实验活动3 同周期、同主族元素性质的递变(二)

官方化学老师·12 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
元素周期律实验探究同主族递变

实验活动3 同周期、同主族

用一组对比实验,看懂同主族元素从上到下的递变规律

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元素周期律实验探究同主族递变

实验活动3 同周期、同主族

用一组对比实验,看懂同主族元素从上到下的递变规律

1第 1 页 · 实验活动3 同周期、同主族

金属性强弱

前页我们看到同周期从左到右金属性递减、同主族从上到下金属性递增。但「金属性」到底指什么?凭什么说钠比镁金属性强?这一页把定义、判断依据和容易踩的坑拆开讲清楚。

定义
金属性指原子失去最外层电子成为阳离子的趋势,本质是失电子的倾向而非结果
与水/酸反应
置换H₂越剧烈金属性越强,如Na与冷水反应、K遇水即燃
最高价氢氧化物碱性
NaOH强碱对比Mg(OH)₂中强碱,故Na金属性强于Mg
金属间置换
较强金属可将较弱金属从其盐溶液中置换出来
边界提醒
金属性是「失电子的趋势」,不要直接等同于还原性的「失电子能力」
斜坡上的小球对应 →最外层电子脱离原子的难易

坡越陡球越易滚落——电子离核越远、束缚越松,越容易失去

2第 2 页 · 金属性强弱

卤素氧化性递变

上一页我们用金属性强弱给元素排了个'武力榜'。翻到非金属这边,卤素(第ⅦA族)也有自己的'武力榜'——这次比的是氧化性,也就是原子抢电子的本事。

氧化性递变规律
同主族从上到下减弱:F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂
置换反应验证
氯水滴入 KI 淀粉溶液变蓝,说明 Cl₂ 把 I⁻ 氧化成 I₂
结构原因
同主族从上到下原子半径增大,最外层电子离核越远越难抢
边界与例外
F₂ 过于活泼,能暴力拆解水;I₂ 氧化性弱但还原性相对较强
鲨鱼吃金枪鱼,金枪鱼吃沙丁鱼对应 →强氧化性卤素置换弱氧化性卤素

强者把弱者从化合物里'挤'出来,自己取而代之

Cl2+2KI2KCl+I2(Cl2 氧化性强于 I2)Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2 \qquad (Cl_2 \text{ 氧化性强于 } I_2)
3第 3 页 · 卤素氧化性递变

溴水

卤素氧化性强弱 Cl₂>Br₂>I₂,溴水正好夹在中间。它既能被氯置换出来,又能氧化碘离子——这让它在实验活动3里成为探测还原剂能力强弱的'中间探针'。

组成
Br₂溶于水的混合物,存在Br₂+H₂O⇌HBr+HBrO的可逆平衡
颜色
稀溶液橙黄、浓溶液红棕,是判断Br₂是否存在的标志
氧化性定位
强于I₂弱于Cl₂,可氧化I⁻、SO₂、H₂S等还原剂
褪色反应
遇较强还原剂被还原成Br⁻,溶液橙黄色褪去
实验角色
作为'中间探针'反过来衡量其他物质的还原性强弱
班里考试第二名对应 →溴水的氧化性位置

前后都有人对照,既能看出谁比自己强,也能看出自己比谁强

4第 4 页 · 溴水

卤素置换反应

上一页溴水褪色证明 Br₂ 氧化性弱于 Cl₂。反过来,把 Cl₂ 通入 NaBr 溶液,溶液立刻变橙——这就是卤素置换反应,是判断卤素氧化性顺序最直接的实验手段。

定义
氧化性较强的卤素单质,把氧化性较弱的卤素从其卤化物(溶液)中置换出来
方向唯一
只能强换弱:Cl₂→Br₂→I₂ 单向进行,弱卤素无法置换强卤素
典型反应
Cl₂置换Br₂与I₂,Br₂置换I₂,共三对
判断证据
看颜色:Br₂使溶液变橙、I₂遇淀粉变蓝、CCl₄萃取分层显色
边界条件
F₂与水剧烈反应,无法在水溶液中完成置换;通常用Cl₂、Br₂证明
强将夺弱将之位对应 →卤素置换反应

氧化性强的卤素像强势一方,把弱卤素从其化合物里"挤"出来

Cl2+2NaBr2NaCl+Br2Cl2+2KI2KCl+I2Br2+2KI2KBr+I2Cl_2+2NaBr\to 2NaCl+Br_2 \\ Cl_2+2KI\to 2KCl+I_2 \\ Br_2+2KI\to 2KBr+I_2
5第 5 页 · 卤素置换反应

镁与水的反应

前面已经知道钠遇冷水就剧烈反应,那同为第三周期金属的镁,遇到水会怎样?把镁条放进水中做一做。

冷水反应缓慢
镁条表面缓慢冒出少量气泡,水中滴酚酞后慢慢变红
热水反应加快
加热后气泡明显增多,酚酞变红更快,反应速率提升
反应方程式
Mg + 2H₂O =△= Mg(OH)₂↓ + H₂↑,产物为氢氧化镁和氢气
对比钠得出结论
钠遇冷水剧烈,镁需热水才明显——同周期 Na 金属性强于 Mg
划火柴对应 →镁与水的反应

受潮火柴难划,需摩擦升温才燃——镁与冷水反应慢,加热后速率才上来

Mg+2H2OΔMg(OH)2+H2Mg + 2H_2O \xrightarrow{\Delta} Mg(OH)_2\downarrow + H_2\uparrow
6第 6 页 · 镁与水的反应

氢氧化镁的碱性

氢氧化镁的碱性:定义、要点与典型应用

氢氧化镁的碱性
氢氧化镁的碱性:定义、要点与典型应用
7第 7 页 · 氢氧化镁的碱性

氢氧化铝的两性

上节 Mg(OH)₂ 只跟盐酸反应,是典型的碱性氢氧化物。但同样是金属氢氧化物的 Al(OH)₃ 表现却很'矛盾'——它既能与酸反应,又能与碱反应,这就是它的'两性'。

两性定义
既能跟酸反应,又能跟碱反应,且都生成盐和水的氢氧化物
与酸反应
Al(OH)₃ + 3H⁺ → Al³⁺ + 3H₂O,此时表现碱性
与碱反应
Al(OH)₃ + OH⁻ → AlO₂⁻ + 2H₂O,此时表现酸性
微观原因
Al 处于金属/非金属分界,Al—O 与 O—H 两键都易断裂
典型应用
过量 NaOH 分离 Al³⁺ 与 Mg²⁺;治疗胃酸过多
会两边应酬的中间人对应 →Al(OH)₃ 的两性

在酸那边 H⁺ 抢走 OH⁻ 成水,留 Al³⁺;在碱那边 OH⁻ 抢走 H⁺ 成水,留 AlO₂⁻

Al(OH)3+3H+Al3++3H2OAl(OH)3+OHAlO2+2H2O\text{Al(OH)}_3 + 3\text{H}^+ \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3\text{H}_2\text{O}\\\text{Al(OH)}_3 + \text{OH}^- \rightarrow \text{AlO}_2^- + 2\text{H}_2\text{O}
8第 8 页 · 氢氧化铝的两性

元素性质与原子结构的关系

前面几页我们看到钠剧烈、镁温和、铝两面派;氯强氧化、溴能置换、碘最弱。这些零散现象背后其实是同一只手——原子结构。

三大决定因素
核电荷数、最外层电子数、电子层数(原子半径)共同决定金属性与非金属性
同周期递变原因
电子层数相同,核电荷越大对电子吸引越强,半径减小,金属性递减、非金属性递增
同主族递变原因
最外层电子数相同,电子层越多半径越大,核对最外层电子引力越弱,金属性递增、非金属性递减
本质:得失电子
金属性强=易失电子;非金属性强=易得电子。结构决定得失难易
拔河比赛对应 →原子核对电子的束缚

核是队伍(核电荷大=人多=拉力强),电子层是绳子(层多=绳长=电子易被拉走)

9第 9 页 · 元素性质与原子结构的关系

新制氯水的必要性

上页我们用氯水把溴、碘从它们的盐溶液里置换出来——这一步的关键就在这瓶氯水本身。但氯水不能久置:刚配的与放了几天的,性质已经不一样了。

氯水成分复杂
Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO;含 Cl₂、HClO、H⁺、Cl⁻、ClO⁻ 等微粒
HClO 见光分解
2HClO →光照→ 2HCl + O₂↑,不可逆,漂白性与强氧化性随之消失
久置≈稀盐酸
Cl₂ 挥发、HClO 分解后,剩余溶液近似稀盐酸,丧失置换能力
实验必须新制
置换溴碘依赖 Cl₂ 和 HClO 的氧化性,久置氯水做不到
刚切开的水果对应 →新制氯水

水果切开久了会氧化变色、失去鲜味;氯水久置也分解、丧失氧化能力

Cl2+H2OHCl+HClO;2HClO光照2HCl+O2Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO;\quad 2HClO \xrightarrow{\text{光照}} 2HCl + O_2\uparrow
10第 10 页 · 新制氯水的必要性

本节要点

  • 金属性左强右弱、上强下弱;非金属性相反
  • 标尺:金属性看最高价碱,非金属性看最高价含氧酸
  • 递变根源在原子结构——最外层电子数与原子半径
  • Al(OH)₃两性,是金属/非金属分界的实验标志
  • 易错:只有「最高价含氧酸」才是标尺,盐酸、氢氟酸不能比
延伸主题:元素周期律的完整表述同周期Na→Cl性质完整对比对角线规则与相似性
11第 11 页 · 本节要点

课后思考

先合上书自己想,再翻回来看参考答案。

1同周期从左到右金属性减弱、非金属性增强,本质原因是什么?为什么不能仅用「最外层电子数增加」来解释?

参考答案同周期电子层数不变,核电荷递增→有效核电荷增大→原子半径收缩→核对最外层电子束缚增强。电子数只是表象,束缚力增强才是本质。

2Na与冷水剧烈反应、Mg与冷水几乎不反应。若换成同主族的Li和Ca,反应趋势如何变化?用同主族递变规律说明。

参考答案Li在Na上方、金属性更强→与冷水反应更剧烈;Ca在Mg下方、金属性更强→也能与冷水反应。规律:同主族从上到下金属性递增,与水反应剧烈程度也递增。

3F₂氧化性强于Cl₂却不能在水中置换出Cl₂,因为F₂会先和水反应。这是否说明卤素置换规律有例外?

参考答案规律没破,是实验介质不支持。2F₂+2H₂O=4HF+O₂,水中反应路径被截胡。需在无水环境才能直接比较——规律正确,但要看清适用的实验场景。

12第 12 页 · 课后思考