关于一种现象多种解释的问题,本文主要内容关键词为:多种论文,现象论文,此文献不代表本站观点,内容供学术参考,文章仅供参考阅读下载。
学习化学过程中常会出现一种现象多种解释的问题,要确信哪种解释比较合理,可采用逻辑推理方法,也可用实验验证的方法,但都少不了相关的基本知识。将此类问题编辑在一起成为专题,不仅有利于巩固和深化相关的知识,还有利于训练学生思维的敏捷性、严密性、整体性和创造性,培养学生“能将实际问题(或题设的情景)分解,找出应答的关键,能选择和调用自己贮存的知识块,将它们加以分解、迁移、转换(联想、类比、模仿、改造)、重组,使问题得到解决;并能用文字(或语言、图表)来表达自己答案的应用能力(注:韩家勋主编.高考能力测试与试题设计.北京:北京教育出版社,2001)。”
一、关于褪色原因解释
例1 将H[,2]O[,2]加入滴有酚酞的NaOH溶液中,红色褪去,可能原因是:①H[,2]O[,2]氧化酚酞而褪色;②H[,2]O[,2]因为弱酸性,中和NaOH而褪色。
请设计实验证明哪种褪色原因。
相关知识 有机色素的褪色常见主要有两种。一种是色素结构被氧化破坏,具有不可逆性,如HClO、Na[,2]O[,2]、H[,2]O[,2]、O[,3]等使酚酞、品红等溶液褪色;另一种是色素与某物质结合生成无色物质,色素主体结构未受破坏,是暂时的、可恢复的,如SO[,2]使品红溶液、滴有NaOH的酚酞溶液褪色。有关酚酞遇某物质褪色的原因,已有较多的研究。如“酚酞变色机理”(注:童沈阳,金霞.化学通报,1988.8)“漂白剂对酸碱指示剂的作用”(注:姜淦萍.创造性化学实验.上海:科学普及出版社,2001)等。
分析 此题首先对H[,2]O[,2]的不稳定性、强氧化性及H[,2]O[,2]的水溶液(双氧水)的弱酸性和相关的用途(如漂白性等)有完整的了解。
若是H[,2]O[,2]的弱酸性引起的,联想到中和滴定时指示剂的颜色变化,设计实验证明哪种褪色原因,可在褪色后的溶液中再加入几滴NaOH溶液,若溶液不再变红色则为原因1,否则为原因2。
例2 已知下列实验现象:①取0.8g过氧化钠与20mL水反应放出氧气后,往溶液中加酚酞试液,发现溶液先变红,后又很快变为无色。②氢氧化钠稀溶液加酚酞试液,溶液变红,再加一块氢氧化钠固体,红色褪去。
请设计实验说明过氧化钠与水反应后的溶液使酚酞变红褪色的原理______。
相关知识 过氧化钠本身并不能使酚酞试液褪色,过氧化钠与水作用发生如下两步反应:Na[,2]O[,2]+2H[,2]O2NaOH+H[,2]O[,2],2H[,2]O[,2]2H[,2]O+O[,2]↑。有关更详细的定性、定量研究可参考“过氧化钠使红色酚酞溶液褪色的实验分析”(注:杨承印,王立刚.化学教育,1997.2)“过氧化钠与水反应系列实验的研究报告”(注:米庆树.化学教育,1999.7-8)“过氧化钠与水反应的实验再探讨”(注:蒋重凯.化学教学,1999.8)。
分析解答 此题是探讨过氧化钠与水反应的产物中哪一种使酚酞溶液褪色。也许学生对过氧化钠与水反应分步进行不怎么了解,但根据题目所给信息,通过实验肯定或否定原因2,仍可解出。即向已褪色的溶液中逐滴加入稀盐酸,若出现溶液变红色过程即是原因2,若始终未出现变红色过程即是原因1。
例3 用滴管将新制的饱和氯水慢慢滴入含酚酞的NaOH稀溶液中,当滴到最后一滴时,红色突然消失,试用文字简要说明产生上述现象的两种可能原因。
(1)______;(2)_______。
简述怎样用实验证明红色褪去的原因是1还是2?
分析 新制的饱和氯水是一种特殊的溶液,其中含有具有酸性的盐酸和次氯酸,具有强氧化性的氯单质和次氯酸。含酚酞的NaOH稀溶液显红色,红色褪去的原因不外乎是NaOH被反应或者是酚酞被氧化。
解答 (1)①氯水呈酸性中和NaOH溶液所致;②氯水中的HClO有强氧化性可分解出氧,可漂白显色物质。
(2)向褪色的溶液中回滴NaOH溶液,若红色再出现是原因①,若不再出现红色则是原因②。
二、关于电解质溶液
例4 新教材(注:人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学化学.第2册,北京:人民教育出版社,2000)第二册“*五、在有Mg(OH)[,2](s)存在的饱和溶液中,存在着如下平衡:
Mg(OH)[,2](s)Mg[2+]+2OH[-],向该饱和溶液中分别加入固体CH[,3]COONa、NH[,4]Cl时,固体Mg(OH)[,2]的质量有什么变化?说明原因。”
相关知识 在中学化学教材的电解质溶液知识中学习了两个重要的平衡即电离平衡和水解平衡,是化学反应平衡知识的应用和延伸。化学平衡影响因素在电解质溶液中表现得更加细致、丰富,如温度、外加的酸、碱、盐等都有可能影响平衡。有些离子在水溶液中本身就有两种平衡并存的现象,只不过是哪一种平衡占主导而已,并且外界因素也可使主次平衡发生变化。在某平衡体系中加入弱酸根或弱碱的阳离子时,既要考虑加入离子的水解对另一平衡的影响,又要兼顾加入离子的本身对另一平衡的直接影响。
分析 向该饱和溶液中加入固体CH[,3]COONa的影响,易得出因为CH[,3]COO[-]水解产生了OH[-],使Mg(OH)[,2](s)Mg[2+]+2OH[-]的电离平衡向逆方向移动,所以固体Mg(OH)[,2]的质量增加。这一结论值得商讨,饱和Mg(OH)[,2]溶液中的C[,(OH[-])]约为10[-4]mol/L,而饱和CH[,3]COONa溶液中的C[,(OH[-])]<10[-4]mol/L,很难使平衡向生成Mg(OH)[,2]的方向移动,所以仅仅从这一角度分析较难得出这一结论。在分析解释加入固体NH[,4]Cl使固体Mg(OH)[,2]的质量减少的原因时,由于对NH[,4][+]水解性质的惯性思维,完全套用了加入固体CH[,3]COONa的影响来解释,刚好进入本题设好的圈套中。除了NH[,4][+]水解产生的H[+]对OH[-]有影响,NH[,4][+]对OH[-]也有直接的影响,且后者的直接影响要大得多。加入CH[,3]COONH[,4]固体也能使固体Mg(OH)[,2]的质量减少,而CH[,3]COONH[,4]溶液接近中性,更加说明了NH[,4][+]对OH[-]的直接的影响。更直接的看法是:Mg(OH)[,2]是中强碱,碱性强于NH[,3]·H[,2]O,所以发生了“强”碱替换弱碱的反应(注:严宣申.化学实验的启示与科学思维的训练.北京:北京大学出版社,1993)。
解答 向该饱和溶液中加入固体CH[,3]COONa,固体Mg(OH)[,2]的质量几乎不影响,由于发生CH[,3]COO[-]+H[,2]OCH[,3]COOH+OH[-],产生的OH[-]浓度不够大,难以使Mg(OH)[,2]的电离平衡向逆方向移动。向该饱和溶液中加入固体NH[,4]Cl,固体Mg(OH)[,2]的质量减少,由于NH[,4][+]与Mg(OH)[,2]的电离出的OH[-]结合生成NH[,3]·H[,2]O,使Mg(OH)[,2]的电离平衡向正方向移动。
例5 已知25℃时0.1mol/L醋酸溶液的pH约为3。向其中加入少量醋酸钠晶体,待晶体溶解后发现溶液的pH增大。对于上述现象有两种不同的解释:甲同学认为醋酸钠水解呈碱性,增大了C[,(OH[-])],因而溶液的pH增大;乙同学认为醋酸钠溶于水,电离出大量醋酸根离子,抑制了醋酸的电离,使C[,(H[+])]减少,因此溶液pH增大。(已知:25℃时,0.1mol/L氨水的电离度为1.3%,0.1mol/L醋酸的电离度为1.3%)
你认为上述两种解释______(“甲”或“乙”)正确。为了验证上述哪种解释正确,继续做如下实验:向0.1mol/L的醋酸溶液中加入少量下列物质_______(填写编号),然后测定溶液的pH。
A.固体CH[,3]COOK B.固体CH[,3]COONH[,4]
C.气体NH[,3]D.固体NaHCO[,3]
分析 本题同样也是要考虑CH[,3]COO[-]水解产生的OH[-]对醋酸电离平衡的影响和CH[,3]COO[-]直接对醋酸电离平衡的影响谁占主导。
解答 乙、B
例6 关于“电解氯化铜溶液时的pH变化”问题,化学界有两种不同的观点。
观点一,“理论派”认为电解氯化铜溶液后溶液的pH升高;观点二,“实验派”经过反复、多次、精确的实验测定,证明电解氯化铜溶液时的pH的变化如图。
附图
请回答下列问题:
(1)离子方程式表示电解前氯化铜溶液的pH处于A点的原因:________________。
(2)“理论派”所持观点的理论依据是:_____________;
(3)你支持哪种观点:______(理论派、实验派)。其理由是________________。
相关知识 电解知识是氧化还原知识和原电池知识的延伸和深入。电解后所得产物,有些能溶解于电解质溶液中,有些能继续与电解质溶液中的某些微粒发生作用,有可能造成了实验与理论的区别。
分析 此题涉及了水解平衡、电解反应和溶解平衡,同时也说明了理论与实验的区别。首先第一问分析了CuCl[,2]溶液呈酸性的原因,从而为理论派解释电解后溶液pH升高打下基础,第二问则是进一步巩固理论派的观点,由于电解使c[,(Cu[2+])]浓度减少,致使水解平衡向逆方向移动,c[,(H[+])]浓度降低,pH升高。学生回答第三问时大部分选了“实验派”,但是回答理由时,很多学生做出了滑稽的、认为理所当然的解答,如“实验是检验真理的唯一标准”等。
解答 (1)Cu[2+]+2H[,2]OCu(OH)[,2]+2H[+]
(2)随着电解的进行,c[,(CU[2+])]减少,水解平衡向逆方向移动,c[,(H[+])]下降,pH增大。
(3)实验派,电解时阳极产生的Cl[,2]溶解生成HCl和HClO,使溶液c[,(H[+])]增大,pH减小。
例7 分别将等质量的铜片与等体积均过量的浓硝酸、稀硝酸反应,所得到的溶液前者呈绿色,后者呈蓝色。甲同学提出这可能是Cu[2+]浓度差异引起的,乙同学则提出溶液呈“绿色”是Cu[2+]与NO[,2]混合的结果。你同意哪一种看法?_______(填“甲”或“乙”),原因是_______;请你设计一个实验证明你的看法(简述实验方案和实验现象)_________。
解答 乙、因为铜片质量相同,溶液体积相同,生成的Cu[2+]浓度相同;加热绿色溶液,有红棕色气体产生,溶液变成蓝色。
三、关于示踪原子证明变化原理
相关知识 同一元素的放射性同位素和非放射性同位素的化学性质都是一样的,若在某一元素里加入很少量它的放射性同位素,则无论这元素到那里,经历什么变化,也必然有它的放射性同位素和它在一起。利用对于放射性的观察,便可以很快知道这元素到了什么地方,经历了什么变化。做这种用途的放射性同位素,叫做示踪原子。利用示踪原子可以了解许多化学反应的反应历程。1913年~1918年,丹麦籍匈牙利人赫维赛开始用示踪原子于无机化学分析,测定了最难溶无机铅盐的溶解度。20世纪30年代,美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了光合作用关于产物之一的O[,2]究竟来自反应物中的H[,2]O还是CO[,2]。新教材(注:人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学化学.第2册,北京:人民教育出版社,2000)第二册第一次用示踪原子证明反应的历程,采用同位素示踪原子进行实验是一种先进的科学方法,可以直观地描述酯化反应的机理,使学生更清楚的认识反应实质。
例8 有人认为乙酸与乙醇在催化剂作用下发生酯化反应有下列两种途径:
附图
根据课本所学的知识设计一个实验,并根据实验结论说明在什么情况下,按途径(Ⅰ)进行,什么情况下按途径(Ⅱ)进行。
分析提示 酯化反应是中学有机化学的重要反应类型,为说明脱水的实质,教材中将[18]O标在乙醇上。事实上,乙酸跟乙醇在浓硫酸存在并加热的条件下发生酯化反应可能经历了生成中间体(Ⅰ)这一步。如图所示:
附图
在大多数情况下酯化反应是羧酸分子里的羟基与醇分子电离的氢原子结合成水,因此教材中也强调了“一般过程”。在少数情况下酯化反应是羧酸分子里的氢原子与醇分子里的羟基结合成水。例如叔醇容易产生碳正离子,酯化是按烷氧键断裂方式进行的(注:曾昭琼主编.有机化学.北京:高等教育出版社,1997)。该题的主要困难是学生易死板模仿教材中的示踪原子标注方式。
解答 示踪原子法,用有[18]O标记的CH[,3]CO[18]OH与乙醇的反应,检验生成的酯,若无[18]O则是按途径Ⅰ进行的;若含有[18]O,则是按途径Ⅱ进行的。
例9 在配平KMnO[,4]、H[,2]O[,2]、H[,2]SO[,4]三者反应的化学方程式时,出现多组配平化学计量数,如:
附图
(1)假设这3个化学反应方程式都合理,请研究各组化学计量数的变化规律,写出符合该规律的一个新化学方程式________。
(2)请设计方法证明以上4个化学反应方程式中哪一个是合理的?
分析提示 H[,2]O[,2]具有氧化性和还原性,并在很多反应中表现为氧化性。酸性高锰酸钾溶液的氧化性比过氧化氢强,在此反应中过氧化氢仅作为还原剂,可用示踪原子实验证实。
(1)2KMnO[,4]+11H[,2]O[,2]+3H[,2]SO[,4]K[,2]SO[,4]+2MnSO[,4]+14H[,2]O+8O[,2]↑
(2)用H[,2][18]O[,2]进行示踪原子实验,证实生成的氧气全部是[18]O[,2],其他含氧生成物中不含有[18]O,所以只有②反应方程式合理,其余都不合理。
例10 将一小块具有规则形状的胆矾晶体投入某温度下的饱和硫酸铜溶液中,甲、乙同学都观察到晶体未发生变化。甲同学认为:根据现象说明未发生晶体的溶解和结晶。乙同学认为:虽然未观察到晶体的变化,但存在溶解和结晶的动态平衡。你同意哪一位同学的分析?请设计实验证明。
分析提示 平衡状态只是正反应速率和逆反应速率相等时的动态平衡,并非化学反应的绝对终止。在中学条件下直接用演示实验来证实这两个相反的动态过程的存在是有困难的,但可以借助示踪原子证明。
解答 同意乙同学的分析。方法一:将一块事先称量过的不规则的胆矾晶体投入饱和硫酸铜溶液中,过一段时间后,观察到晶体变规则但质量不变,说明存在溶解和结晶的动态平衡。方法二:将有规则形状的CuSO[,4]·H[,2][18]O晶体投入某温度下的饱和硫酸铜溶液中,若在饱和溶液中检测到有[18]O存在,则证明存在溶解和结晶的动态平衡。