學科關鍵能力視角認識鈉及其化合物

■趙玉雙(博士)

學科關鍵能力作為高考重要的考查目標,是測試和評價的核心指標和因素。對化學學科關鍵能力的評述有很多,可以說是百家爭鳴,本文借助王磊教授提出的“3×3”的化學學科能力要素,以鈉及其化合物為知識載體,探討新高考形勢下本部分知識內容的命題方向?！?×3”的化學學科能力要素:學習理解(辨識記憶、概括關聯、說明論證)、應用實踐(分析解釋、推論預測、簡單設計)、遷移創新(復雜推理、系統探究、創新思維)。

鈉及其化合物是常見的無機物及其應用主題下金屬及其化合物的典型代表。鈉及其化合物的學習目標:

(1)了解鈉元素在自然界的存在形式。

(2)掌握鈉的結構、物理性質、化學性質、冶煉和用途等方面知識。

(3)掌握鈉的重要化合物(如Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3)的主要性質和在生產、生活中的應用。

(4)掌握鈉及其化合物之間的相互轉化規律,并能夠正確書寫相應的化學(離子)方程式。

(5)掌握用焰色試驗檢驗Na+、K+的方法。

(6)通過以上內容的學習,掌握學習一種物質的一般思路和方法,掌握“結構決定性質,性質反映結構”的學科思想。

下面從學科關鍵能力視角出發,借助鈉及其化合物的“物質類別—元素價態”二維圖(如圖1),從概念性知識的學習理解(A 層級,A1 辨 識 記 憶、A2 概 括 關 聯、A3 說 明 論證)、應用實踐(B層級,B1分析解釋、B2推論預測、B3簡單設計)、遷移創新(C層級,C1復雜推理、C2系統探究、C3創新思維),分析新高考形勢下經典命題方向及解題策略。

圖1

一、鈉及其化合物基礎知識

例1 下列關于鈉的說法不正確的是( )。

A.銀白色、柔軟

B.密度比水小

C.與水反應生成氫氣

D.在空氣中燃燒生成氧化鈉

答案:D

考點分析:由鈉及其化合物的“物質類別—元素價態”二維圖可知金屬鈉可以轉化為氧化鈉、過氧化鈉、氫氧化鈉,需要熟悉相應的反應方程式。鈉及其化合物的名稱、俗名、物理性質、化學性質、典型實驗現象及應用、主要反應的化學方程式均屬于A1 辨識記憶類知識,此類試題考查相關題目的難度較小,做此類題目只需關注課本內容,梳理關聯知識點,識記即可。

例2 下列有關試劑的保存方法不正確的是( )。

A.Na保存于煤油中

B.過氧化鈉應密封保存

C.濃硝酸保存于無色試劑瓶中

D.濃硫酸保存于鐵質容器中

由鈉及其化合物的“物質類別-元素價態”二維圖可梳理出鈉及其化合物之間的轉化關系,鈉可以和空氣中氧氣、水反應,因此Na不能在空氣中放置,鈉的密度比煤油大,且不和煤油反應,實驗室中常將鈉保存在煤油中,A 項正確。過氧化鈉易和空氣中的二氧化碳、水蒸氣反應,應密封保存,B項正確。濃硝酸對光不穩定,見光分解為二氧化氮、氧氣、水,應保存于棕色試劑瓶中,C項錯誤。常溫下,鐵遇到濃硫酸鈍化,故可將濃硫酸保存于鐵質容器中進行運輸,D 項正確。

答案:C

考點分析:本題中A、B 選項均可利用“物質類別—元素價態”二維圖來判斷,鈉很活潑,極易在空氣中被氧化,且在空氣中燃燒后生成過氧化鈉,過氧化鈉還能繼續與水、二氧化碳反應。建立鈉單質及其化合物的性質、保存方式及應用之間的關聯,屬于A2概括關聯層級,整體考查相關題目的難度較小,做此類題目只需關注課本知識,識記即可。若考查A、B選項的原因,那么難度上升為B1分析解釋層級,利用鈉及其化合物的性質及轉化關系,分析解釋生活中的問題。

例3 為研究Na 的性質,進行如下實驗。

____________________________________________________________實驗裝置液體a 現象___________蒸餾水 Ⅰ.Na浮在液面上,劇烈反應,產生少量白霧______images/BZ_44_287_1312_428_1539.png0.1mol·L-1鹽酸Ⅱ.Na浮在液面上,反應比Ⅰ中劇烈,產生白霧____濃鹽酸Ⅲ.Na浮在液面上,反應比Ⅰ中緩慢,產生大量白______________________________霧,燒杯底部有白色固體

下列說法中,不正確的是( )。

A.Ⅰ中現象說明Na與水反應放熱

B.Ⅰ中反應的離子方程式為2Na+2H2O2Na++2OH-+H2↑

C.Ⅲ中白霧比Ⅱ中多,說明Ⅲ中反應放熱比Ⅱ中更多

D.推測Ⅲ中反應緩慢可能與c(Cl-)以及生成的白色固體有關

Na投入到蒸餾水中,可與水發生反應,生成氫氣和氫氧化鈉,教材中該反應典型的現象是“浮、游、響、動、紅”,A 項正確。Na與水反應的離子方程式為2Na+2H2O2Na++2OH-+H2↑,B項正確。濃鹽酸易揮發,對照實驗Ⅲ和Ⅱ,氫離子濃度增加,鈉與氫離子反應放熱增加,同時除有揮發的水蒸氣外,還有揮發出的HCl氣體遇到空氣中水蒸氣呈現更多的白霧,C項錯誤。對照實驗Ⅲ和Ⅱ可知,反應的實質是鈉與氫離子反應,之所以反應緩慢,可能與c(Cl-)以及生成的白色固體有關,詳細分析白色固體為氯化鈉,而氯化鈉形成的原因為濃鹽酸中c(Cl-)較大,促進氯化鈉晶體析出,D 項正確。

答案:C

考點分析:本題利用鈉與水的反應和控制變量思想,推論和預測鈉和稀鹽酸、濃鹽酸的陌生反應的實驗現象,是對鈉及其化合物性質應用的又一提升,屬于B2推論預測層級問題。解決此類問題需要掌握鈉的基本性質,分析出鈉與水反應本質是鈉與水電離出的氫離子反應,進而理解稀鹽酸中氫離子來源,濃鹽酸中氫離子濃度。在關注氫離子濃度的同時還需關注鹽酸溶液的整體性,即其中氯離子濃度的變化。因此D 選項的考查相對于前面選項又增加一個思維難度,是對鈉與水反應的綜合問題的遷移,屬于C1復雜推理層級。

二、鈉及其化合物轉化關系及實驗

例4 以不同類別物質間的轉化為線索,認識鈉及其化合物。

下列分析不正確的是( )。

A.反應③表明CO2具有酸性氧化物的性質

B.反應④說明穩定性NaHCO3強于Na2CO3

C.反應⑤⑥可用于潛水艇中氧氣的供給

D.上述轉化中發生的反應有分解反應、化合反應、置換反應

堿的通性中,與堿反應生成鹽與水的氧化物為酸性氧化物,二氧化碳與氫氧化鈉反應生成碳酸鈉和水,則反應③表明CO2具有酸性氧化物的性質,A 項正確。碳酸氫鈉受熱分解生成碳酸鈉、水、二氧化碳,則反應④說明穩定性Na2CO3強于NaHCO3,B項錯誤。過氧化鈉與水、二氧化碳反應生成產物中有氧氣,日常生活中過氧化鈉可用于潛水艇中氧氣的供給,C 項正確。鈉與O2燃燒生成Na2O2,為化合反應,鈉和水反應置換出氫氣為置換反應,碳酸氫鈉受熱分解為分解反應,D 項正確。

答案:B

考點分析:本題借助轉化關系將考查內容圖表化,主要考查轉化關系中的推理關系,比如反應③堿的通性中與酸性氧化物的反應,反應④考查物質的穩定性,通過轉化關系碳酸氫鈉分解為碳酸鈉,推理說明碳酸氫鈉不穩定。反應⑤⑥利用反應實現性質的應用,關聯真實情境,是對實際生活問題的解釋。因此本題整體難度提升為B2 推論預測層級。

例5 某小組同學進行Na2CO3和NaHCO3性質的探究,實驗如下(夾持裝置已略去,氣密性已檢驗)。_____________________

實驗Ⅰ 實驗Ⅱimages/BZ_45_256_1254_565_1505.pngimages/BZ_45_634_1271_1016_1482.png

(1)實驗Ⅰ,能夠證明Na2CO3的熱穩定性強于NaHCO3的證據是_____。

(2)實驗Ⅱ,方框中為洗氣裝置,請將該裝置補充完整。

(3)實驗Ⅱ,試劑a為____。

(4)實驗Ⅱ,實驗持續一段時間后,觀察到飽和Na2CO3溶液中有細小晶體析出,用化學方程式表示產生細小晶體的原因:____。

(1)實驗Ⅰ中,能夠證明Na2CO3的熱穩定性強于NaHCO3的證據是相同條件下,A 試管中無明顯現象,B試管中澄清石灰水變渾濁,B 中二氧化碳遇到澄清石灰水,澄清石灰水變渾濁,生成碳酸鈣和水,反應的離子方程式是

2OH-+Ca2++CO2H2O+CaCO3↓。

(2)實驗Ⅱ中,圓底燒瓶中盛放碳酸氫鈉固體,滴加稀鹽酸發生反應,生成氯化鈉、二氧化碳和水,離子方程式是HCO-3+H+CO2↑+H2O,生成的二氧化碳中含有揮發的氯化氫雜質,通過飽和碳酸氫鈉溶液,吸收CO2中的HCl雜質,因此除雜的裝置為長管進入,短管導出。

(3)試劑a為飽和碳酸氫鈉溶液。

(4)前述生成的二氧化碳與飽和碳酸鈉溶液反應的化學方程式是CO2+Na2CO3+H2O2NaHCO3↓,由于相同條件下,飽和溶液中碳酸鈉的溶解度大于碳酸氫鈉,所以飽和碳酸鈉溶液中碳酸氫鈉先達到飽和析出晶體沉淀,方程式中標明沉淀符號。

答案:(1)相同條件下,試管A 中無明顯現象,試管B 中產生白色沉淀 (2)(3)飽和NaHCO3溶液

(4)Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3↓

考點分析:碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質差異是本單元學習的重點,利用含鈉元素物質的性質和研究無機物性質的思路方法,設計簡單實驗研究兩者的差異,屬于B3簡單設計層級。關于除雜裝置的繪制實際考查的是實驗操作能力,除雜一步將試題難度提升為對整個體系的探究,為C2系統探究層級問題。

三、鈉及其化合物與真實情境相聯系的實驗探究

例6 某課外活動小組設計了如圖2所示裝置,驗證二氧化碳跟過氧化鈉反應時需要與水接觸。

裝置分析:

(1)裝置①中反應的離子方程式是_____。

(2)裝置②中的試劑是____(填序號)。

a.飽和NaHCO3溶液

b.飽和Na2CO3溶液

c.濃硫酸

(3)裝置③中的試劑是____。

進行實驗:

步驟1:打開彈簧夾K2,關閉K1,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,將帶火星的木條放在a處。

步驟2:打開彈簧夾K1,關閉K2,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,將帶火星的木條放在a處。

(1)步驟1和步驟2中,a處帶火星的木條產生的實驗現象分別是____。

(2)過氧化鈉跟二氧化碳反應的化學方程式是_____。

實驗反思:

(1)有同學提出質疑:“上述實驗不足以證明有水存在時過氧化鈉跟二氧化碳發生了化學反應。”其理由是____。

(2)需要補充的實驗操作是:取⑤中反應后的少量固體,___。

根據裝置圖和實驗目的判斷出該裝置為證明結論二氧化碳與過氧化鈉反應需要水參與,因此在設計實驗過程首先制備純凈的二氧化碳,然后通入裝置中與過氧化鈉固體反應,為探究水的作用,設置對照組實驗完成控制變量的實驗設計,關鍵因素是變量水的有和無。由上述分析可得出:裝置①是制備二氧化碳的發生裝置;裝置②為除雜裝置,用于除去HCl;要驗證二氧化碳跟過氧化鈉反應時需要與水接觸,裝置④⑤中通入的氣體應該分含水和不含水兩種,本實驗中沒有額外加入水,而是借助水蒸氣作為反應物,從而設置對照組實驗。從除雜裝置②中出來的氣體是帶水蒸氣的,直接通入裝置⑤中,則裝置⑤中是有水蒸氣的,所以裝置④中就是沒有水蒸氣的,因此裝置③是干燥裝置,即除去二氧化碳中的水蒸氣的裝置,由圖示可知為液體干燥劑,常用的干燥二氧化碳氣體的液體干燥劑為濃硫酸;裝置④⑤是對比實驗裝置,用于判斷干燥的二氧化碳是否與過氧化鈉反應;裝置⑥目的為避免空氣中的水、二氧化碳進入裝置④⑤,最后用帶火星的木條檢驗是否生成氧氣,據此分析解答。

裝置分析:(1)裝置①中鹽酸和碳酸鈣反應生成二氧化碳,反應的化學方程式為CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑,離子方程式為CaCO3+2H+Ca2++H2O+CO2↑。

(2)鹽酸易揮發,裝置②應該是用于除去HCl,裝置②中試劑應為飽和碳酸氫鈉溶液,離子方程式為 HCO-3+ H+H2O+CO2↑;飽和碳酸鈉也能吸收二氧化碳;濃硫酸與氯化氫不反應,不能吸收氯化氫。

(3)實驗的目的是驗證二氧化碳跟過氧化鈉反應時需要與水接觸,裝置④⑤中通入的氣體應該一個有水蒸氣,一個沒有,從而做對照實驗。從裝置②中出來的氣體帶有水蒸氣,直接通入裝置⑤中,則裝置⑤中反應與水接觸。裝置④中應為不與水接觸,因此裝置③是除去二氧化碳中的水蒸氣的液體干燥裝置,裝置內液體為濃硫酸。

進行實驗:(1)步驟1:打開彈簧夾K2,關閉K1,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,裝置④中沒有水蒸氣,則二氧化碳不能和過氧化鈉反應,不能生成氧氣,所以a處帶火星木條不復燃。步驟2:打開彈簧夾K1,關閉K2,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,裝置⑤中有水蒸氣,則二氧化碳能和過氧化鈉反應生成氧氣,所以a處帶火星木條復燃。

(2)過氧化鈉跟二氧化碳反應的化學方程式是2Na2O2+2CO2Na2CO3+O2。

實驗反思:(1)水與過氧化鈉也能夠發生反應生成氧氣,不能證明二氧化碳與過氧化鈉反應生成了氧氣,由此可見檢驗氧氣的生成與否已不是該反應的特征現象了。

(2)從證明反應發生與否的角度還可以檢驗另一種生成物碳酸鈉,因此需要補充的實驗操作是取裝置⑤中反應后的少量固體,加入稀鹽酸,將產生的氣體通入澄清石灰水中,觀察是否變渾濁,從而驗證過氧化鈉與二氧化碳是否反應生成了碳酸鈉。

答案:

裝置分析:(1)CaCO3+2H+Ca2++H2O+CO2↑ (2)a (3)濃硫酸

進行實驗:(1)步驟1 中木條不復燃,步驟2中木條復燃

(2)2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2

實驗反思:(1)氣體中有水,水也可與Na2O2反應產生O2使木條復燃

(2)加入稀鹽酸,將產生的氣體通入澄清的石灰水中

考點分析:本題作為一道實驗探究題目,探究目的在題干中給出:驗證二氧化碳與過氧化鈉反應時需要與水接觸。由此可以看出探究目的也能得到探究結論,但是探究過程需要先理解裝置圖,根據探究目的思考每一步中裝置的作用。本題也是解決真實情境的問題,即二氧化碳與過氧化鈉反應是否需要有水參與。因此該題目進而轉化為探究反應能否發生,及證明反應發生的證據推理。因此在實驗反思步驟中提出證明生成物碳酸鈉的方案,屬于C3創新思維層級。