◇ 广东 雷范军 吴惠华

金属及其化合物复习探索

◇ 广东 雷范军 吴惠华

金属元素化合物的性质及其应用是化学科学的主要研究对象之一,也是中学化学课程的重要内容之一.虽然课标版教材中金属元素化合物的内容减少了,但是高考对该部分的要求并未降低.为了探索更加有效的复习策略,必须从整体上把握金属元素化合物知识的内容构成、问题结构和能力要求.

1 复习思维导图

北京师范大学王磊教授等认为,金属元素及其化合物复习的重点在于转变和建构认识角度(从基于代表物或物质类别的单一角度过渡到基于价态和类别的二维角度),在系列化和梯度化的问题解决活动(性质、转化、保存、使用、检验、分离和制备等)中巩固基于价态和类别的二维认识角度,在记忆、概括关联、说明论证、分析解释、预测性质和设计检验实验方案等任务中加以应用,从研究对象、认识角度、化学问题、任务类型4个维度构建金属元素化合物的认识模型(如图1).

图1

认识角度是金属元素化合物认识模型中最核心的变量,是我们分析和解决问题的思维基础.唯有如此,在面对半熟悉的物质时,才能够系统预测和设计实验证明物质的性质;在面对陌生物质,认识角度发生变化时,能够主动基于类别和价态思考问题.

2 命题热点解读

近3年教育部考试中心命制了理综、单科2种类型的高考化学试卷,理综又分为卷Ⅰ(乙)、卷Ⅱ(甲)、卷Ⅲ(丙)等形式,其中有关金属元素化合物的考查情况如表1所示.

表1

选择题中有关金属及其化合物的设问都侧重基础,主要以教材中的Na、Mg、Al、Fe、Cu、Ag等金属元素化合物为载体,在考生比较熟悉的情境下巧妙设问,考查基础知识和基本技能、反应原理、简单计算、实验操作、实验现象、结论的评价等;非选择题中则可能考查书本中金属元素化合物的迁移应用,可以涉及Pb、Zn、Mn、Cr、V等陌生金属元素化合物的性质(化合价、化学方程式、离子方程式、反应原理等)、制备等,主要考查方式分别以制备工艺或实验流程、物质反应或性质为核心.

3 考查视角分析

3.1 金属元素化合物的性质和应用及其因果关系

表2归纳了常见金属单质、氧化物、氢氧化物、盐和合金的重要性质和应用.

表2

例1 (2016年江苏卷)下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是( ).

A SO2具有氧化性,可用于漂白纸浆;

B NH4HCO3受热易分解,可用作氮肥;

C Fe2(SO4)3易溶于水,可用作净水剂;

D Al2O3熔点高,可用作耐高温材料

SO2用于漂白纸浆是利用其漂白性,选项A错误;NH4HCO3用作氮肥是因为其中含有氮元素,易被农作物吸收,选项B错误;Fe2(SO4)3用作净水剂是因为铁离子水解生成氢氧化铁胶体,吸附水中悬浮的杂质,选项C错误;Al2O3熔点高,可用作耐高温材料,选项D正确.答案为D.

误区警示 解答此类试题,首先要了解常见物质的性质、用途及其一一对应的因果关系,其次要对各个选项逐一分析,关键是注意相关基础知识的积累.

3.2 金属元素化合物的转化关系和反应原理

常见金属元素化合物的主要转化关系较多,可以按照“金属单质、氧化物、氢氧化物、盐”的相互转化关系进行总结.

例2 (2015年山东卷)某化合物由2种单质直接反应生成,将其加入Ba(HCO3)2溶液中同时有气体和沉淀产生.下列化合物符合上述条件的是( ).

A AlCl3; B Na2O;

C FeCl2; D SiO2

AlCl3可由Al和Cl2直接化合生成,AlCl3与Ba(HCO3)2溶液混合时发生双水解反应(互相促进对方的水解平衡右移且进行到底),生成CO2气体和Al(OH)3沉淀,选项A正确;Na2O可由Na与O2常温下化合生成,Na2O与Ba(HCO3)2溶液混合时发生反应,有BaCO3沉淀产生,但无气体产生,选项B错误;Fe和Cl2直接反应生成FeCl3,选项C错误;SiO2可由Si和O2直接化合生成,SiO2不溶于水,也不能与Ba(HCO3)2溶液反应,选项D错误.答案为A.

知识链接 1)碱性氧化物＋水→可溶性碱(NaOH、Ca(OH)2等),难溶性碱碱性氧化物＋水;2)Cl2与金属化合时生成高价金属氯化物(FeCl3、 CuCl2等);3)金属单质与非氧化性酸溶液反应的实质是M＋nH＋→Mn＋＋H2↑,金属单质与氧化性酸(浓硫酸、硝酸)反应时,不再是H＋作氧化剂,故不产生H2(产生SO2、NO2、NO等),Fe、Al遇冷的浓H2SO4或浓HNO3钝化,钝化属于化学变化.

3.3 常见金属阳离子的检验

1)用NaOH溶液检验:产生蓝色沉淀的是Cu2＋,产生红褐色沉淀的是Fe3＋,先产生白色沉淀后迅速变成灰绿色最终变为红褐色的是Fe2＋,先产生白色沉淀、继续加入NaOH溶液白色沉淀又会逐渐消失的是Al3＋.2)用焰色反应检验:火焰呈紫色(透过蓝色钴玻璃)的是K＋,火焰呈黄色的是Na＋.3)加入KSCN溶液呈红色的是Fe3＋,先加KSCN溶液无现象、后加新制氯水呈现红色或加K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液产生蓝色沉淀的是Fe2＋.

例3 (2016年课标卷Ⅱ)某同学取10mL、0.1 mol·L－1KI溶液,加入6mL、0.1mol·L－1FeCl3溶液混合.分别取2mL此溶液于3支试管中进行如下实验:

①第1支试管中加入1mLCCl4充分振荡、静置,CCl4层显紫色;

②第2支试管中加入1滴K3[Fe(CN)6]溶液,生成蓝色沉淀;

③第3支试管中加入1滴KSCN溶液,溶液变红.

实验②检验的离子是________(填离子符号);实验①和③说明:在I－过量的情况下,溶液中仍含有________(填离子符号),由此可以证明该氧化还原反应为________.

Fe2＋与黄色的铁氰化钾溶液反应生成蓝色的铁氰化亚铁沉淀,反应的离子方程式为3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－＝Fe3[Fe(CN)6]2↓,则实验②检验的离子是Fe2＋;由实验①推断,KI与FeCl3溶液发生氧化还原反应,生成物含有I2;实验③说明I－过量的情况下,溶液中仍含有Fe3＋;由上述现象推断,Fe3＋没有被完全还原为Fe2＋,即KI与FeCl3的氧化还原反应是可逆反应,即

答案 Fe2＋,Fe3＋,可逆反应.

知识链接 物质检验的一般要求:1)反应要有良好的选择性、反应速率要快,并且能够完全反应;2)反应要有明显的外部特征,如溶液颜色的改变、沉淀的生成或溶解、气体的产生等;3)要排除干扰物质的影响,如用Ba2＋检验的存在,要排除等离子的干扰,如用Ag＋检验Cl－、Br－、I－的存在,要排除等离子的干扰.

3.4 金属元素化合物的分离提纯

常见混合物的化学除杂试剂及方法如表3所示.

表3

例4 (2016年上海卷)下列除去杂质的方法正确的是( ).

A 除去N2中的O2:通过灼热的CuO粉末,收集气体;

B 除去Cl2中的少量HCl:通过饱和NaHCO3溶液,收集气体;

C 除去FeCl2溶液中的少量FeCl3:加入足量铁屑,充分反应后过滤;

D 除去KCl溶液中的少量MgCl2:加入适量NaOH溶液过滤

CuO与O2不反应,Cu能与O2反应,应通过灼热的铜网除杂,故选项A错误;NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2↑,因此用饱和NaHCO3溶液洗气虽然能除去旧杂质,但是会引入新杂质CO2,应先后用饱和食盐水、浓硫酸洗气除杂,故选项B不正确;FeCl3与铁反应生成FeCl2,能将杂质除去且不引入新杂质,故选项C正确;加入适量NaOH,虽然能除去旧杂质Mg2＋,但是会引入新生成的NaCl杂质,故选项D错误.答案为C.

技巧点拨 选择物质分离提纯的试剂和方法是高考热点之一,基本原则是不增(不引入新的杂质)、不减(不减少被提纯的物质)、易分离(被提纯的物质与杂质易分离)、易复原(被提纯的物质易复原).

3.5 制备化学工艺或实验流程分析

制备化学工艺或实验流程题取材于真实的工业生产和日常生活,与生产、生活以及科研前沿相结合,以物质的实际工业或实验合成流程为情境,设置基本概念、反应及转化、反应原理和实际工业或实验操作等相关问题,除了考查知识和能力外,还考查信息素养,反应或操作流程取材的真实性也体现了化学学科的应用价值,发挥了试题的教育功能.

例5 (2015年浙江卷)某同学采用硫铁矿焙烧取硫后的烧渣(主要成分为Fe2O3、SiO2、Al2O3,不考虑其他杂质)制取FeSO4·7H2O,设计了如图2所示流程.下列说法不正确的是( ).

图2

A 溶解烧渣选用足量硫酸,试剂X选用铁粉;

B 固体1中一定含有SiO2,控制pH是为了使Al3＋转化为Al(OH)3,进入固体2;

C 从溶液2得到FeSO4·7H2O产品的过程中,须控制条件防止其氧化和分解;

D 若改变方案,在溶液1中直接加入NaOH至过量,得到的沉淀用硫酸溶解,其溶液经结晶分离也可得到FeSO4·7H2O

流程图中目标产物是FeSO4·7H2O,由此逆推,溶解烧渣不能选用会引入杂质的硝酸、盐酸等酸,只能选足量硫酸溶解碱性氧化物Fe2O3和两性氧化物Al2O3,但不能溶解酸性氧化物SiO2,过滤所得固体1中一定含有SiO2;溶液1中氧化性较强的Fe3＋不能选择会引入杂质的铜粉等还原,只能选择足量铁粉还原为Fe2＋,而Al3＋则不能被铁粉还原,选项A正确.加入NaOH溶液控制pH的目的是使Al3＋转化为Al(OH)3,进入固体2,选项B正确.由于Fe2＋容易被O2氧化为Fe3＋,因此溶液2通过蒸发浓缩、冷却结晶制取FeSO4·7H2O时,必须控制条件防止其氧化和分解,选项C正确.先在溶液1中直接加入NaOH至过量得到Fe(OH)3沉淀,用硫酸溶解得Fe2(SO4)3溶液,经结晶分离不能得到FeSO4· 7H2O,选项D错误.答案为D.

技巧点拨 解答此类工艺流程题的常用方法是首尾分析法,对线型工艺流程(从原料到产品)试题,首先对比分析流程图的第1种物质(原材料)与最后一种物质(产品),从中找出它们的关系,弄清有关转化的反应原理、除杂、分离、提纯的工艺,再结合题设问题逐一解答.

3.6 金属元素化合物的性质实验方案的设计与评价

主要涉及钠、铝、铁、铜元素化合物的性质实验操作、现象、目的、结论的正误及其因果关系的辨别,呈现考査内容综合化、操作叙述规范化、考查形式分散化等趋势,使几个实验或列表或叙述浓缩于一道题中,这种微型综合,可以以小见大地考查出考生对多个实验的掌握情况,操作的规范化叙述可以检验考生的缜密习惯.

例6 (2015年全国卷Ⅰ)下列实验中,对应的现象及结论都正确且两者具有因果关系的是( ).

选项 实验 现象 结论A将稀硝酸加入过量铁粉中,充分反应后滴加KSCN溶液有气体生成,溶液呈血红色稀硝酸将Fe氧化为Fe3＋B 将铜粉加入1.0mol·L－1Fe2(SO4)3溶液中溶液变蓝、有黑色金属铁比铜活泼固体出现C用坩埚钳夹住一小块用砂纸仔细打磨过的铝箔在酒精灯上加热熔化后的液态铝滴落下来金属铝的熔点较低D将0.1mol·L－1MgSO4溶液滴入NaOH溶液至不再有沉淀产生,再滴加0.1 mol·L－1CuSO4溶液先有白色沉淀生成后变为浅蓝色沉淀Cu(OH)2的溶度积比Mg(OH)2的小

稀硝酸与过量的Fe充分反应,生成硝酸亚铁、NO气体和水,无Fe3＋生成,所以加入KSCN溶液后不变红色,现象错误,选项A错误;Cu与Fe2(SO4)3发生氧化还原反应,生成CuSO4和FeSO4,而不会发生置换反应,无黑色固体出现,现象错误,选项B错误;铝在空气中加热生成氧化铝,其熔点较高,所以内部熔化的铝不会滴落,而是被一层膜兜起来,现象错误,选项C错误;MgSO4、CuSO4的浓度相同,且滴入的NaOH溶液不过量,在如此控制变量的情况下,生成的白色沉淀转化为浅蓝色沉淀,能说明组成类似的2种物质的溶度积:Ksp(Mg(OH)2)＞Ksp(Cu(OH)2),选项D正确.答案为D.

知识链接 化学实验方案设计和评价的基本原则主要有4条:1)科学性,实验原理、操作顺序、操作方法等科学合理;2)可行性,原理可行,选用的药品、仪器、设备及实验方法能够满足要求;3)简约性,装置或方法简单,步骤少、节约药品,符合绿色化学的要求;4)安全性,避免使用有毒药品或进行危险性的实验操作,有毒气体的尾气处理.

3.7 以元素反应和性质为核心的考查方式

一种是以物质之间的反应和转化框图为基础,将物质反应的特征现象或者特征性质作为信息,要求结合这些信息推断出具体的物质,再解答问题.另一种是题干中直接给出要考查的元素及其化合物的信息,后面的问题围绕该元素及化合物的性质、分析滴定、氧化还原及电化学以及实验基本操作等方面综合考查该元素及其化合物的性质.

例7 (2016年全国课标卷I,第27(1)(4)题)元素铬(Cr)在溶液中主要以Cr3＋(蓝紫色)、(绿色)、(橙红色)(黄色)等形式存在,Cr(OH)3为难溶于水的灰蓝色固体,回答下列问题:

(1)Cr3＋与Al3＋的化学性质相似,在Cr2(SO4)3溶液中逐滴加入NaOH溶液直至过量,可观察到的现象是________.

(2)＋6价铬的化合物毒性较大,常用NaHSO3将废液中的还原成Cr3＋,反应的离子方程式为________.

(1)由于Cr3＋与Al3＋的化学性质相似,利用相似性类推可知,在Cr2(SO4)3溶液中逐滴加入NaOH溶液直至过量的过程中,先后发生如下反应:Cr3＋＋3OH－＝Cr(OH)3↓,蓝紫色溶液变浅,同时有灰蓝色沉淀生成沉淀逐渐溶解形成绿色溶液.(2)NaHSO3是还原剂,其电离出的中硫元素由＋4价升高到＋6价,被氧化为是氧化剂,其中铬元素由＋6价降低到＋3价,由最小公倍数法、酸性介质、电荷守恒、原子守恒可配平得出正确的化学方程式.

答案 (1)蓝紫色溶液变浅,同时有灰蓝色沉淀生成,然后沉淀逐渐溶解,形成绿色溶液.

技巧点拨 在金属元素化合物的复习过程中,要注重科学方法以及知识的综合性和系统性,注重结合元素周期律总结性质的基本规律,不拘泥于教材中主要介绍的那几种元素,注重基本概念和方法,加强与反应原理、实验操作等方面知识内容的融合,在复习相关知识的关系中要注重运用合适的科学方法.

(作者单位:广东佛山市高明区纪念中学)