學(xué)科關(guān)鍵能力視角認(rèn)識鈉及其化合物

■趙玉雙(博士)

學(xué)科關(guān)鍵能力作為高考重要的考查目標(biāo),是測試和評價的核心指標(biāo)和因素。對化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力的評述有很多,可以說是百家爭鳴,本文借助王磊教授提出的“3×3”的化學(xué)學(xué)科能力要素,以鈉及其化合物為知識載體,探討新高考形勢下本部分知識內(nèi)容的命題方向?！?×3”的化學(xué)學(xué)科能力要素:學(xué)習(xí)理解(辨識記憶、概括關(guān)聯(lián)、說明論證)、應(yīng)用實踐(分析解釋、推論預(yù)測、簡單設(shè)計)、遷移創(chuàng)新(復(fù)雜推理、系統(tǒng)探究、創(chuàng)新思維)。

鈉及其化合物是常見的無機(jī)物及其應(yīng)用主題下金屬及其化合物的典型代表。鈉及其化合物的學(xué)習(xí)目標(biāo):

(1)了解鈉元素在自然界的存在形式。

(2)掌握鈉的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、冶煉和用途等方面知識。

(3)掌握鈉的重要化合物(如Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3)的主要性質(zhì)和在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。

(4)掌握鈉及其化合物之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律,并能夠正確書寫相應(yīng)的化學(xué)(離子)方程式。

(5)掌握用焰色試驗檢驗Na+、K+的方法。

(6)通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí),掌握學(xué)習(xí)一種物質(zhì)的一般思路和方法,掌握“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的學(xué)科思想。

下面從學(xué)科關(guān)鍵能力視角出發(fā),借助鈉及其化合物的“物質(zhì)類別—元素價態(tài)”二維圖(如圖1),從概念性知識的學(xué)習(xí)理解(A 層級,A1 辨 識 記 憶、A2 概 括 關(guān) 聯(lián)、A3 說 明 論證)、應(yīng)用實踐(B層級,B1分析解釋、B2推論預(yù)測、B3簡單設(shè)計)、遷移創(chuàng)新(C層級,C1復(fù)雜推理、C2系統(tǒng)探究、C3創(chuàng)新思維),分析新高考形勢下經(jīng)典命題方向及解題策略。

圖1

一、鈉及其化合物基礎(chǔ)知識

例1 下列關(guān)于鈉的說法不正確的是( )。

A.銀白色、柔軟

B.密度比水小

C.與水反應(yīng)生成氫氣

D.在空氣中燃燒生成氧化鈉

答案:D

考點分析:由鈉及其化合物的“物質(zhì)類別—元素價態(tài)”二維圖可知金屬鈉可以轉(zhuǎn)化為氧化鈉、過氧化鈉、氫氧化鈉,需要熟悉相應(yīng)的反應(yīng)方程式。鈉及其化合物的名稱、俗名、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、典型實驗現(xiàn)象及應(yīng)用、主要反應(yīng)的化學(xué)方程式均屬于A1 辨識記憶類知識,此類試題考查相關(guān)題目的難度較小,做此類題目只需關(guān)注課本內(nèi)容,梳理關(guān)聯(lián)知識點,識記即可。

例2 下列有關(guān)試劑的保存方法不正確的是( )。

A.Na保存于煤油中

B.過氧化鈉應(yīng)密封保存

C.濃硝酸保存于無色試劑瓶中

D.濃硫酸保存于鐵質(zhì)容器中

由鈉及其化合物的“物質(zhì)類別-元素價態(tài)”二維圖可梳理出鈉及其化合物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,鈉可以和空氣中氧氣、水反應(yīng),因此Na不能在空氣中放置,鈉的密度比煤油大,且不和煤油反應(yīng),實驗室中常將鈉保存在煤油中,A 項正確。過氧化鈉易和空氣中的二氧化碳、水蒸氣反應(yīng),應(yīng)密封保存,B項正確。濃硝酸對光不穩(wěn)定,見光分解為二氧化氮、氧氣、水,應(yīng)保存于棕色試劑瓶中,C項錯誤。常溫下,鐵遇到濃硫酸鈍化,故可將濃硫酸保存于鐵質(zhì)容器中進(jìn)行運(yùn)輸,D 項正確。

答案:C

考點分析:本題中A、B 選項均可利用“物質(zhì)類別—元素價態(tài)”二維圖來判斷,鈉很活潑,極易在空氣中被氧化,且在空氣中燃燒后生成過氧化鈉,過氧化鈉還能繼續(xù)與水、二氧化碳反應(yīng)。建立鈉單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)、保存方式及應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián),屬于A2概括關(guān)聯(lián)層級,整體考查相關(guān)題目的難度較小,做此類題目只需關(guān)注課本知識,識記即可。若考查A、B選項的原因,那么難度上升為B1分析解釋層級,利用鈉及其化合物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系,分析解釋生活中的問題。

例3 為研究Na 的性質(zhì),進(jìn)行如下實驗。

____________________________________________________________實驗裝置液體a 現(xiàn)象___________蒸餾水 Ⅰ.Na浮在液面上,劇烈反應(yīng),產(chǎn)生少量白霧______images/BZ_44_287_1312_428_1539.png0.1mol·L-1鹽酸Ⅱ.Na浮在液面上,反應(yīng)比Ⅰ中劇烈,產(chǎn)生白霧____濃鹽酸Ⅲ.Na浮在液面上,反應(yīng)比Ⅰ中緩慢,產(chǎn)生大量白______________________________霧,燒杯底部有白色固體

下列說法中,不正確的是( )。

A.Ⅰ中現(xiàn)象說明Na與水反應(yīng)放熱

B.Ⅰ中反應(yīng)的離子方程式為2Na+2H2O2Na++2OH-+H2↑

C.Ⅲ中白霧比Ⅱ中多,說明Ⅲ中反應(yīng)放熱比Ⅱ中更多

D.推測Ⅲ中反應(yīng)緩慢可能與c(Cl-)以及生成的白色固體有關(guān)

Na投入到蒸餾水中,可與水發(fā)生反應(yīng),生成氫氣和氫氧化鈉,教材中該反應(yīng)典型的現(xiàn)象是“浮、游、響、動、紅”,A 項正確。Na與水反應(yīng)的離子方程式為2Na+2H2O2Na++2OH-+H2↑,B項正確。濃鹽酸易揮發(fā),對照實驗Ⅲ和Ⅱ,氫離子濃度增加,鈉與氫離子反應(yīng)放熱增加,同時除有揮發(fā)的水蒸氣外,還有揮發(fā)出的HCl氣體遇到空氣中水蒸氣呈現(xiàn)更多的白霧,C項錯誤。對照實驗Ⅲ和Ⅱ可知,反應(yīng)的實質(zhì)是鈉與氫離子反應(yīng),之所以反應(yīng)緩慢,可能與c(Cl-)以及生成的白色固體有關(guān),詳細(xì)分析白色固體為氯化鈉,而氯化鈉形成的原因為濃鹽酸中c(Cl-)較大,促進(jìn)氯化鈉晶體析出,D 項正確。

答案:C

考點分析:本題利用鈉與水的反應(yīng)和控制變量思想,推論和預(yù)測鈉和稀鹽酸、濃鹽酸的陌生反應(yīng)的實驗現(xiàn)象,是對鈉及其化合物性質(zhì)應(yīng)用的又一提升,屬于B2推論預(yù)測層級問題。解決此類問題需要掌握鈉的基本性質(zhì),分析出鈉與水反應(yīng)本質(zhì)是鈉與水電離出的氫離子反應(yīng),進(jìn)而理解稀鹽酸中氫離子來源,濃鹽酸中氫離子濃度。在關(guān)注氫離子濃度的同時還需關(guān)注鹽酸溶液的整體性,即其中氯離子濃度的變化。因此D 選項的考查相對于前面選項又增加一個思維難度,是對鈉與水反應(yīng)的綜合問題的遷移,屬于C1復(fù)雜推理層級。

二、鈉及其化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系及實驗

例4 以不同類別物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化為線索,認(rèn)識鈉及其化合物。

下列分析不正確的是( )。

A.反應(yīng)③表明CO2具有酸性氧化物的性質(zhì)

B.反應(yīng)④說明穩(wěn)定性NaHCO3強(qiáng)于Na2CO3

C.反應(yīng)⑤⑥可用于潛水艇中氧氣的供給

D.上述轉(zhuǎn)化中發(fā)生的反應(yīng)有分解反應(yīng)、化合反應(yīng)、置換反應(yīng)

堿的通性中,與堿反應(yīng)生成鹽與水的氧化物為酸性氧化物,二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)生成碳酸鈉和水,則反應(yīng)③表明CO2具有酸性氧化物的性質(zhì),A 項正確。碳酸氫鈉受熱分解生成碳酸鈉、水、二氧化碳,則反應(yīng)④說明穩(wěn)定性Na2CO3強(qiáng)于NaHCO3,B項錯誤。過氧化鈉與水、二氧化碳反應(yīng)生成產(chǎn)物中有氧氣,日常生活中過氧化鈉可用于潛水艇中氧氣的供給,C 項正確。鈉與O2燃燒生成Na2O2,為化合反應(yīng),鈉和水反應(yīng)置換出氫氣為置換反應(yīng),碳酸氫鈉受熱分解為分解反應(yīng),D 項正確。

答案:B

考點分析:本題借助轉(zhuǎn)化關(guān)系將考查內(nèi)容圖表化,主要考查轉(zhuǎn)化關(guān)系中的推理關(guān)系,比如反應(yīng)③堿的通性中與酸性氧化物的反應(yīng),反應(yīng)④考查物質(zhì)的穩(wěn)定性,通過轉(zhuǎn)化關(guān)系碳酸氫鈉分解為碳酸鈉,推理說明碳酸氫鈉不穩(wěn)定。反應(yīng)⑤⑥利用反應(yīng)實現(xiàn)性質(zhì)的應(yīng)用,關(guān)聯(lián)真實情境,是對實際生活問題的解釋。因此本題整體難度提升為B2 推論預(yù)測層級。

例5 某小組同學(xué)進(jìn)行Na2CO3和NaHCO3性質(zhì)的探究,實驗如下(夾持裝置已略去,氣密性已檢驗)。_____________________

實驗Ⅰ 實驗Ⅱimages/BZ_45_256_1254_565_1505.pngimages/BZ_45_634_1271_1016_1482.png

(1)實驗Ⅰ,能夠證明Na2CO3的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于NaHCO3的證據(jù)是_____。

(2)實驗Ⅱ,方框中為洗氣裝置,請將該裝置補(bǔ)充完整。

(3)實驗Ⅱ,試劑a為____。

(4)實驗Ⅱ,實驗持續(xù)一段時間后,觀察到飽和Na2CO3溶液中有細(xì)小晶體析出,用化學(xué)方程式表示產(chǎn)生細(xì)小晶體的原因:____。

(1)實驗Ⅰ中,能夠證明Na2CO3的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于NaHCO3的證據(jù)是相同條件下,A 試管中無明顯現(xiàn)象,B試管中澄清石灰水變渾濁,B 中二氧化碳遇到澄清石灰水,澄清石灰水變渾濁,生成碳酸鈣和水,反應(yīng)的離子方程式是

2OH-+Ca2++CO2H2O+CaCO3↓。

(2)實驗Ⅱ中,圓底燒瓶中盛放碳酸氫鈉固體,滴加稀鹽酸發(fā)生反應(yīng),生成氯化鈉、二氧化碳和水,離子方程式是HCO-3+H+CO2↑+H2O,生成的二氧化碳中含有揮發(fā)的氯化氫雜質(zhì),通過飽和碳酸氫鈉溶液,吸收CO2中的HCl雜質(zhì),因此除雜的裝置為長管進(jìn)入,短管導(dǎo)出。

(3)試劑a為飽和碳酸氫鈉溶液。

(4)前述生成的二氧化碳與飽和碳酸鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式是CO2+Na2CO3+H2O2NaHCO3↓,由于相同條件下,飽和溶液中碳酸鈉的溶解度大于碳酸氫鈉,所以飽和碳酸鈉溶液中碳酸氫鈉先達(dá)到飽和析出晶體沉淀,方程式中標(biāo)明沉淀符號。

答案:(1)相同條件下,試管A 中無明顯現(xiàn)象,試管B 中產(chǎn)生白色沉淀 (2)(3)飽和NaHCO3溶液

(4)Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3↓

考點分析:碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)差異是本單元學(xué)習(xí)的重點,利用含鈉元素物質(zhì)的性質(zhì)和研究無機(jī)物性質(zhì)的思路方法,設(shè)計簡單實驗研究兩者的差異,屬于B3簡單設(shè)計層級。關(guān)于除雜裝置的繪制實際考查的是實驗操作能力,除雜一步將試題難度提升為對整個體系的探究,為C2系統(tǒng)探究層級問題。

三、鈉及其化合物與真實情境相聯(lián)系的實驗探究

例6 某課外活動小組設(shè)計了如圖2所示裝置,驗證二氧化碳跟過氧化鈉反應(yīng)時需要與水接觸。

裝置分析:

(1)裝置①中反應(yīng)的離子方程式是_____。

(2)裝置②中的試劑是____(填序號)。

a.飽和NaHCO3溶液

b.飽和Na2CO3溶液

c.濃硫酸

(3)裝置③中的試劑是____。

進(jìn)行實驗:

步驟1:打開彈簧夾K2,關(guān)閉K1,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,將帶火星的木條放在a處。

步驟2:打開彈簧夾K1,關(guān)閉K2,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,將帶火星的木條放在a處。

(1)步驟1和步驟2中,a處帶火星的木條產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象分別是____。

(2)過氧化鈉跟二氧化碳反應(yīng)的化學(xué)方程式是_____。

實驗反思:

(1)有同學(xué)提出質(zhì)疑:“上述實驗不足以證明有水存在時過氧化鈉跟二氧化碳發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)?！逼淅碛墒莀___。

(2)需要補(bǔ)充的實驗操作是:?、葜蟹磻?yīng)后的少量固體,___。

根據(jù)裝置圖和實驗?zāi)康呐袛喑鲈撗b置為證明結(jié)論二氧化碳與過氧化鈉反應(yīng)需要水參與,因此在設(shè)計實驗過程首先制備純凈的二氧化碳,然后通入裝置中與過氧化鈉固體反應(yīng),為探究水的作用,設(shè)置對照組實驗完成控制變量的實驗設(shè)計,關(guān)鍵因素是變量水的有和無。由上述分析可得出:裝置①是制備二氧化碳的發(fā)生裝置;裝置②為除雜裝置,用于除去HCl;要驗證二氧化碳跟過氧化鈉反應(yīng)時需要與水接觸,裝置④⑤中通入的氣體應(yīng)該分含水和不含水兩種,本實驗中沒有額外加入水,而是借助水蒸氣作為反應(yīng)物,從而設(shè)置對照組實驗。從除雜裝置②中出來的氣體是帶水蒸氣的,直接通入裝置⑤中,則裝置⑤中是有水蒸氣的,所以裝置④中就是沒有水蒸氣的,因此裝置③是干燥裝置,即除去二氧化碳中的水蒸氣的裝置,由圖示可知為液體干燥劑,常用的干燥二氧化碳?xì)怏w的液體干燥劑為濃硫酸;裝置④⑤是對比實驗裝置,用于判斷干燥的二氧化碳是否與過氧化鈉反應(yīng);裝置⑥目的為避免空氣中的水、二氧化碳進(jìn)入裝置④⑤,最后用帶火星的木條檢驗是否生成氧氣,據(jù)此分析解答。

裝置分析:(1)裝置①中鹽酸和碳酸鈣反應(yīng)生成二氧化碳,反應(yīng)的化學(xué)方程式為CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑,離子方程式為CaCO3+2H+Ca2++H2O+CO2↑。

(2)鹽酸易揮發(fā),裝置②應(yīng)該是用于除去HCl,裝置②中試劑應(yīng)為飽和碳酸氫鈉溶液,離子方程式為 HCO-3+ H+H2O+CO2↑;飽和碳酸鈉也能吸收二氧化碳;濃硫酸與氯化氫不反應(yīng),不能吸收氯化氫。

(3)實驗的目的是驗證二氧化碳跟過氧化鈉反應(yīng)時需要與水接觸,裝置④⑤中通入的氣體應(yīng)該一個有水蒸氣,一個沒有,從而做對照實驗。從裝置②中出來的氣體帶有水蒸氣,直接通入裝置⑤中,則裝置⑤中反應(yīng)與水接觸。裝置④中應(yīng)為不與水接觸,因此裝置③是除去二氧化碳中的水蒸氣的液體干燥裝置,裝置內(nèi)液體為濃硫酸。

進(jìn)行實驗:(1)步驟1:打開彈簧夾K2,關(guān)閉K1,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,裝置④中沒有水蒸氣,則二氧化碳不能和過氧化鈉反應(yīng),不能生成氧氣,所以a處帶火星木條不復(fù)燃。步驟2:打開彈簧夾K1,關(guān)閉K2,打開分液漏斗活塞加入鹽酸,裝置⑤中有水蒸氣,則二氧化碳能和過氧化鈉反應(yīng)生成氧氣,所以a處帶火星木條復(fù)燃。

(2)過氧化鈉跟二氧化碳反應(yīng)的化學(xué)方程式是2Na2O2+2CO2Na2CO3+O2。

實驗反思:(1)水與過氧化鈉也能夠發(fā)生反應(yīng)生成氧氣,不能證明二氧化碳與過氧化鈉反應(yīng)生成了氧氣,由此可見檢驗氧氣的生成與否已不是該反應(yīng)的特征現(xiàn)象了。

(2)從證明反應(yīng)發(fā)生與否的角度還可以檢驗另一種生成物碳酸鈉,因此需要補(bǔ)充的實驗操作是取裝置⑤中反應(yīng)后的少量固體,加入稀鹽酸,將產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水中,觀察是否變渾濁,從而驗證過氧化鈉與二氧化碳是否反應(yīng)生成了碳酸鈉。

答案:

裝置分析:(1)CaCO3+2H+Ca2++H2O+CO2↑ (2)a (3)濃硫酸

進(jìn)行實驗:(1)步驟1 中木條不復(fù)燃,步驟2中木條復(fù)燃

(2)2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2

實驗反思:(1)氣體中有水,水也可與Na2O2反應(yīng)產(chǎn)生O2使木條復(fù)燃

(2)加入稀鹽酸,將產(chǎn)生的氣體通入澄清的石灰水中

考點分析:本題作為一道實驗探究題目,探究目的在題干中給出:驗證二氧化碳與過氧化鈉反應(yīng)時需要與水接觸。由此可以看出探究目的也能得到探究結(jié)論,但是探究過程需要先理解裝置圖,根據(jù)探究目的思考每一步中裝置的作用。本題也是解決真實情境的問題,即二氧化碳與過氧化鈉反應(yīng)是否需要有水參與。因此該題目進(jìn)而轉(zhuǎn)化為探究反應(yīng)能否發(fā)生,及證明反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)推理。因此在實驗反思步驟中提出證明生成物碳酸鈉的方案,屬于C3創(chuàng)新思維層級。