第四无机化学章课后答案.pdf

1 第第 20 章章 s 区金属区金属 思考题思考题 20- 1 在自然界中有无碱金属的单质和氢氧化物存在？为什么？ 解：在自然界中，没有碱金属单质及氢氧化物存在，因为碱金属是很活泼的金属，可被 空气中的氧所氧化，也可与自然界中的水反应，故不能以单质存在于自然界；碱金属的 氢氧化物都属于强碱，能与空气中的酸性气体（如 CO2）和自然界中的酸性物质作用生 成盐类，所以也不能存在于自然界中。 20- 2 试根据碱金属和碱土金属元素价电子层构型的特点， 说明它们化学活泼性的递变规 律。 解：碱金属价层电子构型为 ns1；碱土金属价层电子构型为 ns2，从上到下，随着电子层 数的增加，原子半径增大，核对外层电子的吸引力减小，金属活泼性增强。而同周期， 从碱金属到碱土金属，由于 ns2构型比 ns1稳定，所以金属的活泼性下降。 20- 3 为什么半径大的 s 区金属易形成非正常氧化物？Li、Na、K、Rb、Cs 和 Ba 在过量 的氧中燃烧，生成何种氧化物？各类氧化物与水反应的情况为何？ 解：因为原子半径大，空间可容纳较多的氧原子，所以可形成非正常氧化物，如超氧化 物，过氧化物。碱金属在过量的氧中燃烧，Li 由于半径特别小，只生成普通氧化物 Li2O， Na 生成过氧化物 Na2O2，K、Rb、Cs 皆形成超氧化物（MO2） ，Ba 则形成过氧化物。各 类氧化物与水作用的通式为： M2O + H2O = 2MOH M2O2 + 2H2O = 2MOH +H2O2 2MO2 + 2H2O = 2MOH + H2O2 + O2 20- 4 （1） 能否用 NaNO3和 KCl 进行复分解反应制取 KNO3？为什么？ （2） 用 Na2Cr2O7 和 KCl 制取 K2Cr2O7又如何？（3）为什么制火药要用 KNO3，而不用 NaNO3？（4）在 分析测试中为什么要用 K2Cr2O7，而不用 Na2Cr2O7作基准试剂？ 解：(1) 能。因为反应后生成的 KNO3和 NaCl 在水中的溶解性不同，前者溶解度随温度 变化大，而后者随温度变化小，因此可通过重结晶来分离。 (2) 能。原因同(1)。 (3) 由于 KNO3在空气中不吸潮，比 NaNO3相对稳定。 (4) 由于 K2Cr2O7在空气中不吸潮，比 Na2Cr2O7更易得到纯品。 20- 5 能否纯碎用化学方法从碱金属的化合物中制得游离态的碱金属？为什么不能采用 电解熔融 KCl 的方法制取金属钾？ 解：可以。在真空条件下，可采用 (1) 热还原法 K2CO3 + 2C = 2K + 3CO 2LiCl + Ba = BaCl2 + 2Li 2 (2) 金属置换法 K、Rb、Cs 可用强还原性金属如 Na、Ca、Mg、Ba 等在高温高压 下还原。 KCl + Na = NaCl + K 2RbCl + Ca = CaCl2 + 2Rb (3) 热分解法 4KCN = 4K + 4C + 2N2 2MN3 = 2M + 3N2 (M=Na、K、Rb、Cs) 若用电解熔融 KCl 制备金属钾，由于 KCl 的熔点比钾高得多，会使得电解析出的钾 易挥发，或分散在熔融盐中难分离出来。 20- 6 室温时，若在空气中保存锂和钾，会发生哪些反应？写出相应的化学反应方程式。 金属锂、钠、钾应如何保存？ 解：(1) 可被空气中氧所氧化： 4Li + O2 = 2Li2O 4K + O2 = 2K2O (2) 氧化物易吸收空气中的 CO2形成碳酸盐： Li2O + CO2 = Li2CO3 K2O + CO2 = K2CO3 (3) 常温下，Li 与 N2发生缓慢的作用： 6Li + N2 = 2Li3N 金属 Li、Na、K 不与煤油作用，煤油的挥发性较低，宜放在煤油中保存。 20- 7 试比较碱金属与碱土金属物理性质的差异，并说明原因。 解：碱金属与碱土金属相比，碱金属具有密度小、硬度小、熔点低等特点，是典型的轻、 软金属；而由于碱土金属最外层有 2 个电子，晶体中原子间距离小，金属键较碱金属强， 因此它们的熔、沸点比碱金属高，硬度大，但导电性不如碱金属。 20- 8 试根据第 18 章中关于物质溶解性及酸碱性的有关知识，解释碱金属与碱土金属氢 氧化物的碱性和溶解性的递变规律。 解：碱金属和碱土金属的氢氧化物碱性从上到下，都是增强。这主要是金属离子半径增 大所造成，离子半径从上到下依次增大，与氧结合的程度依次减弱，碱性依次增强。而 同周期相比，碱金属氢氧化物的碱性大于碱土金属氢氧化物的碱性，这是由于碱土金属 离子的电荷比碱金属高，半径又小，与氧结合比碱金属强，所以，碱性比同周期碱金属 氢氧化物弱。 碱金属和碱土金属的氢氧化物溶解性从上到下，都是增大。离子化合物在水中的溶 解性首先取决于它们的晶格能大小，晶格能大，溶解度小，由于从上到下，离子半径依 次增大，晶格能依次减小，所以，氢氧化物的溶解性依次增大。而同周期相比，碱金属 氢氧化物的溶解性大于碱土金属氢氧化物，这是由于碱土金属离子的电荷比碱金属高， 半径又小，晶格能比碱金属的大，所以，溶解性比同周期碱金属氢氧化物弱。 20- 9 锂与镁有哪些相似性？铍与其它碱土金属在物理、化学性质方面又有哪些不同？ 解：(1) Li 与 Mg 有以下几点相似性：1) 锂与镁在过量氧中燃烧时，均不生成过氧化物； 2) 加热锂和镁的氢氧化物时，均易分解为氧化物；3) 加热锂与镁的碳酸盐时，均易分解 成相应的氧化物和 CO2；4) 锂和镁的某些盐类，如氟化物、碳酸盐、磷酸盐等，均难溶 于水。它们的氯化物能溶于有机溶剂如乙醇中；5) Li 和 Mg2+离子的水合能力均较强。 （2）铍与其它碱土金属在物理、化学性质方面的不同：单质铍具有较高的熔、沸点，金 3 属表面易形成致密的氧化膜，单质活泼性较弱；氧化物的熔点高、硬度大；氢氧化物溶 解性小，为两性；氯化物是缺电子共价化合物，在蒸气中易发生缔合，导电性较差；易 形成配合物；盐类易水解，并热稳定性低。 20- 10 根据碱金属性质的递变规律，预测钫的下列性质： （1） 密度、硬度和熔点； （2）在空气中燃烧的主要产物； （3）与 H2O 反应的情况； （4）氢氧化物的碱性和溶解性。 解：(1) 密度是碱金属中最大的，硬度是最小的，熔点也是最低的； (2) 在空气中燃烧的主要产物是超氧化物； (3) 与水将发生更加猛烈的反应； (4) 氢氧化物的碱性最强，溶解性最大。 20- 11 根据碱土金属性质的递变规律，预测镭的下列性质： （1）镭可以形成哪些氧化物； （2）Ra(OH)2的碱性及在水中的溶解性； （3）RaSO4和 RaCrO4在水中的溶解性； （4）RaCO3的热稳定性。 解：(1) 镭可以形成过氧化物、超氧化物等； (2) 氢氧化物的碱性是 IIA 族中最强的，溶解性也是最大的； (3) 硫酸镭和铬酸镭在水中的溶解性也最小； (4) 碳酸镭的热稳定最大。 4 习习 题题 20- 1 简要说明工业上生产金属钠、烧碱和纯碱的基本原理。 解：(1) 工业上生产钠，是通过电解熔融的 NaCl 和 CaCl2而得到。加入 CaCl2后，既降 低了电解质的熔点，防止了钠的挥发，又可减少金属钠的分散性。电解时电极反应是： 阳极 2Cl- = Cl2 + 2e- 阴极 2Na+ + 2e- = 2Na 总反应 2NaCl 电解 2Na + Cl2 (2) 工业上生产 NaOH，主要是通过电解食盐水而得到。 电解反应 2NaCl 2H2O 电解 H2 Cl2 2NaOH 将电解后的溶液进行浓缩，可得 NaOH 固体。 (3) 工业上主要采用氨碱法生产纯碱。其基本过程是用饱和的食盐水吸收氨气和 CO2，先制得溶解度较小的 NaHCO3，再将 NaHCO3煅烧生成 NaCO3。 主要反应 NaCl + NH3 + CO2 + H2O = NaHCO3+ NH4Cl 2NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2 20- 2 以重晶石为原料，如何制备 BaCl2、BaCO3、BaO 和 BaO2？写出有关的化学反应方 程式。 解：(1) BaSO4 + 4C 1273K BaS + 4CO(g) BaS + 2HCl = BaCl2 + H2S (2) BaS + CO2 + H2O = BaCO3 + H2S (3) BaCO3 BaO + CO2 (4) 2BaO + O2 773-793K 2BaO2 20- 3 写出下列反应的方程式： （1）金属钠与 H2O、Na2O2、NH3、C2H5OH、TiCl4、KCl、MgO、NaNO2的反应； （2）Na2O2与 H2O、NaCrO2、CO2、Cr2O3、H2SO4(稀)的反应。 解： (1) 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 2Na + Na2O2 = 2Na2O 2Na + 2NH3 = 2NaNH2 + H2 2Na + 2C2H5OH = 2C2H5ONa + H2 4Na + TiCl4 = Ti + 4NaCl Na + KCl 熔融 K + NaCl 2Na + MgO = Na2O + Mg 5 6Na + 2NaNO2(s) 4Na2O + N2(g) (2) 2Na2O2 + 2H2O = 4NaOH + O2(g) Na2O2 + 2H2O 冷水 H2O2 + 2NaOH 3Na2O2 + 2NaCrO2 + 2H2O = 2Na2CrO4 + 4NaOH 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2(g) 3Na2O2 + Cr2O3 = 2Na2CrO4 + Na2O 2Na2O2 + 2H2SO4(稀) = 2Na2SO4 + 2H2O2 2H2O2 = 2H2O + O2 20- 4 完成下列各步反应方程式： （1） MgCl2 Mg 3 Mg(OH)2 5 4 MgCO3 6 Mg(NO 3)2 7 MgO 解： （1） 1. MgCl2 熔融电解 Mg + Cl2 2. Mg + Cl2 MgCl2 3. Mg + H2O Mg(OH)2 + H2 4. Mg(OH)2 MgO + H2O 5. MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2 + H2O 6. MgCO3 + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + CO2 + H2O 7. 2Mg(NO3)2 2MgO + 4NO2 + O2 或 Mg(NO3)2 + 2NaOH = Mg(OH)2 + 2NaNO3 Mg(OH)2 MgO + H2O （2） CaCO3 CaO Ca(NO3)2 5 6 9 CaCl2 7 Ca 8 Ca(OH)2 1 2 1 2 3 4 6 解： （2） 1. CaCO3 CaO + CO2 2. CaO + H2O = Ca(OH)2 Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O 3. CaO + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O 4. Ca(NO3)2 + 2NaOH = Ca(OH)2 + 2NaNO3 Ca(OH)2 CaO + H2O 5. CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl 6. CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O 7. CaCl2 熔融电解 Ca + Cl2 8. Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2 9. Ca(OH)2 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + 2H2O 20- 5 含有 Ca2+、Mg2+和 SO42-离子的粗食盐如何精制成纯的食盐，以反应式表示。 解：先将粗食盐溶于水制成溶液 加入 BaCl2溶液，除去硫酸根离子： BaCl2 + SO42- = BaSO4 + 2Cl- 再加入 NaOH 和 Na2CO3的混合溶液，除去 Mg2+、Ca2+和过量的 Ba2+离子： Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2 Ca2+ + CO32- = CaCO3 Ba2+ + CO32- = BaCO3 过滤，加盐酸调 pH 为 4，除去过量的碳酸根离子： 2H+ + CO32- = CO2 + H2O H+ + OH- = H2O 将溶液蒸发、浓缩、结晶、烘干得纯食盐。 20- 6 试利用铍、镁化合物性质的不同，鉴别下列各组物质： （1）Be(OH)2和 Mg(OH)2； （2）BeCO3和 MgCO3； （3）BeF2和 MgF2。 解： (1) Be(OH)2具两性而 Mg(OH)2为碱性，加入过量强碱，Be(OH)2溶解，而 Mg(OH)2 不溶可区分或分离。 (2) (A) BeCO3可与(NH4)2CO3作用形成可溶性配合物(NH4)6Be4O(CO3)6，而难溶于 水的 MgCO3不具有这种性质。 (B) BeCO3分解温度低于 100，而 MgCO3分解温度为 540； 利用以上两种性质之一区分它们。 (3) BeF2易形成BeF4 2 ，而 MgF2不易形成 MgF42-； 利用这一性质可区别之。 7 20- 7 商品 NaOH 中为什么常含杂质 NaCO3？如何检验？又如何除去？ 解： （1）商品 NaOH 中常含杂质 NaCO3是因为它易与空气中的 CO2反应； （2） 检验方法： 取少量商品溶于水配成溶液， 向其中加入澄清石灰水若有白色沉淀生成， 则可检验其中含有 NaCO3； （3） 除去方法； 配制 NaOH 的饱和溶液， NaCO3因不溶于其中而沉淀析出， 取上层清夜， 用煮沸后冷却的新鲜水稀释到所需浓度为止。 20- 8 以 Ca(OH)2为原料，如何制备下列物质？以反应方程式表示之。 （1）漂白粉； （2）氢氧化钠； （3）氨； （4）氢氧化镁。 解： (1) 2Cl2 + 2Ca(OH)2 = Ca(ClO)2 + CaCl2 + 3H2O (2) Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3 (3) Ca(OH)2 + (NH4)2CO3 = CaCO3 + 2NH3 + 2H2O (4) Ca(OH)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2 20- 9 为什么选用过氧化钠做潜水密封舱中的供氧剂？为什么选用氢化钙做野外氢气发生 剂？请写出有关方程式。 解：(1) Na2O2能同人呼出的 CO2作用，放出氧气供人吸入。 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2 (2) CaH2 + H2O = Ca(OH)2 + H2 20- 10 写出下列物质的化学式： 光卤石 明矾 重晶石 天青石 白云石 方解石 苏打 石膏 萤石 芒硝 元明粉 泻盐 解： 光卤石： KClMgCl26H2O 明矾：KAl(SO4)212H2O 重晶石： BaSO4 天青石：SrSO4 白云石： CaCO3MgCO3 方解石：CaCO3 苏打： Na2CO3 石膏： CaSO42H2O 萤石： CaF2 芒硝：Na2SO410H2O 元明粉： Na2SO4 泻盐：MgSO47H2O 20- 11 下列反应的热力学数据如下： MgO(s) + C(s, 石墨）= CO(g) + Mg(s) fH(298K)/ kJmol- 1 601.7 0 110.52 147.7 fG(298K)/ kJmol- 1 569.4 0 137.15 113.5 S (298K)/ Jmol- 1K 1 26.94 5.74 197.56 148.54 试计算： （1）反应的热效应fH(298K)； （2）反应的自由能变fG(298K)； （3）在标准 条件下，用 C(s, 石墨)还原 MgO 制取金属镁时，反应自发进行的最低温度是多少？ 解： (1) rH = 147.7 + (- 110.52)(- 601.7) = 638.88 kJmol- 1 (2) rG =113.5+(- 137.15)(- 569.4) = 545.75kJmol- 1 8 (3) rS = 197.56 + 148.54 (26.96+5.74) = 313.4 Jmol- 1K- 1 TrH/rS = 638.881000 / 313.4 =2038 K 20- 12 如何鉴别下列物质？ （1）Na2CO3、NaHCO3和 NaOH； （2）CaO、Ca(OH)2和 CaSO4。 解：(1) 先将三种物质溶于水后，加入盐酸