夯實基礎,突破重難點,共同進步。
回顧初中化學,總給人一種意猶未盡的感覺,好像我們的了解還是不夠深入。如果我們能站在高中生的角度回望初中,似乎又會有許多新的感覺,站在高處看待自己化學學習的成長之路,也是一件快事。本文將立足初中所學,將原本局限性的認識打破,構建一個相對準確完整的知識概念,力求為剛升入高中的同學鋪平道路,激發興趣。
(一) 燃燒
初中認為燃燒是可燃物與空氣中的氧氣發生的一種發光發熱的劇烈的氧化反應。但是高中會學習到許多反應,像鈉在氯氣中被點燃,2Na + Cl2= 2NaCl就是燃燒反應,但不僅局限於氧氣一種助燃劑(強氧化劑)。因此,到了高中「燃燒」的概念擴大了——物質在一定條件下,能發生劇烈的氧化還原反應,並發出大量的光和熱,且有的物質有火焰產生。又如初中認為CO2不支持燃燒,可是高中學習了2Mg + CO2= 2MgO + C的反應,就知道像鎂這樣的活潑金屬起火是不可以用CO2滅火器的,學習了Na、K遇水也會劇烈反應,也就知道它們的滅火方式也不能用水,看來有的時候「水火可相容」啊。
(二) 物質的性質和變化
化學也是一門交叉學科,近代物理學的進展極大的豐富了化學的研究範圍和研究手段。物質不僅有物理性質、化學性質,也是有幾何特徵(如晶體的規則外表和內部結構)、放射性、光譜性質等。物質的變化也不單有物理變化、化學變化,也存在核變化(既非物理變化也非化學變化)。
(三) 氧化還原反應
初中學習了氧化銅被氫氣還原為紅色的銅,初次接觸到了「還原」的概念,但理解得卻很淺,課本上的介紹也只是從得氧失氧的角度闡述,高中階段,我們將深入地理解這一類反應,在特徵上是化合價有升有降,實質上是電子的轉移得失。因此單純地以得氧(失氧)和失氧(得氧)來判斷就會顯得「力不從心」了。而氧化還原反應在高中也是一個十分重要的反應。
(四) 一個驗證氧氣體積分數的實驗
以前有人用蠟燭、木炭塊、酒精棉等點燃後放在倒置於水槽中的集氣瓶,以此驗證氧氣佔空氣體積的1/5,實驗現象也是挺明顯的。可是仔細想想,C(固)+O2(氣) = CO2(氣)、S(固)+O2(氣) = SO2(氣)、C2H5OH+3O2(氣)=2CO2(氣)+3H2O(液)、石蠟C20H42+30.5O2(氣)=20CO2(氣)+21H2O(液)等這些反應有氧氣的消耗也有氣態物質CO2、SO2的生成,有的反應是沒有氣體總體積的變化的(如前兩個),可是實驗中明顯的「液面上升」卻難以解釋。實際上,只不過是反應放熱加熱了空氣,驅趕了空氣,造成冷卻時的氣壓減小,這不足以說明「氧氣的體積佔有空氣1/5」。
(五) 原子結構
初中講非金屬元素原子最外層電子數≥4,金屬元素原子的最外層電子數<4,到高中階段學習了元素周期表,了解了非金屬元素和金屬元素按階梯狀排列,有的金屬最外層電子數也可多於4個,如銻Sb、鉍Bi、釙Po等,有的非金屬元素最外層電子數可少於4個,如硼B、氫H,而且也會認識到非金屬與金屬之間並沒有明顯的界限。
(六) 複分解反應發生的條件
在初中由於知識所限,沒有學習弱電解質的概念,並不完全地掌握複分解反應發生的條件。較為全面的一種提法是:生成低沸點易揮發的物質(含氣體)、弱電解質(比如水、弱酸等)還有難溶性物質(即沉澱)。這就可以大大擴大判斷範圍,對於強酸為什麼可以制弱酸、高沸點酸為什麼可以制低沸點酸就不難理解了。
(七) 金屬與酸的反應
在初中化學中實驗室制氫氣是一個非常重要的反應,同時又學習了金屬活動順序,學生們往往懷有一種嘗試性的搭配——認為氫前的金屬和酸反應就一定會生成氫氣,實驗室制氫氣正是選用了稀硫酸或稀鹽酸。可是金屬與其它酸(濃硫酸、濃硝酸、稀硝酸)的反應將在高中學到,看了下面的反應方程式,大家會發現它們並不產生氫氣
Zn + 4HNO3(濃)= Zn(NO3)2+ 2NO2↑+ 2H2O
3Zn + 8HNO3(稀)= 3Zn(NO3)2+ 2NO↑+ 4H2O
4Zn +10HNO3(極稀)= 4Zn(NO3)2+ NH4NO3+ 3H2O
Zn + 2H2SO4(濃)=△= ZnSO4+ SO2↑+ 2H2O
因此,對於酸,要區分氧化性和非氧化性酸,這些將在高中學到。
(八) 金屬活動順序表
初中課本上說:「在金屬活潑順序表中,排在前面的金屬能把後面的金屬陽離子從鹽溶液中置換出來。」這句話在我們的初中時代屢試不爽,可是它也不是萬能的準則,有時候也會「失效」。例如:①能否用K、Ca、Na置換硫酸銅溶液中的銅呢?②Mg可以置換出硝酸鉛溶液中的Pb嗎?
事實上,①K、Ca、Na太活潑,要先和水反應,生成強鹼和氫氣,強鹼會和硫酸銅溶液生成氫氧化銅沉澱,是不會出現銅單質的。②金屬活動順序中,處於氫前的Mg→Pb各金屬間不發生相互置換。因為越接近H的金屬形成的鹼越弱,而越弱的鹼的陽離子水解能力越強,使溶液呈顯酸性(H+多於OH-);又由於H+的得電子能力(氧化能力)大於氫前金屬陽離子,所以H+先獲得電子形成氫氣放出,而非置換了金屬。
所以說,金屬活動順序的修正版就是:處於氫前的Mg→Pb各金屬可置換氫後的金屬單質;處於氫後的金屬則會相互置換。
另外,留個問題給大家,鉀排在鈉前面,鉀比鈉活潑。可是在熔融狀態(沒有水的高溫狀態)時會發生Na + KCl = NaCl + K↑,請大家想想為什麼會發生這個反應?提示一下,好好想想為什麼K的後面有個「↑」?這表示高溫熔融時鉀是什麼狀態呢?是不是可以綜合我前面提到的複分解反應發生條件,得到一個關於化學平衡發生改變的規律呢?
(九) 量比關係與滴加順序
在初中,我們認為A和B反應就是B和A反應,在高中階段,這就靠不住了,怎麼會這樣呢?閒話少說,我列舉個例子:向稀鹽酸中滴入碳酸鈉溶液的現象就和向碳酸鈉溶液中滴入稀鹽酸的現象不同。前者的現象是滴入後就產生二氧化碳氣體,因為將碳酸鈉溶液逐滴加入稀鹽酸的過程中,碳酸鈉溶液是少量的,而鹽酸是大量的,發生這個反應:Na2CO3+ 2HCl = 2NaCl + CO2↑+ H2O
若是情況反過來,則不會看到滴入後有氣體產生,而是先有一個「平穩期」,這是因為滴入的HCl的量較Na2CO3很少,是發生了Na2CO3+ HCl = NaHCO3+ NaCl的緣故。待「平穩期」過後(此時溶液相當於NaHCO3溶液),再滴入鹽酸時自然會產生CO2了。所以總過程可看作是Na2CO3→ NaHCO3→ H2CO3(CO2+H2O),也就是說碳酸根得到氫離子(H+,質子)的過程是一步一步的,不是一蹴而就的。高中的學習就需要注意加入試劑的順序和過量少量的量比分析。
(十) 鹽溶液全都是中性的嗎?
未必是!初中同學大概都不會陌生於碳酸鈉的俗稱叫純鹼,可是本質是一種正鹽的它,為什麼被人們說成「鹼」呢?只是因為它的水溶液呈現鹼性,這是由於碳酸根的水解作用所致。鹽類的水解在很大程度上(但不是完全程度上)決定了其溶液的酸鹼性。學習了鹽類的水解的知識後,將對認識鹽溶液的酸鹼性有很大幫助。
(十一) 實驗與化學反應
一個實驗,往往並不是只對應一個化學反應,而是包含了多個反應。我們考試時對實驗現象所書寫的方程式不要理解為只有這一個反應,而應該理解為「在特定條件下,發生在主要部位的主要反應」。例如實驗室制氫氣的實驗中,我們可以馬上聯想到Zn + H2SO4(稀)= ZnSO4+ H2↑這個反應,但是在鋅粒表面會有許許多多原電池反應(化小按——粗略的說,就是鋅和某些雜質如銅、碳之間發生的電子轉移的反應)。又如木炭還原氧化銅,主要反應是C+2CuO =△= 2Cu + CO2↑,但同時又會存在C + CO2=△= 2CO、C+O2=△= CO2、2Cu + O2=△= 2CuO等發生程度不大的反應,我們稱之為「副反應」。
實驗與反應的關係,是反應系統與單一反應的關係。有時候系統中只有一個反應,有時候卻有多個(這個更普遍)。這既說明了實驗諸多因素的複雜性,也說明了一種「抓重點、抓主要」的研究方法。希望大家多在實驗中留心,那裡可是處處皆學問的地方啊。
(十二) 化學反應的類型
其實在初中大家會有一個感覺就是四個反應類型不足以涵蓋所有反應,如:CO + CuO=△=Cu + CO2、3O2==2O3(條件為放電)等反應,它們已不屬於四種基本反應類型。自然地我們可以認識到有的反應是「非基本」的反應,是特別的反應類型,但畢竟化合、分解、置換、複分解能夠涵蓋中學階段絕大多數的無機反應,是具有分類上的優勢的,不要認為四大基本反應已經「一無是處」了。
(十三) 金屬離子的顏色
想必大家都記憶過一些金屬離子的特殊顏色,如Fe2+淺綠色、Cu2+藍色,這都是金屬離子在水溶液中或結晶水合物中的顏色(即形成了水合離子)。若去掉溶劑或結晶水,它們的顏色則會不同,CuSO4是白色,新制Fe(OH)2也是白色,CuCl2棕黃色,FeSO4白色。這是因為其中不帶有結晶水,故其不體現水合離子的顏色。因此金屬離子的顏色並不是一成不變的。在失去水環境的時候,恐怕就要「原形畢露」了。順便說一下,如果它們結合了某些陰離子還會形成複雜的絡合物(配合物),顏色就會更加複雜。
(十四) 爆炸
一提起爆炸,大家都挺好奇的。我在這兒想說,並非混合點燃一下氫氣和氧氣(或空氣)就會爆炸,這是因為氫氣和氧氣的量比關係是很重要的影響因素,氫氣在空氣中4%--74.2%(體積分數)是可以爆炸,這稱作氫氣在空氣中的爆炸極限——當氫氣體積分數低於4%時,由於太少而無法點燃,高於74.2%時,則氫氣可以安靜燃燒了。幾乎所有氣態烴(只含碳氫的有機物)與空氣的混合氣體均是一個爆炸源,如丙烷丁烯等(打火機的燃料,常溫下加壓呈液態)。又如氫氣和氯氣、甲烷和氯氣也屬此類。高中的化學學習不僅要講究「定性」的判斷,也要學會講究「定量」的判斷,尤其是討論一些性質與數量的關係問題,這才是更高級的問題。
當然有些不是混合氣體的物質也可以爆炸,如液氧炸藥、黑火藥、硝酸銨、硝化甘油、TNT(三硝基甲苯,黃色炸藥,需雷酸汞引爆,就是雷管)、火棉、氮化銀等。還有的無需點燃引爆或光照,在低溫暗處混合就會爆炸的——氫氣和氟氣(F2)。
另外我又想起以前麵粉廠有過爆炸,是因為麵粉混在空氣中,麵粉在漂散狀態時很容易燃燒爆炸,鎂粉也要小心哦,這是很關鍵的危險源,應當引起重視,呵呵,說遠了。不過大家對能夠引起爆炸的物質了解一些比較好。
附:甲烷在空氣中的爆炸極限5%--15% ;甲烷在氧氣中的爆炸極限5.4%--159.2% ;乙炔在空氣中的爆炸極限2.5%--80%
(十五) pH值
pH值這個概念,應當說是初中化學的新鮮概念,倒不是說它是近年來才加到課本中的,而是說它的記法和概念並不直觀明確。作為常用的有效的計量溶液酸度的一個指標,pH值本無可非議,但它的符號不像計量長度的「L」(length)也不像計量物質的量濃度的「c」(concentration)等清楚,也沒有什麼定義。pH值的本質是什麼,我們還不知道,在這點上它甚至還不如相對原子質量(相對分子質量)呢,至少後者的本質還是一個比值,量綱為一,單位為1,pH值似乎充滿神秘感,與我們「忽近忽遠,若即若離」。課本中提到「pH值的範圍在0-14之間」,而事實上pH值指溶液當中氫離子濃度[H+]的負對數,即pH= -lg[H+],它是關於[H+]的函數,從數學角度看,該函數的值域(pH值的取值範圍)應該是整個實數範圍,可是在實際計算中,pH值為負或過大就顯得麻煩了,給人一種「功不抵過」的感覺,所以人們主要利用「0-14範圍之間」。(注意:這不代表pH= -1無意義)。
此外,初中課本還寫到「常溫下,中性溶液pH=7,pH=7就是中性溶液。」,在高中我們也可以姑且算對。如果真的咬文嚼字起來,pH值是氫離子濃度的函數,而氫離子濃度又只與Kw(水的離子積常數)有關,即在中性溶液中恆有[H+]= Kw的平方根,Kw是溫度的函數,所以pH值也是溫度的函數。已知在99攝氏度時,Kw=1.0*10-12,此時中性溶液的pH=6,因此看來,「pH=7與中性溶液的等價性」應該只限於常溫狀態,在高溫時就不便適宜了。
(十六) 為什麼檢驗硫酸鋇、氯化銀的時候說「既不溶於水又不溶於硝酸」呢?
對於初中所學的難溶物來說,有很多是難溶的弱鹼和難溶的碳酸鹽,它們遇到強酸當然會溶解,顯然被排除在BaSO4、AgCl之外,我想這個大家也不難理解。現在我們著重看看其它難溶物(包括微溶物)——好像只剩下了硫酸銀和硫酸鈣了,看看它們是否會干擾BaSO4、AgCl生成的判斷。確實是,微溶的兩種物質也會引起溶液的混濁。可當加入強酸時,溶液會恢復透明清澈,說明硫酸銀和硫酸鈣可溶於強酸!
在高中要考慮到微溶物的影響,也要考慮到更多難溶物的影響(如硫化物、亞硫酸鹽、磷酸鹽等),可是對於很多難溶物來說,它們區別於硫酸鋇、氯化銀的最大一點就是可溶於酸。因此,在檢驗這兩種特殊的難溶物時,強酸就「毫不謙虛」地充當了「分水嶺」。而在眾多強酸當中,硝酸所對應的可溶鹽最多,難溶物幾乎沒有,保證了硝酸與某物質反應以後生成物都溶於水,不會生成難溶物而發生混淆;同時硝酸又具有強氧化性,可溶解的物質的範圍更大,基於這兩點,硝酸是最好的。
所以說有時候在水中難溶微溶的物質,在酸溶液中卻能夠成為可溶物,而硫酸鋇、氯化銀則是冥頑不化的「頑固分子」,連硝酸都不怕。你說,在檢驗它們的時候是不是一定要說上「既不溶於水又不溶於硝酸」之類的話以作為它們的「出場證明」呢,這可不是囉嗦吧?
(十七) 酸鹼鹽溶解性表中的「—」
①AgOH不穩定,在水中會分解:2Ag++ 2OH-= 2AgOH↓ = Ag2O + H2O。事實上硝酸銀溶液中加入氨水或氫氧化鈉溶液的一瞬間是可以產生白色沉澱的,那就是AgOH(高中學習烴的衍生物時需要配製銀氨試劑,到時就會驗證這個現象的),但是AgOH在常溫下極不穩定,立即脫水生成暗棕色的Ag2O沉澱。於是我們可以看到溶液逐漸變黑。如果放置更久2Ag2O = 4Ag + O2↑。(提供一條製備AgOH的方法:溶於90%酒精的硝酸銀溶液和氫氧化鉀在零下45度時小心操作,並大喊三聲「我喜歡化小」就會成功,呵呵~~)
②Al3+、Fe3+遇到CO32-,在水中發生雙水解作用。
Al3++ 3CO32-+ 3H2O = 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑
Fe3++ 3CO32-+ 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + 3CO2↑
因此,酸鹼鹽溶解性表中的「—」不代表沒有這種物質,只是說明在水溶液中它們很不穩定。
說了很多,卻發現根本說不完,像是「著火點是可變的」、「酸酐不一定是酸性氧化物」、「沒有絕對不溶的物質」、「氯化鈣不能幹燥氨氣」。。。。。。全說了也就沒意思了,背離了我寫作的初衷——希望大家破除舊觀念,有點革新意識和自我探究的精神,這對你的一生都有好處吧,聰明的讀者不需要我再贅述。