关于氮族元素教学改革的几点建议

doi:10.3866/PKU.DXHX201903004

摘要/Abstract

摘要：

根据氮族元素这一章节的知识特点并结合自已精品视频公开课教学体会，从利用化学原理讲透物质结构与性质，设计问题引导学生思考，培养学生的学习能力，指导学生善于归纳物质性质的变化规律，注意本族元素及化合物与生产、生活实际的联系等方面探讨了无机元素化学的教学改革，旨在指导学生有效地学习、记忆并掌握元素化学知识，提高课堂教学质量。

关键词: 氮族元素, 教学, 教学改革

Abstract:

Based on the knowledge characteristics of the chapter on nitrogen group elements, and combined with the teaching experience of our excellent video open course, this paper has probed the teaching reform of inorganic elements chemistry from the following aspects:using the principle of chemistry to explain the structure and properties of substances, designing problems to guide students to think and cultivate their learning ability, instructing students to be good at inducing the changing laws of material properties, paying attention to the relationship between the elements and compounds and practices of production and life. It aims to guide students to learn, memorize and master the knowledge of element chemistry effectively, and improve the quality of classroom teaching.

Key words: The nitrogen group elements, Teaching, Teaching reform

MSC2000:

朱国贤,谢木标,陈静,潘荣楷. 关于氮族元素教学改革的几点建议[J]. 大学化学, 2019, 34(9): 50-56.

Guoxian ZHU,Mubiao XIE,Jing CHEN,Rongkai PAN. Suggestions on the Teaching of Nitrogen Group Elements[J]. University Chemistry, 2019, 34(9): 50-56.

图/表 3

表1

表2

氮族元素学习思考题与简答"

教学内容	问题	简答
16.1氮族元素概述	⑴为什么N―N键的键能(167 kJ·mol^-1)比P―P键(201 kJ·mol^-1)的小？	⑴由于N内层电子少(只有1s²)，原子半径小，当形成N―N单键时，相互之间作用力弱，所以N―N键能比P－P单键要小
	⑵为什么氮可以生成双原子分子N₂，而同族其他元素不能生成双原子分子？	⑵N的半径很小，容易形成p–pπ键(包括离域π键)。N原子核外有3个未成对电子，可形成三重键。其他原子半径很大，而使原子间的p轨道重叠很小，不能形成多重键
	⑶氮和本族其他元素在性质上有哪些显著差异？	⑶氮含氢化合物生成氢键，单质生成重键，化学性质活泼，无同素异形体，最高配位数为4
	⑷P、As、Sb可形成稳定的五氯化物，而N和Bi却不能形成？	⑷N位于第二周期，价电子层没有d轨道，只有2s、2p 4个轨道参与成键，形成的共价键最多是4个；Bi位于第六周期，由于惰性电子对效应，6s 2个电子难以参与成键
16.2氮和氮的化合物	⑴如何除去N₂中含有的少量O₂？	⑴将气体通过炽热的铜丝或连二硫酸钠的碱性溶液即可： 2Cu + O₂ = 2CuO 2Na₂S₂O₄ + O₂ + 4NaOH = 4Na₂SO₃ + 2H₂O
	⑵为什么常用NH₃而不用N₂作为制备含氮化合物的原料？	⑵N₂分子中氮氮三重键键能很大，不易参加反应；而NH₃分子中的N―H键则键能较小，易断裂参加反应
	⑶如何除去N₂中少量NH₃和NH₃中的水气？	⑶将N₂通入水中，少量的NH₃溶于水而除去；用CaO可吸收NH₃中的水气
	⑷为什么可用浓氨水检查氯气管道的漏气？	⑷氯气与氨可发生下列反应： 3Cl₂ + 2NH₃ = N₂ + 6HCl HCl + NH₃ = NH₄Cl (冒白烟)
	⑸如何除去溶液中微量的NH₄⁺?	⑸溶液中加少量的NaNO₂后加热除去NH₄⁺： NH₄⁺ + NH₂^- = N₂ + H₂O
	⑹如何除去NO中微量的NO₂和N₂O中少量的NO？	⑹将气体通入水中，NO₂易溶于水： 3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO 将气体通过装有FeSO₄溶液的洗气瓶，即可除去其中少量的NO： FeSO₄ + NO = Fe(NO)SO₄
	⑺根据HNO₃的分子结构，说明HNO₃为什么不稳定？	⑺在硝酸分子中，由于一个质子与NO₃^-相连，使得键角和键长都发生了变化，与氢相连的N―O键较长，所以硝酸分子的对称性较低，稳定性不如NO₃^-离子
	⑻为什么久置的浓HNO₃会变黄？	⑻由于浓硝酸见光发生分解，产生NO₂溶于硝酸中，使溶液呈黄色
	⑼试用三种方法区分NaNO₂和NaNO₃	⑼方法一：与硝酸作用生成棕色二氧化氮的是NaNO₂，而NaNO₃不能，NO₂^- + NO₃^- + 2H⁺ = 2NO₂ + H₂O 方法二：可使酸性高锰酸钾褪色的是NaNO₂，而NaNO₃则不能方法三：棕色环实验，FeSO₄与NaNO₃、浓硫酸生成棕色环，而与NaNO₂则生成棕色溶液
16.3磷和磷的化合物	⑴在实验室中，如何存放白磷？	⑴白磷要储存在水中，因白磷在潮湿空气中发生缓慢氧化作用，当氧化积聚的热量达到燃点时便发生自燃
	⑵虽然氮的电负性比磷高，但是为什么磷的化学性质比氮活泼？	⑵这是由二者单质的结构不同决定的：N的半径很小，但N原子间形成三重键，叁键的键能很高，难以断开，因而N₂很不活泼；P原子半径很大，而使P原子间的p轨道重叠很小，不能形成多重键。P―P单键键能很小，很容易断开，特别白磷的P―P―P键角小、张力大，更活泼
	⑶白磷剧毒，若不慎将白磷沾到皮肤上，如何处理？	⑶可用CuSO₄溶液(0.2 mol·L^-1)冲洗，利用磷的还原性来解毒： 2P + 5CuSO₄ + 8H₂O = 5Cu + 2H₃PO₄ + 5H₂SO₄ 11P + 15CuSO₄ + 24H₂O = 5Cu₃P + 6H₃PO₄ + 15H₂SO₄
	⑷为什么磷和KOH溶液反应生成的PH₃气体遇空气冒白烟？	⑷磷和KOH溶液反应生成的PH₃气体中含有少量的P₂H₄，P₂H₄在空气中易自燃生成P₂O₃而冒白烟
	⑸PH₃和过渡金属形成配合物的能力为什么比NH₃强？	⑸除孤对电子外，P有空的3d轨道可接受金属反馈电子，加强了配离子的稳定性
	⑹为什么P₄O₁₀中P―O键长有两种，分别为139 pm和162 pm？	⑹在P₄O₁₀分子中有两种氧，一种是与磷形成双键的端氧(P＝O)，磷氧双键键长略短，为139 pm；一种是同时与两个磷成键的桥氧(P―O―P)，磷氧单键键长略长，为162 pm
	⑺PCl₃与NCl₃的水解产物有什么不同?	⑺N的电负性(3.04)比Cl (3.16)略小，但由于N原子半径小，它与质子结合的能力比氯原子强，所以水解中是N夺取质子
	⑻如何鉴别正磷酸、偏磷酸、焦磷酸？	⑻分别取三种样品少量，用NaHCO₃溶液调pH近中性，加入硝酸银溶液，产生黄色沉淀的为正磷酸；偏磷酸、焦磷酸均产生白色沉淀。另取偏磷酸、焦磷酸各少量，分别加入蛋白溶液，混浊的为偏磷酸
	⑼为什么向NaH₂PO₄或Na₂HPO₄溶液中加入AgNO₃溶液均析出黄色Ag₃PO₄？	⑼Ag₃PO₄的溶度积常数比AgH₂PO₄和Ag₂HPO₄都小得多，即Ag₃PO₄的溶解度更小，而易从溶液中析出
	⑽过磷酸钙肥料为什么不能和石灰一起使用贮存？	⑽由于过磷酸钙中的Ca(H₂PO₄)₂会与石灰反应生成Ca₃(PO₄)₂难溶物，影响植物的吸收
16.4砷、锑、铋	⑴为什么Bi(Ⅴ)的氧化能力比同族其他元素强?	⑴从本族元素的元素电势图可知，Bi(Ⅴ) (常以B₂O₅存在)的标准电极电势最大(1.6 V)。另从原子结构分析，Bi原子的次外层5d轨道、倒数第三层4f轨道均处于全充满状态，且4f、5d对电子的屏蔽作用较小，而6s电子又具有较大的穿透能力，所以6s电子具有“惰性电子对效应”。失去2个6s电子的Bi(Ⅴ)更倾向于得到2个电子形成更稳定的Bi³⁺
	⑵如何解释As₂O₃在盐酸中的溶解度随酸的浓度增大而减小后又增大的原因	⑵当酸的浓度非常低时，存在以下平衡： As₂O₃ + 3H₂O = 2As(OH)₃ 酸的浓度的加大，不利于水解反应；酸的浓度增大后，存在以下反应： As₂O₃ + 8HCl = 2H[AsCl₄] + 3H₂O 增大盐酸的浓度，有利于反应向右进行
	⑶法医如何鉴定砒霜中毒？	⑶马氏试砷法：检验方法是用Zn、盐酸和试样混在一起，将生成的气体导入热玻璃管，若试样中有砷的化合物存在，就会生成AsH₃，因生成的AsH₃在加热部位分解产生As，As聚集在器皿的冷却部位形成亮黑色的“砷镜”(能检出0.007 mg As)。“砷镜”如果能用次氯酸钠溶液洗涤而溶解，则证明是砷
	(4) AsO₃^3–能在碱性溶液中被I₂氧化成AsO₄^3–，而H₃AsO₄又能在酸性溶液中被I^-还原成H₃AsO₃，二者是否矛盾？	⑷此题并无矛盾，可从介质的酸碱性对电极电势的影响得到解释
	⑸如何鉴别As³⁺、Sb³⁺、Bi³⁺三种离子？	⑸利用As³⁺、Sb³⁺、Bi³⁺硫化物颜色的不同加以鉴别。向三种化合物溶液中通H₂S，生成黄色沉淀的是As³⁺，生成橙色沉淀的是Sb³⁺，生成黑色沉淀的是Bi³⁺
	⑹由亚砷酸钠制备As₂S₃，为什么需要在浓的强酸性溶液中？	⑹由于As³⁺的强水解性，只有在强酸性介质中，才有游离的As³⁺与S^2-结合生成As₂S₃
	⑺向含有Sb(Ⅴ)的酸性溶液中通入H₂S得到什么产物？	⑺向SbCl₅溶液中通入H₂S时，伴随Sb₂S₅的生成，溶液的酸度提高，Sb⁵⁺氧化能力提高而与H₂S发生氧化还原反应，有Sb₂S₃和S沉淀生成： 2Sb⁵⁺ + 5H₂S = Sb₂S₅ + 10H⁺ 2Sb⁵⁺ + 5H₂S = Sb₂S₃ + 2S + 10H⁺
	⑻Sb₂S₃既能溶于Na₂S溶液也能溶于Na₂S₂溶液；Bi₂S₃既不能溶于Na₂S溶液也不能溶于Na₂S₂溶液，请说明原因	⑻Sb₂S₃是两性氧化物，并具有还原性，故可以和碱性氧化物及具有氧化性的多硫化物反应： Sb₂S₃ + 3Na₂S = 2Na₃SbS₃ Sb₂S₃ + 3(NH₄)₂S₂ = 2(NH₄)₃SbS₄ + S 而Bi₂S₃具有碱性，没有酸性，还原性极弱，不发生上述反应
	⑼在酸性溶液中，按氧化能力由大到小排列下列离子，并作简要说明：NO₃^–、PO₄^3– AsO₄^3–、SbO₄^3–、BiO ₃^–	⑼氧化能力： BiO ₃_–﹥NO₃^–﹥SbO₄^3–﹥AsO₄^3–﹥PO₄³ 在氮族的正五氧化态化合物中，随周期数增加，元素R的半径增大，R―O键强度减弱，则氧化能力增强。由于Bi(Ⅴ)的惰性电子对效应，其氧化性最强且有一个突跃。而N(Ⅴ)由于无空的价层d轨道，N―O间不存在d←pπ配键使键强变弱，N―O键易断而有明显的氧化性

表2

表3

教学内容	氮族元素相关知识点	化学原理部分章节及相关知识点
16.1氮族元素概述	本族元素最高氧化态可达到+5	原子结构与元素周期系(价电子构型为ns²np³)
	本族元素从上到下金属性逐渐增强	原子结构与元素周期系(原子半径逐渐增大)
16.2氮和氮的化合物	氮分子(N₂)稳定性高	分子结构(分子轨道理论)
	氨(NH₃)分子极性强、易形成氢键	分子结构(杂化轨道理论)
	NH₃、N₂H₄、NH₂OH的碱性逐渐减弱	酸碱理论(接受质子的能力降低)
	NO具有顺磁性	分子结构(分子轨道理论)
	NO⁺、NO、NO⁻的键长逐渐增大	分子结构(分子轨道理论)
	NO₂具有顺磁性	分子结构(杂化轨道理论)
	HNO₂是快速氧化剂	化学动力学基础(酸将HNO₂转变成NO⁺)
	硝酸根($ \text{NO}_{3}^{-}$)的稳定性	分子结构(杂化轨道理论，分子内存在共轭π键)
16.3磷和磷的化合物	白磷(P₄)的化学活性高	分子结构(价键理论)
	H₅P₃O₁₀、H₄P₂O₇、H₃PO₄的酸性逐渐增强	酸碱理论(缩合度增加，酸性增强)
	H₃PO₄、H₃PO₃、H₃PO₂的还原性逐渐增强	分子结构(杂化轨道理论，P－H键逐渐增多)
16.4砷、锑、铋	NH₃、PH₃、AsH₃分子中的键角逐渐减小	分子结构(杂化轨道理论)
	NH₃、PH₃、AsH₃的还原性逐渐增强	原子结构与元素周期系(原子半径逐渐增大、电负性减小)
	NaBiO₃为强氧化剂，BiCl₅不存在	原子结构与元素周期系(钻穿效应，6s²的惰性电子对效应)
	Sb(Ⅲ)、Bi(Ⅲ)强烈水解	晶体结构(离子极化作用)

三卤化物	水解反应方程式	备注
NCl₃	NCl₃ + 3H₂O = NH₃↑ + 3HClO
PCl₃	PCl₃ + 3H₂O = H₃PO₃ + 3HCl	>NCl₃与PCl₃水解产物不同的原因，第二节已解释
AsCl₃	AsCl₃ + 3H₂O = H₃AsO₃ + 3HCl
SbCl₃	SbCl₃ + H₂O = SbOCl↓ + 2HCl	>不完全水解，停留在酰基盐阶段。配制盐溶液，应加入酸，抑制水解
BiCl₃	BiCl₃ + H₂O = BiOCl↓ + 2HCl	同上

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