值得琢磨的几个化学问题.docx

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值得琢磨的几个化学问题

值得琢磨的几个化学问题

文章编号：

1005－6629（20__）04－0074－03中图分类号：

G632.479文献标识码：

B

我们在中学和大学执教基础化学的同仁和将要担任化学教学工作的师范大学的同学们，常常会遇到或将要遇到学生提出这样的一些问题：

Fe在氧气中燃烧何以生成Fe3O4，而不是Fe2O3或FeO？

红磷在Cl2中燃烧的主反应是生成PCl3，还是生成PCl5？

NH3用Pt催化氧化制硝酸的第一步反应是生成NO，无疑，何以不是生成NO2？

把光亮无锈的铁钉放在CuSO4的稀溶液中，反应非常缓慢，要进一步在课堂上观察生成浅绿色FeSO4溶液几乎是不可能的。

Cl2与HClO比较，谁的氧化性强？

将C2H6、C2H4、C2H2的燃烧热作个比较就会发现，同样是1mol，它们燃烧放出的热是：

C2H2﹤C2H4﹤C2H6

而实际产生高温的效果却是：

C2H2＞C2H4＞C2H6，何故？

凡此等等，我们化学教师很难回避。

本文拟就这些值得琢磨的问题谈一些肤浅认识，供化学同仁教学时参考。

1.Fe在氧气中燃烧，何以是生成Fe3O4，而不是生成Fe2O3和FeO？

Fe有三种氧化物：

Fe2O3、Fe3O4和FeO

论氧化性是Fe2O3＞Fe3O4＞FeO

论热稳定性则是FeO＞Fe3O4＞Fe2O3

由化学手册和文献中可以查得Fe2O3和Fe3O4的热分解温度：

3Fe2O32Fe3O4+1/2O2

Fe3O43FeO+1/2O2

又知Fe的熔点是1525℃，Fe丝在O2中燃烧产生的高温，足可以使Fe熔化成小铁珠。

可见铁在O2中燃烧所产生的高温远远超过了Fe的熔点，更超过了Fe2O3的分解温度，或者说Fe2O3不可能在这种高温条件下稳定存在。

所以Fe在O2中燃烧的主要产物应当由下式表示：

3Fe+2O2Fe3O4

虽然北师大等校合编的《无机化学》上册第四版236页，有以此为题的[阅读材料]。

该材料从热力学原理的角度深刻分析和圆满地回答了这个问题。

但通俗、符合化学原理的简单解释会易于我们的中学生所接受。

2.把一块紫红色的光亮的Cu片，放在酒精灯的外焰上加热几秒钟（10秒以内）之后观察，表面生成了一层彩红色的Cu2O（而不是黑色CuO），何故？

统计发现，一些有变价元素的高价态的二元化合物，普遍具有对热的不稳定性（见下表反应）。

以上反应所代表的诸多事实，说明化学上的一个最最基本的反应原理：

具有变价元素的二元化合物，它们的高氧化态具有氧化性，容易在加热和高温条件下发生自身氧化还原反应，还原成低氧化态。

根据这一基本原理，许多教和学的实际问题可以迎刃而解。

按常理，Cu粉在空气中加热似乎会生成黑色CuO，但Cu片在空气中加热生成的CuO，跟没有被氧化的Cu是紧密接触的，在烘烤Cu片的加热条件下，CuO氧化Cu的反应即刻发生，形成了彩红色的Cu2O现象。

CuO+CuCu2O

S在空气中燃烧生成SO3竟达5%～6%（按SO2计），而S在纯O2中燃烧生成的SO3却只有2%～3%。

这是因为S在纯O2中燃烧产生的高温不利于SO2的转化，而有利于高价态的SO3的热分解。

P在Cl2中燃烧产生的高温不利于高氧化态的PCl5，所以P在Cl2中燃烧产物是以PCl3为主（生成的PCl3经扩散、冷却后极易与Cl2生成PCl5那是后续的副反应，因此PCl5不是P与Cl2反应的直接产物）。

NH3的Pt催化氧化是先生成NO，而不是NO2，这是因为NH3的第一步氧化生成NO的温度高于800℃，而NO2在高温时会明显分解，只有低于500℃，或更低的温度时，NO才易和O2生成NO2。

Na在空气中燃烧生成Na2O2的反应也是有条件限制的。

按中学化学教材所呈述的实验方法，“肆意”让Na在空气中无所控制的自由燃烧所产生的高温，足可以使Na2O2迅速分解，最终只能得到大量白烟（Na2O）。

2Na2O22Na2O+O2

为使Na在空气中燃烧的反应朝生成Na2O2的方向进行，关键是要控制好反应的温度不宜太高，而控制温度的关键又在于控制空气的量。

3.Cl2与HClO比较，谁的氧化性更强？

大家最熟悉X2（F2除外）与H2O的歧化反应：

X2+H2O=H++Xˉ+HClO

但是X2歧化反应的发生与溶液的pH有关。

例如Cl2与H2O的反应，只有当pH>4时，Cl2的歧化反应才能进行，此时当是Cl2的氧化性比HClO要强。

当pH<4时，上述反应则向左进行，即HClO与浓HCl（提高酸度）反应生成Cl2。

此时则是HClO的氧化性比Cl2要强。

可见，当pH>4时的氧化性是Cl2>HClO；当pH<4时的氧化性，则是HClO>Cl2。

另外，读者注意，对于X2与H2O的歧化反应，F2是个例外（2F2+2H2O=4HF+O2）；对Br2，在pH>6时发生歧化反应，是生成BrO3-和Br-；对于I2，在pH>8时发生歧化反应，是生成IO3-和I-。

4.对稀HNO3化学性质的两点误解

对于稀HNO3的化学性质，高中化学教材中历来都有这样的叙述：

“硝酸与金属反应时，主要是HNO3中+5价的氮得到电子，被还原成较低价的氮而形成氮的氧化物（NO2、NO），而不像盐酸与活泼金属反应那样放出氢气。

”但是这种认识是不严谨的，它导致中学化学教学普遍出现两个误解：

第一点，以为Zn、Mg与稀HNO3反应不会生成H2。

事实是：

在一个35mL～40mL的试管里滴3～4滴浓HNO3，用水稀释至试管口（HNO3的质量分数<1%）,放进几段Mg条，装上带玻璃管的单孔橡皮塞，倒插在盛水的烧杯中（如下图），可见Mg条上冒出许多细小的氢气泡，大约10min之内，可以收集得1/2试管体积的无色气体。

用胶头滴管往试管中鼓入空气（O2）时，气体没有颜色变化，说明这无色气体既不是NO2，也不是NO，恰恰可以着火燃烧证明是氢气。

读者注意，由北师大等校编写的《无机化学》下册（1997年第三版）530页：

“Mg、Mn和Zn与冷的稀HNO3（6mol·L-1～0.2mol·L-1）反应会放出氢气”;同时北师大等校编写的《无机化学》下册（20__年第四版）531页，又改写成“极稀HNO3（1%～2%）与极活泼金属作用，会有氢气放出”。

尽管文献所提供的稀硝酸的质量分数差别很大，看来，稀HNO3与活泼金属反应会放出氢气，已是既有文献支撑，又有实验依据的不争的事实。

第二点，Fe与HNO3反应只生成Fe（NO3）3，不生成Fe（NO3）2（似乎Fe过量也是如此）。

笔者从化学词典[1,2]查到，很稀的HNO3是一种弱氧化剂，它容易使还原剂（Fe）氧化成较低的还原态（Fe2+），而自身则还原成较低的氧化态（NO、N2O、N2、NH4+）。

生产上正是基于稀HNO3的这种性质，把铁溶解在冷的稀HNO3（ρ=1.05g/cm3）中来生产Fe（NO3）2的。

5.CO2在水中的溶解度是怎样测出来的？

依据反应：

Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O

人教版初中化学114页：

“二氧化碳能溶于水。

在通常状况下，1体积水大约能溶解1体积的二氧化碳”。

高教版北师大等校合编的《无机化学》下册第四版567页：

“CO2在水中的溶解度不大，298K时，1L水中溶1.45g（约0.033mol，740mL）CO2”。

由手册查得，293KCa（OH）2的溶解度为0.165g，因饱和石灰水是稀溶液，可设其密度为1.00g/mL。

实验测定过程：

步骤1.试剂配备

把明显过量的石灰放入水中，经多次摇动，静置过夜后，再过滤制得饱和石灰水，备用；把4mol·L-1HCl与块状CaCO3分置于气体发生器，把生成的CO2经盛水的洗气瓶后导入盛水的玻璃筒（或大的细口瓶）中。

在水中通CO2的时间不得少于20min，以使CO2在水中充分饱和，制得饱和CO2溶液，备用。

步骤2.实验测定

把一试管（36mL）饱和石灰水移入锥形瓶，加1～2滴酚酞做指示剂，用新制得饱和CO2水溶液进行滴定，待石灰水的红色减褪至粉红色时，记下用去饱和CO2水溶液的体积是24.0mL。

①36mL饱和石灰水中Ca（OH）2的质量（g）：

100:

0.165=36:

m[Ca（OH）2]

m[Ca（OH）2]=0.0594g

②根据Ca（OH）2与CO2反应，0.0594gCa（OH）2吸收CO2的体积（mL）：

74:

22400=0.0594:

V（CO2）

v（CO2）=17.98mL

≈18mL

③常温下CO2在水中的溶解（mL）：

即通常情况下，CO2在每升水中的溶解度约为0.75L。

可见，初中化学所说的1体积水溶解1体积CO2的数值是偏大了。

6.Fe钉跟CuSO4溶液的置换反应何以如此缓慢？

九年义务教育初中化学上册（人教版）89页图5－2,铁钉跟硫酸铜溶液反应前后质量的测定实验。

按教材要求实验的反应速率缓慢，生成紫红色Cu的量不多。

尽管不很影响质量守恒实验的测定，但是要在课堂教学的短时间内通过观察实验现象变化来证明质量守恒的说服力不强。

对此，笔者设计了如下的实验进行实证探索：

五个试管内都注入相同浓度，相同体积（约10mL）稀CuSO4溶液：

把第一个试管的CuSO4溶液用做对比观察；

第二个试管中放入3根新购买的光亮的铁钉；

第三个试管中放入3根用砂纸砂光亮的铁钉；

第四个试管中放入3根用盐酸酸洗过的铁钉；

第五个试管中放入3根新购买的光洁的铁钉后，再加入少量固体食盐。

5min～10min之内就会发现，第二、第三两支试管中的铁钉变红—铁钉表面像镀一层Cu似的，而蓝色CuSO4溶液的颜色却没有多少变化；第四、第五两支试管内的铁钉表面沉积一些疏松的Cu，试管底也沉积大量红色的铜泥，溶液由蓝色变成了浅绿色，跟第一试管内的蓝色CuSO4溶液比较，非常醒目。

原来，用砂纸打磨得十分光亮的铁钉表面非常平滑光洁，Fe与CuSO4溶液反应置换出来的Cu紧紧地附着在铁钉表面。

反应一开始，生成的Cu就把铁钉严严实实地包围了起来，使Fe与Cu2+被单质Cu所隔离，使后续的置换反应难以继续下去。

用盐酸酸洗后的铁钉表面，除了有铁，还有酸洗后留下的单质炭，C与Fe形成原电池，加速了Fe由原子变为离子（Fe2+）的过程，亦即加快了Fe与CuSO4置换反应的过程。

加有食盐的CuSO4溶液，食盐中的Cl－也有加速金属腐蚀的作用，也使Fe与CuSO4置换反应速率加快。

为使Fe与CuSO4溶液的置换反应在短时间（10min）内，有验证质量守恒定律的教学演示效果，建议把铁钉用盐酸酸洗处理，或在CuSO4溶液中加少量固体食盐，这是实验成功的关键。

8．为何反应热是C2H6＞C2H4＞C2H2，而实际获得高温的效果却是C2H2＞C2H4＞C2H6？

过去高中化学（甲种本）讲烃一章的烷、烯、炔时，分别出现了以下三个反应

C2H6+7/2O22CO2+3H2O（液）+373千卡

C2H4+3O22CO2+2H2O（液）+337千卡

C2H2+5/2O22CO2+H2O（液）+310.6千卡

从前面所列的三个热化学反应式可以看出，乙烷和乙烯燃烧时一方面需要较多的O2（C2H6需3.5molO2、C2H4需3molO2），这样被带走的热量也就较多；另一方面同时生成的水也较多（C2H6生成水3mol、C2H4生成水2mol），这样被水吸收和带走的热量也较多。

而乙炔在这两方面都损失较少，因此乙炔燃烧时，反而能获得更高的温度。