高中化学人教版必修1学案3-1第1课时金属与非金属酸水的反应

第三章金属及其化合物第一节金属的化学性质[学习目标]1.根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究，掌握钠与氧气、铝与氧气的反应原理，通过对钠与氧气反应的实验现象的讨论，培养观察和分析问题的能力。(重点)2．掌握钠与水、铁与水蒸气的反应，掌握铝与碱溶液的反应原理。(难点)3．掌握物质的量在化学方程式计算中的应用，定量研究化学反应中各物质之间的量的关系。(重、难点)4．通过探究上述反应，增强对“化学是一门以实验为基础的科学”的认识，增强学习化学的兴趣。第1课时金属与非金属、酸、水的反应一、金属的通性1．物理性质不透明、有金属光泽、易导电、易导热、有延展性等。2．化学性质(1)与非金属的反应Mg与O2反应的化学方程式为2Mg＋O2eq\o(=,\s\up17(点燃))2MgO。(2)与酸的反应Mg与稀盐酸反应的化学方程式为Mg＋2HCl=MgCl2＋H2↑。(3)与盐的反应a．Al与CuSO4溶液反应的化学方程式为2Al＋3CuSO4=Al2(SO4)3＋3Cu；b．Cu与AgNO3溶液反应的化学方程式为Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag。二、金属与非金属的反应1．钠与氧气的反应(1)实验操作及现象a．从煤油中取一小块钠，用小刀切开，可观察到钠具有银白色金属光泽，在空气中钠表面很快变暗。b．把一小块金属钠放在坩埚里，加热时，钠先熔化为银白色的小球，然后燃烧，火焰呈黄色，最后生成淡黄色固体。(2)实验结论a．钠是银白色金属，硬度小，熔点低，通常保存在煤油或石蜡油中。b．钠与氧气反应，条件不同，产物不同，反应的化学方程式分别为：常温下：4Na＋O2=2Na2O；加热时：2Na＋O2eq\o(=,\s\up17(△))Na2O2。2．铝与氧气的反应(1)实验操作：用坩埚钳夹住一小块铝箔，在酒精灯上加热至熔化，轻轻晃动。(2)实验现象：铝箔熔化，失去光泽，但并不滴落。(3)相关解释：铝表面的氧化膜保护了铝，构成薄膜的Al2O3的熔点比Al的熔点高，包在铝的外面，使液态铝不能滴落。3．金属与Cl2或S的反应除能被O2氧化外，金属还能被Cl2、S等具有氧化性的物质所氧化，生成相应的氯化物或硫化物。三、金属与酸的反应酸和金属活动性顺序表中排在氢前面的金属反应生成氢气，如Zn、Fe和稀盐酸反应的离子方程式分别为：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑、Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑。四、金属与水的反应1．钠与水的反应2.铁与水蒸气的反应知识点一金属的通性一、金属的物理性质1．通性(1)状态：通常情况下，除Hg外其他金属都是固态。(2)金属光泽：多数金属具有光泽。但除Mg、Al、Cu、Au在粉末状态有光泽外，其他金属在块状时才表现出来。(3)易导电、导热：由于金属晶体中自由电子的运动，使金属易导电、导热。(4)延展性：可以压成薄片，也可以抽成细丝。(5)熔点及硬度：由金属晶体中金属离子跟自由电子间的作用强弱决定。2．特性(1)颜色：绝大多数金属都是银白色，有少数金属具有颜色，如：Au为金黄色，Cu为紫红色，Cs为银白色略带金色。(2)密度：与原子半径、相对原子质量、晶体质点排列的紧密程度有关。最重的金属为锇(Os22.57g·cm－3)，最轻的金属为锂(Li0.534g·cm－3)。(3)熔点：最高的为钨(W3413℃)，最低的为汞(Hg39(4)硬度：最硬的金属为铬(Cr)(硬度为9)，最软的金属为钾(K)、钠(Na)、铯(Cs)等，可用小刀切割。(5)导电性：导电性能强的金属为银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)等。导电性能较差的金属为汞(Hg)。(6)延展性：延性最好的是铂(Pt)，展性最好的为金(Au)。二、金属的化学通性通常情况下，金属原子的最外层电子数少于4个，在化学反应中易失去电子，表现出较强的还原性。1．金属与酸的反应2．金属与盐的反应在金属活动性顺序表中，一般位于前面的金属能够把位于后面的金属从它们的盐溶液中置换出来，如Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu。K、Ca、Na由于其活泼性太强会先与水发生反应，而不符合此规律。3．与非金属的反应(1)与氧气的反应大多数金属和氧气可直接化合，但活泼性不同的金属与氧气的反应情况也不相同。(2)与Cl2、S等反应除能被O2氧化外，大多数金属还能被Cl2、S等具有氧化性的物质所氧化。(3)氧化膜对金属的保护作用金属表面的氧化膜有的疏松，不能保护内层金属，这样的金属制品需外加保护膜，如铁等。钠的氧化膜也比较疏松，且能跟H2O、CO2等发生反应，因此不能保护内部的金属钠，这也是金属钠需保存在煤油中的一个原因。有的氧化膜致密，可以保护内层金属不被继续氧化，如镁、铝等。例如，在点燃镁条前，常用砂纸打磨，这样点燃起来更容易些。1.是不是所有的金属在常温下都是固体？试举例说明。提示：并不是所有的金属在常温下都是固体，如Hg在常温下为液体。2．金属铝位于金属活动顺序的前列，为何其能够较稳定地存在而不易被腐蚀？提示：因为Al较活泼，易与空气中的氧气反应生成一层致密的氧化物薄膜，保护内层金属不被腐蚀。[例1]金属Ti(钛)是一种具有许多优良性能的较为昂贵的金属，钛和钛合金被认为是21世纪的重要金属材料。某化学兴趣小组在实验室中探究Ti、Mg、Cu的活动性顺序。他们在相同的温度下，取大小相同的三种金属薄片，分别投入等体积等浓度的足量稀盐酸中，观察现象如下：金属TiMgCu金属表面现象放出气泡速度缓慢放出气泡速度快无变化下列有关三种金属的说法正确的是()A．三种金属的活动性由强到弱的顺序是Ti、Mg、CuB．若钛粉中混有Mg，提纯Ti时可用稀盐酸除去MgC．用Ti从CuSO4溶液中置换出Cu是工业制取Cu的很好途径D．Cu和MgCl2溶液不发生化学反应[思路分析]判断金属活动性的常用方法：(1)金属与等浓度的酸反应的程度。反应越剧烈，金属活动性越强。(2)金属与盐溶液的置换反应。活动性较强的金属一般可把活动性较弱的金属从其盐溶液中置换出来。(3)金属阳离子的氧化性强弱。金属阳离子的氧化性越强，其活动性越弱。[解析]可根据金属与同浓度的酸反应时，反应剧烈程度的不同判断金属的活动性，反应剧烈的金属其活动性较强。A项，Ti在盐酸中比Mg放出气泡的速度慢，说明Ti的金属活动性比Mg弱；B项，由于Ti、Mg均能与稀盐酸反应，故不能用此法提纯金属钛；C项，由于Ti是较为昂贵的金属，用Ti制造Cu成本上不划算；D项，由于Cu不如镁活泼，Cu不与MgCl2溶液发生反应，故选D。[答案]D下列关于金属的说法中，正确的是(C)A．所有金属在常温下都不能与氧气反应B．所有金属在高温下都与氧气反应C．根据金属与氧气反应的难易程度可以初步判断金属的活动性D．所有金属都能与盐酸发生置换反应解析：有些金属在常温下即可与氧气反应，如钠等；有些金属如金等，即使在高温下也不与氧气反应；比较活泼的金属能与盐酸发生置换反应生成氢气，铜等不活泼的金属则不能。故正确答案为C。知识点二金属与氧气的反应1．金属钠露置在空气中发生的变化金属钠露置在空气中会发生如下变化：银白色金属钠(Na)eq\o(→,\s\up17(O2),\s\do15(Ⅰ))表面变暗(生成Na2O)eq\o(→,\s\up17(H2O),\s\do15(Ⅱ))白色固体(生成NaOH)eq\o(→,\s\up17(H2O),\s\do15(潮解))表面变成NaOH溶液eq\o(→,\s\up17(CO2),\s\do15(Ⅲ))白色块状物质(生成Na2CO3·10H2O)eq\o(→,\s\up17(风化),\s\do15(Ⅳ))白色粉末状物质(生成Na2CO3)。各步反应的化学方程式如下：Ⅰ.4Na＋O2=2Na2O；Ⅱ.Na2O＋H2O=2NaOH；Ⅲ.2NaOH＋CO2＋9H2O=Na2CO3·10H2O；Ⅳ.Na2CO3·10H2Oeq\o(=,\s\up17(风化))Na2CO3＋10H2O。2．镁与氧气的反应常温下，镁在空气中跟氧气反应，生成一层致密的氧化物薄膜，能够阻止内部金属继续被氧化。镁在空气中燃烧，产生耀眼的白光，生成白色固体，反应的化学方程式为：2Mg＋O2eq\o(=,\s\up17(点燃))2MgO。3．铝与氧气反应(1)铝在常温下与氧气反应在空气中，铝表面能被缓慢氧化生成氧化物薄膜，保护内部的铝，使其在空气中能稳定存在。日常用的铝制品表面覆盖的就是氧化铝，它起着保护内部金属的作用，这也正是性质活泼的铝在空气中能稳定存在的原因。(2)铝在点燃条件下与氧气反应点燃表面覆有氧化膜的铝箔，铝表面的氧化铝的熔点(2050℃)高于铝的熔点(660℃)，包在铝的外面，因此熔化的铝并不滴落。将氧化膜用砂纸打磨除去后，铝可在氧气中燃烧，发出耀眼的白光，反应的化学方程式为：4Al＋3O2eq\o(=,\s\up17(点燃))2Al2O3。1.实验室里如何保存钠？提示：实验室里少量的钠块密封保存在煤油里，由于钠的密度比煤油密度大，故钠块沉在煤油底部，煤油起到隔离作用，防止钠与空气反应。钠也可用石蜡油封存。2．为什么铝比铁活泼，而铝的抗腐蚀能力却比铁的强？提示：由于铝表面被氧化生成了一层致密的氧化物薄膜，起着保护内部金属的作用，而铁表面生成的氧化物(铁锈)比较疏松，起不到保护内层金属的作用，故常温下铝的抗腐蚀能力比铁的强。[例2]下列关于金属性质的叙述中正确的是()A．钠与氧气反应时，产物是由O2的用量决定的B．铝箔在空气中受热可以熔化且会发生剧烈燃烧C．金属与非金属发生反应时，被氧化的一定是金属D．铁丝不论在空气中还是在纯氧中都不会燃烧[思路分析]钠与氧气反应生成Na2O还是Na2O2与反应条件有关，与氧气的用量无关，解答此类问题时要注意区分。[解析]Na与O2的反应产物是由反应条件决定的，常温下生成Na2O，点燃或加热时生成Na2O2，与O2的用量无关，A错误；铝箔在空气中受热可熔化，但由于表面形成熔点很高的Al2O3，故不会燃烧，B错误；铁丝可在纯氧中燃烧生成Fe3O4，D错误；金属与非金属单质反应时，金属只能失电子被氧化，C正确。[答案]C等质量的两块钠，第一块在加热条件下与足量氧气充分反应，第二块在常温下与足量氧气充分反应。则下列说法正确的是(B)A．第一块钠失去电子数多B．两块钠失去电子数相同C．两块钠的反应产物的颜色相同D．两块钠所得反应产物的质量相等解析：Na与O2在不同条件下发生的反应分别为2Na＋O2eq\o(=,\s\up17(△),\s\do15())Na2O2,4Na＋O2=2Na2O，等质量的Na无论生成Na2O2还是生成Na2O，Na的化合价都是由0价变为＋1价，其失去电子数相同，A错误，B正确；Na2O2为淡黄色，Na2O为白色，两者颜色不同，C错误；等质量的Na生成Na2O2和Na2O的物质的量相同，因Na2O2摩尔质量大于Na2O的摩尔质量，故生成Na2O2的质量大，D错误。知识点三钠与水、水溶液的反应1．钠与水的反应将绿豆大的一小块钠投入到滴有酚酞的盛水的烧杯中，产生的现象及解释如下表所示：离子方程式：2Na＋2H2O=2Na＋＋2OH－＋H2↑，还原剂：Na；氧化剂：H2O。2．与酸溶液反应(1)钠与酸溶液反应时先与酸反应，如：2Na＋2HCl=2NaCl＋H2↑。(2)如果钠相对酸过量，待酸消耗尽后，钠再与水反应。3．与碱溶液反应钠与碱溶液反应实质就是钠与水的反应。4．与盐溶液反应(1)NaCl溶液：实际是与水反应。反应的化学方程式为：2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑。(2)CuSO4溶液：因为钠与水剧烈反应，这样钠先与水反应，生成的NaOH再跟CuSO4反应，而不能认为发生的只是置换反应。反应的化学方程式为：2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑；CuSO4＋2NaOH=Cu(OH)2↓＋Na2SO4；总反应式为：2Na＋CuSO4＋2H2O=Cu(OH)2↓＋H2↑＋Na2SO4。(3)NaHSO4溶液：因其完全电离：NaHSO4=Na＋＋H＋＋SOeq\o\al(2－,4)，而使溶液显强酸性，即盐电离产生的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=2Na2SO4＋H2↑。(4)通常钠不能从盐溶液中置换出金属；若盐为熔融状态，钠可以置换出较不活泼的金属，如：4Na＋TiCl4eq\o(=,\s\up17(熔融))4NaCl＋Ti。提示：与Na有类似情况的还有非常活泼金属，如：K、Ca、Ba等。1.在钠与水反应之前，为什么要用滤纸擦干煤油呢？提示：防止钠与水反应放热而造成煤油的燃烧。2．钠在金属活动性顺序表中排在前面，那它能在盐溶液中置换出排在它后面的金属吗？提示：不能，因为它会先跟水反应，然后生成的NaOH再与盐反应。3．铁与水可以反应，为什么人们还常用铁壶来盛水？提示：铁与水反应是有条件的，铁在高温下与水蒸气反应，但铁与冷、热水不反应，故可用铁壶来盛水。4．根据金属活动性顺序表，你能总结出金属与水反应的规律吗？提示：金属与水反应的规律：(1)K、Ca、Na等非常活泼的金属和冷水作用，生成可溶性强碱和H2。如2K＋2H2O=2KOH＋H2↑。(2)Mg与冷水反应缓慢，与沸水反应速率加快。Mg＋2H2Oeq\o(=,\s\up17(△))Mg(OH)2＋H2↑铝与冷水不反应，与沸水能反应，生成不溶性的Al(OH)3和H2，Al(OH)3附着在Al的表面，反应会很快停止。(3)Zn、Fe、Sn、Pb和高温水蒸气反应，生成不溶性氧化物和H2。3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up17(高温))Fe3O4＋4H2Zn＋H2O(g)eq\o(=,\s\up17(高温))ZnO＋H2(4)Cu、Hg、Ag、Pt、Au不与水反应。注意：做镁、铝与水反应的实验时，必须先将镁、铝表面的氧化膜除掉，否则它们不能与水反应，这就是为什么可以用铝壶烧开水的原因。[例3](1)将一小块钠放入下列溶液中，既能产生气体又能生成白色沉淀的是()A．硝酸铜溶液 B．稀硫酸C．氯化钠溶液 D．氯化镁溶液(2)写出Na投入到下列溶液中所发生的化学反应方程式(若有多步，则分步书写)。①NaHCO3溶液：________________________________________、______________________________________________________。②FeCl3溶液：___________________________________________________________________________________________________________________________________________。[思路分析]Na与酸反应的实质是与H＋反应，与盐、碱的反应实际上是与H2O反应，然后根据得到的生成物，再结合溶质的性质，进行判断。[解析]遇到钠与碱、盐水溶液反应的问题时，在注意钠与水反应的同时，还要考虑生成的NaOH是否与溶液中的溶质反应。钠与四种溶液反应都生成氢气，在硝酸铜溶液中会有蓝色沉淀生成，只有在氯化镁溶液中可生成白色沉淀。[答案](1)D(2)①2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑NaOH＋NaHCO3=Na2CO3＋H2O②2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑3NaOH＋FeCl3=Fe(OH)3↓＋3NaCl在烧杯中加水和煤油(密度：0.88g·cm－3)各50mL，将一小粒金属钠(密度：0.97g·cm－3)投入烧杯中，观察到的现象可能是(提示：钠与煤油不反应)(D)A．钠在水层中反应，并四处游动B．钠停留在煤油层中，不发生反应C．钠在煤油的液面上反应并四处游动D．钠在煤油与水的界面处反应并可能上、下跳动解析：本题必须明确钠、煤油、水三者的密度关系，然后根据钠与水的反应现象分析解答。煤油与水互不相溶，钠的密度处于煤油和水之间，能与水反应而不与煤油反应，另外钠与水接触的位置是钠的底部，与水反应放出的氢气给钠一个向上的推力，同时与钠受到的重力作用可使钠在煤油与水的界面处上、下跳动，故正确答案为D项。知识点四金属与酸反应的计算1．定量规律(1)金属与酸反应失去电子的物质的量＝产生氢原子的物质的量＝生成H2的物质的量的2倍。(2)由R＋mHCl=RClm＋eq\f(m,2)H2↑可知相同物质的量的金属与足量的酸反应产生氢气的量之比等于反应后对应金属呈现的化合价之比。2．常用方法(1)守恒法包括原子守恒(质量守恒)、电荷守恒、电子守恒等。如根据电子守恒，1molAl不论与酸还是与碱反应失去的电子都是3mol，即生成的H2为eq\f(3,2)mol。(2)平均值法①摩尔电子质量：某物质在反应中转移1mol电子时该物质的质量，如Mg的摩尔电子质量为eq\f(24,2)g·mol－1＝12g·mol－1，Al的摩尔电子质量为eq\f(27,3)g·mol－1＝9g·mol－1。②平均摩尔电子质量：两种或两种以上物质的混合物在反应中转移1mol电子时混合物的质量，如2g金属混合物生成2.24LH2(标准状况)，则平均摩尔电子质量为：eq\f(2g,0.1×2mol)＝10g·mol－1。[例4]Na、Mg、Al、Fe四种金属中的任意两种组成的混合物12g，与足量的盐酸反应产生0.5g氢气，则混合物中一定含有的金属是()A．Na B．MgC．Al D．Fe[思路分析]一是采用极端假设法，计算出产生0.5gH2各需Na、Mg、Al、Fe的质量，然后与12g比较判断；二是采用“平均摩尔电子质量法”快速求解。[解析]方法一Na、Mg、Al、Fe分别与足量的盐酸反应得到0.5g(0.25mol)H2，需要金属的质量分别为11.5g、6g、4.5g、14g，可推知混合物中必须有Fe，否则12g混合物与足量的盐酸反应产生的氢气的质量必然超过0.5g。方法二H2～2e－，eq\x\to(M)e－＝eq\f(12g,0.25mol×2e－)＝24g/(mol·e－)，各金属的eq\x\to(M)e－的数值分别为Na—23、Mg—12、Al—9、Fe—28，前三者的eq\x\to(M)e－的数值都小于24，只有Fe的eq\x\to(M)e－的数值大于24，故一定存在Fe。[答案]D将钠、镁、铝各0.3mol分别投入100mL1mol/L的盐酸中，同温同压下产生的气体体积之比是(C)A．123 B．632C．311 D．111解析：方法一三种金属投入盐酸中分别发生的反应为2Na＋2HCl=2NaCl＋H2↑、2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑，Mg＋2HCl=MgCl2＋H2↑，2Al＋6HCl=2AlCl3＋3H2↑。n(HCl)＝0.1mol，金属的物质的量均为0.3mol。所以Na完全反应，产生氢气的物质的量为0.15mol。Mg、Al过量，二者与盐酸反应产生氢气的量取决于HCl的量，均为0.05mol。方法二n(HCl)＝0.1mol，由H＋eq\o(→,\s\up17(得到电子))eq\f(1,2)H2知，0.1molHCl最多能得到0.1mol电子，0.3molNa、Mg、Al分别最多能提供的电子的物质的量为0.3mol、0.6mol、0.9mol，说明HCl不足，金属过量。但要注意过量的Na会继续和H2O反应，所以Na不会剩余，能提供0.3mol电子，因此产生H2的体积与转移的电子数成正比，即产生H2的体积之比为311。1．取一块金属钠放在燃烧匙里加热，观察下列实验现象：①金属钠先熔化；②在空气中燃烧，放出红色火花；③燃烧后得白色固体；④燃烧时火焰为黄色；⑤燃烧后生成浅黄色固体物质。以上描述正确的是(D)A．①②B．①②③C．①④D．①④⑤解析：钠的熔点只有97.81℃2．分别将一小块钠投入下列溶液中，只有气体放出没有沉淀生成的是(B)A．饱和NaCl溶液 B．稀NaHSO4溶液C．MgCl2溶液 D．CuSO4溶液解析：钠与四种溶液的反应都有H2放出，但A会析出NaCl晶体，C会析出Mg(OH)2沉淀，D会析出Cu(OH)2沉淀。3．下列关于金属铝的叙述不正确的是(C)A．铝的化学性质比较活泼，在空气中易被氧化生成Al2O3B．铝是比较活泼的金属，在化学反应中容易失去电子，表现出还原性C．铝箔在空气中受热可以熔化，且发生剧烈燃烧D．铝箔在空气中受热可以熔化，由于氧化膜的存在，熔化的铝并不滴落解析：铝的化学性质比较活泼，在空气中易与氧气反应生成一层致密的氧化膜，A项正确；B项正确；铝箔在空气中受热可以熔化，但形成的氧化膜使得铝与氧气不再反应，因而也就不会燃烧，C项错误；D项正确。4．将小块钠投入到FeCl3的稀溶液中，以下对有关现象的描述中最恰当的是(B)A．钠溶解，溶液里有黑色固体析出和无色气体逸出B．钠与溶液剧烈反应，溶液里有红褐色沉淀生成，溶液的颜色变浅C．钠在溶液的表面上静静地消失，溶液里有红褐色沉淀生成D．钠迅速消失，溶液里快速地冒出很多的气泡，同时有红褐色固体生成解析：将钠块投入到FeCl3的稀溶液中，钠易与水发生反应，所以先后发生反应的化学方程式分别是2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑，3NaOH＋FeCl3=Fe(OH)3↓＋3