第4章常見金屬單質(zhì)及其化合物

第4章常見金屬單質(zhì)及其化合物4.1金屬的共性

常見金屬單質(zhì)4.2常見金屬化合物4.3常見金屬離子的檢驗4.4

4.1金屬的共性金屬具有共性是因為在金屬晶體內(nèi)部存在一種特殊的化學鍵——金屬鍵。金屬元素原子結(jié)構的特點是最外層電子數(shù)較少（一般為1～3個，少數(shù)除外），容易失去電子，這樣金屬內(nèi)部就交替排列著金屬原子和金屬陽離子。從金屬原子上脫落的能夠自由移動的電子在金屬原子和金屬陽離子之間來回移動，當遇到金屬陽離子時會與其結(jié)合形成金屬原子；而金屬原子在外界能量和金屬陽離子的作用下又會失去電子形成自由電子，這種過程不斷循環(huán)，使金屬原子和金屬陽離子緊密結(jié)合在一起而形成金屬晶體。我們把這種通過自由電子的移動，使金屬原子和金屬陽離子相互連接在一起的化學鍵，稱為金屬鍵。4.1.1金屬的物理性質(zhì)常溫下，除汞以外的其他金屬都具有晶體結(jié)構。這種特殊的結(jié)構，決定了金屬具有共同的物理性質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1．金屬光澤除金（Au）、銅（Cu）和鉍（Bi）等少數(shù)金屬具有特殊顏色外，其余金屬均為銀白色或灰色。金屬都是不透明的，以粉末狀態(tài)存在時，呈現(xiàn)黑色或灰暗色（鎂、鋁除外）；以塊狀或片狀存在時具有金屬光澤。2．延展性一般來說，金屬都具有不同程度的延展性，可以被鍛打成型、壓成薄片或抽成細絲等。金的延展性最好，最薄的金箔只有0.1μm厚。也有少數(shù)金屬如銻（Sb）、鉍（Bi）、錳（Mn）等，性質(zhì)較脆，敲打時易碎成小塊。大多數(shù)金屬都具有良好的導電導熱性。一般導電性好的金屬，導熱性也好。導電導熱性排在前4位的金屬是銀（Ag）、銅（Cu）、金（Au）和鋁（Al）。銀的導電性最好，但其價格過高、產(chǎn)量也低，所以電氣工業(yè)上常用的是銅和鋁。銅和鋁也是很好的導熱材料，廣泛應用于熱交換器、散熱材料及日用炊具等。3．導電導熱性4．密度、硬度和熔點大多數(shù)金屬的密度和硬度較大，熔點較高。4.1.2金屬的化學性質(zhì)金屬最重要的化學性質(zhì)就是易失去外層電子，變成金屬陽離子而表現(xiàn)出還原性。例如，金屬可以與非金屬、氧氣和酸等發(fā)生反應。由于金屬失去電子的難易程度不同，所以各種金屬還原性的強弱也不同，化學活動性強弱自然也不同。對于金屬的化學性質(zhì)，后面將結(jié)合不同物質(zhì)進行具體分析判斷。

4.2常見金屬單質(zhì)鈉是一種銀白色的金屬，熔沸點低，密度?。?.97g/cm3），屬于輕金屬。鈉質(zhì)地柔軟，可以用小刀切割，具有良好的導電、導熱性。鈉可以作為還原劑，用于冶煉稀有金屬，也廣泛應用于電光源上。例如，高壓鈉燈發(fā)出的黃光射程非常遠，透霧能力強，用作路燈時，亮度比高壓水銀燈高好幾倍。4.2.1鈉1．鈉的物理性質(zhì)用鑷子取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干其表面的煤油，然后用刀切去一端的外皮，觀察鈉斷面的光澤和顏色。實驗

2．鈉的化學性質(zhì)（1）與氧的反應觀察上頁PPT的實驗可以看到，新切開的光亮的金屬鈉的斷面很快失去光澤并變暗，這主要是生成了一層薄氧化物的緣故。過氧化鈉可用于航空、航天器等呼吸面具中作為氧氣的來源，這是因為過氧化鈉能與人們呼出的二氧化碳反應生成氧氣，這樣可以減少因缺氧而引發(fā)的窒息。

（2）與水的反應堿金屬都能與水反應，鋰與水的反應較為緩和，并且不熔化；鈉與水反應較劇烈，反應放出的熱使鈉熔化成一個白色的小球（如下圖為鈉與水反應的情況）；鉀與水的反應更劇烈，產(chǎn)生的氫氣能燃燒。

鈉與水的反應實驗通過觀察實驗現(xiàn)象可以看出：鈉的密度比水?。ǜ≡谒嫔希烩c的化學性質(zhì)比較活潑，能與水發(fā)生劇烈的反應，并放出熱量，放出的熱量使鈉塊熔成小球；反應后得到的溶液呈堿性（溶液顯紅色），并有氣體生成。將綠豆大小的金屬鈉投入滴有酚酞的水中（下圖），觀察反應現(xiàn)象和溶液顏色的變化。將鈉投入滴有酚酞的水中實驗室里一般將鈉保存在密度較小的煤油中，以隔絕氧氣和水。單質(zhì)鋁是銀白色金屬，密度為2.7g/cm3，較軟，熔點為660℃，具有良好的導電、導熱性，工業(yè)上常用鋁代替銅做導線、熱交換器和散熱材料等。鋁的延展性也非常好，可抽成細絲，也可壓成薄片成為鋁箔，用來包裝糖果、煙等。鋁還能跟許多元素形成合金，因鋁合金輕而堅韌，常被用于汽車、飛機和火箭等制造業(yè)和日常生活中。4.2.2鋁1．鋁的物理性質(zhì)2．鋁的化學性質(zhì)（1）與氧氣反應（2）與酸反應（3）與堿反應（4）與金屬氧化物的反應鋁熱法4.2.3鐵1．鐵的物理性質(zhì)鐵是一種光亮的銀白色金屬，密度為7.86g/cm3，相對原子質(zhì)量55.847，熔點1535℃，沸點2750℃，有良好的延展性和導熱性，也能導電。純鐵既能磁化，又可去磁，且均很迅速。鐵是制造發(fā)電機和電動機必不可少的材料。鐵也是生命過程所必需的元素，是紅細胞（血紅蛋白）的主要成分。2．鐵的化學性質(zhì)純鐵化學性質(zhì)比較活潑，常見化合價為+2和+3價。（1）與非金屬反應（2）與水反應在潮濕空氣中，鐵在H2O、O2、CO2等的共同作用下，易發(fā)生腐蝕而生銹，鐵銹的主要成分是Fe2O3·nH2O。（3）與鹽溶液反應鐵可從鹽溶液中還原金（Au）、鉑（Pt）、銀（Ag）、汞（Hg）、鉍（Bi）、錫（Sn）、鎳（Ni）或銅（Cu）等離子。（4）與酸反應鐵溶于非氧化性的酸（如鹽酸或稀硫酸）中，形成二價鐵離子并放出氫氣；在冷的過量稀硝酸中則形成三價鐵離子和硝酸銨。4.3常見金屬化合物4.3.1常見金屬氧化物和氫氧化物1．過氧化鈉和氫氧化鈉（1）過氧化鈉過氧化鈉（Na2O2）易吸潮，熔點約460℃熔化時仍然很穩(wěn)定，但遇到棉花、紙張等有機物或鎂粉、鋁粉等還原性物質(zhì)時，易發(fā)生燃燒或爆炸。過氧化鈉遇水、稀酸或二氧化碳時會發(fā)生反應放出氧氣。（2）氫氧化鈉硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，能將玻璃黏合在一起。實驗室存放氫氧化鈉溶液的試劑瓶一般不用磨口玻璃塞，而用橡膠塞或軟木塞。氫氧化鈉是重要的化工原料之一，廣泛用于造紙、肥皂、化學纖維、紡織和化工生產(chǎn)中。工業(yè)上通常使用電解食鹽水的方法生產(chǎn)氫氧化鈉。氫氧化鈉（NaOH），俗稱燒堿、火堿、苛性鈉，常溫下是一種白色晶體，具有強腐蝕性。氫氧化鈉易溶于水，溶解時放出大量熱，其水溶液呈強堿性，能使酚酞變紅。氫氧化鈉在空氣中易吸收水蒸氣而潮解，所以常將氫氧化鈉固體用作干燥劑。氧化鋁（Al2O3）是一種難溶于水且熔點（熔點為2050℃）極高的白色粉末。天然的無色氧化鋁熔點高、硬度大（硬度僅次于金剛石），被稱為剛玉。人們通常所說的紅寶石和藍寶石就是混有少量不同氧化物雜質(zhì)的剛玉。含有微量鐵和鈦的氧化物的剛玉呈藍色，俗稱藍寶石；含有微量鉻的化合物的剛玉呈紅色，俗稱紅寶石。由于剛玉的耐火性，人工剛玉常被用于制造機器、儀表中的軸承、研磨材料、坩堝及瓷器等。2．氧化鋁和氫氧化鋁（1）氧化鋁

Al2O3不溶于水，但新制的Al2O3能與酸或堿反應，生成鹽和水。在上述兩個反應中，Al2O3分別表現(xiàn)出了堿性氧化物和酸性氧化物的性質(zhì)，所以Al2O3是兩性氧化物。

（2）氫氧化鋁氫氧化鋁[Al（OH）3]是一種難溶于水的白色膠狀物質(zhì)，是典型的兩性氫氧化物。它能凝聚水中的懸浮物，又有吸附色素的性能。實驗1反應中得到的白色膠狀沉淀是Al（OH）3，該反應的反應式為：向一支盛有20mL0.5mol/L

Al2（SO4）3溶液的試管中，逐滴加入氨水，生成白色膠狀沉淀，持續(xù)滴加氨水，直到不再產(chǎn)生沉淀為止。實驗2實驗發(fā)現(xiàn)，氫氧化鋁能溶于酸，也能溶于堿，這說明它既能跟酸反應，又能跟堿反應，所以Al（OH）3是兩性氫氧化物。它在溶液中以下列方式解離：把實驗1制得的Al（OH）3沉淀分成兩份，分別裝在2支試管中，在1支試管中滴加2mol/LHCl溶液，在另一支試管中滴加2mol/LNaOH溶液，振蕩并觀察實驗現(xiàn)象。3．鐵的氧化物和氫氧化物（1）鐵的氧化物

鐵的氧化物有氧化亞鐵（FeO）、氧化鐵（Fe2O3）和四氧化三鐵（Fe3O4）等。氧化亞鐵是一種黑色粉末，不穩(wěn)定，在空氣里加熱即迅速被氧化成四氧化三鐵。氧化鐵是一種紅棕色粉末，俗稱鐵紅，可用作油漆的顏料。四氧化三鐵是具有磁性的黑色帶瓦藍色晶體，俗稱磁性氧化鐵，是磁鐵礦的主要成分。在四氧化三鐵晶體里存在著鐵的兩種不同價態(tài)的離子，其中1/3是Fe2+，2/3是Fe3+。因此，四氧化三鐵可以看成是氧化亞鐵和氧化鐵組成的化合物，化學式可寫成“FeO·Fe2O3”。四氧化三鐵是一種復雜的化合物，可以由鐵在純氧氣中燃燒得到，耐高溫，耐腐蝕，通常作為槍炮內(nèi)鏜的涂層。（2）鐵的氫氧化物氫氧化鋁鐵有兩種氫氧化物，氫氧化亞鐵[Fe（OH）2]和氫氧化鐵[Fe（OH）3]。純氫氧化亞鐵是白色難溶于水的弱堿，可以由亞鐵鹽和堿反應得到。由于溶液中溶解有氧氣且反應體系（開放性的體系）與外界存在著物質(zhì)交換與能量交換，不斷有空氣中的氧氣溶解到溶液中，新生成的氫氧化亞鐵很快就被氧化成氫氧化鐵。

Fe（OH）3為棕紅色難溶于水的弱堿，也可以由鐵鹽和堿反應得到。Fe（OH）3不穩(wěn)定，受熱易失水生成紅棕色的Fe2O3粉末。4.3.2鹽類1．碳酸鈉和碳酸氫鈉碳酸鈉（Na2CO3）俗名蘇打或純堿，普通情況下為白色粉末，為強電解質(zhì)，易溶于水，具有鹽的通性。碳酸氫納（NaHCO3）俗名小蘇打，為白色粉末或不透明細微結(jié)晶，可溶于水，微溶于乙醇。一般情況下，酸式鹽比相應的正鹽更易溶于水,但Na2CO3和NaHCO3則相反，Na2CO3比NaHCO3更易溶于水。它們的水溶液都因水解而呈堿性，但Na2CO3溶液的堿性比NaHCO3強。（1）與酸反應（2）與堿反應Na2CO3不能與堿反應，但NaHCO3可與堿反應。（3）受熱分解NaHCO3不穩(wěn)定，受熱易分解，一般利用此反應來區(qū)別Na2CO3和NaHCO3。硫化氫氯化鐵（FeCl3），又名三氯化鐵，是黑棕色結(jié)晶，熔點282℃、沸點315℃，易溶于水并且有強烈的吸水性，能吸收空氣里的水分而潮解。FeCl3從水溶液析出時帶六個結(jié)晶水，化學式為FeCl3·6H2O（六水合三氯化鐵），是橘黃色晶體。2．氯化鐵和硫酸亞鐵（1）氯化鐵氯化鐵在水溶液中易水解生成氫氧化鐵沉淀。FeCl3具有氧化性，與較強的還原劑反應會被還原成亞鐵鹽；亞鐵鹽在較強氧化劑的作用下，又會被氧化成鐵鹽。例如：硫酸亞鐵，又名綠礬、七水硫酸亞鐵、鐵礬和青礬等，藍綠色或顆粒，無氣味，易溶于水。綠礬在干燥空氣中會風化，在潮濕空氣中表面會逐步被氧化成棕色的堿式硫酸鐵，所以需保存在密閉容器中。綠礬可用于制鐵鹽、氧化鐵顏料、媒染劑、凈水劑、防腐劑和消毒劑等；醫(yī)藥上可作抗貧血藥、局部收斂劑及補血劑，可用于子宮肌瘤引起的慢性失血；農(nóng)業(yè)上可用作農(nóng)藥，防治小麥黑穗病、蘋果和梨的疤痂病和果樹的腐爛病等，也可用作肥料，作為植物鐵元素的補充劑，防治植物因缺鐵而發(fā)生生理性病害，如植物葉色失綠等。工業(yè)上可用于水的絮凝凈化，以及從城市和工業(yè)污水中去除磷酸鹽，以防止水體的富營養(yǎng)化，另外可被用作還原劑，還原水泥中的鉻酸鹽。（2）硫酸亞鐵

4.4常見金屬離子的檢驗4.4.1焰色反應很多金屬或其化合物在無色火焰中灼燒時，都會使火焰呈現(xiàn)特殊的顏色，這在化學上叫做焰色反應。節(jié)日或有慶?；顒訒r燃放的焰火中，就含有金屬鈉、鉀、鈣、鍶和鋇等的化合物，由于不同金屬的焰色反應呈現(xiàn)出不同的色彩，使焰火看起來五彩繽紛，煞是好看，如右圖所示。實驗隔著藍色鈷玻璃觀察，可以發(fā)現(xiàn)含有鈉離子的溶液火焰呈黃色；含有鉀離子的溶液火焰呈紫色。利用焰色反應所呈現(xiàn)的特殊顏色，可以檢驗金屬或金屬離子的存在，下表列出了幾種常見金屬或金屬離子焰色反應的顏色。取含有鉀離子和鈉離子的溶液各1滴，分別滴入點滴板的兩個凹槽中，各加入1滴濃HCl。用潔凈的鉑絲分別蘸取試液，于無色燈焰中灼燒。金屬或金屬離子鋰（Li）鈣（Ca）銅（Cu）銣（