金屬及其化合物復(fù)習(xí)探索

◇ 廣東 雷范軍 吳惠華

金屬及其化合物復(fù)習(xí)探索

◇ 廣東 雷范軍 吳惠華

金屬元素化合物的性質(zhì)及其應(yīng)用是化學(xué)科學(xué)的主要研究對(duì)象之一,也是中學(xué)化學(xué)課程的重要內(nèi)容之一.雖然課標(biāo)版教材中金屬元素化合物的內(nèi)容減少了,但是高考對(duì)該部分的要求并未降低.為了探索更加有效的復(fù)習(xí)策略,必須從整體上把握金屬元素化合物知識(shí)的內(nèi)容構(gòu)成、問(wèn)題結(jié)構(gòu)和能力要求.

1 復(fù)習(xí)思維導(dǎo)圖

北京師范大學(xué)王磊教授等認(rèn)為,金屬元素及其化合物復(fù)習(xí)的重點(diǎn)在于轉(zhuǎn)變和建構(gòu)認(rèn)識(shí)角度(從基于代表物或物質(zhì)類別的單一角度過(guò)渡到基于價(jià)態(tài)和類別的二維角度),在系列化和梯度化的問(wèn)題解決活動(dòng)(性質(zhì)、轉(zhuǎn)化、保存、使用、檢驗(yàn)、分離和制備等)中鞏固基于價(jià)態(tài)和類別的二維認(rèn)識(shí)角度,在記憶、概括關(guān)聯(lián)、說(shuō)明論證、分析解釋、預(yù)測(cè)性質(zhì)和設(shè)計(jì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案等任務(wù)中加以應(yīng)用,從研究對(duì)象、認(rèn)識(shí)角度、化學(xué)問(wèn)題、任務(wù)類型4個(gè)維度構(gòu)建金屬元素化合物的認(rèn)識(shí)模型(如圖1).

圖1

認(rèn)識(shí)角度是金屬元素化合物認(rèn)識(shí)模型中最核心的變量,是我們分析和解決問(wèn)題的思維基礎(chǔ).唯有如此,在面對(duì)半熟悉的物質(zhì)時(shí),才能夠系統(tǒng)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明物質(zhì)的性質(zhì);在面對(duì)陌生物質(zhì),認(rèn)識(shí)角度發(fā)生變化時(shí),能夠主動(dòng)基于類別和價(jià)態(tài)思考問(wèn)題.

2 命題熱點(diǎn)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(xué)試卷,理綜又分為卷Ⅰ(乙)、卷Ⅱ(甲)、卷Ⅲ(丙)等形式,其中有關(guān)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(guān)金屬及其化合物的設(shè)問(wèn)都側(cè)重基礎(chǔ),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(shè)問(wèn),考查基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能、反應(yīng)原理、簡(jiǎn)單計(jì)算、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)論的評(píng)價(jià)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(yīng)用,可以涉及Pb、Zn、Mn、Cr、V等陌生金屬元素化合物的性質(zhì)(化合價(jià)、化學(xué)方程式、離子方程式、反應(yīng)原理等)、制備等,主要考查方式分別以制備工藝或?qū)嶒?yàn)流程、物質(zhì)反應(yīng)或性質(zhì)為核心.

3 考查視角分析

3.1 金屬元素化合物的性質(zhì)和應(yīng)用及其因果關(guān)系

表2歸納了常見(jiàn)金屬單質(zhì)、氧化物、氫氧化物、鹽和合金的重要性質(zhì)和應(yīng)用.

表2

例1 (2016年江蘇卷)下列有關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)與用途具有對(duì)應(yīng)關(guān)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(diǎn)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(xiàng)A錯(cuò)誤;NH4HCO3用作氮肥是因?yàn)槠渲泻械?易被農(nóng)作物吸收,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;Fe2(SO4)3用作凈水劑是因?yàn)殍F離子水解生成氫氧化鐵膠體,吸附水中懸浮的雜質(zhì),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;Al2O3熔點(diǎn)高,可用作耐高溫材料,選項(xiàng)D正確.答案為D.

誤區(qū)警示 解答此類試題,首先要了解常見(jiàn)物質(zhì)的性質(zhì)、用途及其一一對(duì)應(yīng)的因果關(guān)系,其次要對(duì)各個(gè)選項(xiàng)逐一分析,關(guān)鍵是注意相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的積累.

3.2 金屬元素化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系和反應(yīng)原理

常見(jiàn)金屬元素化合物的主要轉(zhuǎn)化關(guān)系較多,可以按照“金屬單質(zhì)、氧化物、氫氧化物、鹽”的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行總結(jié).

例2 (2015年山東卷)某化合物由2種單質(zhì)直接反應(yīng)生成,將其加入Ba(HCO3)2溶液中同時(shí)有氣體和沉淀產(chǎn)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(shí)發(fā)生雙水解反應(yīng)(互相促進(jìn)對(duì)方的水解平衡右移且進(jìn)行到底),生成CO2氣體和Al(OH)3沉淀,選項(xiàng)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(shí)發(fā)生反應(yīng),有BaCO3沉淀產(chǎn)生,但無(wú)氣體產(chǎn)生,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;Fe和Cl2直接反應(yīng)生成FeCl3,選項(xiàng)C錯(cuò)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(yīng),選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案為A.

知識(shí)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(shí)生成高價(jià)金屬氯化物(FeCl3、 CuCl2等);3)金屬單質(zhì)與非氧化性酸溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是M＋nH＋→Mn＋＋H2↑,金屬單質(zhì)與氧化性酸(濃硫酸、硝酸)反應(yīng)時(shí),不再是H＋作氧化劑,故不產(chǎn)生H2(產(chǎn)生SO2、NO2、NO等),Fe、Al遇冷的濃H2SO4或濃HNO3鈍化,鈍化屬于化學(xué)變化.

3.3 常見(jiàn)金屬陽(yáng)離子的檢驗(yàn)

1)用NaOH溶液檢驗(yàn):產(chǎn)生藍(lán)色沉淀的是Cu2＋,產(chǎn)生紅褐色沉淀的是Fe3＋,先產(chǎn)生白色沉淀后迅速變成灰綠色最終變?yōu)榧t褐色的是Fe2＋,先產(chǎn)生白色沉淀、繼續(xù)加入NaOH溶液白色沉淀又會(huì)逐漸消失的是Al3＋.2)用焰色反應(yīng)檢驗(yàn):火焰呈紫色(透過(guò)藍(lán)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(wú)現(xiàn)象、后加新制氯水呈現(xiàn)紅色或加K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液產(chǎn)生藍(lán)色沉淀的是Fe2＋.

例3 (2016年課標(biāo)卷Ⅱ)某同學(xué)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(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):

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(lán)色沉淀;

③第3支試管中加入1滴KSCN溶液,溶液變紅.

實(shí)驗(yàn)②檢驗(yàn)的離子是________(填離子符號(hào));實(shí)驗(yàn)①和③說(shuō)明:在I－過(guò)量的情況下,溶液中仍含有________(填離子符號(hào)),由此可以證明該氧化還原反應(yīng)為________.

Fe2＋與黃色的鐵氰化鉀溶液反應(yīng)生成藍(lán)色的鐵氰化亞鐵沉淀,反應(yīng)的離子方程式為3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－＝Fe3[Fe(CN)6]2↓,則實(shí)驗(yàn)②檢驗(yàn)的離子是Fe2＋;由實(shí)驗(yàn)①推斷,KI與FeCl3溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成物含有I2;實(shí)驗(yàn)③說(shuō)明I－過(guò)量的情況下,溶液中仍含有Fe3＋;由上述現(xiàn)象推斷,Fe3＋沒(méi)有被完全還原為Fe2＋,即KI與FeCl3的氧化還原反應(yīng)是可逆反應(yīng),即

答案 Fe2＋,Fe3＋,可逆反應(yīng).

知識(shí)鏈接 物質(zhì)檢驗(yàn)的一般要求:1)反應(yīng)要有良好的選擇性、反應(yīng)速率要快,并且能夠完全反應(yīng);2)反應(yīng)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(chǎn)生等;3)要排除干擾物質(zhì)的影響,如用Ba2＋檢驗(yàn)的存在,要排除等離子的干擾,如用Ag＋檢驗(yàn)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(jiàn)混合物的化學(xué)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(zhì)的方法正確的是( ).

A 除去N2中的O2:通過(guò)灼熱的CuO粉末,收集氣體;

B 除去Cl2中的少量HCl:通過(guò)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(yīng)后過(guò)濾;

D 除去KCl溶液中的少量MgCl2:加入適量NaOH溶液過(guò)濾

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

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

3.5 制備化學(xué)工藝或?qū)嶒?yàn)流程分析

制備化學(xué)工藝或?qū)嶒?yàn)流程題取材于真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活,與生產(chǎn)、生活以及科研前沿相結(jié)合,以物質(zhì)的實(shí)際工業(yè)或?qū)嶒?yàn)合成流程為情境,設(shè)置基本概念、反應(yīng)及轉(zhuǎn)化、反應(yīng)原理和實(shí)際工業(yè)或?qū)嶒?yàn)操作等相關(guān)問(wèn)題,除了考查知識(shí)和能力外,還考查信息素養(yǎng),反應(yīng)或操作流程取材的真實(shí)性也體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值,發(fā)揮了試題的教育功能.

例5 (2015年浙江卷)某同學(xué)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(zhì))制取FeSO4·7H2O,設(shè)計(jì)了如圖2所示流程.下列說(shuō)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(zhuǎn)化為Al(OH)3,進(jìn)入固體2;

C 從溶液2得到FeSO4·7H2O產(chǎn)品的過(guò)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(guò)量,得到的沉淀用硫酸溶解,其溶液經(jīng)結(jié)晶分離也可得到FeSO4·7H2O

流程圖中目標(biāo)產(chǎn)物是FeSO4·7H2O,由此逆推,溶解燒渣不能選用會(huì)引入雜質(zhì)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(guò)濾所得固體1中一定含有SiO2;溶液1中氧化性較強(qiáng)的Fe3＋不能選擇會(huì)引入雜質(zhì)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(xiàng)A正確.加入NaOH溶液控制pH的目的是使Al3＋轉(zhuǎn)化為Al(OH)3,進(jìn)入固體2,選項(xiàng)B正確.由于Fe2＋容易被O2氧化為Fe3＋,因此溶液2通過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶制取FeSO4·7H2O時(shí),必須控制條件防止其氧化和分解,選項(xiàng)C正確.先在溶液1中直接加入NaOH至過(guò)量得到Fe(OH)3沉淀,用硫酸溶解得Fe2(SO4)3溶液,經(jīng)結(jié)晶分離不能得到FeSO4· 7H2O,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案為D.

技巧點(diǎn)撥 解答此類工藝流程題的常用方法是首尾分析法,對(duì)線型工藝流程(從原料到產(chǎn)品)試題,首先對(duì)比分析流程圖的第1種物質(zhì)(原材料)與最后一種物質(zhì)(產(chǎn)品),從中找出它們的關(guān)系,弄清有關(guān)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)原理、除雜、分離、提純的工藝,再結(jié)合題設(shè)問(wèn)題逐一解答.

3.6 金屬元素化合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

主要涉及鈉、鋁、鐵、銅元素化合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象、目的、結(jié)論的正誤及其因果關(guān)系的辨別,呈現(xiàn)考査內(nèi)容綜合化、操作敘述規(guī)范化、考查形式分散化等趨勢(shì),使幾個(gè)實(shí)驗(yàn)或列表或敘述濃縮于一道題中,這種微型綜合,可以以小見(jiàn)大地考查出考生對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)的掌握情況,操作的規(guī)范化敘述可以檢驗(yàn)考生的縝密習(xí)慣.

例6 (2015年全國(guó)卷Ⅰ)下列實(shí)驗(yàn)中,對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象及結(jié)論都正確且兩者具有因果關(guān)系的是( ).

選項(xiàng) 實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象 結(jié)論A將稀硝酸加入過(guò)量鐵粉中,充分反應(yīng)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(lán)、有黑色金屬鐵比銅活潑固體出現(xiàn)C用坩堝鉗夾住一小塊用砂紙仔細(xì)打磨過(guò)的鋁箔在酒精燈上加熱熔化后的液態(tài)鋁滴落下來(lái)金屬鋁的熔點(diǎn)較低D將0.1mol·L－1MgSO4溶液滴入NaOH溶液至不再有沉淀產(chǎn)生,再滴加0.1 mol·L－1CuSO4溶液先有白色沉淀生成后變?yōu)闇\藍(lán)色沉淀Cu(OH)2的溶度積比Mg(OH)2的小

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

知識(shí)鏈接 化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的基本原則主要有4條:1)科學(xué)性,實(shí)驗(yàn)原理、操作順序、操作方法等科學(xué)合理;2)可行性,原理可行,選用的藥品、儀器、設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法能夠滿足要求;3)簡(jiǎn)約性,裝置或方法簡(jiǎn)單,步驟少、節(jié)約藥品,符合綠色化學(xué)的要求;4)安全性,避免使用有毒藥品或進(jìn)行危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作,有毒氣體的尾氣處理.

3.7 以元素反應(yīng)和性質(zhì)為核心的考查方式

一種是以物質(zhì)之間的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化框圖為基礎(chǔ),將物質(zhì)反應(yīng)的特征現(xiàn)象或者特征性質(zhì)作為信息,要求結(jié)合這些信息推斷出具體的物質(zhì),再解答問(wèn)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(wèn)題圍繞該元素及化合物的性質(zhì)、分析滴定、氧化還原及電化學(xué)以及實(shí)驗(yàn)基本操作等方面綜合考查該元素及其化合物的性質(zhì).

例7 (2016年全國(guó)課標(biāo)卷I,第27(1)(4)題)元素鉻(Cr)在溶液中主要以Cr3＋(藍(lán)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(lán)色固體,回答下列問(wèn)題:

(1)Cr3＋與Al3＋的化學(xué)性質(zhì)相似,在Cr2(SO4)3溶液中逐滴加入NaOH溶液直至過(guò)量,可觀察到的現(xiàn)象是________.

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

(1)由于Cr3＋與Al3＋的化學(xué)性質(zhì)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(guò)量的過(guò)程中,先后發(fā)生如下反應(yīng):Cr3＋＋3OH－＝Cr(OH)3↓,藍(lán)紫色溶液變淺,同時(shí)有灰藍(lán)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(jià)升高到＋6價(jià),被氧化為是氧化劑,其中鉻元素由＋6價(jià)降低到＋3價(jià),由最小公倍數(shù)法、酸性介質(zhì)、電荷守恒、原子守恒可配平得出正確的化學(xué)方程式.

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

技巧點(diǎn)撥 在金屬元素化合物的復(fù)習(xí)過(guò)程中,要注重科學(xué)方法以及知識(shí)的綜合性和系統(tǒng)性,注重結(jié)合元素周期律總結(jié)性質(zhì)的基本規(guī)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(qiáng)與反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)操作等方面知識(shí)內(nèi)容的融合,在復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)的關(guān)系中要注重運(yùn)用合適的科學(xué)方法.

(作者單位:廣東佛山市高明區(qū)紀(jì)念中學(xué))