化学专题（六）

金属元素的梳理和综合

浙江  陈进前

[命题趋向]

1．《考试大纲》中对金属元素及化合物这块内容可分成二部分来理解。第一部分是钠、镁等典型的金属元素的化合物；第二部分是其他金属（如铁和铝）元素的化合物。每年的化学高考试题中往往都要考查到典型金属。

2．《考试大纲》中有多条类似于“以××为例，了解（或理解、掌握）××××”的内容叙述，如：以过氧化钠为例，了解过氧化物的性质；以Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）的相互转化为例，了解变价金属元素的氧化还原性。对这些内容的要注意理解实质，达到“举一反三”的要求。在这些内容往往是高考命题的重点。

3．金属元素及其化合物跟化学实验的综合。近几年的实验试题中比较多地出现了以金属元素及其化合物为落点的实验试题和元素推断题，请大家加以重视。

[知识体系和复习重点]

1．金属的通性

金属的化学性质主要表现为易失去最外层的电子，显示还原性，这与它们的原子结构有关。常见金属的主要化学性质列于下表：

金属活动性

顺序

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

金属原子

失电子能力

                  依次减小，还原性减弱

空气中跟氧气的反应

易被氧化

常温时能被氧化

加热时能被氧化

不能被氧化

_{跟水的反应}

常温可置换出水中的氢

加热或与水蒸气反应时能置换出水中的氢

_{不与水反应}

跟酸的反应

能置换出稀酸（如HCl、H₂SO₄）中的氢

不能置换出稀酸中的氢

反应剧烈

反应程度依次减弱

能跟浓硫酸、硝酸反应

能跟王水反应

跟盐的反应

位于金属活动性顺序前面的金属可以将后面的金属从其盐溶液中置换出来

跟碱的反应

Al、Zn等具有两性的金属可以与碱反应

2．碱金属元素及其化合物联系脉络

3．Fe（Ⅱ）和Fe(Ⅲ)的转化

[典型题析]

[例1]1998年中国十大科技成果之一是合成一维纳米氮化镓。已知镓是第ⅢA族元素，则氮化镓的化学式可能是（    ）

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

[解析]镓是第ⅢA族元素，与铝元素相似可表现+3价，氮元素跟镓结合氮元素应表现-3价，所以氮化镓的化学式应该是GaN。答案选C。

[例2]在铁与铜的混合物中，加入一定量的稀硝酸，充分反应后剩余金属m₁g，再向其中加入一定量的稀硫酸，充分振荡后，剩余金属m₂g，则m₁与m₂之间的关系是（  ）

（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]铁和铜的混合物与一定量的硝酸反应，当金属剩余时，硝酸耗尽，但生成物中有硝酸亚铁或硝酸铜或这两种物质的混合物。若再向其中加入稀硫酸，则继续发生如下反应：

    3Cu+8H⁺+2NO₃^- = 3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O

或：3Fe +8H⁺+2NO₃^- = 3Fe²⁺+2NO↑+4H₂O

    Fe +4H⁺+NO₃^- = Fe²⁺+NO↑+2H₂O

使金属质量减少。所以m₁一定大于m₂。所以答案为A。

[例3]化学实验中，如使某步中的有害产物作为另一步反应的反应物，形成一个循环，就可不再向环境排放该种物质。例如：

（1）在上述有编号的步骤中，需用还原剂的是________，需用氧化剂的是_______（填编号）。

（2）在上述循环中，既能与强酸反应又能与强碱反应的两性物质是________（填化学式）。

（3）完成并配平步骤①的化学方程式，标出电子转移的方向和数目：

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

[解析]观察题中有关铬的化合物的转化关系图，可发现CrCl₃经反应②可转化成Cr(OH)₃，Cr(OH)₃经反应③又可转化成NaCrO₂，发现与“氯化铝跟氢氧化钠反应可先生成氢氧化铝、氢氧化铝跟氢氧化钠反应又可生成偏铝酸钠”类似，所以可确定Cr(OH)₃与氢氧化铝一样是一种两性氢氧化物。

再分析转化图中各种含铬化合物中铬元素的化合价就可知反应①应加还原剂，反应④应加氧化剂，NaCrO₂ 转化成Na₂CrO₄也需要加氧化剂。用化合价升降法可配平（3）中氧化还原反应的化学方程式。

所以答案为：（1）①，④。（2）Cr(OH)₃。

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

[考题预测与专题训练]

1．NaH是一种离子化合物，与水反应时生成烧碱和氢气，它也能与乙醇，液氨等反应产生氢气。下列有关NaH的叙述正确的是（    ）

（A）跟水反应时，水作氧化剂

（B）NaH中阳离子半径大于阴离子半径

（C）跟液氨反应时，生成氢气外，还生成铵盐

（D）与乙醇反应时，放出氢气的速率比与水反应时更快

2．为充分利用原料，降低成本，利用现有的浓度为70%的硫酸3.5t和纯度为80%的烧碱2.5t，用足量的废铝与该酸、碱作用，最多可生成氢氧化铝为（杂质不发生反应）（    ）

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

3．用足量的一氧化碳还原14.5g铁的氧化物的混合物。将生成的气体通入足量的澄清石灰水中，生成沉淀25g，则该混合物的组合不可能是（    ）

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标准状况下的硫化氢气体，设气体完全被吸收，再加入过量的铁粉，反应停止后，测得溶液中含有0.12mol金属阳离子，则原氯化铁溶液的物质的量浓度为（    ）

A．     B．     C．      D．

5．将洁净的金属片A、B、C、D分别放置在浸有某种盐溶液的滤纸上面并压紧（如图所示）。在每次实验时，记录电压指针的移动方向和电压表的读数如下：

已知，构成两电极的金属其金属活泼性相差越大，电压表的读数越大。

金属   

电子流动方向

电压/V

A

ACu

+0.78

B

CuB

－0.15

C

CCu

+1.35

D

DCu

+0.30

请依据记录数据判断，下列有关说法正确的是（   ）

A．在四种金属中C的还原性最强

B．金属B能从硫酸铜溶液中置换出铜

C．A、D若形成原电池时，A为正极

D．A、B形成合金时，将该合金露置在空气中，A先被腐蚀

6．氯化铁是工业上常用的净水剂之一。

（1）请写出氯化铁净水的原理。

（2）为尽可能地降低净水生产费用，应该用廉价的原料来制备氯化铁，最好是三废的综合利用。请提出一些用廉价原料制取氯化铁的方法，写出有关的化学方程式，并对所提各种方法的优缺点加以评述。

7．完成下列反应的离子方程式：

（1）氢氧化铁溶于氢碘酸：             

（2）苯酚钠溶液中通入气体：              

（3）氢氧化亚铁溶于稀：              

（4）已知H⁺比Ag⁺更易与NH₃结合，要使[Ag(NH₃)₂]⁺转化为Ag⁺，应加入的有效试剂是         ，实现此反应的离子方程式为：          。

（5）① 在淀粉碘化钾溶液中，滴加少量的次氯酸钠溶液，立即会看到溶液变蓝色，这是因为：          。

② 在碘和淀粉形成的蓝色溶液中，滴加亚硫酸钠溶液，发现蓝色逐渐消失，这是因为：              。

③ 对比①和②所得的实验结果，将I₂、ClO^-、SO₄^2-按氧化性强弱顺序排列为：  

            。

8．铜与浓硝酸反应和铜与稀硝酸反应，产物不同，实验现象也不同。

（1）某课外活动小组为了证明并观察到铜与稀硝酸反应的产物为NO，设计了如图所示的实验装置。请你根据他们的思路，选择下列药品，完成该实验，并叙述实验步骤。

药品：稀硝酸、稀盐酸、Zn粒、CaCO₃固体。

步骤：①检查装置的气密性；

②向试管中加入一定量碳酸钙固体；

③                                                          

④                                                           

⑤将铜丝插入到溶液中；

⑥用注射器向广口瓶内推入氧气(或空气)。

（2）推入氧气或空气的目的是                           。

（3）分别将等质量的铜片与等体积均过量的浓硝酸、稀硝酸反应，所得到的溶液前者呈绿色，后者呈蓝色，某同学提出这可能是Cu²⁺浓度差异的结果，你同意这种看法吗?      （填“同意”或“不同意”），原因是                 ；另一同学提出溶液呈“绿色”是Cu²⁺与NO₂混合的结果，请你设计一个实验证明之(简述实验方案和实验现象)                            。

9．“铝和氯化铜溶液反应”实验中预料之外现象的研究

化学实验中预料之外的现象往往包含我们还没有认识的事物规律。下面是某同学进行“铝和氯化铜溶液反应”实验时观察到的预料之外的现象：

①铝丝表面附上的铜没有紧密吸附在铝丝的表面而是呈蓬松的海绵状；②反应一段时间后有大量气泡逸出，且在一段时间内气泡越来越快，经点燃能发出爆鸣声，证明是氢气。

“科学研究还离不开合理的猜想和假设。”该同学先从理论上猜想铝丝表面产生氢气的多种可能原因，再设计实验验证自己的猜想。

实验操作及现象记录：

取4根去油去锈的铝丝为A组直接和下列溶液反应，4根下半截缠上细铜丝的铝丝为B组和下列溶液反应，再取前面实验中得到的附有海绵状铜的4根铝丝洗净后作为C组和下列溶液反应作比较，实验现象记录如下：

热水

硫酸铜溶液（2.0mol/L）

氯化铝热溶液（2.0mol/L）

饱和氯化钠

热溶液

A

只在开始时

有少量气泡

气泡较多，但比同浓度的氯化铜溶液少

有气泡，

比热水多

气泡比热水稍多，但比氯化铝溶液少

B

气泡比相应A多

气泡比相应A多

气泡比相应A多

气泡比相应A多

C

气泡比相应B多

气泡比相应B多

气泡比相应B多

气泡比相应B多

实验现象说明氢气的生成原因是多种因素作用的结果。试推测该同学原来的猜想有哪些（不一定填满，不够也可以自己添加）：

(1)反应生成的铜和铝组成原电池促进铝和水反应；

(2)          ▲                               ；

(3)          ▲                               ；

(4)           ▲                               ；

(5)           ▲                               。

10．将固体FeC₂O₄?2H₂O放在一个可称量的容器中加热灼烧，固体质量随温度升高而变化，测得数据如下：

温度/℃

25

300

350

400

500

600

900

固体质量/g

1.000

0.800

0.800

0.400

0.444

0.444

0.430

根据计算分析推理，完成下列填空：

（1）写出25～300℃时固体发生变化的反应方程式                            判断的理由是                                     。

（2）350~400℃发生变化得到的产物是           ，物质的量之比为               。

（3）500℃时产物的含氧质量分数为                           。

（4）写出600~900℃时发生变化的化学方程式                              。

1A。

2D。单质铝制取氢氧化铝，首先需要将单质铝氧化，能将铝氧化的物质有水和硫酸，从充分利用原料的角度来说，氧化剂都使用水最经济。而化合态的铝制取氢氧化铝有三条途径，一是铝盐和碱作用，二是偏铝酸盐和酸作用，三是铝盐和偏铝酸盐通过双水解制得氢氧化铝。实际生产中将铝与氢氧化钠溶液作用，制得偏铝酸钠，水是氧化剂，生成1摩尔偏铝酸钠仅需1摩尔氢氧化钠。再将硫酸与铝作用，制得硫酸铝，最后，将硫酸铝和偏铝酸钠作用，制得氢氧化铝。这一步实际上硫酸铝起到酸的作用，所以可以认为这部分铝也是被水所氧化，双水解时铝盐和偏铝酸盐物质的量正好是1：3。其中的铝完全转化成氢氧化铝。通过以上对铝的化合物性质的分析，可以得出生成的氢氧化铝物质的量应该是硫酸中的氢离子的三分之一和氢氧根离子总和。即：

3．该题可用极值法来判断：若14.5g均为Fe₂O₃，Fe₂O₃约为0.1mol，能生成CO₂ 0.3 mol，产生沉淀30g；若均为Fe₃O₄，Fe₃O₄为0.0625mol，能生成CO₂ 0.25 mol，产生沉淀25 g；若均为FeO，FeO约为0.2mol，产生沉淀20g。显然答案为B、C。

4D。以上两步反应第一步在酸性条件下进行，S^2-被Fe³⁺氧化，H⁺没有参加反应。第二步，单质铁既要与Fe³⁺反应又要与H⁺反应，反应完毕溶液中阳离子为Fe²⁺，阴离子为Cl^-（在此不必考虑水电离出的H⁺和OH^-），从而可知溶液中Cl^-的总数为0.24mol，则反应前Fe³⁺的物质的量应为0.24/3 = 0.08(mol)。

5AD。

6．（1）氯化铁净水的原理与明矾的净水原理相似。氯化铁在水中分三步水解：

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

Fe(OH) ⁺+H₂OFe(OH)₃ +H⁺。这与铝相似，这里也涉及到胶体现象，氢氧化铁胶体粘结泥沙而起到净水作用。

（2）实例如下：①用机器加工的切削铁屑与电解制烧碱所得的氯气直接反应来制备氯化铁。②用机器加工的切削铁屑与盐酸反应先制成氯化亚铁，再用氯气进一步将氯化铁氧化成氯化铁。③用机器加工的切削铁屑与盐酸反应先制成氯化亚铁，再在溶液中通入空气将它氧化成氯化铁。④将采用硫铁矿为原料通过接触法制硫酸工厂的废炉渣与一些有机合成厂产出的副产品下边酸发生反应来制取氯化铁。

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向试管中倒入过量的稀硝酸，并迅速盖上带铜丝和导管的橡皮塞；④待反应完全后，将导管插入试管内接近液面。

（2）检验生成的NO气体。

（3）不同意；

铜片质量相同，溶液体积相同，生成的Cu²⁺离子浓度相同；

加热绿色溶液，有红棕色气体产生，溶液变成蓝色。

9．反应放出的热量使溶液温度升高促进铝和水反应放出氢气；铝和铝离子水解生成的H⁺反应产生氢气；氯离子对铝和水反应起了促进作用；海绵状铜作原电池电极促进铝和水反应放出氢气。

10．（1）FeC₂O₄?2H₂OFeC₂O₄+2H₂O，加热减少的质量等于所含结晶水的质量

（2）FeO、CO、CO₂；1：1：1。

（3）30％。

（4）6Fe₂O₃4Fe₃O₄+O₂↑