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所属成套资源:2020高考化学一轮复习3-10章学案()
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2020版高考一轮复习化学新课改省份专用学案:第三章第5课时 归纳拓展——高考考查新载体(两性金属与变价金属)
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第5课时 归纳拓展——高考考查新载体(两性金属与变价金属)
高考题“题在书外、理在书中”,陌生金属元素及其化合物,虽然考试大纲中没有要求掌握,但在高考题中却经常涉及,如元素Mn、Cr、Co、Ni、Be等。命题者常以此类元素及其化合物为载体,命制考纲中要求的元素及其化合物的性质、化学方程式(离子方程式)、反应理论、相关实验等方面的问题。虽然高考不要求,但平时多了解、认识、储备相关物质及其性质,更有利于考生读题、审题和解题。
类型一 两性金属及其化合物
1.二者均能溶于酸溶液也能溶于碱溶液
Be+2NaOH+2H2O===Na2[Be(OH)4]+H2↑
或Be+2NaOH===Na2BeO2+H2↑
2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑
或2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
2.两者的氢氧化物均为两性氢氧化物,易溶于强碱溶液
Be(OH)2+2NaOH===Na2[Be(OH)4]
或Be(OH)2+2NaOH===Na2BeO2+2H2O
Al(OH)3+NaOH===Na[Al(OH)4]
或Al(OH)3+NaOH===NaAlO2+2H2O
[典例1] 铝、铍及其化合物具有相似的化学性质,已知反应:BeCl2+Na2BeO2+2H2O===2NaCl+2Be(OH)2↓能完全进行,则下列推断正确的是( )
A.Be(OH)2既能溶于盐酸,又能溶于NaOH溶液
B.因BeCl2水溶液的导电性强,故BeCl2是离子化合物
C.常温下Na2BeO2溶液的pH>7,将其蒸干并灼烧后得到的残留物为BeO
D.常温下BeCl2溶液的pH>7,将其蒸干并灼烧后得到的残留物是BeCl2
[解析] 铝、铍及其化合物具有相似的化学性质,Be(OH)2与Al(OH)3性质相似,Be(OH)2既能溶于盐酸,又能溶于NaOH溶液,A正确;某些共价化合物水溶液的导电性也较强,B错误;Na2BeO2溶液蒸干灼烧后得到Na2BeO2,C错误;常温下BeCl2溶液的pH<7,蒸干并灼烧后得到的残留物是BeO,D错误。
[答案] A
1.锌与酸、碱的反应
(1)Zn+2H+===Zn2++H2↑
(2)Zn+2NaOH+2H2O===Na2[Zn(OH)4]+H2↑
或Zn+2NaOH===Na2ZnO2+H2↑
2.氧化锌——两性氧化物
(1)ZnO+2H+===Zn2++H2O
(2)ZnO+2NaOH+H2O===Na2[Zn(OH)4]
或ZnO+2NaOH===Na2ZnO2+H2O
3.氢氧化锌——两性氢氧化物
(1)与酸、碱的反应
Zn(OH)2+2H+===Zn2++2H2O
Zn(OH)2+2OH-===[Zn(OH)4]2-
或Zn(OH)2+2OH-===ZnO+2H2O
(2)制法
Zn2++[Zn(OH)4]2-===2Zn(OH)2↓
或Zn2++ZnO+2H2O===2Zn(OH)2↓
4.锌盐
(1)可溶性锌盐(如ZnSO4)
①与强碱溶液反应:
与少量NaOH溶液反应:Zn2++2OH-===Zn(OH)2↓
与足量NaOH溶液反应:Zn2++4OH-===[Zn(OH)4]2-
或Zn2++4OH-===ZnO+2H2O
②与Na2[Zn(OH)4](或Na2ZnO2)反应生成Zn(OH)2沉淀
(2)Na2[Zn(OH)4](或Na2ZnO2)
与盐酸反应
少量
Na2[Zn(OH)4]+2HCl===Zn(OH)2↓+2NaCl+2H2O或Na2ZnO2+2HCl===Zn(OH)2↓+2NaCl
足量
Na2[Zn(OH)4]+4HCl===ZnCl2+2NaCl+4H2O或Na2ZnO2+4HCl===ZnCl2+2NaCl+2H2O
与CO2反应
少量
Na2[Zn(OH)4]+CO2===Zn(OH)2↓+Na2CO3+H2O或Na2ZnO2+H2O+CO2===Zn(OH)2↓+Na2CO3
足量
Na2[Zn(OH)4]+2CO2===Zn(OH)2↓+2NaHCO3或Na2ZnO2+2H2O+2CO2===Zn(OH)2↓+2NaHCO3
[典例2] 锌和铝都是活泼金属,其氢氧化物既能溶于强酸溶液,又能溶于强碱溶液,但是Al(OH)3不溶于氨水,而Zn(OH)2能溶于氨水,生成[Zn(NH3)4]2+。
回答下列问题:
(1)单质铝溶于NaOH溶液后,溶液中铝元素的存在形式为________(用化学式表示)。
(2)写出锌和NaOH溶液反应的离子方程式: ________________________________
________________________________________________________________________。
(3)下列各组中的两种溶液,用相互滴加的实验方法可以鉴别的是________(填序号)。
①Al2(SO4)3和NaOH ②Al2(SO4)3和氨水
③ZnSO4和NaOH ④ZnSO4和氨水
(4)写出可溶性铝盐和氨水反应的离子方程式: ___________________________
________________________________________________________________________。
试解释实验室不宜用可溶性锌盐与氨水反应制取氢氧化锌的原因:________________________________________________________________________。
[解析] (1)Al与NaOH溶液反应生成Na[Al(OH)4]或NaAlO2。
(2)锌与NaOH溶液反应的离子方程式为
Zn+2OH-+2H2O===[Zn(OH)4]2-+H2↑
或Zn+2OH-===ZnO+H2↑
(3)①Al2(SO4)3与NaOH溶液滴加顺序不同,现象不同,可鉴别;②Al2(SO4)3与氨水滴加顺序不同,现象相同,不可鉴别;③ZnSO4与NaOH溶液滴加顺序不同,现象不同,可鉴别;④ZnSO4与氨水滴加顺序不同,现象不同,可鉴别。
(4)可溶性铝盐与氨水反应生成Al(OH)3,反应的离子方程式为Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH,因Zn(OH)2能溶于氨水,故在实验室里不能用可溶性锌盐与氨水反应制取Zn(OH)2。
[答案] (1)[Al(OH)4]-(或AlO)
(2)Zn+2OH-+2H2O===[Zn(OH)4]2-+H2↑
(或Zn+2OH-===ZnO+H2↑)
(3)①③④
(4)Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH 可溶性锌盐与氨水反应产生的Zn(OH)2可溶于过量氨水中,生成[Zn(NH3)4]2+,氨水的用量不易控制
类型二 变价金属及其化合物
铁、钴、镍同属于元素周期表中的Ⅷ 族,性质相近,故统称为铁系元素,其主要化合价为+2和+3价。
1.铁、钴、镍氧化物和氢氧化物的基本性质
氧化物
FeO
Fe2O3
Fe3O4
CoO
Co2O3
NiO
Ni2O3
颜色
黑色
红棕色
黑色
灰绿色
黑色
暗绿色
黑色
氧化、还原性
—
—
—
—
强氧化性
—
强氧化性
类别
碱性氧化物
碱性氧化物
—
碱性氧化物
—
碱性氧化物
—
氢氧化物
Fe(OH)2
Fe(OH)3
—
Co(OH)2
Co(OH)3
Ni(OH)2
Ni(OH)3
颜色
白色
红褐色
—
粉红
棕褐色
绿色
黑色
氧化、还原性
还原性
—
—
还原性
★氧化性
弱还原性
★强氧化性
酸、碱性
碱性
碱性
—
碱性
碱性
碱性
碱性
[提醒] ★表示在碱性条件下不具有氧化性。
2.含铁、钴、镍元素的物质性质比较
Fe(Ⅲ)、Co(Ⅲ)、Ni(Ⅲ)性质差异
Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、
Ni(Ⅱ)性质差异
氧化物
氧化钴与氧化镍在酸性溶液中显示出强氧化性:
Co2O3+6HCl===
2CoCl2+Cl2↑+3H2O
Ni2O3+6HCl===
2NiCl2+Cl2↑+3H2O
但氧化铁与酸只发生复分解反应
氢氧化物还原性
还原性的变化规律:Fe(OH)2>Co(OH)2>Ni(OH)2
①Fe(OH)2在空气中极易被氧化成Fe(OH)3
②Co(OH)2在空气中被O2氧化的速度较慢;可以被强氧化剂(H2O2)迅速氧化
③Ni(OH)2在空气中不易被氧化,只有在更强的氧化剂条件下才会氧化生成Ni(OH)3
氢氧化物
铁的氢氧化物只与酸发生酸碱中和反应
Fe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O
镍、钴的氢氧化物与还原性酸发生氧化还原反应
2Co(OH)3+6H++2Cl-===
2Co2++Cl2↑+6H2O
2Ni(OH)3+6H++2Cl-===
2Ni2++Cl2↑+6H2O
离子存在状态
Co(Ⅲ)、Ni(Ⅲ)仅能够存在于固态物质或配合物中,在水溶液中会发生如下反应(镍同)
4Co3++2H2O===4Co2++4H++O2↑
Fe3+在酸性溶液中可以稳定存在
与氨水反应
①Fe(OH)2―→Fe(OH)3
②Co(OH)2―→[Co(NH3)6]2+
③Ni(OH)2―→[Ni(NH3)6]2+
借此反应,可以使三种离子分离
结论与解释
①由于Fe(OH)2的稳定性弱于Co(OH)2、Ni(OH)2,故三者的还原性存在规律:Fe(OH)2>Co(OH)2>Ni(OH)2,因此三者与氧化剂和氨水反应的条件与产物也不同
②由于铁、钴、镍的核电荷数依次增大,故对电子的吸引能力依次增强,所以正三价的氧化性呈现如下规律:
Fe(Ⅲ)
[提醒] ①Co(OH)2可被氧气缓慢地氧化成棕褐色Co(OH)3,Ni(OH)2与氧气不反应,可采用较强的氧化剂将其氧化。
②Co(OH)3、Ni(OH)3在H2SO3溶液中被还原:
2Co(OH)3+4H++SO===2Co2++SO+5H2O
2Ni(OH)3+4H++SO===2Ni2++SO+5H2O
3.铁、钴、镍盐溶液的氧化性与还原性
(1)在酸性溶液中,Fe2+、Co2+、Ni2+分别是铁、钴、镍离子的稳定状态。高价态的铁(Ⅵ)、钴(Ⅲ)、镍(Ⅳ)在酸性溶液中都有很强的氧化性,空气中的O2能将酸性溶液中的Fe2+氧化成Fe3+,但不能将Co2+、Ni2+氧化成Co3+和Ni3+。
(2)在碱性介质中,铁的最稳定价态是+3,而钴、镍的最稳定价态仍是+2,在碱性介质中,将低价态的Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)氧化成高价态比酸性介质中容易。
[典例1] 有关钴、镍和铁化合物的性质见下表:
化学式
沉淀完全时的pH
钴镍性质
Co(OH)2
9.4
Co+2HCl===CoCl2+H2↑
Co2++2NH3·H2O===Co(OH)2↓+2NH
Co2++2H2OCo(OH)2+2H+
Ni+2HCl===NiCl2+H2↑
Ni2++6NH3·H2O===[Ni(NH3)6]2++6H2O
Fe(OH)2
9.6
Fe(OH)3
3.7
氯化钴可用于化学反应催化剂、油漆催干剂、干湿指示剂、啤酒泡沫稳定剂、陶瓷着色剂、制造隐显墨水等。用金属钴板(含少量Fe、Ni)制备氯化钴的工艺流程如下:
钴与盐酸反应极慢,需加入催化剂硝酸才可能进行实际生产。
(1)“除镍”步骤中,氨水用量对反应收率的影响,见下表:
加氨水调pH
收率/%
Ni2+含量/%
9
98.1
0.08
9.5
98
0.05
10
97.6
0.005
10.3
94
0.005
从表中可知pH=________时,除镍效果最好。
(2)“除镍”步骤必须控制在一定的时间内完成,否则沉淀将有部分Co(OH)3生成,试写出反应的化学方程式: ____________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)“除铁”步骤中加入双氧水发生反应的离子方程式是___________________。
(4)“除铁”步骤中加入的纯碱作用是___________________________________。
(5)在“调pH”步骤中,加盐酸的作用是_________________________________。
(6)已知25 ℃时,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38,则该温度下反应Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+的平衡常数为______________________。
[解析] (1)根据表中的数据知道,当pH等于10的时候,收率高,镍离子的含量最小,除镍效果最好。(2)Co(OH)2中的+2价钴易被氧化到+3价,发生反应的化学方程式为4Co(OH)2+O2+2H2O===4Co(OH)3。(3)加入的双氧水把Fe2+氧化为Fe3+,发生反应的离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O。(4)加入的纯碱和酸反应,让Fe3+形成沉淀而除去。(5)Co2+是弱碱阳离子,发生水解显酸性,加入盐酸可以防止Co2+水解。(6)Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)×c3(OH-)=4.0×10-38,反应Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+的平衡常数K=====2.5×10-5。
[答案] (1)10
(2)4Co(OH)2+O2+2H2O===4Co(OH)3
(3)2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O
(4)使得Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀而除去
(5)防止Co2+水解 (6)2.5×10-5
锰元素的常见价态有+7、+6、+4、+3、+2,Mn2+在酸性溶液中的稳定性强于在碱性溶液中的稳定性。
1.Mn2+的性质
(1)酸性介质
只有很强的氧化剂(铋酸钠、二氧化铅)才能氧化Mn2+到MnO:
2Mn2++5BiO+14H+===5Bi3++2MnO+7H2O
2Mn2++5PbO2+4H+===2MnO+5Pb2++2H2O
介质不能用盐酸,因为Cl-有还原性;Mn2+的量不能太多,否则:2MnO+3Mn2++2H2O===5MnO2↓+4H+。
(2)碱性介质
在碱性条件下Mn2+容易被氧化
ClO-+Mn2++2OH-===Cl-+MnO2↓+H2O
2.Mn(Ⅵ)化合物的性质
MnO存在于强碱性溶液中,在酸性、中性环境均发生歧化。
3MnO+2H2O===2MnO+MnO2↓+4OH-
3MnO+4H+===2MnO+MnO2↓+2H2O
3.KMnO4的性质
热稳定性差,通常保存在棕色试剂瓶中:
4KMnO4+2H2O4MnO2↓+3O2↑+4KOH
(1)在酸性介质中,MnO具有强氧化性,本身被还原为Mn2+。
MnO+5Fe2++8H+===Mn2++5Fe3++4H2O
2MnO+16H++10Cl-===2Mn2++5Cl2↑+8H2O
2MnO+6H++5H2C2O4===2Mn2++10CO2↑+8H2O
2MnO+6H++5H2O2===2Mn2++5O2↑+8H2O
(2)在碱性、中性或微弱酸性溶液中,MnO仍旧是氧化剂,本身被还原为MnO2。
2MnO+I-+H2O===2MnO2↓+IO+2OH-
(3)在强碱性溶液中,当MnO过量时,还原产物是MnO,2MnO+SO+2OH-===2MnO+SO+H2O。
[典例2] 高锰酸钾是锰的重要化合物和常用的氧化剂。以下是工业上用软锰矿(主要成分MnO2)制备高锰酸钾的流程图。
(1)软锰矿粉碎的目的是______________________________________________。
软锰矿、KOH混合物在空气中加热熔融反应生成K2MnO4的化学方程式为__________________________。操作Ⅲ的名称为__________________。
(2)①反应b的化学方程式为______________________________________________。
以上生产流程中可循环利用的物质是Ca(OH)2、CO2、________、________。
②工业上用上述原理生产KMnO4方法产率较低,较好的制备方法是电解法。用Pt作阳极,Fe作阴极,电解K2MnO4溶液,阳极的电极反应式为_______________________。
(3)KMnO4是一种较稳定的化合物,但日光对KMnO4溶液的分解有催化作用,生成MnO2、KOH和O2。而MnO2也是该分解反应的一种催化剂,请你设计一个实验方案,验证MnO2对该分解反应具有催化性。简述实验操作、现象及相关结论:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析] (1)将软锰矿粉碎的目的是增大反应物的接触面积,提高反应速率和效率,MnO2与KOH和O2发生氧化还原反应生成K2MnO4和水,化学方程式为2MnO2+O2+4KOH2K2MnO4+2H2O,由KMnO4粗晶体制得KMnO4晶体用重结晶的方法。
(2)①反应b是K2MnO4在水溶液中与CO2反应生成KMnO4、K2CO3和MnO2,反应的化学方程式为3K2MnO4+2CO2===2KMnO4+2K2CO3+MnO2↓。由流程图可知,制备KMnO4的流程中循环使用的物质有Ca(OH)2、CO2、MnO2和KOH。②电解K2MnO4制KMnO4的阳极反应式为MnO-e-===MnO。
(3)利用对比实验,通过KMnO4溶液紫红色褪色时间的长短来比较MnO2对KMnO4分解反应是否有催化作用。
[答案] (1)增大反应物接触面积,加快反应速率,使反应物反应完全
2MnO2+O2+4KOH2K2MnO4+2H2O 重结晶
(2)①3K2MnO4+2CO2===2KMnO4+2K2CO3+MnO2↓
MnO2 KOH ②MnO-e-===MnO
(3)取两份等体积、等浓度的KMnO4溶液,在同样条件下,只在其中一份中加入少量MnO2,观察到加MnO2的溶液紫红色褪去的较快,说明MnO2对KMnO4分解有催化作用(其他合理答案也可)
1.铬的氧化物与氢氧化物
Cr2O3和Cr(OH)3具有两性,其转化关系如下:
相关反应的离子方程式:
①Cr3++3OH-===Cr(OH)3↓
②Cr(OH)3+OH-===[Cr(OH)4]-
③[Cr(OH)4]-+H+===Cr(OH)3↓+H2O
④Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O
2.铬元素的变价研究
铬元素的常见价态有+6、+3、+2。在酸性介质中,Cr2+具有强的还原性,+6价铬(Cr2O、CrO)具有强氧化性,Cr3+的还原性较弱,只有用强氧化剂才能将Cr3+氧化成Cr2O,在碱性介质中,CrO的稳定性强。
铬(Ⅵ)最重要的化合物是K2Cr2O7,在水溶液中Cr2O和CrO存在下列平衡:
2CrO+2H+Cr2O+H2O
(黄色) (橙红色)
在碱性溶液中,[Cr(OH)4]-可以被H2O2氧化为CrO,在酸性溶液中CrO转变为Cr2O。
(1)Cr(Ⅲ)的还原性
Cr3+在酸性条件下是稳定的,但在碱性条件下能氧化成CrO,2Cr3++3H2O2+10OH-===2CrO+8H2O。
在碱性溶液中,亚铬酸盐(CrO)可以被H2O2或Na2O2氧化成铬酸盐
2CrO+3H2O2+2OH-===2CrO+4H2O
2CrO+3Na2O2+2H2O===2CrO+6Na++4OH-
(2)Cr(Ⅵ)的氧化性
在酸性溶液中,Cr2O具有强氧化性,但在碱性溶液中CrO的氧化性要弱的多
Cr2O+3SO+8H+===2Cr3++3SO+4H2O
Cr2O+6I-+14H+===2Cr3++3I2+7H2O
Cr2O+6Cl-+14H+===2Cr3++3Cl2↑+7H2O
Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
[典例3] 铬是不锈钢中一种重要的元素,铬的毒性与其存在的价态有关,低价铬对人体基本无害,六价铬比三价铬毒性高100倍,并易被人体吸收且在体内蓄积,有关含铬化合物的相互转化关系如图甲。
回答下列问题:
(1)从图甲中信息判断,Cr(OH)3是____________氢氧化物(填“酸性”、“碱性”或“两性”),相关反应的离子方程式为________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)图甲中所示转化过程中需要加入氧化剂的是______(填写表示转化过程的小写字母)。
(3)在水溶液中橙色的Cr2O与黄色的CrO有下列平衡关系:Cr2O+H2O2CrO+2H+。
向K2Cr2O7稀溶液中加入NaOH溶液后,溶液颜色的变化是____________________。
(4)CrO3具有强氧化性,热稳定性较差,加热时逐步分解,其固体残留率随温度的变化如图乙所示。
①三氧化铬在稀硫酸环境中氧化乙醇,CrO3变为绿色的Cr2(SO4)3,乙醇被完全氧化为CO2,则其化学方程式是__________________________________________________
________________________________________________________________________。
②图乙中B点所示固体的化学式是________。
[解析] (1)由图转化关系可知Cr(OH)3可与酸反应生成Cr3+,离子方程式为Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O,与碱反应生成CrO,离子方程式为Cr(OH)3+OH-===CrO+2H2O;(2)Cr3+转化为CrO,CrO转化为CrO,Cr元素化合价升高,需加入氧化剂;(3)向K2Cr2O7稀溶液中加入NaOH溶液,平衡正向移动,颜色由橙色变为黄色;(4)①酸性条件下,CrO3和C2H5OH发生氧化还原反应生成Cr2(SO4)3和CO2,方程式为4CrO3+C2H5OH+6H2SO4===2Cr2(SO4)3+2CO2↑+9H2O;②设CrO3的质量为100 g,则CrO3中铬元素的质量为100 g×=52 g,B点时固体的质量为100 g×76%=76 g,Cr的质量没有变,所以生成物中Cr元素的质量为52 g,氧元素的质量为76 g-52 g=24 g,Cr、O原子个数比为∶=2∶3,所以B点时剩余固体的成分是Cr2O3。
[答案] (1)两性 Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O、Cr(OH)3+OH-===CrO+2H2O (2)dg
(3)由橙色变为黄色 (4)①4CrO3+C2H5OH+6H2SO4===2Cr2(SO4)3+2CO2↑+9H2O ②Cr2O3
[典例4] 已知在水溶液中Cr2O呈橙色,CrO呈黄色,Cr3+呈绿色,当K2Cr2O7晶体溶于水时,存在下列平衡:
Cr2O+H2O2CrO+2H+
(1)向K2Cr2O7溶液中滴加H2SO4溶液时,观察到的现象是___________________。
(2)再向(1)中所得溶液中通入H2S气体,观察到溶液呈绿色,并有黄色沉淀生成,此反应的离子方程式是__________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)向(1)中所得的溶液中加入KI和淀粉的混合溶液,其现象是____________________,这时原溶液中数目减少的离子是________。
[解析] (1)K2Cr2O7溶液中存在:
Cr2O+H2O2CrO+2H+
(橙色) (黄色)
向溶液中加入稀H2SO4,c(H+)增大,平衡左移,c(Cr2O)增大,溶液橙色加深。
(2)酸性条件下,Cr2O能将H2S氧化成S,反应的离子方程式为Cr2O+3H2S+8H+===2Cr3++3S↓+7H2O。
(3)向 (1)中所得的溶液中加入KI和淀粉的混合溶液,Cr2O氧化I-生成I2,I2遇淀粉变蓝色,原溶液中减少的离子是Cr2O和H+。
[答案] (1)溶液橙色加深
(2)Cr2O+3H2S+8H+===2Cr3++3S↓+7H2O
(3)溶液呈蓝色 Cr2O、H+
高考题“题在书外、理在书中”,陌生金属元素及其化合物,虽然考试大纲中没有要求掌握,但在高考题中却经常涉及,如元素Mn、Cr、Co、Ni、Be等。命题者常以此类元素及其化合物为载体,命制考纲中要求的元素及其化合物的性质、化学方程式(离子方程式)、反应理论、相关实验等方面的问题。虽然高考不要求,但平时多了解、认识、储备相关物质及其性质,更有利于考生读题、审题和解题。
类型一 两性金属及其化合物
1.二者均能溶于酸溶液也能溶于碱溶液
Be+2NaOH+2H2O===Na2[Be(OH)4]+H2↑
或Be+2NaOH===Na2BeO2+H2↑
2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑
或2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
2.两者的氢氧化物均为两性氢氧化物,易溶于强碱溶液
Be(OH)2+2NaOH===Na2[Be(OH)4]
或Be(OH)2+2NaOH===Na2BeO2+2H2O
Al(OH)3+NaOH===Na[Al(OH)4]
或Al(OH)3+NaOH===NaAlO2+2H2O
[典例1] 铝、铍及其化合物具有相似的化学性质,已知反应:BeCl2+Na2BeO2+2H2O===2NaCl+2Be(OH)2↓能完全进行,则下列推断正确的是( )
A.Be(OH)2既能溶于盐酸,又能溶于NaOH溶液
B.因BeCl2水溶液的导电性强,故BeCl2是离子化合物
C.常温下Na2BeO2溶液的pH>7,将其蒸干并灼烧后得到的残留物为BeO
D.常温下BeCl2溶液的pH>7,将其蒸干并灼烧后得到的残留物是BeCl2
[解析] 铝、铍及其化合物具有相似的化学性质,Be(OH)2与Al(OH)3性质相似,Be(OH)2既能溶于盐酸,又能溶于NaOH溶液,A正确;某些共价化合物水溶液的导电性也较强,B错误;Na2BeO2溶液蒸干灼烧后得到Na2BeO2,C错误;常温下BeCl2溶液的pH<7,蒸干并灼烧后得到的残留物是BeO,D错误。
[答案] A
1.锌与酸、碱的反应
(1)Zn+2H+===Zn2++H2↑
(2)Zn+2NaOH+2H2O===Na2[Zn(OH)4]+H2↑
或Zn+2NaOH===Na2ZnO2+H2↑
2.氧化锌——两性氧化物
(1)ZnO+2H+===Zn2++H2O
(2)ZnO+2NaOH+H2O===Na2[Zn(OH)4]
或ZnO+2NaOH===Na2ZnO2+H2O
3.氢氧化锌——两性氢氧化物
(1)与酸、碱的反应
Zn(OH)2+2H+===Zn2++2H2O
Zn(OH)2+2OH-===[Zn(OH)4]2-
或Zn(OH)2+2OH-===ZnO+2H2O
(2)制法
Zn2++[Zn(OH)4]2-===2Zn(OH)2↓
或Zn2++ZnO+2H2O===2Zn(OH)2↓
4.锌盐
(1)可溶性锌盐(如ZnSO4)
①与强碱溶液反应:
与少量NaOH溶液反应:Zn2++2OH-===Zn(OH)2↓
与足量NaOH溶液反应:Zn2++4OH-===[Zn(OH)4]2-
或Zn2++4OH-===ZnO+2H2O
②与Na2[Zn(OH)4](或Na2ZnO2)反应生成Zn(OH)2沉淀
(2)Na2[Zn(OH)4](或Na2ZnO2)
与盐酸反应
少量
Na2[Zn(OH)4]+2HCl===Zn(OH)2↓+2NaCl+2H2O或Na2ZnO2+2HCl===Zn(OH)2↓+2NaCl
足量
Na2[Zn(OH)4]+4HCl===ZnCl2+2NaCl+4H2O或Na2ZnO2+4HCl===ZnCl2+2NaCl+2H2O
与CO2反应
少量
Na2[Zn(OH)4]+CO2===Zn(OH)2↓+Na2CO3+H2O或Na2ZnO2+H2O+CO2===Zn(OH)2↓+Na2CO3
足量
Na2[Zn(OH)4]+2CO2===Zn(OH)2↓+2NaHCO3或Na2ZnO2+2H2O+2CO2===Zn(OH)2↓+2NaHCO3
[典例2] 锌和铝都是活泼金属,其氢氧化物既能溶于强酸溶液,又能溶于强碱溶液,但是Al(OH)3不溶于氨水,而Zn(OH)2能溶于氨水,生成[Zn(NH3)4]2+。
回答下列问题:
(1)单质铝溶于NaOH溶液后,溶液中铝元素的存在形式为________(用化学式表示)。
(2)写出锌和NaOH溶液反应的离子方程式: ________________________________
________________________________________________________________________。
(3)下列各组中的两种溶液,用相互滴加的实验方法可以鉴别的是________(填序号)。
①Al2(SO4)3和NaOH ②Al2(SO4)3和氨水
③ZnSO4和NaOH ④ZnSO4和氨水
(4)写出可溶性铝盐和氨水反应的离子方程式: ___________________________
________________________________________________________________________。
试解释实验室不宜用可溶性锌盐与氨水反应制取氢氧化锌的原因:________________________________________________________________________。
[解析] (1)Al与NaOH溶液反应生成Na[Al(OH)4]或NaAlO2。
(2)锌与NaOH溶液反应的离子方程式为
Zn+2OH-+2H2O===[Zn(OH)4]2-+H2↑
或Zn+2OH-===ZnO+H2↑
(3)①Al2(SO4)3与NaOH溶液滴加顺序不同,现象不同,可鉴别;②Al2(SO4)3与氨水滴加顺序不同,现象相同,不可鉴别;③ZnSO4与NaOH溶液滴加顺序不同,现象不同,可鉴别;④ZnSO4与氨水滴加顺序不同,现象不同,可鉴别。
(4)可溶性铝盐与氨水反应生成Al(OH)3,反应的离子方程式为Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH,因Zn(OH)2能溶于氨水,故在实验室里不能用可溶性锌盐与氨水反应制取Zn(OH)2。
[答案] (1)[Al(OH)4]-(或AlO)
(2)Zn+2OH-+2H2O===[Zn(OH)4]2-+H2↑
(或Zn+2OH-===ZnO+H2↑)
(3)①③④
(4)Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH 可溶性锌盐与氨水反应产生的Zn(OH)2可溶于过量氨水中,生成[Zn(NH3)4]2+,氨水的用量不易控制
类型二 变价金属及其化合物
铁、钴、镍同属于元素周期表中的Ⅷ 族,性质相近,故统称为铁系元素,其主要化合价为+2和+3价。
1.铁、钴、镍氧化物和氢氧化物的基本性质
氧化物
FeO
Fe2O3
Fe3O4
CoO
Co2O3
NiO
Ni2O3
颜色
黑色
红棕色
黑色
灰绿色
黑色
暗绿色
黑色
氧化、还原性
—
—
—
—
强氧化性
—
强氧化性
类别
碱性氧化物
碱性氧化物
—
碱性氧化物
—
碱性氧化物
—
氢氧化物
Fe(OH)2
Fe(OH)3
—
Co(OH)2
Co(OH)3
Ni(OH)2
Ni(OH)3
颜色
白色
红褐色
—
粉红
棕褐色
绿色
黑色
氧化、还原性
还原性
—
—
还原性
★氧化性
弱还原性
★强氧化性
酸、碱性
碱性
碱性
—
碱性
碱性
碱性
碱性
[提醒] ★表示在碱性条件下不具有氧化性。
2.含铁、钴、镍元素的物质性质比较
Fe(Ⅲ)、Co(Ⅲ)、Ni(Ⅲ)性质差异
Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、
Ni(Ⅱ)性质差异
氧化物
氧化钴与氧化镍在酸性溶液中显示出强氧化性:
Co2O3+6HCl===
2CoCl2+Cl2↑+3H2O
Ni2O3+6HCl===
2NiCl2+Cl2↑+3H2O
但氧化铁与酸只发生复分解反应
氢氧化物还原性
还原性的变化规律:Fe(OH)2>Co(OH)2>Ni(OH)2
①Fe(OH)2在空气中极易被氧化成Fe(OH)3
②Co(OH)2在空气中被O2氧化的速度较慢;可以被强氧化剂(H2O2)迅速氧化
③Ni(OH)2在空气中不易被氧化,只有在更强的氧化剂条件下才会氧化生成Ni(OH)3
氢氧化物
铁的氢氧化物只与酸发生酸碱中和反应
Fe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O
镍、钴的氢氧化物与还原性酸发生氧化还原反应
2Co(OH)3+6H++2Cl-===
2Co2++Cl2↑+6H2O
2Ni(OH)3+6H++2Cl-===
2Ni2++Cl2↑+6H2O
离子存在状态
Co(Ⅲ)、Ni(Ⅲ)仅能够存在于固态物质或配合物中,在水溶液中会发生如下反应(镍同)
4Co3++2H2O===4Co2++4H++O2↑
Fe3+在酸性溶液中可以稳定存在
与氨水反应
①Fe(OH)2―→Fe(OH)3
②Co(OH)2―→[Co(NH3)6]2+
③Ni(OH)2―→[Ni(NH3)6]2+
借此反应,可以使三种离子分离
结论与解释
①由于Fe(OH)2的稳定性弱于Co(OH)2、Ni(OH)2,故三者的还原性存在规律:Fe(OH)2>Co(OH)2>Ni(OH)2,因此三者与氧化剂和氨水反应的条件与产物也不同
②由于铁、钴、镍的核电荷数依次增大,故对电子的吸引能力依次增强,所以正三价的氧化性呈现如下规律:
Fe(Ⅲ)
[提醒] ①Co(OH)2可被氧气缓慢地氧化成棕褐色Co(OH)3,Ni(OH)2与氧气不反应,可采用较强的氧化剂将其氧化。
②Co(OH)3、Ni(OH)3在H2SO3溶液中被还原:
2Co(OH)3+4H++SO===2Co2++SO+5H2O
2Ni(OH)3+4H++SO===2Ni2++SO+5H2O
3.铁、钴、镍盐溶液的氧化性与还原性
(1)在酸性溶液中,Fe2+、Co2+、Ni2+分别是铁、钴、镍离子的稳定状态。高价态的铁(Ⅵ)、钴(Ⅲ)、镍(Ⅳ)在酸性溶液中都有很强的氧化性,空气中的O2能将酸性溶液中的Fe2+氧化成Fe3+,但不能将Co2+、Ni2+氧化成Co3+和Ni3+。
(2)在碱性介质中,铁的最稳定价态是+3,而钴、镍的最稳定价态仍是+2,在碱性介质中,将低价态的Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)氧化成高价态比酸性介质中容易。
[典例1] 有关钴、镍和铁化合物的性质见下表:
化学式
沉淀完全时的pH
钴镍性质
Co(OH)2
9.4
Co+2HCl===CoCl2+H2↑
Co2++2NH3·H2O===Co(OH)2↓+2NH
Co2++2H2OCo(OH)2+2H+
Ni+2HCl===NiCl2+H2↑
Ni2++6NH3·H2O===[Ni(NH3)6]2++6H2O
Fe(OH)2
9.6
Fe(OH)3
3.7
氯化钴可用于化学反应催化剂、油漆催干剂、干湿指示剂、啤酒泡沫稳定剂、陶瓷着色剂、制造隐显墨水等。用金属钴板(含少量Fe、Ni)制备氯化钴的工艺流程如下:
钴与盐酸反应极慢,需加入催化剂硝酸才可能进行实际生产。
(1)“除镍”步骤中,氨水用量对反应收率的影响,见下表:
加氨水调pH
收率/%
Ni2+含量/%
9
98.1
0.08
9.5
98
0.05
10
97.6
0.005
10.3
94
0.005
从表中可知pH=________时,除镍效果最好。
(2)“除镍”步骤必须控制在一定的时间内完成,否则沉淀将有部分Co(OH)3生成,试写出反应的化学方程式: ____________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)“除铁”步骤中加入双氧水发生反应的离子方程式是___________________。
(4)“除铁”步骤中加入的纯碱作用是___________________________________。
(5)在“调pH”步骤中,加盐酸的作用是_________________________________。
(6)已知25 ℃时,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38,则该温度下反应Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+的平衡常数为______________________。
[解析] (1)根据表中的数据知道,当pH等于10的时候,收率高,镍离子的含量最小,除镍效果最好。(2)Co(OH)2中的+2价钴易被氧化到+3价,发生反应的化学方程式为4Co(OH)2+O2+2H2O===4Co(OH)3。(3)加入的双氧水把Fe2+氧化为Fe3+,发生反应的离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O。(4)加入的纯碱和酸反应,让Fe3+形成沉淀而除去。(5)Co2+是弱碱阳离子,发生水解显酸性,加入盐酸可以防止Co2+水解。(6)Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)×c3(OH-)=4.0×10-38,反应Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+的平衡常数K=====2.5×10-5。
[答案] (1)10
(2)4Co(OH)2+O2+2H2O===4Co(OH)3
(3)2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O
(4)使得Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀而除去
(5)防止Co2+水解 (6)2.5×10-5
锰元素的常见价态有+7、+6、+4、+3、+2,Mn2+在酸性溶液中的稳定性强于在碱性溶液中的稳定性。
1.Mn2+的性质
(1)酸性介质
只有很强的氧化剂(铋酸钠、二氧化铅)才能氧化Mn2+到MnO:
2Mn2++5BiO+14H+===5Bi3++2MnO+7H2O
2Mn2++5PbO2+4H+===2MnO+5Pb2++2H2O
介质不能用盐酸,因为Cl-有还原性;Mn2+的量不能太多,否则:2MnO+3Mn2++2H2O===5MnO2↓+4H+。
(2)碱性介质
在碱性条件下Mn2+容易被氧化
ClO-+Mn2++2OH-===Cl-+MnO2↓+H2O
2.Mn(Ⅵ)化合物的性质
MnO存在于强碱性溶液中,在酸性、中性环境均发生歧化。
3MnO+2H2O===2MnO+MnO2↓+4OH-
3MnO+4H+===2MnO+MnO2↓+2H2O
3.KMnO4的性质
热稳定性差,通常保存在棕色试剂瓶中:
4KMnO4+2H2O4MnO2↓+3O2↑+4KOH
(1)在酸性介质中,MnO具有强氧化性,本身被还原为Mn2+。
MnO+5Fe2++8H+===Mn2++5Fe3++4H2O
2MnO+16H++10Cl-===2Mn2++5Cl2↑+8H2O
2MnO+6H++5H2C2O4===2Mn2++10CO2↑+8H2O
2MnO+6H++5H2O2===2Mn2++5O2↑+8H2O
(2)在碱性、中性或微弱酸性溶液中,MnO仍旧是氧化剂,本身被还原为MnO2。
2MnO+I-+H2O===2MnO2↓+IO+2OH-
(3)在强碱性溶液中,当MnO过量时,还原产物是MnO,2MnO+SO+2OH-===2MnO+SO+H2O。
[典例2] 高锰酸钾是锰的重要化合物和常用的氧化剂。以下是工业上用软锰矿(主要成分MnO2)制备高锰酸钾的流程图。
(1)软锰矿粉碎的目的是______________________________________________。
软锰矿、KOH混合物在空气中加热熔融反应生成K2MnO4的化学方程式为__________________________。操作Ⅲ的名称为__________________。
(2)①反应b的化学方程式为______________________________________________。
以上生产流程中可循环利用的物质是Ca(OH)2、CO2、________、________。
②工业上用上述原理生产KMnO4方法产率较低,较好的制备方法是电解法。用Pt作阳极,Fe作阴极,电解K2MnO4溶液,阳极的电极反应式为_______________________。
(3)KMnO4是一种较稳定的化合物,但日光对KMnO4溶液的分解有催化作用,生成MnO2、KOH和O2。而MnO2也是该分解反应的一种催化剂,请你设计一个实验方案,验证MnO2对该分解反应具有催化性。简述实验操作、现象及相关结论:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析] (1)将软锰矿粉碎的目的是增大反应物的接触面积,提高反应速率和效率,MnO2与KOH和O2发生氧化还原反应生成K2MnO4和水,化学方程式为2MnO2+O2+4KOH2K2MnO4+2H2O,由KMnO4粗晶体制得KMnO4晶体用重结晶的方法。
(2)①反应b是K2MnO4在水溶液中与CO2反应生成KMnO4、K2CO3和MnO2,反应的化学方程式为3K2MnO4+2CO2===2KMnO4+2K2CO3+MnO2↓。由流程图可知,制备KMnO4的流程中循环使用的物质有Ca(OH)2、CO2、MnO2和KOH。②电解K2MnO4制KMnO4的阳极反应式为MnO-e-===MnO。
(3)利用对比实验,通过KMnO4溶液紫红色褪色时间的长短来比较MnO2对KMnO4分解反应是否有催化作用。
[答案] (1)增大反应物接触面积,加快反应速率,使反应物反应完全
2MnO2+O2+4KOH2K2MnO4+2H2O 重结晶
(2)①3K2MnO4+2CO2===2KMnO4+2K2CO3+MnO2↓
MnO2 KOH ②MnO-e-===MnO
(3)取两份等体积、等浓度的KMnO4溶液,在同样条件下,只在其中一份中加入少量MnO2,观察到加MnO2的溶液紫红色褪去的较快,说明MnO2对KMnO4分解有催化作用(其他合理答案也可)
1.铬的氧化物与氢氧化物
Cr2O3和Cr(OH)3具有两性,其转化关系如下:
相关反应的离子方程式:
①Cr3++3OH-===Cr(OH)3↓
②Cr(OH)3+OH-===[Cr(OH)4]-
③[Cr(OH)4]-+H+===Cr(OH)3↓+H2O
④Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O
2.铬元素的变价研究
铬元素的常见价态有+6、+3、+2。在酸性介质中,Cr2+具有强的还原性,+6价铬(Cr2O、CrO)具有强氧化性,Cr3+的还原性较弱,只有用强氧化剂才能将Cr3+氧化成Cr2O,在碱性介质中,CrO的稳定性强。
铬(Ⅵ)最重要的化合物是K2Cr2O7,在水溶液中Cr2O和CrO存在下列平衡:
2CrO+2H+Cr2O+H2O
(黄色) (橙红色)
在碱性溶液中,[Cr(OH)4]-可以被H2O2氧化为CrO,在酸性溶液中CrO转变为Cr2O。
(1)Cr(Ⅲ)的还原性
Cr3+在酸性条件下是稳定的,但在碱性条件下能氧化成CrO,2Cr3++3H2O2+10OH-===2CrO+8H2O。
在碱性溶液中,亚铬酸盐(CrO)可以被H2O2或Na2O2氧化成铬酸盐
2CrO+3H2O2+2OH-===2CrO+4H2O
2CrO+3Na2O2+2H2O===2CrO+6Na++4OH-
(2)Cr(Ⅵ)的氧化性
在酸性溶液中,Cr2O具有强氧化性,但在碱性溶液中CrO的氧化性要弱的多
Cr2O+3SO+8H+===2Cr3++3SO+4H2O
Cr2O+6I-+14H+===2Cr3++3I2+7H2O
Cr2O+6Cl-+14H+===2Cr3++3Cl2↑+7H2O
Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
[典例3] 铬是不锈钢中一种重要的元素,铬的毒性与其存在的价态有关,低价铬对人体基本无害,六价铬比三价铬毒性高100倍,并易被人体吸收且在体内蓄积,有关含铬化合物的相互转化关系如图甲。
回答下列问题:
(1)从图甲中信息判断,Cr(OH)3是____________氢氧化物(填“酸性”、“碱性”或“两性”),相关反应的离子方程式为________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)图甲中所示转化过程中需要加入氧化剂的是______(填写表示转化过程的小写字母)。
(3)在水溶液中橙色的Cr2O与黄色的CrO有下列平衡关系:Cr2O+H2O2CrO+2H+。
向K2Cr2O7稀溶液中加入NaOH溶液后,溶液颜色的变化是____________________。
(4)CrO3具有强氧化性,热稳定性较差,加热时逐步分解,其固体残留率随温度的变化如图乙所示。
①三氧化铬在稀硫酸环境中氧化乙醇,CrO3变为绿色的Cr2(SO4)3,乙醇被完全氧化为CO2,则其化学方程式是__________________________________________________
________________________________________________________________________。
②图乙中B点所示固体的化学式是________。
[解析] (1)由图转化关系可知Cr(OH)3可与酸反应生成Cr3+,离子方程式为Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O,与碱反应生成CrO,离子方程式为Cr(OH)3+OH-===CrO+2H2O;(2)Cr3+转化为CrO,CrO转化为CrO,Cr元素化合价升高,需加入氧化剂;(3)向K2Cr2O7稀溶液中加入NaOH溶液,平衡正向移动,颜色由橙色变为黄色;(4)①酸性条件下,CrO3和C2H5OH发生氧化还原反应生成Cr2(SO4)3和CO2,方程式为4CrO3+C2H5OH+6H2SO4===2Cr2(SO4)3+2CO2↑+9H2O;②设CrO3的质量为100 g,则CrO3中铬元素的质量为100 g×=52 g,B点时固体的质量为100 g×76%=76 g,Cr的质量没有变,所以生成物中Cr元素的质量为52 g,氧元素的质量为76 g-52 g=24 g,Cr、O原子个数比为∶=2∶3,所以B点时剩余固体的成分是Cr2O3。
[答案] (1)两性 Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O、Cr(OH)3+OH-===CrO+2H2O (2)dg
(3)由橙色变为黄色 (4)①4CrO3+C2H5OH+6H2SO4===2Cr2(SO4)3+2CO2↑+9H2O ②Cr2O3
[典例4] 已知在水溶液中Cr2O呈橙色,CrO呈黄色,Cr3+呈绿色,当K2Cr2O7晶体溶于水时,存在下列平衡:
Cr2O+H2O2CrO+2H+
(1)向K2Cr2O7溶液中滴加H2SO4溶液时,观察到的现象是___________________。
(2)再向(1)中所得溶液中通入H2S气体,观察到溶液呈绿色,并有黄色沉淀生成,此反应的离子方程式是__________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)向(1)中所得的溶液中加入KI和淀粉的混合溶液,其现象是____________________,这时原溶液中数目减少的离子是________。
[解析] (1)K2Cr2O7溶液中存在:
Cr2O+H2O2CrO+2H+
(橙色) (黄色)
向溶液中加入稀H2SO4,c(H+)增大,平衡左移,c(Cr2O)增大,溶液橙色加深。
(2)酸性条件下,Cr2O能将H2S氧化成S,反应的离子方程式为Cr2O+3H2S+8H+===2Cr3++3S↓+7H2O。
(3)向 (1)中所得的溶液中加入KI和淀粉的混合溶液,Cr2O氧化I-生成I2,I2遇淀粉变蓝色,原溶液中减少的离子是Cr2O和H+。
[答案] (1)溶液橙色加深
(2)Cr2O+3H2S+8H+===2Cr3++3S↓+7H2O
(3)溶液呈蓝色 Cr2O、H+
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