第一节 钠及其化合物
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- 所属章节:第二章 海水中的重要元素——钠和氯
- 并列内容:氯及其化合物;二者都从原子结构出发研究元素单质及化合物,但钠突出失电子和还原性,氯突出得电子和氧化性。
- 后续方法:用物质的量研究化学反应,可进一步定量计算钠及其化合物的质量、气体体积和粒子数。
- 实验迁移:一定物质的量浓度溶液的配制,把本节物质性质研究延伸到定量实验。
- 综合复习:钠元素转化网络。
本节学习目标
- 能从钠原子结构解释金属钠的强还原性、保存方法和主要反应。
- 能依据实验现象说明钠与氧气、水反应的产物、条件与能量变化。
- 掌握 、、、 的类别、性质、转化和用途。
- 能用比较实验鉴别 与 ,并完成除杂、推断和定量计算。
- 掌握焰色试验的操作、典型焰色及干扰排除方法。
核心知识点讲解
一、知识对象与物质情境
海水中含有丰富的钠元素,但钠在自然界中以 、、 等化合态存在。原因是钠原子最外层只有 1 个电子,反应时很容易失去:
因此,金属钠是强还原剂;研究钠及其化合物时,可以沿“原子结构—单质性质—化合物类别—物质转化—实验应用”的主线展开。
二、核心概念与物质分类
| 物质 | 类别与状态 | 关键特征 | 典型用途或处理 |
|---|---|---|---|
| 金属单质,银白色固体 | 质软,密度约为 ,熔点约为 ,强还原性 | 保存在煤油或石蜡油中 | |
| 碱性氧化物,白色固体 | 与水、酸性氧化物、酸反应 | 常温下钠表面氧化产物 | |
| 过氧化物,淡黄色固体 | 与水、 反应放出 | 供氧剂、强氧化性物质 | |
| 强碱 | 易溶于水,溶液呈强碱性 | 化工原料 | |
| 盐,白色粉末,俗称纯碱 | 水溶液碱性较强,热稳定性较强 | 玻璃、造纸、纺织、洗涤 | |
| 酸式盐,细小白色晶体,俗称小苏打 | 溶解度较小,碱性较弱,受热分解 | 发酵粉、灭火剂、抗酸剂 |
“纯碱”只是俗名, 按组成仍属于盐; 中氧元素为 价,不属于普通碱性氧化物。
三、关键规律、反应原理与方程式
1. 钠与氧气
新切开的钠呈银白色,很快变暗,是常温下生成白色 :
钠加热燃烧时先熔化,发出黄色火焰,生成淡黄色 :
同样的反应物因条件不同产生不同产物,书写方程式时必须检查反应条件。
钠还能与氯气等非金属单质直接化合:
2. 钠与水
离子方程式为:
反应中 从 价升到 价,是还原剂;水中的氢从 价降到 价,水是氧化剂。钠着火不能用水灭火,应使用干砂或专用灭火剂。
3. 氧化钠与过氧化钠
与水反应时,试管发热、带火星木条复燃、所得溶液显碱性,分别证明反应放热、产生氧气和生成碱。它能同时消耗 并释放 ,因而可用于呼吸面具或潜水器供氧。
4. 碳酸钠与碳酸氢钠
二者都能与强酸反应放出 :
反应分两步进行:
受热分解,而 热稳定性较强:
溶液可与含 的溶液生成白色沉淀:
四、典型转化模型与分析方法
钠元素常见转化链为:
与 的相互转化:
解决转化题时依次做四件事:确定物质类别;根据类别预测性质;检查反应条件;用现象或方程式验证。鉴别要选择产生不同现象的试剂,除杂则要求“除去杂质、不引入新杂质、尽量不损失主体”。
五、实验现象、装置与证据
1. 与 比较
| 比较项目 | ||
|---|---|---|
| 外观 | 白色粉末 | 细小白色晶体 |
| 加少量水 | 结块并放热,可形成水合晶体 | 溶解并吸热 |
| 溶解性 | 较大 | 较小 |
| 溶液碱性 | 较强,酚酞颜色较深 | 较弱,酚酞颜色较浅 |
| 热稳定性 | 较稳定 | 受热生成 、、 |
| 与等浓度盐酸反应 | 逐步反应,开始放气较慢 | 直接放气,通常更快 |
2. 焰色试验
操作顺序是“洗—烧—蘸—烧—看”:用盐酸洗净铂丝或无锈铁丝;灼烧至火焰恢复原色;蘸取试样;放在外焰灼烧;观察颜色。钠为黄色,钾为紫色,观察钾时要透过蓝色钴玻璃滤去钠的黄色干扰。焰色来自元素,是物理变化;阴离子不同通常不影响同一金属元素的焰色。
教材列出的常见焰色如下;判断未知试样时应结合颜色特征和干扰排除,不能只凭一次观察草率下结论。
| 金属元素 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 焰色 | 紫红色 | 黄色 | 紫色 | 紫色 | 砖红色 | 洋红色 | 黄绿色 | 绿色 |
六、题型应用与迁移
- 现象解释:从密度、熔点、反应放热、气体生成和溶液碱性逐项解释钠与水反应。
- 鉴别与除杂:用加热法鉴别或除去 中少量 ;不能用加酸法除杂,因为主体也反应。
- 物质推断:根据淡黄色、供氧、遇水放热等信息锁定 。
- 定量分析:把质量变化、气体体积或吸收装置增重转换为 或 的物质的量。
科学史与研究实践:侯氏制碱法
侯德榜在氨碱法基础上改进工艺,把制取碳酸钠与合成氨联合起来,形成联合制碱法(侯氏制碱法)。它提高了食盐的转化率,缩短流程并减少污染。学习这段科学史时,不只记住名称,还要会从“原料利用率、流程长度、副产物利用、污染物排放”四个角度比较路布兰法、索尔维法和侯氏制碱法,理解工艺改进与生态文明建设的关系。
重点梳理
1. 条件决定钠的氧化产物
这是方程式书写和物质推断的高频触发点。常温表面变暗对应 ;加热燃烧、黄色火焰和淡黄色固体对应 。看到“燃烧”就不能写成生成 。
2. 的供氧能力
判断用途时同时抓住“消耗水或 ”和“释放 ”。若分析氧化还原关系, 中 价氧一部分升为 价、一部分降为 价,它在反应中既作氧化剂又作还原剂。
3. 两种碳酸盐的性质差异
鉴别、除杂和转化都建立在溶解性、碱性、反应速率和热稳定性差异上。固体鉴别优先加热;溶液鉴别可控制试剂量,利用与 、 等反应的现象差异,但必须说明条件,避免过量试剂改变结论。
4. 焰色试验的对象是元素
当题目给出不同钠盐或钾盐时,应判断同一金属元素具有相同焰色。试验前清洗和空烧用于排除残留离子的干扰,不是为了促使试样发生特定化学反应。
难点突破
1. 钠与盐溶液的反应顺序
钠投入盐溶液时通常先与水反应生成 和 ,再看 是否与盐中的阳离子反应。例如钠投入 溶液,不会置换出铜,而会产生气泡和蓝色沉淀:
2. 加酸放气为何可能有先后
向 溶液逐滴加少量酸时, 先变为 ,未必立刻出现气泡;继续加酸才生成 。向 溶液加酸则可直接放气。题目若强调“逐滴、少量、现象出现先后”,必须按两步反应分析。
3. 误把现象当结论
“带火星木条复燃”是现象,“生成氧气”是结论;“酚酞变红”是现象,“生成碱性物质”是结论。实验答题应按“操作—现象—结论—方程式”完整表达。
例题讲解
例题一:鉴别与除杂
有两包白色固体,分别为 和 。请设计一种鉴别方法,并说明怎样除去 固体中的少量 。
题眼: 两者热稳定性不同。
分析: 分别加热,只有 分解产生能使澄清石灰水变浑浊的 。除杂时直接充分加热,可把杂质转化为主体物质。
答案: 分别取少量固体置于试管中加热,将气体通入澄清石灰水。产生使石灰水变浑浊气体的是 ,无明显现象的是 。除杂时将混合物充分加热至质量不再变化:
反思: 同时能使两种物质发生相同现象的试剂不能直接用于鉴别;除杂方法还要保证主体保留。
例题二:过氧化钠供氧计算
若需制得标准状况下 的 ,理论上至少需要多少克 ?
题眼: 标准状况气体体积先换算为物质的量;反应中 生成 。
步骤:
答案: 理论上需要 。
易错点整理
| 常见错误表现 | 错因分析 | 正确处理步骤 |
|---|---|---|
| 写“钠燃烧生成 ” | 忽略反应条件 | 先判断常温还是加热燃烧,再确定产物 |
| 把“纯碱”归为碱 | 用俗名代替组成判断 | 按阳离子和酸根组成判断, 是盐 |
| 认为钠可从盐溶液中置换出较不活泼金属 | 忽略钠先与水反应 | 先写钠与水反应,再判断 的后续反应 |
| 用盐酸鉴别两种碳酸盐却不控制条件 | 二者都能放出 | 优先用加热法,或明确逐滴、等浓度等条件 |
| 用水扑灭钠火灾 | 忽略钠与水剧烈反应并放出可燃气体 | 使用干砂或专用灭火剂 |
| 观察钾的焰色时不使用蓝色钴玻璃 | 微量钠的黄色掩盖紫色 | 透过蓝色钴玻璃观察并说明作用 |
考点考证点整理
考点一:钠的性质与现象解释
- 出题思路:给出切割、燃烧、与水反应或投入盐溶液的实验情境。
- 关键条件:常温或加热;水还是盐溶液;是否滴加指示剂。
- 解答要点:按现象逐项对应物理性质或反应事实,写出配平方程式并判断氧化剂、还原剂。
- 易扣分点:把“游动”解释成钠本身有动力;漏写反应放热;产物条件写错。
考点二: 的性质与应用
- 出题思路:以呼吸面具、潜水器、棉花燃烧或气体净化装置为载体。
- 关键条件:接触 或 ;产生的气体能使带火星木条复燃。
- 解答要点:写出供氧方程式;从质量、物质的量或气体体积建立比例;说明反应放热时需联系实验现象。
- 易扣分点:把氧气写成来自 ;方程式漏配平;忽略 中氧为 价。
考点三: 与 的比较
- 出题思路:鉴别、除杂、转化、加酸现象、混合物含量测定。
- 关键条件:固体还是溶液;酸的滴加顺序和用量;是否充分加热。
- 解答要点:先列性质差异,再选择产生不同现象且不引入干扰的方法;定量题利用质量差或 的量。
- 易扣分点:只写试剂不写操作与现象;除杂时损失主体;离子方程式一步写错。
考点四:焰色试验
- 出题思路:根据火焰颜色判断元素,或评价操作规范。
- 关键条件:是否先清洗并空烧;钾元素是否受钠干扰。
- 解答要点:写出完整操作链;钠黄色、钾紫色;蓝色钴玻璃滤去黄色光。
- 易扣分点:把焰色试验说成化学变化;把颜色归因于阴离子。
练习题
基础训练
- 写出钠在常温和加热条件下分别与氧气反应的方程式,并指出两种固体的颜色。
- 解释钠与水反应中“浮、熔、游、红”四种现象。
- 写出 分别与水、 反应的方程式。
- 判断正误: 俗称纯碱,因此属于碱;焰色试验发生了化学变化。
巩固训练
- 将一小块钠投入 溶液,描述主要现象并写出相关方程式。
- 有 、 两种无标签溶液。请提出一种有明确不同现象的鉴别方案。
- 某淡黄色固体遇水后使带火星木条复燃,并使酚酞溶液变红。判断该固体并写出反应方程式。
- 为什么观察钾元素焰色时要透过蓝色钴玻璃?
提升训练
- 将 的 充分加热,理论上固体质量减少多少克?
- 一份 和 的混合物质量为 ,充分加热后质量变为 。求原混合物中 的质量分数。
教材“练习与应用”
- (教材第 1 题)怎样除去 粉末中混有的少量 ?写出反应方程式。
- (教材第 2 题)回答有关 的问题:
- 判断其物质类别,说明检验其中阳离子的方法。
- 淡黄色 包在棉花中,滴水后棉花立刻燃烧,能得出哪些结论?
- 写出它在呼吸面具中供氧的反应方程式,判断其氧化还原作用。某潜水艇有 人,每人每分钟消耗标准状况下 ,已知该条件下 密度为 ,若氧气全部由 提供,求一天所需 的质量。
- (教材第 3 题)下列关于钠的叙述中,不正确的是:A. 燃烧时发出黄色火焰;B. 燃烧时生成氧化钠;C. 具有很强的还原性;D. 最外电子层只有 个电子。
- (教材第 4 题)下列物质放置在空气中,因发生氧化还原反应而变质的是:A. ;B. ;C. ;D. 。
- (教材第 5 题)为测定 、 混合物中 的质量分数,不能实现测定的是:A. 称取 混合物充分加热,测质量减少量;B. 与足量盐酸反应后蒸干、灼烧,称所得固体;C. 与足量 溶液反应,称所得溶液;D. 与足量硫酸反应,将逸出气体干燥后用碱石灰吸收,测增重。
- (教材第 6 题)围绕 完成性质探究:描述其颜色和状态;从物质类别预测可反应的物质类别;分别说明它与澄清石灰水、 溶液和逐滴加入的稀盐酸反应的现象及离子方程式;概括探究思路,并给出鉴别 与 的方法。
练习题答案
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常温:, 为白色;加热:, 为淡黄色。
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“浮”说明钠的密度小于水;“熔”说明反应放热且钠熔点较低;“游”说明生成的 推动钠运动;“红”说明生成 ,溶液呈碱性。
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;。
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两项都错误。 是盐;焰色试验是物理变化。
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钠浮在液面、熔化并游动,产生气泡,同时有蓝色沉淀生成。反应为 ,。
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分别取少量溶液,滴加 溶液;产生白色沉淀的是 溶液,通常无明显现象的是 溶液。关键离子方程式为 。
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固体为 。方程式为 。
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钾盐中常混有微量钠盐,钠的黄色火焰很强,会掩盖钾的紫色;蓝色钴玻璃可滤去黄色光。
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。 受热减少 ,所以 减少 。
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加热后减少 。由 对应减少 ,得 。质量分数为 。
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充分加热混合物,使少量 转化为 ,直至质量不再变化:
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属于过氧化物,也属于氧化物。检验 可做焰色试验,火焰呈黄色。
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固体为淡黄色;滴水后燃烧说明反应放出大量热,并有助燃性气体 生成。
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供氧反应可写为 。其中氧元素由 价分别升到 价、降到 价,所以 既是氧化剂又是还原剂。一天所需氧气体积为
氧气质量为 。由 ,质量比为 ,故所需 约为
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B。钠燃烧的条件是加热,主要生成淡黄色 ,不是 。
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A。钠被空气中的氧气氧化,元素化合价发生变化; 吸收 不属于氧化还原反应。
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C。仅知反应后溶液质量,不能把两种盐的初始含量唯一确定;其余方案分别可由失重、所得 质量或 质量建立方程。
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是白色粉末,属于盐,可与某些酸、碱和盐反应。加澄清石灰水或 溶液均产生白色 沉淀:
逐滴加稀盐酸时,开始无明显气泡,继续滴加才放出气体:
探究思路是“观察组成与类别—预测性质—设计实验—依据现象和方程式得出结论”,运用了分类、实验和对比方法。鉴别两种固体最稳妥的方法是分别加热,将生成气体通入澄清石灰水;使石灰水变浑浊的是 。