化學專題（六）

金屬元素的梳理和綜合

浙江  陳進前

[命題趨向]

1．《考試大綱》中對金屬元素及化合物這塊內容可分成二部分來理解。第一部分是鈉、鎂等典型的金屬元素的化合物；第二部分是其他金屬（如鐵和鋁）元素的化合物。每年的化學高考試題中往往都要考查到典型金屬。

2．《考試大綱》中有多條類似于“以××為例，了解（或理解、掌握）××××”的內容敘述，如：以過氧化鈉為例，了解過氧化物的性質；以Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）的相互轉化為例，了解變價金屬元素的氧化還原性。對這些內容的要注意理解實質，達到“舉一反三”的要求。在這些內容往往是高考命題的重點。

3．金屬元素及其化合物跟化學實驗的綜合。近幾年的實驗試題中比較多地出現了以金屬元素及其化合物為落點的實驗試題和元素推斷題，請大家加以重視。

[知識體系和復習重點]

1．金屬的通性

金屬的化學性質主要表現為易失去最外層的電子，顯示還原性，這與它們的原子結構有關。常見金屬的主要化學性質列于下表：

金屬活動性

順序

K  Ca  Na  Mg  Al  Mn  Zn  Fe  Sn Pb (H)Cu  Hg  Ag  Pt  Au

金屬原子

失電子能力

                  依次減小，還原性減弱

空氣中跟氧氣的反應

易被氧化

常溫時能被氧化

加熱時能被氧化

不能被氧化

_{跟水的反應}

常溫可置換出水中的氫

加熱或與水蒸氣反應時能置換出水中的氫

_{不與水反應}

跟酸的反應

能置換出稀酸（如HCl、H₂SO₄）中的氫

不能置換出稀酸中的氫

反應劇烈

反應程度依次減弱

能跟濃硫酸、硝酸反應

能跟王水反應

跟鹽的反應

位于金屬活動性順序前面的金屬可以將后面的金屬從其鹽溶液中置換出來

跟堿的反應

Al、Zn等具有兩性的金屬可以與堿反應

2．堿金屬元素及其化合物聯系脈絡

3．Fe（Ⅱ）和Fe(Ⅲ)的轉化

[典型題析]

[例1]1998年中國十大科技成果之一是合成一維納米氮化鎵。已知鎵是第ⅢA族元素，則氮化鎵的化學式可能是（    ）

（A）Ga₃N₂       （B）Ga₂N₃             （C）GaN        （D）Ga₃N

[解析]鎵是第ⅢA族元素，與鋁元素相似可表現+3價，氮元素跟鎵結合氮元素應表現-3價，所以氮化鎵的化學式應該是GaN。答案選C。

[例2]在鐵與銅的混合物中，加入一定量的稀硝酸，充分反應后剩余金屬m₁g，再向其中加入一定量的稀硫酸，充分振蕩后，剩余金屬m₂g，則m₁與m₂之間的關系是（  ）

（A）m₁一定大于m₂                   （B）m₁可能m₂

（C）m₁一定等于m₂                   （D）m₁可能大于m₂

[解析]鐵和銅的混合物與一定量的硝酸反應，當金屬剩余時，硝酸耗盡，但生成物中有硝酸亞鐵或硝酸銅或這兩種物質的混合物。若再向其中加入稀硫酸，則繼續發生如下反應：

    3Cu+8H⁺+2NO₃^- = 3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O

或：3Fe +8H⁺+2NO₃^- = 3Fe²⁺+2NO↑+4H₂O

    Fe +4H⁺+NO₃^- = Fe²⁺+NO↑+2H₂O

使金屬質量減少。所以m₁一定大于m₂。所以答案為A。

[例3]化學實驗中，如使某步中的有害產物作為另一步反應的反應物，形成一個循環，就可不再向環境排放該種物質。例如：

（1）在上述有編號的步驟中，需用還原劑的是________，需用氧化劑的是_______（填編號）。

（2）在上述循環中，既能與強酸反應又能與強堿反應的兩性物質是________（填化學式）。

（3）完成并配平步驟①的化學方程式，標出電子轉移的方向和數目：

（）Na₂Cr₂O₇+（）KI+（）HCl → （）CrCl₃+（）NaCl+（）KCl+（）I₂+（）______

[解析]觀察題中有關鉻的化合物的轉化關系圖，可發現CrCl₃經反應②可轉化成Cr(OH)₃，Cr(OH)₃經反應③又可轉化成NaCrO₂，發現與“氯化鋁跟氫氧化鈉反應可先生成氫氧化鋁、氫氧化鋁跟氫氧化鈉反應又可生成偏鋁酸鈉”類似，所以可確定Cr(OH)₃與氫氧化鋁一樣是一種兩性氫氧化物。

再分析轉化圖中各種含鉻化合物中鉻元素的化合價就可知反應①應加還原劑，反應④應加氧化劑，NaCrO₂ 轉化成Na₂CrO₄也需要加氧化劑。用化合價升降法可配平（3）中氧化還原反應的化學方程式。

所以答案為：（1）①，④。（2）Cr(OH)₃。

（3）Na₂Cr₂O₇+6KI+14HCl = 2CrCl₃+2NaCl+6KCl+3I₂+7H₂O。

[考題預測與專題訓練]

1．NaH是一種離子化合物，與水反應時生成燒堿和氫氣，它也能與乙醇，液氨等反應產生氫氣。下列有關NaH的敘述正確的是（    ）

（A）跟水反應時，水作氧化劑

（B）NaH中陽離子半徑大于陰離子半徑

（C）跟液氨反應時，生成氫氣外，還生成銨鹽

（D）與乙醇反應時，放出氫氣的速率比與水反應時更快

2．為充分利用原料，降低成本，利用現有的濃度為70%的硫酸3.5t和純度為80%的燒堿2.5t，用足量的廢鋁與該酸、堿作用，最多可生成氫氧化鋁為（雜質不發生反應）（    ）

（A）1.3t     （B）2.5t       （C）3.5t      （D）5.2t

3．用足量的一氧化碳還原14.5g鐵的氧化物的混合物。將生成的氣體通入足量的澄清石灰水中，生成沉淀25g，則該混合物的組合不可能是（    ）

A．Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO     B．FeO、Fe₃O₄

C．Fe₃O₄、Fe₂O₃          D．FeO、Fe₂O₃

4．往100 mL FeCl₃溶液中，通入0.672L標準狀況下的硫化氫氣體，設氣體完全被吸收，再加入過量的鐵粉，反應停止后，測得溶液中含有0.12mol金屬陽離子，則原氯化鐵溶液的物質的量濃度為（    ）

A．     B．     C．      D．

5．將潔凈的金屬片A、B、C、D分別放置在浸有某種鹽溶液的濾紙上面并壓緊（如圖所示）。在每次實驗時，記錄電壓指針的移動方向和電壓表的讀數如下：

已知，構成兩電極的金屬其金屬活潑性相差越大，電壓表的讀數越大。

金屬   

電子流動方向

電壓/V

A

ACu

+0.78

B

CuB

－0.15

C

CCu

+1.35

D

DCu

+0.30

請依據記錄數據判斷，下列有關說法正確的是（   ）

A．在四種金屬中C的還原性最強

B．金屬B能從硫酸銅溶液中置換出銅

C．A、D若形成原電池時，A為正極

D．A、B形成合金時，將該合金露置在空氣中，A先被腐蝕

6．氯化鐵是工業上常用的凈水劑之一。

（1）請寫出氯化鐵凈水的原理。

（2）為盡可能地降低凈水生產費用，應該用廉價的原料來制備氯化鐵，最好是三廢的綜合利用。請提出一些用廉價原料制取氯化鐵的方法，寫出有關的化學方程式，并對所提各種方法的優缺點加以評述。

7．完成下列反應的離子方程式：

（1）氫氧化鐵溶于氫碘酸：             

（2）苯酚鈉溶液中通入氣體：              

（3）氫氧化亞鐵溶于稀：              

（4）已知H⁺比Ag⁺更易與NH₃結合，要使[Ag(NH₃)₂]⁺轉化為Ag⁺，應加入的有效試劑是         ，實現此反應的離子方程式為：          。

（5）① 在淀粉碘化鉀溶液中，滴加少量的次氯酸鈉溶液，立即會看到溶液變藍色，這是因為：          。

② 在碘和淀粉形成的藍色溶液中，滴加亞硫酸鈉溶液，發現藍色逐漸消失，這是因為：              。

③ 對比①和②所得的實驗結果，將I₂、ClO^-、SO₄^2-按氧化性強弱順序排列為：  

            。

8．銅與濃硝酸反應和銅與稀硝酸反應，產物不同，實驗現象也不同。

（1）某課外活動小組為了證明并觀察到銅與稀硝酸反應的產物為NO，設計了如圖所示的實驗裝置。請你根據他們的思路，選擇下列藥品，完成該實驗，并敘述實驗步驟。

藥品：稀硝酸、稀鹽酸、Zn粒、CaCO₃固體。

步驟：①檢查裝置的氣密性；

②向試管中加入一定量碳酸鈣固體；

③                                                          

④                                                           

⑤將銅絲插入到溶液中；

⑥用注射器向廣口瓶內推入氧氣(或空氣)。

（2）推入氧氣或空氣的目的是                           。

（3）分別將等質量的銅片與等體積均過量的濃硝酸、稀硝酸反應，所得到的溶液前者呈綠色，后者呈藍色，某同學提出這可能是Cu²⁺濃度差異的結果，你同意這種看法嗎?      （填“同意”或“不同意”），原因是                 ；另一同學提出溶液呈“綠色”是Cu²⁺與NO₂混合的結果，請你設計一個實驗證明之(簡述實驗方案和實驗現象)                            。

9．“鋁和氯化銅溶液反應”實驗中預料之外現象的研究

化學實驗中預料之外的現象往往包含我們還沒有認識的事物規律。下面是某同學進行“鋁和氯化銅溶液反應”實驗時觀察到的預料之外的現象：

①鋁絲表面附上的銅沒有緊密吸附在鋁絲的表面而是呈蓬松的海綿狀；②反應一段時間后有大量氣泡逸出，且在一段時間內氣泡越來越快，經點燃能發出爆鳴聲，證明是氫氣。

“科學研究還離不開合理的猜想和假設�！痹撏瑢W先從理論上猜想鋁絲表面產生氫氣的多種可能原因，再設計實驗驗證自己的猜想。

實驗操作及現象記錄：

取4根去油去銹的鋁絲為A組直接和下列溶液反應，4根下半截纏上細銅絲的鋁絲為B組和下列溶液反應，再取前面實驗中得到的附有海綿狀銅的4根鋁絲洗凈后作為C組和下列溶液反應作比較，實驗現象記錄如下：

熱水

硫酸銅溶液（2.0mol/L）

氯化鋁熱溶液（2.0mol/L）

飽和氯化鈉

熱溶液

A

只在開始時

有少量氣泡

氣泡較多，但比同濃度的氯化銅溶液少

有氣泡，

比熱水多

氣泡比熱水稍多，但比氯化鋁溶液少

B

氣泡比相應A多

氣泡比相應A多

氣泡比相應A多

氣泡比相應A多

C

氣泡比相應B多

氣泡比相應B多

氣泡比相應B多

氣泡比相應B多

實驗現象說明氫氣的生成原因是多種因素作用的結果。試推測該同學原來的猜想有哪些（不一定填滿，不夠也可以自己添加）：

(1)反應生成的銅和鋁組成原電池促進鋁和水反應；

(2)          ▲                               ；

(3)          ▲                               ；

(4)           ▲                               ；

(5)           ▲                               。

10．將固體FeC₂O₄?2H₂O放在一個可稱量的容器中加熱灼燒，固體質量隨溫度升高而變化，測得數據如下：

溫度/℃

25

300

350

400

500

600

900

固體質量/g

1.000

0.800

0.800

0.400

0.444

0.444

0.430

根據計算分析推理，完成下列填空：

（1）寫出25～300℃時固體發生變化的反應方程式                            判斷的理由是                                     。

（2）350~400℃發生變化得到的產物是           ，物質的量之比為               。

（3）500℃時產物的含氧質量分數為                           。

（4）寫出600~900℃時發生變化的化學方程式                              。

1A。

2D。單質鋁制取氫氧化鋁，首先需要將單質鋁氧化，能將鋁氧化的物質有水和硫酸，從充分利用原料的角度來說，氧化劑都使用水最經濟。而化合態的鋁制取氫氧化鋁有三條途徑，一是鋁鹽和堿作用，二是偏鋁酸鹽和酸作用，三是鋁鹽和偏鋁酸鹽通過雙水解制得氫氧化鋁。實際生產中將鋁與氫氧化鈉溶液作用，制得偏鋁酸鈉，水是氧化劑，生成1摩爾偏鋁酸鈉僅需1摩爾氫氧化鈉。再將硫酸與鋁作用，制得硫酸鋁，最后，將硫酸鋁和偏鋁酸鈉作用，制得氫氧化鋁。這一步實際上硫酸鋁起到酸的作用，所以可以認為這部分鋁也是被水所氧化，雙水解時鋁鹽和偏鋁酸鹽物質的量正好是1：3。其中的鋁完全轉化成氫氧化鋁。通過以上對鋁的化合物性質的分析，可以得出生成的氫氧化鋁物質的量應該是硫酸中的氫離子的三分之一和氫氧根離子總和。即：

3．該題可用極值法來判斷：若14.5g均為Fe₂O₃，Fe₂O₃約為0.1mol，能生成CO₂ 0.3 mol，產生沉淀30g；若均為Fe₃O₄，Fe₃O₄為0.0625mol，能生成CO₂ 0.25 mol，產生沉淀25 g；若均為FeO，FeO約為0.2mol，產生沉淀20g。顯然答案為B、C。

4D。以上兩步反應第一步在酸性條件下進行，S^2-被Fe³⁺氧化，H⁺沒有參加反應。第二步，單質鐵既要與Fe³⁺反應又要與H⁺反應，反應完畢溶液中陽離子為Fe²⁺，陰離子為Cl^-（在此不必考慮水電離出的H⁺和OH^-），從而可知溶液中Cl^-的總數為0.24mol，則反應前Fe³⁺的物質的量應為0.24/3 = 0.08(mol)。

5AD。

6．（1）氯化鐵凈水的原理與明礬的凈水原理相似。氯化鐵在水中分三步水解：

Fe³⁺+H₂OFe(OH)²⁺+H⁺；            Fe(OH)²⁺+H₂OFe(OH)₂ ⁺+H⁺；

Fe(OH) ⁺+H₂OFe(OH)₃ +H⁺。這與鋁相似，這里也涉及到膠體現象，氫氧化鐵膠體粘結泥沙而起到凈水作用。

（2）實例如下：①用機器加工的切削鐵屑與電解制燒堿所得的氯氣直接反應來制備氯化鐵。②用機器加工的切削鐵屑與鹽酸反應先制成氯化亞鐵，再用氯氣進一步將氯化鐵氧化成氯化鐵。③用機器加工的切削鐵屑與鹽酸反應先制成氯化亞鐵，再在溶液中通入空氣將它氧化成氯化鐵。④將采用硫鐵礦為原料通過接觸法制硫酸工廠的廢爐渣與一些有機合成廠產出的副產品下邊酸發生反應來制取氯化鐵。

7．（1）2Fe(OH)₃+6H⁺+2I^-=6H₂O+I₂+2Fe²⁺

_{（2）C6H5O-+H2O+CO2→C6H5OH+HCO3-}

（3）3Fe(OH)₂+10H⁺+NO₃^-=NO+3Fe³⁺+8H₂O

（4）HNO₃；[Ag(NH₃)₂]⁺+2H⁺=Ag⁺+2NH₄⁺

（5）①ClO^-+2I^-+H₂O=I₂+Cl^-+2OH^-

②I₂+SO₃^2-+H₂O=2I^-+SO₄^2-+2H⁺；③ Cl^->I₂>SO₄^2-。

8．（1）③向試管中倒入過量的稀硝酸，并迅速蓋上帶銅絲和導管的橡皮塞；④待反應完全后，將導管插入試管內接近液面。

（2）檢驗生成的NO氣體。

（3）不同意；

銅片質量相同，溶液體積相同，生成的Cu²⁺離子濃度相同；

加熱綠色溶液，有紅棕色氣體產生，溶液變成藍色。

9．反應放出的熱量使溶液溫度升高促進鋁和水反應放出氫氣；鋁和鋁離子水解生成的H⁺反應產生氫氣；氯離子對鋁和水反應起了促進作用；海綿狀銅作原電池電極促進鋁和水反應放出氫氣。

10．（1）FeC₂O₄?2H₂OFeC₂O₄+2H₂O，加熱減少的質量等于所含結晶水的質量

（2）FeO、CO、CO₂；1：1：1。

（3）30％。

（4）6Fe₂O₃4Fe₃O₄+O₂↑