第4章常見(jiàn)金屬單質(zhì)及其化合物

第4章常見(jiàn)金屬單質(zhì)及其化合物4.1金屬的共性

常見(jiàn)金屬單質(zhì)4.2常見(jiàn)金屬化合物4.3常見(jiàn)金屬離子的檢驗(yàn)4.4

4.1金屬的共性金屬具有共性是因?yàn)樵诮饘倬w內(nèi)部存在一種特殊的化學(xué)鍵——金屬鍵。金屬元素原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是最外層電子數(shù)較少（一般為1～3個(gè)，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(yáng)離子。從金屬原子上脫落的能夠自由移動(dòng)的電子在金屬原子和金屬陽(yáng)離子之間來(lái)回移動(dòng)，當(dāng)遇到金屬陽(yáng)離子時(shí)會(huì)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(yáng)離子的作用下又會(huì)失去電子形成自由電子，這種過(guò)程不斷循環(huán)，使金屬原子和金屬陽(yáng)離子緊密結(jié)合在一起而形成金屬晶體。我們把這種通過(guò)自由電子的移動(dòng)，使金屬原子和金屬陽(yáng)離子相互連接在一起的化學(xué)鍵，稱(chēng)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(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)，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(shí)，呈現(xiàn)黑色或灰暗色（鎂、鋁除外）；以塊狀或片狀存在時(shí)具有金屬光澤。2．延展性一般來(lái)說(shuō)，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(xì)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(shí)易碎成小塊。大多數(shù)金屬都具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。一般導(dǎo)電性好的金屬，導(dǎo)熱性也好。導(dǎo)電導(dǎo)熱性排在前4位的金屬是銀（Ag）、銅（Cu）、金（Au）和鋁（Al）。銀的導(dǎo)電性最好，但其價(jià)格過(guò)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(dǎo)熱材料，廣泛應(yīng)用于熱交換器、散熱材料及日用炊具等。3．導(dǎo)電導(dǎo)熱性4．密度、硬度和熔點(diǎn)大多數(shù)金屬的密度和硬度較大，熔點(diǎn)較高。4.1.2金屬的化學(xué)性質(zhì)金屬最重要的化學(xué)性質(zhì)就是易失去外層電子，變成金屬陽(yáng)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(yīng)。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(qiáng)弱也不同，化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)弱自然也不同。對(duì)于金屬的化學(xué)性質(zhì)，后面將結(jié)合不同物質(zhì)進(jìn)行具體分析判斷。

4.2常見(jiàn)金屬單質(zhì)鈉是一種銀白色的金屬，熔沸點(diǎn)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性。鈉可以作為還原劑，用于冶煉稀有金屬，也廣泛應(yīng)用于電光源上。例如，高壓鈉燈發(fā)出的黃光射程非常遠(yuǎn)，透霧能力強(qiáng)，用作路燈時(shí)，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(shí)驗(yàn)

2．鈉的化學(xué)性質(zhì)（1）與氧的反應(yīng)觀察上頁(yè)P(yáng)PT的實(shí)驗(yàn)可以看到，新切開(kāi)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(guò)氧化鈉可用于航空、航天器等呼吸面具中作為氧氣的來(lái)源，這是因?yàn)檫^(guò)氧化鈉能與人們呼出的二氧化碳反應(yīng)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(yīng)堿金屬都能與水反應(yīng)，鋰與水的反應(yīng)較為緩和，并且不熔化；鈉與水反應(yīng)較劇烈，反應(yīng)放出的熱使鈉熔化成一個(gè)白色的小球（如下圖為鈉與水反應(yīng)的情況）；鉀與水的反應(yīng)更劇烈，產(chǎn)生的氫氣能燃燒。

鈉與水的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出：鈉的密度比水?。ǜ≡谒嫔希烩c的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能與水發(fā)生劇烈的反應(yīng)，并放出熱量，放出的熱量使鈉塊熔成小球；反應(yīng)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(yīng)現(xiàn)象和溶液顏色的變化。將鈉投入滴有酚酞的水中實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為660℃，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，工業(yè)上常用鋁代替銅做導(dǎo)線(xiàn)、熱交換器和散熱材料等。鋁的延展性也非常好，可抽成細(xì)絲，也可壓成薄片成為鋁箔，用來(lái)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(jiān)韌，常被用于汽車(chē)、飛機(jī)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(xué)性質(zhì)（1）與氧氣反應(yīng)（2）與酸反應(yīng)（3）與堿反應(yīng)（4）與金屬氧化物的反應(yīng)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(duì)原子質(zhì)量55.847，熔點(diǎn)1535℃，沸點(diǎn)2750℃，有良好的延展性和導(dǎo)熱性，也能導(dǎo)電。純鐵既能磁化，又可去磁，且均很迅速。鐵是制造發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)必不可少的材料。鐵也是生命過(guò)程所必需的元素，是紅細(xì)胞（血紅蛋白）的主要成分。2．鐵的化學(xué)性質(zhì)純鐵化學(xué)性質(zhì)比較活潑，常見(jiàn)化合價(jià)為+2和+3價(jià)。（1）與非金屬反應(yīng)（2）與水反應(yīng)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(yīng)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(yīng)鐵溶于非氧化性的酸（如鹽酸或稀硫酸）中，形成二價(jià)鐵離子并放出氫氣；在冷的過(guò)量稀硝酸中則形成三價(jià)鐵離子和硝酸銨。4.3常見(jiàn)金屬化合物4.3.1常見(jiàn)金屬氧化物和氫氧化物1．過(guò)氧化鈉和氫氧化鈉（1）過(guò)氧化鈉過(guò)氧化鈉（Na2O2）易吸潮，熔點(diǎn)約460℃熔化時(shí)仍然很穩(wěn)定，但遇到棉花、紙張等有機(jī)物或鎂粉、鋁粉等還原性物質(zhì)時(shí)，易發(fā)生燃燒或爆炸。過(guò)氧化鈉遇水、稀酸或二氧化碳時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)放出氧氣。（2）氫氧化鈉硅酸鈉的水溶液俗稱(chēng)水玻璃，能將玻璃黏合在一起。實(shí)驗(yàn)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(xué)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(chēng)燒堿、火堿、苛性鈉，常溫下是一種白色晶體，具有強(qiáng)腐蝕性。氫氧化鈉易溶于水，溶解時(shí)放出大量熱，其水溶液呈強(qiáng)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(diǎn)（熔點(diǎn)為2050℃）極高的白色粉末。天然的無(wú)色氧化鋁熔點(diǎn)高、硬度大（硬度僅次于金剛石），被稱(chēng)為剛玉。人們通常所說(shuō)的紅寶石和藍(lán)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(lán)色，俗稱(chēng)藍(lán)寶石；含有微量鉻的化合物的剛玉呈紅色，俗稱(chēng)紅寶石。由于剛玉的耐火性，人工剛玉常被用于制造機(jī)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(yīng)，生成鹽和水。在上述兩個(gè)反應(yīng)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(shí)驗(yàn)1反應(yīng)中得到的白色膠狀沉淀是Al（OH）3，該反應(yīng)的反應(yīng)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(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氫氧化鋁能溶于酸，也能溶于堿，這說(shuō)明它既能跟酸反應(yīng)，又能跟堿反應(yīng)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chēng)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(lán)色晶體，俗稱(chēng)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(jià)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(xué)式可寫(xiě)成“FeO·Fe2O3”。四氧化三鐵是一種復(fù)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(yīng)得到。由于溶液中溶解有氧氣且反應(yīng)體系（開(kāi)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(yīng)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(lèi)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(qiáng)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(xì)微結(jié)晶，可溶于水，微溶于乙醇。一般情況下，酸式鹽比相應(yīng)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(qiáng)。（1）與酸反應(yīng)（2）與堿反應(yīng)Na2CO3不能與堿反應(yīng)，但NaHCO3可與堿反應(yīng)。（3）受熱分解NaHCO3不穩(wěn)定，受熱易分解，一般利用此反應(yīng)來(lái)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(diǎn)282℃、沸點(diǎn)315℃，易溶于水并且有強(qiáng)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(shí)帶六個(gè)結(jié)晶水，化學(xué)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(qiáng)的還原劑反應(yīng)會(huì)被還原成亞鐵鹽；亞鐵鹽在較強(qiáng)氧化劑的作用下，又會(huì)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(lán)綠色或顆粒，無(wú)氣味，易溶于水。綠礬在干燥空氣中會(huì)風(fēng)化，在潮濕空氣中表面會(huì)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(bǔ)血?jiǎng)?，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(píng)果和梨的疤痂病和果樹(shù)的腐爛病等，也可用作肥料，作為植物鐵元素的補(bǔ)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(yíng)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(jiàn)金屬離子的檢驗(yàn)4.4.1焰色反應(yīng)很多金屬或其化合物在無(wú)色火焰中灼燒時(shí)，都會(huì)使火焰呈現(xiàn)特殊的顏色，這在化學(xué)上叫做焰色反應(yīng)。節(jié)日或有慶?；顒?dòng)時(shí)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(yīng)呈現(xiàn)出不同的色彩，使焰火看起來(lái)五彩繽紛，煞是好看，如右圖所示。實(shí)驗(yàn)隔著藍(lán)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(yīng)所呈現(xiàn)的特殊顏色，可以檢驗(yàn)金屬或金屬離子的存在，下表列出了幾種常見(jiàn)金屬或金屬離子焰色反應(yīng)的顏色。取含有鉀離子和鈉離子的溶液各1滴，分別滴入點(diǎn)滴板的兩個(gè)凹槽中，各加入1滴濃HCl。用潔凈的鉑絲分別蘸取試液，于無(wú)色燈焰中灼燒。金屬或金屬離子鋰（Li）鈣（Ca）銅（Cu）銣（