xiàn)象是____。

(2)Ⅰ中,Fe3+產(chǎn)生的原因可能是Cl-在陽(yáng)極放電,生成的Cl2將Fe2+氧化。寫(xiě)出有關(guān)反應(yīng)的方程式:___。

(3)由Ⅱ推測(cè),Fe3+產(chǎn)生的原因還可能是Fe2+在陽(yáng)極放電,原因是Fe2+具有____性。

(4)Ⅱ中雖未檢測(cè)出Cl2,但對(duì)Cl-在陽(yáng)極是否放電仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。電解pH=1的NaCl溶液做對(duì)照實(shí)驗(yàn),記錄如表3所示。

表3

①NaCl溶液的濃度是____mol·L-1。

②Ⅳ中檢測(cè)Cl2的實(shí)驗(yàn)方法:____。

③與Ⅱ?qū)Ρ?得出結(jié)論(寫(xiě)出兩點(diǎn)):___。

答案：(1)溶液變?yōu)檠t色 (2)2Cl--2e-══Cl22Fe2++Cl2══2Fe3++2Cl-

(3)還原 (4)①0.2 ②取少量陽(yáng)極附近的溶液,滴在淀粉-KI試紙上,試紙變藍(lán) ③通過(guò)控制電壓,證實(shí)了產(chǎn)生Fe3+的兩種原因都成立;通過(guò)控制電壓,驗(yàn)證了Fe2+先于Cl-放電

簡(jiǎn)析：通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證時(shí),關(guān)鍵是控制實(shí)驗(yàn)條件,本實(shí)驗(yàn)中必須控制氯化鈉溶液中氯離子的濃度跟前實(shí)驗(yàn)中氯化亞鐵中氯離子濃度相等。

第(2)(3)問(wèn),都是考查運(yùn)用化學(xué)知識(shí)得出合理假設(shè)的能力,要求分析提出假設(shè)的理由,找到該假設(shè)化學(xué)知識(shí)依據(jù)。

第(4)問(wèn)的第②小題,考查探究變量、設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的能力。實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ是對(duì)比實(shí)驗(yàn),所以其中c(Cl-)濃度必須相等。

第(4)問(wèn)的第③小題,是考查分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論的能力。對(duì)比實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅴ所獲得的現(xiàn)象,可得出Fe2+先于Cl-放電;對(duì)比實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅳ所獲得的現(xiàn)象,將電壓控制在一定范圍內(nèi),Fe2+、Cl-可能同時(shí)放電,也可能是Cl-放電生成Cl2,Cl2再將Fe2+氧化。

面對(duì)真實(shí)情境中實(shí)際問(wèn)題時(shí),要有創(chuàng)新意識(shí),勇于對(duì)實(shí)驗(yàn)中的“異常現(xiàn)象”和已有結(jié)論提出質(zhì)疑,能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為證據(jù)進(jìn)行推理判斷得出新的結(jié)論。

元素化合物是學(xué)習(xí)研究中學(xué)化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)和骨架,是中學(xué)化學(xué)各部分內(nèi)容的知識(shí)生長(zhǎng)點(diǎn),復(fù)習(xí)階段要自覺(jué)從不同角度梳理元素化合物知識(shí),形成用多種角度預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的能力。