【1-1】2Na+F2═2NaF
【1-2】2Na+Cl2═2NaCl
【1-3】2Na+Br2═2NaBr
【1-4】2Na+I2═2NaI
【1-5】4Na+O2═2Na2O
【1-6】2Na+O2=Na2O2
【1-7】2Na+S═Na2S
【1-8】3Mg+N2═Mg3N2
【1-9】2Al+N2═2AlN
【1-10】Ca+2C═CaC2
這10個化學反應方程式是典型的化合反應:金屬單質+非金屬單質═鹽,即金屬單質與非金屬單質反應生成相應的鹽。
如果我們要理解金屬單質與非金屬單質之間的化合反應「原理」,那麼我們最好要了解或理解「對立統一」關係。金屬單質與非金屬單質就是典型的「對立統一」關係,正因為如此,所以它們才能發生如此必然的化學反應。
對立關係:金屬的對立面是非金屬,非金屬的對立面是金屬;沒有金屬元素的說法也就沒有非金屬元素的說法,同樣沒有非金屬元素的說法也就沒有金屬元素的說法。其實,這是一種二分法,化學元素按最簡單的分類方法即二分法就可以分為金屬元素和非金屬元素兩類。這就好比有上必有下、有左必有右、有正必有負、有陰必有陽、有得必有失、有升必有降、有酸必有鹼、有氧化必有還原等等「道理」是一樣的。
統一關係:由於金屬單質與非金屬單質是典型的「對立」關係,所以金屬元素單質與非金屬元素單質二者間「必然」、「應該」可以直接反應生成相應的化合物。在此反應過程中,金屬失電子顯正化合價,非金屬得電子顯負化合價,「正負相吸」生成相應的化合物。二者統一在化合物中。
處於「對立統一」關係兩端的物質必然要發生反應,所以「道理」上只要是處於對立統一關係中的兩種「異性」「必然」會發生化學反應,如金屬與非金屬「必然」反應,酸和鹼「必然」反應,氧化劑和還原劑「必然」反應等等。「道理」如此,「事實」上則必須進一步依靠科學事實進行判定,但這種思維意識是必須具備的!
金屬與非金屬是對立統一關係,二者發生的反應我們也可以認為是「異性相吸」:金屬吸引非金屬,非金屬吸引金屬。同樣以後還有許多「異性相吸」的反應,如酸鹼中和反應、氧化還原反應等等。以這種「對立統一」、「異性相吸」的思維方式可以幫助我們很好的理解記憶許多化學反應方程式。
★這種「對立統一」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
★這種「異性相吸」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
(1)現在我們開始對「金屬單質+非金屬單質═鹽」的過程進行詳細的分析和說明,以幫助大家深入理解和記憶這類化學反應方程式。
金屬單質會失去電子形成金屬陽離子,非金屬單質會得到電子形成陰離子;而金屬失去的電子就被非金屬得到了,這樣通過電子的轉移或「交易」兩者就分別形成了正、負離子,通過「異性相吸」就結合在一起形成了相應的化合物。
為了說明「異性相吸」的思想對我們理解化學反應方程式的幫助,我們試著以化學反應方程式「2Na+Cl2═2NaCl」為例進行分析和說明,具體的拆分、結合過程如下:
2Na+Cl2═Na·Na+Cl· Cl <將單質拆分為原子的形式>
═Na+Na+Cl+ Cl <原子分開,準備重新排列組合>
═Na+·e-+Na+·e-+Cl+ Cl <Na原子失去電子形成Na+>
═Na++Na++Cl·e-+ Cl·e- < Cl原子準備得到電子形成 Cl—>
═Na++Na++Cl-+ Cl- < Cl原子得到電子形成 Cl—>
═Na+· Cl-+Na+·Cl- <陰陽離子異性相吸>
═NaCl+NaCl <陰陽離子異性相吸形成化合物>
═2NaCl。
簡而言之就是:
2Na+Cl2═Na·Na+Cl· Cl
═Na+Na+Cl+ Cl
═NaCl+NaCl
═2NaCl。
注意:「Cl·e-」這種用小黑點將氯原子和電子連接起來表示Cl- 的方法其實並不陌生,如膽礬CuSO4·5H2O、明礬KAl(SO4)2·12H2O等。小圓點「·」在這裡表示「相結合」的意思。以後我們還有很多類似的表示方法,其目的僅僅為了方便理解物質的組成(不是結構)和化學反應可能的過程。
Ⅰ.我們將鈉單質看成是鈉離子和電子的這種思維方式叫「一分為二」:Na═Na+·e-═Na++e-。以此類推,金屬單質的一分為二還有:
Mg═Mg2+·2e-═Mg2++2e-,
Al═Al3+·3e-═Al3++3e-,
Fe═Fe2+·2e-═Fe2+·2e-═Fe3+·e-·2e-═Fe3+·3e-═Fe3+ +3e-,
Cu═Cu2+·2e-═Cu2++2e-等;
非金屬離子的一分為二有:
Cl-═Cl·e-═Cl+e-,
O2-═O·2e-═O+2e-,
S2-═S·2e-═S+2e-等。
Ⅱ.我們將氯原子和電子看成是氯離子的思維方式叫「合二為一」:Cl+e-═Cl·e-═Cl-。以此類推,非金屬離子的合二為一還有:
O+2e-═O·2e-═O2-,
S+2e-═S·2e-═S2-等;
金屬離子的合二為一還有:
Mg2++2e-═Mg2+·2e-═Mg,
Al3++3e-═Al3+·3e-═Al,
Fe2++2e-═Fe2+·2e-═Fe,
Fe3++3e-═Fe3+·3e-═Fe,
Fe3++e-═Fe3+·e-═Fe2+,
Cu2++2e-═Cu2+·2e-═Cu等。
★這種「小圓點、相結合」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
★這種「將方程式進行拆分、結合進行理解」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
★這種「一分為二、合二為一」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
(2)為了深入理解「金屬單質與非金屬單質反應生成相應的鹽」這種反應類型且能舉一反三,我們除了將該類反應的反應原理(對立統一、正負相吸、異性相吸)和過程進行了分析外,我們還有必要知道金屬元素有哪些?非金屬元素有哪些?它們之間互相反應或者說排列組合可以生成哪些相應的物質?
在化學中,「常見」(並非全部哦)的非金屬單質就那麼幾個。如滷族元素有三個:Cl2、Br2、I2;氧族元素有三個:O2、O3、S;氮族元素有二個:N2、P;碳族元素有兩個:C、Si。為了方便理解記憶,我們可以藉助它們在元素周期表中的位置進行理解記憶(如下圖1-3)。
「常見」金屬單質,一看元素周期表,如ⅠA、ⅡA等主族金屬元素和過渡元素中的金屬元素;二看金屬活動順序表中的金屬元素。
Ⅰ.常見的ⅠA、ⅡA主族金屬元素和常見過渡元素中的金屬元素
為了方便理解記憶,我們也可以藉助它們在元素周期表中的位置進行理解記憶(如下圖1-4)。
Ⅱ.金屬活動順序表
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au
[順口溜記憶:嫁給那美女,心貼細千金,總共一百斤]
僅僅從上面的歸類總結來看,非金屬形成的單質約十種,金屬單質約十多種,十乘以十等於一百,這裡就可以從理論上得出一百多個金屬單質與非金屬單質反應的化學方程式。因而理論上說,所有金屬單質都可以與所有非金屬單質發生化學反應,因為「對立統一」、「異性相吸」嘛!我們可以大膽這樣推測,這是一種排列組合思維方式,也是一種發散思維方式!大家可以寫一下,看能寫多少出來。在寫的過程中,您一定會體會到學習是如此的簡單和快樂!
(3)是不是金屬單質一定會與非金屬單質反應呢?實際上不是,如金單質就很難很難很難與氧氣發生化學反應,俗話說「真金不怕火煉」就這個意思。儘管有很多這種例外,但上面這種大膽類推、勇於排列組合的思維方式在我們學習化學反應方程式的過程中有很大的幫助。您面前的這本書就是對高中所有化學反應方程式的大膽類推和舉一反三。
★這種「排列組合」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
★這種「大膽類推」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
★這種「舉一反三」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
在前面舉例的10個化學反應方程式中有兩個化學反應方程式:
4Na+O2═2Na2O和2Na+O2=Na2O2
值得特別研究一下:它們的反應物相同,但是產物不一樣,這是為什麼呢?我們認為這可能有兩個基本原因。一是因為某一反應物是否過量的原因,產物可以與過量的反應物繼續反應導致最終產物不一樣;二是因為化學反應的條件發生變化或者說條件不同而導致最終產物不一樣。
在這裡兩個原因都有:常溫下,鈉與氧氣反應生成了氧化鈉;但在加熱或點燃條件下,鈉與氧氣反應生成的是過氧化鈉。另外,在加熱條加下氧化鈉會與氧氣反應生成過氧化鈉,即
2Na2O+O2 = 2Na2O2,所以方程式2Na+O2=Na2O2
也可以看成是分兩步進行:
第一步是4Na+O2═2Na2O;
第二步是生成的Na2O再與O2反應生成Na2O2:2Na2O+O2=2Na2O2;
兩個分步方程式綜合起來就是2Na2O+O2 = 2Na2O2。
我們知道Na2O和Na2O2是兩種完全不同的物質:白色的氧化鈉不具有強氧化性;淡黃色的過氧化鈉則具有強氧化性。為什麼過氧化鈉具有強氧化性而氧化鈉沒有呢?我們認為這裡有兩個原因。一是過氧化鈉中氧的化合價為-1價,可以降低為-2價,所以過氧化鈉具有「潛在」的氧化性;氧化鈉中的氧是-2價,不能降低,所以氧化鈉不具有氧化性。二是因為過氧化鈉比氧化鈉多一個氧原子,正是這個「多餘」的氧原子讓過氧化鈉具有了強氧化性但氧化鈉沒有。
這個多餘的氧原子是怎樣來的呢?為什麼它能讓過氧化鈉具有強氧化性呢?我們可以做如下大膽的分析和推導:
2Na2O+O2═2Na2O+O·O <將氧氣分子寫成氧原子的形式>
═2Na2O+2[O]
═2Na2O·2[O] <氧原子與氧化鈉相結合>
═2(Na2O·[O]) <將2提前,表明「1個」氧化鈉和「1個」氧原子相結合>
═2Na2O2。<「1個」氧化鈉和「1個」氧原子相結合就是「1個」過氧化鈉>
簡而言之就是:
2Na2O+O2═2Na2O+2O
═2Na2O·2O
═2(Na2O·O)
═2Na2O2。
從這個推導過程可知我們可以將Na2O2 的組成看成是Na2O·[O]的形式,即Na2O2—Na2O·[O]。因為這樣,所以我們認為就是這個[O]讓Na2O2 具有了強氧化性,因為在反應過程中過氧化鈉能提供這個氧原子,所以它就具有氧化性。
為什麼呢?還可以這樣認為嗎?當然可以!當我們將Na2O2看成是由Na2O和[O]組成的過程中,當我們把Na2O2表示為Na2O·[O]的過程時就已經顯示出了Na2O2的氧化性。
我們知道1個Na2O2中有兩個-1價的氧,改寫成Na2O·[O]後發現過氧化鈉中的兩個氧的化合價均發生了變化:一個變為-2價的氧而另一個變為零價的氧原子。當-1價的氧變為-2價時,它就體現了過氧化鈉的氧化性:化合價降低具有氧化性。那-1價的氧變成零價不是體現了過氧化鈉的還原性嗎?對對對!是這樣的。但這只是暫時的,因為零價的氧原子遇到還原劑時其化合價一定會重新降低為-2價,比在過氧化鈉中時的-1價還低,所以最終這個氧還是從-1價變成了-2價,體現了過氧化鈉的氧化性。綜上所述,過氧化鈉中的兩個氧最終都變成了-2價,所以過氧化鈉具有強氧化性。把Na2O2寫成Na2O·[O]的形式只是表示了Na2O2潛在的氧化性,一旦遇到適當還原劑,其氧化性就會完全、明顯的體現出來。
既然過氧化鈉中的兩個氧最終都變成了-2價,體現了過氧化鈉的強氧化性,那何苦還要繞幾道圈子,將Na2O2表示為Na2O·[O]呢?這是因為Na2O·[O]中的氧原子[O]是自由的,在分析理解許多關於象Na2O2這樣的「含氧氧化劑」發生的化學反應時將會事半功倍。不信?往後面看!
Na2O2是強氧化劑,是含氧的氧化劑(注意:是「含氧」的「氧化劑」),所以過氧化鈉可以表示成Na2O·[O]的形式以凸顯含氧氧化劑的氧化性,這個氧化性「直觀」來看就是它們能提供氧原子[O],這就是為什麼我們要費盡心思、千方百計將過氧化鈉進行如此分析的原因所在。大膽類推,我們以後遇到的那些含氧氧化劑就可以看成是『氧化物·氧化物·氧原子』的形式了。這種形式為我們提供了一種理解物質組成(不是結構)、理解化學反應原理的一種新途徑、新思路或新方法,即將「含氧氧化劑」的化學式或組成看成是「氧化物·氧原子」的形式。這種思維方式來自於高中化學教材「矽酸鹽組成的表示」這部分內容,是對這一部分內容的大膽類推。
本書中,短橫線「—」表示「看成為」、「看成是」的意思,小圓點「·」表示「相結合」的意思。這樣做的目的是為了更好的理解一些物質的結構特徵和一些化學反應的反應特徵,方便理解記憶。
另外,「1個」「1個」這種表述不準確,應該是「1摩爾」「1摩爾」,但「1個」「1個」更口語化些,更像聊天一樣,更方便理解些。這也是本書取名「演義」的原因之一。本書取名「演義」的原因之二就是希望對高中化學反應方程式進行如上般的推導和分析,讓大家知其然知其所以然。第三,我個人希望自己的語言平易近人,生活化一些,更貼近學生一些。這樣努力的目的是希望讓同學們對化學反應方程式多一分理解,多一分興趣,進而在學習化學上掃一些阻礙。因為如此,所以本書大量運用了比喻、類推、合情推理等方法,故名「演義」。
★這種「將『含氧氧化劑』的化學式或組成看成是『氧化物·氧原子』的形式」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
★這種「比喻、類推、合情推理」的思維方式將貫穿化學反應方程式演義的始終。
(4)順便說一下,氧化劑就分為兩類:無氧氧化劑(如Fe3+等)和含氧氧化劑(如Na2O2、H2O2、濃硫酸、硝酸等)。一般情況下含氧氧化劑就可以看成是『氧化物·氧化物·氧原子』的形式,如「Na2O2—Na2O·[O]」。
再順便說一下,含氧化合物分為兩類:氧化性含氧化合物和非氧化性含氧化合物。氧化性含氧化合物就是含氧氧化劑,所以可以看成是『氧化物·氧化物·氧原子』的形式。這一點對我們分析理解化學反應方程式非常重要。
金屬單質與非金屬單質化合後的化合價「一般」看其最外層電子數。金屬最外層有「多少個」電子則顯正「多少」價;非金屬差「幾個」達8個電子顯「幾個」負價。