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在胶塞上固定一根大头针,用针扎起一块黄豆粒大小的金属钠,迅速用胶塞塞住挤瘪的瓶口,倒置(图2-4)。
待反应完全后,反应产生的气体使挤瘪的瓶子复原,取下塞子,迅速用拇指堵住瓶口,并将瓶口移近火焰,检验钠与水反应所生成的气体。
[讨论]1.将钠投入水中时,钠为什么会浮在水面上?
2.钠为什么会熔成一个小球?
3.闪亮的小球为什么会在水面上迅速游动,并发出轻微的嘶嘶声,直至小球消失?
4.从反应后溶液由无色变成红色,以及气体的爆鸣试验,说明钠与水反应生成了什么?
通过讨论,我们可以得出钠的密度比水小、钠与水的反应是放热反应,以及反应后生成了氢氧化钠和氢气等结论。
2Na+2H2O=2NaOH+H2↑
钠很容易跟空气中的氧气和水起反应,因此,在实验室中通常将钠保存在煤油里。
由于钠的密度比煤油大,所以,钠沉在煤油下面,将钠与氧气和水隔绝。
三.钠的存在和主要用途
自然界里的元素有两种存在形态:
一种是以单质的形态存在,叫做元素的游离态;
一种是以化合物的形态存在,叫做元素的化合态。
钠的化学性质很活泼,所以它在自然界里不能以游离态存在,只能以化合态存在。
钠的化合物在自然界里分布很广,主要以氯化钠的形式存在,如海水中氯化钠的质量分数大约为3%。
除此以外,钠也以硫酸钠、碳酸钠、硝酸钠等形式存在。
钠可以用来制取过氧化钠等化合物。
钠和钾的合金(钾的质量分数为50%~80%)在室温下呈液态,是原子反应堆的导热剂。
钠是一种很强的还原剂,可以把钛、锆、铌、钽等金属从它们的卤化物里还原出来。
钠也应用在电光源上。
高压钠灯发出的黄光射程远,透雾能力强,对道路平面的照度比高压水银灯高几倍。
第二节钠的化合物
钠的化合物很多,用途也很广泛。
其中,钠的重要化合物——氢氧化钠和氯化钠我们在初中已学过。
这里,重点学习过氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠。
一.过氧化钠
过氧化钠是淡黄色的固体,能与水起反应。
【实验2-5】把水滴入盛有Na2O2固体的试管中,用带火星的木条放在试管口,检验生成的气体(图2-6)。
【实验2-6】用棉花包住约0.2gNa2O2粉末,放在石棉网上。
在棉花上滴加几滴水(图2-7)。
过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和氧气:
2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑
这是一个放热反应,反应放出的热能使棉花燃烧,而反应中生成的氧气又使棉花的燃烧加剧。
过氧化钠是强氧化剂,可以用来漂白织物、麦秆、羽毛等。
过氧化钠跟二氧化碳起反应,生成碳酸钠和氧气:
2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2
因此,它可用在呼吸面具上和潜水艇里作为氧气的来源。
二.碳酸钠和碳酸氢钠
碳酸钠(Na2CO3)俗名纯碱或苏打,是白色粉末。
碳酸钠晶体含结晶水,化学式是Na2CO3·
10H2O。
在空气里碳酸钠晶体很容易失去结晶水,并渐渐碎裂成粉末。
失水以后的碳酸钠叫做无水碳酸钠。
碳酸氢钠(NaHCO3)俗名小苏打,是一种细小的白色晶体。
碳酸钠比碳酸氢钠容易溶解于水。
碳酸钠和碳酸氢钠都能与盐酸反应放出二氧化碳:
Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑
【实验2-7】在两支试管中分别加入3mL稀盐酸,将两个各装有0.3gNa2CO3或NaHCO3粉末的小气球分别套在两支试管口。
将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中,比较它们放出CO2的快慢(图2-8)。
从上述实验可以看到,NaHCO3和Na2CO3都能与HCl溶液起反应,但NaHCO3与HCl溶液的反应要比Na2CO3与HCl溶液的反应剧烈得多。
[讨论]实验时,如果不慎将盐酸洒在桌面上,用Na2CO3处理或用NaHCO3处理,哪种更好?
为什么?
【实验2-8】把Na2CO3放在试管里,约占试管容积的1/6,并往烧杯里倒入澄清的石灰水,加热。
观察澄清的石灰水是否起变化。
换上一支放入同样容积NaHCO3的试管,加热。
观察澄清石灰水的变化。
从上述实验可以看到,Na2CO3受热没有变化,而NaHCO3受热后放出了CO2。
这个实验说明Na2CO3很稳定,NaHCO3却不稳定,受热容易分解:
2NaHCO3
Na2CO3+H2O+CO2↑
可以利用这个反应来鉴别Na2CO3和NaHCO3。
[讨论]如何鉴别Na2CO3、NaHCO3和NaCl?
碳酸钠是化学工业的重要产品之一,有很多用途。
它广泛地用于玻璃、制皂、造纸、纺织等工业中,也可以用来制造其他钠的化合物。
碳酸氢钠是焙制糕点所用的发酵粉的主要成分之一。
在医疗上,它是治疗胃酸过多的一种药剂。
[阅读]侯氏制碱法
碳酸钠用途非常广泛。
虽然人们曾先后从盐碱地和盐湖中获得碳酸钠,但仍不能满足工业生产的需要。
1862年,比利时人索尔维(ErnestSolvay1838——1922)发明了以食盐、氨、二氧化碳为原料制取碳酸钠的“索尔维制碱法”(又称氨碱法)。
此后,英、法、德、美等国相继建立了大规模生产纯碱的工厂,并组织了索尔维公会,对会员以外的国家实行技术封锁。
第一次世界大战期间,欧亚交通梗塞。
由于我国所需纯碱都是从英国进口的,一时间,纯碱非常缺乏,一些以纯碱为原料的民族工业难以生存。
1917年,爱国实业家范旭东在天津塘沽创办了永利碱业公司,决心打破洋人的垄断,生产出中国的纯碱。
他聘请正在美国留学的侯德榜先生出任总工程师。
1920年,侯德榜先生毅然回国任职。
他全身心地投入制碱工艺和设备的改进上,终于摸索出了索尔维法的各项生产技术。
1924年8月,塘沽碱厂正式投产。
1926年,中国生产的“红三角”牌纯碱在美国费城的万国博览会上获得金质奖章。
产品不但畅销国内,而且远销日本和东南亚。
针对索尔维法生产纯碱时食盐利用率低,制碱成本高,废液、废渣污染环境和难以处理等不足,侯德榜先生经过上千次试验,在1943年研究成功了联合制碱法。
这种方法把合成氨和纯碱两种产品联合生产,提高了食盐利用率,缩短了生产流程,减少了对环境的污染,降低了纯碱的成本。
联合制碱法很快为世界所采用。
由于侯德榜对制碱技术做出了重大贡献,所以人们把他所发明的联合制碱法称做“侯氏制碱法”。
他本人也荣获“中国工程学会化工贡献最大者奖”,并被聘为英国化学工业学会名誉会员,以及英国皇家学会和美国化学工程学会荣誉会员。
侯德榜先生对英、法、德、美等国垄断技术十分愤慨,将自己多年来研究制碱技术的心得写成《纯碱制造》一书,于1933年在美国出版,将保密达70年之久的索尔维法公诸于世,为中外学者所钦佩。
该书被誉为首创的制碱名著,为祖国争得了荣誉。
[家庭小实验]在一个瓷盘上铺一层烟灰,在5g研细的蔗糖中加入1gNaHCO3,混匀。
将混合物在烟灰上堆成山峰状。
在混合物周围的烟灰上滴加酒精(注意滴加的酒精不要浸湿蔗糖)。
然后,点燃酒精。
烟灰可作催化剂,可以加速蔗糖燃烧生成焦糖的反应。
NaHCO3受热分解放出CO2,使生成的焦糖疏松生长。
于是,就可看到在蔗糖表面缓缓长出许多疏松的“黑蛇”,最后汇成一条“大黑蛇”。
第三节碱金属元素
人们把锂、钠、钾、铷、铯等叫作碱金属,放在一起研究,是由于它们之间存在着某种内在的联系。
这种内在的联系是什么呢?
下面我们将从它们的结构特征和性质等来进行探讨。
一.碱金属元素的原子结构和碱金属的性质
碱金属是一类化学性质非常活泼的金属,因此,它们在自然界中都以化合态存在,碱金属的单质都由人工制得。
表2-1中给出了碱金属元素的主要物理性质。
由表2-1可以看出,碱金属除铯略带金色光泽外,其余的都是银白色。
碱金属都比较柔软,有展性。
碱金属的密度都较小,尤其是锂、钠、钾。
碱金属的熔点都较低,如铯在气温稍高时就是液态。
此外,碱金属的导热、导电性能也都很强。
由表2-1的数据分析中还可得到一些规律性的知识:
随着碱金属元素核电荷数的增加,它们的密度呈增大趋势,熔点和沸点逐渐降低。
我们再来分析碱金属元素的原子结构情况。
由表2-2,我们也可以得出一些规律性的知识:
碱金属元素的原子,其最外电子层上都只有1个电子,随着核电荷数的增多,它们的电子层数逐渐增多,原子半径逐渐增大。
根据上述事实,我们可以作如下推论:
第一,元素的性质与原子最外电子层中的电子数目有密切关系。
碱金属元素原子的最外层上都只有1个电子,因此,可以推论它们具有相似的化学性质。
如果以钠作为参照物,可以预测锂、钾、铷、铯等碱金属也能与氧气等非金属以及与水等起反应。
第二,由于随着核电荷数的增加,碱金属元素原子的电子层数逐渐增多,原子半径逐渐增大,因此,碱金属元素的原子失去最外电子层中电子的能力逐渐增强。
也就是说,碱金属元素的性质也具有差异性,从锂到铯,它们的金属性逐渐增强。
因此,钾、铷、铯与氧气或水的反应,将比钠更剧烈。
上述这些推论是否正确,需要通过实验和事实进行论证。
1.碱金属与非金属的反应
【实验2-9】取一小块钾,擦干表面的煤油后,放在石棉网上稍加热(图2-14)。
观察发生的现象,并跟钠在空气中的燃烧现象进行对比。
同钠一样,钾也能与氧气起反应,而且反应比钠的更剧烈。
大量实验证明,碱金属都能与氧气起反应。
锂与氧气的反应不如钠剧烈,生成氧化锂:
4Li+O2
2Li2O
在室温时,铷和铯遇到空气就会立即燃烧。
钾、铷等碱金属与氧气反应,生成比过氧化物更复杂的氧化物。
除与氧气反应外,碱金属还能与氯气等大多数非金属起反应,表现出很强的金属性,且金属性从锂到铯逐渐增强。
2.碱金属与水的反应
【实验2-10】在一个盛有水的锥形瓶里滴入几滴酚酞试液。
取像黄豆那样大小的一小块钾,擦干表面的煤油后放入锥形瓶里,迅速用玻璃片盖好(图2-15)。
观察所发生的现象,并跟钠与水的反应现象进行对比。
反应完毕后,取下玻璃片,迅速将燃着的小木条靠近锥形瓶口,检验反应所生成的气体。
实验证明,同钠一样,钾也能与水起反应生成氢气和氢氧化钾。
钾与水的反应比钠与水的反应更剧烈,反应放出的热可以使生成的氢气燃烧,并发生轻微的爆炸,证明钾比钠的金属性更强。
2K+2H2O=2KOH+H2↑
大量实验还证明,碱金属都能与水起反应,生成氢氧化物并放出氢气。
例如,铷、铯与水的反应比钾与水的反应还要剧烈。
它们遇水立即燃烧,甚至爆炸。
上面实验及大量事实都证明,前面所作的推论是合理的,也是正确的。
二.焰色反应
我们观察钠在空气中燃烧的现象时,会发现钠燃烧时的火焰呈现黄色。
如果我们炒菜时,不慎将食盐或食盐水溅在火焰上,也会发现火焰呈现黄色。
很多金属或它们的化合物在灼烧时都会使火焰呈现出特殊的颜色,这在化学上叫做焰色反应。
【实验2-11】把装在玻璃棒上的铂丝(也可用光洁无锈的铁丝,或镍、铬、钨丝)放在酒精灯火焰(最好用煤气灯,它的火焰颜色较浅)里灼烧,直到与原来的火焰颜色相同为止。
用铂丝蘸取碳酸钠溶液,放在火焰上灼烧,就可以看到火焰呈黄色(图2-16)。
实验后,要用稀盐酸洗净铂丝,并在火焰上灼烧到没有颜色时,再分别蘸取碳酸钾、氯化钾等溶液作试验。
在观察钾的火焰颜色时,要透过蓝色的钴玻璃去观察,这样可以滤去黄色的光,避免碳酸钾等中杂质钠所造成的干扰。
不仅碱金属和它们的化合物都能呈现焰色反应,钙、锶、钡、铜等金属也能呈现焰色反应。
根据焰色反应所呈现的特殊颜色,可以测定金属或金属离子的存在。
节日晚上燃放的五彩缤纷的焰火,就是碱金属,以及锶、钡等金属化合物焰色反应所呈现的各种鲜艳色彩。
[讨论]制造玻璃的主要原料之一是纯碱。
当在玻璃管口点燃某些可燃性气体时,火焰常呈现黄色。
能否由此说明这些气体的火焰为黄色吗?
[资料]
[阅读]金属钾的发现
1807年,英国化学家戴维在电解水研究的基础上,设想用电解的方法从氢氧化钾、氢氧化钠中分离出钾和钠。
最初,戴维用氢氧化钾饱和溶液进行电解。
当他接通电源后,从阳极得到的是氧气,从阴极得到的是氢气,证明水被电解了,而氢氧化钾却没有被分解。
于是他想在无水的条件下继续这项试验。
可是干燥的氢氧化钾并不导电,必须在表面吸附少量水分时才能导电。
1807年10月6日,戴维将表面湿润的氢氧化钾放在铂制的器皿里,并用导线将电池与铂制器皿以及插在氢氧化钾里的电极相连,整套装置都暴露在空气中。
通电以后,氢氧化钾开始熔化。
戴维发现在阴极附近有带金属光泽的酷似水银的颗粒生成。
这些颗粒一经生成便上浮,一旦接触空气,就立即燃烧起来,产生明亮的火焰,甚至发生爆炸。
颗粒燃烧后光泽消失,成了白色粉末。
当戴维看到了这一惊人的现象时,欢喜若狂,竟然在屋子里跳了起来,并在笔记本上写下:
“重要的实验,证明钾碱被分解了!
”
后来,戴维在密闭的坩埚中电解潮湿的氢氧化钾,终于得到了一种银白色的金属。
戴维将这种银白色金属的颗粒投入水中,看到它在水面上急速转动,发出嘶嘶的声音,并燃烧发出浅紫色的火焰。
他确认自己发现了一种新的元素。
由于这种元素是从钾碱中分解出来的,所以戴维将它命名为“Potassium”,中文译名为“钾”。
接着,戴维又以同样的方法从氢氧化钠中电解制得了钠。
本章小结
一.碱金属元素的原子结构和性质的比较
二.钠和钠的化合物间的相互关系
三.焰色反应
多种金属或它们的化合物在灼烧时都能使火焰呈现特殊的颜色,这在化学上叫做焰色反应。
根据焰色反应所呈现的特殊颜色,可以判断某些金属或金属离子的存在。
四.化学学习中的科学方法
在化学学习中,科学方法的训练是很重要的。
例如,可以通过实验和观察等,将实验现象和数据等资料加以分析,找出一些规律性的知识,并根据这些规律性的知识和物质的内在联系等,进一步对一些物质的性质作出推论和预测,当这些推论和预测经过实验等多次论证后,就可将其中正确的推论和预测上升并发展为理论。
1.钠
[钠的物理性质]很软,可用小刀切割;
具有银白色金属光泽(但常见的钠的表面为淡黄色);
密度比水小而比煤油大(故浮在水面上而沉于煤油中);
熔点、沸点低;
是热和电的良导体.
[钠的化学性质]
(1)Na与O2反应:
常温下:
4Na+O2=2Na2O,2Na2O+O2=2Na2O2(所以钠表面的氧化层既有Na2O也有Na2O2,且Na2O2比Na2O稳定).
加热时:
2Na+O2
Na2O2(钠在空气中燃烧,发出黄色火焰,生成淡黄色固体).
(2)Na与非金属反应:
钠可与大多数的非金属反应,生成+1价的钠的化合物.例如:
2Na+C12
2NaCl2Na+S
Na2S
(3)Na与H2O反应.化学方程式及氧化还原分析:
离子方程式:
2Na+2H2O=2Na++2OH-+H2↑
Na与H2O反应的现象:
①浮②熔⑧游④鸣⑤红.
(4)Na与酸溶液反应.例如:
2Na+2HCl=2NaCl+H2↑2Na+H2SO4=Na2SO4+H2↑
由于酸中H+浓度比水中H+浓度大得多,因此Na与酸的反应要比水剧烈得多.
钠与酸的反应有两种情况:
①酸足量(过量)时:
只有溶质酸与钠反应.
②酸不足量时:
钠首先与酸反应,当溶质酸反应完后,剩余的钠再与水应.因此,在涉及有关生成的NaOH或H2的量的计算时应特别注意这一点.
(5)Na与盐溶液的反应.在以盐为溶质的水溶液中,应首先考虑钠与水反应生成NaOH和H2,再分析NaOH可能发生的反应.例如,把钠投入CuSO4溶液中:
2Na+2H2O=2NaOH+H2↑2NaOH+CuSO4=Cu(OH)2↓+Na2SO4
注意:
钠与熔融的盐反应时,可置换出盐中较不活泼的金属.例如:
4Na+TiCl4(熔融)
4NaCl+Ti
[实验室中钠的保存方法]由于钠的密度比煤油大且不与煤油反应,所以在实验室中通常将钠保存在煤油里,以隔绝与空气中的气体和水接触.
钠在自然界里的存在:
由于钠的化学性质很活泼,故钠在自然界中只能以化合态的形式(主要为NaCl,此外还有Na2SO4、Na2CO3、NaNO3等)存在.
[钠的主要用途]
(1)制备过氧化钠.(原理:
Na2O2)
(2)Na-K合金(常温下为液态)作原子反应堆的导热剂.(原因:
Na-K合金熔点低、导热性好)
(3)冶炼如钛、锆、铌、钽等稀有金属.(原理:
金属钠为强还原剂)
(4)制高压钠灯.(原因:
发出的黄色光射程远,透雾能力强)
2.钠的化合物
[过氧化钠]
物理性质
淡黄色固体粉末
化学性质
与H2O反应
2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2
现象:
反应产生的气体能使余烬的木条复燃;
反应放出的热能使棉花燃烧起来
与CO2反应
2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2说明:
该反应为放热反应
强氧化剂
能使织物、麦秆、羽毛等有色物质褪色
用途
呼吸面具和潜水艇里氧气的来源;
作漂白剂
说明
(1)Na2O2与H2O、CO2发生反应的电子转移情况如下:
由此可见,在这两个反应中,Na2O2既是氧化剂又是还原剂,H2O或CO2只作反应物,不参与氧化还原反应.
(2)能够与Na2O2反应产生O2的,可能是CO2、水蒸气或CO2和水蒸气的混合气体.
(3)过氧化钠与水反应的原理是实验室制氧气方法之一,其发生装置为“固+液→气体”型装置.
[碳酸钠与碳酸氢钠]
Na2CO3
NaHCO3
俗名
纯碱、苏打
小苏打
颜色、状态
白色粉末.碳酸钠结晶水合物的化学式为Na2CO3·
10H2O
白色晶体.无结晶水合物
水溶性
易溶于水
溶于水,但溶解度比Na2CO3小
热稳定性
加热不分解
加热易分解.化学方程式为:
2NaHCO3
Na2CO3+CO2↑+H2O
与酸反应
较缓慢.反应分两步进行:
CO32-+H+=HCO3-
HCO3-+H+=CO2↑+H2O
较剧烈,放出CO2的速度快
HCO3-+H+=CO2↑+H2O
与NaOH
反应
不反应
NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O
酸式盐与碱反应可生成盐和水
与CaCl2
溶液反应
CO32-+Ca2+=CaCO3↓
不反应。
Ca(HCO3)2溶于水
鉴别方法
①固态时:
分别加热,能产生使澄清石灰水变浑浊气体的是NaHCO3
②溶液中:
分别加入CaCl2或BaCl2溶液,有白色沉淀产生的是Na2CO3
主要用途
①用于玻璃、制皂、造纸等
②制烧碱
①用作制糕点的发酵粉②用于泡沫灭火器③治疗胃酸过多
相互关系
说明
(1)由于NaHCO3在水中的溶解度小于Na2CO3,因此,向饱和的Na2CO3溶液中通入CO2气体,能析出NaHCO3晶体.
(2)利用Na2CO3溶液与盐酸反应时相互滴加顺序不同而实验现象不同的原理,可在不加任何外加试剂的情况下,鉴别Na2CO3溶液与盐酸.
*[侯氏制碱法制NaHCO3和Na2CO3的原理]在饱和NaCl溶液中依次通入足量的NH3、CO2气体,有NaHCO3从溶液中析出.有关反应的化学方程式为:
NH3+H2O+CO2=NH4HCO3NH4HCO3+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl
3.碱金属元素
[碱金属元素的原子结构特征]
碱金属元素包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和放射性元素钫(Fr).
(1)相似性:
原子的最外层电子数均为1个,次外层为8个(Li原子次外层电子数为2个).因此,在化学反应中易失去1个电子而显+1价.
(2)递变规律:
随着碱金属元素核电荷数增多,电子层数增多,原子半径增大,失电子能力增强,金属活动性增强.
[碱金属的物理性质]
①都具有银白色金属光泽(其中铯略带金黄色);
②柔软;
③熔点低;
④密度小,其中Li、Na、K的密度小于水的密度;
⑤导电、导热性好.
从Li→Cs,随着核电荷数的递增,密度逐渐增大(特殊:
K的密度小于Na的密度),但熔点、沸点逐渐降低.
[碱金属的化学性质]
碱金属的化学性质与钠相似.由于碱金属元素原子的最外层电子数均为1个,因此在化学反应中易失去1个电子,具有强还原性,是强还原剂;
又由于从Li→Cs,随着核电荷数的递增,电子层数增多,原子半径增大,原子核对最外层电子吸引力减弱,故还原性增强.
(1)与O2等非金属反应.从Li→Cs,与O2反应的剧烈程度逐渐增加.
①Li与O2反应只生成Li2O:
4Li+O2
②在室温下,Rb、Cs遇到空气立即燃烧;
③K、Rb、Cs与O2反应生成相应的超氧化物KO2、RbO2、CsO2.
(2)与H2O反应.发生反应的化学方程式可表示为:
2R+2H2O=2ROH+H2↑(R代表Li、Na、K、Rb、Cs).
从Li→Na,与H2O反应的剧烈程度逐渐增加.K与H2O反应时能够燃烧并发生轻微爆炸;
Rb、Cs遇H2O立即燃烧并爆炸.生成的氢氧化物的碱性逐渐增强(其中LiOH难溶于水)
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