专题十八 氧、硫及其化合物和环境保护
考纲展示 命题探究
1 氧元素的单质及化合物性质
(1)O3
①组成:臭氧的分子式为O3,与O2互为同素异形体。
②产生方式:在放电条件下空气中的O2可以转化为O3,反应的化学方程式为3O2
③物理性质:常温常压下,O3是一种有特殊臭味的淡蓝色气体,它的密度比O2大。
④化学性质
a.不稳定性:O3不稳定,容易分解,反应的化学方程式为2O3===3O2。
b.强氧化性:O3容易使湿润的KI-淀粉试纸变蓝,反应的化学方程式为O3+2KI+H2O===2KOH+I2+O2。
c.漂白和消毒:有些染料受到臭氧的强烈氧化会褪色,臭氧还可以杀死许多细菌,因此臭氧是一种很好的脱色剂和消毒剂。
⑤臭氧层
能吸收来自太阳的大部分紫外线,是人类和其他生物的保护伞。氟氯代烷是破坏臭氧层的“元凶”。
(2)过氧化氢
①结构
化学式:H2O2,电子式:
结构式:H—O—O—H,H、O原子个数比为1∶1,是既含极性键又含非极性键的共价化合物。
②化学性质
a.不稳定性:加热、加催化剂都能使分解加快。
2H2O2
b.弱酸性:相当于二元弱酸。
H2O2H++HO
c.强氧化性
ⅰ.用10%的双氧水漂白羽毛及丝织品;
ⅱ.氧化Fe2+、SO
H2O2+2Fe2++2H+===2Fe3++2H2O,
H2O2+SO
ⅲ.使湿润的淀粉KI试纸变蓝:
H2O2+2I-+2H+===I2+2H2O。
d.弱还原性:遇强氧化剂时作还原剂。
2KMnO4+5H2O2+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+5O2↑+8H2O。
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(1)在MnO2或FeCl3催化下,H2O2分解加快,常用于实验室制O2。
(2)H2O2中O的化合价为-1,处于氧元素的中间价态,因而既有氧化性,又有还原性,但以氧化性为主。
(3)H2O2常用于杀菌消毒、漂白,是H2O2的氧化性所致。
(4)H2O2体现氧化性时,被还原为无污染的H2O,因而常用于除去还原性的杂质离子。
2 硫元素的单质
(1)硫的原子结构及存在形态
硫元素位于元素周期表中第三周期第ⅥA族,原子结构示意图为,最外层有6个电子,在化学反应中易获得2个电子而呈现出-2价。
(2)硫的性质
①物理性质
硫俗称硫黄,淡黄色固体,熔沸点很低,难溶于水,可溶于酒精,易溶于二硫化碳。
②化学性质
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(1)硫在过量、纯净的O2中燃烧的产物是SO2而不是SO3。
(2)硫单质呈0价,处于硫元素的中间价态,既有氧化性又有还原性。
(3)硫与变价金属反应时,生成低价态金属硫化物,和变价金属与Cl2的反应情况不同,可对比记忆。
(3)硫的应用
①制农药:如石硫合剂(石灰、硫黄)用于杀死果树的害虫。
②制黑火药:“一硫二硝三木炭”反应原理为:
S+2KNO3+3C
③消除汞蒸气:实验室里不慎洒落一些汞,可撒上硫粉处理。
3 二氧化硫、三氧化硫
(1)SO2的性质
①物理性质
颜色
气味
毒性
密度
溶解性
无
刺激性
有毒
比空气大
易溶于水
②化学性质
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(1)二氧化硫中的硫元素为+4价,处于中间价态,因此,SO2既有氧化性,又有还原性,但主要表现还原性。
(2)SO2能使溴水、酸性KMnO4溶液褪色,体现了SO2的还原性,而不是漂白性。
(3)SO2与氢硫酸反应产生浑浊,体现了SO2的氧化性。
(2)SO3的性质
①物理性质
熔点16.8 ℃,沸点44.8 ℃,常温下为液态,
标准
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状况下为固态。
②化学性质
三氧化硫具有酸性氧化物的通性,主要反应如下:
4 硫酸及硫酸根离子的检验
(1)硫酸的物理性质
①纯硫酸是一种无色油状液体,沸点高,难挥发。
②溶解性:浓H2SO4与水以任意比互溶,溶解时可放出大量的热,浓H2SO4稀释的
方法
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是:将浓H2SO4沿器壁慢慢注入水中,并用玻璃棒不断搅拌。
(2)稀H2SO4具有酸的通性
硫酸是强电解质,在水溶液中的电离方程式为H2SO4===2H++SO
(3)浓H2SO4具有的特性
①吸水性:常用作干燥剂,但不能干燥NH3、H2S、HI、HBr等。
②脱水性:将有机物中的H、O元素按水的组成(H、O原子个数2∶1)比脱去,如蔗糖脱水生成炭黑。
③强氧化性
a.氧化金属:浓硫酸可以氧化大多数金属(除Pt和Au外),如铜在加热条件下与浓硫酸的反应方程式:Cu+2H2SO4(浓)
b.浓硫酸能氧化某些非金属:如碳、硫、磷等。如在加热条件下木炭与浓硫酸反应的化学方程式:C+2H2SO4(浓)
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(1)浓硫酸的强腐蚀性是脱水性、吸水性、强氧化性的综合表现。
(2)浓硫酸的还原产物一般是SO2,但浓硫酸遇到强还原剂,会被还原生成H2S。
(3)常温下铁、铝遇冷的浓硫酸发生“钝化”,但加热时剧烈反应。
(4)稀H2SO4与浓H2SO4氧化性的比较
(5)SO
①SO
向溶液中加入盐酸,将产生的气体通入品红溶液中,红色褪去,相应的离子方程式为SO
②SO
a.原理
Ba2++SO
b.检验方法
待测液
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(1)检验SO
①Ag+干扰:用稀盐酸酸化防止Ag+干扰,同理所用钡盐若是BaCl2也要防止Ag+干扰:Ag++Cl-===AgCl↓。
②CO
(2)钡盐的选择。所用的钡盐不能是Ba(NO3)2,一般用BaCl2,因为在酸性条件下,SO
1.思维辨析
(1)O2与O3互为同素异形体,它们之间的转化属于物理变化。( )
(2)H2O2是绿色氧化剂,只有氧化性。( )
(3)SO2使滴有酚酞的NaOH溶液褪色,体现了SO2的漂白性。( )
(4)SO2与漂白粉的漂白原理相同。( )
(5)Cu与硫粉加热条件下生成CuS。( )
(6)浓H2SO4使胆矾(CuSO4·5H2O)变成白色粉末,体现了浓H2SO4的脱水性。( )
(7)浓H2SO4具有强氧化性,不能用于干燥还原性气体SO2。( )
(8)浓H2SO4与Cu、C的反应中,都体现了H2SO4的酸性和强氧化性。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)×
2.下列化学实验事实及解释都正确的是 ( )
A.向Na2SO3溶液中加入硝酸酸化的Ba(NO3)2溶液,有白色沉淀出现,
说明
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Na2SO3溶液已经变质
B.某溶液中加入盐酸产生无色气体,该气体能使澄清石灰水变浑浊,说明该溶液中一定有CO
C.某溶液中加入BaCl2溶液,产生白色沉淀,加稀硝酸后,白色沉淀不溶解,也无其他现象,说明该溶液中一定含有SO
D.取少量久置的Na2SO3样品溶于水,加过量盐酸有气体产生,然后加BaCl2溶液,产生白色沉淀,说明Na2SO3样品已部分变质
答案 D
解析 在A中SO
[考法综述] 由于S元素的多种价态及各种化合物的相互转化内容丰富,也是氧化还原反应的重要素材。命题空间广阔,且与生产、生活及社会实际联系紧密,是考查元素化合物知识的热点,同学们应熟练掌握SO2的性质,制法及相关实验,以及硫酸和硫的其他化合物的性质和用途。
命题法1 过氧化氢、臭氧的性质
典例1 H2O2是一种绿色氧化还原试剂,在化学研究中应用广泛。
某小组拟在同浓度Fe3+的催化下,探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。限选试剂与仪器:30% H2O2、0.1 mol·L-1 Fe2(SO4)3、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器。
(1)写出本实验H2O2分解反应方程式并标明电子转移的方向和数目:____________________________________。
(2)
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
实验
方案
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:在不同H2O2浓度下,测定________________(要求所测得的数据能直接体现反应速率大小)。
(3)设计实验装置,完成装置示意图。
(4)参照下表格式,拟定实验表格,完整体现实验方案(列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据;数据用字母表示)。
物理量
实验序号
V[0.1 mol·L-1 Fe2(SO4)3]/mL
……
1
a
……
2
a
……
[解析] (1)H2O2在Fe2(SO4)3作催化剂的条件下分解生成H2O和O2,在此反应中H2O2既作氧化剂也作还原剂。
(2)反应速率是单位时间内物质的量浓度的变化量,所以要测定不同浓度的H2O2对分解速率的影响,可以比较收集到相同体积氧气所需要的时间,或比较相同时间内收集到氧气的体积。
(3)收集并测量气体的体积,我们可以采用排水法收集氧气,但要用量筒代替集气瓶,可以直接读取气体的体积。
[答案] (1)
(2)收集到相同体积氧气所需要的时间(或相同时间内收集到氧气的体积)
(3)(答案合理即可)
(4)
【解题法】 掌握H2O2与O2性质的类比方法
在认识过氧化氢时,可以联系对比过氧化钠,过氧化钠是离子化合物,过氧化氢是共价化合物,两者都具有氧化性和还原性,但一般作氧化剂使用。
在认识臭氧时,联系对比氧气,两者是同素异形体,都具有氧化性,臭氧比氧气更活泼,氧化性更强,易分解。大气存在大量氧气,只存在极少量臭氧,这极少量臭氧对于地球非常重要。
命题法2 二氧化硫的特性
典例2 下列溶液中通入SO2一定不会产生沉淀的是( )
A.Ba(OH)2
B.Ba(NO3)2
C.Na2S
D.BaCl2
[解析] SO2与Ba(OH)2可以生成BaSO3沉淀,A错误;SO2通入Ba(NO3)2溶液中,NO
[答案] D
【解题法】 二氧化硫参与反应的现象及性质对应关系
命题法3 SO2与CO2的鉴别及实验探究
典例3 某探究性学习小组利用图中装置设计实验,证明浓硫酸和木炭粉在加热条件下反应有SO2和CO2生成。
(1)实验室可观察到装置中A瓶的溶液褪色,C瓶的溶液不褪色。A瓶溶液的作用是________,B瓶溶液的作用是________,C瓶溶液的作用是________。
(2)装置D中所盛溶液是________,可验证的产物是________。
(3)若想同时验证另一种产物的存在,需使用的药品为________,该装置在整套装置中的位置是________,理由是_____________。
[解析] 要检验SO2,可以用品红溶液,要检验CO2,应该用澄清石灰水,但是SO2的存在会干扰对CO2的检验,所以检验CO2时必须考虑先检验SO2并且要把它彻底除去。另外生成物还有水蒸气也需要通过实验来验证。因为在检验SO2、CO2时,必须经水溶液装置,会影响水蒸气的检验,因此,这三种产物的检验顺序必须是先检验H2O,再检验SO2,最后检验CO2,并且保证每种物质检验时均不受其他物质的干扰。
[答案] (1)验证产物中的SO2 除去混合气体中的SO2 验证SO2是否被B瓶溶液全部除去 (2)澄清石灰水 CO2 (3)无水CuSO4 A前 气体通过A、B、C、D时会带出水蒸气,所以必须在A之前
【解题法】 SO2与CO2的比较与鉴别
(1)二氧化硫与CO2的比较
(2)检验SO2气体中是否存在CO2气体的方法
(证明有SO2) (除去SO2)
(验证SO2是否除净) (检验CO2)
命题法4 浓H2SO4性质的考查及综合实验
典例4 工业上常用铁质容器盛装冷浓硫酸。为研究铁质材料与热浓硫酸的反应,某学习小组进行了以下探究活动。
探究一
(1)甲同学将已去除表面氧化物的铁钉(碳素钢)放入冷浓硫酸中,10分钟后移入硫酸铜溶液中,片刻后取出观察,铁钉表面无明显变化,其原因是_________________________________________。
探究二
(2)另称取铁钉6.0 g放入15.0 mL浓硫酸中,加热,充分反应后得到溶液X并收集到气体Y。
乙同学取336 mL(标准状况)气体Y通入足量溴水中,发生反应:
SO2+Br2+2H2O===2HBr+H2SO4
然后加入足量BaCl2溶液,经适当操作后得干燥固体2.33 g。由此推知气体Y中SO2的体积分数为________。
分析上述实验中SO2体积分数的结果,丙同学认为气体Y中还可能含有H2和Q气体。为此设计了下列探究实验装置(图中夹持仪器省略):
(3)装置B中试剂的作用是________________。
(4)认为气体Y中还含有Q的理由是____________(用化学方程式表示)。
(5)为确认Q的存在,需在装置中添加M于________(选填序号)。
a.A之前
B.A~B间
c.B~C间
D.C~D间
(6)如果气体Y中含有H2,预计实验现象应是_______________。
[解析] (1)铁钉放入冷浓H2SO4中发生钝化,表面形成氧化膜,与CuSO4不再反应。
(2)由SO2~H2SO4~BaSO4知
n(SO2)=n(BaSO4)=0.01 mol,
SO2体积分数为
(4)因铁钉是碳素钢,含有碳单质,加热时被浓H2SO4氧化生成CO2,随着反应的进行,浓H2SO4变为稀H2SO4,与Fe反应生成H2。为了防止SO2干扰CO2,B中试剂是检验SO2是否除尽。
(5)为了检验CO2存在,应在完全除尽SO2以后添加M,即B~C间。
(6)H2还原CuO生成H2O,H2O遇无水CuSO4变蓝。
[答案] (1)铁钉表面被钝化(或其他合理答案)
(2)66.7%(或其他合理答案)
(3)检验SO2是否除尽
(4)C+2H2SO4(浓)
(5)c
(6)D中固体由黑变红和E中固体由白变蓝
【解题法】 浓H2SO4与金属、非金属反应的规律
(1)浓硫酸具有强氧化性,能够和除Au、Pt以外的大多数金属发生反应
①在常温下,浓硫酸和金属活动顺序表中H后的金属不反应,加热才能反应,一般生成相应的硫酸盐和SO2。当随着反应的进行,浓硫酸变成稀硫酸时,反应自行停止,如Cu+2H2SO4(浓)
②在常温下,浓硫酸和金属活动顺序表中H前的金属(Al、Fe除外)发生反应。当还是浓硫酸时,H2SO4的还原产物是SO2,当浓硫酸变成稀硫酸时,H2SO4的还原产物是H2。如Zn在常温下和浓硫酸反应的过程依次为Zn+2H2SO4(浓)===ZnSO4+SO2↑+2H2O和Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。
③常温下,浓硫酸能够使Al和Fe发生钝化,但是在加热时能够剧烈反应生成SO2,如2Al+6H2SO4(浓)
(2)浓硫酸与不活泼金属或非金属反应的有关规律
①反应要加热,否则不反应。
②还原产物一般是SO2,一般金属被氧化为高价态的硫酸盐,非金属被氧化为高价态的氧化物或含氧酸。
③浓硫酸与金属反应时,既表现酸性又表现强氧化性,而与非金属反应时,只表现强氧化性。
④浓硫酸与不活泼金属反应时,随着反应的进行,硫酸浓度变小,一旦变为稀硫酸,反应就停止。
命题法5 硫及其化合物间的相互转化
典例5 在下列物质转化中,A是一种正盐,D的相对分子质量比C的相对分子质量大16,E是酸,当X无论是强酸还是强碱时,都有如下转化关系。
当X是强酸时,A、B、C、D、E均含同一种元素;当X是强碱时,A、B、C、D、E均含另外同一种元素。
请回答下列问题:
(1)A是________,Y是________,Z是________。
(2)当X是强酸时,E是________,写出B→C的化学方程式:__________________________________________________________。
(3)当X是强碱时,E是________,写出B→C的化学方程式:__________________________________________________________。
[解析] 由D的相对分子质量比C的相对分子质量大16,易联想D与C相比,分子增加1个氧原子,则D可能是氧化物。E为酸,则E应为含氧酸,而Y是能提供“O”的物质,A为正盐,与碱反应生成的物质能连续两次被氧化,最后得到一种含氧酸,可推知,A可能是铵盐:A
[答案] (1)(NH4)2S O2 H2O (2)H2SO4 2H2S+3O2
【解题法】 硫元素价态转化规律及发生连续氧化的常见物质
(1)硫元素价态的转化规律
①邻位价态转化规律
a.
H2
b.S能发生自身氧化还原反应,在反应时分别升至和降至与其相邻的价态。如
3
c.
H2
2
d.
Cu+2H2
②跳位转化规律
(2)在解答框图推断题中,若能符合A
①H2S(S,FeS2)
②NH3(N2)
③C
④Na
⑤Fe
另外,有机反应中有醇
1.下列说法正确的是( )
A.I的原子半径大于Br,HI比HBr的热稳定性强
B.P的非金属性强于Si,H3PO4比H2SiO3的酸性强
C.Al2O3和MgO均可与NaOH溶液反应
D.SO2和SO3混合气体通入Ba(NO3)2溶液可得到BaSO3和BaSO4
答案 B
解析 根据同主族元素性质的递变规律,HI的热稳定性弱于HBr,A项错误;元素非金属性越强,最高价氧化物对应的水化物的酸性越强,故H3PO4的酸性强于H2SiO3,B项正确;MgO不能与NaOH溶液反应,C项错误;SO2通入Ba(NO3)2溶液中,酸性条件下,SO2被NO
2.下列五种有色溶液与SO2作用均能褪色,其实质相同的是 ( )
①品红溶液 ②酸性KMnO4溶液 ③溴水 ④滴有酚酞的NaOH溶液 ⑤含I2的淀粉溶液
A.①④
B.①②③
C.②③⑤
D.③④⑤
答案 C
解析 ②③⑤中溶液褪色都是由于SO2的还原性,C项正确。
3.某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1 mol·L-1的Ba(NO3)2溶液中,得到了BaSO4沉淀。为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的SO2,该小组提出了如下假设:
假设一:溶液中的NO
假设二:溶液中溶解的O2
(1)验证假设一
该小组设计实验验证了假设一。请在下表空白处填写相关实验现象。
实验步骤
实验现象
结论
实验1:在盛有不含O2的25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液的烧杯中,缓慢通入纯净的SO2气体
________
假设一成立
实验2:在盛有不含O2的25 mL 0.1 mol·L-1 Ba(NO3)2溶液的烧杯中,缓慢通入纯净的SO2气体
________
(2)为深入研究该反应,该小组还测得上述两个实验中溶液pH随通入SO2体积的变化曲线如图。
实验1中溶液pH变小的原因是________________;V1时,实验2中溶液pH小于实验1的原因是(用离子方程式表示)__________ __。
(3)验证假设二
请设计实验验证假设二,写出实验步骤、预期现象和结论。
实验步骤、预期现象和结论不要求写具体操作过程
(4)若假设二成立,请预测:在相同条件下,分别用足量的O2和KNO3氧化相同的H2SO3溶液(溶液体积变化忽略不计,充分反应后两溶液的pH前者________(填“大于”或“小于”)后者,理由是____________。
答案 (1)无明显现象 有白色沉淀
(2)SO2溶于水生成H2SO3 3SO2+2NO
实验1作为参照实验
实验3:将纯净的SO2气体缓慢通入未经脱O2处理的25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液中,若有白色沉淀,表明假设二成立,否则不成立
(4)小于 反应的离子方程式表明,足量的O2和NO
(本题部分小题属于开放性试题,合理答案均给分)
解析 (1)实验1中SO2不与BaCl2溶液反应,即无明显现象,实验2中生成BaSO4沉淀,即有白色沉淀生成。
(2)实验1中不断通入SO2,SO2与水化合生成H2SO3且浓度逐渐增大,从而导致溶液的pH逐渐减小,实验2中SO2会被NO
(4)反应的离子方程式分别为O2+2H2SO3===4H++2SO