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第9章 化学的谜团(1)

物质在二氧化碳中的燃烧之谜

人们利用二氧化碳常为灭火剂用,那么一切物质都不能在二氧化碳中燃烧吗?实际情况并不是这样,有些物质在二氧化碳中照样能够燃烧,关键在于要正确理解燃烧的概念和发生燃烧的条件。

让我们先回顾一下初中已做过的几个化学实验。

化学实验实验现象反应方程式镁带的燃烧放热,发光,生成白色固态物质2Mg+O2点燃2MgO木炭在氧气里燃烧放热,发出白光,生成物能使澄清的石灰水变浑浊C+O2点燃CO2硫在氧气里燃烧放热,发出蓝紫色火焰,生成有刺激性气味的气体S+O2点燃SO2铁在氧气里燃烧放热,火星四射,生成黑色固体3Fe+2O2点燃Fe3O4氢在氯气里燃烧发出苍白色火焰H2+Cl2点燃2HCl从上表可知,这些物质燃烧的共同特点是反应激烈,反应过程中都发光并放出热(氢气在氯气中燃烧同样也放热),化学反应的本质都属于氧化还原反应。

什么叫燃烧?课本上给燃烧下的定义是这样的:“燃烧指的是可燃物跟空气里的氧气发生的一种发热发光的剧烈的氧化反应。”显然,从这个定义出发,燃烧需要有氧气参加。但我们学过氧化还原反应以后就会发现,有些反应同样是发热发光的剧烈的氧化反应,但并没有氧气参加。例如,氢气在氯气里的燃烧。因此有必要将燃烧的定义加以扩充,以加深对燃烧概念的理解。我们知道,氧气是一种强氧化剂,在氧化还原反应中易得到电子而本身被还原。空气中含有大量的氧气,物质的燃烧绝大多数是在空气中进行的。所以大多数燃烧反应有氧气参加。但我们从上表中也可以看到氢气能在氯气中燃烧,因为氯气也是一种强氧化剂,它与氢的反应同样是激烈的发光发热的氧化还原反应,因此也应该叫燃烧反应。这样,我们就可以把燃烧的定义扩充成“燃烧是发光发热的剧烈的氧化还原反应”。

二氧化碳是常用的灭火剂。消防用的泡沫灭火器中装有硫酸铝溶液和碳酸氢钠,当使用灭火器来灭火时,将灭火器倒转过来,硫酸铝溶液和碳酸氢钠相混合,反应产生大量的二氧化碳气体并同氢氧化铝形成泡沫喷射在已燃烧的物质上。因为二氧化碳比空气重,它与泡沫一起覆盖在燃烧物质表面使其隔绝空气达到灭火的效果。二氧化碳所以能灭火,其内因是由于二氧化碳与燃烧物质不能进行反应,从而达到灭火的目的。

二氧化碳能用来扑灭一切燃烧的火焰吗?不。因为二氧化碳中碳原子的化合价是+4价,为碳的最高化合价,它有可能得到电子变成+2价或0价。所以+4价的碳可以被还原,故二氧化碳是一种氧化剂。当它遇到强还原剂时也可以进行激烈的发光发热的氧化还原反应。例如,在盛满二氧化碳的烧杯里,放进点燃的镁带,可以观察到镁带在二氧化碳里继续燃烧。反应时,发出耀眼的白光,生成白色固态物质——氧化镁,同时在烧杯壁上附着黑色物质——碳。其反应方程式为:2Mg+CO22CO

这个反应不放热,也不发光,而是吸热,故不能叫燃烧反应。

综上所述,燃烧是发光发热的激烈的氧化还原反应。二氧化碳常作为灭火剂,但不是所有的物质都不能在二氧化碳里燃烧。

水助燃之谜

中国有句俗语叫“水火难容”,意思是说水是火的对头,两者是势不两立的事物。水能灭火也是常见的事实。大家知道,只要哪里发现火灾,消防车就会隆隆地开去,喷出“大水”,火便会很快熄灭。

但是,在特定的条件下,水却能帮助燃烧哩!或许您早已注意到,在工厂或老虎灶旁边的煤堆里,工人师傅常把煤堆浇得湿淋淋的,如果您问他们为什么要浇水时,他会告诉您说:“湿煤要比干煤烧得更旺。”

难道这是可能的吗?

原来,世界上一切事物,都会按不同的条件表现自己的独特性格。水也不例外,其实水能助燃,也表现在日常生活上,当你在烧开水时,如果壶里水开了溢出来,落到煤炉上,顿时火焰会变得更旺。究其原因也不复杂,因为,当炉膛中煤燃烧的温度很高时,加入水,就会和煤起化学作用生成一氧化碳和氢气:C+HO24HF+O2↑

在光的催化下,氯也可和水作用生成盐酸和次氯酸:Cl2+H2OHCl+HClO

至于不活泼的非金属元素,如溴、碘、磷等一般就不能和水作用了。

人体中的化学元素

古时候,人们就在猜想,人的身体是由什么物质组成的,这些物质又是一些什么异乎寻常的东西呢?早在18世纪,就有人发现,人的尸体经过燃烧后留下的白灰,是一些无机盐。这个发现引起了科学家的兴趣。从那时起,百多年来,科学家为揭开组成人体化学物质的秘密,作出了巨大的努力。

人体里有哪些化学元素呢?根据现代科学的测定,在人体里已经找到的元素有几十种之多,人体的99%是由氧、碳、氢、氮、钙、磷、钠、钾、氯、镁、硫等十几种元素组成,这些化学元素叫作人体必要的大量元素。人体的其余部分(约占1%)是由铁、铜、锌、碘、氟、锰、溴、硅、铝、砷、硼、锂、钛、铅等许多种元素组成的,这些元素叫作人体的微量元素。

化学元素与人的生命和健康有着很大的关系哩!

氧,是地球上最多的元素,也是人体中最多的一种元素。大家知道,水是氢和氧两种元素组成的。一个体重50公斤的少年,大约有30公斤的水而其中氧就占26公斤,况且身体其他不含水的部分也含有氧。人在呼吸时,吸进的是氧气。人一星期不喝水才会造成死亡。但如果停止呼吸6~7分钟,便会死亡。一个13~14岁的少年,每分钟要呼吸20次左右,每次大约吸入1/3升氧气,一天需要9000升左右的氧气。你看,氧气对人的生命来说是多么重要呀!

人们知道,一切生命现象都离不开蛋白质。那么蛋白质是什么呢?经过化学家分析,发现氮是组成蛋白质的重要成分。比如,头发、指甲以及人体中的各种酶、激素、血红蛋白都是蛋白质。因此,可以说氮是生命的基础。

众所周知,那黑黑的木炭与煤就是碳(含有一些杂质)。难道碳也是人体里的重要元素吗?是的,人在呼吸时,吐出的是二氧化碳,这是人体中的碳与空气中的氧化合的结果。

事实上,科学家早已发现,碳的足迹遍布人的全身哩。人体的18%是碳。碳的化合物叫作有机化合物(少数简单的碳的化合物除外)。人的机体从头到脚、从里到外,几乎都是有机化合物组成的。

人能站立,是靠体内的骨骼支撑住的,没有骨骼,人的体形是很难设想的。人的骨头的主要成分是磷酸钙,所以钙是长骨骼的原料。人体里的钙99%在骨头中,骨头的坚硬就是由于磷酸钙沉积在里面的缘故。当骨头中缺少足够的钙与磷时,骨头就不能钙化(硬化),结果骨质就要软化。孩子比成年人更需要钙,就因为他们的骨头正在不断长大。血液中也含有一定量的钙离子,没有它,皮肤划破了,血液就很不容易凝结。钙和神经肌肉活动也有关系,当血液中钙的浓度降低了,外界只要有一点极轻微的刺激,就会使神经肌肉产生强烈的反应,甚至发生全身抽搐。

现在该懂得钙对人体的重要了。也许你会说,多吃些钙粉或钙糖片就好了。不行!人一昼夜大约只需要吸收一克的钙。过量的钙,会引起人的心脏病。只要你不偏食,各种食物都吃,你所需要的钙是能从每天的食物中得到的。

人体里的磷大约有1公斤左右。这个数量足够火柴厂生产几百只火柴盒,因为火柴盒两边涂的物质就是磷。磷在人体和生命中执行着好几个重要的任务。如果骨头里失去了磷,人体就会缩做一团,不成一个样子。肌肉失去了磷,就会失去运动能力,你就不能打球跑步做游戏。在人的脑神经组织中,也有许多磷的化合物——磷脂,如果脑子失去了磷,人的一切思想活动就会立即停止。

食盐不仅是增进食欲的调味品,还是人体维持生命活动的必需品。你如果尝一下血液的味道,会感觉到血液具有咸味。正是这个缘故,人天天要吃盐。正常的人每天要吃10~20克的盐,一年大约要吸收3~6公斤的盐,食盐的化学成分是氯化钠。人吃盐,就是为了吸收食盐里的钠离子。人体里如果缺少必要的钠离子,就会浑身无劲,并使一系列组织器官的功能紊乱,影响神经肌肉的活动,严重时甚至会死亡。

人体中第一个被发现的微量元素是碘。纯净的碘是紫色的。事情是从甲状腺开始的。甲状腺是靠近喉头的一个器官,它分泌甲状腺素,提高全身的新陈代谢,促进骨骼的生长发育。19世纪末,一个化学家知道了甲状腺的显著特点是含有碘,而人体里所有其他组织都没有碘。到了20世纪初,有一个医生发现,一些内陆地区的居民与儿童的脖子,要比其他地区的人肥大,领扣扣不起来,甚至眼球突出,动作迟钝。后来经过研究,终于知道了:人体内大约有20毫克(相当于一小粒米的重量)的碘,人体每天大约需要140微克的碘。“大脖子病”(甲状腺肿大)就是由于缺乏少量的碘而引起的。

人体的血液总量约为体重的8%左右。一个体重60公斤的人,血液总量约为4.8公斤。一个成年人的血液里,大约只有3克铁,相当于一根小铁钉的重量。这些铁,有3/4是在血红素中。铁是制造血液里红细胞的主要原料。人体器官中,含铁最多的是肝和脾。血液中如果缺乏极微量的铁,血液的血红蛋白就会变得不足,从肺部运送到机体组织细胞去的氧气也就减少,影响人体的健康。严重缺铁时会引起贫血病,这时,脸色和皮肤苍白、头昏眼花、全身无力。

化学元素在人体内的作用,还可以列举出许多,但不论是人体内必要的大量元素,还是微量元素,只要缺少其中的任何一种元素,都会引起身体的变化。你看,研究和认识人体内的化学元素,是一个多么有意义的课题呀。

硫是单原子分子吗

氧、氟、氯等的分子都是双原子分子,写成O2、F2、Cl2,这从它们的原子结构可得到解释,因为它们最外层电子都未达到饱和,必须由两个原子共同组成一对或二对、三对共用电子对后才达到稳定结构,所以都用双原子表示它们的分子组成。

但当学到硫、磷等非金属单质时,它们的分子却用元素符号表示,即用代表一个原子的元素符号来表示它们的分子式,写成S。硫跟氧的原子结构相似,即最外层都是6个电子。为什么它的分子式不写成S2而写成S,同学们往往不理解,以至常常写错。

硫在444.6℃沸腾,由固态硫变为硫蒸气。从测定蒸气度可知,硫的蒸气里有S8、S6、S4和S2等分子的存在,每种分子的数目也不一定,视温度的高低而不同,它们存在如下平衡:3S84S66S412S2

此平衡随温度升高而向正反应方向移动,到750℃时,S2占92%,S8仅占0.1%;加热到1500℃,S2分子开始分解为单原子S。为简便起见,习惯上把硫分子写成S,而不写S8或S2。实际上只有在1500℃的蒸气中才有S。磷、碳、硅也有类似的情况。

能导电却不是电解质的金属

初三化学课本有一道这样的题目:金属能够导电,它们是不是电解质?

金属不是电解质。电解质在水溶液里或熔化的状态下能够导电,金属固体或熔化状态都能导电,但是,金属导电和电解质导电的本质不同。金属导电是依靠金属晶体中的自由电子导电;电解质导电是依靠电解质溶于水或熔化状态下电离产生的自由移动的离子导电。金属导电发生的是物理变化,电解质导电同时伴随发生化学变化。

金属也不是非电解质。有些人说,这不是违背逻辑吗?一种物质不是电解质就是非电解质嘛!这种说法不对。要知道,电解质和非电解质是在化合物范围内划分的两类物质。金属是单质,不是化合物,这道理如同猫不是男人也不是女人一样简单。

反应物相同,反应现象不同

化学是以实验为基础的科学,做好化学实验并能够正确分析实验现象是学好化学的关键。学生在做实验时,往往会遇到反应物相同,但因操作顺序不同而实验现象不同的问题。为什么会有这种问题呢?现举几例进行解析。

一、在淀粉碘化钾溶液中滴加少量氯水,溶液变蓝色;在氯水中滴加少量淀粉碘化钾溶液,溶液变无色分析:前者因少量的氯水与碘化钾溶液发生了如下反应:2KI+Cl22KCl+I2

I2遇到淀粉溶液变蓝。而后者由于氯水过量,生成的I2又与过量的氯水发生了反应:2KI+Cl2=2KCl+I2 I2+5Cl2+6H2O=2HIO3+10HCl故不能使溶液变蓝。

二、在澄清石灰水中逐渐滴入磷酸,先产生白色沉淀且逐渐增多,后又逐渐消失;在磷酸溶液中逐渐滴入石灰水,开始无沉淀后产生白色沉淀且不消失分析:前者由于是逐渐滴入磷酸,开始时少量的磷酸与石灰水反应产生难溶的磷酸钙。随磷酸的逐渐滴入磷酸钙又逐渐转化为磷酸氢钙(CaHPO4几乎不溶于水),故白色沉淀逐渐增多;当继续滴入磷酸且足够量时,难溶的磷酸氢钙转化为可溶于水的Ca(H2PO4)2而沉淀消失,其反应方程式为:

2H3PO4+3Ca(OH)2Ca3(PO4)2↓+6H2OCa3(PO4)2+H3PO43CaHPO4

CaHPO4+H3PO4Ca(H2PO4)2

后者因开始时过量的磷酸与石灰水反应生成了可溶性的Ca(H2PO4)2,随着石灰水的量的逐渐增大,Ca(H2PO4)M2逐渐转化为几乎不溶于水的磷酸氢钙,最后全部生成难溶的Ca3(PO4)2。

Ca(OH)2+2H3PO4Ca(H2PO4)2+2H2OCa(H2PO4)2+Ca(OH)22CaHPO4+2H2O2CaHPO4+Ca(OH)2Ca3(PO4)2+2H2O三、在新制的氢硫酸溶液中,滴入少量氯水,溶液变混浊,产生浅黄色沉淀;若在新制的氯水中滴入少量氢硫酸,溶液呈无色分析:前者因少量的氯水与氢硫酸发生了置换反应:Cl2+H2SS↓+2HCl故产生浅黄色沉淀;而后者,氢硫酸被过量的氯水氧化生成了可溶于水的硫酸。

4H2O+4Cl2+H2SH2SO4+8HCl四、在氯化铝溶液中逐渐滴入氢氧化钠溶液,先产生白色絮状沉淀,后沉淀消失;反之,在氢氧化钠溶液中逐渐滴入氯化铝溶液,开始无沉淀,后产生白色絮状沉淀且不消失分析:前者因开始时少量氢氧化钠与氯化铝反应产生难溶的氢氧化铝,随氢氧化钠的量的增多,过量的氢氧化钠与两性的氢氧化铝反应,产生可溶性的偏铝酸盐使沉淀溶解。

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