對(duì)一些化學(xué)教學(xué)疑問(wèn)的合理解釋

重慶 劉懷樂(lè) 杜文敏

對(duì)一些化學(xué)教學(xué)疑問(wèn)的合理解釋

一、為什么濃鹽酸在空氣中冒白霧，而氨水在空氣中不呈現(xiàn)白霧狀

原來(lái)，水蒸氣的質(zhì)點(diǎn)(H2O)n是氯化氫在空氣中的凝聚中心，氯化氫與水可以形成具有高于水沸點(diǎn)的恒沸點(diǎn)的鹽酸酸霧。凡是可以跟水形成恒沸溶液的氣態(tài)物質(zhì)(如表1所示鹵化氫)，都可以形成相似的霧。

表1 恒沸溶液溫度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)

再如，純硝酸(無(wú)水)容易揮發(fā)出硝酸蒸氣，發(fā)煙硝酸容易揮發(fā)出NO2，它們都會(huì)跟空氣中的水蒸氣形成恒沸點(diǎn)為128.8℃的硝酸；發(fā)煙硫酸能揮發(fā)出SO3，它與空氣中的水反應(yīng)生成具有恒沸點(diǎn)(334℃)且沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于水的硫酸。

盡管氨極易溶于水，但是NH3與水不形成恒沸溶液。任何濃度的氨水都具有揮發(fā)性。乙醇溶于水，可與水形成恒沸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.5%)，但是它的沸點(diǎn)低于水的沸點(diǎn)，僅為78.1℃。同樣，任何濃度的酒精都具有揮發(fā)性。所以，大凡以水為凝聚中心，且能形成比水的沸點(diǎn)還要高的恒沸溶液的氣態(tài)物質(zhì)，都可以在空氣中呈現(xiàn)白霧狀。

二、為什么大理石沒(méi)有液態(tài)，乙炔沒(méi)有固態(tài)，H3PO4沒(méi)有沸點(diǎn)

這是因?yàn)檫€不待液化時(shí)，大理石就已經(jīng)分解了；還沒(méi)有凝固時(shí)，C2H2就聚合成其他物質(zhì)——生成鏈狀及環(huán)狀化合物；加熱時(shí)，H3PO4會(huì)逐漸失水生成偏磷酸和焦磷酸。

三、石灰石的熱分解溫度是多少

資料1：加熱至420℃即開(kāi)始分解為CaO和CO2，894.4℃±0.3℃時(shí)，CO2蒸氣壓力可達(dá)1個(gè)大氣壓。

資料2：加熱到825℃左右分解為氧化鈣和二氧化碳。

資料3：CaCO3，898.6℃分解。

資料4：CaCO3，825℃分解。

資料5：在1.01×105Pa下加熱至898℃(方解石晶型)、825℃(霰石晶型)分解成二氧化碳和氧化鈣。

資料6：碳酸鈣的熱分解溫度為1 170 K(987℃)。

資料7：無(wú)水CaCO3為無(wú)色斜方晶體，加熱至1 000 K(727℃)轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?/p>

判斷ΔH1、ΔH2、ΔH3三者關(guān)系正確的是

( )

A．ΔH1gt;ΔH2gt;ΔH3

B．ΔH3gt;ΔH1gt;ΔH2

C．ΔH2gt;ΔH1gt;ΔH3

D．ΔH3gt;ΔH2gt;ΔH1

【解析】常規(guī)解法：由①式-②式得,

由②式-③式得，

由①式-③式得，

綜合得出結(jié)論：ΔH2gt;ΔH1gt;ΔH3，選答案C。

圖象模型解法：

由上述化學(xué)方程式可以看出反應(yīng)物狀態(tài)不變而生成物狀態(tài)變化的放熱反應(yīng)，則根據(jù)解題模型2做出圖象如下：

可以很快得出結(jié)論：ΔH2gt;ΔH1gt;ΔH3。

四、結(jié)論與建議

表2 平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系

石灰窟中的溫度實(shí)際可達(dá)1 000℃以上。

以上資料均摘自權(quán)威文獻(xiàn)，文獻(xiàn)的權(quán)威性和可靠性是毋庸置疑的。問(wèn)題是提供這些數(shù)據(jù)的前提和條件是有差異的。

有的以CaCO3開(kāi)始熱分解，以實(shí)際可以檢驗(yàn)CO2和CaO的存在為CaCO3的熱分解溫度(420℃)；有的以 CaCO3熱分解產(chǎn)生的CO2的蒸氣達(dá)到1大氣壓為準(zhǔn)(898℃)；有的以CaCO3不同晶型為準(zhǔn)——方解石晶型、霰石晶型；有的以化學(xué)純的沉淀CaCO3熱分解為準(zhǔn)；有的甚至以石灰窟生產(chǎn)石灰的實(shí)際溫度為準(zhǔn)，不一而足，相信都有參考價(jià)值。不過(guò)筆者對(duì)資料7中無(wú)水CaCO3加熱至727℃轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐€不甚理解。

四、無(wú)水碳酸鈉是晶體還是粉末

高中化學(xué)必修1第57面有如下一段文字：碳酸鈉粉末遇水生成有結(jié)晶水的碳酸鈉晶體——水合碳酸鈉 (Na2CO3·xH2O)。碳酸鈉晶體在干燥空氣里容易逐漸失去結(jié)晶水變成碳酸鈉粉末。

筆者參閱了不下10種權(quán)威文獻(xiàn)，幾乎無(wú)一例外地指明，無(wú)水碳酸鈉是白色粉末，是非晶型的。某文獻(xiàn)上的這一段敘述值得一讀：“目前生產(chǎn)的碳酸鈉由于生產(chǎn)時(shí)工藝條件不同，產(chǎn)品有非晶型的無(wú)水物和結(jié)晶型的有水物兩類(lèi)。通常講的純堿是指非晶型的無(wú)水碳酸鈉。常用的晶型碳酸鈉有十水碳酸鈉( Na2CO3·10H2O)和一水碳酸鈉兩種。十水碳酸鈉又稱(chēng)面堿、洗滌堿，一水碳酸鈉在攝影業(yè)中稱(chēng)碳氧?！?/p>

這又似乎可以給無(wú)水碳酸鈉下個(gè)結(jié)論是非晶型的白色粉末了。不過(guò)后來(lái)在文獻(xiàn)查得，作為制堿工業(yè)之父的化學(xué)工程大家侯德榜有如下的一句陳述：“純堿本是一種結(jié)晶顆粒，因?yàn)榱Ｗ蛹?xì)小，所以看起來(lái)是粉狀，把它灼燒，不會(huì)放出二氧化碳來(lái)?！惫P者本不迷信權(quán)威，但我相信這樣富有底氣的權(quán)威的客觀真實(shí)的判斷——白色的碳酸鈉粉末實(shí)際是很小的結(jié)晶顆粒。

五、Na2CO3·10H2O晶體會(huì)風(fēng)化成白色粉末，這白色粉末的成分是什么

資料9：在空氣中容易風(fēng)化而轉(zhuǎn)變成白色粉末狀的一水碳酸鈉Na2CO3·H2O。

資料10：露置在空氣中容易風(fēng)化而成一水物的粉末。

資料11：在空氣中迅速風(fēng)化而成白色粉末——Na2CO3·5H2O。

可見(jiàn)，Na2CO3·10H2O風(fēng)化后的白色粉末的成分并不單一。有一點(diǎn)可以肯定，其組成不可能還是當(dāng)初的那種無(wú)水碳酸鈉粉末。

再有一點(diǎn)值得一說(shuō)，就是模塊教材對(duì)碳酸鈉晶體在空氣中的風(fēng)化現(xiàn)象設(shè)置了個(gè)前提(或條件)是“在干燥的空氣里容易風(fēng)化”。我們查閱文獻(xiàn)以及2002年經(jīng)全國(guó)中小學(xué)教材審查通過(guò)的高中化學(xué)(必修)第一冊(cè)(2007年人教版20面)，其對(duì)Na2CO3·10H2O晶體風(fēng)化，都分別明確敘述成“容易風(fēng)化”“迅速風(fēng)化”“很容易風(fēng)化”。筆者想問(wèn)個(gè)究竟，這種改變是符合實(shí)際的嗎？不過(guò)筆者還是建議以不設(shè)“干燥空氣”這個(gè)前提條件更科學(xué)、更準(zhǔn)確，更符合實(shí)際。

六、Na2CO3可以形成多少種水合物

高一化學(xué)必修1第57面有注：碳酸鈉水合物有Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O和Na2CO3·10H2O三種。有文獻(xiàn)指出由于條件不同，還有Na2CO3·5H2O、Na2CO3·2H2O 和Na2CO3·3H2O。如有文獻(xiàn)指出“純堿從溶液中析出晶體的時(shí)候，根據(jù)溶液濃度、溫度、雜質(zhì)等條件的不同，可能和水生成帶多種結(jié)晶水的純堿晶體(如帶1分子、7分子、10分子結(jié)晶水的純堿)成為水合物。但在普通條件下(嚴(yán)格說(shuō)32℃以下)，從濃溶液中析出的結(jié)晶體是帶10個(gè)結(jié)晶水的粗顆粒晶堿；在33℃以上，或從熱溶液里結(jié)晶出來(lái)的是1個(gè)分子水合物”。

七、CuSO4與Na2CO3反應(yīng)，何不生成CuCO3

據(jù)說(shuō)正規(guī)的CuCO3并不存在。如果你去化學(xué)試劑商店購(gòu)買(mǎi)CuCO3，售貨員會(huì)給你堿式碳酸銅，而且還可能告訴你“堿式碳酸銅就是碳酸銅”，或者“堿式碳酸銅可以當(dāng)作碳酸銅來(lái)用”。話(huà)雖然說(shuō)得不那么專(zhuān)業(yè)，但事實(shí)確實(shí)如此。

問(wèn)題當(dāng)然沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。原來(lái)在CuSO4溶液中加入Na2CO3，不是生成CuCO3，而是生成成分不定的 Cu2(OH)2SO4和Cu2(OH)2CO3的綠色混合物。不僅如此，即使在冷的CuSO4溶液中加入NaOH溶液，當(dāng)?shù)稳隢aOH溶液的量少時(shí)，也只能得到絮狀淺藍(lán)色沉淀Cu2(OH)2SO4，而得不到Cu(OH)2沉淀。更有甚者，當(dāng)把少量CuSO4的濃溶液滴進(jìn)普通水(如自來(lái)水)中，溶液變得渾濁，靜置將溶液加熱到沸騰，甚至蒸干，也不見(jiàn)沉淀物分解。這也是因?yàn)樯闪司哂腥芏确e小、熱穩(wěn)定性高的 Cu2(OH)2SO4。

原來(lái)CuSO4溶液因水解顯酸性，當(dāng)加入少量NaOH、Na2CO3或用水稀釋CuSO4溶液時(shí)，由于溶液pH升高，首先生成溶解度極小的堿式硫酸銅和堿式碳酸銅，而得不到CuCO3。

八、關(guān)于碳酸鈉、碳酸氫鈉溶于水的熱現(xiàn)象

四支試管里分別放入2 g Na2CO3、Na2CO3·H2O(碳氧)、Na2CO3·10H2O和NaHCO3(小蘇打)，再分別注入 4 mL 水，觀察溫度變化(如表3所示)。

表3 室溫10℃，水溫10℃，溶液溫度變化測(cè)試

九、給“粉末”加個(gè)注釋

一般來(lái)說(shuō)物質(zhì)有三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)?！胺勰碑?dāng)然不屬于科學(xué)概念上的什么態(tài)，它是一種對(duì)某些固體物質(zhì)外觀形象的一種說(shuō)法。難怪有人常常提出這樣的問(wèn)題：生石灰、熟石灰、無(wú)水CuSO4等，我們常常以粉末稱(chēng)之，那它們的細(xì)小顆粒又屬不屬于離子晶體？盡管我們常常習(xí)慣地稱(chēng)什么“灰”，什么“粉末”“粉狀”，但從它們的微粒結(jié)構(gòu)來(lái)看，跟無(wú)水Na2CO3一樣都是些細(xì)小的結(jié)晶顆粒，有的小得比“粉”末還小，稱(chēng)什么“灰”。從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，CaO、Ca(OH)2、CuSO4等都是含有大量陰陽(yáng)離子的離子化合物，它們?nèi)埸c(diǎn)高、不揮發(fā)、相當(dāng)硬，將其熔化可以導(dǎo)電，水溶液可以導(dǎo)電，難溶于有機(jī)溶劑等。因此，從廣義上說(shuō)，所有這些以及類(lèi)似這些外觀看似粉末狀的物質(zhì)，其細(xì)小顆粒還是由大量陰陽(yáng)離子組成的離子晶體。從這個(gè)角度講，對(duì)于生石灰、熟石灰、無(wú)水CuSO4、Na2CO3等外觀，形象地說(shuō)它們是什么粉末并不錯(cuò)，微觀地說(shuō)它們是晶體也對(duì)，這不矛盾。或者更為形象地說(shuō)，生石灰、熟石灰、無(wú)水CuSO4、Na2CO3等離子晶體，它們都是些心里揣著明白(是晶體)裝糊涂(粉、末、灰)的物質(zhì)。

十、測(cè)定液體(如水)的沸點(diǎn)，溫度計(jì)的水銀泡是沒(méi)入液體內(nèi)還是在液面上方

正確的操作為圖1中b。原因：我們測(cè)定的液體不一定是純粹的，比如自來(lái)水(有硬性)，它的沸點(diǎn)就比純水要高。即使用蒸餾水，也可能會(huì)有雜質(zhì)的影響。所以我們測(cè)定某種液體的沸點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是它逸出的蒸氣與冷凝液平衡時(shí)的溫度。為此，須在加熱液體沸騰后，待溫度計(jì)水銀球泡上有兩三滴液體往下滴時(shí)，再觀察溫度計(jì)所指示的讀數(shù)，那便是該液體的沸點(diǎn)。

圖1 測(cè)液體沸點(diǎn)示意圖

十一、靜置擱放的一杯水，是上層還是底層水體的溫度高，或是上下的溫度相同

答案只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)回答。以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)值得一做。

實(shí)驗(yàn)1：用一只250～500 mL的燒杯盛滿(mǎn)水，靜置隔夜后用溫度計(jì)測(cè)試，上層液體的溫度會(huì)高于下層液體的溫度0.5～1℃。

實(shí)驗(yàn)2：在一個(gè)250～500 mL的燒杯中注滿(mǎn)剛沸騰后的水，待它緩慢冷卻到50℃左右時(shí)再測(cè)試，你會(huì)發(fā)現(xiàn)上層液體的溫度也會(huì)比下層液體的溫度高出1～1.5℃，而且實(shí)驗(yàn)2的現(xiàn)象——變化速率比實(shí)驗(yàn)1來(lái)得快。

實(shí)驗(yàn)3：高中化學(xué)講醛基(—CHO)的還原性時(shí)有如下的實(shí)驗(yàn)：加熱煮沸堿性Cu(OH)2與乙醛的混合液時(shí)，混合液的顏色逐漸由藍(lán)色→黃綠色→橙黃色→紅色(生成Cu2O)。實(shí)驗(yàn)時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)，變色的現(xiàn)象總是最先從試管液面開(kāi)始，逐漸擴(kuò)散至試管底。這表明，盡管是在加熱試管底部的液體，液面的溫度卻比試管底部液體的溫度要高，所以反應(yīng)(變色)最先從液面開(kāi)始。

不論是靜置的水還是加熱溶液，液體的傳熱都有一個(gè)對(duì)流過(guò)程——熱的溶液向上流動(dòng)，冷的溶液向下流動(dòng)，上層液體的溫度比下層液體的溫度要高就成了很自然的事了。

(轉(zhuǎn)載自《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》2016年第13期，有改動(dòng))

甘肅省臨夏回民中學(xué))