金属元素化学教学案例

第13章金属元素化学—教学案例

案例13.1：金红石型纳米二氧化钛是一种热稳定性优良的抗菌纳米复合环保涂料，具有抗菌效果好、功效长、广谱抗菌、对人体及动物无毒性等优点。实验表明，这种涂料通过接触作用对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌24小时的杀菌率达到90%以上。因此常被用作医院门诊、病房的室内墙面涂料，起到抗菌和降低污染的作用。它的制备方法有多种，常用的方法为：以TiCl4（化学纯）、盐酸（分析纯36%）为原料，在冰水浴冷却下将TiCl4缓慢滴入蒸馏水中，连续搅拌，配成一定浓度的水溶液为储备液，与盐酸、蒸馏水按一定比例配制混匀后升温、搅拌，在一定温度下保温数小时，将所得水解产物过滤、洗涤直至滤液呈中性（即无Cl–），经加热干燥即可制得TiO2粉体。在制备过程中，盐酸的加入量对沉淀产物形成金红石型TiO2有重要影响。

问题：(1) 请写出该制备过程的主要反应式？(2) 制备过程中，如何检验滤液呈中性无Cl–？(3) 为何加入盐酸的量对形成金红石型TiO2有重要影响？

案例13.1分析：该制备方法主要是利用TiCl4易水解性，其反应式如下：

TiCl4 + 3H2O＝H2TiO3 + 4HCl

滤液中有无Cl–，可加入AgNO3溶液检验有无白色沉淀即可。实验证明，不加盐酸时，所得水解产物呈胶体沉淀状态，无法用普通过滤方法截留沉淀物；例如1 L的反应液中，当加入10 mL盐酸时，产率为52%，加入量为20 mL时，产物的收率为94%。但盐酸的量继续增加，TiO2的收率反而降低。原因是盐酸是TiCl4的水解反应中的生成物，根据化学平衡原理可知，其在体系中含量过高，会抑制水解反应的进行，使产率降低。

案例13.2：实验室中所用的铬酸洗液是重铬酸钾饱和溶液和浓硫酸的混合物。它是一种棕红色并具有很强氧化性的溶液，常用于洗涤化学玻璃器皿，以除去器壁上黏附的油污层。经验告诉我们，洗液经使用后，将由棕红色逐渐转变为暗绿色，若全部变为暗绿色，表明洗液已失效。大量使用铬酸洗液容易造成环境污染，现在已逐渐被其他洗涤剂所代替。

问题：(1) 铬酸洗液的洗涤原理是什么？(2) 为什么说铬酸洗液若全部变为

暗绿色，表明洗液已失效？(3) 根据已学习过的P区元素的知识，请你从常见的化学试剂中选择合适的洗液代用品，说明你的理由。

案例13.2分析：配制洗液时，将浓H2SO4与K2Cr2O7混合，有CrO3红色针状晶体析出：

K2Cr2O7 + 2H2SO4＝2KHSO4 + 2CrO3 + H2O

洗液实际上是利用CrO3强的氧化性及H2SO4的强酸性，当洗液由棕红色转变为棕或暗绿色时，表明大部分Cr(VI)已转换为Cr(III)，洗液基本失效。若全部变为暗绿色，表明洗液已全完失效。由于Cr(VI)污染环境，是致癌物质，因此目前已很少使用了。作为该洗液的代用品，可选王水，其组成为浓硝酸与浓盐酸按1﹕3体积比配制。王水利用浓硝酸的强氧化性，Cl–的配位性，以及大多数金属硝酸盐易溶等性质产生洗涤去污作用。

还需要注意的是，Cr(VI)化合物的生物毒性很大，Cr(III)次之。Cr(VI)中毒时，会引起肝、肾、神经系统和血液系统发生病变，甚至导致死亡。广泛应用于冶金和金属加工（如镀铬）等工业上的铬化合物，必须要经过严格的处理才能排放。

案例13.3：1961年，A. S. Prasad等报告“伊朗乡村病”，有身材矮小、生殖器官发育不良、缺铁性肝脾大、精神不振等症状。由于患者有严重贫血症，起初他以为系缺铁造成，给患者补充铁剂后，贫血症状略有改善，但其他症状却毫无减轻。后来经营养学家研究发现，这些孩子的症状与动物实验中小白鼠缺锌的症状相似，于是让患者口服锌制剂，果然取得了良好的效果。锌为人体必需的微量元素之一，作为体内多种酶的组成成分，它广泛地参与核酸代谢与蛋白质合成，也参与糖、脂类及维生素A的代谢等，减少过氧化脂质及其他自由基对细胞膜相结构的损害。锌缺乏可致厌食、矮小、性成熟障碍、免疫功能低下、皮疹及脱发等。

问题：必需微量元素有哪些重要的生理功能？你认为什么样的锌制剂效果比较好？

案例13.4：水俣病是因食入被有机汞污染河水中的鱼、贝类所引起的甲基汞为主的汞中毒或是孕妇吃了被有机汞污染的海产品后引起婴儿患先天性水俣病，是有机汞侵入脑神经细胞而引起的一种综合性疾病。因1953年首先发现于日本熊

本县水俣湾附近的渔村而得名，是最早出现的由于工业废水排放污染造成的公害病。水俣病是慢性汞中毒的一种类型，症状表现为轻者口齿不清、步履蹒跚、面部痴呆、手足麻痹、感觉障碍、视觉丧失、震颤、手足变形，重者神经失常，或酣睡，或兴奋，身体弯弓高叫，直至死亡。

问题：汞是常见有毒微量元素，是否汞的单质及其化合物都有毒？何种类别的汞化合物毒性高？

案例13.5：骨痛病（也称痛痛病）是发生在日本富山县神通川流域的一种奇病，以周身剧痛为主要症状而得名。骨痛病发病的主要原因是神通川上游某铅锌矿的含镉选矿废水和尾矿渣污染了河水，当地居民长期饮用受镉污染的河水，并食用此水灌溉的含镉稻米，致使镉在体内蓄积而造成肾损害，进而导致骨软症。曾有一个患者，打了一个喷嚏，竟使全身多处发生骨折。另一患者最后全身骨折达73处，身长为此缩短了30厘米，病态十分凄惨。该病潜伏期一般为2～8年，长者可达10～30年。初期，腰、背、膝、关节疼痛，随后遍及全身。疼痛的性质为刺痛，活动时加剧，休息时缓解，髋关节活动障碍，步态摇摆。数年后骨骼变形，身长缩短，骨脆易折，患者疼痛难忍，卧床不起，呼吸受限，最后往往在衰弱疼痛中死亡。从1931～1977年，共有近300名患者，死亡200多人，成为轰动世界的“骨痛病”。

问题：镉是人体必需微量元素吗？镉是怎样进入人体内的？