书城教材教辅中学化学课程资源丛书-化学新视角
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第10章 化学的谜团(2)

AlCl3+3NaOHAl(OH)3↓+3NaClAl(OH)3+NaOHNaAlO2+2H2O后者在开始时因NaOH过量,所以少量的Al3+与过量的OH-反应转化为可溶性的AlO2-,当继续滴入氯化铝溶液时,溶液中的Al3+与AlO2-发生双水解反应而产生白色沉淀。

AlCl3+4NaOHNaAlO2+3NaCl+2H2O3NaAlO2+AlCl3+6H2O4Al(OH)3↓+3NaCl综上所述,由于操作顺序不同引起反应物量的不同,而使反应产物不同,故产生不同的实验现象。可见,要正确分析一个化学反应的实验现象,实验操作的步骤是不可忽视的。

分子式中为何带圆点

初中学生学习了化学《物质的结晶》后,认识了一些结晶水合物的分子式。像胆矾(CuSO4·5H2O);绿矾(FeSO4·7H2O),石膏(CaSO4·2H2O)等等。除此之外,还有很多其他物质的分子式中也带有小圆点。中学阶段最常见的为结晶水合物。例如:芒硝Na2SO4·10H2O;泻盐MgSO4·7H2O洗濯碱Na2CO3·10H2O;熟石膏2CaSO4·H2O皓矾ZnSO4·7H2O;六水合氯化钙CaCl2·6H2O同学们不知道这些物质该如何命名,计算其分子量时也常常弄错。

水合物属于加成化合物,加成化合物用“合”字作介词,连缀其组成化合物的名称来命名,习惯上常把介词“合”省略。如胆矾CuSO4·5H2O读作五水合硫酸铜,或五水硫酸铜。

结晶水合物的分子式里,物质分子式和水分子式之间的“·”具有“和”的意思。例如上述八水三硫酸镉的分子式3CdSO4·8H2O表示:八水三硫酸镉晶体的分子是由3个硫酸镉分子(CdSO4)“和”8个水分子(H2O)组成的。因此计算结晶水合物的分子量时,这“·”应该是“+”的意思,八水三硫酸镉的分子量等于:3×(112+32+4×16)+8×(2×1+16)=763

切不可把结晶水合物分子式里的“·”同代数里两个数字(或字母)之间的“·”混同起来,误作乘号,那就错了。

按照一般规则,在带有小圆点的分子式中,小圆点前后的“分子数”(如3CdSO4·8H2O中的“3”和“8”)是互不制约的;圆点前的“分子数”并不是整个分子的系数。后者不能制约前者,前者也不能制约后者。这种分子式的系数是先把分子式括起来,再在括号前写上系数。例如:3个八水三硫酸镉分子可写成3(3CdSO4·8H2O);2个熟石膏分子可写成2(2CaSO4·H2O)等等。

氧炔焰的强大功能

氧炔焰是乙炔在氧气里燃烧产生的火焰。像变戏法一样,它射向金属块,所到之处金属可以烧红、熔化,或形成一条割缝。用它既可以把两块金属接成一块,又能够把一块金属割成两块。这个奥妙在哪里?原来在于氧炔焰的温度可达3000℃。这样的高温,金属可以被烧到红热和使金属焊条熔化,填满两块金属间的缝隙,冷却以后,两块金属就焊接在一起了。

奥妙还在于氧气的作祟。它的量的多与少使氧炔焰的作用大不一样。同学们都知道许多金属在常温时能跟氧作用而生锈。在高温时,金属就更容易和氧发生反应了。铁匠师傅打铁时,铁锤落到加工的铁件上溅出来的“火星”,就是四氧化三铁(Fe3O4)。用氧炔焰烧红金属的时候,使用过量的氧气,炽热的金属就跟氧气起反应,逐渐烧去,以达到把金属割断的目的。

所以,氧炔焰既能作气焊,又能用作气割。只不过在气焊时为了防止金属被烧去和金属氧化影响焊接的质量,用的氧气要少于乙炔充分燃烧需要的量。而在气割时,刚好相反,要使用过量的氧气使熔化的金属氧化,同时过量的氧气可以吹掉熔化的金属和氧化物。

天平为何不平衡

取两只小烧杯,盛上同百分比浓度、同体积的盐酸若干毫升,把他们放在天平两边的托盘上,这时天平两边平衡。然后,分别朝这两烧杯加入等量的纯碳酸钙和锌粒,待反应完毕,如两边放出了等体积的气体,问天平是否仍保持平衡?若不平衡,指针偏向哪边?

此类题很容易迷惑人,题目中那些“同浓度”、“同体积”、“等量”等字眼会令某些粗枝大叶的同学不假思索地回答:天平保持平衡,指针指在标尺中间。然而,这个回答是错误的。我们解这种题,必须注意从反应生成的二氧化碳及氢气的质量上去考虑,否则不可能得出正确的答案。

我们先用化学方程式表达这两个烧杯里发生的化学反应Zn+2HClZnCl2+H2↑(左边)

CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑(右边)

尽管Zn与CaCO3“等量”,两边的盐酸“同百分比浓度”、“同体积”,反应产生的二氧化碳和氢气亦“等体积”,但是“等体积”不同于“等质量”,在同体积的情况下,二氧化碳的质量比氢气的质量大得多。若某一体积的氢气质量为2克,那么同体积的二氧化碳气体的质量就为44克。显然,原题目的答案应该是:天平左边下沉,右边上升,指针会向左边偏斜。

火灾与灭火剂

中学课本涉及的液态CO2、CCl4这两种灭火剂,因其不含水分、不导电、不损坏物质、不留污迹等特点,很适于扑灭精密电器仪表、计算机电路、机动车辆内部、图书馆、档案馆等的火灾,是效率较高的灭火剂。但受其化学性质限制,下列火灾不能用其作灭火剂。

一、碱金属锂、钠、钾的火灾

当CO2与燃着的碱金属接触时,会发生剧烈的化学反应而加大火势。如:CO2+4Na2Na2O+C

同时伴有如下反应发生:

Na2O+CO2Na2CO3

CO2+C2CO;2Na+CONa2O+C高温下碱金属能写CCl4反应生成炭雾,使火焰继续燃烧。如:4Na+CCl44NaCl+C

钠、钾的火灾可用碳酸钠、氯化钠、氮气或石墨扑灭(石墨灭火剂具有隔绝空气的效应,同时将热量由燃着的金属导走,是一种有效的灭火剂。)锂的燃烧如用碳酸钠、氯化钠扑灭时,能释放出金属钠,后者较锂更易燃:Na2CO3+2LiLi2O+CO2+2NaNaCl+LiLiCl+Na

锂还可与氮气反应(钠、钾不反应)。故锂的火灾最好用氯化锂或石墨扑灭。干砂不宜用于扑灭碱金属的火灾,因为碱金属氧化物与砂起反应,如:Li2O+SiO2Li2SiO3

用石墨作灭火剂时应注意,石墨在高温下可与金属形成碳化物。湿润时,碳化物能形成易燃的乙炔。

二、镁、铝、钛等金属的火灾

在高温下CO2、CCl4都能与上述金属发生剧烈反应生成炭雾而继续燃烧。如:

2Mg+CO22MgO+C

2Mg+CCl4=2MgCl2+C

这些金属燃烧生成的氧化物在高温下能与CCl4反应。如:2MgO+CCl42MgCl2+CO2

上述金属的火灾可用石墨、氯化钠、惰性气体扑灭。

三、金属有机化合物的火灾不能用CCl4作灭火剂遇水反应的金属有机化合物也能与CCl4反应。如:CCl4+NaC2H5CH3CH2CCl3+NaCl反应的产物通常为易燃物质。故CCl4不能用来扑灭这类火灾。CO2与金属有机化合物不起反应,故可用于窒息这类化合物的火灾。干砂、石墨、硅藻土等可用来扑灭大量金属有机化合物的火灾。

啤酒的营养成分

啤酒是全世界最为流行的一种含有少量酒精的清凉饮料,酒精含量少,发酵后的各种营养成分不流失,故有液体面包之美称。早在1972年召开的世界第九次营养食品会上,啤酒正式被确定为营养食品。

啤酒是以优质麦芽、大米、酒花为原料,并选用泉水或纯水酿制而成的。

酿制啤酒的大麦先要使其发芽、产生各种酶,再将麦芽干燥、粉碎,然后掺水搅匀制得麦芽浆。同时,将大米煮沸,使之糊化,和麦芽浆混合进行糖化。麦芽粉和大米粉中含有大量淀粉,一定条件下被酶催化水解成可以发酵的麦芽糖、糊精等;原料中的蛋白质在酶的作用下,分解成氨基酸。糖化后的糊状稀液经过滤,滤出麦芽汁清液,加热煮沸。煮沸的目的是蒸发多余的水分,达到要求的浓度,同时对麦芽汁杀菌。然后迅速降温到发酵温度,加入一定量的酒花、酵母等生物催化剂,使麦芽汁继续发酵分解,产生酒精、二氧化碳、丙三醇、有机酸和酵母的代谢产物。主发酵的温度控制在6.5℃~8℃,需耗时7~10天,以后再将温度控制在0℃~3℃,发酵1至2月,使啤酒中的残余糖类再发酵,以增加啤酒的稳定性,使酒液中含适量的二氧化碳;充分沉淀蛋白质,澄清酒液,使酒味纯正。饮用时,随二氧化碳挥发带出了易挥发的物质,使啤酒成为深受世人欢迎的、风味独特的饮料。

啤酒中80%~90%的化学物质,能被人体吸收,其中大部分都是经酵母中的酶分解后的小分子量有机物,且都呈溶解状态,极易为人的肠胃吸收。啤酒中除了酒精外,还含有还原糖、糊精、蛋白质分解物、无机盐类、维生素类,其中大部分都是人体不可缺少的营养物质,几乎没有对人体会产生毒素的化学物。

每升啤酒的总发热量为400~500大卡,其中一半来自酒精,另一半来自糖类和蛋白质的分解产物。一升啤酒相当于200克面包、500克马铃薯、45克植物油、0.75升牛奶、5~6个鸡蛋。

啤酒中蛋白质和其分解产物,含量为4~4.5克/升,有17种氨基酸,它们皆以溶解状态存在于啤酒中,含赖氨酸、组氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、精氨酸都是人体不可缺少的,它不仅为人提供了营养必需品,而且也是消化系统的合适刺激剂。酒中维生素B种类最多,B1、B2、B6、B12、尼克酸、泛酸(B3)、叶酸还有维生素C等各种生物素。酿制的水中含有各种无机盐类,也不会损失。以100毫升12度的啤酒为例,含钙50毫克、磷300毫克、钾250毫克、钠70毫克、镁100毫克,这些足以补充人体对各种营养素的需求。

市场上常见的瓶装啤酒度数有8°、10.5°、11°、12°、13°、14°等几种,这个“度”是指啤酒麦芽汁中麦芽糖类的百分比含量。如12°即为100斤麦芽汁中含有12斤糖类物质,国际上一般都采用此法来标定啤酒的度数。12°的啤酒按重量计只有4%左右的酒精,水则有90%以上。

没有经过杀菌的啤酒称为鲜啤酒或生啤酒,酒中存在少量对人体有益的酵母,但保存的时间较短,一般供零售。杀菌过的啤酒称熟啤酒,熟啤酒用瓶装或罐装,在10℃~25℃的室温下,一般可存放1~6个月。

啤酒中含磷酸盐、乳酸盐、琥珀酸盐,它们是构成啤酒口味和风味不可缺少的物质,少了它们啤酒就会平淡无味,使啤酒保持淡黄色色泽、洁白细腻的泡沫、清爽淡雅的醇和香气、诱人的口味,这些物质起了决定性的作用。

过量饮用啤酒后,对肠胃也是有刺激作用的,对人体有害。医学家们提议,每日饮用酒精的量不能超过80克,相当于10°的啤酒2升。

遇水就分解的硫化钙

硫化钙与硫化钠等碱金属硫化物一样,都可以视作为强碱弱酸盐,在水溶液中水解的只有S2-。为什么通常情况下硫化钠等碱金属硫化物可以存在于水溶液中,而硫化钙遇水即要分解呢?许多学生对此颇感疑惑,笔者认为这一问题可从硫化物的水解度大小来加以解释。

S2-水解的离子方程式可表示为:

S2-+H2OHS-+OH-……(1)

HS-+H2OH2S+OH-……(2)

18℃时,(1)的水解平衡常数为

Kh1KwKa21×10-141.1×10-12≈0.01

(2)的水解平衡常数为

Kh2KwKa11×10-149.1×10-8≈-10

由于Kh1》Kh2,所以S2-的二级水解可忽略不计。

设S2-的起始浓度为C摩/升,平衡时(HS-)=x摩/升,则:S2-+H2OHS-+OH-

计算平衡时(HS-):

x2C-x=Kh1

x=Kh12+4Kh1C—Kh12

查有关数据表,15℃时CaS的溶解度为0.02克。一般计算中CaS稀溶液的体积可认为是其溶剂水的体积,将水的密度视为1克/厘米3,则CaS饱和溶液的摩尔浓度:C=溶解度摩尔质量×10001000.0272×10

=0.0028摩/升

CaS的水解度=xC×100%

=0.012+4×0.01×0.0028-0.012×0.0028×100%=81.4%

我们再来对比一下Na2S的情况。20℃时Na2S的溶解度为18.8克。笔者向100毫升水中加入Na2S直至溶解达到饱和,实验显示溶液体积不超过110毫升,饱和Na2S溶液的摩尔浓度可由下式近似求得:C=18.878×1000110=2.19摩/升Na2S的水解度=0.012+4×0.01×2.19-0.012×2.19×100%=6.5%《酸、碱和盐的溶解性表》是根据通常情况下物质在水溶液中达到饱和溶解状态时表现出的溶解性能制成的。室温时溶解度大于1克的称为可溶物质;溶解度在1~0.01克之间的叫微溶物质,溶解度小于0.01克的叫难溶或不溶物质。由上述计算可以预料,通常情况下的饱和溶液中,水解的Na2S很少,而CaS的水解度却很大,绝大部分CaS都要发生水解。饱和溶液中溶质的浓度愈大,水解的程度愈小。因此我们可以认为CaS遇水即要分解,化学反应方程式为:2CaS+2H2OCa(OH)2+Ca(HS)2。

综上所述,CaS遇水发生分解的原因,一方面是S2-的水解能力较强,另一方面是因为CaS的溶解度很小(介于可溶与难溶之间),致使饱和溶液中的水解度很大。这和Al2S3、Al2(CO3)3等双水解物质是不同的。类似的物质还有BaS、MgS等。

防水衣防水却透气

大家知道,一般的布料都是用天然纤维(如棉花、羊毛等)或化学纤维(如涤纶、晴纶等)纺织而成的,纤维间有很多缝隙,显然它是可透气的、很易被水润湿。在此笔者将从纤维是如何被水润湿开始来谈谈由经过处理后的纤维制得的防水服的防水原理。

无论是天然纤维,还是化学纤维,它的分子链中都带有亲水性的极性基团(—OH或—NH等,如羊毛含-NH基、维纶含—OH基等,)所以很易被水润湿。

cosθ=γ纤维、空气-γ纤维、水、γ水、空气(1)

因(γ纤维、空气-γ纤维、水)小于γ水、空气,所以cosθ小于1,即θ<90°,因此毛细孔中(即隙缝内)的水面为凹形,此弯曲液面产生的附加压力Ps指向空气,而使水不断地自上而下经过此缝隙而使其透湿。

但是人们为了方便和某种需要,总希望有一种可透气但又不能透水的衣服。基于上述原理,化学家们找到了一种特殊物质称为表面活性物质(用量尽管很少但对体系的表面行为有显著效应的物质)对纤维进行加工处理来改变纤维的表面行为。由于表面活性物质分子的极性部分(亲水基)与纤维的醇羟基结合,而其非极性部分(憎水基)则伸向空气,这样就使表面张力发生改变,使得:γ纤维、空气<γ纤维、水。