实验活动 3 同周期、同主族元素性质的递变

本节学习目标

能完成卤素单质置换、镁与水、两种氢氧化物酸碱性比较实验。
能准确描述颜色、气泡、指示剂和沉淀溶解等可观察现象。
能用离子方程式解释实验现象，判断氧化性、金属性和非金属性强弱。
能把同周期、同主族的递变事实与电子层数、原子半径、得失电子能力联系起来。
理解对照实验和控制变量的作用，能评价证据是否充分。
掌握新制氯水的使用原因和卤素实验的安全、废液处理要求。

核心知识点讲解

一、知识对象与物质情境

元素周期律来源于大量可重复的性质事实。本实验用两组比较把抽象规律转化为证据链：卤素置换验证同主族非金属性递变；钠、镁、铝相关反应验证同周期金属性减弱以及最高价氢氧化物碱性减弱。

实验结论不能停留在“颜色变了”或“反应更快”，而要完整表达为：现象说明哪种反应发生，反应说明哪种微粒得失电子能力更强，最终说明元素性质如何递变。

二、核心概念与物质分类

实验组	自变量	观察量	推断目标
氯水与 $N a B r$ 、 $N a I$	阴离子种类	新生成卤素的颜色	$C l_{2}$ 与 $B r_{2}$ 、 $I_{2}$ 氧化性
溴水与 $N a I$	氧化剂种类	碘的颜色	$B r_{2}$ 与 $I_{2}$ 氧化性
钠、镁与水	金属种类	气泡、温度条件、指示剂	$N a$ 、 $M g$ 金属性
$M g (O H)_{2}$ 、 $A l (O H)_{3}$	沉淀种类和加入试剂	在酸、强碱中的溶解	碱性和两性差异

对比实验应尽量保持溶液浓度、体积、温度、试剂滴数、金属表面积和观察时间一致。若条件不同，必须说明差异并辅以其他证据。

三、关键规律、反应原理与方程式

1. 卤素置换

C l_{2} + 2 B r^{-} = 2 C l^{-} + B r_{2}

C l_{2} + 2 I^{-} = 2 C l^{-} + I_{2}

B r_{2} + 2 I^{-} = 2 B r^{-} + I_{2}

反应能自发进行，说明氧化性 $C l_{2} > B r_{2} > I_{2}$ ，对应元素非金属性 $C l > B r > I$ 。反方向通常不能自发发生。

2. 钠、镁与水

2 N a + 2 H_{2} O = 2 N a O H + H_{2} ↑

M g + 2 H_{2} O Δ M g (O H)_{2} + H_{2} ↑

钠与冷水剧烈反应；打磨镁条与冷水反应很慢，加热后明显。该事实支持 $N a$ 比 $M g$ 更易失电子，金属性更强。

3. 氢氧化物的制备与性质

用氨水缓慢沉淀两种离子：

M g^{2 +} + 2 N H_{3} \cdot H_{2} O = M g (O H)_{2} ↓ + 2 N H_{4}^{+}

A l^{3 +} + 3 N H_{3} \cdot H_{2} O = A l (O H)_{3} ↓ + 3 N H_{4}^{+}

两种白色沉淀都溶于酸：

M g (O H)_{2} + 2 H^{+} = M g^{2 +} + 2 H_{2} O

A l (O H)_{3} + 3 H^{+} = A l^{3 +} + 3 H_{2} O

$A l (O H)_{3}$ 还溶于强碱，而 $M g (O H)_{2}$ 通常不溶于过量 $N a O H$ ：

A l (O H)_{3} + O H^{-} = [A l (O H)_{4}]^{-}

说明从 $M g$ 到 $A l$ 金属性减弱，最高价氢氧化物碱性减弱， $A l (O H)_{3}$ 表现两性。

四、典型转化模型与分析方法

1. 实验分析五步法

明确比较对象 → 控制无关变量 → 描述可观察现象 → 写方程式确认微粒变化 → 得出性质排序并用结构解释

2. 置换反应比较法

若 $A_{2} + 2 B^{-} \to 2 A^{-} + B_{2}$ 能发生，则 $A_{2}$ 的氧化性强于 $B_{2}$ ，元素 $A$ 的非金属性强于 $B$ 。同时 $B^{-}$ 的还原性强于 $A^{-}$ 。

3. 酸碱性比较法

同周期金属最高价氢氧化物碱性总体减弱。比较时要使用对应最高价氢氧化物，并保持酸或碱的浓度、体积和沉淀量大致相当。 $A l (O H)_{3}$ 溶于强碱是两性的证据，不表示铝是非金属。

五、实验现象、装置与证据

1. 同主族元素性质递变

在白色点滴板的孔穴中分别放 $N a B r$ 、 $N a I$ 和新制氯水作颜色对照；向前两孔加入等滴数新制氯水。 $N a B r$ 孔出现溴的橙红或棕黄色， $N a I$ 孔出现碘的棕色。另以溴水作对照，向 $N a I$ 中加溴水，生成碘。

氯水必须新制，因为氯水久置时 $H C l O$ 分解并推动溶解的 $C l_{2}$ 继续反应，导致有效 $C l_{2}$ 减少、氧化性减弱，现象不明显。

2. 同周期元素性质递变

钠与水：浮、熔、游、产生气体，酚酞变红，反应剧烈。
镁与冷水：打磨后仍反应缓慢；加热至沸腾后气泡增多，酚酞变红或出现白色浑浊。
$M g (O H)_{2}$ ：白色沉淀，溶于盐酸，不溶于过量 $N a O H$ 。
$A l (O H)_{3}$ ：白色胶状沉淀，既溶于盐酸，也溶于过量 $N a O H$ 。

3. 安全与废液

氯水、溴水具有氧化性和刺激性，少量使用，避免接触皮肤和吸入挥发物。
镁条加热时试管口不朝向自己或他人；用试管夹夹持。
$N a O H$ 、盐酸有腐蚀性，溅到皮肤后立即用大量水冲洗并按实验室要求处理。
含卤素、镁、铝的废液分类收集，不随意倒入水槽。

六、题型应用与迁移

现象补全：颜色必须说明是溶液颜色、沉淀颜色还是气体颜色。
证据推理：由置换方向判断单质氧化性，再对应元素非金属性。
方案评价：检查是否使用新制氯水、是否有颜色对照、变量是否统一。
周期律解释：同周期由核电荷增加解释半径和金属性变化；同主族由电子层增加解释非金属性变化。
陌生实验设计：可选择单质置换、氢化物稳定性、最高价含氧酸或氢氧化物酸碱性，但需保证证据可比。

重点梳理

1. 实验现象只是证据起点

“出现溴或碘的颜色”先证明生成新单质，再由氧化还原方向判断氧化性，最后才得到非金属性顺序。任何一层缺失都会使论证不完整。

2. 新制氯水和颜色对照

新制保证氧化剂有效浓度；设置同体积氯水、溴水对照是为了区分试剂本身颜色与生成物颜色。对有色体系，空白对照尤为重要。

3. 温度不同造成证据局限

钠用冷水、镁需加热才明显，反应条件并不完全相同。这个事实仍能说明镁反应更困难，但高质量结论还应结合周期表位置、氢氧化物碱性等证据。

4. $A l (O H)_{3}$ 两性是过渡信号

第三周期从左到右金属性逐渐减弱， $A l (O H)_{3}$ 从典型碱性氢氧化物过渡为两性，反映铝已表现一定非金属性。它仍是金属元素。

难点突破

1. 怎样排除卤素颜色干扰

同体积、同浓度的卤素水作对照；各孔使用相同滴数；在白色背景下观察；必要时使用有机溶剂萃取增强颜色差异，但若使用有机溶剂必须遵守安全规范并说明上下层位置。

2. 氨水为何适合制备 $A l (O H)_{3}$

氨水是弱碱，能提供足够 $O H^{-}$ 使 $A l^{3 +}$ 沉淀，又不会像过量强碱那样立即把 $A l (O H)_{3}$ 溶解为 $[A l (O H)_{4}]^{-}$ ，便于后续比较。

3. 金属性比较与反应速率

金属性描述原子失电子倾向，反应速率还受温度、浓度、表面积、保护膜等动力学因素影响。实验用反应难易作证据时必须控制变量或说明条件限制。

例题讲解

例题一：由实验建立卤素顺序

氯水能使 $N a B r$ 、 $N a I$ 溶液分别出现溴、碘的颜色；溴水能使 $N a I$ 溶液出现碘的颜色。写出结论链。

方程式： $C l_{2} + 2 B r^{-} = 2 C l^{-} + B r_{2}$ ， $C l_{2} + 2 I^{-} = 2 C l^{-} + I_{2}$ ， $B r_{2} + 2 I^{-} = 2 B r^{-} + I_{2}$ 。

推理： $C l_{2}$ 能氧化 $B r^{-}$ 、 $I^{-}$ ， $B r_{2}$ 能氧化 $I^{-}$ ，故氧化性 $C l_{2} > B r_{2} > I_{2}$ ，元素非金属性 $C l > B r > I$ ，阴离子还原性 $I^{-} > B r^{-} > C l^{-}$ 。

例题二：氢氧化物方案评价

某同学分别向 $M g C l_{2}$ 、 $A l C l_{3}$ 溶液加入过量 $N a O H$ ，只观察到一支试管有白色沉淀，想据此比较两种氢氧化物。方案有何不足？

分析： $A l^{3 +}$ 加过量 $N a O H$ 时，先生成的 $A l (O H)_{3}$ 会继续溶解，无法直接观察其生成和两性过程。

改进： 先用氨水分别制得两种白色沉淀并分装，再分别加入等量盐酸和 $N a O H$ ，比较溶解情况。

易错点整理

常见错误表现	错因分析	正确处理步骤
只写“溶液变色”	现象不具体	说明出现溴或碘的特征颜色，并设对照
由 $C l_{2}$ 置换 $B r^{-}$ 得出 $B r$ 非金属性更强	氧化剂、产物方向判断反了	能置换者单质氧化性和元素非金属性更强
用久置氯水导致无明显现象	有效 $C l_{2}$ 减少	使用新制氯水
直接用过量 $N a O H$ 制 $A l (O H)_{3}$	沉淀会继续溶解	用氨水沉淀，再分装验证两性
只以反应快慢判金属性	忽略实验条件	控制温度、表面积和保护膜，并用多证据
把 $A l (O H)_{3}$ 两性等同于 $A l$ 是非金属	混淆化合物性质与元素分类	铝仍为金属，只是金属性弱于镁

考点考证点整理

考点一：卤素置换实验

出题思路：点滴板操作、颜色辨认、方程式和氧化性排序。
关键条件：氯水新制、滴数相同、颜色对照、试剂顺序。
解答要点：现象—卤素生成—电子转移—氧化性—非金属性完整推理。
易扣分点：颜色表述含糊；氧化性与阴离子还原性排序同向。

考点二：钠、镁金属性比较

出题思路：回忆钠与水，设计镁与冷水、热水的比较实验。
关键条件：镁条打磨、温度、酚酞、金属用量和安全。
解答要点：说明镁与水更难反应，结合结构得 $N a$ 金属性更强。
易扣分点：漏加热条件；把酚酞变红说成生成酚酞。

考点三： $M g (O H)_{2}$ 与 $A l (O H)_{3}$

出题思路：沉淀制备、分装、酸碱溶解、离子方程式和方案评价。
关键条件：用氨水沉淀、强碱是否过量、沉淀量是否可比。
解答要点：两者均溶于酸，只有 $A l (O H)_{3}$ 溶于过量强碱，说明其两性。
易扣分点：用过量 $N a O H$ 一步制备；漏写 $[A l (O H)_{4}]^{-}$ 。

考点四：实验事实与周期律

出题思路：由两组实验归纳同周期、同主族递变并解释本质。
关键条件：比较方向、原子半径、电子层和核吸引。
解答要点：事实支持性质排序，结构解释得失电子能力，最终归纳周期律。
易扣分点：只有结论没有实验证据或结构原因。

练习题

基础训练

写出氯水与 $N a B r$ 、 $N a I$ 反应的离子方程式。
为什么卤素置换实验要使用新制氯水？
写出钠、镁与水反应的方程式，并注明镁反应条件。
写出 $A l (O H)_{3}$ 与盐酸、 $N a O H$ 溶液反应的离子方程式。

巩固训练

由三组卤素置换实验推出单质氧化性、元素非金属性和阴离子还原性顺序。
比较镁条与冷水、热水反应时应控制哪些变量？为什么要打磨镁条？
设计实验比较 $M g (O H)_{2}$ 、 $A l (O H)_{3}$ 的酸碱性，写出操作和现象。
某同学向 $A l C l_{3}$ 溶液一次加入过量 $N a O H$ ，最终无沉淀，便认为没有反应。解释其错误。

提升训练

有 $N a C l$ 、 $N a B r$ 、 $N a I$ 三瓶无色溶液，只提供氯水、溴水和淀粉溶液，设计分步鉴别思路。
为验证第三周期 $M g$ 的金属性强于 $A l$ ，有人仅比较两种金属与盐酸的初始放气速度。评价该方法并提出更可靠的证据组合。

练习题答案

$C l_{2} + 2 B r^{-} = 2 C l^{-} + B r_{2}$ ； $C l_{2} + 2 I^{-} = 2 C l^{-} + I_{2}$ 。
氯水久置时有效 $C l_{2}$ 减少、氧化性降低，可能使置换现象不明显；新制氯水可提高实验可靠性。
$2 N a + 2 H_{2} O = 2 N a O H + H_{2} ↑$ ； $M g + 2 H_{2} O Δ M g (O H)_{2} + H_{2} ↑$ 。
$A l (O H)_{3} + 3 H^{+} = A l^{3 +} + 3 H_{2} O$ ； $A l (O H)_{3} + O H^{-} = [A l (O H)_{4}]^{-}$ 。
单质氧化性 $C l_{2} > B r_{2} > I_{2}$ ；元素非金属性 $C l > B r > I$ ；阴离子还原性 $I^{-} > B r^{-} > C l^{-}$ 。
应控制镁条长度和表面积、水量、酚酞用量、观察时间等；比较温度影响时除温度外其他条件相同。打磨是为了除去表面氧化膜，减少其对反应的阻碍。
分别向等体积、等浓度 $M g C l_{2}$ 、 $A l C l_{3}$ 溶液滴加氨水至沉淀完全；各分成两份。一份加盐酸，两种沉淀均溶；另一份加过量 $N a O H$ ， $A l (O H)_{3}$ 溶解而 $M g (O H)_{2}$ 不溶。
$A l^{3 +}$ 先与 $O H^{-}$ 生成 $A l (O H)_{3}$ ，过量 $O H^{-}$ 又使其转化为可溶的 $[A l (O H)_{4}]^{-}$ ，所以最终无沉淀不等于没有反应。
分样检验。先用溴水：能生成碘并使淀粉显蓝色的是 $N a I$ ；对另外两瓶另取新样加氯水，出现溴的颜色的是 $N a B r$ ，无置换现象的是 $N a C l$ 。必须使用新样，避免前一步引入离子干扰。
方法不充分，因为铝的致密氧化膜、金属表面积、酸浓度和温度都会影响初始速率。可打磨等面积金属片并控制酸浓度、温度作对比，同时结合 $M g (O H)_{2}$ 碱性强于 $A l (O H)_{3}$ 、周期表位置与原子结构等证据综合判断。

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本节学习目标

核心知识点讲解

一、知识对象与物质情境

二、核心概念与物质分类

三、关键规律、反应原理与方程式

1. 卤素置换

2. 钠、镁与水

3. 氢氧化物的制备与性质

四、典型转化模型与分析方法

1. 实验分析五步法

2. 置换反应比较法

3. 酸碱性比较法

五、实验现象、装置与证据

1. 同主族元素性质递变

2. 同周期元素性质递变

3. 安全与废液

六、题型应用与迁移

重点梳理

1. 实验现象只是证据起点

2. 新制氯水和颜色对照

3. 温度不同造成证据局限

4. Al(OH)3​ 两性是过渡信号

难点突破

1. 怎样排除卤素颜色干扰

2. 氨水为何适合制备 Al(OH)3​

3. 金属性比较与反应速率

例题讲解

例题一：由实验建立卤素顺序

例题二：氢氧化物方案评价

易错点整理

考点考证点整理

考点一：卤素置换实验

考点二：钠、镁金属性比较

考点三：Mg(OH)2​ 与 Al(OH)3​

考点四：实验事实与周期律

练习题

基础训练

巩固训练

提升训练

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