第5章 金属及其化合物

5.1 金属的性质

金属的物理性质

一、金属的存在

地壳中含量由多到少的元素是：  氧、硅、铝、铁、钙、钠、镁  ；含量最多的金属元素是铝  元素。

二、金属的物理性质

1、有金属光泽：大多数金属都有银白色金属光泽，少数金属是特殊颜色如铜是紫红色，金是金黄色。

2、固体：除汞(液体)外，大多数为固体

3、导电性:电场中,自由电子定向运动.

4、传热性：自由电子与金属离子碰撞而交换能量.

5、延展性：形变末破坏金属键。延性：拉成细丝的性质。展性：压成薄片的性质。

三、金属的化学性质（离子方程式）

1、金属与氧气反应   镁条燃烧Mg+O₂=（点燃）2MgO

2、金属与酸的反应   Zn+2HCl=ZnCl₂+H₂      

（排在H前面的金属能置换出酸里的氢）

金属活动性顺序表:   K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au

3、金属与盐的反应   Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

铝丝与硫酸铜溶液反应2Al+3CuSO₄=Al₂（SO₄）₃+3Cu

铜丝与硝酸银溶液反应Cu+2AgNO₃=Cu(NO₃)₂+2Ag

排在前面的金属能把排在后面的金属从其盐溶液中置换出来

Na、Mg、Al的原子结构示意图

金属最外层上的电子一般少于4个,反应中很容易失去电子,表现出较强的还原性。(做还原剂）

金属元素的原子结构

（1）金属元素分布在周期表的左下方，目前已知的112种元素共有90种金属元素。

（2）金属元素最外层电子数一般小于4个。（Ge、Sn、Pb 4个Sb、Bi 5个，Po 6个）原子半径较同周期非金属原子半径大。

金属的化学性质

(1)与非金属单质(O2、Cl2、S、I2等)的反应

(2)金属与H2O的反应

(3)与酸的反应：金属单质+酸→盐+氢气(置换反应)

(4)金属与氧化物的反应

(5)与盐的反应：金属单质+盐(溶液)→另一种金属+另一种盐

金属的冶炼

(1)金属在自然界中的存在形式：

①游离态：化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态的形式存在。如：Au、Ag、Pt、Cu

②化合态：化学性质比较活泼的金属,在自然界中能以化合态的形式存在。如：Al、Na

(2)金属冶炼的实质：用还原的方法，使金属化合物中的金属阳离子得电子变成金属原子。Mn+ + ne-→M

(3)  金属冶炼的主要步骤：

①矿石的富集  (目的：除去杂质,提高矿石右的有用成分的含量)

②冶炼  (目的：得到金属单质)

原理：利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质

③精炼  (目的：提高金属的纯度)

(4)  金属冶炼方法（根据金属的活泼性）

①物理法：Au、Pt 在自然界中主要以游离态存在

②热分解法：适用范围：不活泼金属(Hg～Ag)例：

2HgO2Hg＋O2↑         

2Ag2O4Ag＋O2↑

③热还原法：适用范围：较活泼的金属( Zn～Cu)

(i)  焦炭还原法。例：

C 还原 ZnO、CuO：C＋2ZnO2Zn＋CO2↑           

C＋2CuO2Cu＋CO2↑

(ii)  一氧化碳还原法。例：

CO 还原 Fe2O3、CuO：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2 

CO＋CuOCu＋CO2

(iii)  氢气还原法。例：

H2 还原 WO3、Fe3O4：3H2＋WO3W＋3H2O       

4H2＋Fe3O4 3Fe＋4H2O

(iv)  活泼金属还原法。例：

Al 还原 Cr2O3、V2O5：2Al＋Cr2O3Al2O3＋2Cr             

10Al＋3V2O56V＋5Al2O3

④电解法：适用范围：活泼的金属 K～Al（电解法也常用于某些不活泼的金属的精炼）

例：电解 Al2O3、MgCl2、NaCl：                        

2Al2O3(熔融)冰4Al＋3O2↑             

MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑          

2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑

5.2 重要的金属化合物

氧化物

（一）原电池

1．原电池的反应原理：自发的、放热的氧化还原反应

原电池的电路工作原理：负极失去电子，电子经导线流向正极。(内电路)溶液中阴阳离子发生定向移

动，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。

2．原电池的电极和电极反应：

正极：得到电子，发生还原反应

负极：失去电子，发生氧化反应

3．原电池构成的条件：

(1)两极：活泼性不同的金属(或一种是金属，另一种是非金属导体)

(2)电解质溶液：电极必与电解质溶液接触

(3)形成闭合回路：电极相互接触或与导线连接

特别提醒：原电池形成还有一个隐含条件：能发生自发的氧化还原反应

（二）常用的化学电源和新型化学电源

①氢氧燃料电池 

当用碱性电解质时，电极反应为：

负极：2H₂+40H^—－4e^—＝4H₂0；

正极：0₂+2H₂0+4e^—＝40H^—

总反应：2H₂+0₂＝2H₂O

②锌-锰电池

两极材料是Zn、MnO₂

电解质溶液是：碱性溶液

负极：Zn+2OH^- -2e^-=ZnO+H₂O

正极：2MnO₂+2H₂O+2e^-=2MnOOH+2OH^-

总反应： Zn+2MnO₂+H₂O=zn（OH）₂+Mn₂O₃

③甲烷燃料电池

该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气；

负极：CH₄+10OH^- - 8e^- == CO₃^2- +7H₂O

正极：2O₂+8e^-+4H₂O === 8OH^-

总反应方程式为：CH₄+2O₂+2KOH===K₂CO₃+3H₂O

考点1  化学能与电能的转化关系

考点2  理解原电池原理和形成条件，能够书写简单的电极反应式

过氧化物

1．过氧化氢

(1)结构

化学式：H₂O₂

电子式：

结构式：H—O—O—H，H、O原子个数比为1∶1，H₂O₂是既含极性键，又含非极性键的共价化合物。

(2)化学性质

①不稳定性：2H₂O₂MnO22H₂O＋O₂↑。

②还原性：遇强氧化剂时，显还原性，如：2KMnO₄＋5H₂O₂＋3H₂SO₄===K₂SO₄＋2MnSO₄＋5O₂↑＋8H₂O。

③氧化性：遇较强还原剂时，显氧化性，如H₂O₂＋2HI===I₂＋2H₂O。

拓展　(1)在MnO₂或FeCl₃催化下，H₂O₂分解加快，常用于实验室制O₂。

(2)H₂O₂中O的化合价为－1，处于氧元素的中间价态，因而既有氧化性，又有还原性，但以氧化性为主。

(3)H₂O₂常用于杀菌消毒、漂白，是H₂O₂的氧化性所致。

(4)H₂O₂体现氧化性时，被还原为无污染的H₂O，因而常用于除去还原性的杂质离子。

氢氧化物

1、氢氧化铝Al(OH)3

①Al(OH)3是两性氢氧化物，在常温下它既能与强酸，又能与强碱反应：

Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2O(Al(OH)3+3H+=Al3++3H2O)

Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O(Al(OH)3+OH-=AlO2-+2H2O)

②Al(OH)3受热易分解成Al2O3：2Al(OH)3==Al2O3+3H2O(规律：不溶性碱受热均会分解)

③Al(OH)3的制备：实验室用可溶性铝盐和氨水反应来制备Al(OH)3

Al2(SO4)3+6NH3·H2O=2Al(OH)3↓+3(NH4)2SO4

(Al3++3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+)

因为强碱(如NaOH)易与Al(OH)3反应，所以实验室不用强碱制备Al(OH)3，而用氨水。

2、铁的氢氧化物：氢氧化亚铁Fe(OH)2(白色)和氢氧化铁Fe(OH)3(红褐色)

①都能与酸反应生成盐和水：

Fe(OH)2+2HCl=FeCl2+2H2O(Fe(OH)2+2H+=Fe2++2H2O)

Fe(OH)3+6HCl=2FeCl3+3H2O(Fe(OH)3+3H+=2Fe3++3H2O)

②Fe(OH)2可以被空气中的氧气氧化成Fe(OH)3

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3(现象：白色沉淀→灰绿色→红褐色)

③Fe(OH)3受热易分解生成Fe2O3：2Fe(OH)3==Fe2O3+3H2O

3、氢氧化钠NaOH：俗称烧碱、火碱、苛性钠，易潮解，有强腐蚀性，具有碱的通性。

盐

5.3 化学变化中的能量变化

吸热反应和放热反应

常见的放热反应和吸热反应

⑴常见的放热反应

①所有的燃烧反应

②酸碱中和反应

③大多数化合反应

④金属与酸或水的反应

⑤铝热反应

8Al + Fe₃O₄ =高温= 9Fe + 4Al₂O₃

⑵常见的吸热反应

①大多数分解反应

②八水合氢氧化钡与氯化铵反应

Ba(OH)₂·8H₂O+2NH₄Cl=BaCl₂+2NH₃↑+10H₂O

③其他：

C+CO2 = 高温=2CO

C + H2O(g) =高温=CO + H2

3Fe + 4H₂O(g)=高温=Fe₃O₄ + 4H₂

化学能与电能的转化

电池

1、原电池的工作原理

(1)原电池的概念：

把化学能转变为电能的装置称为原电池。

(2)Cu-Zn原电池的工作原理：

如图为Cu-Zn原电池，其中Zn为负极，Cu为正极，构成闭合回路后的现象是：Zn片逐渐溶解，Cu片上有气泡产生，电流计指针发生偏转。该原电池反应原理为：Zn失电子，负极反应为：ZnZn2++2e-;Cu得电子，正极反应为：2H++2e-H2。电子定向移动形成电流。总反应为：Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu。

(3)原电池的电能

若两种金属做电极，活泼金属为负极，不活泼金属为正极;若一种金属和一种非金属做电极，金属为负极，非金属为正极。

2、化学电源

(1)锌锰干电池

负极反应：ZnZn2++2e-;

正极反应：2NH4++2e-2NH3+H2;

(2)铅蓄电池

负极反应：Pb+SO42-PbSO4+2e-

正极反应：PbO2+4H++SO42-+2e-PbSO4+2H2O

放电时总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。

充电时总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4。

(3)氢氧燃料电池

负极反应：2H2+4OH-4H2O+4e-

正极反应：O2+2H2O+4e-4OH-

电池总反应：2H2+O2=2H2O

3、金属的腐蚀与防护

(1)金属腐蚀

金属表面与周围物质发生化学反应或因电化学作用而遭到破坏的过程称为金属腐蚀。

(2)金属腐蚀的电化学原理。

生铁中含有碳，遇有雨水可形成原电池，铁为负极，电极反应为：FeFe2++2e-。水膜中溶解的氧气被还原，正极反应为：O2+2H2O+4e-4OH-，该腐蚀为吸氧腐蚀，总反应为：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2，Fe(OH)2又立即被氧化：4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3，Fe(OH)3分解转化为铁锈。若水膜在酸度较高的环境下，正极反应为：2H++2e-H2，该腐蚀称为析氢腐蚀。

(3)金属的防护

金属处于干燥的环境下，或在金属表面刷油漆、陶瓷、沥青、塑料及电镀一层耐腐蚀性强的金属防护层，破坏原电池形成的条件。从而达到对金属的防护;也可以利用原电池原理，采用牺牲阳极保护法。也可以利用电解原理，采用外加电流阴极保护法。

化学知识点：化学能转化为电能 电池