有机金属化合物（共9篇）
有机金属化合物 篇1
前言
运用分子设计和晶体工程中的有关原理和方法,对金属有机骨架化合物材料实现分子剪裁和分子组装,使之具有新颖结构和优良性能,已成为配位化学和无机化学领域的研究热点之一。穿插金属有机骨架化合物由于其自身结构的特殊性使金属有机骨架化合物材料具备了更独特的性质,引起了人们的广泛关注。穿插现象在宏观世界中普遍存在,但是在微光世界中并不常见。穿插网金属有机骨架化合物的设计思想来源于艺术与建筑的巧妙结合[1],正如Joel S.Miller在其发表的论文中这样描述到:“在无法追查的过去时代里,艺术和建筑的融合已经引起了人们广泛的研究兴趣,这个好奇心被应用到了分子的拓扑结构和功能材料上,它们通过对称和紧密堆积型的分子有目的地合成。”
近年来,已有不少的资料报道了穿插网金属有机骨架化合物,它们从基于刚性配体与过渡金属构筑的化合物发展到柔性配体(柔性脂肪羧酸和芳香环柔性羧酸类配体)和“刚柔并济”的有机配体与过渡金属构筑的化合物[2,3,4,5],同时也初步探索了其合成规律和结构与性能之间的构效关系,促进了金属有机骨架化合物材料的迅速发展。
1 穿插网金属有机骨架化合物的特点
随着穿插网金属有机骨架化合物结构的陆续报道,不仅丰富了金属有机骨架网的结构类型,也为人们对金属有机骨架化合物的认识提供了借鉴和帮助。许多有趣的网络单元以不同的方式交织在一起,形成结构更为复杂的网络图,穿插体系比起单一的网络图其结构更具有复杂性,具有周期性的网络骨架至少在一维方向上相互锁套或相互交织,很大体系则可以被认为是有限分子网的规则重复排列。值得注意的是穿插网并非是分子网简单的重叠,而是必须通过打破开网连接环才能将其分开的才属于穿插网,反之为非穿插结构。例如图1中的分子只是简单的落在一起,并不需要打破开网连接环就能将其分开,所以此结构并未构成穿插结构。
然而要描述一个穿插结构,就要对每个拓扑网进行分析,然后再分析整个拓扑网[6,7]。首先,分析每个拓扑网的维数(1D,2D或3D);如果该拓扑网是一维或者二维,它们可能有两种相互穿插方式,即,平行穿插和倾斜穿插(塌陷穿插)。网之间相互穿插可以形成更高维数的穿插结构,比如1D拓扑网通过穿插可以形成1D,2D或3D拓扑网,2D拓扑网通过倾斜穿插可以形成3D网(如果相互穿插的网络平均平面有高度的错位,可通过平行穿插形成3D骨架网)。常见的拓扑网穿插类型[8]有:0D→0D,1D→1D,1D→2D,1D→3D,2D→2D,2D→3D,3D→3D,1D+2D→3D等。其次,要用一个图示符号来完成穿插网的描述;如对以上1D或2D穿插网为例可描述为mD(/nD)→pD(m,n≤p)。如果相互穿插网络维数不同,则mD被mD/nD取代;如果相互穿插的维数相同但拓扑不同,则mD被mD/mD取代。如图2是低维网络通过穿插后形成的高维网络示意图。
此外,还需用拓扑符号来标记所形成的穿插网。拓扑方法使得晶体结构变得简化,而合理的选取点是拓扑学表达结构的关键,常见的选取点有三种:以金属离子作为点;以配体作为点;以金属离子和配位原子为点。所选取的节点不同,得到的拓扑图也就不同。得到拓扑图后,要用拓扑标记来表达结构。拓扑的符号标记常见的有简单标记、Schlafli标记以及顶点标记[9],这三种标记中最常使用的为Schlafli标记,即AaBbCc,A/B/C表示各类回路的大小,a/b/c表示各类回路的数目,但是对于某些不同结构具有相同的Schlafli标记,如103可以表示为103-a,103-b,103-c等,这里的回路是指只从角的顶点沿其中一边起始,途中经过若干个点,最后回到原点处,在这个过程所形成的最短路径。其大小由回路的点的数目来决定,如2D结构:三元、四元、六元环等;3D结构:三元、四元、六元、八元、十元和十二元环等。但是若通过连接对的最小回路含有捷径,该回路就不叫环,而且所有最小的环是最小的回路,但最小的回路不一定是最小的环。如图3是一个2D的TiS2拓扑网,Schlafli标记为(43)2(46·66·83)。
2 穿插网金属有机骨架化合物的设计合成
刚性配体由于其在配位过程中,配位构型和配位点的间距不易发生明显的变化,减少了与金属组装过程中的不确定因素,易于对整个骨架网络预测和调控,因此是合成金属有机骨架化合物的良好载体。近年来通过研究发现,柔性配体的配点的间距、夹角和配位基团的形状在反应过程中会随着反应体系和金属中心的改变而变化,这个特点更加激起了配位化学家的研究兴趣,并受到化学家们的青睐。如西北大学的王尧宇课题组最近报道的一个V型柔性羧酸配体4,4'-氧化二苯甲酸(H2oba)与柔性含氮辅助配体1,3-二(4-吡啶基)丙烷(bpp)和铜离子自组装形成了一个2D→2D的二重平行穿插拓扑网(如图4所示)。在这个反应体系中,柔性芳香羧酸配体4,4'-氧化二苯甲酸(H2oba)具有如下特点:ⅰ)构型都可以改变,其中的两个苯环不处于同一平面,存在一定的角度,因此与金属离子配位易于形成螺旋链,而且配体的尺寸比较长,便于形成穿插结构。ⅱ)自身的苯环具有刚性与金属离子连接易于形成高维且有空洞的结构;ⅲ)苯环中共轭体系的存在便于电子之间的传递,使得化合物具有特殊的性能;ⅳ)羧基的配位模式丰富,可以以单齿、螯合、桥连等模式配位;ⅴ)羧酸容易全部脱质子或部分脱质子,可以作为氢键的给体或受体以稳定化合物结构;ⅵ)辅助配体柔性和尺寸也有利于形成穿插结构。
3 合成穿插结构的影响因素
合成影响因素一直是我们研究和探索的重点和难点。选择合适的有机配体对合成穿插结构的配合物具有重要的作用,如有机配体的配位模式、构型、柔韧程度和尺寸、形状等都可以影响到最终网络结构类型;另外还有金属离子(配位几何类型、半径)、辅助配体(柔韧性、尺寸、形状)、抗衡离子、PH值、溶剂、反应摩尔比、反应温度与时间等。其中最明显的是辅助配体的变化导致结构的迥异。如图5是4,4'-氧化二苯甲酸(H2oba)与尺寸较小的刚性辅助配体1,2-二(4-吡啶基)乙烷(bpe)形成2D→3D的三重穿插结构,比较图4和图5可以看出,辅助配体的不同造成最终结构也不同。可见,柔性配体与辅助配体的结合也是构筑穿插金属有机骨架化合物材料的良好途径。
(上)及其拓扑网图(下)
4 应用前景
具有穿插结构的化合物晶体已经报道过不少,除了它们在结构上的新颖外,通过格子间穿插堆积成的晶体材料在性能上更具有独特性,主要表现如下几个方面:ⅰ)化合物密度的增加;ⅱ)化合物磁耦合增强;ⅲ)导电性增强;ⅳ)多孔性增大和吸附能力增强;ⅴ)非线性光学性增强;ⅵ)热稳定性增强和具有骨架柔性动态可塑性[1,10,11]等。因此,这些特点使得穿插结构的化合物晶体在光、电、磁、吸附、分离、催化等领域有潜在的应用并能够带来更大的商业价值。
参考文献
[1]J.S.Miller,Interpenetrating Lattices—Materials of the Future,Adv.Mater.,200113,525-527.
[2]A.Sudik,A.Cote and A.Wong-Foy,A Metal-Organic Framework with a Hierarch-ical System of Pores and Tetrahedral Building Blocks,Angew.Chem.Int.Edit.,2006,V118,2615-2618.
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[11]R.Kitaura,K.Seki,and S.Kitagawa,Porous Coordination-Polymers Crystals with Gated Channels Specific for Supercritical Gases,Angew.Chem.Int.Edit.,2003,V42,428-431.
有机金属化合物 篇2
课题：
铁的重要化合物(人教版高中化学第一册，第三章第二节《几种重要的金属化合物》中的第三部分)
随着计算机技术的发展，信息技术越来越广泛应用于社会生活各个领域，同样，在教学工作中，可以利用计算机，使学生更多、更深入地了解所学的内容，例如：有些实物在实验室找不到，有些实物不能搬入教室，有些反应现象不是很明显，讲述的内容又不是很直观，可以通过多媒体进行演示，使之更加通俗易懂。
教科书：
人教版化学1第三章第二节第三课时。本课时的内容排在化学实验的基本方法、物质的分类、离子反应和氧化还原反应以及金属的化学性质之后，不仅使教学方法的运用就更加灵活而丰富，而且可以把前面的：化学实验的基本方法、物质的分类、氧化还原反应和离子方程式的知识在此更好地应用，并得到不断的复习巩固。本课时所涉及的内容：铁的三种氧化物、铁的氢氧化物、铁盐和亚铁盐，与我们的日常生活紧密相连，从而更易激发学生的学习兴趣兴趣和自主动手进行科学实验进行探究的意愿。
学生：
学生已经学过了化学实验的基本方法、物质的分类、离子反应和氧化还原反应、金属的化学性质以及钠和铝的重要化合物。特别是在学过了钠和铝的重要化合物之后，他们大都掌握了元素的重要化合物的学习方法，所以本课时的教学内容看上去多而难，其实对大多数学生来说已是轻车熟路。
教学目标的确定：
我们每一位老师在备课时一定以所教学生利益最大化为准则，以关注每一位学生成长、促进每一位学生发展为己任。
教学目标：
1、通过学生的实验探究，掌握Fe2+的还原性和Fe3+的氧化性以及Fe3+的检验方法，进一步掌握相关的实验技能;
2、通过学生的实验探究和讨论，掌握Fe2+与Fe3+的相互转化关系;
3、进一步巩固离子反应方程式的书写和对氧化还原反应理论的理解;
4、通过学习进一步了解知识系统化与分类的方法，充分认识探究重要物质性质的方法与思路，提高学生的学习效率。
5、通过学习学生进一步明硧：化学不仅是知识的，更是生活的，从而提高了学生学习化学的兴趣。
说教学重点：
本课时的教学重点就是Fe2+的还原性和Fe3+的氧化性以及Fe3+的检验方法。
说教学难点：
本课时的教学难点就是Fe2+与Fe3+的相互转化关系;制备氢氧化亚铁的操作技能。
说教法和学法：教法：关于铁的重要化合物的教学，我采用学生分组实验探究法，从实验现象中分析结论。然后进行结论总结，培养学生科学的学习态度及方法。
学法：学生在本节课中主要用实验,观察,对比,归纳等方法,在亲自实践中,通过有目的的.观察和教师的启发诱导,运用贮存在自己头脑里的知识,来认识对它们来说是未知的知识,解决新问题,产生新见解.这样不但使学生掌握知识和技能,而且达到发展学生智能的目的,同时让学生逐步掌握研究化学的科学方法,培养学生实事求是的科学态度和学风。
说教学过程：
第一部分：
新课引入。创设情景，引导学生以极高的兴趣进入课堂，采用图片引入法。
第二部分：
新课进行。对引入的图片中所涉及的物质进行分类，从而进入本课时的新课教学过程。
1、铁的三种氧化物：列表比较铁的三种氧化物。包括它们的俗名、组成、化合价、物理、化学性质及用途。
接着指导学生做第一个探究实验 ，进行实验探究活动 。
2、铁的氢氧化物：探究实验一：指导学生按书本60页进行[实验3-9]氢氧化物的制备，观察实验现象并记录。
接着指导学生做第二个探究实验 ，进行实验探究活动 。
3、铁盐与亚铁盐：
⑴Fe3+的检验：
探究实验二： 按书本61页的内容⑴进行[实验3-10]实验，观察实验现象并记录。接着指导学生做第三个探究实验 ，进行实验探究活动 。
⑵Fe2+与Fe3+的相互转化：
探究实验三： 按第61页内容⑵科学探究要求进行实验，观察实验现象并记录。
第三部分：
[实践活动] 明矾与铁盐净水
第四部分：
教学延伸：例题和课堂练习。
第五部分：
教学巩固
归纳小结：
⑴铁的氧化物、种类及性质
⑵铁的氢氧化物的种类、制备方法及性质
⑶Fe2+与Fe3+的相互转化及Fe3+的检验。
第六部分：
有机金属化合物 篇3
目前既方便又经济的脱硫方法中数吸附法最受青睐[8,9,10]。吸附行为属于表面现象,吸附材料具有超高表面积是其具备良好吸附行为的关键[11,12]。随着多孔材料的不断发展,具有超高表面积和特殊金属配位的金属有机骨架材料(MOFs)引起了人们的关注[13]。代伟等[14]选用 MOF-199 为脱硫剂,用以脱除模型油中的噻吩,其穿透容量达 0.94%,吸附饱和容量达 1.96%。
MOF-14[15]是一种新型的多孔材料,比表面积高达 1502m2/g,孔容为 0.53cm3/g,对 CH4,CH2Cl2,CCl4,C6H6,C6H12 等均具有良好的吸附性能。MOF-14 骨架中具有 2 种孔径尺寸(76.6,140.0nm),均大于噻吩、苯并噻吩的动力学直径(分别为 5.3,54.5nm)[16],噻吩分子和苯并噻吩分子可以进入 MOF-14 的孔道内部。另外,MOF-14 在空气和水以及多种溶剂中都能稳定存在。鉴于上述性能优势,本工作选择 MOF-14 作为吸附剂,考察了它对模型油中噻吩类硫化物的脱除效果,旨在为脱硫剂的开发和应用提供基础数据。
1 实验部分
1.1 原料及试剂
H3BTB-1,3,5-三(4-羧酸)苯基-苯,纯度大于 99%,西格玛-奥德里奇(上海)贸易有限公司生产。三水合硝酸铜[Cu(NO3)2·3H2O]、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、二氯甲烷、甲苯、吡啶、丙酮、二甲基亚砜等均为分析纯,沈阳国药集团化学试剂有限公司生产。配制模型油用原料:噻吩、苯并噻吩为分析纯,正辛烷为化学纯,沈阳国药集团化学试剂有限公司生产。去离子水,实验室自制。
1.2 MOF-14的制备
分别称取 23.0mg H3BTB-1,3,5-三(4-羧酸)苯基-苯,70.6mg Cu(NO3)2·3H2O,溶解于乙醇(3mL),DMF(3mL)与水(2mL)的混合液中,然后将反应溶液装入内衬有聚四氟乙烯的反应釜中,于 65℃ 下反应 24h。过滤出晶体,用 DMF 洗涤,用二氯甲烷每 24h 进行 1 次交换。最后在 120℃ 真空条件下处理 12h,制得 MOF-14 试样。
1.3 MOF-14 的分析表征
X 射线衍射(XRD)
在日本理学Rigaku D/max-2500 型 X 射线衍射仪上进行样品的粉末 XRD 表征。石墨单色器,CuKα辐射,管电流 50mA,管电压 40kV,扫描区间 2～50°,扫描步长 0.02°。
显微形貌
将晶体在显微镜下进行放大,同时运用奥林巴斯 BX 51 照相机对其进行拍照。
在溶剂中的稳定性
称取 10 mg MOF-14 试样若干份,分别置于 5mL 各种溶剂(去离子水、乙醇、DNF、丙酮、甲苯、二甲基亚砜等)中,搅拌后静置 3d,通过肉眼观察 MOF-14 晶体能否在溶剂中溶解。
1.4 模型油的配制及硫含量的分析
按照一定的质量比配制噻吩与正辛烷、苯并噻吩与正辛烷的模型油,然后用正辛烷将其含硫质量分数分别稀释至0.100%,0.025%。采用气相色谱分析样品管中噻吩硫含量:初始柱温60℃,最终柱温130℃,升温速率5℃/min,进样室温度170℃,辅助箱温度180℃,分流比40/1,进样体积1μL,采用面积归一化法计算硫含量。采用气相色谱分析样品管中苯并噻吩硫含量:初始柱温80℃,最终柱温150℃,升温速率5℃/min,进样室温度270℃,辅助箱温度280℃,分流比40/1,进样体积1μL,采用面积归一化法计算硫含量。
1.5 固定床动态吸附实验
实验在自制的固定床上进行,采用加热带将反应温度控制在 20℃。为避免模型油中的溶解水对脱硫效果的影响,采用 4 A 分子筛与吸附剂分层填柱。先将一定量的 4 A 分子筛装入填充柱中,然后装入一定量的 MOF-14 吸附剂,中间用棉花将二者隔开。向填充柱内通入 N2,于 120℃ 下活化 2h,脱除吸附剂中的水。在 N2 保护下,将活化后的吸附柱自然冷却至室温。将正辛烷(11mL/h)通入吸附柱中 3h,使得吸附剂对其完全吸附。通入模型油进行吸附实验,控制空速 200h-1。吸附剂吸附容量的计算公式如下:
undefined∫t0[1-ct/ci)]dt×100%。 (1)
式中:q—吸附容量或饱和容量,%;ci—模型油初始含硫质量分数,%;ct—t 时刻模型油中硫质量分数,%;w—含硫化合物中的硫质量分数,%;ρ—模型油的密度,g/mL;υ—模型油的流速,mL/min;m—吸附剂的质量,g。
1.6 吸附剂的再生
吸附结束后,将固定床加热至 100℃,通甲苯(15mL/h)清洗,对吸附剂进行再生。至流出液中检测不到苯并噻吩时,再生完成。
2 结果与讨论
2.1 MOF-14 的性质
2.1.1 XRD 表征
图 1 为所制备晶体的 XRD 谱图。可见其分别在 4.6,8.4,20.9°出现特征峰。这与参考文献[17]中所描述 MOF 的特征峰相一致,表明实验所合成晶体为 MOF-14。
2.1.2 微观形貌
如图 2 所示,MOF-14 是一种绿色块状晶体材料,具有规则的几何外形,与参考文献[15]中的描述相符。
2.1.3 在不同溶剂中的稳定性
MOF-14 在不同溶剂中的稳定性实验结果表明,在实验所用的无机或有机溶剂中,MOF-14 都呈现出良好的稳定性。特别是在去离子水中,它也可以长期稳定存在,不发生溶解。在工业生产中,水分子的存在难以避免,如果吸附材料能在水溶液中稳定存在,则为大规模工业应用提供了可能。
2.2 MOF-14 的脱硫效果
2.2.1 噻吩
图 3 示出了 MOF-14 对模型油中噻吩的脱除效果。
由图 3 可见,当每克吸附剂上流过的模型油体积为 63.52mL 时,样品中开始检测到噻吩的存在,此点作为穿透点,由式(1)计算出 MOF-14 吸附脱硫的穿透吸附容量为 1.41%;当流过每克吸附剂的模型油体积达到 182.43mL 时,吸附达到饱和,其饱和穿透容量为 2.02%。
2.2.2 苯并噻吩
图 4 示出了 MOF-14 对模型油中苯并噻吩的脱除效果。
由图 4 可见,吸附苯并噻吩穿透点模型油体积为 180.60mL,由式(1)计算出穿透吸附容量为 0.49%;饱和点模型油体积为 212.19mL,饱和吸附容量为 0.53%。
SBA-15 是一种性能较好的脱硫吸附剂,其穿透、饱和吸附容量分别为 0.87%,1.81%[18]。比较可见,MOF-14 的脱硫效果要优于 SBA-15。究其原因,一是由于 MOF-14 的表面积比 SBA-15 的大,另一方面可能是 MOF-14 晶体骨架中含有 Cu2+,在吸附过程中,吸附剂和噻吩分子在发生物理吸附的同时,也可能与 Cu2+ 发生络合产生了化学吸附[19,20]。
2.3 空速对 MOF-14 脱硫效果的影响
考察了空速对 MOF-14 晶体脱硫效果的影响,结果见图 5。
由图 5 可见,MOF-14 的空速非常大,比分子筛和活性炭的都要大,由此证明它的吸附速率非常快,吸附效率高[21]。另外,随着空速的增大,MOF-14 的饱和吸附容量逐渐减小。综合考虑吸附速率和吸附效果,选择适宜的空速。
2.4 MOF-14 脱硫剂的再生
考察了 MOF-14 吸附剂再生后对苯并噻吩的脱除效果,结果见图 6。
由图 6 可见,穿透点模型油体积为 180.36mL,相应穿透吸附容量为0.49%;饱和点模型油体积为 211.98mL,饱和吸附容量为 0.53%。与再生前相比,脱硫效果恒定,表明再生率基本达到 100%。
3 结论
a.采用水热法合成出 MOF-14 晶体,在固定床上于室温下考察了其对模型油中噻吩和苯并噻吩的脱除效果。结果表明,MOF-14 对噻吩和苯并噻吩的饱和吸附容量分别为 2.02%,0.53%。
有机金属化合物 篇4
知识技能：进行归纳、整理中学重要金属元素的氧化物、氢氧化物的性质规律。
能力培养：培养学生对化学知识的归纳、整理的学习能力，能在对比的情景下进行化学知识的“逻辑的记忆”和“理解的掌握”，并逐步提高解决化学问题的能力。
科学思想：培养学生树立“结构决定性质”的意识和实事求是的分析态度。
科学方法：通过问题的讨论和分析，引导学生理解问题解决式和启发讨论学习方法。
重点、难点
重点：总结比较常见金属氧化物，氢氧化物的性质规律和应用。
难点：常见金属的化合物中氧化性，还原性反应的规律和应用。
教学方法：启发、讨论、对比、归纳。
教学过程设计
教师活动
【板书】
一、金属的氧化物
【提问】请同学写出下列元素对应氧化物的化学式和色态。
(老师巡视，指点答疑，并指导学生整理笔记)
学生活动
学生思考，填写在笔记里。
元素
白色固体：Na2O、MgO、Al2O3、ZnO
淡黄色粉末：Na2O
红色固体：Fe2O3、Cu2O、HgO
黑色粉末：FeO、Fe3O4、CuO、Ag2O
【提问】请同学们分析一下这些金属氧化物的化学性质有何规
律?可从下面几点去考虑：
(1)加热是否分解
(2)与水反应
(3)与强酸(H+)反应
(4)与强碱(OH-)反应
(5)与氨水反应
(6)与H2或CO反应 并写出相应反应的化学方程式。
学生讨论、分析、整理笔记。
(1)热稳定性
2Ag2O4Ag+O2↑2HgO2Hg+O2↑
4Cu2Cu2O+O2↑
规律：只有HgO、Ag2O、CuO等不活泼的金属氧化物加热易分解。
(2)与水反应
Na2O+H2O=2NaOH MgO+H2OMg(OH)2
2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑
规律：只有活泼金属(ⅠA、ⅡA)氧化物能与水反应。
(3)与酸反应
MgO+2H+=Mg2++H2O
Al2O3+6H+=2Al3++3H2O
CuO+2H+=Cu2++H2O
规律：碱性氧化物或两性氧化物能与酸溶液反应生成盐和水。
(4)与强碱溶液反应
Al2O3+2OH-=2AlO2-+H2O
ZnO+2OH-=ZnO22-+H2O
规律：只有两性氧化物能与强碱反应生成盐和水。
(5)与氨水反应
Ag2O+4NH3?H2O=2Ag(NH3)2++2OH-+3H2O ZnO+4NH3?H2O=Zn(NH3)42++2OH-+3H2O
规律：易形成氨合离子的金属氧化物能与氨水反应。
(6)与还原剂的反应
CuO+H2Cu+H2O
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
ZnO+CZn+CO↑
规律：“Al”以后的金属的氧化物能与H2、C、CO等还原剂高温下发生氧化还原反应。
【小结】金属氧化物所发生的这些反应，总结起来，主要是金属氧
化物的下列性质：
①碱性氧化物 ②两性氧化物
③热稳定性
④络离子的形成
⑤氧化性
其中要注意的是：
Na2O2是由Na+和O22-构
成的过氧化物。
Fe3O4可以看是FeO?Fe2O3
【板书】
二、金属氢氧化物
【提问】请同学写出这些金属元素对应的氢氧化物化学式。
(老师巡视、指点、答疑)【提问】这些金属氢氧化物常见的颜色特征是什么?请总结之。
(老师指导下学生分析回答)
学生思考、填写在笔记本上。
学生思考总结如下：
白色：NaOH、Mg(OH)
2、Al(OH)3
Zn(OH)
2、Fe(OH)
2、AgOH
红褐色：Fe(OH)3
蓝色：Cu(OH)2
【提问】这些金属氢氧化物对水的溶解性规律是什么?请总结之。
(指导学生分析、回答)ⅠA和部分ⅡA金属氢氧化物都易溶于水，如NaOH，KOH，Ba(OH)2。Ca(OH)2是微溶性的。
其它的都是难溶性的，如Mg(OH)
2、Fe(OH)
3、Cu(OH)2
【提问】请同学分析总结这些氢氧化物的化学性质规律是什么。
可从下面几点去思考，回答。
(1)加热是否分解
(2)与强酸(H+)反应
(3)与强碱(OH-)反应
(4)与氨水反应
(5)是否容易被氧化
(6)是否能被还原(指导学生分析，回答)
学生讨论，分析，整理笔记。
(1)热稳定性
2AgOHAg2O+H2O
Cu(OH)2CuO+H2O
2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O
规律：①金属活动顺序“Mg”以前的金属氢氧化物稳定性好，难分解。
②“AgOH”常温下易分解。
③“Mg—Hg”的氢氧化物常温下难分解，受热或灼烧易分解。
(2)与强酸(H+)的反应 Mg(OH)2+2H+=Mg2++2H2O
Al(OH)3+3H+=Al3++3H2O
(3)与强碱(OH-)反应
Al(OH)3+OH-=AlO2-+2H2O
规律：只有两性氢氧化物才能与强碱溶液反应。
(4)与氨水作用
AgOH+2NH3?H2O=Ag(NH3)2OH+2H2O
*Cu(OH)2+4NH3?H2O=Cu(NH3)4(OH)2+4H2O
*Zn(OH)2+4NH3?H2O=Zn(NH3)4(OH)2+4H2O
规律：易形成氨络合物的金属氢氧化物能与氨水反应。
(5)与氧化剂反应 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3
规律：低价金属氧化物具有还原性。
【小结】金属氢氧化物所发生的反应，总结起来，主要有：
①热稳定性
②酸性(H+)
③碱性(OH-)
④络合剂
⑤还原性
【投影】右图试样X由氧化亚铁和氧化铜组成，取质量相等的两
份试样如右图所示进行实验：试回答在题右的两个问题。
(指导学生读题、审题并形成解题的思路)。
(1)请写出步骤③中所发生的全部反应的离子方程式______。
(2)若全部的溶液Y和全部的粉末Z充分反应后，生成的不溶物W的质量为m，则每份试样X中氧化铜的质量为______(用m表示)。
思路引导A：根据试样X在
①和②的反应以确定出溶液Y和粉末Z的成分。
思路引导B：溶液Y和Z发生的反应③，只能是Fe和CuCl2和过量盐酸之间的置换反应，进而引导分析试样中CuO的质量关系。
学生审题，并进行如下的分析：
在反应①中，会发生如下反应：
FeO+2HCl=FeCl2+H2O CuO+2HCl=CuCl2+H2O
在反应②中，会发生的反应有：
FeO+COFe+CO2
CuO+COCu+CO2
那么，溶液Y中含FeCl2和CuCl2，粉末Z中含Fe和Cu：
Fe+Cu2+=Fe2++Cu
Fe+2H+=Fe2+H2↑
由于反应后溶液强酸性，且不会有Cu2+说明Z中Fe完全溶解了。不溶物W全部是金属铜，应是两份试样中的CuO转化生成的Cu。则每份试样中CuO的质量为：
答案：(1)方程式从略。
【投影】已知Cu+在酸性溶液中不稳定，可发生自身氧化还原反应生成Cu2+和Cu。简述如何用最简便的实验方法来检验CuO经H2还原所得到的红色产物中是否含有碱性氧化物Cu2O。要求只从下列试剂中选择：浓H2SO4、浓HNO3、稀H2SO4、稀HNO3、FeCl3。溶液及pH试纸。
引导学生分析，设计出实验方案。
①首先应理解题目给予的信息：
即：2Cu+Cu+Cu2+
给我们提示，应该选择酸溶液为鉴定试剂。
②CuO经H2还原所得的红色产物可能是Cu和Cu2O的混合物。其中不溶于稀H2SO4，但能溶于浓H2SO4、浓HNO3、稀HNO3和FeCl3溶液，其结果都会生成Cu2+;CuO是碱性氧化物，可溶于酸，同时又会发生自身氧化还原反应。
③最后可确定稀H2SO4为鉴定试剂。
【答案】取少量红色产物加入稀H2SO4充分搅拌，如溶液呈蓝色，则证明有Cu2O，反之没有。【投影】Fe3O4可以写出Fe2O3?FeO，若把Fe3O4看成是一种盐，又可写成Fe(FeO2)2。根据化合价规律和化学式书写方法，把Pb3O4用上述氧化物形成表示，其化学式为________;若看成是一种盐，化学式为____________。又知，高价Fe不能把HCl氧化，而高价Pb能把HCl氧化成Cl2。试分别写出Fe3O4、Pb3O4与盐酸反应的化学方程式。
引导学生分析，回答：
①铅(Pb)是ⅣA族元素，化合价只有+2价和+4价。根据Fe3O4写成Fe2O3?FeO形式，+4价P：b的氧化物写在前，+2价的氧化物写在后，则有：PbO2?2PbO。)2则不符合规律。
③Fe3+不能氧化HCl，所以Fe3O4与HCl反应生成两种盐，属于复分解反应;而Pb4+有强氧化性，能把HCl氧化成Cl2，这时会生成Pb2+Cl2的盐。
【答案】
PbO2?2PbO;Pb2(PbO4);
Fe3O4+8HCl=2FeCl3+FeCl2+4H2O
有机金属化合物 篇5
近年来沸石咪唑金属-有机骨架化合物(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIF)作为一种新型功能性材料受到广泛关注,并且被认为是有望替代分子筛用于气体储存、吸附分离、催化等领域新型微孔材料[1,2]。Yaghi等人合成了多种ZIFs,并对其吸收CO2性能进行分析,研究表明:ZIFs是一种有效的吸收CO2的材料[3],Rees B.Rankin等人[4]分别采用实验和分子模拟方法研究了CO2在ZIF-68和ZIF-70中的吸附等温线,研究表明不同的力场获得的结果有所差异,Dreiding力场在不考虑电荷相互作用的情况下与实验具有较好的一致性。仲崇立等人[5]运用巨正则蒙特卡罗方法计算了不同压力下CO2在ZIF-68和ZIF-69中的密度分布概率,结果表明:低压下CO2主要吸附于由nIM(ZIF-68的硝基咪唑) 或 cbIM(ZIF-69的5-氯苯并咪唑)连接的六边形的小孔中。随着压力的增加,越来越多的CO2分子开始分布在bIM有机配体形成的大孔氯原子周围。通过文献查阅发现目前气体分子在ZIF中的吸附与分离行为研究较少,而CO2在ZIF中的吸附行为主要集中在某一种ZIF结构中,缺少对不同结构种类ZIF的系统、整体研究,对于ZIF拓扑结构对吸附行为的影响基本不了解。因此探讨CO2在具有相同组成不同拓扑结构ZIFs中的吸附行为及吸附机制具有重要意义。
2 模型和模拟细节
2.1 ZIF结构的构建
从剑桥晶体数据库(CCDC)下载ZIF的晶体学数据,将晶体结构进行优化,为消除晶胞单元较小所引起的尺寸效应,分别在x-,y-,z-方向该对该晶胞进行复制,获得2×2×2的ZIF结构。
2.2 力场模型与模拟细节
模拟过程中,CO2分子及ZIF骨架原子相互作用采用全原子(All- Atom AA)法,它们之间的相互作用势采用Lennard-Jones势,CO2的参数取自Potoff[6]的工作,ZIF骨架原子参数采用Dreiding力场[7]的数据。不同基团之间的相互作用参数由Jorgensen混合规则[8]计算得到,模拟温度设定为298 K,截断半径设定为 1.38nm,模拟过程中每个状态点都进行5×104次MC循环,其中前2.5×104次用来使系统达到平衡,后2.5×104次循环用于统计平均。
3 结果与分析
3.1 吸附等温线
采用巨正则蒙特卡罗模拟分别计算了CO2在高压及低压范围内其在ZIF-2、-3、-4、-10、-64中的吸附等温线,结果如图1和图2所示。研究结果表明:吸附量随压力的增大而增加,随压力的进一步增加,吸附量逐渐趋于饱和,达到吸附平衡。ZIF-10具有较大吸附量,CO2在其中的饱和吸附量远大于ZIF-2、-3、-4、-64。低压下压力与吸附量成线性关系,孔径较小的ZIF-4及ZIF-64吸附量随压力的变化增加最为显著,而孔径最大的ZIF-10随着压力的增加,吸附量略有上升。这可能是由于孔径较小的ZIF,有机配体与金属原子或有机配体之间相互距离较近,从而导致吸附分子与骨架结构之间相互作用较强,即吸附热较大,该原因使得低压下孔径较小的ZIF结构其吸附量反而越大。
3.2 孔径对吸附量的影响
为探讨不同压力下孔径对吸附量的影响,分别取低压(10kPa)、中压(500kPa)及高压(3 000kPa)时CO2在ZIF-2、-3、-4、-10、-64吸附量,列于表1。将不同压力下CO2的吸附量对ZIF-2、-3、-4、-10、-64的孔径作图。从图3、图4可以看出,低压下孔径与吸附量之间无明显的变化规律,但不难发现低压时孔径越大,吸附量越低,这可能是由于孔径较大,吸附分子与骨架结构之间的相互作用距离较远,从而造成吸附分子与吸附材料之间的相互作用较弱,即吸附热较低。
Snurr[10]等人的研究表明低压下氢气在MOF 中的吸附量主要取决于吸附气体在纳米微孔材料中的吸附热。当压力增加到500kPa时,吸附量与与孔径无明显关系。当压力进一步增加到3 000kPa时,如图5所示,随孔径的增加吸附量增大,两者之间存在较好的线性关系,即高压下气体分子在ZIFs中的吸附量主要由其孔径大小是所决定,这与Snurr等人的结论能够很好的吻合[10]。
3.4 温度对吸附量的影响
为探讨温度对CO2在ZIF中吸附行为的影响,采用同样的方法分别计算了当压力为3 000kPa时,不同温度(230K、260K,290K,320K及350K)下CO2在ZIF-2、-3、-3、-10、-64中的吸附量,结果如图6所示。从图中可以看出吸附量与温度成反比,温度越高吸附的CO2分子数目越少,温度越低吸附的CO2分子数目越多,这可能是由于温度越高分子的运动能力越强,从而使得吸附量有所下降。我们将模拟获得的吸附量对温度的倒数作图,并进行拟合,获得温度升高时CO2吸附于不同ZIF材料所需要克服的能垒,结果如图7和表2所示。由图6、图7可以看出随温度的变化ZIF-10的斜率最大,即ZIF-10中吸附量受温度影响吸附量的变化也最大,通过计算可知随着温度的上升,ZIF-10所需克服的能垒最大,ZIF-64所需克服的能垒最小;即ZIF-64受温度的影响吸附量的变化也最小,这与图6中的结果能够较好的吻合。
4 结语
(1)CO2在ZIF-2、-3、-4、-10、-64中的吸附等温线具有相似的变化趋势,CO2吸附量在低压下(从 0.01kPa到10kPa)随着压力的增加几乎呈线性急剧增长,当压力达到一定值时随着压力的增大吸附量基本保持不变,达到饱和吸附平衡。CO2在ZIF-10中的吸附量大于其在ZIF-2、-3、-4、-64中吸附量,其饱和吸附压力也大于其它ZIFs。
(2)低压时的CO2在ZIF中的吸附量与孔径无明显关系,高压下CO2的吸附量由孔径大小所决定。
(3)温度越高吸附量越小,而且吸附量与温度成线性反比的关系,ZIF-10吸附行为受温度变化影响最大,随着温度的上升,CO2在ZIF-10中所需要克服的能垒最大。
摘要：采用巨正则蒙特卡罗方法研究了CO2在不同拓扑结构ZIF-2、-3、-4、-10、-64中的吸附行为,计算得到298K温度下,压力范围从0.01到10 000kPa的吸附等温线,结果表明:CO2吸附量在低压下随着压力的增加几乎呈线性急剧增长,在2 000kPa左右CO2在ZIFs中吸附达到平衡,ZIF-10对CO2吸附量明显高于其它ZIFs,其饱和吸附压力为9 000kPa。对ZIF孔径与吸附量关系的研究表明低压时的CO2在ZIF中的吸附量与孔径无明显关系,高压下CO2的吸附量由孔径大小所决定。并探讨了温度对吸附行为的影响,可知ZIF-10中CO2吸附量受温度影响最大,ZIF-64最小。
关键词：咪唑金属-有机骨架化合物,吸附等温线,吸附位点,分子模拟
参考文献
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[2]Park K S,Zheng N,Yaghi O M,et al.Exceptional chemical andthermal stability of zeolitic imidazolate frameworks[J].Proceed-ings of the National Academy of Sciences,2006(103):10 186～10 191.
[3] Park K S,Zheng N,Yaghi O M,et al.Synthesis and structure of chemically stable metal? organic polyhedra[J].Science,2006(103):10 186～10 191.
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[5]Liu D H,Zheng C C,Zhong C L,et al.Computational study on the influences of framework charges on CO2 uptake in metal?organic frameworks[J].Journal of physical chemistry C,2009,113(12):5 004～5 009.
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[9]Zhou M,Wang Q,Zhang L,et al.Adsorption sites of hydrogen inzeolitic imidazolate frameworks[J].Journal of Physical Chemis-try,2009(113):11 049～11 053.
金属和金属化合物的学习 篇6
一、金属的物理性质
1. 金属具有许多共同的物理性质。如常温下都是固态(汞常温下是液态),具有金属光泽,不透明,导电性、导热性好,熔点沸点高,密度、硬度较大,有延展性。
2. 金属和金属化合物有一些比较特殊的性质
(1) Fe,Mg呈银白色,汞为银白色液体。
(2)Cu呈紫红色,Au为黄色。紫黑色固体:KMnO4。
(3)黑色固体:铁粉、CuO、MnO2、Fe3O4、FeO。
(4)白色固体:MgO、CaO、NaOH、Ca(OH)2、KCO3、KCl、Na2CO3、NaCl无水CuSO4。
(5)红色固体:Cu、Fe2O3、HgO。
(6)Cu2(OH)2CO3为绿色,CuSO4.5H2O为蓝色。
(7)沉淀颜色:Cu(OH)2为蓝色,Fe(OH)3为红褐色。
(8)溶液的颜色:含有铜离子的溶液呈蓝色,含有亚铁离子的溶液呈浅绿色,含有铁离子的溶液呈棕红色,高锰酸钾溶液呈紫红色,其他溶液一般无色。
二、金属的化学性质
1. 金属与氧气的反应。
金属+氧气→金属氧化物
(1)Mg、Al与氧气在常温下反应:
(剧烈燃烧、发出耀眼白光、生成白色固体、放热、产生大量白烟)
(银白金属变为白色固体)
(2)Fe、Cu与氧气在加热或点燃条件下反应:
2. 金属与酸的反应。
Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑(反应较快,有大量气泡产生、金属颗粒逐渐溶解)
Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑(有大量气泡产生、锌粒逐渐溶解实验室制备氢气)
Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑(反应较慢,有大量气泡产生、金属颗粒逐渐溶解)
Cu与稀硫酸不发生反应。
3. 金属与金属化合物溶液反应。
金属单质+化合物→另外一种金属+另外一种化合物
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu (铁溶解,有红色物质生成,溶液颜色变浅)
Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu (有红色物质生成,溶液蓝色变浅)
Cu+Hg(NO3)2=Cu(NO3)2+Hg(铜表面发黑,时间较长时在铜表面出现银亮的微小汞珠或汞珠落入溶液底部,铜被腐蚀。)
4. 金属氧化物与酸的反应。
Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O (红色氧化铁消失,生成黄褐色溶液)
Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O(红色氧化铁消失,生成黄色溶液)
CuO+2HCl=CuCl2+H2O (黑色氧化铜消失,生成蓝绿色溶液)
CuO+H2SO4=CuSO4+H2O (黑色氧化铜消失,生成蓝色溶液)
MgO+H2SO4=MgSO4+H2O (白色氧化镁消失,生成无色溶液)
CaO+2HCl=CaCl2+H2O(白色氧化钙消失,生成无色溶液)
三、金属活动性顺序
从上面金属的化学性质中,推导出金属活动性顺序:
K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb(H) Cu、Hg、Ag、Pt、Au
1. 在金属活动性顺序里,金属的位置越靠前,它的活动性就越强,化学性质就越活泼。
2. 在金属活动性顺序里,位于H前面的金属能置换出稀盐酸、稀
硫酸中的氢,生成氢气。
3. 在金属活动性顺序里,位于前面的金属能把位于后面的金属从它们化合物的溶液里置换出来。
习题:
1.质量相同的下列金属,分别加入到足量的稀盐酸中充分反应,放出氢气最多的是()
A.Mg B.Al C.Cu D.Zn
2.往含有FeSO4和CuSO4的溶液中加入一定质量的锌粒,充分反应后过滤,向滤渣中加入稀硫酸,有气泡产生,根据现象得出的正确结论是()
A.滤渣中只有Cu B.滤渣中一定有Fe
C.滤渣中一定有Zn D.滤渣中一定有Cu、Fe、Zn
3.已知A、B为黑色粉末,B为单质,D为红色单质。A、B、C、D、E五种物质之间的转化关系如下图所示,请回答:
(1)写出下列物质的化学式:A:＿＿＿＿＿＿C:＿＿＿＿＿＿
(2)写出反应①、②的化学方程式:＿＿＿＿＿＿;＿＿＿＿＿＿。
4. 某固体混合物可能含有CaCO3、NaCl、CuO、Fe2O3、木炭粉中的一种或几种,为确定其组成,进行如下实验后回答问题:
(1)混合物中肯定含有＿＿＿＿＿＿
(2)推导出A是＿＿＿＿＿＿;D是＿＿＿＿＿＿;E是＿＿＿＿＿＿;C是＿＿＿＿＿＿。
(3) C至E的化学方程式:＿＿＿＿＿＿
(4)A至B的化学方程式:＿＿＿＿＿＿
5. 将10gCu-Zn合金粉末放到盛有100g稀硫酸的烧杯中,恰好完全反应,称得烧杯中物质的总质量为109.8g。
(1)生成氢气的质量是多少克?
(2)计算原来Cu-Zn合金中Zn的质量分数是多少?
参考答案
金属及其化合物复习 篇7
一、指导思想与理论依据
1.指导思想
建构主义的基本观点为:“学习不是老师向学生传递知识信息、学习者被动吸收的过程, 而是学习者主动建构知识的意义的过程。”认为学习是学习者利用感觉吸收并且建构意义活动的过程, 这一过程不是被动的接受外部知识, 而是同学习者接触的外部世界相互作用的结果。主张在教学活动中, 要以学习者为中心, 从学习者个体出发, 以人为本, 真正把发挥学习者主体能动性放在教学活动与学习活动的首位。
2.理论依据
高中化学必修1模块的“元素及其化合物”内容繁多, 易学难记。化学基本观念是学习该部分内容的“脚手架”;同时, 元素及其化合物教学内容是中学生形成和巩固化学基本观念的“物质基础”。
二、教学背景分析
1.教学内容分析
(1) 在课程与教材中的地位
义务教育阶段:初步了解金属单质的物理和化学性质, 知道活泼金属可以与酸反应置换出氢气。
高中必修阶段:人教版必修1模块系统介绍了金属单质的化学性质, 并着重介绍了钠、铁及铝化合物的内容。
(2) 核心知识的功能价值
社会的发展与我们日常生活离不开化学物质, 从化学学科的社会价值角度来说, 研究“元素及其化合物”有非常重要的实际意义;化学的主要研究内容是物质的组成、结构、性质及应用, 而这些研究内容必须以“元素及其化合物”为载体, 同时, “元素及其化合物”为后续有关化学原理和理论的学习奠定“物质基础”, 是学生在中学阶段形成元素观、分类观和变化观等重要化学观念的关键所在, 从这个角度而言, “元素及其化合物”的知识具有非常重要的学科价值。离开元素及其化合物, 化学就变为无源之水, 无本之木。
(3) 知识本身特点
实际教学中, 高中化学必修1模块的“元素及其化合物”是被普遍认为“教师难教, 学生难学”的部分, 原因是这部分知识本身特点是内容繁多, 易学难记。
2.学生情况分析
(1) 知识与能力基础
通过人教版必修1模块第二章《化学物质及其变化》的学习, 同学们已经形成基本的化学观念:分类观和变化观;经过第三章《金属及其化合物》的学习, 同学们已经认识常见金属及其化合物的性质。高中阶段的学生具有较好的分析理解和归纳能力, 但是主动构建知识网络的能力较差, 思想上存在一定的惰性与畏难情绪。
(2) 学生认识障碍点及待发展点
障碍点:有规律地记忆金属及其化合物的性质, 能较快地找到物质之间转化的途径。
待发展点:从化合价和物质类别两个角度学习化合物的性质。
(3) 教学方法
以具体元素化合物化学知识为载体, 以化学基本观念建构为主旋律, 以认识模型为教学手段, 有效促进知识向能力、素质的转化, 从而促进学生科学素养的全面发展。
三、本课教学目标设计
1.知识与技能
(1) 从化合价和物质类别两个角度分析化合物的性质。
(2) 设计物质间相互转化的路线。
2.过程与方法
以化学基本观念为核心, 构建认识模型, 有规律地学习金属及其化合物的性质。
3.情感态度与价值观
(1) 体会有序思维在学习中的重要作用。
(2) 感受金属化合物在生活中的应用, 增强对化学的热爱。
四、教学过程与教学资源设计
2.教学过程设计
五、学习效果评价设计
对本节课学生学习效果以及教师自身教学效果的评价分析, 评价方式应尽可能做到目的性和可操作性强, 灵活多样。
教学反思
元素化合物属于事实性知识, 而其中蕴含的“物质分类”和“物质变化”属于化学基本观念范畴。化学基本观念是对具体知识的概括提升, 具有超越事实知识的迁移价值。学习价值在于能促进学生学习方式的转变, 增进学生对知识的理解, 促进知识向能力的转化。事实性知识容易被忘记, 但是通过学习形成的认识事物、解决问题的思想、观点和方法会留在学生的头脑中, 通过这些方法可以帮助学生回忆起具体的化学知识, 同时指导学生的后续学习与生活。
本节课是一节复习课, 教学设计建立在学生已有的知识基础上, 以具体元素化合物化学知识为载体, 以化学基本观念建构为主旋律, 以认识模型为教学手段, 已经超越对具体化学知识本身的学习, 能够有效地促进知识向能力、素质的转化, 从而促进学生科学素养的全面发展。认识模型和建构化学基本观念巧妙结合, 对于实施有效教学具有重要意义, 不管是在复习课中, 还是新授课, 我们都应该去尝试、去创新。
非金属元素及其化合物 篇8
一、碳、硅及其化合物
1.碳、硅及其重要化合物的性质与相互转化关系
2.CO2和SiO2的性质比较
例1. (2015·北京卷) 研究CO2在海洋中的转移和归宿, 是当今海洋科学研究的前沿领域。
(1) 溶于海水的CO2主要以4种无机碳形式存在, 其中HCO3-占95%。写出CO2溶于水产生HCO3-的方程式:___。
(2) 在海洋碳循环中, 通过下图所示的途径固碳。
①写出钙化作用的离子方程式:___。
②同位素示踪法证实光合作用释放出的O2只来自H2O。用18O标记物质的光合作用的化学方程式如下, 将其补充完整:
(3) 海水中溶解无机碳占海水总碳的95%以上, 其准确测量是研究海洋碳循环的基础。测量溶解无机碳, 可采用如下方法:
①气提、吸收CO2。用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收 (装置示意图如下) 。将虚线框中的装置补充完整并标出所用试剂。
②滴定。将吸收液吸收的无机碳转化为NaHCO3, 再用x mol·L-1HCl溶液滴定, 消耗y mL HCl溶液。海水中溶解无机碳的浓度为___mol·L-1。
(4) 利用下图所示装置从海水中提取CO2, 有利于减少环境温室气体含量。
①结合方程式简述提取CO2的原理:____。
②用该装置产生的物质处理b室排出的海水, 合格后排回大海。 处理至合格的方法是____。
解析: (1) 溶于海水的CO2, 一部分以CO2的形式存在, 另一部分与水反应生成H2CO3, 而H2CO3为弱酸, 极少部分发生电离生成HCO3-和H+, 故溶于海水的CO2主要以CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-等4种无机碳形式存在, 化学方程式分别为。 (2) ① 由海洋碳循环的固碳图示可知, HCO3-参与固碳, 生成CaCO3和CO2, 结合质量守恒和电荷守恒写出离子方程式:2HCO3-+Ca2+=CaCO3↓ +CO2↑+H2O。②植物进行光合作用的原理是吸收CO2和H2O, 生成有机物、O2和H2O。由“同位素示踪法证实光合作用释放的O2只来自H2O”可知, 该反应的反应物中, H2O含有18O, CO2不含18O, 结合质量守恒定律补充完整化学方程式。 (3) ①试剂瓶中盛有未酸化的海水, 而题目要求“用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收”, 故应在虚线框中补充分液漏斗, 用于滴加酸来酸化海水, 这里最好选用H2SO4溶液, 不能选用盐酸或硝酸, 其原因是二者都具有挥发性, 易挥发出HCl或HNO3气体, 对测量海水中溶解无机碳的含量产生影响。②HCl溶液滴定NaHCO3的反应原理为NaHCO3+HCl =NaCl + CO2↑ + H2O, 则有n (NaHCO3) =n (HCl) =xy×10-3mol, 海水的体积为z mL=z×10-3L, 从而可得。 (4) ①a室中电极与电源的正极相连, 作电解池的阳极, H2O发生氧化反应, 电极反应式为2H2O-4e-=O2↑+4H+, 生成的H+通过阳离子膜进入b室, 发生反应HCO3-+ H+=CO2↑ + H2O, 从而提取CO2。②c室中电极与电源的负极相连, 作电解池的阴极, H2O发生还原反应, 电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-, 因此c室排出的海水呈碱性, 用c室排出的碱液将从b室排出的酸性海水调至接近装置入口海水的pH, 再排回大海。
(3) ① 答案见右图
(4) ①a室:2H2O-4e-=O2↑ +4H+。H+通过阳离子膜进入b室, 发生反应HCO3-+ H+=CO2↑+H2O ②c室的反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-, 用c室排出的碱液将从b室排出的酸性海水调至接近装置入口海水的pH
二、氯、溴、碘及其化合物
1.氯、溴、碘及其重要化合物的性质与相互转化关系
2.从海水中提取溴的基本原理
(1) 流程示意图:
(2) 化学反应原理:
①苦卤制取Br2:用Cl2将Br-氧化生成Br2, 离子方程式为Cl2+2Br-=Br2+2Cl-, 所得Br2的浓度较小;
②Br2的富集:先用SO2吸收Br2, 再用Cl2氧化生成的HBr, 化学方程式为Br2+SO2+2H2O =H2SO4+2HBr, 2HBr+Cl2=r2+2HCl, 离子方程式为Br2+SO2+2H2O=4H++ SO42-+ 2Br-, 2Br-+ Cl2= Br2+2Cl-;
③分离Br2:
3.从海带中提取碘的基本原理
(1) 流程示意图:
(2) 化学反应原理:
①浸泡海带灰, 获得含I-的溶液;
②I2的获得:通入Cl2将I-氧化成I2:2I-+Cl2=2Cl-+I2;
③分离I2。
例2. (2015·重庆卷) ClO2与Cl2的氧化性相近, 在自来水消毒和果蔬保鲜等方面应用广泛。某兴趣小组通过图1装置 (夹持装置略) 对其制备、吸收、释放和应用进行了研究。
(1) 仪器D的名称是___。安装F中导管时, 应选用图2中的____。
(2) 打开B的活塞, A中发生反应:2NaClO3+4HCl ——2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O。为使ClO2在D中被稳定剂充分吸收, 滴加稀盐酸的速度宜____ (填 “快”或“慢”) 。
(3) 关闭B的活塞, ClO2在D中被稳定剂完全吸收生成NaClO2, 此时F中溶液的颜色不变, 则装置C的作用是____。
(4) 已知在酸性条件下NaClO2可发生反应生成NaCl并释放出ClO2, 该反应的离子方程式为____。在ClO2释放实验中, 打开E的活塞, D中发生反应, 则装置F的作用是。
(5) 已吸收ClO2气体的稳定剂Ⅰ和稳定剂Ⅱ, 加酸后释放ClO2的浓度随时间的变化如图3所示, 若将其用于水果保鲜, 你认为效果较好的稳定剂是____, 原因是___。
解析: (1) 仪器D是锥形瓶。装置F左侧连接气体发生装置, 右侧连接尾气处理装置, 应遵循“长进短出”的原则, 故选择装置b。 (2) 使ClO2在D中被稳定剂充分吸收, 必须控制A中生成ClO2的速率, 因此滴加盐酸的速度应较慢。 (3) F中溶液的颜色不变, 说明没有Cl2进入F溶液, 从而推知Cl2被装置C吸收。 (4) 参加反应的离子有ClO2-和H+, 生成的微粒有Cl-和ClO2, 根据化合价升降总数守恒及质量守恒配平该离子方程式。由于ClO2的性质与Cl2相似, 都具有强氧化性, 故能使淀粉-KI溶液变蓝, 利用此性质可验证是否有ClO2生成。 (5) 由图可知, 稳定剂Ⅱ相对于稳定剂Ⅰ, 可以缓慢释放ClO2, 能较长时间维持保鲜所需的浓度。
答案: (1) 锥形瓶b
(2) 慢
(3) 吸收Cl2
(5) 稳定剂 Ⅱ 稳定剂 Ⅱ 可以缓慢释放ClO2, 能较长时间维持保鲜所需的浓度
三、硫及其化合物
1.硫及其重要化合物的性质与相互转化关系
2.从转化规律角度认识硫及其化合物之间的转化
不同价态的含硫物质之间通过氧化还原反应规律来转化, 相同价态的含硫物质之间通过非氧化还原反应规律来转化。
(1) 相同价态的含硫化合物之间, 通过酸、碱、盐之间的反应规律来转化。
①实验室制取H2S:FeS+H2SO4 (稀) =FeSO4+H2S↑;
②实验室制取SO2:Na2SO3+H2SO4 (浓) =Na2SO4+SO2↑+H2O。
(2) 不同价态的含硫化合物之间, 通过氧化还原反应规律来转化。
①当硫元素的化合价升高或降低时, 一般升高或降低到其相邻的价态, 即台阶式升降, 常见转化关系为例如,
②相邻价态的含硫物质之间不发生氧化还原反应。例如, S和H2S、S和SO2、SO2和浓H2SO4之间不发生氧化还原反应。
3.浓H2SO4的“三大特性”
(1) 浓H2SO4具有吸收现成的水 (如气体、液体中的水分子, 以及固体中的结晶水等) 的性质。可用浓硫酸作干燥剂进行干燥的物质有H2、CO、CO2、N2、NO2、NO、O2、SO2、Cl2、HCl等;常见的不能用浓硫酸作干燥剂的物质有H2S、NH3、HBr、HI等。
(2) 浓H2SO4具有脱水性, 可将许多有机物中的氢、氧原子按水分子的组成 (H2O) 比例脱去, 在蔗糖中滴入浓H2SO4, 蔗糖逐渐变黑, 体积膨胀, 形成疏松多孔的海绵状的炭。
(3) 浓H2SO4具有强氧化性, 在加热条件下, 能与大多数金属、非金属单质反应。
例3.下列有关说法中正确的是 ( )
A.H2、SO2、CO2三种气体都可用浓硫酸干燥
B.SO2、SO3混合气体通入Ba (NO3) 2溶液可得到BaSO3和BaSO4
C.在未知液中滴加BaCl2溶液出现白色沉淀, 加稀硝酸, 沉淀不溶解, 说明该未知液中存在SO42-或SO32-
D.在酒精灯加热条件下, Na2CO3、NaHCO3固体都能发生分解
解析:A项, 浓硫酸具有较强的吸水性, 常用作干燥剂, 可干燥酸性气体 (SO2、CO2) 、中性气体 (H2) 等;B项, SO2气体通入Ba (NO3) 2溶液中, 发生氧化还原反应, 生成BaSO4沉淀, 得不到BaSO3;C项, 未知液中滴加BaCl2溶液出现白色沉淀, 加稀硝酸, 沉淀不溶解, 该沉淀可能为AgCl或BaSO4, 则该未知液中存在SO42-或SO32-或Ag+;D项, NaHCO3受热分解生成Na2CO3、CO2和H2O, 而Na2CO3受热不易分解。
答案:A
例4. (2015· 安徽卷) 某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1mol·L-1的Ba (NO3) 2溶液中, 得到了BaSO4沉淀。为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的SO2, 该小组提出了如下假设:
假设一:溶液中的NO3-;
假设二:溶液中溶解的O2。
(1) 验证假设一:
该小组设计实验验证了假设一。请在下表空白处填写相关实验现象。
(2) 为深入研究该反应, 该小组还测得上述两个实验中溶液pH随通入SO2体积的变化曲线如右图。实验1 中溶液pH变小的原因是___;V1时, 实验2中溶液pH小于实验1的原因是____ (用离子方程式表示) 。
(3) 验证假设二:
请设计实验验证假设二, 写出实验步骤、预期现象和结论。
(4) 若假设二成立, 请预测:在相同条件下, 分别用足量的O2和KNO3氧化相同的H2SO3溶液 (溶液体积变化忽略不计) , 充分反应后两溶液的pH前者____ (填“大于”或“小于”) 后者, 理由是____。
解析: (1) 除BaCl2溶液、Ba (NO3) 2溶液外, 实验1和实验2中所用试剂均相同, 故可通过实验2生成白色沉淀, 实验1未生成白色沉淀, 证明假设一正确。 (2) SO2溶于水时, 与水反应生成中强酸H2SO3, 故使得溶液的pH减小。在实验2中, NO3-将SO2氧化生成SO42-, 而NO3-则被还原为NO, 同时生成H+, 故溶液的pH减小。 (3) 在验证假设二时, 不能使用Ba (NO3) 2溶液, 可使用BaCl2溶液等, 向含有O2的BaCl2溶液中缓慢通入SO2, 若有白色沉淀生成, 则证明假设二成立。 (4) O2和KNO3分别与H2SO3反应的离子方程式为O2+2H2SO3=4H++2SO42-和3H2SO3+2NO3-=3SO42-+4H++2NO↑+H2O, 故被O2氧化后溶液的pH小。
答案: (1) 无明显现象有白色沉淀
(3) 见下表
(4) 小于反应的离子方程式表明, 足量的O2和NO3-分别氧化相同的H2SO3, 生成H+的物质的量前者多余后者 (或其他合理答案)
四、氮及其化合物
1.氮及其重要化合物的性质与相互转化关系
2.实验室制取NH3的方法
(1) 加热铵盐和碱石灰法:
①反应原理: (装置如右图) ;
②收集方法:由于NH3极易溶于水, 且密度小于空气, 故常采用向下排空气法收集NH3;
③检验方法:湿润的红色石蕊试纸遇NH3变成蓝色。
(2) 加热浓氨水法:
在氨水中存在, 加热过程中, 使NH3· H2O不断分解生成NH3, 同时温度越高, NH3的溶解度减小, 所以NH3不断挥发出来。
(3) 浓氨水加碱法:
如右图所示, 将浓氨水滴到NaOH固体上, 不断放出NH3。其原理是:在氨水中存在固体溶于浓氨水放出热量, 且使氨水中c (OH-) 增大, 上述平衡逆向移动, 不断放出NH3。
3.硝酸与金属反应的规律
(1) 硝酸与不活泼金属的反应:
硝酸与金属活动性顺序表中氢以后的金属作用时, 可以看成硝酸先将金属氧化成氧化物, 而后金属氧化物与硝酸反应生成硝酸盐。浓硝酸的还原产物主要是NO2, 稀硝酸的还原产物主要是NO。 例如, Ag+2HNO3 (浓) =AgNO3+NO2↑ + H2O;3Ag+4HNO3 (稀) =3AgNO3+NO↑+2H2O。
注意:HNO3与金属反应时通常起两个作用:一是作氧化剂, 得电子, 被还原;二是提供硝酸根离子, 起酸的作用 (起酸的作用, 提供H+的同时必提供NO3-) 。如铜与稀HNO3的反应:3Cu+8HNO3 (稀) =3Cu (NO3) 2+2NO↑+4H2O, 其中2mol HNO3为氧化剂, 6mol HNO3起酸的作用。
(2) 硝酸与活泼金属的反应:
硝酸与金属活动性顺序表中氢以前的金属作用时, 除生成相应的硝酸盐外, 同时可能生成NO2、NO、N2O、N2、NH3、NH4NO3 (NH3+HNO3=NH4NO3) 等物质。例如, 不同浓度的硝酸与镁的反应:Mg+4HNO3 (16mol/L) =Mg (NO3) 2+2NO2↑ +2H2O, 3Mg+8HNO3 (6mol/L) =3Mg (NO3) 2+2NO↑+4H2O, 4Mg + 10HNO3 (2mol/L) =4Mg (NO3) 2+N2O↑+5H2O。
(3) 钝化现象:
铁、铝等金属虽易溶于稀硝酸, 却不溶于冷的浓硝酸。这是因为在冷的浓硝酸中, 这些金属表面生成了一层致密的、不溶于硝酸的氧化物保护膜, 阻止了金属的进一步氧化。
例5. (2015· 北京卷) 下列关于自然界中氮循环 (如下图) 的说法不正确的是 ( )
A.氮元素均被氧化
B.工业合成氨属于人工固氮
C.含氮无机物和含氮有机物可相互转化
D.碳、氢、氧三种元素也参与了氮循环
解析:A项, N2=→NH3过程中, N元素由0价降低为-3价, N元素被还原;B项, 人工固氮是指将N2转化为含氮化合物的过程, 工业合成氨的反应原理为属于人工固氮;C项, 1828年, 德国化学家维勒首次利用无机物氰酸铵合成尿素, 实现了无机物向有机物的转化, 含氮有机物 (如蛋白质) 可发生分解, 最终转化为无机物 (如铵盐) ;D项, 雷电发生时涉及的反应有进入土壤, 并与矿物质作用生成硝酸盐, 豆科植物的根瘤菌可将N2转化为氮肥, 而生物体内含有碳元素, 故碳、氢、氧三种元素也参与了氮循环。
答案:A
例6. (2015· 广东卷) NH3及其盐都是重要的化工原料。
(1) 用NH4Cl和Ca (OH) 2制备NH3, 反应发生、气体收集和尾气处理装置依次为___。
(2) 按下图装置进行NH3性质实验。
①先打开旋塞1, B瓶中的现象是____, 原因是____。稳定后, 关闭旋塞1。
②再打开旋塞2, B瓶中的现象是___。
(3) 设计实验, 探究某一种因素对溶液中NH4Cl水解程度的影响。
限选试剂与仪器:固体NH4Cl、蒸馏水、100mL容量瓶、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、药匙、天平、pH计、温度计、恒温水浴槽 (可调控温度) 。
①实验目的:探究____对溶液中NH4Cl水解程度的影响。
②设计实验方案。拟定实验表格, 完整体现实验方案[列出能直接读取数据的相关物理量及需拟定的数据, 数据用字母表示;表中“V (溶液) ”表示所配制溶液的体积]。
③按实验序号1所拟数据进行实验, 若读取的待测物理量的数值为Y, 则NH4Cl水解反应的平衡转化率为____ (只列出算式, 忽略水自身电离的影响) 。
解析: (1) 利用NH4Cl和Ca (OH) 2制备NH3, 加热固体药品时, 试管口要略低于试管底部, 防止试管炸裂, 则制备装置选A。NH3的密度小于空气, 应选用向下排空气法收集NH3, 则收集装置选C。NH3极易溶于水, 进行尾气处理时, 导管末端连接一倒扣漏斗, 且漏斗边缘与水面刚好接触, 可防止发生倒吸, 则尾气处理装置选G。 (2) 由图可知, A瓶中HCl气球的压强大于B瓶中NH3的压强, 打开旋塞1后, HCl气体进入B瓶, 并与NH3发生反应生成NH4Cl晶体, 故观察到B瓶中产生白烟。由于HCl和NH3发生生成NH4Cl晶体, 导致B瓶中气体压强减小, 显然A瓶中HCl相对过量。打开旋塞2后, 右侧烧杯中石蕊水溶液被倒吸入B瓶, HCl气体溶于其中而使溶液显酸性, 溶液变成红色。 (3) 利用所给试剂和仪器, 可以探究温度 (或浓度) 对溶液中NH4Cl水解程度的影响。若探究温度对溶液中NH4Cl水解程度的影响, 可以测定不同温度下溶液的pH。若探究浓度对溶液中NH4Cl水解程度的影响, 可测定不同浓度下溶液的pH。故实验表格可以为 (温度的影响) :
也可以为 (浓度的影响) :
所读取的数值Y为溶液的pH。氯化铵的物质的量为, 故NH4Cl的物质的量浓度为, 从而可知, NH4+离子水解的平衡转化率为
答案: (1) A、C、G
(2) ①有白烟生成A瓶中的HCl移动到B瓶中, 与B瓶中的NH3反应生成NH4Cl, 能观察到白烟生成 ②液体进入B瓶中, 溶液的颜色变为红色
(3) ① 温度 (或浓度) ② 见解析
【专项训练】
1.为探究Na2SO3溶液的性质, 在白色点滴板的a、b、c、d四个凹槽中滴入Na2SO3溶液, 再分别滴加下图所示的试剂。对实验现象的“解释或结论”错误的是 ( )
2.高纯硅晶体是信息技术的重要材料。
(1) 在周期表的以下区域中可以找到类似硅的半导体材料的是____ (填字母) 。
A.过渡元素区域
B.金属和非金属元素的分界线附近
(2) 工业上用石英和焦炭可以制得粗硅。已知:
写出用石英和焦炭制取粗硅的热化学方程式:___。
(3) 某同学设计下列流程制备高纯硅:
①Y的化学式为___。
②写出反应Ⅰ的离子方程式:___。
③写出反应Ⅳ的化学方程式:___。
④步骤Ⅵ中硅烷 (SiH4) 分解生成高纯硅, 已知甲烷分解的温度远远高于硅烷, 用原子结构解释其原因是____。
(4) 将粗硅转化成三氯硅烷 (SiHCl3) , 进一步反应也可以制得粗硅。其反应为, 不同温度下, SiHCl3的平衡转化率随反应物的投料比 (反应初始时各反应物的物质的量之比) 的变化关系如上图所示。下列说法正确的是 (填字母) 。
A.该反应是放热反应
B.横坐标表示的投料比应该是
C.该反应的平衡常数随温度升高而增大
D.实际生产中为提高SiHCl3的利用率, 可以适当增大压强
3.某小组设计如下图装置 (部分夹持装置已略去) , 以探究潮湿的Cl2与Na2CO3反应得到固体物质的成分。
(1) 试剂X的化学式为___。A中制取Cl2的离子方程式为___。
(2) 试剂Y的名称为___。
(3) 通入一定量潮湿的Cl2反应后, 经检测, D中只有Cl2O一种气体, C中只含一种氯盐外, 同时含有NaHCO3等, 某同学对C中所得固体残渣的成分进行探究。
①提出合理假设。
假设1:存在两种成分:NaHCO3和___;
假设2:存在三种成分:NaHCO3和___、___。
②设计方案, 进行实验。写出实验步骤以及预期现象和结论。
限选实验试剂和仪器:蒸馏水、稀HNO3、BaCl2溶液、澄清石灰水、AgNO3溶液、试管、小烧杯。
(4) 已知, Cl2O与水反应生成次氯酸, 则D中Cl2O进入E反应的化学方程式为___。
4.含氮化合物是重要的化工原料。存在如下转化关系:
(1) 工业上常用浓氨水检验氯气管道是否泄漏。
①氨气溶于水的过程中存在的平衡有 (用离子方程式表示) ___。
②向固体氧化钙中滴加浓氨水, 可用于实验室制取少量氨气, 简述原理:___。
(2) 转化Ⅱ中发生的系列反应, 在工业上可以用来制备硝酸, 写出①中反应的化学方程式:____。
(3) 现代工业常以氯化钠、二氧化碳和氨气为原料制备纯碱。转化Ⅲ中部分反应如下:
①转化Ⅲ中有NaHCO3沉淀析出的原因是____。
②欲测定某工业纯碱样品中Na2CO3的质量分数, 某同学设计方案如下:
准确称取10.00g样品, 加入过量的盐酸, 充分反应, 蒸干、冷却后称量。反复加热、冷却、称量, 直至所称量的固体质量几乎不变为止, 此时所得固体的质量为10.99g。样品中碳酸钠的质量分数为___。
(4) 以氨作为燃料的固体氧化物 (含有O2-) 燃料电池, 具有全固态结构、能量效率高、无污染等特点。工作原理如下图所示:
①固体氧化物作为电池工作的电解质, O2-移向____ (填字母) 。
A.电极a B.电极b
②该电池工作时, 电极a上发生的电极反应为____。
【参考答案】
1.D
2. (1) B
(3) ④周期表中, 硅和碳属于同主族, 原子半径Si大于C, 硅元素的非金属性弱于碳元素, 硅烷的热稳定性弱于甲烷
(4) BC
(2) 饱和食盐水
(3) ①NaCl NaCl Na2CO3②答案见下表
(4) Cl2O+2NaOH =2NaClO+H2O
4. (1) ②氧化钙与水反应放热, 生成氢氧化钙溶于水, 增大了OH-离子浓度, 氨水中的离子平衡向左移动, 使氨气挥发出来
(3) ①混合液中NaHCO3的溶解度最小, 溶液达过饱和时会有NaHCO3晶体析出②95.4%
非金属及其化合物复习概要 篇9
非金属元素及其化合物知识, 在中学化学中占有较大的篇幅和比重, 不仅介绍的内容多, 而且知识点较零碎, 推理少、叙述多。若不对这些散乱的知识进行压缩、处理, 使其减量、有序, 就会感到杂乱无章, 没有规律可循, 难记易忘。同时在高考中, 以元素及其化合物知识为载体, 结合氧化还原、强弱电解质、平衡移动原理、物质结构等理论知识, 对学生的各种能力进行综合考查的试题不断增加, 因此搞好非金属元素及其化合物知识的复习显得至关重要。现就非金属元素及其化合物专题的复习方法趋势探讨如下, 希望对考生的第一轮复习有所帮助。
一、复习方法指导
1. 重视周期表的应用
在化学复习中, 一定要重视元素周期表的应用。应用周期表对零乱的元素及其化合物知识进行条理化、纲领化, 使其变成有序的可推理的知识, 便于学生采用逻辑推理的方法记忆和掌握, 才能取得事半功倍的复习效果。现以非金属单质的化学性质为例, 谈谈如何应用元素周期表进行复习。
(1) 与单质反应。
(1) 与金属单质反应。主要掌握与活泼金属Na、较活泼金属Fe (也是变价元素) 、不活泼金属Cu的反应情况。如:ⅦA族元素X与Na反应生成NaX, 与Fe反应生成FeX3 (I2生成FeI2) , 与Cu反应生成CuX2 (I2生成CuI) ;ⅥA族元素中的O2与Na反应生成Na2O和Na2O2, 与Fe反应生成Fe3O4, 与Cu反应生成CuO;S与Na反应生成Na2S, 与Fe反应生成FeS (不是Fe2S3) , 与Cu反应生成Cu2S (不是CuS) ;ⅤA族元素中的N2与Na反应生成Na3N;磷与Na反应生成Na3P, 与Fe、Cu的反应中学不介绍。ⅣA族、ⅢA族元素与金属反应, 中学不介绍。ⅡA族没有非金属元素。ⅠA族中H2与Na反应生成NaH, 与Fe、Cu不直接反应。在上述基础上, 需要补充的是:S在常温下能与Hg反应生成HgS, 实验室用于除去洒落的水银;Al2S3不能用湿法制取, 必须在干态时用S与Al加热制取;Mg可在N2中燃烧生成Mg3N2等。
(2) 与非金属单质反应。在掌握与ⅠA族中的H2反应 (ⅡA族中无非金属, ⅢA族中的B元素的性质中学不介绍) 的基础上, 主要是掌握ⅣA族、ⅤA族、ⅥA族、ⅦA族元素间的反应;并从周期表角度, 把非金属元素之间反应的主要产物列入下表, 以便学生推断、理解和记忆。
表格中是不同主族元素之间相互反应的产物, 同族元素之间也可以相互反应, 如ⅦA族中的卤素互化物, ⅥA族中O2与S反应生成SO2、SO3, ⅣA族中的SiC等。
在掌握非金属单质间反应关系的基础上, 还要掌握它们之间发生反应的条件和反应现象, 所得产物的结构和性质, 并配合化学方程式的书写, 才能全面、准确地掌握它们的性质。
(2) 与化合物反应。
非金属单质还可与酸、碱、盐、氧化物等化合物反应, 以非金属元素中代表元素的单质为例, 说明推理的过程。
(1) 与酸反应。Cl2可与酸中的H2S、H2SO3 (有水参与) 、HBr、HI等反应, O2可与酸中的H2S、H2SO3等反应, S可与酸中的浓H2SO4、浓HNO3反应, N2不与酸反应, P可与浓HNO3反应, 碳可与浓H2SO4、浓HNO3反应, Si可与HF反应。
(2) 与碱反应。Cl2可与NaOH、Ca (OH) 2发生歧化反应, 还可与NH3反应;O2可与Fe (OH) 2 (有水参与) 反应;S可与NaOH、Ca (OH) 2发生歧化反应;N2不与碱反应;P可与NaOH、KOH发生歧化反应;碳不与碱反应;Si与NaOH发生氧化还原反应 (水是氧化剂, NaOH不是氧化剂) 。
(3) 与盐反应。Cl2可与盐中的亚铁盐、Na2S (NaHS) 、Na2SO3 (NaHSO3) (有水参与) 、NaBr、KI等反应, O2可与盐中的Na2S (NaHS) 、Na2SO3 (NaHSO3) 、亚铁盐等反应, S可与盐中的Na2SO3、KNO3+C (组成黑火药) 反应, N2、P不与盐反应, 碳可与KNO3+S (组成黑火药) 反应, Si不与盐反应。
(4) 与氧化物反应。Cl2可与氧化物中的H2O、SO2 (有水参与) 等反应, O2可与CO、NO、NO2、SO2、Na2O等反应, S、N2、P不与氧化物反应, 碳与CO2、H2O、CaO、SiO2等反应, Si不与氧化物反应。
同时, 在掌握上述物质之间反应关系的基础上, 还要掌握这些单质与化合物之间发生反应的条件和现象, 配合化学方程式和离子方程式的书写, 掌握产物的差别和异同等。
综上可以看出, 应用元素周期表, 对非金属单质的化学性质进行系统归类, 把元素及其化合物的性质变成可推理的, 有一定的逻辑关系的程序性知识, 可以把数十页的课本浓缩成千余字的一页纸, 把教材厚重的知识内容转化成单薄的知识纲要, 学生掌握和记忆元素化合物的知识就会轻松方便些。
2. 重视知识网的建设
复习元素及其化合物知识行之有效的方法是构建知识网络, 采用“知识点—知识线—知识网”的方式, 将元素及其化合物知识结构化、条理化、系统化、整体化, 这样才能收到事半功倍的复习效果。
知识点是知识线中一个一个的具体物质。中学化学中常见非金属元素, 以H、C、N、O、Si、S、Cl为代表, 代表元素及其化合物具有典型性和代表性。掌握代表元素及其化合物的性质是学好同族其他元素化合物的前提和基础, 所谓“以点带面”, 就是说有了“知识点”才能串成“知识线”, 才能结出“知识网”。在掌握重点代表元素的单质、氧化物、氢化物、酸和盐性质的基础上, 还要根据“非金属元素在元素周期表中的位置及性质”的关系, 掌握同族其他元素及其化合物性质的相似性、递变性和差异性, 这是培养学生知识类比和迁移能力的保证。
知识线是指“气态氢化物←单质→氧化物→氧化物对应的水化物→相应的含氧酸盐”这条物质之间的衍生线。非金属元素的重要特征之一是变化多, 各种单质和化合物间容易发生氧化还原反应。复习时要以氧化还原反应为主线, 把单质和化合物知识串起来, 抓住价态变化的规律去理解元素化合物的性质。如复习氧族元素硫时, 按价态由低到高把其单质和化合物排成一行:H2S→S→SO2 (H2SO3及亚硫酸盐) →SO3 (H2SO4及硫酸盐) 。引导学生讨论:单质硫有氧化性又有还原性的原因是什么?举例说明。二氧化硫中硫元素既有氧化性又有还原性, 表现在哪些反应中?通过价态变化规律来把握硫元素在不同价态之间的相互转化关系, 并探讨对应反应中的电子转移情况, 氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物分别是什么物质等。
知识网是把各知识点、知识线进行网络化, 得到整体的、相互联系的、结构化的知识, 使单质及其化合物的相互转化关系形成一个完整的知识网络。复习时以知识点、知识线为线索, 配合周期表、周期律中的“位置-结构-性质”, 通过讨论、回忆和联想, 把各族单质和化合物知识串起来, 并做到元素及其化合物知识与物质结构和化学键理论相结合, 与实验设计和化学计算相联系, 与生活实际和化工生产相融合。然后再通过练习巩固, 就能达到熟能生巧、运用自如的程度。
二、考情分析与命题预测
1. 考情分析
高考考试说明指出:中学化学阶段的常见非金属元素包括H、C、N、O、Si、S、Cl等, 要求考生:了解常见非金属单质及其重要化合物的主要性质及应用;了解常见非金属单质及其重要化合物对环境质量的影响;以上各部分知识的综合应用。因此在历年的高考中都是围绕这些常见的非金属元素及其化合物的性质及应用进行命题的, 其考查的内容可能是元素及其化合物的性质、鉴别、制法、用途, 也可能是以此类知识为载体, 考查化学实验知识和实验技能、元素化合物之间的转化关系。题型以选择题、实验题和无机推断题的形式出现, 也有以环境保护为主题形式设计试题。
2. 命题预测
非金属元素及其化合物在保持原有考点的基础上, 弱化了对磷的考查, 淡化单纯考查元素化合物知识中的记忆与简单应用的试题。其命题形式在保留传统的以物质 (元素) 推断、检验、计算、实验等为主要形式的试题的基础上, 逐步向以实际情境为依托, 以元素化合物知识为载体, 融化学基本概念和理论、元素化合物知识、实验和计算能力于一体的试题转化。
(1) 试题仍以主要元素及其化合物的主要性质为考查核心, 但具有一定的综合性、整体性, 知识覆盖面广、思维跨度大。预计融合“位置→结构→性质”、元素周期表和元素周期律、电化学、反应热等知识的综合性试题可能要增多。
(2) 试题往往以生产 (生活) 实际、温室效应、环境保护、光合作用、碳捕捉技术等热点问题作为考查的切入点, 在化工生产、科技前沿信息的真实背景下寻找中学化学可以解释或解决的疑难问题, 考查考生利用元素及其化合物知识, 解决化学实际问题的能力。预计融实验探究过程、方法和技能为一体的开放性实验探究题、化工流程题等应用型试题可能要增多。
(3) 试题的情景更加新颖, 探讨的问题字面内容是陌生的, 但涉及应用的知识是课本中熟悉的, 这就保证了高考的公平性, 让考生在同一起跑线上竞争。试题起点高落点低, 在不弱化知识考查的前提下, 更加注重能力考查。预计考查考生灵活运用所学的化学知识, 处理化学现实问题的能力型试题要增加。
3. 复习对策
(1) 要注意常见非金属元素中的重点元素及其化合物。随着新材料、新能源、新科技的发展, 以往高考中的不被看好的硅元素及其化合物, 在新高考中的地位得到相对突显。要注意碳、硅、氮元素在材料科学中的重要作用, 注意氮、硫元素涉及的环境保护问题。这能体现考生对新信息的接受能力, 促使考生关心社会, 热爱生活, 学有用化学。
(2) 试题趋向综合型方向发展, 复习时就要关注各类物质之间的转化, 注重知识的发散和迁移, 关注学科间的联系、渗透和综合, 并与氧化还原、盐类水解、化学平衡、电化学、实验的设计与评价等知识相整合, 提升了学生的知识综合应用能力。在遵循“化抽象为具体, 从一般到特殊, 从无机到有机”的解题思路的基础上, 提高学生审题、分析问题、解决问题的能力。
(3) 试题趋向应用型方向发展, 因此实验复习就不能纸上谈兵, 应在掌握基本实验操作的基础上, 关注物质之间的分离、除杂, 沉淀的洗涤以及相关操作的过程和效果检验方法。注意物质的量浓度配制、中和滴定等实验的过程、细节、注意事项和误差讨论, 引导学生从定性和定量两个角度研讨化学问题。
(4) 试题趋向能力型方向发展, 因此提升学生的各种能力就成为高考复习的关键。复习时要轻题海战术, 重能力培养。注意试题的变式、延伸、迁移, 既要注意一题多法解, 也要注意一法解多题。让学生从不同角度、多方位考虑问题, 以训练学生思维的发散性、收敛性和变通性, 拓展思维的深广度, 提高学生的思维能力和品质。
三、典型例题解析
例1. (1) 为防治酸雨, 降低煤燃烧时向大气排放的SO2, 工业上将生石灰和含硫煤混合后使用。请写出燃烧时, 有关“固硫” (不使硫化合物进入大气) 反应的化学方程式:、。
(2) 化学上曾有人发明一种固氮方法, 该法以石灰石、焦炭、空气为原料。第一步反应是石灰石分解;第二步是用第一步反应产物和焦炭反应, 在电炉中的高温下制得第三步反应起始物;第三步反应中另一反应物是空气, 该反应也是在电炉中完成的, 生成一种固体;第四步是使该固体和水蒸气反应制得氨气。又知该固体中有与N3-互为等电子体的离子。试写出四步反应的化学方程式:、、、。
解析: (1) 酸性氧化物SO2能与碱性氧化物CaO反应生成固体CaSO3, 从而达到“固硫”的作用。又因为亚硫酸盐容易被氧化, 生成硫酸盐 (这点易被考生疏忽) 。故反应的化学方程式为
反思:随着新材料、新能源的广泛应用, 人们环境意识的提高, 合成和制造的新物质也会增加, 所以应用原有元素化合物知识, 分析、类推、迁移书写有关信息方程式、离子方程式、电极反应式的试题可能要增多。如2012年高考上海化学卷第5题、全国新课标试卷第36题等。
例2. (2012年高考天津理综试卷第7题) X、Y、Z、M、G五种元素分属三个短周期, 且原子序数依次增大。X、Z同主族, 可形成离子化合物ZX;Y、M同主族, 可形成MY2、MY3两种分子。
请回答下列问题:
(1) Y在元素周期表中的位置为。
(2) 上述元素的最高价氧化物对应的水化物酸性最强的是 (写化学式, 下同) , 非金属气态氢化物还原性最强的是。
(3) Y、G的单质或两元素之间形成的化合物中可作水消毒剂的有 (写出其中两种物质的化学式) 。
(4) X2M的燃烧热ΔH=-akJ·mol-1, 写出X2M燃烧反应的热化学方程式:。
(5) ZX的电子式为;ZX与水反应放出气体的化学方程式为。
解析:由X、Z同主族, 可形成离子化合物ZX, 可知X是H元素, Z是Na元素。由Y、M同主族, 可形成MY2、MY3两种分子, 可知M为S元素, Y为O元素。因五种元素分属三个短周期, 且原子序数依次增大, 故G是Cl元素。由此得出答案。
反思:受理综试卷中试题总量的限制, 化学试题只有11题左右, 要想利用这么少的试题覆盖中学化学的主干内容, 试题必须要有一定的综合度, 即把多个知识点串联、糅合起来进行综合考查。因此, 将化学基本概念和基本理论、实验能力、计算技巧、推理能力, 渗透到元素化合物的组成、结构、性质、变化与制备中进行考查的综合型试题可能要增多。如2012年高考安徽理综试卷第25题、全国理综试卷第27题等。
例3. (2012年高考全国大纲卷第29题) 氯化钾样品中含有少量碳酸钾、硫酸钾和不溶于水的杂质。为了提纯氯化钾, 先将样品溶于适量水中, 充分搅拌后过滤, 再将滤液按下图所示步骤进行操作。
回答下列问题:
(1) 起始滤液的pH7 (填“大于”、“小于”或“等于”) , 其原因是。
(2) 试剂Ⅰ的化学式为, (1) 中发生反应的离子方程式为。
(3) 试剂Ⅱ的化学式为, (2) 中加入试剂Ⅱ的目的是。
(4) 试剂Ⅲ的名称是, (3) 中发生反应的离子方程式为。
(5) 某同学称取提纯的产品0.7759g, 溶解后定容在100mL容量瓶中, 每次取25.00mL溶液, 用0.1000mol·L-1的硝酸银标准溶液滴定, 三次滴定消耗标准溶液的平均体积为25.62mL, 该产品的纯度为 (列式并计算结果) 。
反思:实验探究题、无机流程题、物质分离与提纯题, 这些来自生产生活实际的实验题, 能考查考生灵活运用所学的化学知识与理论, 处理化学现实问题的能力, 因而这类试题以后会逐渐增多。如2012年高考福建理综试卷第24题、浙江理综试卷第26题等。
四、常见易错点归纳
在化学学习中, 要善于揭示、总结化学反应的规律和本质。但化学规律与其他规律一样, 有其相对性, 常有例外或特殊的例子。俗话说:“规律是学习的主线, 特性是高考的考点”。复习时除要总结元素及其化合物有关规律的共性外, 还应注意搜集、整理一些特性。忽视了化学规律的特殊性, 就易犯以偏概全的错误, 解答出错也就在所难免了。现列举部分容易造成学生解题出错的特性, 供参考。
1. 碳、硅及其化合物的“易错点”
(4) 非金属氧化物一般为分子晶体, 以为SiO2也是分子晶体。
(5) 酸性氧化物一般不与酸作用, 以为SiO2不能与HF作用。
(6) 以为CO2 (或SO2) 通入CaCl2 (或BaCl2) 溶液中均可产生白色沉淀。
(7) 硅酸钠水溶液称为泡花碱或水玻璃, 就以为泡花碱属于碱溶液。
(10) SiO2既能与NaOH又能与HF反应, 以为SiO2是两性氧化物。
2. 氮、磷及其化合物的“易错点”
(1) NH4Cl中氯元素是-1价, 以为NH2Cl中氯元素也为-1价。
(2) 浓HNO3与铜反应生成NO2, 稀HNO3与铜反应生成NO, 氮元素价态变化前者小于后者, 以为稀HNO3的氧化性大于浓HNO3。
(3) 以为标准状况下22.4L的NO2, 含有NO2的分子数为NA。
(4) 以为用浓HNO3与足量铜反应, 能收集到纯NO2气体。
(5) NO2能与水反应生成HNO3, 以为NO2是HNO3的酸酐。
(6) 以为不能与碱反应的氧化物NO、CO, 一定能与酸反应。
(8) FeO与盐酸反应生成FeCl2和H2O, 以为FeO、Fe3O4与HNO3反应也有Fe (NO3) 2和H2O生成。
(9) 以为PO43-与H2PO4-可共存。
(10) 以为只有金属与非金属元素之间才能形成离子化合物, 其实遗忘了铵盐。
3. 氧、硫及其化合物的“易错点”
(1) 浓硫酸能作干燥剂, 以为浓硫酸可干燥H2S、NH3。
(4) 以为向浓H2SO4中加入足量的铜, 加热充分反应后, 硫酸没有剩余。
(5) 以为用Ba (NO3) 2和盐酸作试剂检验SO42-时, 就可以防止SO32-的干扰。
(6) 向浓H2SO4中加入足量的铁, 加热充分反应后, 以为能收集到纯SO2气体。
(8) 在有SO42-存在的情况下, 直接用AgNO3和HNO3溶液检验Cl-。
(9) 把SO2通入氯水中, 认为所得的混合液漂白能力增强。
(10) 因SO2有漂白性, 以为SO2通入紫色石蕊溶液, 溶液先变红后褪色。
4. 卤素及其化合物的“易错点”
(1) 以为裂化汽油可作为溴水或碘水的萃取剂。
(4) Fe2O3与盐酸反应生成FeCl3和H2O, 以为Fe2O3、Fe3O4与HI反应也有FeI3和H2O生成。
(8) 活泼的非金属单质可把不活泼的非金属从其盐溶液中置换出来, 以为F2能从氯化钠水溶液中置换出Cl2。
(9) 向Fe (NO3) 2中加入盐酸, 以为相互之间不发生反应。
(10) NH4Cl加热分解生成NH3和HCl, 以为NH4I加热分解生成NH3和HI。
总之, 在非金属元素及其化合物的复习过程中, 要抓住“位—构—性”三者的关系, 抓住非金属元素化合物知识与化学基本理论的结合点, 充分利用基本理论对非金属元素及其化合物学习的指导作用, 使知识规律化、网络化。并注意物质的特性, 全面、准确地认识反应规律。同时要顺应试题的变化和发展, 对解题的切入方法和突破技巧及时加以筛选、改进, 高考复习就一定能取得良好的效果。