中学化学中的反常现象

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中学化学的知识点将近有多个,通过对已学的知识进行归类总结、揭示规律,是人们了解事物、认识事物的重要途径。然而不少学生对这些特殊性的知识点的认识与理解不够深刻,因为没有物理中的定律、数学中的定理那样严密,所以也往往容易忽视这些普遍规律中的“反常点”,对于一些特殊情况,如不引起注意,易造成判断不正确、分析不全面而导致失误。因此,在学习过程中不但要运用已学的知识去认识掌握一般的规律,而且要分析制约规律的因素和存在的条件,掌握物质的个性,处理好“共性”和“个性”,“一般”和“特殊"的关系就显得十分重要。下面就中学化学中常见的反常规情况作如下探讨。

⒈弱酸能制强酸

在复分解反应的规律中,一般只能由强酸制弱酸。但向CuCl2溶液中滴加氢硫酸可制盐酸;

CuCl2+H2S=CuS↓+2HCl,

此反应为弱酸制强酸的特殊情况。

原因为CuS难溶于强酸中。同理用H2S与Pb(NO3)2反应可制HNO3,因为PbS常温下难与HNO3反应。

⒉还原性弱的物质可制还原性强的物质

氧化还原反应中物质氧化性还原性的强弱比较的基本规律如下:

氧化性强弱为:氧化剂>氧化产物;

还原性强弱为:还原剂>还原产物;

氧化性强弱为:氧化剂的氧化性>氧化产物的氧化性

还原性强弱为:还原剂的还原性>还原产物的还原性

但工业制硅反应SiO2+2C=(高温)Si十2CO↑中还原性弱的碳能制还原性强的硅。

原因是上述规则只适用于溶液中(即通常情况),而此反应为高温下的气相反应。

又如钾的还原性比钠强,铷的还原性比钙强,但工业上可用Na制K,用Ca制Rb,

Na+KCl=(高温)K↑+NaCl

Ca+2ReCl=(△)2Re+CaCl2

原因是K的沸点比Na低,Rb的沸点比Ca低,可以控制反应温度使K、Rb为蒸气而溢出,使生成物浓度减小,反应向正方向进行.

⒊氢后面的金属也能与酸发生置换反应

一般只有氢前面的金属才能置换出酸或水中的氢,但Cu和Ag能发生如下反应:

Cu+H2S=CuS↓+H2↑

2Ag+2HI=2AgI↓+H2↑

原因是CuS和AgI溶解度极小.有利于化学反应向正方向移动.

⒋锡铅活动性反常

元素的金属性或非金属性较强,其单质不活泼。一般情况下,元素的金属性或非金属性较强,其单质也越活泼。但对于少数元素的原子及其单质活泼性则表现出不匹配的关系。根据元素周期律知识可知:同主族元素的金属性从上至下逐渐增强。即Pb>Sn。但金属活动顺序表中Sn>Pb。

原因是比较的条件不同,前者指气态原子失电子时铅比锡容易,而后者则是指在溶液中单质锡比单质铅失电子容易。

⒌溶液中活泼金属单质不能置换出不活泼金属

一般情况下,在溶液中活泼金属单质能置换不活泼金属。但Na、K等非常活泼的金属却不能把相对不活泼的金属从其盐溶液中置换出来。如Na和CuSO4溶液反应不能置换出Cu,原因是:

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

CuSO4+2NaOH=Cu(OH)2↓+Na2SO4

⒍原子活泼,其单质不活泼

一般情况下,若原子越活泼,其单质也越活泼。但少数非金属原子及其单质活泼性则表现出不匹配的关系。如非金属性O>Cl,但O2分子比Cl2分子稳定,N的非金属性比P强,但N2比磷单质稳定得多,甚至可代替稀有气体做某些物质的保护气。

原因是分子中原子间化学键结合程度大小影响分子的性质,N2分子中化学键键能很大,难拆开,故不易参加反应。

⒎Hg、Ag与O2、S反应反常

一般物质的氧化性或还原性越强,反应越剧烈,条件越容易.例如O2、S分别与金属反应时,一般O2更容易些。但它们与Hg、Ag反应时出现反常,且硫在常温下就能发生如下反应:

Hg+S=HgS

若不小心汞滴散落在桌上,就可用硫磺与之反应.

(注意硫的价态,硫与具有可变化合价的金属单质反应时,一般生成低价的金属硫化物,但该反应中生成高价的金属硫化物.)

⒏卤素及其化合物有关特性

卤素单质与水反应通式为:X2十H2O=HX+HXO,而F2与水的反应放出O2,AgX难溶于水且有感光性。而AgF溶于水无感光性;CaX2易溶于水,而CaF2难溶千水;F没有正价而不易形成含氧酸。(X=Cl、Br、I)

⒐硅的反常性质

硅在常温下很稳定,但自然界中没有游离态的硅而只有化合态,原因是硅以化合态存在更稳定;—般只有在金属活动性顺序表中氢前面的活泼金属才能置换酸或水中的氢,而非金属硅却能与强碱溶液反应产生H2。

原因是硅表现出一定的金属性,在碱作用下还原水电离出的H+而生成H2。

非金属一般不能置换酸中的氢,但硅能置换氢氟酸中的氢。

Si+4HF=SiF4↑+2H2↑

⒑铁、铝与浓硫酸、浓硝酸发生钝化

常温下,铁、铝分别与稀硫酸和稀硝酸反应,而浓硫酸或浓硝酸却能使铁、铝钝化。

原因是浓硫酸、浓硝酸具有强氧化性,使它们表面生成了一层致密的氧化膜。(注发生钝化并不意味着未发生反应)

⒒酸性氯化物与酸反应

一般情况下,酸性氧化物不与酸反应,但下面反应却反常:

SO2+2H2S=3S↓+2H20

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2↑

前者发生氧化还原反应,后者生成气体SiF4,有利于反应进行.

⒓酸可与酸反应

—般情况下,酸不与酸反应,但氧化性酸与还原性酸能反应。例如:硝酸、浓硫酸可与氢碘酸、氢溴酸及氢硫酸等反应。如

H2S+H2SO4(浓)=2H2O+SO2↑+S↓

思考:能否用浓硫酸来制取硫化氢、溴化氢、碘化氢气体?

⒔碱可与碱反应

一般情况下,碱与碱不反应,但络合能力较强的一些难溶性碱却可溶解在弱碱氨水中.如AgOH溶于氨水生成Ag(NH3)20H;Cu(OH)2溶于氨水生成[Cu(NH3)4](OH)2。

⒕改变气体压强平衡不移动

对于反应体系中有气体参与的可逆反应,改变压强,平衡移动应符合勒夏特列原理。例如对于气体化学计量数不相等的反应:N2+3H2=(高温高压催化剂)2NH3,反应达到平衡后,在恒温恒容下,充入稀有气体时,压强增大,但平衡不移动,因为稀有气体不参与反应,N2、H2、NH3的平衡浓度并没有改变,化学反应速率未变。

⒖强碱弱酸盐溶液显酸性

盐类水解后溶液的酸碱性判断方法为:“谁弱谁水解,谁强显谁性”。强碱弱酸盐水解后一般显碱性,但NaHSO3和NaH2PO4溶液却显酸性。

原因是HSO3-和H2PO4-的电离程度大于它们的水解程度。

以NaH2PO4的水溶液为例加以说明,H2PO4-既能电离又能水解,在水溶液中,电离H2PO4-=H++HPO42-使溶液呈酸性,水解H2PO4-+H2O=H3PO4+OH-使溶液呈碱性,H2PO4-的电离程度大于它的水解程度,故NaH2PO4溶液显酸性.

⒗原电池电极反常

原电池中,一般负极为相对活泼金属。但Mg、Al电极和NaOH溶液组成的原电池中,负极应为Al而不是Mg,因为Mg与NaOH不反应

其负极电极反应为:

2Al+80H--6e-=2Al02-+4H2O

思考:构成原电池的两电极中被腐蚀了的一极一定是相对活泼的金属吗?

⒘有机物中不饱和键的加成

有机物中若含有不饱和键,如C=C、-C≡C—、-C=O、-C≡N等,可以在一定条件下发生加成反应,但酯类或羧酸中一C=O一般很稳定,在中学阶段不考虑其加成。

⒙稀有气体也可以发生化学反应

稀有气体结构稳定,性质极不活泼,但在特殊条件下也能发生化学反应,目前世界上已合成多种含稀有气体元素的化合物,如XePtF6、XeF4等

⒚溶液的密度与浓度的关系反常

一般来说溶液浓度越大,其密度越大,但对氨水和酒精溶液,浓度越大,密度越小.

⒛电离能力的反常

一般来说可溶性的强酸、强碱、及大多数盐均属于强电解质,在溶液中反应时可以写成离子形式,但(CH3COO)2Pb尽管可溶于水,然它属于弱电解质,故下列反应:

(CH3COO)2Pb+H2S=PbS↓+2CH3COOH,不可改写成离子形式。

21.金刚石和石墨的反常

金刚石和石墨均含碳碳共价键,但是石墨的熔点却比金刚石高尽管金刚石和石墨均有碳碳共价键,但是石墨除了碳碳单键外,每一个碳原子将多余的一个自由电子与其他碳原子形成大的离域π键.石墨,是层状结构,C原子sp2杂化,与3个C原子形成西格玛键,未杂化的1个p轨道形成大派键.金刚石,是空间网状结构,C原子sp3杂化,与4个C原子成键.sp2杂化中,s轨道的成分比sp3杂化更多,所以形成的共价键更短,更牢固,即石墨的层内共价键键长比金刚石的的键长短,作用力更大,破坏化学键需要更大能量.所以石墨的熔点比金刚石高。

22.钯(Pd)元素在元素周期表中位置的反常

元素周期表46号元素钯(Pd)最外层电子有18个,而且只有四个电子层却排在了第五周期。

原子结构存在规律,但不是绝对的,也有反常特例。

主族是规律性很强的,没有反常。

过渡元素中,第四周期也很有规律,第五周期开始的第二、第三过渡系及镧系、锕系元素中的反常很多。

钯,就是唯一的最外层18电子的,但还是要算是第五周期的元素,可以理解为d轨道全充满,使其更稳定,也可理解为5s与4d的能量很接近。d轨道不是最外层,是次外层,但能量要高于最外层。根据能量最低原则,46号元素应该先排5s轨道再排4d轨道(可以参考鲍林能级图),这是电子排布的钻穿效应。这里钯元素电子钻穿效应是最特殊的,10个电子将d轨道排满时最稳定(洪特规则),但是它还是有外层轨道的,只不过没有电子罢了,事实上46号外层是5s04d10。

23.化学实验中反常规情况

(1)使用指示剂时,应将指示剂配成溶液,但使用pH试纸则不能用水润湿,因为润湿过的pH试纸会稀释溶液,影响溶液pH的测定。

(2)胶头滴管操作应将它垂直于试管口上方1-2cm处,否则容易弄脏滴管而污染试剂。但向FeSO4溶液中滴加NaOH溶液时,应将滴管伸入液面以下,防止带入O2而使生成的Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3。(配制溶液的蒸馏水必须是新鲜煮沸,且要用油封)

(3)使用温度计时,温度计一般应插入液面以下;但蒸馏时,温度计不插入液面下而应在蒸馏烧瓶支管口附近,以便测量馏分温度。

24.物质的物理性质反常

(1)物质熔点反常

VA主族的元素中,从上至下,单质的熔点有升高的趋势,但铋的熔点比锑低;IVA主族的元素中,锡铅的熔点反常。

常温下三种物质(汞、钾钠合金、水)的状态反常。

过渡元素金属单质通常熔点较高,而Hg在常温下是液态,是所有金属中熔点最低的;合金通常为固态,而钾钠合金为液态。

非金属元素的单质在通常情况下是气体或固体,唯有溴是液体。

非金属氢化物通常为气态,而氧的氢化物即水却为液态,氢化物熔点反常。

对于结构相似,相对分子质量越大,沸点越高,但在同系列氢化物中HF、H2O、NH3沸点反常,原因是它们易形成氢键.

⑵沸点反常

常见的沸点反常有如下两种情况:

①IVA主族元素中,硅、褚沸点反常;VA主族元素中,锑、铋沸点反常。

②氢化物沸点反常,对于结构相似,相对分子质量越大,沸点越高,但在同系列氢化物中HF、H2O、NH3沸点反常,原因是它们易形成氢键。

(3)密度反常

碱金属单质从上至下密度有增大的趋势,但钠钾反常;碳族元素单质中,金刚石和晶体硅密度反常。

(4)导电性反常

一般非金属单质导电性差,为非导体,但硅为半导体,石墨是良导体,C60可做超导材料.

(5)物质溶解度反常

相同温度下,一般正盐的溶解度小于其对应的酸式盐,但Na2C03溶解度大于NaHCO3;如向饱和的Na2CO3溶液中通入足量CO2,其离子方程式为:

2Na++CO32-+CO2+H20=2NaHCO3

若温度改变时,溶解度一般随温度的升高而增大,但Ca(OH)2的溶解度随温度的升高而减小。

通过对上述反常规情况分析可知,高中化学中的反常规情况属于特殊规律。只有充分认识一般规律,才能掌握特殊规律。因此,在化学学习中,要以不变应万变,灵活运用,既要做到举一反三,又要做到具体问题具体分析,这样才能完善自己的知识体系,有利于思维能力的培养与提高。




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