第五单元 金属及其化合物（1.3）

2015-11-09 11:12:26   来源：   撰稿：董啸   摄影摄像：    ;  评论：0 点击：

第五单元    金属及其化合物（1.3）

基础知识精析

二、碱金属元素

1．包含元素：锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）

2．原子结构：

最外层电子都是1个,易失去最外层的1个电子，表现出较强的还原性；电子层数依次增多，原子半径依次增大，金属性依次增强。

3．碱金属的性质

（1）物理性质：

①通性：都有银白色的金属光泽(除铯略带金色以外)、质软、密度小、熔点低、有强的导热、导电性。

②递变性：随核电荷数递增，熔沸点逐渐降低；密度逐渐增大（Na和K例外）。

（2）化学性质：

随核电荷数递增，核对电子的引力减弱，金属性增强，反应活性增强。(以R表示碱金属)

①与非金属反应：2R+Cl₂=2RCl     2R+S—R₂S

②与水反应：2R+2H₂O=2ROH+H₂↑

③与稀酸反应：2R+2H⁺=2R⁺+H₂↑

(3)保存：

碱金属单质通常保存在煤油中，但因锂的密度小于煤油而只能保存在液体石蜡中或封存在固体石蜡中。

4．焰色反应

某些金属元素在火焰中灼烧能显示出特殊颜色，利用这种现象进行检验的方法叫做焰色反应。焰色反应是元素的性质，单质和化合物均可。

铂丝酒精灯灼烧无色待测物酒精灯灼烧观察火焰颜色用盐酸洗涤铂丝酒精灯灼烧无色。

【说明】利用碱金属元素在火焰中灼烧所显示的不同颜色来检验碱金属元素的存在，焰色反应考查的重点是钠和钾，原因是它们无法用其它方法检验。

注意：在进行焰色反应时所用火焰本身颜色要浅，金属丝本身在火焰上灼烧时应无颜色，同时熔点要高不易氧化。用铂丝效果最好，金属丝在使用前要用稀盐酸洗净，然后在火焰上灼烧至无色，以除去能引起焰色反应的少量杂质，观察钾的焰色时，要透过蓝色钴玻璃观察，焰色反应是物理变化。

5．碱金属的特殊性

（1）氧化物的特殊性：

在空气中燃烧，只有Li生成氧化物；其余的生成过氧化物或更复杂的氧化物。

（2）碱金属单质密度都较小，其中锂的密度最小。

（3）碱金属的碳酸盐中，只有Li₂CO₃难溶于水，且受热易分解(与MgCO₃相似)。

（4）钾、钠在常温下为固态，但钾、钠合金在常温下为液态，可作原子反应堆的导热剂。钠可以制作钠光灯。

6、重要计算

（1）差量法   （2）极值法     （3）原子守恒法

【例题】1．把一定量的Na₂CO₃、NaHCO3、Na₂SO₄混合物加到200mL 1.00mol/L的HCl中完全反应后生成2016mL干燥的CO₂（标准状况），然后加入400mL 0.10 mol/L的Ba(OH)2溶液，使SO4^2-完全沉淀，再加40 mL 1.00 mol/L的HCI恰好中和过量的碱。最后把沉淀分离出来，干燥称量为1.48g，求混合物中各组分的质量分数。

2．把含有某一种氯化物杂质的氯化镁粉末95mg溶于水后，与足量的硝酸银溶液反应，生成氯化银沉淀300mg，则该氯化物中的杂质可能是　（　）

A．氯化钠　B．氯化铝    C．氯化钾　　D．氯化钙

【思维建模】

题组一　碱金属元素性质规律的应用

1．下列叙述正确的是            (　　)

A．碱金属性质相似均为银白色金属

B．随原子序数的增大碱金属的密度依次增大

C．钠可保存在煤油中而锂不能

D．碳酸氢盐的溶解度大于其正盐的溶解度

答案　C  解析：碱金属中铯为略带金色光泽的金属，故A项不正确；钾的密度为0.86 g·cm^－3，比钠的密度(0.97 g·cm^－3)小，B项不正确；锂的密度为0.534 g·cm^－3，比煤油的密度小，可浮于煤油上，所以锂要用密度更小的石蜡密封保存；碳酸氢盐一般比其正盐易溶，但NaHCO₃例外，D项不正确。

2．有关碱金属的叙述正确的是                 (　　)

A．随核电荷数的增加，碱金属单质的熔点逐渐降低，密度逐渐增大

B．碱金属单质的金属性很强，均易与氯气、氧气、氮气等发生反应

C．碳酸铯加热时不能分解为二氧化碳和氧化铯

D．无水硫酸铯的化学式为Cs₂SO₄，它不易溶于水

答案　C 解析　钾的密度小于钠的密度，这是碱金属单质密度依次增大的一个例外。碱金属中除锂外，均不与氮气直接反应。Cs与Na同为碱金属元素，性质相似。由Na₂SO₄易溶于水，可得出Cs₂SO₄也易溶于水；由Na₂CO₃加热不分解，可得出Cs₂CO₃加热也不分解。

3．金属活动性顺序表中K在Na的前面，K与Na在性质上具有很大的相似性。下面是根据Na的性质对K的性质的预测，其中不正确的是     (　　)

A．K在空气中可以被空气中氧气氧化  B．K可与乙醇发生反应生成氢气

C．K与水的反应不如钠与水的反应剧烈      D．K也可放在煤油中保存

答案：C  解析：金属活动性顺序表中K在Na的前面，K比Na活泼，故K在空气中可以被氧气氧化，A项正确；Na与乙醇能够反应放出氢气，K也能与乙醇反应放出氢气，B项正确；K与水的反应比Na与水的反应剧烈，C项错误；Na、K均可放在煤油中保存，D项正确。

题组二　焰色反应的应用

4．焰火“脚印”、“笑脸”、“五环”，让北京奥运会开幕式更加辉煌、浪漫，这与高中化学中“焰色反应”知识相关。下列说法中正确的是 (　　)

A．非金属单质燃烧时火焰均为无色    

B．所有金属及其化合物灼烧时火焰均有颜色

C．焰色反应均应透过蓝色钴玻璃观察

D．NaCl与Na₂CO₃灼烧时火焰颜色相同

答案　D

5．某未知溶液X中可能含有K^＋、Fe^2＋、NH、Cl^－。检验其中是否含有K^＋，通常有如下两套实验方案。

方案1：焰色反应法

用洁净的玻璃棒蘸取未知液X置于酒精灯外焰上灼烧，观察到火焰呈黄色，则证明其中不含K^＋。对上述实验过程中的错误和疏漏之处加以纠正、补充：______。

方案2：亚硝酸钴钠法

在CH₃COOH酸化的溶液中，K^＋与亚硝酸钴钠[Na₃Co(NO₂)₆]反应生成黄色沉淀[K₂NaCo(NO₂)₆]，该原理可用于K^＋的检验。注意：NH也能与Na₃Co(NO₂)₆反应生成黄色沉淀，会干扰K^＋的检验。请你利用上述反应原理设计一个实验方案，检验未知溶液X中是否含有K^＋：_______________________。

答案：方案1：应使用铂丝或无锈铁丝蘸取溶液，且应透过蓝色钴玻璃观察

方案2：向未知溶液X中加入稍过量的NaOH溶液并加热，静置、冷却后取上层清液少许，用醋酸酸化后再加入亚硝酸钴钠，观察是否有黄色沉淀生成(或者取未知液X蒸干并灼烧，将所得固体溶于水，过滤；取少量滤液，用醋酸酸化后再加入亚硝酸钴钠，观察是否有黄色沉淀生成)

解析：利用焰色反应检验钾元素通常需要透过蓝色的钴玻璃观察火焰的颜色，且玻璃的主要成分中含有钠元素，对实验会产生干扰；根据实验目的可知应先排除铵根离子的干扰，然后再加入亚硝酸钴钠溶液，观察是否产生黄色沉淀。

碱金属常从以下几个方面设问题：

①碱金属单质与水(或酸)反应的现象；

②碱金属单质的保存(注意碱金属的密度)；

③碱金属单质与氧气反应产物的判断；

④碱金属对应的氢氧化物碱性强弱的比较；

⑤碱金属的碳酸盐性质的比较；

⑥与最新的科学技术相关的碱金属的应用。

【探究高考】

1．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

(1)饱和NaCl(aq)NaHCO₃Na₂CO₃   (√)(2012·江苏，7③)

(2)某钾盐溶于盐酸，产生能使澄清石灰水变浑浊的无色无味气体，则说明该钾盐是K₂CO₃                                                                 (×)  (2010·江苏，10A)

解析　HCO干扰。

(3)Na₂O₂用作呼吸面具的供氧剂涉及氧化还原反应(√)(2012·广东理综，10A)

(4)小苏打的主要成分是碳酸钠     (×)    (2012·海南，2B)

解析　小苏打的主要成分是NaHCO₃。

(5)NaHCO₃的热稳定性大于Na₂CO₃                        (×)(2012·重庆理综，7B)

解析：NaHCO₃不稳定，受热易分解。

(6)碳酸氢钠溶液中滴入氢氧化钙溶液：HCO＋OH^－===CO＋H₂O  (×)

(2012·海南，12A)

解析　Ca^2＋＋2OH^－＋2HCO===CaCO₃↓＋CO＋2H₂O。

(7)钠与水反应：Na＋2H₂O===Na^＋＋2OH^－＋H₂↑ (×)(2012·四川理综，9A)

解析：2Na＋2H₂O===2Na^＋＋2OH^－＋H₂↑。

2．(2011·上海，20改编)过氧化钠可作为氧气的来源。常温常压下二氧化碳和过氧化钠反应后，若固体质量增加了28 g，反应中有关物质的物理量正确的是(N_A表示阿伏加德罗常数)         (　　)

A.①③               B．②④           C．①④           D．②③

答案　A

解析　2Na₂O₂＋2CO₂===2Na₂CO₃＋O₂　Δm＝2CO₂－O₂＝2CO

由此可知：Na₂O₂与CO₂反应后，固体增加的质量即是生成CO₂时燃烧掉的CO的质量。故可采用以下反应方程式分析解决问题：

2Na₂O₂＋2CO₂===2Na₂CO₃＋O₂　转移2e^－　Δm＝2CO

1 mol　　1 mol　　1 mol　 　　　1 mol e^－　＝1 mol

故可判断①、③物理量正确。

3．(2012·海南，8改编)两种盐的固体混合物：①加热时有气体产生，②加水溶解时有沉淀生成，且沉淀溶于稀盐酸。满足上述条件的混合物是  (　　)

①BaCl₂和(NH₄)₂SO₃；②AgNO₃和NH₄Cl； ③FeCl₃和NaHCO₃ ；④KCl和Na₂CO₃

A．①④            B．②③           C．①③           D．②④

答案　C

解析：选项①，加热时(NH₄)₂SO₃分解为NH₃、SO₂和H₂O，加水溶解时生成BaSO₃沉淀，符合题中限定条件；选项②，加热时生成NH₃和HCl，溶于水时生成的沉淀AgCl不溶于盐酸；选项③，加热时NaHCO₃分解产生CO₂气体，溶于水时发生双水解生成Fe(OH)₃沉淀，符合题中条件；选项④，加热时无气体生成，溶于水也无沉淀生成。

4．(2011·上海，17)120 mL含有0.20 mol碳酸钠的溶液和200 mL盐酸，不管将前者滴加入后者，还是将后者滴加入前者，都有气体产生，但最终生成的气体体积不同，则盐酸的浓度合理的是         (　　)

A．2.0 mol·L^－1  B．1.5 mol·L^－1    C．0.18 mol·L^－1   D．0.24 mol·L^－1

答案　B

解析：盐酸与碳酸钠分两步反应，第一步生成碳酸氢钠：Na₂CO₃＋HCl===NaHCO₃＋NaCl；第二步碳酸氢钠继续与盐酸反应生成CO₂：NaHCO₃＋HCl===NaCl＋H₂O＋CO₂↑，若将Na₂CO₃溶液逐滴加入到盐酸中，则开始时盐酸足量，有气体生成；若将盐酸逐滴加入到Na₂CO₃溶液中，则开始时只发生第一步反应，直至CO完全转化为HCO时(理论上)才会发生第二步反应，产生CO₂，所需盐酸浓度c(HCl)＞＝1.0 mol·L^－1，若c(HCl)≥＝2.0 mol·L^－1，则盐酸足量，两种滴加方式产生CO₂的体积相同，因此选项B合理。

5．(2012·上海，十一)钠是活泼的碱金属元素，钠及其化合物在生产和生活中有广泛的应用。

完成下列计算：

(1)叠氮化钠(NaN₃)受撞击完全分解产生钠和氮气，故可应用于汽车安全气囊。若产生40.32 L(标准状况下)氮气，至少需要叠氮化钠________g。

(2)钠­钾合金可在核反应堆中用作热交换液。5.05 g钠­钾合金溶于200 mL水生成0.075 mol氢气。

①计算溶液中氢氧根离子的物质的量浓度(忽略溶液体积变化)。

②计算并确定该钠­钾合金的化学式。

(3)氢氧化钠溶液处理铝土矿并过滤，得到含铝酸钠的溶液。向该溶液中通入二氧化碳，有下列反应：2NaAl(OH)₄＋CO₂―→2Al(OH)₃↓＋Na₂CO₃＋H₂O

已知通入二氧化碳336 L(标准状况下)，生成24 mol Al(OH)₃和15 mol Na₂CO₃，若通入溶液的二氧化碳为112 L(标准状况下)，计算生成的Al(OH)₃和Na₂CO₃的物质的量之比。

(4)常温下，称取不同氢氧化钠样品溶于水，加盐酸中和至pH＝7，然后将溶液蒸干得氯化钠晶体，蒸干过程中产品无损失。

上述实验①②③所用氢氧化钠均不含杂质，且实验数据可靠。通过计算，分析和比较上表3组数据，给出结论。

答案　(1)78　(2)①c(OH^－)＝×1 000 mol·L^－1＝0.75 mol·L^－1

②设上述合金中含a mol钠、b mol钾，则

      解得a＝0.050 　b＝0.10

该钠­钾合金化学式为NaK₂

(3)溶液含氢氧化钠。

氢氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠的物质的量：15-×24＝3(mol)

112 L二氧化碳的物质的量：＝5(mol)

n[Al(OH)₃]∶n(Na₂CO₃)＝[(5－3)×2]∶5＝4∶5

(4)由氯化钠质量推算，氢氧化钠样品摩尔质量为

M₁(氢氧化钠)＝×2.40 g·mol^－1＝40 g·mol^－1

M₂(氢氧化钠)＝×2.32 g·mol^－1＝58 g·mol^－1

M₃(氢氧化钠)＝×3.48 g·mol^－1＝58 g·mol^－1

结论：实验①所取氢氧化钠样品是NaOH；实验②和实验③所取氢氧化钠样品应该是NaOH·H₂O。

解析　(1)解法一：叠氮化钠受撞击分解的化学方程式为2NaN₃―→2Na＋3N₂↑

由此可知生成标准状况下40.32 L氮气时需要NaN₃的质量为××65 g·mol^－1＝78 g。

解法二：根据氮元素守恒有n(NaN₃)＝n(N₂)＝×＝1.2 mol，m(NaN₃)＝1.2 mol×65 g·mol^－1＝78 g。

【专题训练】

1．(2010·安徽理综，13) 将0.01 mol下列物质分别加入100 mL蒸馏水中，恢复至室温，所得溶液中阴离子浓度的大小顺序是(溶液体积变化忽略不计)(　　)

①Na₂O₂　        ②Na₂O　         ③Na₂CO₃　          ④NaCl

A．①>②>③>④                  B．①>②>④>③

C．①＝②>③>④                 D．①＝②>③＝④

答案：1．C　[根据化学反应方程式或原子守恒知0.01 mol的Na₂O₂和Na₂O分别与H₂O反应都生成0.02 mol NaOH，因此①、②中阴离子浓度相等；③中碳酸根水解使得阴离子浓度稍大于④。因此C正确。]

2．(2009·全国理综Ⅱ，8)下列叙述中正确的是(　　)

A．向含有CaCO₃沉淀的水中通入CO₂至沉淀恰好溶解，再向溶液中加入NaHCO₃饱和溶液，又有CaCO₃沉淀生成

B．向Na₂CO₃溶液中逐滴加入等物质的量的稀盐酸，生成的CO₂与原Na₂CO₃的物质的量之比为1∶2

C．等质量的NaHCO₃和Na₂CO₃分别与足量盐酸反应，在同温同压下，生成的CO₂体积相同

D．向Na₂CO₃饱和溶液中通入足量CO₂，有NaHCO₃结晶析出

答案：2．D　[CaCO₃＋CO₂＋H₂O===Ca(HCO₃)₂，前半句正确，加入NaHCO₃饱和溶液后，没有沉淀产生，A错误；向Na₂CO₃溶液中滴加等物质的量的稀盐酸，发生反应为Na₂CO₃＋HCl===NaCl＋NaHCO₃，没有CO₂生成，B错误；等质量的NaHCO₃和Na₂CO₃，与足量盐酸反应，产生的CO₂体积不同，NaHCO₃生成的CO₂更多些，C错误；溶解度：Na₂CO₃>NaHCO₃，向Na₂CO₃饱和溶液中通入足量CO₂后溶液中有NaHCO₃晶体析出，D正确。]

3．(2010·上海，11)将0.4 g NaOH和1.06 g Na₂CO₃混合并配成溶液，向溶液中滴加0.1 mol·L^－1稀盐酸。下列图象能正确表示加入盐酸的体积和生成CO₂的物质的量的关系的是(　　)

 

答案：3．C　[滴加盐酸先发生反应OH^－＋H^＋===H₂O，再发生反应CO＋H^＋===HCO，最后发生反应：HCO＋H^＋===CO₂↑＋H₂O；因n(OH^－)＝n(CO)＝0.01 mol，故加入0.02 mol HCl后开始有气体生成，故C正确。]

4．判断正误

(1)Li在氧气中燃烧主要生成Li₂O₂(　　)(2010·全国理综Ⅰ－7A)

(2)K与水反应比Li与水反应剧烈。(　　)(2010·重庆理综－8C)

答案：(1)×　(2)√

5．现有25 mL 2 mol·L^－1 Na₂CO₃溶液和75 mL 1 mol·L^－1的稀盐酸。①将Na₂CO₃溶液缓慢滴到稀盐酸中；②将稀盐酸缓慢滴到Na₂CO₃溶液中，两操作的现象及结果(标准状况下)是(　　)

A．现象相同，所得气体的体积相等  B．现象相同，所得气体的体积不等

C．现象不同，所得气体的体积相等  D．现象不同，所得气体的体积不等

答案： D

6．(2011·安阳模拟)把7.4 g Na₂CO₃·10H₂O和NaHCO₃组成的混合物溶于水，配成100 mL溶液，其中c(Na^＋)＝0.6 mol·L^－1，若把等质量的混合物加热到恒重时，残留物的质量为(　　)

A．3.18 g      B．2.12 g      C．5.28 g        D．4.22 g

答案： A　[将Na₂CO₃·10H₂O和NaHCO₃加热至恒重时物质为Na₂CO₃，n(Na₂CO₃)＝n(Na^＋)＝×0.6 mol·L^－1×0.1 L＝0.03 mol，所以m(Na₂CO₃)＝0.03 mol×106 g·mol^－1＝3.18 g。]

7．(2010·海南，15)A是自然界存在最广泛的ⅡA族元素，常以化合物F存在。从单质A起始发生的一系列化学反应可由右图表示：

请回答下列问题：

(1)A与水反应的化学方程式为_____，E与水反应的化学方程式为________；

(2)F的化学式为________，G和D的电子式分别为_______和________；

(3)D与H反应可能生成的盐有________(填化学式)；

(4)实际生产中，可由F为原料制备单质A，简述一种制备方法：

答案： (1)Ca＋2H₂O===Ca(OH)₂＋H₂↑  NaH＋H₂O===NaOH＋H₂↑

(2)CaCO₃　   

 (3)Na₂CO₃、NaHCO₃

(4)CaCO₃高温加热分解生成CaO，CaO经电解生成单质Ca

8．用光洁的铂丝蘸取某无色溶液在无色火焰上灼烧，直接观察到火焰呈黄色。下列判断正确的是(　　)

A．只含有Na^＋        B．一定含有Na^＋，可能含K^＋

C．既含有Na^＋，又含K^＋     D．可能含有Na^＋，可能含有K^＋

答案： B　

9．以下各项叙述中错误的是(　　)

A．原子半径由小到大的顺序是Li<Na<K<Rb<Cs

B．同一种碱金属元素的离子半径比原子半径小

C．碱金属单质的密度比较为Li<K<Na<Rb

D．碱金属离子的氧化性比较为Li^＋<Na^＋<K^＋<Rb^＋

答案： D　

10．以下对锂、钠、钾、铷、铯的叙述中不正确的是(　　)

①氢氧化物中碱性最强的是氢氧化铯　②单质熔点最高的是铯　③它们都是热和电的良导体　④它们的密度依次增大，且都比水密度小　⑤它们的还原性依次增强

⑥对应离子的氧化性依次增强

A．①③       B．②⑤       C．②④⑥          D．①③⑤

答案：C

11．(2010·昆明模拟)我国化工专家侯德榜的“侯氏制碱法”曾为世界制碱工业作出了突出贡献。以NaCl、NH₃、CO₂等为原料先制得NaHCO3，进而生产出纯碱。有关反应的化学方程式为：NH₃＋CO₂＋H₂O===NH₄HCO₃；NH₄HCO₃＋NaCl===NaHCO₃↓＋NH₄Cl；2NaHCO₃Na₂CO₃＋CO₂↑＋H₂O。

Ⅰ.原理分析

碳酸氢铵与饱和食盐水反应，能析出碳酸氢钠晶体的原因是________。

a．碳酸氢钠难溶于水

b．碳酸氢钠受热易分解

c．碳酸氢钠的溶解度相对较小，在溶液中首先结晶析出

Ⅱ.实验探究

(1)一位同学将二氧化碳气体通入含氨的饱和食盐水中制备碳酸氢钠，实验装置如下图所示(图中夹持、固定用的仪器未画出)。

  

回答下列有关问题：

①乙装置中的试剂是________；

②丁装置中稀硫酸的作用是________；

③实验结束后，分离出NaHCO₃晶体的操作是________(填分离操作的名称)。

(2)另一位同学用图中戊装置(其他装置未画出)进行实验。

①实验时，须先从____管通入____气体，再从_____管中通入_____气体。

②有同学建议在戊装置的b导管下端连接己装置，理由是     。

(3)请再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法：__________________。

答案：Ⅰ.c　Ⅱ.(1)①饱和碳酸氢钠溶液　②吸收未反应的NH₃　③过滤　(2)①a　NH₃　b　CO₂　②增大CO₂气体与溶液接触的面积，提高CO₂在溶液中的吸收率　(3)往烧碱溶液中通入过量CO₂(或往饱和Na₂CO₃溶液中通入过量CO₂等)

解析　Ⅱ(1)甲装置是CO₂的发生装置，由于盐酸易挥发，故生成的CO₂气体中会含有HCl气体，乙装置的作用是除去CO₂中的HCl气体，所以乙装置中的试剂是饱和碳酸氢钠溶液，丙是制备碳酸氢钠的发生装置，丁的作用是吸收多余的NH₃，防止其污染环境。从溶液中分离出NaHCO₃晶体的方法是过滤。(2)实验时必须制取含氨的饱和NaCl溶液，然后使之与CO₂反应。因为NH₃极易溶于水，CO₂在水中的溶解度不大，故先从a导管通入NH₃，后从b导管通入CO₂。己装置中有多孔球泡，增大CO₂气体与溶液的接触面积，提高了CO₂在溶液中的吸收率。

(3)此题是开放性试题，制备少量碳酸氢钠的方法：①用碳酸氢铵与适量的饱和食盐水反应；②往烧碱溶液中通入过量CO₂；③往饱和Na₂CO₃溶液中通入过量CO₂等。

〖教后记〗