金屬及其化合物復習探索

◇ 廣東 雷范軍 吳惠華

金屬及其化合物復習探索

◇ 廣東 雷范軍 吳惠華

金屬元素化合物的性質及其應用是化學科學的主要研究對象之一,也是中學化學課程的重要內容之一.雖然課標版教材中金屬元素化合物的內容減少了,但是高考對該部分的要求并未降低.為了探索更加有效的復習策略,必須從整體上把握金屬元素化合物知識的內容構成、問題結構和能力要求.

1 復習思維導圖

北京師范大學王磊教授等認為,金屬元素及其化合物復習的重點在于轉變和建構認識角度(從基于代表物或物質類別的單一角度過渡到基于價態和類別的二維角度),在系列化和梯度化的問題解決活動(性質、轉化、保存、使用、檢驗、分離和制備等)中鞏固基于價態和類別的二維認識角度,在記憶、概括關聯、說明論證、分析解釋、預測性質和設計檢驗實驗方案等任務中加以應用,從研究對象、認識角度、化學問題、任務類型4個維度構建金屬元素化合物的認識模型(如圖1).

圖1

認識角度是金屬元素化合物認識模型中最核心的變量,是我們分析和解決問題的思維基礎.唯有如此,在面對半熟悉的物質時,才能夠系統預測和設計實驗證明物質的性質;在面對陌生物質,認識角度發生變化時,能夠主動基于類別和價態思考問題.

2 命題熱點解讀

近3年教育部考試中心命制了理綜、單科2種類型的高考化學試卷,理綜又分為卷Ⅰ(乙)、卷Ⅱ(甲)、卷Ⅲ(丙)等形式,其中有關金屬元素化合物的考查情況如表1所示.

表1

選擇題中有關金屬及其化合物的設問都側重基礎,主要以教材中的Na、Mg、Al、Fe、Cu、Ag等金屬元素化合物為載體,在考生比較熟悉的情境下巧妙設問,考查基礎知識和基本技能、反應原理、簡單計算、實驗操作、實驗現象、結論的評價等;非選擇題中則可能考查書本中金屬元素化合物的遷移應用,可以涉及Pb、Zn、Mn、Cr、V等陌生金屬元素化合物的性質(化合價、化學方程式、離子方程式、反應原理等)、制備等,主要考查方式分別以制備工藝或實驗流程、物質反應或性質為核心.

3 考查視角分析

3.1 金屬元素化合物的性質和應用及其因果關系

表2歸納了常見金屬單質、氧化物、氫氧化物、鹽和合金的重要性質和應用.

表2

例1 (2016年江蘇卷)下列有關物質的性質與用途具有對應關系的是( ).

A SO2具有氧化性,可用于漂白紙漿;

B NH4HCO3受熱易分解,可用作氮肥;

C Fe2(SO4)3易溶于水,可用作凈水劑;

D Al2O3熔點高,可用作耐高溫材料

SO2用于漂白紙漿是利用其漂白性,選項A錯誤;NH4HCO3用作氮肥是因為其中含有氮元素,易被農作物吸收,選項B錯誤;Fe2(SO4)3用作凈水劑是因為鐵離子水解生成氫氧化鐵膠體,吸附水中懸浮的雜質,選項C錯誤;Al2O3熔點高,可用作耐高溫材料,選項D正確.答案為D.

誤區警示 解答此類試題,首先要了解常見物質的性質、用途及其一一對應的因果關系,其次要對各個選項逐一分析,關鍵是注意相關基礎知識的積累.

3.2 金屬元素化合物的轉化關系和反應原理

常見金屬元素化合物的主要轉化關系較多,可以按照“金屬單質、氧化物、氫氧化物、鹽”的相互轉化關系進行總結.

例2 (2015年山東卷)某化合物由2種單質直接反應生成,將其加入Ba(HCO3)2溶液中同時有氣體和沉淀產生.下列化合物符合上述條件的是( ).

A AlCl3; B Na2O;

C FeCl2; D SiO2

AlCl3可由Al和Cl2直接化合生成,AlCl3與Ba(HCO3)2溶液混合時發生雙水解反應(互相促進對方的水解平衡右移且進行到底),生成CO2氣體和Al(OH)3沉淀,選項A正確;Na2O可由Na與O2常溫下化合生成,Na2O與Ba(HCO3)2溶液混合時發生反應,有BaCO3沉淀產生,但無氣體產生,選項B錯誤;Fe和Cl2直接反應生成FeCl3,選項C錯誤;SiO2可由Si和O2直接化合生成,SiO2不溶于水,也不能與Ba(HCO3)2溶液反應,選項D錯誤.答案為A.

知識鏈接 1)堿性氧化物＋水→可溶性堿(NaOH、Ca(OH)2等),難溶性堿堿性氧化物＋水;2)Cl2與金屬化合時生成高價金屬氯化物(FeCl3、 CuCl2等);3)金屬單質與非氧化性酸溶液反應的實質是M＋nH＋→Mn＋＋H2↑,金屬單質與氧化性酸(濃硫酸、硝酸)反應時,不再是H＋作氧化劑,故不產生H2(產生SO2、NO2、NO等),Fe、Al遇冷的濃H2SO4或濃HNO3鈍化,鈍化屬于化學變化.

3.3 常見金屬陽離子的檢驗

1)用NaOH溶液檢驗:產生藍色沉淀的是Cu2＋,產生紅褐色沉淀的是Fe3＋,先產生白色沉淀后迅速變成灰綠色最終變為紅褐色的是Fe2＋,先產生白色沉淀、繼續加入NaOH溶液白色沉淀又會逐漸消失的是Al3＋.2)用焰色反應檢驗:火焰呈紫色(透過藍色鈷玻璃)的是K＋,火焰呈黃色的是Na＋.3)加入KSCN溶液呈紅色的是Fe3＋,先加KSCN溶液無現象、后加新制氯水呈現紅色或加K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液產生藍色沉淀的是Fe2＋.

例3 (2016年課標卷Ⅱ)某同學取10mL、0.1 mol·L－1KI溶液,加入6mL、0.1mol·L－1FeCl3溶液混合.分別取2mL此溶液于3支試管中進行如下實驗:

①第1支試管中加入1mLCCl4充分振蕩、靜置,CCl4層顯紫色;

②第2支試管中加入1滴K3[Fe(CN)6]溶液,生成藍色沉淀;

③第3支試管中加入1滴KSCN溶液,溶液變紅.

實驗②檢驗的離子是________(填離子符號);實驗①和③說明:在I－過量的情況下,溶液中仍含有________(填離子符號),由此可以證明該氧化還原反應為________.

Fe2＋與黃色的鐵氰化鉀溶液反應生成藍色的鐵氰化亞鐵沉淀,反應的離子方程式為3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－＝Fe3[Fe(CN)6]2↓,則實驗②檢驗的離子是Fe2＋;由實驗①推斷,KI與FeCl3溶液發生氧化還原反應,生成物含有I2;實驗③說明I－過量的情況下,溶液中仍含有Fe3＋;由上述現象推斷,Fe3＋沒有被完全還原為Fe2＋,即KI與FeCl3的氧化還原反應是可逆反應,即

答案 Fe2＋,Fe3＋,可逆反應.

知識鏈接 物質檢驗的一般要求:1)反應要有良好的選擇性、反應速率要快,并且能夠完全反應;2)反應要有明顯的外部特征,如溶液顏色的改變、沉淀的生成或溶解、氣體的產生等;3)要排除干擾物質的影響,如用Ba2＋檢驗的存在,要排除等離子的干擾,如用Ag＋檢驗Cl－、Br－、I－的存在,要排除等離子的干擾.

3.4 金屬元素化合物的分離提純

常見混合物的化學除雜試劑及方法如表3所示.

表3

例4 (2016年上海卷)下列除去雜質的方法正確的是( ).

A 除去N2中的O2:通過灼熱的CuO粉末,收集氣體;

B 除去Cl2中的少量HCl:通過飽和NaHCO3溶液,收集氣體;

C 除去FeCl2溶液中的少量FeCl3:加入足量鐵屑,充分反應后過濾;

D 除去KCl溶液中的少量MgCl2:加入適量NaOH溶液過濾

CuO與O2不反應,Cu能與O2反應,應通過灼熱的銅網除雜,故選項A錯誤;NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2↑,因此用飽和NaHCO3溶液洗氣雖然能除去舊雜質,但是會引入新雜質CO2,應先后用飽和食鹽水、濃硫酸洗氣除雜,故選項B不正確;FeCl3與鐵反應生成FeCl2,能將雜質除去且不引入新雜質,故選項C正確;加入適量NaOH,雖然能除去舊雜質Mg2＋,但是會引入新生成的NaCl雜質,故選項D錯誤.答案為C.

技巧點撥 選擇物質分離提純的試劑和方法是高考熱點之一,基本原則是不增(不引入新的雜質)、不減(不減少被提純的物質)、易分離(被提純的物質與雜質易分離)、易復原(被提純的物質易復原).

3.5 制備化學工藝或實驗流程分析

制備化學工藝或實驗流程題取材于真實的工業生產和日常生活,與生產、生活以及科研前沿相結合,以物質的實際工業或實驗合成流程為情境,設置基本概念、反應及轉化、反應原理和實際工業或實驗操作等相關問題,除了考查知識和能力外,還考查信息素養,反應或操作流程取材的真實性也體現了化學學科的應用價值,發揮了試題的教育功能.

例5 (2015年浙江卷)某同學采用硫鐵礦焙燒取硫后的燒渣(主要成分為Fe2O3、SiO2、Al2O3,不考慮其他雜質)制取FeSO4·7H2O,設計了如圖2所示流程.下列說法不正確的是( ).

圖2

A 溶解燒渣選用足量硫酸,試劑X選用鐵粉;

B 固體1中一定含有SiO2,控制pH是為了使Al3＋轉化為Al(OH)3,進入固體2;

C 從溶液2得到FeSO4·7H2O產品的過程中,須控制條件防止其氧化和分解;

D 若改變方案,在溶液1中直接加入NaOH至過量,得到的沉淀用硫酸溶解,其溶液經結晶分離也可得到FeSO4·7H2O

流程圖中目標產物是FeSO4·7H2O,由此逆推,溶解燒渣不能選用會引入雜質的硝酸、鹽酸等酸,只能選足量硫酸溶解堿性氧化物Fe2O3和兩性氧化物Al2O3,但不能溶解酸性氧化物SiO2,過濾所得固體1中一定含有SiO2;溶液1中氧化性較強的Fe3＋不能選擇會引入雜質的銅粉等還原,只能選擇足量鐵粉還原為Fe2＋,而Al3＋則不能被鐵粉還原,選項A正確.加入NaOH溶液控制pH的目的是使Al3＋轉化為Al(OH)3,進入固體2,選項B正確.由于Fe2＋容易被O2氧化為Fe3＋,因此溶液2通過蒸發濃縮、冷卻結晶制取FeSO4·7H2O時,必須控制條件防止其氧化和分解,選項C正確.先在溶液1中直接加入NaOH至過量得到Fe(OH)3沉淀,用硫酸溶解得Fe2(SO4)3溶液,經結晶分離不能得到FeSO4· 7H2O,選項D錯誤.答案為D.

技巧點撥 解答此類工藝流程題的常用方法是首尾分析法,對線型工藝流程(從原料到產品)試題,首先對比分析流程圖的第1種物質(原材料)與最后一種物質(產品),從中找出它們的關系,弄清有關轉化的反應原理、除雜、分離、提純的工藝,再結合題設問題逐一解答.

3.6 金屬元素化合物的性質實驗方案的設計與評價

主要涉及鈉、鋁、鐵、銅元素化合物的性質實驗操作、現象、目的、結論的正誤及其因果關系的辨別,呈現考査內容綜合化、操作敘述規范化、考查形式分散化等趨勢,使幾個實驗或列表或敘述濃縮于一道題中,這種微型綜合,可以以小見大地考查出考生對多個實驗的掌握情況,操作的規范化敘述可以檢驗考生的縝密習慣.

例6 (2015年全國卷Ⅰ)下列實驗中,對應的現象及結論都正確且兩者具有因果關系的是( ).

選項 實驗 現象 結論A將稀硝酸加入過量鐵粉中,充分反應后滴加KSCN溶液有氣體生成,溶液呈血紅色稀硝酸將Fe氧化為Fe3＋B 將銅粉加入1.0mol·L－1Fe2(SO4)3溶液中溶液變藍、有黑色金屬鐵比銅活潑固體出現C用坩堝鉗夾住一小塊用砂紙仔細打磨過的鋁箔在酒精燈上加熱熔化后的液態鋁滴落下來金屬鋁的熔點較低D將0.1mol·L－1MgSO4溶液滴入NaOH溶液至不再有沉淀產生,再滴加0.1 mol·L－1CuSO4溶液先有白色沉淀生成后變為淺藍色沉淀Cu(OH)2的溶度積比Mg(OH)2的小

稀硝酸與過量的Fe充分反應,生成硝酸亞鐵、NO氣體和水,無Fe3＋生成,所以加入KSCN溶液后不變紅色,現象錯誤,選項A錯誤;Cu與Fe2(SO4)3發生氧化還原反應,生成CuSO4和FeSO4,而不會發生置換反應,無黑色固體出現,現象錯誤,選項B錯誤;鋁在空氣中加熱生成氧化鋁,其熔點較高,所以內部熔化的鋁不會滴落,而是被一層膜兜起來,現象錯誤,選項C錯誤;MgSO4、CuSO4的濃度相同,且滴入的NaOH溶液不過量,在如此控制變量的情況下,生成的白色沉淀轉化為淺藍色沉淀,能說明組成類似的2種物質的溶度積:Ksp(Mg(OH)2)＞Ksp(Cu(OH)2),選項D正確.答案為D.

知識鏈接 化學實驗方案設計和評價的基本原則主要有4條:1)科學性,實驗原理、操作順序、操作方法等科學合理;2)可行性,原理可行,選用的藥品、儀器、設備及實驗方法能夠滿足要求;3)簡約性,裝置或方法簡單,步驟少、節約藥品,符合綠色化學的要求;4)安全性,避免使用有毒藥品或進行危險性的實驗操作,有毒氣體的尾氣處理.

3.7 以元素反應和性質為核心的考查方式

一種是以物質之間的反應和轉化框圖為基礎,將物質反應的特征現象或者特征性質作為信息,要求結合這些信息推斷出具體的物質,再解答問題.另一種是題干中直接給出要考查的元素及其化合物的信息,后面的問題圍繞該元素及化合物的性質、分析滴定、氧化還原及電化學以及實驗基本操作等方面綜合考查該元素及其化合物的性質.

例7 (2016年全國課標卷I,第27(1)(4)題)元素鉻(Cr)在溶液中主要以Cr3＋(藍紫色)、(綠色)、(橙紅色)(黃色)等形式存在,Cr(OH)3為難溶于水的灰藍色固體,回答下列問題:

(1)Cr3＋與Al3＋的化學性質相似,在Cr2(SO4)3溶液中逐滴加入NaOH溶液直至過量,可觀察到的現象是________.

(2)＋6價鉻的化合物毒性較大,常用NaHSO3將廢液中的還原成Cr3＋,反應的離子方程式為________.

(1)由于Cr3＋與Al3＋的化學性質相似,利用相似性類推可知,在Cr2(SO4)3溶液中逐滴加入NaOH溶液直至過量的過程中,先后發生如下反應:Cr3＋＋3OH－＝Cr(OH)3↓,藍紫色溶液變淺,同時有灰藍色沉淀生成沉淀逐漸溶解形成綠色溶液.(2)NaHSO3是還原劑,其電離出的中硫元素由＋4價升高到＋6價,被氧化為是氧化劑,其中鉻元素由＋6價降低到＋3價,由最小公倍數法、酸性介質、電荷守恒、原子守恒可配平得出正確的化學方程式.

答案 (1)藍紫色溶液變淺,同時有灰藍色沉淀生成,然后沉淀逐漸溶解,形成綠色溶液.

技巧點撥 在金屬元素化合物的復習過程中,要注重科學方法以及知識的綜合性和系統性,注重結合元素周期律總結性質的基本規律,不拘泥于教材中主要介紹的那幾種元素,注重基本概念和方法,加強與反應原理、實驗操作等方面知識內容的融合,在復習相關知識的關系中要注重運用合適的科學方法.

(作者單位:廣東佛山市高明區紀念中學)