■浙江省杭州市基礎(chǔ)教育研究室 陳進前(特級教師)

高一階段,大多數(shù)同學能夠憑借記憶等手段通過元素化合物知識的學習,解決一些側(cè)重考查知識識記的試題。但到了高三階段,隨著內(nèi)容的綜合性增強,就會有較多同學感到元素化合物內(nèi)容繁多雜亂,找不到提煉的主線,出題點變幻莫測,找不到分析的角度和思路,尤其是碰到陌生物質(zhì)和真實復雜問題時更是無從入手。復習階段必須重視從多個不同角度梳理元素化合物知識,才能提升認識和解決元素化合物相關(guān)問題的水平。

一、從物質(zhì)分類角度提高認識

物質(zhì)分類是研究和梳理元素化合物的一種有效方法,同一類物質(zhì)必定會有相似的性質(zhì),酸的酸性、堿的通性、金屬的通性、兩性氧化物的通性等都是在物質(zhì)分類的基礎(chǔ)上得出來的。從物質(zhì)分類角度梳理元素化合物知識,基于“類別通性”進行類比推理,可以提高預測“新物質(zhì)”性質(zhì)的能力。

高三復習階段,要用物質(zhì)分類方法將已學過的元素化合物聯(lián)系起來,還要將試題中遇到的“新物質(zhì)”跟已學過的物質(zhì)聯(lián)系起來。如CO2、SiO2、SO2、SO3等都是酸性氧化物,都有酸性氧化物的通性,還可以推斷Cl2O(HClO的酸酐)、Cl2O5(HClO3的酸酐)、N2O3(HNO2的酸酐)、N2O5(HNO3的酸酐)、P4O10(H3PO4和HPO3的酸酐)等也具有酸性氧化物的通性,也能發(fā)生酸性氧化物的特征反應(yīng)。再如Al2O3、Al(OH)3分別是典型的兩性氧化物、兩性氫氧化物,在強堿性條件下“Al2O3、Al(OH)3→AlO-2”,根據(jù)這一信息,若在新試題中遇到“CrO-2、FeO-2(與AlO-2類似)”或“氫氧化銅能溶于強堿性溶液中”等信息,可推斷Cr(OH)3、Fe(OH)3、Cu(OH)2等化合物在一定條件下也能表現(xiàn)“兩性氫氧化物”的某些特征性質(zhì)。

高三復習階段,要重視從不同角度認識某物質(zhì)的類別屬性,從中預測該物質(zhì)的性質(zhì)。如MgSO3是鎂鹽、亞硫酸鹽,還是中間價態(tài)(其中硫元素顯+4價)的化合物,這樣就可以從三種角度來預測它的性質(zhì)(鎂鹽的性質(zhì)、亞硫酸鹽的性質(zhì)、中間價態(tài)化合物性質(zhì)等)。再如FeC2O4是亞鐵鹽、草酸鹽,還是中間價態(tài)化合物(鐵顯+2價、碳顯+3價),也就可以判斷它具有亞鐵鹽的性質(zhì)特征,也具有草酸鹽的性質(zhì)特征,還具有中間價態(tài)化合物性質(zhì)(既能被氧化劑氧化,也能被還原劑還原)等,有了這個基礎(chǔ)就有了預測FeC2O4性質(zhì)的思路了。

例1寫出下列化學方程式。

(1)Ba(AlO2)2、Mg2Al3分別溶于稀硫酸:___。

(2)高溫下AlN、Si3N4分別跟熔融的氫氧化鈉共熔:____。

簡析：Ba(AlO2)2、Mg2Al3、AlN、Si3N4都是陌生物質(zhì),如何判斷反應(yīng)產(chǎn)物呢?分析這些化合物組成,聯(lián)系已學物質(zhì)的性質(zhì),就可以突破這一難點。Ba(AlO2)2是由Ba2+、構(gòu)成的,跟稀硫酸混合時會生成硫酸鋇和硫酸鋁。Mg2Al3可看作是Al、Mg構(gòu)成的,Al、Mg都能跟稀硫酸中H+發(fā)生反應(yīng)生成H2。相關(guān)反應(yīng)式為Ba(AlO2)2+4H2SO4══BaSO4↓+Al2(SO4)3+4H2O,2Mg2Al3+13H2SO4══4MgSO4+3Al2(SO4)3+13H2↑。

AlN可看作是Al3+、N3-結(jié)合而成的,Al3+跟NaOH反應(yīng)可生成N3-遇H2O可生成NH3,將兩項組合起來就可得到化學方程式

Si3N4中硅元素顯+4,氮元素顯-3價,分別跟NaOH反應(yīng)可生成和NH3,將兩項組合起來就可得到化學方程

二、從氧化還原反應(yīng)角度提高認識

運用氧化還原反應(yīng)原理,基于“元素化合價”預測元素化合物的性質(zhì),是中學階段最重要的一種認識角度。跟元素化合物相關(guān)的高考試題中,都會涉及較復雜的氧化還原反應(yīng),基于“元素化合價”角度梳理元素化合物是提升解決這類問題能力的最好途徑。

高三復習階段,應(yīng)將各種重要元素的化合物梳理成“化合價—物質(zhì)分類”二維圖,可以提高系統(tǒng)性。如,將已學過的氯及其化合物梳理成圖1所示關(guān)系。

圖1

抓住物質(zhì)中“中心元素的化合價”,研究物質(zhì)氧化性或還原性是一種重要思路,高三復習階段可根據(jù)如下流程進行梳理。

高中階段常見的中間價態(tài)物質(zhì)有SO2(中心元素硫元素顯+4價)、H2O2(中心元素氧元素顯-1價)、FeCl2(中心元素鐵元素顯+2價)、MnO2(中心元素錳元素顯+4價)、ClO2(中心元素氯元素顯+4價)、NO和NO2(中心元素氮元素顯+2價和+4價)等,它們都是既有還原性,又有氧化性,若在實際問題中遇到這些物質(zhì)參加反應(yīng),要特別注意通過題給條件來判斷其表現(xiàn)氧化性還是還原性。

例2某同學設(shè)計完成了以下兩個實驗。

①向盛有KI溶液的試管中加入少許CCl4后滴加氯水,CCl4層變成紫色。繼續(xù)向試管中滴加氯水,振蕩,CCl4層會逐漸變淺,最后變成無色(生成了HIO3)。

②向盛有KBr溶液的試管中加入少許CCl4后滴加氯水,CCl4層變成紅棕色。繼續(xù)向試管中滴加氯水,振蕩,CCl4層的顏色沒有變化。

下列說法不正確的是( )。

A.實驗①生成HIO3時發(fā)生的反應(yīng)為I2+5Cl2+6H2O══2HIO3+10HCl

B.實驗②中當CCl4層變成紅棕色時,可通過分液的方法獲得Br2的CCl4溶液

C.從上述實驗可得出該條件下Cl2、Br2、I2的氧化性由強到弱的順序是Cl2＞Br2＞I2

D.從上述實驗得出對應(yīng)條件下Cl2、HIO3、HBrO3氧化性由強到弱順序是HBrO3＞Cl2＞HIO3

簡析：以氧化還原反應(yīng)為落點測試科學探究素養(yǎng)。雖然“氧化性Cl2＞Br2＞I2”是大家熟知的事實,但在題給實驗方案中還缺少比較I2、Br2氧化性強弱的實驗步驟,無法得出這一結(jié)論。從證據(jù)推理層面看,所給證據(jù)還不能形成完整的邏輯推理鏈條,即證據(jù)不充分。若考生拘泥于已掌握的知識,就會露出“科學探究”“證據(jù)推理”等方面的素養(yǎng)不高的漏洞,以致誤入歧路得出錯誤答案。本題答案為C。

例3分析下列實驗流程,回答問題。

(1)某課題組用含SiO2、CeO2(二氧化鈰)的粉末為原料回收鈰,設(shè)計流程如下。

寫出上述流程中H2O2、O2參加反應(yīng)的離子方程式:____。

(2)亞硫酸鹽是一種常見食品添加劑,為檢驗?zāi)呈称分衼喠蛩猁}含量,某研究小組設(shè)計了如下流程:

寫出第①步反應(yīng)的離子方程式:____。能否改用稀鹽酸代替稀硫酸:___。

簡析：遇到像H2O2等既有氧化性又有還原性的物質(zhì),就要特別重視研究題中給出的其他條件以判斷其表現(xiàn)了哪種性質(zhì)。(1)中有“CeO2→Ce3+”信息,由此可判斷其中H2O2表現(xiàn)還原性,(2)中有“A(SO2)→H2SO4”信息,可判斷其中H2O2表現(xiàn)氧化性。

答案：(1)2CeO2+H2O2+6H+══2Ce3++O2↑+4H2O,4Ce(OH)3+O2+2H2O══4Ce(OH)4

(2)SO2+H2O2══SO2-4+2H+不能用稀鹽酸代替稀硫酸,因為稀鹽酸易揮發(fā)出HCl,對后續(xù)操作有干擾

例4寫出下列反應(yīng)的化學方程式。

(1)由石英砂可制取粗硅,SiO是反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物,寫出隔絕空氣時SiO與NaOH溶液反應(yīng)(產(chǎn)物中硅顯最高價)的化學方程式:____。

(2)地下水中黃鐵礦(FeS2)可被氧化,同時有生成(地下水保持的pH＞5),FeS2被O2氧化的離子方程式為____。

簡析：(1)大家對SiO很陌生,若從硅元素化合價分析就可找到思路。大家知道硅單質(zhì)可跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成Na2SiO3、H2(硅元素從0價→+4價),進而可判斷SiO(硅元素顯+2價)也能跟氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成硅酸鈉,同時也會還原出H2。所以反應(yīng)式為SiO+2NaOH══Na2SiO3+H2↑。

(2)FeS2中鐵、硫元素分別顯+2和-1價,氧氣可以將-1價硫氧化為價鐵會同時被氧化成+3價鐵,pH＞5時以Fe(OH)3形式存在。所以離子方程式為

三、從價鍵結(jié)構(gòu)、元素周期律角度提高認識

元素周期律和化學鍵等是比較、解釋、預測物質(zhì)性質(zhì)的重要依據(jù)。在高三復習階段,要將元素化合物知識與物質(zhì)結(jié)構(gòu)綜合起來,提升用元素周期律、化學鍵理論預測和解釋物質(zhì)性質(zhì)的能力。例如,高三復習階段中不僅要熟悉Cl2、Br2、I2的性質(zhì),還要深入理解“為什么Cl2的化學性質(zhì)比Br2、I2的化學性質(zhì)活潑”,還要學會預測“At2的化學性質(zhì)”。同樣,在復習碳、硅、硫、氮等元素及化合物性質(zhì)時,要多用元素周期律解釋和理解這些元素跟其他元素之間性質(zhì)變化規(guī)律,復習鈉、鎂、鋁、鐵等金屬元素及其化合物時,也要將鉀、鈣、鋇、鋅、銅、錳等聯(lián)系起來。將“原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)”聯(lián)系起來解釋不同元素化合物的性質(zhì)規(guī)律,從“價鍵結(jié)構(gòu)”“氧化還原反應(yīng)”等不同角度綜合起來比較不同元素化合物的性質(zhì)。

例5羥胺(NH2OH)可看成是氨分子內(nèi)的1個氫原子被羥基取代的物質(zhì),常用作還原劑,其水溶液顯弱堿性。

(1)羥胺的電子式為____。NH2OH的水溶液呈弱堿性的原理與NH3相似,寫出NH2OH的水溶液中的電離方程式:___。

(2)羥胺(NH2OH)具有強還原性,實驗室可用羥胺來除去標準亞鐵鹽溶液中的Fe3+,相關(guān)的離子方程式為____,請從你所書寫的離子反應(yīng)產(chǎn)物角度分析用羥胺作上述除雜試劑的優(yōu)點:___,___。

(3)用惰性電極電解硝酸溶液可制備羥胺,其陰極上的電極反應(yīng)式為____。

簡析：從結(jié)構(gòu)上看,氨基、羥基結(jié)合形成羥胺,其電子式為NH3顯堿性是NH3跟水生成了NH3·H2O,NH3·H2O再電離生成銨離子和氫氧根離子。從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)遷移到羥胺可得其電離方程式(要特別注意,不要誤寫為

從“羥胺有強還原性”“Fe3+有較強氧化性”等可判斷羥胺跟Fe3+可發(fā)生氧化還原反應(yīng)。由“羥胺中氮元素顯-1價,N2分子很穩(wěn)定”判斷氧化產(chǎn)物是N2。離子方程式為2NH2OH+2Fe3+══2Fe2++N2↑+2H2O+2H+。

注意“除去標準亞鐵鹽溶液中的Fe3+”這一條件。由此可得出以下兩點:第一,除去Fe3+的同時可保持標準溶液中c(Fe2+)不變[若加鐵粉除去Fe3+會改變標準溶液中c(Fe2+)的濃度];第二,生成物是N2、H2O,不會帶入新雜質(zhì)。

抓住“用惰性電極電解硝酸溶液可制備NH2OH”這一關(guān)鍵信息,可得出陰極上是被還原為NH2OH,電極反應(yīng)式為

四、從反應(yīng)原理角度提高認識

反應(yīng)熱、電化學、反應(yīng)速率、反應(yīng)方向、化學平衡等都是研究化學反應(yīng)的理論工具,從反應(yīng)原理角度梳理元素化合物知識可以加深理解元素化合物知識。從反應(yīng)原理角度梳理元素化合物知識,關(guān)鍵是要達到以下三個目標:第一,是“由孤立走向聯(lián)系”(將原先分散的孤立的知識聯(lián)結(jié)起來,形成知識網(wǎng)絡(luò));第二,是“由靜止走向動態(tài)”(用動態(tài)觀點認識物質(zhì)之間的反應(yīng));第三,是“由定性走向定量”(對重要反應(yīng)有定量認識)。總之,要從原先的靠經(jīng)驗、憑記憶學習元素化合物知識發(fā)展到更本質(zhì)的理性化認識。

例如,將制取粗硅的反應(yīng)、化學反應(yīng)方向聯(lián)系,就能理解下列反應(yīng)①比反應(yīng)②更容易自發(fā)進行,所以高溫下二氧化硅、焦炭反應(yīng)的化學方程式中產(chǎn)物不能寫成二氧化碳。

例6飲用水中含有砷會導致砷中毒,水體中溶解的砷主要以As(Ⅲ)亞砷酸鹽和As(Ⅴ)砷酸鹽形式存在。

(1)去除水體中的砷,可先將As(Ⅲ)轉(zhuǎn)化為As(Ⅴ),選用NaClO可實現(xiàn)該轉(zhuǎn)化。研究NaClO投加量對As(Ⅲ)氧化率的影響得到如圖2所示結(jié)果。

圖2

已知:投料前水樣pH=5.81,0.1mol·L-1NaClO溶液pH=10.5,溶液中起氧化作用的物質(zhì)是次氯酸。產(chǎn)生此結(jié)果的原因是____。

(2)強陰離子交換柱可以吸附以陰離子形態(tài)存在的As(Ⅴ)達到去除As的目的。

已知:一定條件下,As(Ⅴ)的存在形式如表1所示。

表1

pH=6時,NaClO氧化亞砷酸(H3AsO3)的離子方程式是____。

簡析：(1)要從圖像中發(fā)現(xiàn)“加入氧化劑越多,As(Ⅲ)的氧化率越低”這一個跟常理不太吻合的事實,再要挑戰(zhàn)“常規(guī)”,找出理論依據(jù)來解釋這一事實。起氧化作用的物質(zhì)是次氯酸,NaClO溶液為堿性,當加入量大時,溶液堿性增強,NaClO溶液濃度增大,水解程度降低,次氯酸不易生成,所以As(Ⅲ)氧化率降低。

第(2)問要求寫出離子方程式,但由于書寫離子方程式所要用到的關(guān)鍵信息隱蔽性強,不容易被發(fā)現(xiàn),易落入問題陷阱之中。第一,雖題中指出是“NaClO氧化亞砷酸(H3AsO3)”但pH=6時,不能寫成ClO-,應(yīng)該寫成HClO;第二,根據(jù)題給表中信息pH=6時生成的+5價砷元素應(yīng)該以形式存在;第三,H3AsO3是更弱的酸,pH=6時主要以H3AsO3分子存在,離子方程式為

例7用FeCl3酸性溶液脫除H2S后的廢液,通過控制電壓電解得以再生。某同學使用石墨電極,在不同電壓(x)下電解pH=1的0.1mol·L-1FeCl2溶液,研究廢液再生機理,記錄如表2所示(a、b、c代表電壓值)。

表2

(1)用KSCN溶液檢驗出Fe3+的現(xiàn)象是____。

(2)Ⅰ中,Fe3+產(chǎn)生的原因可能是Cl-在陽極放電,生成的Cl2將Fe2+氧化。寫出有關(guān)反應(yīng)的方程式:___。

(3)由Ⅱ推測,Fe3+產(chǎn)生的原因還可能是Fe2+在陽極放電,原因是Fe2+具有____性。

(4)Ⅱ中雖未檢測出Cl2,但對Cl-在陽極是否放電仍需進一步驗證。電解pH=1的NaCl溶液做對照實驗,記錄如表3所示。

表3

①NaCl溶液的濃度是____mol·L-1。

②Ⅳ中檢測Cl2的實驗方法:____。

③與Ⅱ?qū)Ρ?得出結(jié)論(寫出兩點):___。

答案：(1)溶液變?yōu)檠t色 (2)2Cl--2e-══Cl22Fe2++Cl2══2Fe3++2Cl-

(3)還原 (4)①0.2 ②取少量陽極附近的溶液,滴在淀粉-KI試紙上,試紙變藍 ③通過控制電壓,證實了產(chǎn)生Fe3+的兩種原因都成立;通過控制電壓,驗證了Fe2+先于Cl-放電

簡析：通過對比實驗來驗證時,關(guān)鍵是控制實驗條件,本實驗中必須控制氯化鈉溶液中氯離子的濃度跟前實驗中氯化亞鐵中氯離子濃度相等。

第(2)(3)問,都是考查運用化學知識得出合理假設(shè)的能力,要求分析提出假設(shè)的理由,找到該假設(shè)化學知識依據(jù)。

第(4)問的第②小題,考查探究變量、設(shè)計對比實驗的能力。實驗Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ是對比實驗,所以其中c(Cl-)濃度必須相等。

第(4)問的第③小題,是考查分析實驗現(xiàn)象得出結(jié)論的能力。對比實驗Ⅱ、Ⅴ所獲得的現(xiàn)象,可得出Fe2+先于Cl-放電;對比實驗Ⅱ、Ⅳ所獲得的現(xiàn)象,將電壓控制在一定范圍內(nèi),Fe2+、Cl-可能同時放電,也可能是Cl-放電生成Cl2,Cl2再將Fe2+氧化。

面對真實情境中實際問題時,要有創(chuàng)新意識,勇于對實驗中的“異?，F(xiàn)象”和已有結(jié)論提出質(zhì)疑,能夠?qū)嶒灛F(xiàn)象轉(zhuǎn)化為證據(jù)進行推理判斷得出新的結(jié)論。

元素化合物是學習研究中學化學知識的基礎(chǔ)和骨架,是中學化學各部分內(nèi)容的知識生長點,復習階段要自覺從不同角度梳理元素化合物知識,形成用多種角度預測物質(zhì)性質(zhì)的能力。