金属及其化合物 讲义.docx

第三章 金属及其化合物
第一节 金属的化学性质
知识概要：
一、金属的存在及通性
1.绝大多数金属元素都以化合态形式存在。这是因为金属的化学性质活泼，易与其他物质反应。也有金属以游离态形式存在，如金。
2.金属化学性质活泼的原因：金属原子的最外层电子数小于4个，易失电子，在化学变化中，表现还原性。
3.地壳中含量最多的金属元素是Al，含量在前三位的元素分别是O、Si、Al。
4.金属的通性：有金属光泽、易导电、易导热、有延展性等。
5.从古至今，人们利用金属的顺序，是由不活泼金属到活泼金属的顺序。
二、金属与非金属的反应
1.钠与氧气的反应
条件
常温
加热或点燃
操作
取一小块金属钠，用滤纸吸干表面的煤油后，用刀切去一端的外皮，观察现象
把一小块钠放在坩埚里，加热，观察现象
现象
新切开的钠具有银白色金属光泽，表面在空气中很快变暗
钠先熔化成银白色小球，然后燃烧，火焰呈黄色，最后生成淡黄色固体
生成物
氧化钠（Na2O），白色固体
过氧化钠（Na2O2），淡黄色固体
化学方程式
4Na+O2==2Na2O
△
2Na+O2==Na2O2
补充说明：
（1）新切开的金属钠，切面为银白色，后变暗，是因为钠被空气氧化了的原因。
（2）因为钠与空气中的水和氧气都反应，所以钠要用石蜡油或煤油封存。
（3）取用剩余的钠应放回原试剂瓶中，不能随意乱扔。（钠是实验室中少数剩余可以放回原试剂瓶的药品）
（4）金属钠的物理性质：银白色，密度小，熔点低，硬度小。
（5）金属钠露置在空气中的变换过程：
O2 H2O H2O CO2
银白色金属钠—→表面变暗—→出现白色固体—→表面变成溶液—→白色块状物质
（Na） (生成Na2O) (生成NaOH) (NaOH潮解) (生成Na2CO3·10H2O)

风化
—→白色粉末状物质
(生成Na2CO3)

有关反应如下：4Na+O2=2Na2O
Na2O+H2O=2NaOH
2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

△ 点燃
补充：钠还可与S、Cl2发生化学反应：2 Na+S== Na2S 2Na+ Cl2===2NaCl
2.铝与氧气的反应
打磨过和未打磨过的铝箔在酒精灯上加热的现象：都是熔化，失去了光泽，但熔化的铝并不滴落。原因是：即使打磨过的铝箔，在空气中也会很快生成新的氧化膜，构成薄膜的Al2O3的熔点（2050℃）高于Al的熔点（660℃），包在铝的外面，所以熔化了的液态铝不会滴落下来。
补充说明：
铝制品表面的氧化膜，起着保护内部金属的作用，所以活泼的铝在空气中能稳定存在，
△
具有很强的抗腐蚀性。发生的反应是：4Al+3O2==2Al2O3
三、金属与酸和水的反应
1.与酸反应：位于金属活动性顺序中氢以前的金属遇到酸时，能够发生化学反应，生成盐和氢气。
2.钠与水的反应：
（1）反应现象及解释
现象
解释
钠投入水里后，浮在水面上
因为钠的密度比水小
钠熔化成光亮的小球
钠与水的反应是放热反应，且钠的熔点较低
小球在水面上向各个方向迅速游动
钠与水反应产生气体，推动小球迅速游动
发出“嘶嘶”的响声
反应剧烈，生成气体
反应后的水溶液变红
钠与水反应生成了碱
补充说明：
①钠极易与空气中的氧气和水反应，所以保存在煤油中，隔绝空气。不能用手拿钠的原因是钠与手上的水反应生成的NaOH腐蚀手。
②金属钠着火不能用水和CO2来灭火，需用沙子覆盖。
③钠与水反应之前，需用滤纸擦净，这样可以防止钠与水反应放热引起煤油燃烧。
④钠在金属活动性顺序表中排在前面，但是在水溶液中不能置换出后面的金属，而是先跟水反应，然后生成的NaOH再与盐反应。
（2）反应方程式
2 Na+H2O=2 NaOH+ H2↑
3.铁与水蒸气反应
铁不能与冷水、热水反应，但高温能与水蒸气反应，化学反应方程式为
高温
3Fe+4H2O(g)===Fe3O4+4H2
4.金属与水反应的规律是：
（1）K、Ca、Na等金属和冷水作用，生成可溶性碱和氢气。
2 K+H2O=2 KOH+ H2↑
（2）Mg、Al在除去氧化膜后与冷水、热水的反应

冷水
热水
Mg
反应缓慢
△
Mg+2H2O== Mg(OH)2+H2↑
Al
很难反应
△
2Al+6H2O== 2Al (OH)3+3H2↑
（3）Zn、Fe、Sn、Pb和高温水蒸气反应，生成不溶性氧化物和氢气。
高温
3Fe+4H2O(g)===Fe3O4+4H2
高温
Zn+H2O(g)===ZnO+H2
（4）Cu、Hg、Ag、Pt、Au不与水作用。

四、铝与酸、碱溶液的反应

与盐酸反应
与NaOH反应
实验现象
试管中产生气泡，铝片逐渐溶解，点燃的木条放在收集气体的试管口时发出爆鸣声
试管中产生气泡，铝片逐渐溶解，点燃的木条放在收集气体的试管口时发出爆鸣声
有关方程式
2 Al+6HCl=2 AlCl3+3H2↑
2Al+2 NaOH +2H2O=2NsAlO2+3H2↑

五、钠与酸、碱、盐的水溶液的反应规律
1.钠与酸的反应：
钠与稀硫酸、盐酸等非氧化性酸反应时，首先是钠直接跟酸反应，过量的钠再与水反应。
例如：钠投入足量盐酸中的反应的化学方程式是：
2 Na+2HCl=2 NaCl+ H2↑
离子方程式是：2 Na+2H+ =2 Na+ + H2↑
2.钠与碱的反应：
实际就是钠跟水反应
3.钠跟盐溶液的反应：
（1）NaCl溶液：实际是与水反应。化学方程式为：2 Na+H2O=2 NaOH+ H2↑
（2）CuSO4溶液：钠先与水反应生成NaOH，NaOH再与CuSO4反应。
化学方程式为：2 Na+H2O=2 NaOH+ H2↑
2 NaOH+ CuSO4=Cu(OH)2↓+Na2SO4
（3）NaHSO4溶液：因NaHSO4完全电离生成的H+浓度远大于水中的H+浓度，此时钠直接与盐反应。方程式为：2Na+2NaHSO4=2 Na2SO4+ H2↑
（4）通常钠不能从盐溶液中置换出金属； 熔融
若盐为熔融状态，钠可以置换出较不活泼的金属，如：4 Na+TiCl4===4 NaCl+Ti

第二节 几种重要的金属化合物
知识概要：
一、钠的重要化合物
1.氧化钠与过氧化钠
（1）过氧化钠的性质的实验探究
实验步骤：取一支试管，向其中加入少量过氧化钠固体，然后滴入适量水，并立即把带火星的木条放在试管口，用手触摸试管底部，向反应后的溶液中滴入酚酞溶液。
实验现象：①带火星的木条复燃；②试管壁温度升高；③滴入酚酞后溶液变红。
实验结论：①过氧化钠与水反应放出氧气；②放出热量；③有碱性物质生成。
化学方程式：Na2O2+H2O==4NaOH+H2↑
过氧化钠还能与CO2反应：2Na2O2+2CO2==2Na2CO3+O2
（2）氧化钠与过氧化钠的比较

氧化钠
过氧化钠
化学式
Na2O
Na2O2
颜色
白色
淡黄色
与H2O反应
Na2O+H2O=2NaOH
Na2O2+H2O==4NaOH+H2↑
与CO2反应
Na2O+CO2= Na2CO3
2Na2O2+2CO2==2Na2CO3+O2
用途
——
强氧化剂、漂白剂、供氧剂
补充说明：碱性氧化物的主要性质是能与酸反应只生成盐和水，无其他产物。Na2O2跟酸反应除生成盐和水外，还生成氧气，故Na2O2不是碱性氧化物，Na2O是碱性氧化物。
2.碳酸钠和碳酸氢钠
物质
碳酸钠（Na2CO3）
碳酸氢钠（NaHCO3）
俗名
纯碱、苏打
小苏打
色、态
白色粉末（Na2CO3·10H2O为晶体）
细小白色晶体
溶解性
易溶于水
在水中溶解度比Na2CO3小
热稳定性
稳定，受热难分解；但结晶Na2CO3·10H2O易风化
不稳定，受热易分解
△
2NaHCO3==Na2CO3+H2O+CO2↑
与酸反应
Na2CO3+2HCl=2NaCl+ H2O+CO2↑
NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑
(反应速率比Na2CO3快)
与碱反应
Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH
（Na2CO3与NaOH不反应）
2NaHCO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+ Na2CO3+2H2O
NaHCO3+NaOH= Na2CO3+ H2O
与可溶性钙盐、钡盐反应
Na2CO3+CaCl2= CaCO3↓+2NaCl
Na2CO3+BaCl2= BaCO3↓+2NaCl
不反应
补充说明：
（1）溶解性：Na2CO3〉NaHCO3
（2）碱性：Na2CO3〉NaHCO3
（3）热稳定性：Na2CO3〉NaHCO3〉碳酸
（4）与酸反应剧烈、速率快：Na2CO3〈NaHCO3
（5）相互转化： CO2+ H2O→
Na2CO3====================== NaHCO3
←①固（加热）②液（NaOH）
鉴别Na2CO3与NaHCO3的方法
方法
操作
有关化学方程式
加热后与澄清石灰水反应
取少量样品加热，能够产生使澄清石灰水变浑浊气体的是NaHCO3，无明显现象的我Na2CO3。
△
2NaHCO3==Na2CO3+H2O+CO2↑
CO2+ Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O
与盐酸反应剧烈程度
取少量样品加入过量等浓度的盐酸，反应剧烈程度大的为NaHCO3。
Na2CO3+2HCl=2NaCl+ H2O+CO2↑
NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑
与少量盐酸反应现象
取少量的样品与试管中，溶于水并配成稀溶液，逐滴加入稀盐酸，立即有气体产生的是NaHCO3，加入一定量稀盐酸后，才逐渐有气体产生的是Na2CO3。
NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑
Na2CO3+HCl(少量)=NaCl+ NaHCO3

与Ca2+能否产生沉淀
取二者少量制成溶液，加入CaCl2（或BaCl2）溶液，有沉淀生成的是Na2CO3，无沉淀生成的是NaHCO3。
Na2CO3+CaCl2= CaCO3↓+2NaCl
Na2CO3+BaCl2= BaCO3↓+2NaCl
3.焰色反应（利用元素的性质）
注意事项：
（1）蘸取待测物的金属丝：铂丝或铁丝等，必须在火焰上灼烧时无颜色，且熔点较高。
（2）金属丝使用前用稀盐酸将其表面的氧化物洗净，然后在火焰上灼烧至无焰色，方可使用。（金属氧化物与盐酸反应生成的氯化物在灼烧时易气化而挥发，而若用硫酸来洗，则生成的硫酸盐沸点很高，不易除去，干扰焰色）
（3）作用：判断元素种类，不能判断是分子、原子还是离子。
（4）几种焰色反应的颜色
金属或金属离子
锂
钠
钾
钙
锶
钡
铜
焰色反应的颜色
紫红色
黄色
紫色
砖红色
洋红色
黄绿色
绿色
【思考】在观察钾的焰色反应时若不透过蓝色钴玻璃，我们所观察到的往往是黄色，为什么？
【解析】由于钠和钾元素的许多性质相近，往往使钠和钾元素的分离非常困难，导致许多含钾元素的物质中也含有少量的钠元素，而黄色又能对紫色有遮盖作用，但蓝色钴玻璃恰能滤去黄色光，使紫色透过。
二、铝的重要化合物
1.氧化铝
（1）两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物称为两性氧化物，氧化铝就是两性氧化物。
（2）物理性质：难溶于水；熔点很高，可做耐火材料。
（3）化学性质：①与酸反应：Al2O3 + 6H+ =2 Al3+ + 3H2O
②与碱反应：Al2O3 + 2OHˉ=2 AlO2ˉ+H2O
(Al2O3只与强酸、强碱发生化学反应)
2.氢氧化铝
（1）Al(OH)3的制取：利用可溶性铝盐（如AlCl3）与NH3·H2O可以制取Al(OH)3，它是一种白色胶状沉淀。
用NH3·H2O而不能用NaOH的原因是：NaOH过量时会溶解Al(OH)3。
（2）Al(OH)3的两性：在Al(OH)3的悬浊液中加入盐酸或NaOH溶液，沉淀都会消失。
与盐酸反应的离子方程式：Al(OH)3+3H+ =Al3+ + 3H2O
与NaOH反应的离子方程式：Al(OH)3+ + OHˉ= AlO2ˉ+2H2O
（3）两性氢氧化物：像Al(OH)3这样既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氢氧化物，叫做两性氢氧化物。
（4）Al(OH)3的不稳定性：
△
2 Al(OH)3=== Al2O3+3H2O
（5）用途：Al(OH)3常用来中和胃酸。
三、铁的重要化合物
1.铁的氧化物

氧化亚铁
氧化铁
四氧化三铁
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
化合价
+2
+3
+2、+3
色态
黑色粉末
红棕色粉末
黑色晶体
俗称
——
铁红（赤铁矿）
——
用途
——
油漆、涂料
——
与酸反应
FeO + 2H+ =Fe2+ + H2O
Fe2O3 + 6H+ =2Fe3+ +3H2O
Fe3O4 + 8H+ = Fe2+ + 2Fe3+ +4H2O
补充说明：
（1）Fe3O4与盐酸的反应可分别看做Fe2O3 、FeO与盐酸反应，然后把两个反应式相加。
（2）从价态分析，FeO有还原性，Fe2O3有氧化性，Fe3O4既有氧化性又有还原性。
2.铁的氢氧化物
Fe(OH)2与Fe(OH)3的比较

Fe(OH)2
Fe(OH)3
颜色
白色
红褐色
水溶性
不溶
不溶
与盐酸反应
Fe(OH)2+2HCl= FeCl2+2H2O
Fe(OH)3+3HCl= FeCl3+3H2O
制备
FeSO4+2NaOH= Fe(OH)2↓+NaSO4
FeCl3+3NaOH= Fe(OH)3↓+2NaCl
转化 4 Fe(OH)2+O2+2H2O=4 Fe(OH)3

补充说明：
（1）FeSO4与NaOH反应生成灰白色沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色，是因为Fe(OH)2被氧化，4 Fe(OH)2+O2+2H2O=4 Fe(OH)3。
（2）Fe2+极易被氧化，所以FeSO4溶液要新制备。
（3）为防止Fe2+被氧化，还可以向盛有FeSO4溶液的试管中加入少量的煤油或其他密度小于水而不溶于水的有机物，以隔绝空气。
（4）难溶性金属氢氧化物受热分解生成相应价态的金属氧化物和水。
△
2Fe(OH)3==Fe2O3+3H2O
3.铁盐和亚铁盐
（1）Fe3+的检验

滴入KSCN溶液
5 mLFeCl3溶液
溶液呈血红色
5mLFeCl2溶液
溶液颜色无变化
（2）Fe3+的氧化性：
2mLFeCl3溶液中→加入少量铁粉，振荡→滴入几滴KSCN溶液→滴加氯水
加入
现象
反应的化学方程式
铁粉，KSCN
不显血红色
2 FeCl3+ Fe=3 FeCl2
加入氯水，振荡
溶液显血红色
2 FeCl2+ Cl2=2 FeCl3
结论：Fe2+和Fe3+可以相互转换
补充：利用Fe2+和Fe3+的有关性质及相互转化，可进行Fe2+的检验。若加入KSCN溶液，无明显变化，然后加入氧化剂（如氯水）后，若溶液出现血红色，则可证明溶液中含Fe2+。
四、铜盐
1.铜的性质稳定，易于冶炼，中国古代就掌握了冶铜技术。古代“铜钱”就是佐证。
2.铜属于重金属，化学性质不活泼，使用铜器皿比较安全。
3,铜盐溶液都有毒，因为Cu2+与蛋白质作用，使蛋白质变性。
用CuSO4来配制农药（波尔多液）就是利用这一性质。
4.铜绿主要化学成分是Cu2(OH)2CO3。
五、铝盐和铁盐的净水作用
净水原理：明矾、Fe2(SO4)3溶于水后，分别电离出Al3+和Fe3+， Al3+、 Fe3+与水作用生成Al(OH)3、Fe(OH)3胶状物质，凝聚水中的悬浮物沉降，从而使水净化。
第三节 用途广泛的金属材料
知识概要：
一、常见合金的重要应用
1.对合金的初步认识
（1）定义：合金是由两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。
（2）合金的特点
①合金硬度一般比它的各成分金属大
②合金熔点一般比它的各成分金属低
③合金的物理性质、化学性质、机械性能优于各成分金属
补充说明：
（1）合金是混合物而不是纯净物。
（2）合金可以是金属与金属的熔合，也可以是金属与非金属的熔合。
2.铜合金
合金
主要成分
主要性能
主要用途
青铜
铜、锡
强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
机器零件如轴承、齿轮等
黄铜
铜、锌
强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀
机器零件、仪表、日用品
白铜
铜、镍
光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工
钱币、代替银做饰品
3、铁合金
铁合金
主要成分元素
主要特性
主要用途
生铁
Fe、C（2%~4.3%）及Si、Mn、S、P等
硬而脆，强度大，可铸不可锻
炼钢，制各种铸件
碳素钢（低碳钢）
Fe、C（低于0.3%）
韧性、焊接性好，强度低
制钢板、钢丝、钢管等
碳素钢（中碳钢）
Fe、C（0.3%~0.6%）
强度高，韧性及加工性好
制钢轨、车轮和建材等
碳素钢（高碳钢）
Fe、C（高于0.6%）
硬而脆，热处理后弹性好
制器械、弹簧、刀具等
合金钢（锰钢）
Fe、Mn
韧性好，强度大
钢轨、轴承、钢磨、坦克装甲
合金钢（硅钢）
Fe、Si
导磁性好
变压器、发电机和电动机中的铁芯
合金钢（不锈钢）
Fe、Cr、Ni
抗腐蚀性好
医疗器械、炊具、反应釜、容器
二、正确选用金属材料
选择金属材料时，常常要考虑以下几个方面：
主要用途、外观、物理选择、化学性质、价格、加工难度、日常维护和对环境的影响。
三、用途广泛的稀土金属
（1）镧系元素（57~71号元素）及钇和钪共17种元素为稀土元素。
（2）我国拥有丰富的稀土资源，世界稀土资源中，80%分布在我国，并且品质齐全。
（3）稀土金属元素的物理性质和化学性质极为相似，在矿石中总是共生在一起，冶炼复杂且耗能高，污染大。
（4）稀土金属有广泛的用途，可以单独使用，也可用于生产合金，稀土金属又被称为冶金工业的维生素。
（5）稀土金属可用于制造引火合金、永磁材料、超导材料和发光材料等。广泛应用在冶金、石油化工、荧光、电子材料、医药及农业部门，深入到许多现代科技领域。
四、金属的分类
冶金工业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。除铁、锰、铬以外的金属称为有色金属。有色金属有可以分为九大类：
（1）重金属（2）轻金属（3）轻稀有金属（4）难溶稀有金属（5）稀散金属（6）稀土金属（7）放射性金属（8）贵金属（9）碱金属
五、金属冶炼的规律
金属冶炼实质上就是用还原法把金属由化合态转化为游离态。根据金属的活泼性不同，采用的还原方法也不同。
（1）电解法：K、Ca、Na、Mg、Al等活泼金属
电解
2NaCl====2Na+Cl2↑
熔融
（2）热还原法：Zn、Fe、Cu等中等活泼金属
高温
CO+CuO===Cu+CO2
（3）热分解法：Hg、Ag等不活泼金属
△
2HgO===2Hg+O2↑
（4）水洗法：Au通过物理方法直接得到。

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