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氧族元素 【本講教育信息】 一. 教學內容： 氧族元素 二. 教學目標： 了解氧氣、臭氧和雙氧水的性質及用途； 了解關于硫在自然界中的轉化，含硫元素的物質在自然界中的存在及含硫物質的主要來源及其在生產中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響； 應用氧化還原知識，探究含硫元素的各物質之間的相互轉化，認識硫的重要性質； 理解酸雨的危害及防治措施 三. 教學重點、難點： 硫元素的各物質之間的相互轉化 四. 教學過程： （一）氧氣和臭氧 1、氧族元素位于元素周期表的ⅥA族，最外層電子數(shù)均為6，在化學反應中均易得到電子而使最外層變成8電子穩(wěn)定結構，氧族元素的主要化合價均為－2、＋4、＋6（O只有負價），氫化物的通式為H2R，最高價氧化物對應的水化物的通式為H2RO4。但隨著原子序數(shù)的遞增：元素得電子能力逐漸減弱，非金屬性逐漸減弱，與氫化合的難易程度逐漸增強，H2R穩(wěn)定性逐漸減弱，H2RO4酸性逐漸增強。 2、（1）氧氣與臭氧性質的比較 物質 氧氣 臭氧 ①氣態(tài)時的顏色 無 淡藍色 ②氣味 無 有腥臭味 ③沸點比較 臭氧稍高 ④同條件時的密度比較 臭氧稍大 ⑤同條件時水中溶解性比較 臭氧稍大 ⑥相互關系 2O3＝3O2 （2）臭氧的化學性質和用途 ①不穩(wěn)定性2O3（g）＝3O2（g）；△H＝－284kJ/mol]，說明氧氣的穩(wěn)定性比臭氧高。 ②極強的氧化性，能將Ag、Hg等不易被空氣氧化的金屬氧化，能將有機色質氧化，故可用作脫色（漂白）劑，也具有殺菌消毒作用，則又可用作消毒劑。在一定條件下臭氧和氧氣可相互轉化。 3、過氧化氫 ①過氧化氫是一種強極性分子，為無色粘稠液體，它的水溶液俗稱雙氧水，醫(yī)用雙氧水的質量分數(shù)一般為3%。 ②化學性質： a. 是一種二元弱酸，具有弱酸性，電離方程式為H2O2H＋＋HO2－和HO2－H＋＋O22－b．氧化性，如能把Fe2＋氧化成Fe3＋，酸性條件下的反應式為： 2Fe2＋＋H2O2＋2H＋＝2Fe3＋＋2H2O； c. 還原性，如能發(fā)生H2O2＋Cl2＝＝O2＋2HCl，能使酸性高錳酸鉀溶液褪色等。 d. 不穩(wěn)定性（受熱會分解，MnO2作催化劑時反應更快）。過氧化氫可用作氧化劑、漂白劑、消毒劑、脫氯劑，還可作為火箭的燃料。 ［說明］ 1、氧氣和臭氧都屬于氧的同素異形體。 2、氟氯烴在光的作用下分解，產生Cl原子破壞臭氧層。 3、H2O2遇強氧化劑則發(fā)生氧化反應，生成O2；遇還原劑則發(fā)生還原反應，生成H2O；在加熱或有催化劑（如：MnO2、FeCl3、酶等）存在時可發(fā)生分解反應產生O2。 4、H2O2在受熱條件下易分解，工業(yè)上制得的H2O2濃度較小，要獲得濃度較高的H2O2，則必須在低壓條件下蒸餾濃縮才行。 例1. 1995年諾貝爾化學獎授予致力研究臭氧層被破壞問題的三位化學家。大氣中的臭氧層可濾除大量的紫外線，保護地球上的生物。氟利昂（如CCl2F2）可在光的作用下分解，產生Cl原子，Cl原子會對臭氧層產生長久的破壞作用。有關反應： O2＋O，Cl＋O3→ClO＋O2，ClO＋O→Cl＋O2，總反應：2O3＝3O2 （1）在上述臭氧變成氧氣的反應過程中，Cl是： A. 反應物 B. 生成物 C. 中間產物 D. 催化劑 （2）O3和O2是： A. 同分異構體 B. 同系物 C. 氧的同素異形體 D. 氧的同位素 解析：本題考查的是氟利昂（如CCl2F2）在光作用下分解破壞臭氧層的信息題。根據(jù)題給信息，在臭氧變成氧氣的過程中，O、ClO屬于中間產物，Cl在反應前后沒有變化，屬于催化劑。而氧氣和臭氧都屬于氧元素形成的不同單質，互為同素異形體。 答案：（1）D （2）C 例2. 過氧化氫（H2O2）的水溶液俗名雙氧水，醫(yī)療上可作外科消毒劑。 （1）向含有酚酞的NaOH溶液中滴加雙氧水，溶液由紅色褪至無色，主要原因是雙氧水的 性。 （2）將雙氧水加入經酸化的高錳酸鉀溶液中，溶液的紫紅色消褪了，此時雙氧水表現(xiàn)出 性。 （3）久置的油畫，白色部位（PbSO4）常會變黑（PbS），用雙氧水揩擦后又恢復原貌，有關反應的化學方程式為： 。 解析：H2O2具有強氧化性和還原性。作為氧化劑時具有強氧化性，可使有色物質被氧化而褪色。 （1）中利用H2O2的強氧化性，使酚酞的堿性溶液由紅色變?yōu)闊o色； （2）中KMnO4酸性溶液具有強氧化性，H2O2具有還原性，發(fā)生氧化還原反應，使溶液褪色：2KMnO4＋3H2SO4＋5H2O2＝2MnSO4＋K2SO4＋5O2＋8H2O （3）PbS轉變?yōu)镻bSO4，S元素的化合價升高，被氧化，因此H2O2在反應中作氧化劑： PbS＋4H2O2＝PbSO4＋4H2O 答案：（1）氧化性；（2）還原性；（3）PbS＋4H2O2＝PbSO4＋4H2O （二）硫及其化合物的性質： 硫俗稱硫磺，淡黃色晶體，不溶于水，微溶于酒精，易溶于CS2。能與H2、O2等非金屬化合，也能與Fe、Cu等金屬反應生成相應的硫化物，如汞不慎灑落地面，可用硫粉覆蓋除去；硫還能被濃H2SO4、濃HNO3等強氧化劑所氧化，在加熱條件下還能與NaOH溶液發(fā)生歧化反應。 硫元素有多種常見化合價，－２價的硫對應的常見化合物有金屬硫化物、H2S等，具有還原性．＋４價的硫對應的常見化合物SO2、亞硫酸、亞硫酸鹽等，硫元素的化合價既可以升高，又可以降低，因此既有氧化性，又有還原性．＋6價的硫對應常見化合物硫酸、SO3、硫酸鹽等，只具有氧化性。SO2和SO3分別為亞硫酸和硫酸的酸性氧化物。 1、硫的氫化物（H2S） H2S是一種無色，有臭雞蛋氣味的有毒氣體，1體積水中可溶解2.6體積的H2S氣體，其水溶液顯弱酸性，具有酸的通性。 H2S具有強還原性，能被許多氧化性物質所氧化，生成單質S或SO2。 如：H2S能被X2、SO2、HNO3、Fe3＋、KMnO4、H2O2等強氧化劑所氧化。 2、二氧化硫（SO2） （1）SO2是一種無色，有刺激性氣味的有毒氣體，易溶于水，1體積水中大約可溶解40體積SO2氣體，其水溶液稱為亞硫酸，是一種中強酸，具有酸的通性。 （2）SO2是一種酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。如： ①SO2與水反應生成相應的酸： ②SO2與少量和足量的NaOH溶液生成亞硫酸鹽和水： ③足量的SO2通入Na2CO3溶液中生成CO2氣體： （3）SO2中硫元素的化合價為＋4價，處于中間價態(tài)，既有氧化性又有還原性： 當SO2遇強氧化劑時顯還原性。如：SO2和O2、X2、HNO3、Fe3＋、KMnO4、H2O2等發(fā)生氧化反應，＋4價S被氧化成＋6價S； 當SO2和H2S反應時，SO2顯氧化性：SO2＋2H2S＝3S＋2H2O （4）SO2具有漂白性：能夠與有色物質結合生成一種不穩(wěn)定的無色物質。利用二氧化硫的這種性質可以來漂白草帽等物質，但生成的無色物質不穩(wěn)定，在光照或受熱的條件下分解重新恢復原來的顏色。 SO2是大氣主要污染物之一，它對人體的直接危害是引起呼吸道疾病，嚴重時會引起死亡?？諝庵械腟O2在氧氣和水的作用下能形成酸雨（酸雨是指pH＜5.6的雨水），對環(huán)境的破壞很大。而防治酸雨的措施主要有兩點：消除污染源――研究開發(fā)新的能源；對含硫燃料進行脫硫處理或者對燃燒產生的SO2進行回收等。 3、三氧化硫（SO3） 通常情況下SO3是一種淡黃色的晶體，熔點16.8℃，沸點是44.8℃。 具有酸性氧化物的通性；俗稱硫酐，能強烈吸水，在空氣中“發(fā)煙”。 ［說明］ 1、硫既具有氧化性，又具有還原性。硫與變價金屬反應時，一般生成低價的金屬硫化物，可利用硫元素的這一性質比較硫與X2的非金屬性強弱。 2、H2S是一種還原性酸性氣體，其水溶液具有酸的通性。對于反應： H2S＋CuSO4＝CuS↓＋H2SO4發(fā)生的主要原因是由于生成了難溶的CuS黑色沉淀，使反應正向進行，與強酸制弱酸無關。 3、H2S氣體的制取可用FeS與稀鹽酸或稀硫酸反應得到，用濃磷酸或P2O5作為干燥劑，用濕潤的PbAc2試紙檢驗H2S氣體：PbAc2＋H2S＝PbS↓（黑色）＋2Hac 4、SO2作為還原劑參加反應時，一般被氧化成SO42－，而在作為氧化劑參與反應時，一般被還原為S。硫與熱的強堿（NaOH）溶液反應生成Na2S、Na2SO3，而Na2S、Na2SO3在酸性條件下也可以生成單質S，但二者不屬于可逆反應。 5、SO2的漂白原理與新制氯水（次氯酸）、臭氧、H2O2、Na2O2等物質的漂白原理不同，它是與有色物質反應生成不穩(wěn)定的無色物質，而不是將有色物質氧化褪色，時間久或加熱后，用SO2漂白的物質能恢復原來的顏色，而用其余物質漂白的物質則不會恢復原來的顏色。 6、煤、石油等含硫物質燃燒產生的SO2是形成酸雨的主要原因。為減少酸雨的形成，降低酸雨的危害，可將燃料進行脫硫處理，或在煤中加入生石灰、將煙氣通過石灰乳等方法除去SO2，即用堿液吸收煙氣中的SO2。 例3. Cl2和SO2都有漂白作用，能使品紅溶液褪色。若將等物質的量的Cl2和SO2混合后，再通入品紅與BaCl2的混合溶液，能觀察到的現(xiàn)象是：①溶液很快褪色；②溶液不褪色； ③出現(xiàn)沉淀；④不出現(xiàn)沉淀 A. ①② B. ①③ C. ②③ D. ②④ 解析：盡管潮濕的Cl2和SO2都有漂白作用，但Cl2具有強的氧化性，而SO2具有還原性，若同時使用，會發(fā)生如下反應：Cl2＋SO2＋2H2O＝＝＝H2SO4＋2HCl，而生成的H2SO4和HCl都不具有漂白性，這樣兩者等物質的量混合會完全喪失漂白作用，溶液不會褪色而生成的H2SO4和BaCl2反應生成不溶于水和酸的白色沉淀BaSO4 答案：C 例4. 下列溶液中能區(qū)別SO2和CO2氣體的是： ①石灰水；②H2S溶液；③KMnO4；④氯水；⑤品紅溶液 A. ①②③ B. ②③④ C. 除①以外 D. 全部 解析：SO2和CO2氣體都屬于酸性氧化物，它們都能與石灰水反應生成不溶性的CaSO3和CaCO3物質，即都可以生成沉淀，故不能用它來鑒別SO2和CO2氣體；SO2具有氧化性，能將H2S氧化成單質S，SO2也具有還原性，能被KMnO4和氯水所氧化，使溶液褪色；SO2還具有漂白性，可使品紅溶液褪色。而CO2不具有這些性質，所以可以用②③④⑤來區(qū)別SO2和CO2 答案：C 例5. 某學生課外活動小組利用下圖所示裝置分別做如下實驗： （1）在試管中注入某紅色溶液，加熱試管，溶液顏色逐漸變淺，冷卻后恢復紅色，則原溶液可能是_______溶液：加熱時溶液由紅色逐漸變淺的原因是：__________________。 （2）在試管中注入某無色溶液，加熱試管，溶液變?yōu)榧t色，冷卻后恢復無色，則此溶液可能是________溶液；加熱時溶液由無色變?yōu)榧t色的原因是：________________________。 解析：題設情境有三大特點：①反應裝置由常見的“開放型”到了“封閉型”；②溶液顏色由常見的“靜態(tài)穩(wěn)定型”到了“動態(tài)變化型”；③溶液成分由常見的“單一溶質型”到了“多種溶質型”。根據(jù)這些情境特點，進行思維發(fā)散： 解題的關鍵是要認真觀察實驗裝置的特點：試管口上套有氣球，說明加熱時會有氣體逸出，一下就使“紅色溶液”的范圍縮?。喝苡兴嵝詺怏w的石蕊溶液或溶有堿性氣體的酚酞溶液。而前者中加熱后，紅色變?yōu)樽仙?，不符合“溶液顏色逐漸變淺”的條件，結論只有稀氨水和酚酞。 由無色溶液氣體＋溶液變紅氣體＋溶液無色。聯(lián)想無色溶液雖多，但加熱后放出氣體且溶液變紅不多，又冷卻后該氣體可使紅色溶液褪色——顯然該氣體有漂白作用，并是一可逆過程，符合條件的無色溶液只能是SO2漂白過的品紅溶液。 答案：（1）稀氨水和酚酞 稀氨水中的NH3氣逸出，所以溶液的顏色變淺； （2）溶有SO2的品紅 SO2氣體逸出，品紅溶液恢復紅色 例6. 實驗室中根據(jù)2SO2＋O22SO3；△H＝－196.6kJ/mol，設計如下圖所示實驗裝置來制備SO3固體。請回答下列問題。 （1）實驗前，必須進行的操作是（填操作名稱，不必寫具體過程） 。 （2）在A裝置中加入Na2SO3固體的同時，還需加幾滴水，然后再滴加濃硫酸。加幾滴水的作用是 。 （3）小試管C的作用是 。 （4）廣口瓶D內盛的試劑是 。裝置D的三個作用是 ① 、 ② 、③ 。 （5）實驗中當Cr2O3表面紅熱時，應將酒精燈移開一會兒再加熱，以防溫度過高，這樣做的原因是 。 （6）裝置F中U型管內收集到的物質的顏色、狀態(tài)是 。 （7）裝置G的作用是 。 （8）從G裝置導出的尾氣處理方法是 。 解析：本題考查的是有關SO2催化氧化生成SO3的實驗題。 實驗中通過裝置A制備SO2，裝置B制取O2，裝置D中干燥、混合兩種氣體，并通過調節(jié)氣泡的逸出速率調整兩者的比例，混合氣體在裝置E中催化氧化生成SO3，由于溫度較高，SO3以氣體形式存在，經過F裝置冷卻后凝結成晶體。 實驗時，制氣裝置必須檢查氣密性，而在制取SO2氣體時，加入幾滴水，主要是濃硫酸溶于水放出大量的熱量，有利于SO2氣體的逸出，小試管C所起的作用是防止D中液體回流到裝置B中，起緩沖、防倒吸的作用。而SO2催化氧化生成SO3是個放熱反應，溫度過高不利于SO3的生成，故實驗時要將酒精燈移開一會兒，同時SO3極易溶于水，因此，在整個實驗中不能有水，故G裝置可防止空氣中的水蒸氣進入。而SO2屬于有毒氣體，環(huán)境污染物，不能隨便排放，要用堿液吸收。 答案：（1）檢查裝置的氣密性；（2）濃硫酸溶于水，放出大量的熱量，有利于SO2的揮發(fā)； （3）緩沖或防倒吸作用；⑷濃硫酸，所起的作用有：混合SO2和O2，干燥氣體，調節(jié)氣泡逸出速率，控制兩者的量的比例；⑸該反應為放熱反應，溫度過高，不利于SO3的生成；⑹淡黃色晶體；⑺干燥，防止空氣中的水蒸氣進入；⑻用堿液吸收 （三）硫酸的性質： 濃硫酸無色粘稠狀的液體，密度比水大，熔沸點高，難揮發(fā)，能與水以任意比互溶，同時放出大量的熱，故稀釋濃硫酸時應將濃硫酸沿玻璃棒慢慢加入水中，邊加邊攪拌。發(fā)煙硫酸是將SO3溶于濃硫酸而制得。稀硫酸，粘性小于濃硫酸。 1、稀硫酸具有酸的通性。 2、濃硫酸具有吸水性、脫水性和強氧化性等特性，故可用濃硫酸作為干燥劑，氧化劑。 強氧化性：在濃硫酸中S處于＋6價，易結合電子，通常被還原為SO2，能和大多數(shù)金屬（如：Cu等不活潑金屬也可以反應）和部分非金屬（如C、S等）、某些化合物（如：H2S、HI等還原性物質）發(fā)生反應。 ［說明］ 1、吸水性是指吸收原物質中存在的水，而脫水性是將原物質中氫、氧元素按2：1的形式脫去，原物質中不存在水。濃硫酸用作干燥劑，可用來干燥酸性氣體和中性氣體，不可用來干燥堿性氣體和還原性氣體。 2、在不同的反應中濃硫酸所起的作用不完全相同。如 在工業(yè)上可用鐵槽車或鋁槽車運輸濃硫酸是由于常溫下，濃硫酸可以使鐵和鋁鈍化； 濃硫酸與甲酸共熱可制取一氧化碳，利用濃硫酸的脫水性； 實驗室用鋅粒和稀硫酸反應制備氫氣，利用硫酸的酸性； 濃硫酸露置在空氣中質量增加是濃硫酸的吸水性作用的結果； 濃硫酸和NaNO3反應可制取硝酸是利用濃硫酸的高沸點性，由高沸點酸制揮發(fā)性酸； 濃硫酸和磷酸鈣反應制取磷酸利用的是硫酸的強酸性，由強酸制弱酸； 濃硫酸與乙醇和乙酸混合制取乙酸乙酯利用濃硫酸的吸水性和催化性能； 濃硫酸與銅反應制SO2利用的是濃硫酸的強氧化性的酸性。 3、濃硫酸與金屬反應時，隨著反應的進行，硫酸的濃度逐漸降低，反應隨之發(fā)生改變。若與活潑性較強的金屬反應，則當濃度變稀后產生H2，若與活潑性較弱的金屬反應，則當硫酸濃度變稀后，反應停止。 4、濃硫酸有很強的腐蝕性，皮膚上不慎灑上濃硫酸，應立即用布擦拭，再用大量水沖洗，并涂上小蘇打溶液，送醫(yī)院治療。 5、濃硫酸在一定條件下還可以與某些有機物發(fā)生取代反應。 6、SO42－的檢驗：先加稀HCl，無沉淀產生（排除SO32－、CO32－、Ag＋等離子的干擾），再加BaCl2溶液，產生不溶于稀硝酸的白色沉淀。 （四）硫及其化合物之間的轉化關系： 例7. 向50mL18mol/LH2SO4溶液中加入足量的銅片并加熱。充分反應后，被還原的H2SO4的物質的量 A. 小于0.45mol B. 等于0.45mol C. 在0.45mol和0.90mol之間 D. 大于0.90mol 解析：本題考查了氧化還原反應的條件的重要性。Cu和H2SO4反應的前提條件是濃H2SO4，開始18mol/L為濃的，但隨著Cu參加反應，H2SO4被消耗變稀，此時反應已終止。其次，考查了氧化性酸在與金屬發(fā)生反應時，其作用分兩部分：一部分充當氧化劑，使其得電子數(shù)與金屬失電子數(shù)相同，另一部分是生成的金屬陽離子與酸根結合生成鹽。 由Cu＋2H2SO4＝CuSO4＋SO2↑＋2H2O可知如果H2SO4完全反應，也只有一半充當氧化劑被還原，故被還原18mol/LH2SO4的最大量為（18mol/L0.05L）2＝0.45mol。 答案：A 例8. A、B、C是在中學化學中常見的三種化合物，它們各由兩種元素組成，甲、乙是兩種單質。這些化合物和單質之間存在如下的關系： 據(jù)此判斷： （1）在A、B、C這三種化合物中，必定含有乙元素的是 。（用A、B、C字母填寫） （2）單質乙必定是 （填“金屬”或“非金屬”），其理由是 （3）單質乙的分子式可能是 ，則化合物B的分子式是 。 解析：本題考查的是元素及其化合物的知識。甲與乙反應生成A，說明A肯定含有甲和乙兩種元素；甲與B反應生成A與C，說明化合物B中也肯定含有元素乙；而化合物A與化合物B中均含有乙，且相互作用可生成單質乙，說明A與B發(fā)生的屬于歸中反應，乙元素的化合價可以是正價，也可以是負價，則乙是非金屬元素；根據(jù)所學的元素及其化合物的知識，可知：單質甲是O2，乙為S（或N2）則化合物A為SO2（NO），化合物B為H2S（或為NH3），化合物C為H2O 答案：（1）A、B （2）單質乙必定是：非金屬；A與B發(fā)生反應生成單質乙，說明A、B中乙元素的化合價有正有負，發(fā)生了歸中反應，因此乙元素屬于非金屬元素； （3）乙為S（或N2），B為H2S（或為NH3）。 例9. 有一瓶Na2SO3溶液，由于它可能部分被氧化，某同學進行如下實驗：取少量溶液，滴入Ba（NO3）2溶液，產生白色沉淀，再加入足量稀硝酸，充分振蕩后，仍有白色沉淀。對此實驗下列結論正確的是 A. Na2SO3已部分被空氣中的氧氣氧化 B. 加入Ba（NO3）2溶液后，生成的沉淀中一定含有BaSO4 C. 加硝酸后的不溶沉淀一定是BaSO4 D. 此實驗不能確定Na2SO3是否部分被氧化 解析：本題考查的是SO42－的檢驗。欲證明Na2SO3溶液部分被氧化，必須證明有SO42－存在。 題示實驗方法中由于在酸性條件下NO3－具有強氧化性，可以將產生的BaSO3沉淀氧化成BaSO4 沉淀，沉淀不消失，故不論有沒有被氧化，沉淀始終是BaSO4，故無法證明Na2SO3溶液是否 被氧化。答案為D 答案：D 例10. 一包重41.6 g的固體樣品，其成分是硫和鐵的化合物，將它充分煅燒后，硫和鐵分別被氧化成SO2和Fe2O3，其中SO2在標準狀況下為13.44L。試求： （1）樣品中硫元素與鐵元素的物質的量之比。 （2）樣品化合物的成分是什么？ （3）樣品中化合物的物質的量為多少？ 解析：（1）n（SO2）＝＝0.6mol，41.6 g樣品中含鐵的質量為 m（Fe）＝41.6g－0.6mol32gmol－1＝22.4g，n（Fe）＝＝0.4mol， n（S）∶n（Fe）＝0.6mol∶0.4mol＝3∶2。 （2）因1∶1＜3∶2＜2∶1，故該樣品為FeS和FeS2的混合物。 （3）設FeS、FeS2的物質的量分別為x、y，則有 答案：（1）3∶2 （2）FeS和FeS2 （3）FeS為0.2 mol，F(xiàn)eS2為0.2 mol