金属的化学性质 | 自在学

金属的化学性质

铁锅放置一夜就开始生锈，铝制水壶用了多年却依然光亮，钠块扔进水中会剧烈冒泡甚至燃烧——同样是金属，化学行为却大相径庭。金属的化学性质，本质上是金属原子在化学反应中失去电子、与其他物质发生作用的能力。不同金属失去电子的难易程度不同，这决定了它们化学活性的高低，也决定了它们在生活中截然不同的表现。

金属与氧气的反应

氧气是地球大气的主要成分之一，也是金属最常接触的化学物质。几乎所有金属都能与氧气发生反应，但反应的难易程度和剧烈程度因金属种类而异。

铁在纯氧中燃烧时，集气瓶底部必须预先加入少量水或细沙，目的是防止生成的高温 $Fe_3O_4$ 颗粒溅落到瓶底，引起集气瓶因局部过热而炸裂。

铜在空气中加热

铜（ $Cu$ ）在常温下化学性质较稳定，不易与干燥空气反应。但加热后，铜片表面逐渐变黑，生成黑色的氧化铜（ $CuO$ ）。

2Cu + O_2 \xrightarrow{\text{加热}} 2CuO

不同金属与氧气反应的对比

例题

铁在空气中缓慢氧化（生锈）与铁在纯氧中燃烧，生成的产物相同吗？写出两个过程对应的反应，并说明产物的区别。

铁在空气中缓慢生锈，生成红棕色铁锈，主要成分为氧化铁（ $Fe_2O_3$ ）：

4Fe + 3O_2 \xrightarrow{\text{缓慢氧化}} 2Fe_2O_3

铁在纯氧中点燃后剧烈燃烧，生成黑色固体四氧化三铁（ $Fe_3O_4$ ）：

3Fe + 2O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} Fe_3O_4

两者产物不同：缓慢氧化生成 $Fe_2O_3$ （红棕色），剧烈燃烧生成 $Fe_3O_4$ （黑色）。反应条件不同，导致铁的氧化程度有所差异。

金属与水的反应

水是金属接触最广泛的物质之一。不同活泼程度的金属与水的反应差异明显，有的剧烈到爆炸，有的则完全不发生反应。

钠与水的反应

钠（ $Na$ ）是一种非常活泼的金属，用刀切开后截面迅速变暗（被空气氧化）。将一小块钠放入水中，钠会浮在水面上迅速熔化成小球（钠的熔点低，反应放热），同时在水面上快速游动，发出“嘶嘶”声，并放出大量气泡（氢气），若钠的用量较大，气体甚至会被点燃。

2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow

钠是需要保存在煤油中的金属，绝不能用手直接接触，也不能将大量钠放入水中，否则产生的 $H_2$ 遇钠反应热可能被点燃，引发爆炸。实验室操作时，每次只能取绿豆大小的钠。

铁与水蒸气的反应

铁在常温下不与水反应，但在高温条件下，铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁（ $Fe_3O_4$ ）和氢气。

3Fe + 4H_2O \xrightarrow{\text{高温}} Fe_3O_4 + 4H_2\uparrow

这一反应在古代炼铁和现代工业中都有重要意义。

金属与水反应的规律

从表中可以看出，金属越活泼，与水反应所需条件越低，反应越剧烈；不活泼的金属则不与水发生反应。

金属与酸的反应

金属与稀酸的反应是初中化学中最常见的反应类型之一，也是制备氢气的基本原理。将活泼金属放入稀盐酸或稀硫酸中，会产生气泡，即氢气。

铁与稀盐酸的反应

Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow

铁溶解，溶液变为浅绿色（ $FeCl_2$ 溶液的颜色），同时产生大量氢气气泡。

锌与稀硫酸的反应

Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow

锌片逐渐溶解，溶液无明显颜色变化（ $ZnSO_4$ 溶液为无色），持续产生气泡。

铝与稀盐酸的反应

2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow

铝与稀盐酸反应较剧烈，铝片迅速溶解，产生大量氢气。

铜与稀盐酸——不反应

将铜片放入稀盐酸中，铜片表面无气泡产生，铜不溶解，溶液颜色无变化。这说明铜不能与稀盐酸反应。

活泼金属能与稀盐酸或稀硫酸反应，生成对应的盐和氢气；不活泼金属（如铜、银、金）不与稀盐酸和稀硫酸反应。金属与酸反应的通式为：金属 + 酸 → 盐 + 氢气。

常见金属与稀盐酸、稀硫酸反应对比

例题

将 $5.6\,\text{g}$ 铁片加入足量稀盐酸中，完全溶解后，理论上可以生成多少克氢气？（已知 $Fe$ 的相对原子质量为 $56$ ， $H$ 的相对原子质量为 $1$ ）

写出反应方程式及各物质质量比：

Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow

56 \hspace{8em} 2

$Fe$ 的相对原子质量为 $56$ ， $H_2$ 的相对分子质量为 $2$ ，质量比为 $56 : 2$ 。

设生成氢气的质量为 $x$ ：

\frac{5.6\,\text{g}}{x} = \frac{56}{2}

x = \frac{5.6\,\text{g} \times 2}{56} = 0.2\,\text{g}

理论上可以生成氢气 $0.2\,\text{g}$ 。

金属与盐溶液的反应

除了与氧气、水、酸发生反应，活泼金属还能与某些金属的盐溶液发生反应，将盐溶液中的金属“置换”出来。这类反应称为置换反应，体现了不同金属之间活泼性的差异。

铁与硫酸铜溶液的反应

将铁片放入蓝色的硫酸铜（ $CuSO_4$ ）溶液中，片刻后铁片表面出现红色固体，溶液的蓝色逐渐变浅，最终铁片上覆盖了一层红色的铜。

Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu

铁与硫酸铜反应中，铁片的质量会增大，而不是减小。这是因为每有 $56\,\text{g}$ 铁溶解，就有 $64\,\text{g}$ 铜析出，析出铜的质量大于溶解铁的质量，所以铁片总质量净增。这一现象常作为计算题的考查点。

铜与硝酸银溶液的反应

将铜丝放入无色的硝酸银（ $AgNO_3$ ）溶液中，铜丝表面逐渐出现银白色固体（银），溶液由无色变为蓝色（ $Cu(NO_3)_2$ 溶液）。

Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag

铁不能置换铜中的金属

将铜片放入硫酸亚铁（ $FeSO_4$ ）溶液中，铜片表面无变化，溶液颜色不改变，说明铜的活泼性弱于铁，铜不能将铁从盐溶液中置换出来。

金属与盐溶液反应的规律：活泼金属能置换不活泼金属，即“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”。铁能置换铜，铜能置换银，但铜不能置换铁，银不能置换铜。

例题

将一块铁片放入 $160\,\text{g}$ 硫酸铜溶液（ $CuSO_4$ 质量分数为 $20\%$ ）中，铁片足量，反应完全后，铁片质量增加了多少克？（已知 $Fe$ 的相对原子质量为 $56$ ，为，为，为）

第一步：计算硫酸铜的质量：

m(CuSO_4) = 160\,\text{g} \times 20\% = 32\,\text{g}

$CuSO_4$ 的相对分子质量为 $64 + 32 + 16 \times 4 = 160$ 。

第二步：根据方程式计算溶解铁的质量和析出铜的质量：

Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu

56 \quad 160 \quad \quad \quad 64

设溶解铁的质量为 $a$ ，析出铜的质量为 $b$ ：

\frac{a}{32\,\text{g}} = \frac{56}{160} \Rightarrow a = \frac{32\,\text{g} \times 56}{160} = 11.2\,\text{g}

\frac{b}{32\,\text{g}} = \frac{64}{160} \Rightarrow b = \frac{32\,\text{g} \times 64}{160} = 12.8\,\text{g}

第三步：计算铁片质量的变化：

\Delta m = b - a = 12.8\,\text{g} - 11.2\,\text{g} = 1.6\,\text{g}

铁片的质量增加了 $1.6\,\text{g}$ 。

练习题

选择题

第一题　镁条在空气中点燃后，发出耀眼白光，生成白色固体。下列说法正确的是（　　）

A. 镁燃烧生成的白色固体是氧化铝

B. 镁的化学性质不活泼，需要高温才能与氧气反应

C. 镁在空气中燃烧，反应方程式为 $2Mg + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2MgO$

D. 镁燃烧时发出的白色强光说明镁具有导电性

第二题　下列金属中，能与稀盐酸反应并产生氢气的是（　　）

A. 铜（ $Cu$ ）

B. 银（ $Ag$ ）

C. 金（ $Au$ ）

D. 铁（ $Fe$ ）

第三题　将铁片放入硫酸铜溶液中，充分反应后，下列说法正确的是（　　）

A. 铁片质量减小，溶液颜色不变

B. 铁片表面出现红色固体，溶液蓝色变浅

C. 铁片表面出现银白色固体，溶液变为无色

D. 铁片完全溶解，溶液变为深蓝色

答案：B

铁与硫酸铜发生置换反应： $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$ 。铁片表面析出红色铜（B 正确）；溶液中蓝色的减少，生成浅绿色的，溶液蓝色变浅（B 正确）。铁片质量实际上是净增加的（A 错误）；析出的是红色铜而非银白色固体（C 错误）；铁足量时耗尽，溶液最终变浅绿色而非深蓝色（D 错误）。

第四题　铁丝在纯氧中燃烧的实验，下列操作或说法中不正确的是（　　）

A. 点燃铁丝前，应先在集气瓶底部加入少量水或细沙

B. 铁丝在纯氧中燃烧生成黑色固体 $Fe_3O_4$ ，与铁锈的成分相同

C. 将铁丝绕成螺旋状，下端绑一根火柴，点燃火柴后迅速伸入集气瓶

D. 铁在纯氧中燃烧比在空气中剧烈，因为纯氧浓度更高

计算题

第五题　向 $200\,\text{g}$ 稀盐酸中加入足量铝片（ $Al$ ），铝片完全溶解后恰好消耗盐酸，生成氯化铝（ $AlCl_3$ ）和氢气。已知稀盐酸中 $HCl$ 的质量分数为 $7.3\%$ ，试计算：

（1）参与反应的 $HCl$ 的质量是多少？

（2）理论上可生成氢气多少克？

（已知： $Al$ 的相对原子质量为 $27$ ， $H$ 为 $1$ ， $Cl$ 为 $35.5$ ）

第六题　将一定质量的铁粉加入 $100\,\text{g}$ 硫酸铜溶液中，充分反应后过滤，得到固体和滤液。已知滤液中含 $FeSO_4$ 的质量为 $15.2\,\text{g}$ ，试计算：

（1）参与反应的铁的质量是多少？

（2）反应中析出铜的质量是多少？

（已知： $Fe$ 的相对原子质量为 $56$ ， $Cu$ 为 $64$ ， $S$ 为 $32$ ， $O$ 为 $16$ ）

↑

Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow