高中化學疑難解析六例

廖旭杲

一、有關物質顏色的三個疑問

1.做銀鏡反應時若試管不潔凈，為什么看到的是黑色的懸濁液

人教版高中化學（必修）第二冊2019年6月第1版第84頁實驗7—7（2）是葡萄糖的銀鏡反應實驗，不少學生在實驗過程中得不到光亮的銀鏡，而只看到試管里有大量的黑色細微顆粒懸浮于溶液中。這是為什么呢？有學生懷疑還原反應沒有發(fā)生。其實，既然能產(chǎn)生黑色的細微顆粒，說明乙醛已成功將銀還原為單質，只不過由于該同學的實驗試管不潔凈，導致經(jīng)還原反應得到的銀附不到管壁上，只能懸浮于溶液中，所以看不到光亮的銀鏡產(chǎn)生。但是銀單質是銀白色的，為什么我們看到的銀沉淀是黑色呢？

其實，隨著物質顆粒尺寸的變小，在一定條件下會引起物質宏觀物理性質的變化，此之謂小尺寸效應。小尺寸效應會引起一些特殊的光學現(xiàn)象，如當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。這是由于金屬的小尺寸導致的寬頻帶吸收而使金屬的超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于1%，大約幾微米的厚度就能完全消光，從而使所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)黑色。所以學生做銀鏡反應實驗時，若事先沒有將實驗試管清洗干凈，生成的銀單質在管壁上附不上去，在水溶液中只能形成銀沉淀，剛剛生成的銀沉淀還沒有陳化，顆粒很細，所以看到的是黑乎乎的一片。

2.溶液中剛剛生成的S沉淀顏色是黃色還是乳白色

在描述實驗現(xiàn)象的試題中，若碰到有S沉淀產(chǎn)生的情況，有很多學生不知將預期的現(xiàn)象寫成黃色沉淀好還是乳白色沉淀好。

硫單質是黃色的這已廣為人知，若將兩個分別裝有SO2和H2S氣體的集氣瓶口對口混合，在瓶壁上很快會出現(xiàn)淡黃色的固體：

SO2+2H2S==3S+2H2O

但將難溶于水的硫磺研成粉末狀放入水中，振蕩所得濁液的顏色卻是乳白色的。人教版高中化學（必修）第二冊2019年6月第1版第57頁“實驗活動7 化學反應速率的影響因素”中有如下描述：“Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2↑+ S↓+H2O，反應生成的硫使溶液出現(xiàn)乳白色渾濁，比較渾濁現(xiàn)象出現(xiàn)所需時間的長短，可以判斷該反應進行的快慢?！?/p>

硫有很多同素異形體。通常的黃色結晶是斜方硫磺（熔點為112.8℃），是室溫下唯一的穩(wěn)定形。加熱到95.5℃即可變?yōu)閱涡绷蚧牵ㄈ埸c為119.0℃）。這些硫都是王冠形S。環(huán)狀分子（如圖1所示）。反應生成硫，在溶液中析出細小顆粒為硫乳（為乳白色），是無定形的硫，其結構跟單斜硫和斜方硫是不同的，就像橡膠一樣，可伸展，伸展時鋸齒形分子呈直線狀整齊排列（如圖2所示），成纖維狀結晶。硫乳可以陳化，轉化成黃色的硫。另外，小顆粒的硫在溶液中，可見光照射時，會有光散射（丁達爾現(xiàn)象），這也是硫溶于水顯乳白色的原因之一。

1891年，美國人弗拉施開發(fā)了弗拉施采硫法，世界硫磺總量的90%都是用這種方法開采的。這種方法就是向礦床注入165℃的加熱水蒸氣，使硫磺溶化，然后加熱壓縮空氣把它壓到地面上。在此過程中，黃色的硫由S，變成了白色的橡膠狀硫，長期放置的橡膠狀硫磺會變成黃色的斜方硫磺。

3.葡萄糖是無色晶體還是白色晶體

人教版高中化學（必修）第二冊和選擇性必修3《有機化學基礎》中均指明葡萄糖是無色晶體，但日常生活中接觸到的葡萄糖是白色粉末或晶體。這是因為葡萄糖多由玉米制得，采用酶水解法，其成品多為CH2O6·H2O，一水葡萄糖雪白有光澤，粉末狀，如果要得到無水葡萄糖還需活性炭吸附雜質，過濾后重結晶才能得到無水葡萄糖，其結晶是無色的，主要用于醫(yī)用。所以教材上所指是純凈的無水葡萄糖，說它是無色晶體是準確的，同理，純凈的無結晶水的果糖、蔗糖也是無色晶體，教材所言不虛。

類似的問題還有白磷到底是白色的還是黃色的？白磷分子（P4）呈正四面體形，是透明的蠟狀固體，其表面經(jīng)常附著一層紅磷的薄膜，看似淡黃色，因此白磷也被稱為黃磷。在取用白磷時，從水中拿出來的塊狀白磷表面確實是被一層黃色物質覆蓋。再如可做一實驗觀察“紅磷轉變成白磷”：玻璃管一端放紅磷，隔管加熱后，玻璃管內(nèi)有黃色蒸氣產(chǎn)生，并且在玻璃管內(nèi)壁冷的地方有黃色固體附著，此固體即為白磷。

二、氣焊和氣割時為什么不用乙烯或乙烷而用氧炔焰

氧炔焰是指乙炔氣體在氧氣中燃燒時產(chǎn)生的火焰，由于反應能放出大量的熱，使火焰溫度高于3000℃，因此鋼鐵接觸到氧炔焰就會受熱而熔化。利用這一性質可焊接或切割金屬，通常稱作氣焊或氣割。

查閱人教版化學教材（選擇性必修1）《化學反應原理》后附錄可知：C2H6、C2H4、C2H2的燃燒熱分別為-1562 kJ·mol-、-1411 kJ·mol-、—1300 kJ·mol—'，從燃燒熱來看，乙炔比前二者要低，但為什么氣焊和氣割時不用乙烯或乙烷而用乙炔呢？這是因為乙烷或乙烯在純氧中燃燒時產(chǎn)生的火焰溫度都不如乙炔高，理由如下：

可先寫出三種烴的燃燒熱化學方程式：

C2H6（g）+7/202（g）=

2CO2（g）+3H20（1）; ΔH=-1562 kJ·mol-

C2H4（g）+3O2（g）-2CO2（g）+2H20（1）; ΔH=-1411kJ·mol-1

C2H2（g）+5/202（g）2CO2（g）+H2O（1）; ΔH=-1300kJ·mol-

假設三種烴燃燒時產(chǎn)生的火焰溫度高達3000℃，則生成的水要經(jīng)歷如下過程，每個過程均要吸熱：

不妨設三種可燃氣的物質的量均為1mol，則1 mol C2H6將產(chǎn)生0.054kg的液態(tài)水，1 mol C2H4 將產(chǎn)生0.036kg的液態(tài)水，1 mol C2H2將產(chǎn)生0.018kg的液態(tài)水。C7190285-9A30-42A9-AEF5-9D2FAB1B5BA1

查閱資料可知：H2O（1）—H20（g）;ΔH=+44kJ·mol'。

20℃時，水的比熱容為：4.186kJ·kg·K—，水蒸汽比熱容為：1.842kJ·kg—·K—

（以下估算過程中，水和水蒸汽的比熱容取20℃時的數(shù)值）

當1mol C2H6完全燃燒時：

ΔH1=0.054 kgx4.186 kJ·kg-'·K-'x 75K=16.96 kJ

ΔH2=44kJ·mol-'x3mol=132kJ

ΔH3=0.054 kgx1.842 kJ·kg-'·K-'x 2900K=288.46 kJ

水吸收的總能量為：

16.96 kJ+132kJ+288.46 kJ=437.42 kJ 則1mol C2H。完全燃燒時釋放出的能量為：ΔH=1562 kJ-437.42 kJ=1124.58 kJ

同理，當1molC2H，完全燃燒時：

水吸收的總能量為：437.42 kJx0.036kg÷0.054kg=291.62 kJ

則1 mol C2H4完全燃燒時釋放出的能量為：ΔH=1411kJ-291.62 kJ=1119.4 kJ 當1 mol C2H2完全燃燒時：

水吸收的總能量為：437.42kJx0.018kg÷0.054kg=145.81 kJ

則1 mol C2H2完全燃燒時釋放出的能量為：ΔH=1300kJ-145.81 kJ=1154.20 kJ

以上僅僅是一個粗略的估算過程，因為還有很多因素（如燃燒快慢等動力學因素）沒有考慮進去，如水和水蒸汽的比熱容隨溫度而變化;還有燃燒過程中，可燃氣及O2、CO2的溫度都要升高，如低壓，250K～1000K時，氧氣的恒壓比熱容約為1kJ·kg'·K—'，由于可燃氣及O2的比熱容較小，以上計算過程中將其忽略了，但不管怎樣，三者比較，最終釋放給環(huán)境的能量以乙炔為最多（每1mol氣體放熱差約30kJ）。故工業(yè)上氣焊和氣割時用乙炔，而不用乙烯或乙烷。

三、物質溶于水一定熵增嗎？

2022年1月浙江省選考化學試題第20小題是一道得分率極低的試題：AB型強電解質在水中的溶解（可視作特殊的化學反應）表示為

AB（s）=A"+（aq）+B"-（aq）

其焓變和熵變分別為ΔH和ΔS。對于不同組成的AB型強電解質，下列說法正確的是（）。

A.ΔH和ΔS均大于零

B.ΔH和ΔS均小于零

C.ΔH可能大于零或小于零，ΔS大于零

D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零

大多數(shù)學生選C，正確答案為D。對此，不少同學迷惑不解，物質溶解于水中，不是混亂度變大了嗎？應該熵增呀？其實不然，舉一個理想化的例子：1mol的無水硫酸銅加到5mol的水中，混合均勻，應該得到1mol的五水硫酸銅晶體，對于水分子來說它的熵減小量遠大于固體的熵增加量，總體ΔS小于零。這里考量熵的變化是選取溶液作為一個整體來研究的，系統(tǒng)熵增還是熵減，不僅要考慮溶質的自由度增大還得考慮溶劑的自由度減小，兩者比較過后才知增減。

ΔS=（S溶質-Sm）+（S溶劑-S水）

溶劑分子，尤其是極性溶劑分子，會在電荷高，半徑小的離子周圍形成規(guī)則的擴散層，從而引起自由度的降低。如Ca3（PO4）2的溶解熱為—51 kJ·mol—'（放熱）卻依然難溶于水，就是因為溶解過程的熵變小于零，所以使得吉布斯自由能ΔG=ΔH-TΔS>0。

很顯然，因為Ca3（PO4）2溶解后更加分散，S格質>Sa;但是對于水分子來說情況就不一樣了。當Ca3（PO4）2溶于水中形成Ca2+和PO4—離子后，這些離子會水合—也就是會結合水分子形成水合離子。在形成水合離子的過程中，這些結合水在配位作用和靜電作用的影響之下，會形成非常規(guī)整的結構;也就是說，水分子的熵變是小于零的?。⊿溶劑—S*）<0

再如，CaCl2溶解時的熵變?yōu)椤?4.8J·K—1·mol—，也是熵減的過程。

由此可見，計算最終的熵變實際上是兩個過程的競爭—溶質的熵增，溶劑的熵減。那么最終的結果是多少？具體哪個過程更顯著呢？這全取決于溶質的性質。

四、鹽析與聚沉有何區(qū)別

有學生問：在大分子溶液和膠體溶液中加鹽都可使其從溶液中析出。前者稱為鹽析，后者稱為溶膠的聚沉。這兩者的作用原理有何區(qū)別？

鹽析作用的原理是大量的無機離子與水強烈水化作用，迫使大分子的水化程度大大降低，從而使大分子物質從溶液中析出。鹽析作用是可逆的，即鹽析后再加水，沉淀往往可重新又溶解成大分子溶液。

溶膠的聚沉是鹽類中反離子進入膠粒的吸附層，造成其ξ電勢降低，擴散層變薄而破壞溶膠的穩(wěn)定性。聚沉作用所需的電解質很少，而且其過程是不可逆的，即聚沉了的膠體再加水一般不可能使其又變成溶膠。

五、爆炸一定要產(chǎn)生氣體嗎？以下試題屢見于各種?？贾校?/p>

乙炔亞銅（Cu2C2）是一種對熱和沖擊敏感的高爆炸藥，把乙炔通入[Cu（NH3）2]Cl溶液，可以生成Cu2C2紅棕色沉淀，下列關于Cu2C2的說法不正確的是（）。

A.Cu2C2為無機化合物，爆炸時陰離子作氧化劑

B.隔絕空氣條件下，Cu2C2發(fā)生爆炸時不釋放氣體

C.Cu2C2的電子式為Cu+[：CE：C：]2-Cu* D.利用上述沉淀反應可檢驗乙炔

解析如下：碳化亞銅（Cu2C2）為無機化合物，電子式為Cu+[：C：：C：]2—Cu*，結構式可寫作：Cu+[C=C]2-Cu+，C正確;

乙炔通入[Cu（NH3）2]Cl溶液中發(fā)生反應：HC=CH+2[Cu（NH3）2]Cl→C7190285-9A30-42A9-AEF5-9D2FAB1B5BA1

Cu2C2↓+2NH，Cl+2NH3 因為有明顯的實驗現(xiàn)象：產(chǎn)生紅棕色沉淀，所以可利用此反應檢驗乙炔，D正確。

隔絕空氣條件下，Cu2C2發(fā)生爆炸時生成Cu和C，不釋放氣體，故B正確，很明顯分解過程中陰離子C2—作為還原劑，A錯誤。綜上，答案為A。

此類試題獲得答案不難，但學生仍然對Cu2C2、Ag2C2等物質易爆心存疑惑，它們分解不是沒有氣體嗎？怎么會爆炸呢？

關于爆炸，首先要清楚爆炸一定與氣體有關，是在極短時間內(nèi)氣體急劇增多或氣體急劇膨脹造成的，其次，爆炸一定是短時間內(nèi)放出大量的能量。

爆炸一定是氣體所為，但這氣體可有內(nèi)、外兩種情況，一種是爆炸過程中由炸藥分解產(chǎn)生的，如硝銨易爆：

5NH，NO3→4N2↑+9H20↑+2HNO3↑再如硝化甘油的爆炸：

4C3H3N3Og→

6N2↑+12CO2↑+O2↑+10H2O↑或者是氧化過程中產(chǎn)生大量的氣體，如氫氧混合易爆，氫氯混合易爆，瓦斯爆炸等等，一般地，追蹤元素的話，產(chǎn)物分別是：C→CO2，H→H2O，N→N2，S→SO2，Cl→HCl。常見的化學爆炸是氣體在密閉空間內(nèi)急劇增多造成的。

但氣體引起的爆炸還有一種情況，那就是氣體不是炸藥產(chǎn)生的，而是來自炸藥周圍的空氣，是因為炸藥分解放出大量的能量，輻射到空氣中，引起空氣急劇膨脹造成的，最典型的是原子彈爆炸，再比如Cu2C2、Ag2C2、NI3的爆炸。

本題中Cu2C2屬易爆物，但爆炸時不產(chǎn)生氣體，Cu2C2（s）→2Cu（s）+2C（s），放出大量的熱，正是因為瞬間放出大量的能量輻射到空氣中，也產(chǎn)生了爆轟波。

六、過氧化氫為什么可作火箭燃料

近期，有教師根據(jù)2022年1月浙江選考試題第8題改編了如下試題：

下列說法不正確的是（）。

A.鎂合金密度較小、強度較大，可用于制造飛機部件

B.還原鐵粉可用作食品干燥劑

C.氯氣、臭氧、二氧化氯都可用于飲用水的消毒

D.過氧化氫分解為水和氧氣的反應吸熱，故H2O2不可用作火箭燃料

考后有人認為答案選項B不正確，引起教師議論紛紛。其實用還原鐵粉作食品干燥劑是市場成熟行為，市面上有很多食品采用此法保鮮。還原鐵粉，灰色或黑色粉末，又稱“雙吸劑”，主要利用鐵生銹需要氧氣和水分，所以能夠吸收食品包裝袋中的氧氣和水分;粉末狀的鐵使得鐵與氧氣和水的接觸面積更大，反應更易進行，保鮮效果更好。

不正確的選項D容易選出，因為過氧化氫分解反應放熱，但有部分同學想知道過氧化氫究競能不能用作火箭燃料。

過氧化氫也叫雙氧水，無色透明液體，比水重。過氫化氫呈微酸性，在有酸存在下較穩(wěn)定，遇光緩慢分解，遇堿、熱、粗糙活性表面、重金屬離子（Fe2、Mn、Cu*、Cr等）以及其它雜質均會引起分解，放出氧和熱?；鸺?、魚雷等使用過氧化氫作燃料，依據(jù)的是過氧化氫與某些金屬接觸會發(fā)生劇烈反應這一原理。當它與銀（火箭、魚雷中經(jīng)常使用這種元素）接觸時，過氧化氫便迅速分解成水蒸氣和氧，水蒸氣和氧的體積比過氧化氫猛增了5000倍。正是基于這一原因，它們被用來向火箭、魚雷引擎提供動力。與此同時，魚雷設計專家對發(fā)射這種魚雷作出了嚴格的要求：只有引擎全面啟動，并在魚雷發(fā)射過程中，才能準許這一化學反應發(fā)生。英國魚雷設計專家兼英國皇家海軍工程學院講師莫里斯·斯特拉德林認為世界矚目的俄羅斯“庫爾斯克”號潛艇爆炸沉沒（2000年8月10日）的原因正是因為一根向魚雷引擎輸送液態(tài)過氧化氫燃料的不銹鋼管在爆炸前發(fā)生過破裂，結果向魚雷內(nèi)部噴射出高熱的水、高純的氧同時混雜著高壓的過氧化氫。這些物質無處可走，在這種情況下，它只能與構成魚雷的各金屬部件發(fā)生完全無法控制的化學反應，迅速將魚雷外殼像氣球一樣“脹破”。災難就這樣發(fā)生了。

過氧化氫本身不燃，但能與可燃物反應放出大量熱量和氧氣而引起著火爆炸，除了體積猛增外，氧化反應放出的大量熱量對推進力的貢獻也是巨大的。為滿足航空推進劑無毒、無污染的要求，世界各國很早都開始了對使用過氧化氫煤油或醇類等新型航空器推進劑的研究。

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國在V—2火箭上采用過氧化氫經(jīng)燃氣發(fā)生器分解的產(chǎn)物作為驅動渦輪的工質。戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)的P—1，P—2，P—5M火箭，美國的紅石、丘辟特、維金火箭等也采用過氧化氫分解產(chǎn)物來驅動渦輪。五十年代后期，英國曾研制以過氧化氫/煤油為推進劑的Gamma8和Gamma2火箭發(fā)動機，用于“黑箭”運載火箭。美國也研制了以過氧化氫/煤油為推進劑的AR系列火箭發(fā)動機，用于提高軍用飛機的性能。尤其是60年代末，NASA實施的高超音速發(fā)動機研究計劃，所用燃料為過氧化氫和液氨，其間X—15飛機飛行速度達到6.7馬赫，成為有史以來飛的最快的飛機。

近年，由于環(huán)境保護要求日益嚴格等因素，過氧化氧推進技術進一步得到重視：X—37是美國NASA和波音公司共同投資研制、進行軌道飛行及載人飛行的、可重復使用的演示機，它是用90%過氧化氫/煤油作推進劑。

我國在1950年代末～1960年代初研制的DF—1和DF—2導彈發(fā)動機采用78%濃度的過氧化氫經(jīng)燃氣發(fā)生器分解的產(chǎn)物作為驅動渦輪的工質。在70年代初用過氧化氫分解產(chǎn)物作模擬工質研究截短塞式噴管的性能。

過氧化氫/煤油（或醇類）推進劑將主要推廣應用于航天自控發(fā)動機及載人飛船上，擺脫了以前要用有毒推進劑[N，O，/冊類（偏二甲基阱、甲基阱、肝等）]的束縛，確保載人航天的安全性，還可以應用于軍事衛(wèi)星、運載火箭和反彈道導彈，將來甚至還可以推廣應用于民用汽車發(fā)動機，該產(chǎn)品已被列入《中國高新技術產(chǎn)品目錄》。

（收稿日期：2022-04-09）C7190285-9A30-42A9-AEF5-9D2FAB1B5BA1