第三章金属及其化合物.doc

第三章 金属及其化合物
知识结构：
金属及其化合物
金 属 的
化学性质
金属化合物
金属与氧气的反应
金属与水的反应
金属与酸的反应
某些金属与碱的反应
金属与盐溶液的反应
金属与氧化物
金属与氢氧化物
盐
四种基本反应
离子反应
氧化还原反应
化学反应
金 属材 料
常见合金的重要应用
正确选用金属材料

一、 钠及其化合物之间的转化关系：
1）课本P．59 关系图（见课本）
加热
2）相关的化学反应式：

5

1、2Na + O2 == =Na2O2
2、2Na + 2H2O == 2NaOH + H2↑
△
3、2NaOH + CO2 == Na2CO3 + H2O
4、2NaHCO3 === Na2CO3 + H2O + CO2 ↑
5、Na2CO3 + H2O + CO2 == 2NaHCO3
电解
6、Na2CO3 + Ca(OH)2 == 2NaOH + CaCO3↓
7、4NaOH（熔融）==== 4Na +O2 ↑+ 2H2 ↑
8、4Na + O2 == 2Na2O
9、2Na2O + O2 === 2Na2O2
10、Na2O + H2O == 2NaOH
11、2Na2O2 + 2H2O == 4NaOH + O2 ↑
12、 2Na2O2 + 2CO2 == 2Na2CO3 + O2
电解
13、NaOH + CO2(过量) == NaHCO3
点燃
14、2NaCl(熔融) ==== 2Na+Cl2 ↑
15、 2Na + Cl2 ==== 2NaCl

二、 铝及其化合物之间的转化关系：
1）课本P．59 关系图（见课本）
2）相关的化学反应式：

△
1、4Al + 3O2 === 2Al2O3
2、2Al(OH)3 === Al2O3 + 3H2O
3、Al(OH)3 + 3HCl == AlCl3 + 3H2O
4、2Al + 6HCl == 2AlCl3 + 3H2 ↑
5、Al2O3 + 2NaOH == 2NaAlO2 + H2O
6、2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2+3H2 ↑
电解
7、Al(OH)3 + NaOH == NaAlO2 + 2H2O
8、2Al2O3(熔融) === 4Al+3O2↑

9、AlCl3 + 3NaOH === 3NaCl + Al(OH)3↓
AlCl3 + 4NaOH (过量) === 3NaCl + NaAlO2 + 2H2O
10、2NaAlO2 +3H2O+CO2==Na2CO3+2Al(OH)3 ↓
11、 NaAlO2 + 2H2O + CO2 (过量)===NaHCO3 + Al(OH)3↓
12、 NaAlO2 + H2O + HCl===NaCl + Al(OH)3↓
13、NaAlO2 +4HCl(过量)===NaCl +AlCl3 +2H2O

注意铝三角关系。
三、 铁及其化合物之间的转化关系：
1）课本P．59 关系图（见课本）
点燃
2）相关的化学反应式：

高温
1、3Fe + 2O2 ==== Fe3O4
　　3Fe + 4H2O(g) ==== Fe3O4 + 4H2
2、Fe + 2HCl == FeCl2 + H2↑
3、FeCl2 + 2NaOH == Fe(OH)2 ↓ + 2NaCl
4、4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O == 4Fe(OH)3
5、Fe(OH)3 + 3HCl == FeCl3 + 3H2O
6、FeCl3 + 3NaOH == Fe(OH)3 ↓ + 3NaCl
7、2FeCl2 + Cl2 == 2FeCl3
△
8、2FeCl3 + Fe == 3FeCl2
9、Fe3O4 + 4H2 === 3Fe + 4H2O
△
10、FeCl2 + Zn == Fe + ZnCl2
11、2Fe(OH)3 === Fe2O3 + 3H2O
12、2Fe + 3Cl2 === 2FeCl3

注意铁三角关系。
四、 金属离子的检验：
1． 用化学方法产生特殊现象（气体、沉淀、难电离物质、颜色等）：Fe3+、Fe2+、Al3+等
2． 焰色反应：用于在火焰上呈现特殊颜色的金属或它们的化合物的检验。
阅读以下内容：
1.金属的分类
人们根据金属的密度把金属分为重金属和轻金属。重金属的密度大于4.5 g/cm3，轻金属的密度小于4.5 g/cm3。
冶金工业上还常常把金属分为黑色金属和有色金属。黑色金属有三种：铁、锰、铬。它们或它们的合金的表面常有灰黑色的氧化物，所以称这类金属为黑色金属。除铁、锰、铬以外的金属称为有色金属。
2.几种常见和重要的金属
（1）钠：钠不能以游离态存在于自然界，因为它的化学性质很活泼，因此在自然界，钠存在于许多无机物中（如氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钠、硼酸钠等）。在海水、矿泉水、盐湖水中有可溶性钠盐。地壳中含有2.63%化合形式的钠，其含量在元素中占第6位。
钠能与许多气体发生反应：① 在空气中120 ℃时着火，160 ℃以下氧气不足时反应的主要产物是Na2O，250～300 ℃与足量氧气反应生成的是Na2O2和少量的NaO2。② 与H2室温下不反应，200～350 ℃时反应生成NaH。
钠能与H2O反应，也能与酸、盐溶液反应。
金属钠的用途：在核工业上钠可用作传热介质。在电力工业上用于制钠灯，钠灯不降低照度水平但能减少能源消耗。
金属钠的制法：目前世界上钠的工业生产多数用电解氯化钠的方法。反应通常在电解槽里进行。电解时，氯化钠需要熔融，氯化钠的熔点为801 ℃，在技术上有困难，采取的方法是用质量分数为40%的氯化钠和60%的氯化钙混合形成低共熔物（熔点为580 ℃），降低了电解时所需的温度。电解时，氯气在阳极放出，金属钠和钙同时在阴极被还原出来，浮在阴极熔盐的上方，从管道溢出。把熔融的金属混合物冷却到105～110 ℃，金属钙成晶体析出，经过滤就可以把金属钠与金属钙分离。
（3）铝
铝是自然界中分布最广的金属元素。地壳中铝的含量接近8%，仅次于氧和硅。铝通常以化合状态存在，已知的含铝矿物有250多种，其中最常见的是铝硅酸盐类，如长石、云母、高岭石、铝土矿、明矾石等。
铝是银白色金属，其主要特性是密度小，相对密度只有钢铁的1/3。某些铝合金的机械强度甚至超过结构钢。各种铝合金（如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等）广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，导弹、宇宙飞船、人造卫星也大量使用铝及其合金。例如，一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成，每枚导弹的用铝量约占总质量的10%～15%，一艘1.5万吨级的大型客船用铝量约为2000 t。
铝是一种良好的导电材料。铝的导电能力虽然只有铜的60%～70%，但密度只有铜的1/3。以传导等量电流而论，铝的导电截面积大约是铜的1.6倍，而铝的质量只有铜的一半。换言之，铝可节省用量，价格远低于铜，且铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀作用，而且有一定绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业有广泛的用途。
铝是热的良导体。铝的热导率大约是铁的3倍，不锈钢的10倍。因此铝是制造机器活塞、热交换器、饭锅和电熨斗的理想材料。铝还具有良好的光和热的反射能力，所以铝可用来制反光镜，又可作绝缘材料。
铝易于加工，可压成铝板或铝箔，或拉成铝线，挤压成各种异形的材料。在100～150 ℃时可制成薄于0.01 mm的铝箔，广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制成各种铝制品。
铝的化学性质：铝在氧气中加热时能剧烈地燃烧，发出炫目的白光，并放出大量的热。铝与氧结合的能力很强，是亲氧元素，它能从许多金属氧化物中夺取氧，而且放出的大量热可使游离出来的金属熔化。应用此原理在冶金工业上用来制取铁、锰、铬、钒等金属，如Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr，这种方法叫铝热法。铝可与稀酸（盐酸或硫酸）、强碱溶液反应生成盐，同时放出氢气。把铝放入冷的浓硝酸或浓硫酸中会被钝化，因此，浓硝酸或浓硫酸可用铝的容器贮存。纯度为99.95%以上的大片铝，可以抵御大多数酸类的侵蚀。铝和氯在高温下反应生成AlCl3，和硫在1 000 ℃以上时反应生成Al2S3，和碳在800 ℃以上时反应生成Al4C3。
（4）铁
铁是地壳中最丰富的元素之一，含量为4.75%，在金属中仅次于铝。铁分布很广，能稳定地与其他元素结合，常以氧化物的形式存在，有赤铁矿（主要成分是Fe2O3）、磁铁矿（主要成分是Fe3O4）、褐铁矿（主要成分是Fe2O3·3H2O）、菱铁矿（主要成分是FeCO3）、黄铁矿（主要成分是FeS2）、钛铁矿（主要成分是FeTiO3）等。土壤中也含铁1%～6%。铁是一种光亮的银白色金属。常见的化合价为+2和+3价。纯铁相对较软，有良好的延展性和导热性，能导电，能被磁化，又可去磁。
纯铁化学性质比较活泼，是一种良好的还原剂。纯铁在空气中不起变化，含杂质的铁在潮湿空气里逐渐生锈，外表生成一层褐色的氢氧化铁。铁红热时能与水反应生成氢气。铁易溶于稀酸中，但在浓硫酸或浓硝酸中由于表面发生钝化而不能溶解，因此铁制容器可用来储存浓硫酸或浓硝酸。浓的碱溶液能侵蚀铁，生成高价铁酸盐。铁加热时能与卤素、硫、磷、硅等非金属反应，但与氮不直接反应。
铁是生命过程所必需的元素，是红细胞（血红蛋白）的主要成分。
铁的最大用途是炼钢，也大量用来制造铸铁。铁和它的化合物还用来做磁铁、染料（墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料）和磨料（红铁粉）。还原铁粉大量用于冶金。我国在春秋时代晚期已炼出可供浇铸用的液态生铁，隋唐时开始用煤炼铁，明代已能用焦炭炼铁。铁现在常用焦炭、铁矿石和石灰石为原料炼得。
（5）铜
铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一。固体铜呈紫红色光泽。铜稍硬，极坚韧，耐磨损，还有很好的延展性，容易锻造和压延成薄片，可轧成很细的金属丝。铜具有优良的导电和导热性，仅次于银，但含有杂质时则导电性大受影响。铜和它的一些合金还有较好的耐腐蚀能力。
铜在干燥的空气里很稳定，但在潮湿的空气里表面可生成一层绿色的碱式碳酸铜〔Cu2(OH)2CO3〕，称做铜绿。高温时铜可被氧化。铜能溶于硝酸和热的浓硫酸，容易被碱侵蚀。在一定温度下，铜也能与卤素、硫等非金属反应生成卤化物或硫化物。铜的主要化合价有+1和+2价，+2价铜的化合物比较普遍，也比较稳定。水溶液中+1价铜的化合物不稳定，歧化生成单质铜和+2价铜。
铜的最大用途是广泛用于电器工业上，如制作电线、电缆和各种电器设备等，也用于制造各种合金，如黄铜（Cu-Zn合金）、青铜（Cu-Sn合金）等。铜及其合金在机械和仪器仪表等工业上用来制造各种零件。在国防工业上用来制造枪弹、炮弹等。在化学工业上用来制造热交换器、深度冷冻装置等。
4.过氧化钠
Na2O2是淡黄色粉末，商品常制成圆形小颗粒。它的熔点为675 ℃，Na2O2具有强氧化性，与其他易燃品放置在一起会发生燃烧。在熔融状态下，Na2O2几乎不分解，但遇到棉花、炭粉或铝粉时可发生爆炸。Na2O2易潮解，与水或稀酸作用时生成过氧化氢并放热，过氧化氢不稳定，立即分解放出氧气。Na2O2可与空气中的CO2作用放出氧气，因此常用在缺乏空气的场合，如矿井、坑道、潜水、宇宙飞船等方面，以供人们呼吸应急用。Na2O2与强氧化剂（如KMnO4）作用时显还原性，它不溶于乙醇。Na2O2在工业上常用作漂白剂、杀菌剂、消毒剂、去臭剂、氧化剂等。通常可通过在不含CO2的干燥空气流中把金属钠加热到300 ℃来制取Na2O2。
5.碳酸钠、碳酸氢钠
Na2CO3又叫纯碱，俗称苏打。无水碳酸钠是白色粉末或细粒，加热至851 ℃时熔化而不分解。Na2CO3易溶于水，溶解时放热。由于Na2CO3是强碱弱酸盐，所以其水溶液呈碱性。碳酸钠以水合物存在时有Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O、Na2CO3·10H2O，日常的食用碱主要是十水碳酸钠，俗称洗涤碱。Na2CO3存在于我国内地的盐碱湖中，低温时，湖面上会析出晶体，叫做天然碱。透明晶状的十水碳酸钠在干燥空气中易失去结晶水而变成粉末，主要转变成一水碳酸钠。碳酸钠吸湿性很强，吸湿后可结成硬块。碳酸钠的最大用途是制玻璃，也是造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革、石油、染料、食品等工业的重要原料。在工业上纯碱可代替氢氧化钠来中和酸，冶金工业用它作助熔剂，水的净化中用它作软化剂，机械零件表面的去油剂，以及用来制钠的其他化合物。碳酸钠可由天然矿物（碳酸钠石Na2CO3·NaHCO3·2H2O，又称天然碱）加工而得，更多的是由氨、二氧化碳和饱和食盐水为原料制得。
NaHCO3俗称小苏打，也叫生碳酸钠或重碱或酸式碳酸钠。它是白色粉末，在水中的溶解度比碳酸钠略小，水溶液呈微碱性，固体碳酸氢钠受热即分解。NaHCO3是发酵粉的主要成分，也用于制灭火剂、焙粉或清凉饮料等方面的原料，在橡胶工业中作发泡剂。将碳酸钠溶液或结晶碳酸钠吸收CO2可制得碳酸氢钠，它也是氨碱法制纯碱的中间产物。
一般说来，碳酸和碳酸盐的热稳定性有下列规律：
（1）H2CO3＜MHCO3＜M2CO3（M为碱金属）
（2）同一主族元素（如碱金属元素）的碳酸盐：Li2CO3＜Na2CO3＜K2CO3＜Rb2CO3
（3）碱金属碳酸盐＞碱土金属碳酸盐＞过渡金属碳酸盐
6.氧化铝、氢氧化铝
（1）Al2O3俗名矾土，是一种难熔又不溶于水的白色粉末。它的熔点为2 015 ℃，沸点为2 980 ℃。Al2O3具有不同晶型，主要有α和γ两种变体。自然界存在的α型氧化铝称为刚玉，硬度仅次于金刚石，混有少量杂质可使刚玉带有各种色泽，称为宝石，如红宝石（含有少量的Cr3+）和蓝宝石（含Ti3+和Fe2+、Fe3+），目前可用熔融氧化铝人工结晶方法制造宝石。人造宝石在性质上不次于天然宝石，广泛用于工业技术方面。例如，用做机器快速转动部分的轴承、钟表上的钻石，以及磨料、耐火材料等。活性氧化铝即γ型氧化铝，是一种多孔物质，每克内表面积可达数百平方米，有极高的活性，可吸附水蒸气和许多气体、溶液分子，常用作吸附剂、催化剂和干燥剂。
Al2O3是典型的两性氧化物，可溶于酸也可溶于碱。氧化铝是电解法制金属铝的主要原料，所用的氧化铝越纯，炼出的铝就越纯。由于提纯铝比提纯氧化铝更困难，所以电解前氧化铝的提纯非常重要。天然铝土矿是制取氧化铝的主要原料，一般含量可达40%～60%，杂质主要有二氧化硅、氧化铁及稀散元素等。利用它们化学性质上的共性和个性可将氧化铝与其他杂质分开。
（2）氢氧化铝又称为氧化铝的水合物，有三水合氧化铝Al2O3·3H2O〔即Al(OH)3〕和一水合氧化铝Al2O3·H2O〔即AlO(OH)〕。但在这些化合物中并不存在水分子，只是在加热时分解成水和氧化铝，这一点与水合物的性质相同。氢氧化铝是典型的两性氢氧化物，它既能溶于强酸生成铝盐溶液，又能溶于强碱生成偏铝酸盐溶液。氢氧化铝可用来制备铝盐，作吸附剂、媒染剂和离子交换剂，也用于作瓷釉、耐火材料、防火布等的原料。氢氧化铝凝胶有中和胃酸和保护溃疡面的作用，可用于治疗胃和十二指肠溃疡、胃酸过多等。
7.铁的合金
（1）生铁
一般地说，含碳量在2%～4.3%的铁的合金叫做生铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可锻。根据生铁里碳的存在形态不同，又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁。
炼钢生铁  碳在这种铁的合金里主要是以碳化铁的形态存在。这种生铁质硬而脆，难于加工，一般都用来炼钢，所以叫它炼钢生铁。由于它的断口呈白色，又叫白口铁。
铸造生铁  碳在这种铁的合金里是以片状的石墨形态存在。由于石墨质软并有润滑作用，因而这种生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能等。但是，由于有片状石墨的存在，降低了它的抗拉强度，使它不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造机床床座、铁管等。因此，把这种生铁称为铸造生铁。由于它的断口呈灰色，通常又叫灰口铁。
球墨铸铁  把铸造生铁加热熔化，并用镁合金或稀土合金等处理，就能使铁碳合金里的石墨从片状变为球状。这种球状石墨的形成使铸铁的机械性能大大提高。球墨生铁比普通生铁好，它的某些性能接近于钢，而价格却比钢便宜得多。因此，它可以代替一部分钢材用于制造曲轴、齿轮和阀门等。
按用途不同分，生铁除炼钢生铁、铸造生铁外还有特种生铁。特种生铁为含有特种金属元素的生铁。在高炉冶炼过程中，铁矿中的某些金属元素如铬、镍 、钴、钡、钛、铌等大部分还原进入铁水。
（2）钢
含碳量一般在0.03%～2%的铁的合金叫做钢。钢坚硬，有韧性、弹性，可以锻打、压延，也可以铸造。钢的分类很多，如按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢。
碳素钢  碳素钢又叫普通钢。它所含的碳、硅、锰比生铁少得多，硫和磷的含量也比生铁低得多。根据含碳量的不同，碳素钢的性质也各不相同，含碳量越高硬度越大，含碳量越低韧性越强。工业上一般把含碳量低于0.3%的叫做低碳钢；含碳量在0.3%～0.6%之间的叫做中碳钢；含碳量在0.6%以上的叫做高碳钢。低碳钢和中碳钢用来制造机器零件、管子等，高碳钢用来制造刀具、量具和冲压模具等。
合金钢  合金钢也叫特种钢。在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种不同的特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀，以及其他许多优良性能。
8.铝合金
铝合金广泛应用于运输、建筑、轻工、化工、仪表、机械等部门，以及包装和家用器具等方面。如今，铝合金已成为第二大金属，其产量仅次于钢铁而超过其他有色金属的总和。铝中添加合金元素的首要目的是提高在不同环境条件下的机械强度，并保持能满足使用要求的塑性、韧性与抗腐蚀性。

9.铜合金
铜合金具有优异的导电、导热性能，良好的耐腐蚀性能，易于加工成型，又有足够的强度、弹性和耐磨性，广泛用于建筑、电气、造船和化工等许多重要的工业领域。
铜合金的种类很多。根据传统的分类方法，铜合金可分为紫铜、黄铜(Cu-Zn)、白铜(Cu-Ni)和青铜(Cu与Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ti等元素组成的合金的统称)四类。