浅谈元素化学

葛雅隽 · 5 天前

浅谈元素化学

第十一章钠和钠的化合物

一、金属钠

1. 物理性质

色、味、态：常温常压下，钠为具有银白色光泽的固体（大多数金属有金属光泽，除 \(\ce{Cu}\) 紫红色，\(\ce{Au}\) 金色；大多数金属粉末为黑色，除 \(\ce{Mg}\)、\(\ce{Al}\) 粉银白色，\(\ce{Cu}\) 粉红色）
熔沸点：钠的熔点比较低，为 \(97.8℃\)
密度：固态密度介于水和煤油之间（故 \(\ce{Na}\) 存放在水中）
其他性质：钠质软，可以用小刀切割

2. 化学性质

与水反应显碱性

\[\ce{2Na + 2H2O \xlongequal{\quad} 2NaOH + H2 ^}\]
- 现象
  - 浮：\(\ce{Na}\) 密度小于水，浮在水面上
  - 熔：反应放热，\(\ce{Na}\) 熔点低，形成小球
  - 游：生成 \(\ce{H2}\)，推动 \(\ce{Na}\) 游走
  - 响：\(\ce{H2}\) 放热会燃爆，发出嘶嘶响声
  - 红：滴入酚酞，\(\ce{NaOH}\) 与酚酞变红
- \(\ce{Na}\) 与 \(\ce{HCl}\) 反应（与 \(\ce{NaOH + HCl \xlongequal{\quad} NaCl + H2O}\) 叠加）
  \[\ce{2Na + 2HCl \xlongequal{\quad} 2NaCl + H2 ^}\]
- \(\ce{Na}\) 与 \(\ce{CuSO4}\) 反应（与 \(\ce{CuSO4 + 2NaOH \xlongequal{\quad} Cu(OH)2 + Na2SO4}\) 叠加）
  \[\ce{2Na + 2H2O + CuSO4 \xlongequal{\quad} Cu(OH)2 v + Na2SO4 + H2 ^}\]
还原性（与 \(\ce{O2}\)、\(\ce{S}\)、\(\ce{Cl2}\)、\(\ce{H2}\) 等可以反应）
- 与 \(\ce{S}\) 反应
  \[\ce{2Na + S \xlongequal{研磨爆炸} Na2S}\]
- 与 \(\ce{Cl2}\) 反应
  \[\ce{2Na + Cl2 \xlongequal{点燃} 2NaCl}\]
- 与 \(\ce{H2}\) 反应
  \[\ce{2Na + H2 \xlongequal{\triangle} 2NaH}\]
  - \(\ce{NaH}\) 与 \(\ce{H2O}\) 反应
  \[\ce{NaH + H2O \xlongequal{\quad} NaOH + H2 ^}\]
- 与 \(\ce{O2}\) 反应
  - \(\ce{Na}\) 放置在室内中
    \[\ce{\underset{银白}{Na} ->[O2] \underset{变暗}{Na2O} ->[H2O] \underset{吸潮}{NaOH} ->[CO2] \underset{白色固体}{Na2CO3}}\]
  - \(\ce{Na}\) 与 \(\ce{O2}\) 点燃
    \[\ce{2Na + O2 \xlongequal{点燃} Na2O2（淡黄色固体）}\]
    - \(\ce{Na2O2}\) 由 \(\ce{Na+}\) 和 \(\ce{O2^{2-}}\) 组成
    - \(\ce{Li+}\) 与 \(\ce{O^2-}\) 生成 \(\ce{Li2O}\)，\(\ce{Na+}\) 与 \(\ce{O2^2-}\) 生成 \(\ce{Na2O2}\)，\(\ce{Li+}\) 与 \(\ce{O2^-}\)（超氧根）生成 \(\ce{KO2}\)（半径依次增大）

二、氧化钠

1. 物理性质

白色粉末状固体

1. 化学性质

与水反应呈碱性（碱性氧化物）
\[\ce{Na2O + H2O \xlongequal{\quad} 2NaOH}\]

三、过氧化钠

1. 物理性质

淡黄色粉末状固体

2. 化学性质

与水反应呈碱性，但不是碱性氧化物（碱性氧化物和水反应只生成碱，和酸反应只生成盐和水），同时也是歧化反应
\[\ce{Na2O2 + H2O \xlongequal{\quad} 4NaOH + O2 ^}\]
- \(\ce{Na2O2}\) 与 \(\ce{CO2}\) 反应（与 \(\ce{CO2 + 2NaOH \xlongequal{\quad} Na2CO3 + H2O}\) 叠加，可以发现 \(\ce{H2O}\) 是这个反应的催化剂，因为它先消耗后生成）
  \[\ce{2Na2O2 + 2CO2 \xlongequal{\quad} 2Na2CO3 + O2 ^}\]
- \(\ce{Na2O2}\) 与 \(\ce{CuSO4}\) 反应（配平方法：把 \(\ce{Na2O2}\) 定 \(1\) 拆和）
  \[\ce{2Na2O2 + 2Cu^2+ + 2H2O \xlongequal{\quad} 2Cu(OH)2 v + 4Na+ + O2 ^}\]
- \(\ce{Na2O2}\) 与 \(\ce{FeCl2}\) 反应（配平方法：把 \(\ce{2Na2O2 + 2Fe^2+ + 2H2O \xlongequal{\quad} 2Fe(OH)2 v + 4Na+ + O2 ^}\) 与 \(\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O \xlongequal{\quad} 4Fe(OH)3}\) 叠加）
  \[\ce{4Na2O2 + 4Fe^2+ + 6H2O \xlongequal{\quad} 4Fe(OH)3 v + 8Na+ + O2 ^}\]
氧化性与还原性
- \(\ce{Na2O2}\) 与 \(\ce{Na2SO3}\) 反应（主要体现氧化性）
  \[\ce{Na2O2 + SO3^2- + H2O \xlongequal{\quad} SO4^2- + 2Na+ + 2OH-}\]
- \(\ce{Na2O2}\) 与酸性 \(\ce{KMnO4}\) 反应（遇到较强氧化剂，体现还原性）
  \[\ce{2MnO4- + 5Na2O2 + 16H+ \xlongequal{\quad} 2Mn^2+ + 5O2 ^ + 10Na+ + 8H2O}\]
- 投入酚酞，先变红，后褪色

四、氢氧化钠、碳酸钠与碳酸氢钠

1. 物理性质与俗称

\(\ce{NaOH}\) 俗称烧碱，\(\ce{Na2CO3}\) 俗称苏打、纯碱，\(\ce{NaHCO3}\) 俗称小苏打
溶解度 \(\ce{NaHCO3} < \ce{Na2CO3}\)
\(\ce{NaOH}\) 易潮解吸湿

2. 化学性质

\(\ce{CO2}\) 通入 \(\ce{Na2CO3}\)
\[\ce{CO2 + CO3^2- + H2O \xlongequal{\quad} 2HCO3-}\]
\(\ce{CO2}\) 通入饱和 \(\ce{Na2CO3}\)（溶解度 \(\ce{NaHCO3} < \ce{Na2CO3}\)，所以有沉淀）
\[\ce{CO2 + CO3^2- + H2O + 2Na+ \xlongequal{\quad} 2NaHCO3 v}\]
向 \(\ce{Na2CO3}\) 中逐滴加 \(\ce{HCl}\)（现象：先无气泡，后产生气泡）
\[\ce{CO3^2- + H+ \xlongequal{\quad} HCO3-}\]

\[\ce{HCO3- + H+ \xlongequal{\quad} CO2 ^ + H2O}\]
向 \(\ce{HCl}\) 中逐滴加 \(\ce{Na2CO3}\)（现象：直接有气泡）
\[\ce{2H+ + CO3^2- \xlongequal{\quad} CO2 ^ + H2O}\]
- 鉴别 \(\ce{Na2CO3}\) 与 \(\ce{HCl}\) 只需互滴
\(\ce{NaHCO3}\) 与 \(\ce{NaOH}\) 反应
\[\ce{NaHCO3 + NaOH \xlongequal{\quad} Na2CO3 + H2O}\]
反应图像
- 在一个有 \(\ce{NaHCO3}\)、\(\ce{Na2CO3}\)、\(\ce{NaOH}\) 的其中两种的溶液中逐滴加 \(\ce{HCl}\)，三者碱性依次增大，反应顺序先和碱性强的反应
- \(\ce{NaOH}\) 与 \(\ce{Na2CO3}\) 混合滴 \(\ce{HCl}\)
  
  \[\frac{n(\ce{NaOH})}{n(\ce{Na2CO3})} = \frac{a - (b - a)}{b - a}\]
- \(\ce{NaHCO3}\) 与 \(\ce{Na2CO3}\) 混合滴 \(\ce{HCl}\)
  
  \[\frac{n(\ce{NaHCO3})}{n(\ce{Na2CO3})} = \frac{(b - a) - a}{a}\]
与 \(\ce{H2SO3}\) 的 \(N\) 形转换
\[酸性：\ce{H2SO3 > H2CO3 > HSO3- > HCO3-}\]

\[碱性：\ce{HSO3- < HCO3- < SO3^2- < CO3^2-}\]
- 少量 \(\ce{SO2}\) 通入 \(\ce{Na2CO3}\)
  \[\ce{SO2 + H2O + 2CO3^2- \xlongequal{\quad} SO3^2- + 2HCO3-}\]
- 过量 \(\ce{SO2}\) 通入 \(\ce{Na2CO3}\)
  \[\ce{2SO2 + H2O + CO3^2- \xlongequal{\quad} 2HSO3^- + CO2}\]
碳酸氢钠受热分解
\[\ce{2NaHCO3 \xlongequal{\triangle} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}\]
- \(a\,\mathrm{g}\) \(\ce{NaHCO3}\) 与 \(\ce{Na2CO3}\) 的混合物加热变为 \(b\,\mathrm{g}\)，\(m(\ce{NaHCO3}) = \frac{a - b}{44 + 18} \times 2 \times 84\)

第十二章铝及其化合物

一、氢氧化铝与铝盐

1. 物理性质

氢氧化铝是白色胶状沉淀，铝离子和四羟基合铝酸根离子都是无色离子

2. 化学性质

电离

\[\ce{Al(OH)3 Al^3+ + 3OH-}\quad 碱式电离\]

\[\ce{Al(OH)3 + H2O Al(OH)4- + H+}\quad 酸式电离\]
- 向 \(\ce{AlCl3}\) 中逐滴加入 \(\ce{NaOH}\)（现象：先生成白色沉淀，后白色沉淀溶解）
\[\ce{Al^3+ + 3OH- \xlongequal{\quad} Al(OH)3 v}\]

\[\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal{\quad} Al(OH)4-}\]
- 向 \(\ce{NaOH}\) 中逐滴加入 \(\ce{AlCl3}\)（现象：先无沉淀，后生成白色沉淀）
\[\ce{Al^3+ + 4OH- \xlongequal{\quad} Al(OH)4-}\]

\[\ce{Al^3+ + 3Al(OH)4- \xlongequal{\quad} 4Al(OH)3 v}\]
- 向 \(\ce{AlCl3}\) 中滴加 \(\ce{NH3 * H2O}\) 或反滴（只发生此反应，\(\ce{NH3 * H2O}\) 为弱碱，\(\ce{Al(OH)3}\) 不溶于它）
\[\ce{Al3+ + 3NH3 * H2O \xlongequal{\quad} Al(OH)3 v + 3NH4+}\]
- 向 \(\ce{Na[Al(OH)4]}\) 中逐滴加 \(\ce{HCl}\)（现象：先生成沉淀，后沉淀消失）
  
  \[\ce{Al(OH)4- + H+ \xlongequal{\quad} Al(OH)3 v + H2O}\]
  
  \[\ce{Al(OH)3 + 3H+ \xlongequal{\quad} Al^3+ + 3H2O}\]
- 向 \(\ce{HCl}\) 中逐滴加 \(\ce{Na[Al(OH)4]}\)（现象：先无沉淀，后出现沉淀）
  
  \[\ce{Al(OH)4- + 4H+ \xlongequal{\quad} Al^3+ + 3H2O}\]
  
  \[\ce{Al^3+ + 3Al(OH)4- \xlongequal{\quad} 4Al(OH)3 v}\]
- 向 \(\ce{Na[Al(OH)4]}\) 中通 \(\ce{CO2}\)
  
  \[\ce{2Al(OH)4- + CO2 \xlongequal{\quad} 2Al(OH)3 v + CO3^2- + H2O}\]
  
  \[\ce{CO2 + CO3^2- + H2O \xlongequal{\quad} 2HCO3-}\]
- 离子反应顺序：中和反应 \(>\) 沉淀 \(>\) 溶液反应 \(>\) 沉淀溶解
  - 向含 \(1\,\mathrm{mol}\,\ce{HCl}\)、\(1\,\mathrm{mol}\,\ce{AlCl3}\)、\(1\,\mathrm{mol}\,\ce{MgCl2}\)、\(1\,\mathrm{mol}\,\ce{NH4Cl}\) 的混合溶液中，逐滴加 \(\ce{NaOH}\)
    
    \[1.\,\ce{H+ + OH- \xlongequal{\quad} H2O}\]
    
    \[2.\,\ce{Al^3+ + 3OH- \xlongequal{\quad} Al(OH)3 v}\]
    
    \[\quad\ce{Mg^2+ + 2OH- \xlongequal{\quad} Mg(OH)2 v}\]
    
    \[3.\,\ce{NH4+ + OH- \xlongequal{\quad} NH3 * H2O}\]
    
    \[4.\,\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal{\quad} Al(OH)4-}\]
- 复杂图像：设少量为 \(1\)（因为少量一定会被反应完）
  - \(\ce{Al2(SO4)3}\) 中滴加 \(\ce{Ba(OH)2}\)
    
    \[\ce{3Ba^2+ + 6OH- + 3SO4^2- + 2Al^3+ \xlongequal{\quad} 2Al(OH)3 v + 3BaSO4 v}\]
    
    \[\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal{\quad} Al(OH)4-}\]
  - \(\ce{NH4Al(SO4)2}\) 中滴加 \(\ce{Ba(OH)2}\)
    
    \[\ce{Ba^2+ + 2OH- + 3SO4^2- + 2Al^3+ \xlongequal{\quad} 2Al(OH)3 v + 3BaSO4 v}\]
    
    \[\ce{Ba^2+ + 2OH- + SO4^2- + 2NH4+ \xlongequal{\quad} BaSO4 v + 2NH3 * H2O}\]
    
    \[\ce{OH- + Al(OH)3 \xlongequal{\quad} Al(OH)4-}\]

二、氧化铝

1. 物理性质

白色固体，不溶于水

2. 化学性质

氢氧化铝的其他性质——受热分解
\[\ce{2Al(OH)3 \xlongequal{\triangle} Al2O3 + 3H2O}\]
氧化铝与酸、碱的反应
- 氧化铝的电离（氧化铝不溶于水，反应程度非常小，加酸或碱后反应正向移动）
  \[\ce{Al2O3 + 3H2O 2Al(OH)3}\]
- 氧化铝与酸反应
  \[\ce{Al2O3 + 6H+ \xlongequal{\quad} 2Al^3+ + 3H2O}\]
- 氧化铝与碱反应
  \[\ce{Al2O3 + 2OH- + 3H2O \xlongequal{\quad} 2Al(OH)4-}\]

三、金属铝

1. 物理性质

银白色金属，粉末也为银白色
2.化学性质

与水、与酸、与碱的反应
- 与水反应（加酸、碱，平衡正向移动）
  \[\ce{2Al + 6H2O \xlongequal{\quad} 2Al(OH)3 + 3H2 ^}\]
- 与酸反应
  \[\ce{2Al + 6H+ \xlongequal{\quad} 2Al^3+ + 3H2 ^}\]
- 与碱反应（\(\ce{H2O}\) 为氧化剂，\(\ce{OH-}\) 只体现碱性）
  \[\ce{2Al + 2OH- + 3H2O \xlongequal{\quad} 2Al(OH)4- + 3H2 ^}\]
还原性
- 与 \(\ce{O2}\)、\(\ce{Cl2}\)、\(\ce{S}\) 等反应（\(\ce{Al2S3}\) 与水反应生成 \(\ce{Al(OH)3}\)、\(\ce{H2S}\)）
  \[\ce{4Al + 3O2 \xlongequal{\quad} 2AlO3}\]
  
  \[\ce{4Al + 3Cl2 \xlongequal{点燃} 2AlCl3}\]
  
  \[\ce{2Al + 3S \xlongequal{\triangle} Al2S3}\]
- 铝热反应（\(\ce{Al}\) 与 \(\ce{Fe2O3}\) 为铝热剂）
  \[\ce{2Al + Fe2O3 \xlongequal{高温} Al2O3 + 2Fe}\]
- 与氧化性酸反应（常温钝化，需加热）
  \[\ce{2Al + 6H2SO4(浓) \xlongequal{\quad} Al2(SO4)3 + 3SO2 ^ + 6H2O}\]
  
  \[\ce{Al + 6HNO3(浓) \xlongequal{\quad} Al(NO3)3 + 3NO2 ^ + 3H2O}\]

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