第三章金属元素及其化合物

第三章金属及其化合物1.金属元素在周期表中的位置及原子结构特征①金属元素分布在周期表的左方及左下方，目前已知的一百多种元素中共有90多种金属元素。②金属元素最外层电子数一般少于4（特殊情况如：Ge、Sn、Pb为4个，Sb、Bi为5个，Po为6个）。原子半径较同周期元素的原子半径大。③主要化合价为+1、+2、+3价，少数为+4价（如Sn4+）等。④金属元素原子只能失去电子，不能得到电子。即金属元素只有正价，没有负价；金属单质只有还原性，没有氧化性。2.金属的分类①冶金工业分为黑色金属（铁、铬、锰）和有色金属（其他）②按密度分为轻金属（密度小于4.5g/cm3，如钠、镁、铝等）和重金属（密度大于4.5g/cm3，如铅、银、铜、汞等）第一节金属元素概述③按在地壳中的储量和分布情况，分为常见金属如铁、铜、铝、锌等和稀有金属如锆、铪、铌、钽等。3.金属性质概述①物理性质⑴状态：通常情况下，除汞外，其他金属都呈固态。⑵金属光泽：多数金属具有金属光泽。⑶导电、导热性：由于金属晶体中存在自由电子，使金属易导电、导热。⑷延展性：可压成薄片，也可抽成细丝。⑸熔点及硬度：由金属晶体中金属阳离子和自由电子的作用决定。熔点最高的是钨（3413℃），最低的是汞（-39℃

）②化学通性⑴与非金属单质反应a.大多数金属都能与大多数非金属在常温或加热的条件下直接化合形成化合物。例如：b.从金属元素在化合物中的价态表现来看，金属元素总是显正价，非金属元素总是显负价；相同的金属与不同的非金属化合时，金属元素的化合价也不尽相同，例如：2MgO22MgO+2MgCl2MgCl2+Δ2Al3Cl22AlCl3+Δ2Al3SAl2S3+Δc.从反应条件对生成物的影响来看，相同的金属与相同的非金属化合时，反应条件对生成物的类型有一定的影响。例如：MgSMgS+Δ2MgCl2MgCl2+Δ+2+22MgI2MgI2+Δ+22Fe3Cl22FeCl3+点燃+3FeSFeS+Δ+22FeI2FeI2+Δ+24NaO22Na2O+2NaO2Na2O2+Δ⑵与水反应在金属活动性顺序中位于氢以前的金属与水反应，生成氢氧化物或金属氧化物和氢气。a.K、Ca、Na等金属和冷水作用，生成可溶性碱和H2。2K2H2O2KOH+H2+↑b.Mg与冷水反应慢，与沸水反应快；Al与冷水很难反应，与沸水能反应，生成不溶性碱和H2。Mg2H2OMg(OH)2+H2+↑Δc.Zn、Fe、Sn、Pb和高温水蒸汽反应，生成不溶性氧化物和H2。ZnH2O(g)ZnO+H2+高温3Fe4H2O(g)Fe3O4+4H2+高温d.Cu、Hg、Ag、Pt、Au不与水作用。KCaNaMgAlZnFeSnPbCuHgAgPtAu常温能与水反应加热时能与水反应高温条件下能与水蒸汽反应不与水反应⑶与酸反应在金属活动性顺序中位于氢前的金属与非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸）作用，发生置换反应，生成盐和氢气；与氧化性酸（如硝酸、浓硫酸）反应不放出氢气。大多数金属在加热条件下能与浓硫酸发生反应，如：Cu2H2SO4(浓)CuSO4+SO2+↑Δ2H2O+除个别金属如Au、Pt外的几乎所有金属在常温下都能与硝酸反应，例如：Cu4HNO3(浓)Cu(NO3)2+2NO2+↑2H2O+3Cu8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO+↑Δ4H2O+⑷与某些盐溶液反应通常，在金属活动性顺序中，排在前面的金属能将排在后面的金属从其盐溶液中置换出来，如将铁放入硫酸铜溶液中：极活泼金属K、Ca、Na加入盐溶液时，金属先于水反应，例如钠放入硫酸铜溶液中：2Na2H2O2NaOH+H2+↑2NaOHCuSO4Cu(OH)2+Na2SO4+↓较活泼金属Mg、Al、Zn等与易水解的强酸强碱盐溶液之间的反应，是水解和置换反应同时存在。例如在氯化铵溶液中撒入镁粉，由于氯化铵中的NH4+水解，使溶液呈酸性，镁粉不断与溶液中的H+反应放出氢气，NH4+水解的平衡右移，氨气浓度越来越大，最后有刺激性气味气体的氨气放出。反应的方程式是：NH4+H2ONH3·H2O+H++Mg2H+Mg2++H2+↑NH4+MgNH3+Mg2++H2+↑↑4.金属的重要化合物①氧化物举例常见的碱性氧化物、两性氧化物、酸性氧化物、过氧化物。过氧化物是金属阳离子与过氧根离子结合成的化合物。②氢氧化物金属对应的氢氧化物通常是碱，极少数为两性。极活泼金属的氢氧化物能溶于水，性质稳定，很难分解，如氢氧化钠、氢氧化钙；较活泼金属与不活泼金属的氢氧化物，一般都难溶于水，可以在加热条件下分解生成相应价态金属的氧化物和水，如氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化铁。金属对应最高价氢氧化物的碱性强弱可以作为判断金属元素金属性强弱的一个重要依据。③金属盐5.金属与酸反应定性规律⑴K→Pb能和非氧化性酸如盐酸、硫酸等发生置换反应。⑵K→Pb能和氧化性酸如硝酸、浓硫酸等发生氧化还原反应，但不生成氢气。⑶Al、Fe遇浓硝酸、浓硫酸，在常温下发生钝化。⑷Cu→Ag和氧化性酸发生氧化还原反应，但不生成氢气。⑸Pt→Au只能和强氧化性混酸（王水）发生氧化还原反应。1.钠单质①物理性质银白色金属光泽；质软；熔沸点低；密度为0.97g/cm3，比煤油大，比水小；导电导热性能良好。②化学性质Na原子最外层有1个电子，在反应中钠极易失去电子变为钠离子，所以钠的化学性质很活泼，具有强还原性。⑴与非金属反应a.与氧气反应常温下，能与空气中的氧气反应，使钠表面变暗。第二节钠及其化合物4NaO22Na2O+在空气或氧气中加热，生成淡黄色固体。2NaO2Na2O2+Δb.与硫反应(研磨易爆炸)2NaSNa2S+c.与卤素反应2NaCl22NaCl+点燃⑵与水反应与水剧烈反应，放出氢气并生成氢氧化钠，水中加酚酞，溶液呈红色。2Na2H2O2NaOH+H2+↑实验现象：浮、熔、游、响、红提问：上述五字怎么解释？各体现钠的什么性质？练习：一定温度下，向饱和氢氧化钠溶液中投入一小块金属钠，充分反应后恢复到原来温度。判断下列叙述是否合理：NaOH溶液浓度增大，并放出氢气；溶液中NaOH的质量分数不变，有氢气放出；溶液的总质量减少，有氢气放出；钠浮于液面，到处游动，发出嘶嘶的响声。⑶与酸反应钠与酸反应，实质上是与酸电离出的H+反应，所以比与水反应更剧烈。2Na2HCl2NaCl+H2+↑⑷与某些盐溶液反应钠与盐溶液反应，实质上是与水反应生成的氢氧化钠与盐发生反应。写出钠和硫酸铜溶液反应的化学方程式③钠的保存、制取及用途金属钠要保存于煤油中（为什么）实验室电解熔融氯化钠制取钠。写出化学方程式：用途：工业上用钠做还原剂冶炼金属，如4NaTiCl4Ti+4NaCl+Na-K合金（液态）用作原子反应堆的导热剂。用钠制作高压钠灯。2.钠的氧化物氧化钠Na2O过氧化钠Na2O2颜色、状态白色固体淡黄色固体物质类别离子化合物、碱性氧化物离子化合物、过氧化物电子式化学键类型仅含有离子键离子键、非极性共价键生成条件常温下加热或点燃氧的价态氧化还原性转变关系与水反应与CO2反应与盐酸反应用途-氧化剂、供氧剂、漂白剂、杀菌剂保存隔绝空气，密封保存隔绝空气，远离易燃物，密封练习：1.已知a是一种金属单质，b显淡黄色，其转化关系如图所示abcdO2CO2CO2H2O各为什么？判断：c溶液呈碱性；c与澄清石灰水反应产生白色沉淀；c与足量盐酸反应放出气体；c受热易分解2.有五种溶液分别含有NO3-、HCO3-、SO32-、CO32-、SO42-五种离子中的各一种，向其中加入少量的Na2O2固体后，溶液中离子浓度基本保持不变的是（忽略溶液体积变化）3.下列判断正确的是可用水来确定某Na2O粉末中是否含有Na2O2可用二氧化碳来确定某Na2O粉末中是否含有Na2O2可用在空气中加热的方法除去Na2O中的Na2O2将足量的Na2O和Na2O2分别加到酚酞试液中，最终溶液均为红色3.钠的氢氧化物电子式为，属于离子化合物，形成离子晶体。①物理性质俗名烧碱、火碱、苛性钠，白色固体，易吸水潮解，易溶于水并放热。不能直接放在托盘上、纸上，应置于小烧杯或称量瓶中称取。②化学性质常用一元强碱，具有碱的通性。⑴NaOH溶于水后完全电离，能使酸碱指示剂或试纸变色。⑵与酸和酚发生中和反应，如盐酸、苯酚等。⑶与酸酐发生反应，如SO2、CO2、SiO2、SO3、P2O5等。写出二氧化碳（少、过）与氢氧化钠反应的化学方程式⑷与某些金属单质发生反应，如铝⑸与某些非金属单质发生反应，如Cl2、S、Si等。⑹与两性氧化物、两性氢氧化物发生反应，如Al2O3、ZnO、氢氧化铝、氢氧化锌等。⑺与某些盐类发生复分解反应，如含Fe3+、Cu2+、NH4+、Ag+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Zn2+、HCO3-、HSO3-、HS-、H2PO4-、HPO42-等的盐。⑻提供碱性环境发生有机反应，如卤代烃的水解反应和消去反应，酯类的水解反应，油脂的皂化反应等。③制取a.电解饱和食盐水2NaCl2H2O2NaOH+H2+↑通电Cl2+↑b.由氢氧化钙和碳酸钠反应制取④保存密封在塑料瓶中，短时间内可保存在玻璃瓶中，但只能用橡皮塞，为什么不能用玻璃塞？4.钠置于空气中某同学将一小块金属钠置于空气中，观察到下列现象变灰暗银白色变白色出现液滴白色固体分析过程，写出反应方程式过氧化钠置于空气中首先与那种物质发生反应？为什么碳酸钠碳酸氢钠俗名纯碱、苏打小苏打化学式色态白色粉末白色细小晶体溶解性（水）易溶可溶热稳定性加热不分解加热可分解与NaOH反应不反应与澄清石灰水反应与CO2反应不反应与同浓度盐酸反应产生二氧化碳较慢产生二氧化碳快与CaCl2或BaCl2溶液反应产生白色沉淀不反应用途玻璃、肥皂、纺织、造纸；洗涤剂发酵剂、灭火剂、医用与酸互滴顺序不同，现象不同顺序不同，现象相同相互转化工业制法用NaCl、CO2、NH3、H2O作原料先制备出碳酸氢钠，再将碳酸氢钠加热分解即得碳酸钠5.常见钠盐1.镁、铝单质①物理性质均为银白色金属；质软；镁导电导热性延展性较好，铝导电导热性延展性很好。画出镁和铝的原子结构示意图②化学性质Mg、Al原子最外层分别有2、3个电子，在反应中易失去最外层电子变为阳离子，表现还原性。铝原子比镁原子半径小，原子核对最外层电子吸引力大，所以铝活性不如镁。镁和铝都能与非金属、酸、某些氧化物等起反应，铝还可以跟强碱溶液反应。⑴与非金属反应第三节镁铝及其化合物2MgO22MgO+点燃4Al3O22Al2O3+点燃MgCl2MgCl2+点燃2Al3Cl22AlCl3+点燃MgSMgS+Δ2Al3S2Al2S3+Δ3MgN2Mg3N2+点燃在常温下，镁和铝都能与空气中的氧气发生反应，生成一层致密的氧化物薄膜，从而使金属失去光泽。由于这层氧化物薄膜能阻止金属的继续氧化，所以镁和铝都有抗腐蚀性。由于铝离子和硫离子在水溶液中会发生双水解反应，因此通常利用Al和S的化合反应制备三硫化二铝。⑵铝、镁与酸反应Mg2HClMgCl2+H2+↑2Al6HCl2AlCl3+3H2+↑镁、铝跟硝酸、浓硫酸反应时，硝酸中的氮元素、硫酸中的硫元素被还原，不生成氢气。铝在冷的浓硝酸或浓硫酸中会发生钝化。⑶镁、铝跟某些氧化物反应2AlFe2O3Al2O3+Fe+高温2MgCO22MgO+C+点燃在高温下，铝与三氧化二铁、二氧化锰、三氧化二铬等氧化物都能发生反应，生成氧化铝和另一种金属的单质，这样的化学反应叫做铝热反应。利用铝热反应可以冶炼金属或焊接金属。⑷镁跟水反应Mg2H2OMg(OH)2+H2+↑Δ镁跟冷水反应非常缓慢，铝跟冷水很难反应。⑸铝跟碱反应铝可跟氢氧化钠等强碱的水溶液发生化学反应。2NaOH2H2O2NaAlO2+3H2+↑Al+3.工业制备镁和铝的化学反应原理⑴电解熔融状态的氯化镁制取镁⑵电解熔融状态的氧化铝制取铝MgCl2（熔融）MgCl2+↑通电2Al2O3（熔融）4Al3O2+↑通电氧化镁比氯化镁熔点高，故工业制取镁用氯化镁。氯化铝熔点比氧化镁低，但氯化铝是共价化合物，在熔融状态不导电，不能被电解，因此用氧化铝。在加热条件下，氧化铝易与冰晶石形成熔融混合物，降低了氧化铝的熔化温度。故制取时用氧化铝和冰晶石的熔融混合物。2.镁和铝的氧化物①物理性质MgO和Al2O3均为白色固体，属于离子化合物。都难溶于水，熔点高，是很好的耐火材料。天然Al2O3硬度非常大，俗称刚玉（红宝石、蓝宝石）。②化学性质都难溶于水，不跟水发生反应。氧化镁是碱性氧化物，氧化铝为两性氧化物。Al2O36HCl2AlCl3+3H2O+Al2O32NaOH2NaAlO2+H2O+③应用氧化铝是冶炼金属铝的主要原料，也可以制造耐火坩埚、耐火管和耐高温实验仪器。氧化镁可以用于染料、油漆、玻璃、化学试剂、医药、食品添加剂以及用作耐火材料。练习：实验室中，要想使AlCl3溶液中的Al3+全部沉淀出来，应选用下列试剂中的石灰水氢氧化钠溶液硫酸氨水3.镁和铝的氢氧化物①氢氧化镁白色难溶性固体，其水溶液中氢氧根离子浓度很小，可以使酚酞溶液变成浅红色。Mg(OH)22HClMgCl2+2H2O+H2OMgO+ΔMg(OH)2②氢氧化铝白色胶状物质，难溶于水，具有吸附性。3H2OAl2O3+Δ2Al(OH)3两性氧化物，可跟酸、碱反应。氢氧化铝可用作胃酸中和剂。练习：判断下列除杂方法镁粉中混有少量铝粉：加入过量烧碱溶液充分反应，过滤、洗涤、干燥用过量氨水除去Fe3+溶液中的少量Al3+氢氧化铝中混有少量氢氧化镁：加入足量烧碱溶液，充分反应，过滤，向滤液中通入过量二氧化碳后过滤MgO中混有少量三氧化二铝：加入足量烧碱溶液，充分反应，过滤、洗涤、干燥得到氧化镁。4.硫酸铝钾十二水合硫酸铝钾[KAl(SO4)2·H2O],俗称明矾，是一种无色晶体，易溶于水。硫酸铝钾溶于水，发生水解反应，其水溶液显酸性；水解产生的胶状的氢氧化铝吸附力很强，可以吸附水中的杂质并形成沉淀，使水澄清。所以明矾常用作净水剂。练习：氧化还原在生成、生活中具有广泛的用途，下列做法涉及到铝元素的还原性的是：明矾净化水；用氢氧化铝治疗胃酸过多；用铝制容器存放浓硫酸；电解熔融氧化铝制单质铝。1.铁、铜单质①物理性质铁为银白色，铜为紫红色；导电导热、延展性良好。铁、铜原子结构示意图②化学性质铁位于第Ⅷ族，常见化合价为+2、+3价。铜常见化合价为+1、+2价。铁的还原性比铜强。⑴与非金属反应第四节铁铜及其化合物2Fe3Cl22FeCl3+点燃FeSFeS+Δ2FeI2FeI2+Δ3Fe2O2Fe3O4+点燃⑵跟酸反应铁既能被非氧化性酸中的氢离子氧化，又能被氧化性酸中的中心元素氧化，而铜只能被氧化性酸中的中心元素氧化。常温下，铁遇到浓硫酸或浓硝酸时会钝化。纯净的铁在空气中较耐腐蚀，但常用的钢铁器件较容易被腐蚀写出铁与盐酸，铁、铜与浓硫酸在高温下，铁、铜与稀硝酸反应的化学方程式CuCl2CuCl2+点燃2CuSCu2S+Δ2CuO22CuO+Δ⑶铁铜跟盐溶液反应写出铁与三氯化铁、铜与三氯化铁、铁与阴离子、铁与铅离子、铜与汞离子、铜与银离子反应的方程式⑷铁与水反应3Fe4H2O(g)Fe3O4+4H2+高温③工业制备Fe2O33CO3CO2+2Fe+高温Fe3O44CO4CO2+3Fe+高温CuOCOCO2+Cu+高温练习：将铁屑溶于过量盐酸后，再加入下列物质，会有三价铁生成的是稀硫酸氯水硝酸锌氯化铜2.铁的氧化物铁的氧化物FeOFe2O3Fe3O4名称氧化亚铁三氧化二铁（铁红）四氧化三铁（磁性氧化铁）色态黑色粉末红棕色粉末黑色晶体价态+2+3+2、+3水溶性难溶于水稳定性加热条件被氧化稳定稳定与非氧化性酸与氧化性酸与还原性酸与CO反应与铝的反应制取高温熔融，过量的铁与氧气反应氢氧化铁的分解铁在氧气中燃烧用途-红色油漆、涂料，炼铁作磁铁3.铁的氢氧化物化学式氢氧化亚铁Fe(OH)2氢氧化铁Fe(OH)3物理性质白色絮状沉淀红褐色，难溶于水的固体化学性质与非氧化性酸反应：与氧化性酸反应：空气中放置被氧化：与HI反应：与非还原性酸反应：受热分解：与HI反应：制备①煮沸蒸馏水，赶走溶解的氧气②煮沸NaOH溶液，赶走溶解的氧气③配制FeSO4溶液，加少量还原铁粉和稀硫酸④用长滴管将上述氢氧化钠溶液送入FeSO4溶液液面以下将氢氧化钠溶液滴入硫酸铁溶液中特征转化常温下，白色沉淀先变成灰绿色，再变成红褐色。提问：制取氢氧化亚铁时，为什么要把胶头滴管插到液面以下？4.氧化铜和氢氧化铜名称氧化铜CuO氢氧化铜Cu(OH)2物理性质不溶于水的黑色固体不溶于水的蓝色固体化学性质与酸反应：与氢气反应：与CO反应：与酸反应：加热分解：与氨水反应：制法氢氧化铜加热分解可溶性铜盐与可溶性强碱反应。Cu(OH)

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