化学物质综合判断题的“关系图”解法

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化学物质综合判断题的“关系图”解法
根据所罗列出的诸多未知物性质及相互关系,而确定出各物质的化学式,是一类有一定综合性、可用于巩固元素及其化合物知识的练习题。在无机化学课程的各种教学活动中也常常会遇到。
要能比较顺利地找出这类习题的答案,仅有较为丰富的元素及其化合物知识,往往还是不够的。解题所需的另一个能力是,要能在纷繁的表象中抓出事物的主要矛盾方面,找出解题的突破口。教师应该在教学中,有意识、并逐步地对学生进行这方面的训练,指导他们如何来化难为易。
教师不妨把这种题的一般解题方法归纳为如下的四句话:
逐项解析,即将整个有关物质性质及物质间相互关系的描述,从前到后一条条地分析,进行恰如其分地解读。并将解读出的物质性质用文字简要地标记出来,将相互关系用“反应式”来表示,构成一张“关系图”。
抓住特征,即根据特征现象(独有或在给定范围内独有的性质),确定出特征物质的化学组成(特征物质有时不止一个)。
推及其余,即由已确定出组成的特征物质,据相互间的关系,往前及向后,再推导出其余的各物质。
复核确认,即检验这些物质能否符合这一系列的“反应式”。
下面就举例说明,在解题中应如何来使用这个方法。
例1. 一种纯金属单质A不溶于水和盐酸,但溶于硝酸而得到B的溶液。金属在溶于硝酸时有无色气体C放出。C在空气中可以转变为另一种棕色的气体D。加盐酸到B的溶液中,能生成白色沉淀E。E可溶于热水之中。E的热水溶液与硫化氢气体反应,可得黑色沉淀F。F用60%的硝酸处理可得黄色固体G,同时又得到B的溶液。
根据上述现象判定这七种物质各是什么。写出化学反应方程式。
解;第一步,就是将这一大段文字中涉及的各化学物质,及其主要的物理性质简要地标记出来,相互关系用一个个独立的“反应式”来表述。并将相同的物种保持在一个纵列内,而作出一个如下的,有7种物质、5个反应式的关系图(如下图一):
第二步,在写出上述“反应式”及关系图时,实际上就要对每句话所给出的信息进行梳理,并判断其中是否有“特征”的现象。
如第一句话“一种纯金属单质A不溶于水和盐酸,但溶于硝酸而得到B的溶液。金属在溶于硝酸时有无色气体C放出”。这只是给单质A限定了一个选择的范围,它是一种不活泼的金属(要注意,不只是金属活动性顺序表中H后面的金属不溶于盐酸。像Sn、Pb也难于或不溶于盐酸)。从金属与硝酸的反应形式看,B是一个硝酸盐(可用红字标记出来),C可能是NO。由于这个反应算不上是“特征”现象,对此不要进行过多的思索与纠缠。
图中的反应(2)是一个“特征”现象,描述的是NO变成NO2的反应过程。可以由此确定出它们分别是C和D(可在关系图中及时标记出其化学式)。可惜,仅由此还无法判断出金属A是什么。
图中的反应(3)是一个更重要的“特征”现象。因为,其硝酸盐可溶,氯化物在冷水中难溶、在热水中易溶的阳离子,只有Pb2+离子。所以,可得出E是PbCl2,而B是Pb(NO3)2,,这样的结论。
图中反应(4)是再次验证所讨论是Pb2+离子。可确定F是黑色的PbS,这实际上已属于“后推”性质的工作。
反应(5)则主要是描述PbS的还原性。告诉我们G是S,验证了B是Pb(NO3)2。要求写出反应(5)的主要目的,只是检查学生是否会写出这个较复杂的氧化还原反应方程式了。
第三步,完成“前推”的工作,由B确定出A是金属Pb。
第四步,写出各反应方程式。
检查完这些物质确实能满足上述5个反应后,就可以完整地作答为:
A为Pb、B为Pb(NO3)2、C为NO、D为NO2、E为PbCl2、F为PbS、G为S。
化学反应方程式从略。
当所给物质种类很多,反应关系也较复杂时,可以将其关系图分成几个部分来画,如下例。
例2. 某金属A与水反应激烈,生成呈碱性的产物B。B与溶液C反应得到溶液D,D在无色的火焰中燃烧呈黄色焰色。在D中加入AgNO3溶液有白色沉淀E生成,E可溶于氨水溶液。一黄色粉末状物质F与A反应生成G,G溶于水则得到B。F溶于水则得到B和H的混合溶液。H的酸性溶液使高锰酸钾溶液褪色,并放出气体I。试确定各字母所代表的物质,并写出有关的反应方程式。
解:从内容上看,这是一个有9种物质,涉及8个反应的习题。
第一个反应是活泼金属与水的反应。反应产物B应该是一个强碱。可标记如下图一中的第一行。
第二个反应是强碱所进行的反应。强碱与盐类或酸类物质都可以发生复分解反应。由于无沉淀或气体放出,所以应该是碱与酸间的反应。C是一个酸,D是一个盐。
“D在无色的火焰中燃烧呈黄色焰色”是一个特征现象。表明D是一个钠盐。这样,可“前推”出,A是金属钠,B是氢氧化钠。
第三个反应与第四个反应是检验阴离子的较规范方法,说明溶液中有Cl-离子。这样C就是盐酸,而E是AgCl。
这部分的关系图如图二中蓝线上面的半部分所示。
前5种物质既然都被判断出来了,其余的反应实际上就是与这些物质有一定关联,但本质上已是另外的一个判断题了。
能够与金属钠发生化合反应的黄色物质(F)有两种。一种是硫磺,它与金属钠反应的产物G为硫化钠。另一种是过氧化钠,它与金属钠反应的产物G为氧化钠。
到底是其中的哪一个呢?从后继的反应可看出,物质G溶于水后得到的是氢氧化钠(不是硫化钠)。所以前一反应中的F是过氧化钠。
其后,过氧化钠与水反应的产物当然就是过氧化氢。过氧化氢被高锰酸钾氧化而放出氧气。都是水到渠成,没有任何难度可言的过程了。
最终有判断结果:A是Na,B是NaOH,C是HCl,D是NaCl,E是AgCl,F是Na2O2,G是Na2O,H是H2O2,I是O2。
反应方程式从略。
有时,在这类题中,仅用反应现象还无法判断出物质的组成,这时就要有一些定量的数据来补充。如下例。
例3. 有一阴离子A的钾盐溶液。它被酸化并加热时,可产生黄色沉淀B、无色气体C、及另一种阴离子D。把气体C通入到酸性的BaCl2溶液中,并无沉淀生成;但通入含有H2O2的BaCl2溶液中,则生成白色的沉淀E。
过滤干燥后,物质B可在空气中燃烧,燃烧产物也是C。
定量测定,由A酸化生成的气体C的体积,与同时生成的物质B在完全燃烧后所生成的气体体积之比为1:2(相同温度及压力下)。在分离出B、C后的溶液中,加入BaCl2溶液,则生成白色沉淀。
试判定出这几种物质。
解:第一步,绘制出相应的关系图三:
第二步,解读各反应传递出的信息。
反应(1)表明酸根离子A对应的酸是不稳定的。其酸分解且能同时给出沉淀及气体产物的有三种离子:多硫化物中的Sx2-,硫代硫酸中的S2O32-,连多硫酸中的SxO62-离子。它们对应的分解反应分别为,
Sx2-+2H+=(X-1)S↓+H2S↑……(5)
S2O32-+2H+=S↓+SO2↑+H2O……(6)
SxO62-(+2H+)= (X-2)S↓+ SO2↑+SO42-……(7)
对上面的这三个反应来说,反应(5)只有两种反应产物,反应(6)有三种反应产物,但第三种产物是水(也不是“另一种阴离子D”)。所以,仅从反应形式上看也可以知道,只有反应(7)符合“另一种阴离子D”的要求,A一定是SxO62-离子。
反应(1)本身就是一个特征现象。如对酸的性质掌握的较少,就不会看到这一点,而会给解题带来一些的麻烦。
好在,反应(2)、(3)、(4)都是在说明,C是SO2,D是SO42-离子。也就是说A是SxO62-离子。
但是X的具体值还不知道。这就要由定量测定的数据来判断了。
定量测定,式(7)中S与SO2的物质的量比为2: 1,即X-2=2。这样就有X=4。也就是说,反应(7)实际上是,S4O62-= 2S↓+ SO2↑+SO42-。
可以得出结论:A为S4O62-离子,B为S单质,C为SO2,D为SO42-离子,E为BaSO4。
从上面的几例不难看出,用“关系图”来处理这类问题时,能将某物质的物理性质,化学性质,都集中展现在一个较小的区间内;同时将相互间的关系完整地表现出来。这些,对解题无疑都会有较大的帮助。