几种重要的金属
人类已经发现了一百多种元素，其中大约有4/5是金属元素。在元素周期表里，金属元素位于每个周期的前部。图5－1中的网纹部分表示金属元素。
金属在人类社会的发展进程中，一直起着非常重要的作用。从青铜器时代以来的几千年间，金属材料对于促进生产发展，改善人类生活，发挥了巨大作用，即使在各种各样的新材料层出不穷的现代社会中，金属仍然在工业、农业、国防、科学技术以及人类生活等各方面起着不可替代的作用。
在日常生活中我们常常接触到各种各样的金属，但是，对于金属的结构、性质、用途等，我们了解得还很少。金属有哪些重要的性质呢？
在常温下，除汞是液体以外，其余金属都是固体。除金、铜、铋等少数金属具有特殊的颜色外，大多数金属呈银白色。金属都是不透明的，整块金属具有金属光泽，但当金属处于粉末状态时，常显不同的颜色。金属的密度①、硬度、熔点等性质的差别很大。图5－2、图5－3和表5－1分别表示几种常见金属的密度、熔点和硬度。
表5－1 几种金属的硬度跟金刚石硬度的比较
物质 金刚石 铬 铂 铁 银 铜 金 铝 锌 镁 锡 铅 钙 钾 钠
硬度 10 9 4.3 4~5 2.5~4 2.5~3 2.5~3 2~2.9 2.5 2.0 1.5~1.8 1.5 1.5 0.5 0.4
大多数金属有延性和展性，可以被抽成丝或压成薄片，还可以锻造、冲压、轧制成各种不同的形状。不同金属的延性和展性不同，其中以金的延性和展性最好，最薄的金箔只有万分之一毫米厚。也有少数金属的延性和展性很差，如锑、铋、锰等，它们受到敲打时，就破碎成小块。
金属一般都是电和热的良导体。其中银和铜的传热、导电性能最好。铝的导电性也很好，这就是铜和铝常被用作输电线的原因。
金属的用途除了与它们的物理性质有关外，还和它们的化学性质有很大关系。金属容易失去最外层电子，变成金属阳离子，表现出还原性。不同的金属有不同的结构，因而在化学反应中所表现出的还原性强弱不同。
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① 密度小于4.5 g/cm3的金属是轻金属，大于4.5 g/cm3的金属是重金属。
第一节 镁和铝
镁和铝的性质有类似的地方，但由于结构不同，因此性质又有许多差异。为了便于比较，我们把镁和铝的性质并列介绍。
一、镁和铝的物理性质
镁和铝的某些性质见表5－2。
表5－2 镁和铝的性质
元素名称 元素符号 核电荷数 原子结构示意图 单质的物理性质
颜色和状态 硬度
镁 Mg 12 银白色固体 很软 1.738 645 1090
铝 Al 13 银白色固体 较软 2.70 660.4 2467
讨论
1．镁和铝分别位于元素周期表的第几周期，第几族？
2．分别在表5－2中画出镁和铝的原子结构示意图，它们的原子结构有哪些特点？
3．为什么镁的化学性质比铝活泼？并试用实验事实加以说明。
镁和铝分别位于第三周期的ⅡA和ⅢA族，它们都是银白色的轻金属，有较强的韧性、延性和展性，有良好的导电、导热性。
物质的用途常与它们的性质有很大关系，由于铝有上述性质，因此常用于制作导线和电缆，铝箔常用于食品、饮料的包装等。
镁和铝的更重要的用途是制造合金，制成合金可克服纯镁和纯铝的硬度、强度较低，不适于制造机器零件的缺点。例如，含有硅、铜、锌、锰等元素的镁、铝合金就具有质轻、坚韧、机械性能较好等许多优良性质，用途极为广泛，如可用来做门窗。
二、镁和铝的化学性质
镁和铝元素的原子最外层分别有2个和3个电子。在参加化学反应时，容易失去最外层电子成为阳离子。
Mg—2e－→Mg2+
Al—3e－→Al3+
镁和铝都是在同一周期中比较活泼的金属，但由于镁比铝的原子半径大，最外层电子数少，原子核对最外层电子的引力更小一些，因此镁的最外层电子更易失去，镁比铝更活泼。
镁和铝都能跟非金属、酸等物质起反应。铝还可以跟强碱溶液起反应。
1．跟非金属反应
在常温下，镁和铝都跟空气里的氧气起反应，生成一层致密而坚固的氧化物薄膜，从而使金属失去光泽。由于这层氧化物薄膜能阻止金属的继续氧化，所以，镁和铝都有抗腐蚀的性能。
我们知道镁条能够在空气里燃烧，铝能不能燃烧呢？让我们共同观察一个实验。
【实验5－1】 把2cm×5cm铝箔的一端固定在粗铁丝上，另一端裹一根火柴。点燃火柴，待火柴快燃尽时，立即把铝箔伸入盛有氧气的集气瓶中（集气瓶底部要放一些细沙，图5－5），观察现象。
我们可以看到，铝箔在氧气里剧烈燃烧，放出大量的热和耀眼的白光，反应生成Al2O3。
镁和铝除能跟氧气起反应外，在加热时还能跟其他非金属如硫、卤素等起反应。
2．跟酸的反应
我们曾做过镁、铝分别跟稀盐酸反应的实验，反应后都生成氢气。二者相比较，镁的反应更剧烈一些。这类反应的实质是金属跟酸溶液中的氢离子进行反应，氢离子被还原成氢气。
Mg+2H+＝Mg2++H2↑
2Al+6H+=2Al3++3H2↑
应该指出的是，在常温下，在浓硫酸或浓硝酸里铝的表面被钝化，生成坚固的氧化膜，可阻止反应的继续进行。因此，人们可以用铝制的容器装运浓硫酸或浓硝酸。
3．跟碱的反应
很多金属能跟酸起反应，但大多数金属却不能跟碱起反应，镁和铝遇到碱时能不能发生反应呢？
【实验5－2】 在2个试管里分别加入10mL浓NaOH溶液，再各放入一小段铝片和镁条，观察实验现象。过一段时间后，用点燃的木条分别放在2个试管口，有什么现象发生？
通过实验我们看到，镁不能跟NaOH溶液反应，铝能反应，并放出一种可燃性气体，这是氢气，同时生成偏铝酸钠（NaAlO2）。反应的化学方程式为：
2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑
由于酸、碱、盐等可直接腐蚀铝制品，铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放具有酸性、碱性或咸味的食物。
4．跟某些氧化物的反应
镁和铝都是较活泼的金属，它们的还原性比较强，不仅能把氧气还原，而且在一定条件下还能跟某些氧化物起反应，将其中的某些元素还原。
例如，镁能跟二氧化碳起反应，夺取其中的氧，析出游离态的碳。
【实验5－3】 把点燃的镁条放入盛有二氧化碳的集气瓶里（集气瓶底部要放一些细沙，见图5－7），观察现象。
实验表明，镁条在二氧化碳里剧烈燃烧，生成白色粉末，在瓶的内壁有黑色的碳附着。反应的化学方程式为：
又如，铝在一定条件下，能跟氧化铁发生氧化还原反应。
【实验5－4】 用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起使四周都有四层。把内层漏斗取出，在底部剪一个孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上（如图5－8），下面放置盛沙的蒸发皿。把5g炒干的氧化铁粉末和2g铝粉混合均匀，放在纸漏斗中，上面加少量氯酸钾并在混合物中间插一根镁条，用小木条点燃镁条。观察发生的现象。
通过实验我们看到，镁条剧烈燃烧，放出一定的热量，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生剧烈的反应。反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒。我们还可以看到，纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。待熔融物冷却后，除去外层熔渣，仔细观察，可以发现落下的是铁珠。这个反应叫做铝热反应，反应生成Al2O3和Fe。
铝热反应原理可以应用在生产上，例如焊接钢轨等。在冶金工业上也常用这一反应原理，使铝跟金属氧化物反应，冶炼钒、铬、锰等。如：
三、铝的重要化合物
由于镁和铝都是较活泼的金属，因此它们都以化合态存在于自然界。
1．氧化铝（Al2O3）
氧化铝是一种白色难熔的物质，是冶炼金属铝的原料，也是一种比较好的耐火材料。它可以用来制造耐火坩埚、耐火管和耐高温的实验仪器等。
在学习元素周期律知识时，我们曾做过氧化铝既能溶于酸，又能溶于碱溶液的实验。氧化铝是典型的两性氧化物。新制备的氧化铝既能跟酸起反应生成铝盐，又能跟碱起反应生成偏铝酸盐。
Al2O3+6H+=2Al3++3H2O
2．氢氧化铝〔Al（OH）3〕
氢氧化铝是几乎不溶于水的白色胶状物质。它能凝聚水中悬浮物，又有吸附色素的性能。在实验室里可以用铝盐溶液跟氨水的反应来制取氢氧化铝。
【实验5－5】 在试管里放入10mL 0.5 mol/L Al2（SO4）3溶液，滴加氨水，生成白色胶状Al（OH）3沉淀。继续滴加氨水，直到不再产生沉淀为止。过滤，用蒸馏水冲洗沉淀，可得到较纯净的Al（O
H）3。取少量Al（OH）3沉淀放在蒸发皿中，加热。观察Al（O
H）3的分解。
上述反应可以表示如下：
Al2（SO4）3+6NH3• H2O=2Al（OH）3↓+3（NH4）2SO4
2Al（OH）3 Al2O3+3H2O
【实验5－6】 把上面实验中制得的Al（OH）3沉淀分装在2个试管里，往一个试管里滴加2 mol/L盐酸，往另一试管里滴加2 mol/L NaOH溶液。边加边振荡，直至沉淀完全溶解。
实验表明，Al（OH）3在酸或强碱溶液里都能溶解。这说明它既能跟酸起反应，又能跟强碱溶液起反应，它是典型的两性氢氧化物。这两个反应可表示如下：
Al（OH）3+3H+=Al3++3H2O
为什么Al（OH）3具有两性呢？我们可运用平衡移动原理来作简单分析。
Al（OH）3的电离方程式可以表示如下：
Al（OH）3是一种弱电解质，它电离时生成的H+和OH－离子都很少。当向Al（OH）3里加入酸时，H+立即跟溶液里少量的OH－起反应而生成水，这就会使Al（OH）3按碱式电离，使平衡向右移动，从而使Al（OH）3不断地溶解。反之，当向Al（OH）3里加入碱时，OH－立即跟溶液里少量的H+起反应而生成水，这样就会使Al（OH）3按酸式电离，使平衡向左移动，同样，Al（OH）3也就不断地溶解了。
3．硫酸铝钾〔KAl（SO4）2〕
硫酸铝钾是由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的化合物，它电离时能产生两种金属的阳离子。
十二水合硫酸铝钾〔KAl（SO4）2•12H2O〕的俗名是明矾。明矾是无色晶体，易溶于水，溶于水时，发生水解反应，其水溶液显酸性。
明矾水解所产生的胶状的Al（OH）3吸附能力很强，可以吸附水里的杂质，并形成沉淀，使水澄清。所以明矾常用作净水剂。
四、合金
在工农业生产和日常生活中，我们很少使用纯金属，而主要使用合金。
青铜是人类历史上使用最早的合金，至今已有三千多年的历史。世界上最常见的，用量最大的合金是钢。
合金虽是由两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质，但一般来说，合金的性质并不是各成分金属性质的总和。合金具有许多良好的物理、化学或机械的性能，在许多方面优于各成分金属。例如，合金的硬度一般比它的各成分金属的大，多数合金的熔点一般也比它的各成分金属的低。合金的化学性质也与成分金属不同，使用不同的原料，改变原料的配比以及改变生成合金的条件等，可以制得具有不同性能的合金。因此，合金在工业上的用途比纯金属更广。表5－3列出了几种常见的合金的组成、性质和用途。
表5－3几种常见的合金的组成、性质和用途
合金名称 组成 主要性质 主要用途
镁铝合金 含有10％～30％的镁 强度和硬度都比纯铝和纯镁大 火箭、飞机、轮船等制造业
硬铝 含铜4％、镁0.5％、锰0.5％、硅0.7％ 强度和硬度都比纯铝大 火箭、飞机、轮船等制造业
合金钢 加入硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铜、稀土元素等 多种优良性能 用途广泛
锰钢 含锰9％～14％ 硬度和强度很大 制造粉碎机、球磨机、钢轨
黄铜 含锌20％～36％，常加入少量锡、铅、铝 有良好的强度和塑性、易加工、耐腐蚀 机器零件、仪表和日用品
青铜 含锡10％～30％ 有良好的强度和塑性、耐磨、耐腐蚀 机器零件如轴承、齿轮等
钛合金 含铝6％、钒4％ 耐高温、耐腐蚀、高强度 用于宇航、飞机、造船、化学工业
金合金 加入银、铜、稀土元素等 有光泽、易加工、耐磨、耐腐蚀、易导电 金饰品、电子元件、钱币、笔尖
资料
24K金和18K金
商店里出售的金首饰，上面都标有K数。K数是表示金的纯度的指标，K数越高，表示含金量越高，价格也越高。24K表示含金量达99.5％以上，这种金很软，强度也较差；18K表示含金量为75％左右，这种金比纯金的硬度和强度大；有些金笔笔尖是14K金（含金58.3％），硬度就更大一些，也更耐磨。
选学
超导材料
当电流通过金属时，金属会发热。用熔点高的金属丝制成的电热元件，当有电流通过时，电能将转换为热能，从而获得高温。Ni－Cr、Ni－Cr－Fe、Ni－Cr－Al等合金以及W、Mo、Pt等金属就是常用的电热元件材料。
电流通过金属（或合金）而使金属发热是由于金属内部存在着电阻，它阻碍电流通过。人们早已知道，金属的电阻随温度的升高而增大，电阻的增大反过来又促进金属的发热，这种循环在许多场合是人们所不希望的。用金属导线送电时，传输的电流因电阻而会受到限制，如铜导线在自然冷却的条件下，允许通过的最大电流密度为 2 A/mm2～6 A/mm2；电流再大，会因发热过多而烧坏导线。金属的这一性质，促使人们去研究设法降低金属电阻的问题。
金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。20世纪初，科学家发现汞冷却到低于4.2K时，电阻突然消失，导电性几乎是无限大的，当外加磁场接近固态汞随之又撤去后，电磁感应产生的电流会在金属汞内部长久地流动而不会衰减，这种现象称为超导现象。具有超导性质的物体称为超导体。超导体电阻突然消失的温度称为临界温度（Tc）。在临界温度以下时，超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没有任何损失。
目前，已发现近三十种元素的单质、八千多种化合物和合金具有超导性能。
超导材料大致可以分为纯金属、合金和化合物三类。具有最高临界温度的纯金属是镧，Tc=12.5K；合金型目前主要有铌－钛合金，Tc=9.5K；化合物型主要有铌三锡（Nb3Sn），Tc=18.3K、钒三镓（V3Ga），Tc=16.5K等。
近年来，高温超导体的研究取得了重大突破。科学家发现，有的氧化物超导材料能大大提高临界温度。例如，1988年，中国科学院获得了最高超导转变温度为120K的钛钡钙铜氧化物（Ti－Ba－Ca－Cu－O）。这充分显示出我国在超导材料的研究方面，已跻身于世界先进行列。
超导材料可制成大功率发电机、磁流发电机、超导储能器、超导电缆、超导磁悬浮列车等。用超导材料制成的装置，具有体积小、使用性能高、成本低等优点。
习 题
一、填空题
1．在元素周期表中，金属元素位于每一周期的______。金属原子的最外层电子数一般比较______，和同周期非金属相比，其原子半径较______，在化学反应中容易______电子生成______，金属发生______反应，是______剂。
2．氧化铝和氢氧化铝既可以与______反应，又可以与______反应，它们是典型的______氧化物和______氢氧化物。
3．在氯化镁溶液中滴加少量氢氧化钠溶液，现象为______，继续加入过量的氢氧化钠溶液，现象为______；在氯化铝溶液中滴加少量氢氧化钠溶液，现象为______，继续加入过量的氢氧化钠溶液，现象为______。钠、镁、铝的氢氧化物的碱性从弱到强的排列顺序为______。
4．在含有 0.02 mol MgCl2和0.02 mol AlCl3的混合溶液中，主要存在______离子，向此混合溶液中加入100 ml l mol/L NaOH溶液，溶液中______离子增加，______离子减少，继续加入50 mL l mol/L NaOH溶液后，溶液中主要存在______离子。
二、选择题
1．下列叙述中所描述的物质一定是金属元素的是 [ ]
A．易失去电子的物质
B．原子最外电子层只有一个电子的元素
C．单质具有金属光泽的元素
D．第三周期中，原子的最外电子层只有2个电子的元素
2．下列关于镁的叙述中，不正确的是 [ ]
A．在空气中燃烧时发出耀眼的白光
B．由于镁能跟空气中的氧气反应，所以必须密封保存
C．能跟盐酸反应放出氢气
D．能与沸水反应放出氢气
3．下列关于铝的叙述中，不正确的是 [ ]
A．铝属于第ⅢA族元素
B．铝是地壳里含量最多的金属元素
C．在常温下，铝不能与氧气反应
D．铝既能溶于酸，又能溶于强碱溶液
4．相同质量的镁和铝，分别跟足量的盐酸反应，生成氢气的体积比为 [ ]
A．1∶1 B．1∶2
C．2∶3 D．3∶4
5．下列各物质的水溶液，滴加稀硫酸或氯化镁溶液时，均有白色沉淀生成的是 [ ]
A．BaCl2 B．Ba（OH）2
C．Na2CO3 D．KOH
6．下列物质分别与73g10％盐酸恰好完全反应，所得溶液中溶质的物质的量浓度最小的是 [ ]
A． Mg B．MgO
C．Mg（OH）2 D．MgCO3
三、试用化学方程式表示下列反应。
1． Mg→MgO→MgCl2→Mg（NO3）2→Mg（OH）2→MgCl2
四、问答题
1．根据日常生活经验，简述金属有哪些主要用途。
2．什么是合金？举例说明合金有哪些用途。
五、计算题
1．A、B是两种在化合物中的化合价分别为+2和+3的金属，它们的摩尔质量之比为8∶9，把这两种金属的单质按物质的量之比3∶2组成混合物0.63g，与足量稀硫酸反应，放出氢气0.672 L（标准状况）。如果这两种单质在反应中生成的氢气的体积相等，分别求出 A和B的摩尔质量。
2．100 mL 0.6 mol/L AlCl3溶液与一定量 0.4mol/LNaOH溶液混合后，得到3.9 g沉淀，求NaOH溶液的体积。
第二节 硬水及其软化
一、硬水和软水
水是日常生活和工农业生产中不可缺少的物质。水质的好坏直接影响人类的生活和生产。天然水跟空气、岩石和土壤等长期接触，溶解了许多杂质，如无机盐类、某些可溶性有机物以及气体等。天然水中通常
【实验5－7】 在2个烧杯里各加入蒸馏水或天然水30 mL，再分别注入少量肥皂水，搅拌，观察发生的现象。
通过实验，我们可以看到盛蒸馏水的烧杯里泡沫很多，没有沉淀产生。盛有天然水的烧杯里泡沫较少，并出现絮状沉淀。这是因为天然水含有Ca2+和Mg2+，它们与肥皂起反应生成了不溶于水的物质。各种天然水里所含的离于的种类和数量不同，一般地说，地下水、泉水中含Ca2+、Mg2+较多，而雨水、河水、湖水中含得少一些。
通常按水中含Ca2+、Mg2+的多少，把天然水分为硬水和软水。含有较多Ca2+和Mg2+的水叫做硬水；只含有少量或不含Ca2+和Mg2+的水叫做软水。
如果水的硬度①是由碳酸氢钙或碳酸氢镁所引起的，这种硬度叫做暂时硬度，具有暂时硬度的水经过煮沸以后，水里所含的碳酸氢盐就会分解成不溶性的碳酸盐：
Ca（HCO3）2 CaCO3↓+CO2↑+H2O
Mg（HCO3）2 MgCO3↓+CO2↑+H2O
继续加热煮沸时，MgCO3就逐渐转化成更难溶的Mg（OH）2。这样，水里溶解的Ca2+和Mg2+就成为CaCO3和Mg（OH）2沉淀从水里析出，从而使硬度高的水得到软化。
如果水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等引起的，这种硬度叫做永久硬度，这种水叫做永久硬水。永久硬水不能用加热的方法软化。天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度，因此，一般所说的水的硬度是指上述两种硬度之和。
二、硬水的软化
水的硬度过高对生活和生产都有危害。洗涤用水如果硬度太高，不仅浪费肥皂，而且也洗不净衣物。长期使用硬水洗衣物，还会使织物变硬。长期饮用硬度过高或硬度过低的水，都不利于人体的健康。锅炉用水硬度太高（特别是暂时硬度），十分危险，因为经过长期烧煮后，水里的钙盐和镁盐会在锅炉内结成锅垢，使锅炉内金属管道的导热能力大大降低，这不但浪费燃料，而且会使管道局部过热，当超过金属允许的温度时，锅炉管道将变形或损坏，严重时会引起爆炸事故。
很多工业部门，如纺织、印染、造纸、化工等，都要求用软水。因此，对天然水进行软化，以降低或消除它的硬度是很重要的。
硬水软化的方法通常有药剂软化法和离子交换法等。这里只简单介绍离子交换法。
离子交换法是用离子交换剂软化水的一种现代的方法。离子交换剂中的阳离子跟水中的Ca2+、Mg2+起离子交换作用，从而使硬水得到软化。
【实验5－8】 如图5－12所示，使天然硬水通过离子交换柱，用试管取5mL软化后的水，加入少量肥皂水振荡，检验水的硬度。
通过实验我们看到，软化后的水中加入肥皂水振荡时，泡沫很多，也没有沉淀产生。
用离子交换法软化硬水，具有质量高、设备简单、占地面积小、操作方便等优点，目前使用得比较普遍。硬水软化的方法还有很多，例如离子膜法、电渗析法等，这里就不一一介绍了。
家庭小实验
用肥皂水及需要的用具检验家庭自来水（或井水、泉水、河水等）、凉开水的硬度。
习 题
一、填空题
1．通常把含有较多______和______的水叫做硬水。水的暂时硬度是由______所引起的，永久硬度是______等引起的。
2．加热含有碳酸氢钙和碳酸氢镁的硬水时，最终生成的白垢的主要成分是______。
二、选择题
1．下列各组离子中，能大量共存的是 [ ]
2．下列说法正确的是 [ ]
A．含有少量碳酸氢钙和氯化钙的水是永久硬水
B．明矾有净水作用，所以用明矾处理硬水，可以使硬水软化
C．用离子交换剂处理硬水，可使硬水软化
D．只具有暂时硬度的水经加热煮沸后，可变成软水
三、试简述硬水的危害及用离子交换法软化硬水的方法。
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① 水的硬度常用一种规定的标准来表示。通常把1L水里含有10mg CaO（或相当于10mgCaO）称为1°（度）。水的硬度在8°以下的为软水；在8°以上的称为硬水；硬度大于30°的是最硬水。
第三节 铁和铁的化合物
人类使用铁的历史可以追溯到四千五百多年以前，不过那时的铁是从太空掉下的陨铁①（其中含铁90％以上）。我国在商代就开始用铁，在河北、北京、河南的某些地区出土过用陨铁打制的铁刃铜钺。我国最早的人工冶铁制品是甘肃灵台出土的春秋初年秦国的铜柄铁剑，这说明春秋初年我国已掌握了人工冶铁技术。
钢铁工业是国家工业的基础，新中国成立以后，我国的钢铁工业得到了飞速发展。1949年我国的钢产量仅居世界第26位，1996年，我国钢产量超过1亿吨，跃居世界首位。
一、铁的性质
在元素周期表中，铁位于第四周期第Ⅷ族。铁在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝，居第四位。它是一种历史悠久、应用最广泛、用量最大的金属。
铁原子的最外电子层只有2个电子，在化学反应中容易失去这2个电子而变为亚铁离子：
Fe—2e－→Fe2+
铁原子也能失去3个电子，生成带3个单位正电荷的铁离子：
Fe—3e－→Fe3+
所以，铁通常显+2价或+3价。
铁的化学性质比较活泼。它能跟许多物质发生化学反应。例如，它能跟氧气及某些非金属单质反应，跟水、酸、盐溶液反应。
1．铁跟非金属的反应
在初中时，我们曾学过，灼热的铁丝在氧气里燃烧，生成黑色的四氧化三铁。铁还能跟其他非金属反应吗？让我们共同做一个实验。
【实验5－9】 把一束烧得红热的细铁丝伸到盛有Cl2的集气瓶中，观察现象。把少量水注入集气瓶中，振荡，观察溶液的颜色。
我们可以观察到，铁丝在Cl2中燃烧，生成棕黄色的烟，这是FeCl3的小颗粒。加水振荡后，生成黄色溶液。
加热时，Fe还能跟S起反应：
Fe+S FeS
讨论
从Fe跟Cl2、S反应时化合价变化的不同，讨论这两种非金属单质的氧化性的强弱。
Fe与这两种物质发生化学反应时，化合价的变化不同。在Fe跟Cl2的反应里，Fe原子失去3个电子变成+3价的Fe。在Fe跟S的反应里，Fe原子失去2个电子变成+2价的Fe。这说明，在Cl2、S这两种物质中，Cl2夺电子的能力强，它的氧化性强，S的氧化性相对较弱。
2．铁跟水的反应
在常温下，Fe跟H2O不起反应。但在水和空气里的O2、CO2等共同作用下，Fe却很容易被腐蚀。
在高温下，Fe能不能跟H2O反应呢？
【实验5－10】 在玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热，并通入水蒸气。用试管收集产生的经干燥的气体，并靠近火焰点火。观察现象。
我们看到，红热的铁能跟水蒸气起反应，放出气体，这种气体靠近火焰点火时，能发出爆鸣声，这是氢气。反应的化学方程式为：
3Fe+4H2O（g） Fe3O4+4H2↑
3．铁跟酸的反应
我们已经知道，铁跟盐酸、稀硫酸反应时，铁被氧化为+2价的铁，酸中的H+被还原为H2：
Fe+2H+=Fe2++H2↑
但在常温下，铁遇到浓硫酸、浓硝酸时，则发生钝化，生成致密的氧化物薄膜，这层薄膜可阻止内部金属进一步被氧化。
4．铁跟盐溶液的反应
铁跟比它活动性弱的金属的盐溶液起反应时，能置换出这种金属。例如，把Fe放入CuSO4或CuCl2溶液中时，Fe被氧化成离子进入溶液，铜离子被还原成铜从溶液中析出，反应的离子方程式为：
Fe+Cu2+=Fe2++Cu
二、铁的重要化合物
1．铁的氧化物
铁的氧化物有氧化亚铁（FeO）、氧化铁（Fe2O3）和四氧化三铁（Fe3O4）等。
FeO是一种黑色粉末，它不稳定，在空气里加热，就迅速被氧化成Fe3O4。
Fe2O3是一种红棕色粉末，俗称铁红，它可用作油漆的颜料。
Fe3O4是一种复杂的化合物，它是具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁。
铁的氧化物都不溶于水，也不跟水起反应。
FeO和Fe2O3都能跟酸起反应，分别生成亚铁盐和铁盐。
FeO＋2H+=Fe2++H2O
Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O
2．铁的氢氧化物
铁有两种氢氧化物，它们可分别由相对应的可溶性盐跟碱溶液起反应而制得。
【实验5-11】在试管里注入少量FeCl3溶液，再逐滴滴入NaOH溶液。观察发生的现象。
从实验可以看到，溶液里立即生成了红褐色的Fe（OH）3沉淀。
Fe3++3OH-＝Fe（OH）3↓
加热Fe（OH）3时，它就失去水而生成红棕色的Fe2O3粉末。
【实验5-12】在试管里注入少量新制备的FeSO4溶液，用胶头滴管吸取NaOH溶液，将滴管尖端插入试管里溶液底部，慢慢挤出NaOH溶液，观察发生的现象（见图5-17）。实验后应立即用盐酸、蒸馏水洗净滴管。
通过实验我们可以看到，挤入 NaOH溶液后，开始时析出一种白色的絮状沉淀，这是氢氧化亚铁〔Fe（OH）2〕。
Fe2++2OH-=Fe（OH）2↓
生成的白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。这是因为白色的Fe（OH）2（为+2价铁）被空气里的氧气氧化成了红褐色的Fe（OH）3（为+3价铁）。
4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3
Fe（OH）2和Fe（OH）3都是不溶性碱，它们能跟酸反应，分别生成亚铁盐和铁盐。
Fe（OH）2+2H+=Fe2++2H2O
Fe（OH）3+3H+=Fe3++3H2O
3．铁化合物和亚铁化合物的相互转变
三价铁的化合物遇到较强的还原剂时，会被还原成亚铁化合物。例如，FeCl3溶液遇Fe等还原剂时，能被还原生成FeCl2。
2Fe3++Fe=3Fe2+
亚铁化合物在较强的氧化剂的作用下会被氧化成三价铁的化合物。例如，FeCl2溶液跟Cl2起反应，立即被氧化成FeCl3。
2Fe2+Cl2＝2Fe3++2Cl-
以上事实说明，Fe2+和Fe3+在一定条件下是可以相互转变的。
思考：铁元素在不同条件下表现出不同的化合价，选择适当的反应物和反应条件，设法完成上图中的六个箭号所表示的化学反应。
三、Fe3+离子的检验
【实验5-13】在2个试管里分别加入10 mL FeCl2溶液和FeCl3溶液，各滴入几滴KSCN溶液。观察发生的现象。
通过实验我们看到，Fe3+遇到KSCN溶液变成红色，Fe2+遇KSCN溶液不显红色。我们可以利用这一反应检验Fe3+的存在。
Fe3++3SCN-=Fe（SCN）3
【实验 5-14】在实验5-13的盛有FeCl2和KSCN溶液的试管里再滴入几滴新配制的氯水，观察现象。
【实验5-15】在试管里加入5 mL FeCl3溶液，加入几滴盐酸和适量还原铁粉，振荡一会儿，滴入几滴KSCN溶液。观察发生的现象。
讨论
以上几个实验中溶液颜色的变化说明了什么？其中发生了哪些反应？
四、过渡元素简介
元素周期表的中部有十个纵行（从IIIB到IIB族），包括镧系和锕系，共有六十多种元素，人们习惯上称这些元素为过渡元素。它们分属于第四周期至第七周期，如图5-18所示。铁是一种重要的过渡元素。过渡元素在生产、生活上都有重要意义。
过渡元素都是金属，所以人们又把它们叫做过渡金属。过渡金属的密度一般较大，熔点和沸点也较高。例如，铂的密度是21.45 g/cm3，约是铝的8倍；钨的熔点是3 410℃，是所有金属里最难熔的。过渡金属往往具有较高的硬度、较好的延性、展性和机械加工性能，较好的导电、导热性能和耐腐蚀性能。过渡金属可以组成具有多种特性的合金。
过渡金属原子最外层电子数不超过2个，在化学反应中，最外层电子容易失去，有时还会再失去次外层电子。因此，过渡元素往往有可变化合价。例如，铁常表现+2、+3价，锰表现+2、+3、+4、+6、+7价等。
过渡元素的化合物以及它们的溶液往往带有颜色。例如，氯化铁溶液是黄色的、氢氧化铁是红褐色的、无水硫酸铜是白色的、五水合硫酸铜是蓝色的，等等。
过渡元素有很多用途，对于国防和国民经济各部门有着极其重要的意义。钢铁、铜、钛、铬、锰、镍、锌…… 都是必不可少的金属或合金材料。铀是原子反应堆的燃料。多种过渡金属还是化学工业的重要催化剂。
我国有丰富的过渡元素矿藏，例如镧系元素、钨、钼、锰、钒、钛等都有丰富的储量，这对于我国工农业的发展是一个有利的条件。
资料
铁与动植物
铁是人体健康、植物生长所必需的元素之一。
一个成年人的身体里约含3g～5g铁元素，其中70％以上在血红蛋白里。人体必须保证足够的铁的摄入，如果每天膳食中的含铁量太低，长时间供铁不足，就会患缺铁性贫血。这类病人往往面色苍白，并有头昏、无力、心悸、气急等症状。因此，应多吃一些含铁丰富的食物。含铁较多的食物有动物的肝脏，苋菜、芹菜、番茄等。
植物生长也离不开铁，铁是植物制造叶绿素时不可缺少的催化剂。如果一盆花很快失去艳丽的颜色和芳香的气味，叶子发黄枯萎，这就是土壤中缺铁的特征，就应施加如硫酸亚铁等予以补充。
习题
一、填空题
1．铁位于元素周期表中第____周期、第____族。铁是化学性质比较____的金属。铁原子的最外电子层只有____个电子，在化学反应中容易____个电子而变为亚铁离子。如果铁原子失去____个电子，则生成铁离子。
2．配制氯化亚铁溶液时，常加入一些____，目的是____；配制氯化铁溶液时，需加入少量____，目的是____。
3．试写出五种过渡元素的元素符号____。
二、选择题
1．在铁与硫酸铜溶液的反应中， [ ]
A．铁被还原，该反应属于化合反应
B．铜被还原，该反应属于分解反应
C．铁被氧化，该反应属于置换反应
D．铜被氧化，该反应属于复分解反应
2．过量的铁粉与稀硫酸反应后，溶液中存在较多的离子是 [ ]
A．Fe3+ B．Fe2+
C．H+ D．Fe3+和Fe2+
3．为了检验某FeCl2溶液是否变质，可向溶液试样中加入 [ ]
A．NaOH溶液 B．铁片
C．KSCN溶液 D．石蕊试液
4．把铁片放入下列溶液中，铁片溶解且固体的总质量减小，并伴有气体产生，则该溶液是 [ ]
A．稀硫酸 B．CuSO4
C．Na2SO4 D．浓硫酸
5．把一块铁铝合金溶于足量的盐酸中，通入足量氯气，再加入过量氢氧化钠溶液，过滤，把滤渣充分灼烧，得到的固体残留物恰好跟原来合金的质量相等，则此合金中，铁、铝质量之比约为 [ ]
A．1∶1 B．3∶1
C．7∶3 D．1∶4
三、Fe2+处于中间价态，它既能被氧化，又能被还原，试各写出两个有关反应的化学方程式。
四、问答题
1．过渡元素有哪些共同的性质？
2．试简述在硫酸亚铁溶液中加入氢氧化钠溶液时的反应现象，并写出所发生反应的化学方程式。
________________________________________
① 陨铁不是人工冶炼的铁，它来自太空掉下的含铁质较多或全部是铁的陨石。
第四节 铜和铜的化合物
人类使用铜和它的合金具有悠久的历史。早在三千多年前的商代，我国就已经会制造青铜器。从发掘的出土文物中知道，商代已经使用青铜器制造农具、武器和祭祀用品。例如巨大的司母戊大鼎重达875 kg。图 5-19是我国陕西秦始皇陵出土的铜车马。这些古代的青铜器制作精美，表现出我国古代人民很早就已经掌握了高超的冶炼和铸造技术。
铜及铜的合金在生产和生活中有广泛的用途。
铜在地壳里的含量约占地壳总质量的万分之一。自然界里天然铜很少，大多以化合物形式存在。
一、铜
铜位于元素周期表的第四周期、第ⅠB族，它跟银（Ag）、金（Au）合称为铜族元素。
铜的最外电子层有1个电子，在化学反应中能失去1个或2个电子，生成Cu+或Cu2+，因此铜常有+1和+2两种化合价。
铜的化学性质不活泼，常温下在干燥的空气里很稳定，但在潮湿空气中，铜的表面生成一层碱式碳酸铜〔Cu2（OH）2CO3〕，俗称铜绿，这个反应可以简单表示如下：
2Cu+O2+H2O+CO2＝Cu2（OH）2CO3
铜绿有毒，因此铜器皿的内表面常要镀锡来防止铜绿的生成。
在高温下，铜能跟空气里的氧气反应。
【实验5-16】在酒精灯上灼烧一束细铜丝，冷却后观察铜丝的颜色。
我们可以看到，铜丝表面生成一层黑色物质，这是氧化铜。
高温时，铜还能跟硫、卤素等化合。
我们已知道铜不跟稀盐酸和稀硫酸反应，也曾学过铜与硝酸、浓硫酸等氧化性酸的反应，在这些反应中，铜被氧化，生成+2价的铜盐；硝酸或浓硫酸中的氮、硫元素被还原，生成氮或硫的氧化物。
讨论
设法完成下列铜及铜的化合物间的转化：
Cu→CuO→CuCl2→Cu（OH）2→CuSO4
二、铜的重要化合物
铜有很多种化合物，初中我们曾学过硫酸铜，它常用来配制电解液和农药。
常见的铜的氧化物有氧化亚铜和氧化铜。氧化亚铜呈红色，氧化铜呈黑色。把氧化铜加热到800C，氧化铜就开始分解为氧化亚铜和氧气。
氧化铜可作为制造铜盐的原料，氧化亚铜可作为制造玻璃、搪瓷的红色颜料。
三、铜离子的检验
【实验5-17】在试管里加入 5 mL CuSO4溶液，向其中滴加氨水，观察溶液中发生的变化。
通过实验我们发现，开始时，溶液中出现少量蓝色沉淀，继而沉淀溶解，溶液变成深蓝色，这是四氨合铜离子〔［Cu（NH3）4］2+〕的特征蓝色。这个实验可以用来检验铜离子的存在。
CuSO4＋4NH3•H2O=［Cu（NH3）4］SO4＋4H2O
四、稀土金属及其用途
在元素周期表中，有一类元素叫做稀土元素，它们的外层电子结构基本相同，有些内层电子所具有的能量又很相近，因此在光、电、磁等方面具有独特的性质，在科研、科技、生产上有广泛的用途，常被誉为新材料的宝库。
稀土元素包括原子序数57至71（从镧至镥，称为镧系元素）的15种元素以及钪和钇，共17种元素。稀土元素是18世纪沿用下来的名称，因为当时认为这些元素稀有，它们的氧化物既难溶解于水又难熔化，外表很像“土”，因而称之为稀土元素。稀土元素也常称为稀土金属。实际上，稀土金属并不稀少，它们在地壳中的含量比某些常见金属元素还要高。我国拥有得天独厚的稀土元素资源，在现已查明的世界稀土资源中，80％分布在我国，并且品种齐全。例如，内蒙古地区储藏有丰富的稀土矿石，是生产稀土金属的重要基地。
稀土元素不仅原子外层电子排布十分相似，而且原子半径也很相近，因而它们的化学性质十分相似，在自然界，它们常常共存于同种矿物中，分离和提取纯稀土金属相当困难。
稀土金属有着广泛的用途，它既可以单独使用，也可以混合稀土的形式使用。在合金中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，就能大大改善合金的性能，因而，稀土元素又被称为冶金工业的维生素。例如，在钢中加入一些稀土元素，可以增加钢的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等；又如，稀土金属可以用来做引火合金、永磁材料、超导材料、染色材料、发光材料、微量元素肥料，等等。因此，稀土金属除广泛应用在冶金、石油化工、玻璃陶瓷、荧光材料、电子材料、医药及农业等部门外，还逐渐深入到很多现代科学技术领域。
习题
一、填空题
1．在硫酸铜溶液中，放入几个铁钉，充分反应后，铁钉有剩余，此时，溶液的颜色____，溶液中存在最多的阳离子是____，铁钉上附有一层____色的____。
2．室温下，向含有Mg、Al、Cu的混合粉末中加入过量的NaOH溶液，充分反应后，溶液中的金属离子主要是____。过滤，在滤液中加入过量盐酸，溶液中的金属离子主要是____；在滤渣中加入过量盐酸，溶液中的主要金属离子是____。
二、选择题
1．常用来检验铜离子的试剂是 [ ]
A．KSCN溶液 B．氨水
C．BaCl2溶液 D．AgNO3溶液
2．在铜跟浓硫酸的反应中，如有a mol H2SO4被还原，下列说法中正确的是 [ ]
A．参加反应的铜是32a g
B．反应用掉a mol H2SO4
C．反应最多可收集到标准状况下22.4a L SO2
D．反应制得的CuSO4溶液中加入足量BaCl2溶液，可得沉淀a mol
3．在含有Cu2+和Fe3+的溶液里加入过量的铁粉，充分反应后，溶液里存在的阳离子主要是 [ ]
A．H+ B．Cu2+
C．Fe3+ D．Fe2+
第五节 金属的冶炼
金属在自然界中的分布很广，无论是矿物，还是动
植物体内，或多或少地都含有金属元素。由于不同金属的化学活动性相差很大，因此，它们在自然界中的存在形式也各不相同。
少数化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态存在，如金和铂以及少量的银和铜。化学性质比较活泼的金属，在自然界中总是以化合态存在。
我国金属种类繁多，储量也较丰富，如钨、钼、钛、稀土金属等储量均居世界前列，铜、铝、锰等矿物的储量在世界上也占有重要地位。我国是世界上已知的矿物种类比较齐全的少数国家之一。但是，我们也应该认识到，由于我国人口多，人均占有矿物资源量较少，因此必须加强金属资源的回收和利用，节约矿物资源。
一、金属的冶炼
人们日常应用的金属材料，多为合金或纯金属，这就需要把金属从矿石中提炼出来，这也就是人们常说的金属的冶炼。
大多数金属矿石里含有杂质，如石英、石灰石和长石等。从金属矿石中提炼金属一般需要经过三个步骤：第一步是矿石的富集，除去杂质，提高矿石中有用成分的含量；第二步是冶炼，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；第三步是精炼，采用一定的方法，提炼纯金属。
冶炼金属的方法很多，其实质是用还原的方法，使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子。由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也不同，因此就必须采取不同的冶炼方法。工业上冶炼金属一般用热分解法、热还原法或电解法。现简单介绍如下：
1．热分解法
有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。在金属活动性顺序中，位于氢后面的金属的氧化物受热就能分解，例如：
2HgO 2Hg+O2↑
2Ag2O 4Ag+O2↑
2．热还原法
多数金属的冶炼过程属于热还原法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等，例如：
MgO+C Mg＋CO↑
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
WO3+3H2 W+3H2O
Cr2O3+2Al 2Cr+Al2O3
3．电解法
在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。
2Al2O3 4Al+3O2↑
2NaCl 2Na+Cl2↑
对于某些不活泼金属，如铜、银等，也常用电解其盐溶液的方法进行精炼，但电解法要消耗大量电能，成本较高。
资料
湿法冶金
在工业上还有一种冶金方法叫做湿法冶金，也称为水法冶金。它是利用在溶液中发生的化学反应（如置换、氧化还原、中和、水解等），对原料中的金属进行提取和分离的冶金过程，可用于提取锌、铀及稀土金属等。
二、金属的回收和资源保护
地球上的金属矿产资源是有限的，而且是不能再生的，随着人们的不断开发利用，矿产资源将会日渐减少，如何解决这一难题呢？
金属制品在使用过程中会被腐蚀或损坏，同时由于生产的发展，新的产品要不断替代旧的产品，因而每年就有大量废旧金属产生。废旧金属是一种固体废弃物，会污染环境，应该怎样解决这类问题呢？
最好的解决办法是把上面的两个问题结合在一起考虑，即把废旧金属作为一种资源，加以回收利用。这样做，既减少了垃圾量，防止污染环境，又缓解了资源短缺的矛盾。据估算，回收一个铝饮料罐比制造一个新铝饮料罐便宜20％，而且可节约95％的能源。
回收的废旧金属，大部分可以重新制成金属或它们的化合物再用。例如，废旧钢铁可以用于炼钢，废铁屑等可以用于制铁盐，从电解精炼铜的阳极泥中，可回收金、银等贵金属，从电影业、照相业、科研单位和医院X光室回收的定影液中，可以提取金属银。
选学
金属陶瓷
火箭、人造卫星及原子能等高科技的发展，对耐高温材料提出了新的要求。人们希望材料既能在高温时保持很高的强度和硬度，能经得起激烈的机械震动和温度变化，又有耐腐蚀和高绝缘性等性能。但无论是高熔点金属还是陶瓷都无法同时满足这些要求。
金属陶瓷是由陶瓷和粘结金属组成的非均质的复合材料。陶瓷主要是Al2O3、ZrO2等耐高温氧化物等，粘结金属主要是Cr、Mo、W、Ti等高熔点金属。将陶瓷和粘结金属研磨，混合均匀，成型后在不活泼气氛中烧结，就可制得金属陶瓷。
金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，其密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外，在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性很差的陶瓷涂层，能够防止金属或合金在高温下被氧化或腐蚀。
金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等处。
习题
一、填空题
1．自然界中的大多数金属以____态存在，少数不活泼金属能以____态存在。
2．在金属活动性顺序中，钾、钠、铝等金属一般常用____法提炼；位于氢以后的金属可用____法提炼；位于中部的金属一般可用____法提炼。
3．对于废旧金属的最好处理方法是____。
二、问答题
1．在化学史上，金、银、铜等重金属发现较早，轻金属则发现较迟，如钾、钠、钙等直到19世纪才被发现，这是为什么？
2．金属冶炼的主要化学反应原理是什么？
3．你家中有哪些金属物品？它们的使用寿命如何？失去使用价值的废旧金属制品是如何处理的？
第六节 原电池原理及其应用
铁是比较活泼的金属，铜是不活泼金属；铁能溶于稀硫酸，铜则不溶于稀硫酸。这是我们已经知道的事实，如果我们把这两种金属连接在一起，同时放到稀硫酸中，会发生什么现象呢？
【实验5－18】如图5－25，在两个烧杯中各加入20 mL稀硫酸，在左边的烧杯中，分别放入一根铁丝和铜丝；在右边的烧杯中，放入上端连接在一起的铁丝和铜丝，观察现象。
我们发现，在左边的烧杯里，铁丝上有气泡放出；在右边的烧杯里，铜丝上有气泡放出。这是为什么呢？原来，右边的烧杯构成了一个小电池，在金属丝中有电子流动。
一、原电池
我们知道，物质发生化学反应时，常伴有化学能与热能、光能等的相互转化。如在化学反应里，常表现出放热或吸热，有的化学反应还伴有发光等。现在我们来研究能量转化的另一种方式——化学能转变成电能。
【实验5－19】把一块锌片和一块铜片平行地插入盛有稀硫酸的烧杯里，可以看到锌片上有气泡产生，铜片上没有气泡产生。再用导线把锌片和铜片连接起来（见图5－26），观察铜片上有没有气泡产生？在导线中间接入一个电流计，观察电流计的指针是否偏转。
实验结果表明，用导线连接后，锌片不断溶解，铜片上有气泡产生。电流计的指针发生偏转，这说明导线中有电流通过。
电流是如何产生的呢？原来，当把用导线连接的铜片和锌片一同浸入稀硫酸时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的H+从铜片获得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上放出。这一变化过程可以表示如下：
锌片：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）
铜片：2H++2e-=H2↑（还原反应）
这个实验充分证明，上述氧化还原反应确实因电子的转移而产生电流。这种把化学能转化为电能的装置叫做原电池。在原电池中，电子流出的一极是负极（如锌片），电极被氧化。电子流入的一极是正极（如铜片），H+在正极上被还原。
以上介绍了铜-锌原电池，我们也可以利用同样的原理，把其他的氧化还原反应设计成各种不同的电池。在这些电池中，一般都用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子；在电池内部，两极之间填充电解液。放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成电流。
讨论
举例说明组成原电池的条件。
人们应用原电池原理，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能电池等，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至宇宙火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、电话、助听器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。
二、化学电源
上面介绍的原电池的结构较简单，它只能供教学实验用，时间一长，就不能产生电流了，而且携带和使用都很不方便。当今的电池工业已能制造出各种各样的实用电池，广泛用于日常生活、生产和科学技术等方面。
实用电池一般应具有以下特点：能产生稳定而具有较高电压的电流；安全、耐用且便于携带；能够适用于特殊用途；便于回收处理，不污染环境或对环境产生较小影响。
下面简单介绍几种常见电池和新型电池。
1．干电池
手电筒中使用的干电池一般是锌-锰干电池，它的结构如图5－28。
插在电池中央的石墨棒是正极，顶端有一铜帽；在石墨棒的周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸作隔膜；隔膜外是调成糊状的氯化铵，作为电解质溶液；最外面是由锌筒制成的干电池外壳，它作为负极；电池顶部用蜡和火漆封口。
资料
锌-锰干电池内的主要反应
负极（锌筒）：Zn-2e-=Zn2+
2．铅蓄电池
目前汽车上使用的电池，有很多都是铅蓄电池。铅蓄电池的构造是用含锑5％～8％的铅锑合金铸成格板，在格板上分别填充PbO2和Pb作为正极和负极，二者交替排列而成。在电极之间注入30％的H2SO4溶液。
由于铅蓄电池的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此是广泛用于国防、科研、交通、生产和生活的化学电源。
除了铅蓄电池外，还有多种蓄电池，例如，镍-镉可充电电池广泛用于收录机、电话机等。又如，银-锌蓄电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。
3．锂电池
锂是密度最小的金属材料，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起搏器上，以及作为火箭、导弹等的动力电源。
4．新型燃料电池
燃料电池与前面介绍的电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实的把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的能量转化率很高，可达70％以上。氢氧燃料电池除了具有能量转化率高、可持续使用的优点外，而且由于其燃烧产物为水，因此不污染环境。
除了氢气和氧气外，甲烷、煤气等燃料，空气、氯气等氧化剂也可以作为燃料电池的原料。
目前已研制成功铝-空气燃料电池。它是用纯铝作负极，空气作正极，使铝在盐溶液中溶解，产生电流。铝-空气电池可代替汽油作为汽车的动力。它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。
三、金属的电化学腐蚀
生活经验告诉我们，有些金属制品在使用一段时间以后，会失去表面的光泽，严重的会变得锈迹斑斑，影响使用。尤其是钢铁制品，在潮湿的空气中，很容易生锈，这实际上是一种被叫做金属腐蚀的现象。
金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。金属的腐蚀现象非常普遍，除钢铁生锈外，其他金属也能发生腐蚀，如铝制品接触咸的物质后表面会出现白色斑点，铜器时间长了会长出铜绿，这些都是金属被腐蚀的现象。
金属被腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能等方面都将发生变化，会使机器设备、仪器、仪表的精密度和灵敏度降低，影响使用以至报废。有些严重事故就是由于金属腐蚀引起的。据估计，每年由于腐蚀而直接损耗的金属材料，约占金属年产量的10％。因此，了解金属腐蚀的原因和防止金属腐蚀的方法具有很重要的意义。
要想防止金属腐蚀，首先要了解金属为什么会被腐蚀。
金属腐蚀的本质，是金属原子失去电子变成阳离子的过程。也就是说，金属在腐蚀过程中，发生了氧化还原反应。
由于与金属接触的介质不同，发生腐蚀的情况也不同，一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
1．化学腐蚀
金属跟接触到的物质（如O2、Cl2、SO2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀叫做化学腐蚀。这类反应比较简单，仅仅是金属跟氧化剂之间的氧化还原反应。例如，铁跟氯气直接反应而腐蚀，钢管被原油中的含硫化合物腐蚀等。
2．电化学腐蚀
不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀的最突出的例子。
我们都知道，钢铁在干燥的空气里长时间不易腐蚀，但在潮湿的空气里却很快就会腐蚀，这是什么原因呢？
原来，在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量H+和OH-，还溶解了氧气等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。铁失去电子而被氧化：
负极：2Fe-4e-=2Fe2+
正极：2H2O+O2+4e-=4OH-
电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。
3．金属的防护
影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。有些金属如铬、铝等，虽然比较活泼，但因表面可生成致密的氧化物薄膜，使金属钝化，防止金属进一步被氧化，从而保护了内层金属不再被腐蚀。如果金属中能导电的杂质不如该金属活泼，则容易形成原电池而使金属发生电化学腐蚀。
介质对金属腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。因此，要经常注意对机器和仪表的保养。
金属防护的方法很多，例如可以根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金，以防止腐蚀，如不锈钢就是一种耐腐蚀的合金；也可以采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离，以防止腐蚀；还可以采用电化学保护法防止金属腐蚀等。
家庭小实验
在一瓣橘子上相隔0.5cm分别插一小段铜片和铝片，把铜片和铝片的另一端通过导线接触耳机的两极，试试能否听到“嘎嘎”声。能够从耳机中听到“嘎嘎”声，说明了什么？用其他金属、水果、液体再试一试。
习题
一、填空题
1．原电池是一种____装置。在原电池中，较活泼的金属发生____反应，是____极；活动性较差的金属极上发生____反应，是____极。
2．钢铁表面容易发生腐蚀，发生腐蚀时，铁是____极，电极反应式为____；杂质碳是____极，电极反应式为____。
3．用铜、银和硝酸银溶液设计一个原电池，这个原电池的负极是____，电极反应式为____。
4．现有A、B、C、D四种金属，把A、B分别浸入稀硫酸中，产生气泡都很慢；把C、D分别浸入稀硫酸中，产生气泡都很快；把A、B用导线连接浸入稀硫酸中时，A上有气泡析出；把C浸入D的硝酸盐溶液中，C的表面有D析出。这四种金属的活动性顺序由强到弱为____。
二、选择题
1．下列方法可以加快铁和稀硫酸反应速率的是 [ ]
A．加入少量ZnCl2 B．加入少量CuSO4
C．加热 D．增大压强
2．A、B、C都是金属，A中混有C时，A先腐蚀；A与B组成原电池时，A为电池的正极。A、B、C三种金属的活动性顺序为 [ ]
A．A＞B＞C B．A＞C＞B
C．B＞A＞C D．B＞C＞A
3．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是 [ ]
4．钢铁发生腐蚀时，正极上发生的反应为 [ ]
A．2Fe-4e-=2Fe2+ B．2Fe2++4e-=2Fe
C．2H2O+O2+4e-=4OH- D．Fe3++e-=Fe2+
5．下列几种铁板，在镀层被破坏后，最耐腐蚀的是 [ ]
A．镀锌铁板 B．镀铜铁板
C．镀锡铁板 C．镀铅铁板
三、问答题
1．举例说明电池在生产、生活和科学技术上的重要用途。
2．什么叫电化学腐蚀？举例说明金属腐蚀的危害。
本章小结
一、金属的通性
不同金属在密度、硬度、熔点、沸点等方面差别很大，但多数金属有许多共同的物理性质，如有金属光泽、有延性和展性、能导电、导热等。
金属元素原子的共同的化学性质是容易失去最外层电子，变成金属阳离子，表现出还原性。即：
M-ne-→Mn+
金属的还原性强弱与它的结构、在元素周期表中的位置有关，与金属活动性顺序大致相同。金属的还原性主要表现在金属能跟氧气或其他非金属、水、酸、盐发生反应。
金属冶炼的主要方法有热分解法、热还原法和电解法等。
二、部分金属的主要化学性质
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
在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 加热或跟水蒸气反就时能置换出水中的氢 不跟水反应
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等具有两性的金属可以跟碱反应
1． 镁及其重要化合物之间的转化关系
2． 铝及其重要化合物之间的转化关系
3． 铁及其重要化合物之间的转化关系
4． 铜及其重要化合物之间的转化关系
三、原电池原理及应用
原电池是使化学能转变为电能的装置，在电极上发生氧化还原反应。电池在生产、生活和科学技术中有重要用途。
金属的电化学腐蚀是通过原电池反应而引起的。防止金属腐蚀主要有改变金属的成分、在金属表面覆盖保护层及电化学保护法等。
复习题
一、填空题
1．在金、铜、铁、钠、钾、镁、铝几种金属中，硬度最大的是____；熔点最高的是____；在空气中最稳定的是____；最活泼的是____；常温时与水能剧烈反应的有____；既能跟酸反应，又能跟碱反应的是____。
2．用一种试剂鉴别NaCl、MgCl2、AlCl3、NH4Cl、FeCl2、CuCl2，这种试剂是____。鉴别的现象和反应的离子方程式为：
NaCl_________________；
MgCl2________________；
AlCl3_________________；
NH4Cl________________；
FeCl2_________________；
CuCl2________________。
3．某金属元素在它的硫化物和氧化物中都显+2价，且硫化物和氧化物的摩尔质量之比为11∶9，该元素的摩尔质量为____。
4．把40.6g MgCl2•6H2O溶于水，配成500mL溶液，溶液中MgCl2的物质的量浓度为____，Cl-的物质的量浓度为____。
5．A、B是两种金属元素，它们位于同一周期；A的原子核里有14个中子；A的单质能溶于B的单质与水反应生成的溶液中，并放出氢气；2.7gA在空气里燃烧时，质量增加2.4g。
（1）A的元素符号是____，它位于元素周期表中第____周期、第____族。
（2）B是____，它的原子结构示意图为____。
（3）写出有关反应的化学方程式____。
*6．电子表所用的某种钮扣电池的电极材料为Zn和Ag2O，电解质溶液是KOH。其电极反应式为：Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e-
Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
电池的负极是____，正极发生____反应；总反应式为____。
二、选择题
1．下列物质中属于合金的是 [ ]
A．黄金 B．白银
C．钢 D．水银
2．下列离子中，用来除去溶液中的镁离子效果最好的是 [ ]
3．与酸或碱都能反应的离子是 [ ]
4．物质的量浓度都是0.1mol／L的下列各溶液中，pH最大的是（ ）；pH最小的是 [ ]
A．HCl溶液 B．Al2（SO4）3溶液
C．H2SO4溶液 D．CH3COONa溶液
5．用一定物质的量浓度的NaOH溶液，使相同体积的FeSO4溶液和Fe2（SO4）3溶液中的Fe2+、Fe3+离子完全沉淀。如果所用的NaOH溶液的体积相同，FeSO4溶液和Fe2（SO4）3溶液中溶质的物质的量浓度之比为 [ ]
A．1∶1 B．1∶3
C．3∶1 D．3∶2
6．将等质量的铜分别放入足量的下列物质中，加热，充分反应后，生成气体的体积（在标准状况下测定）最大的是 [ ]
A．稀HNO3 B．浓HNO3
C．稀H2SO4 D．浓H2SO4
7．正在燃烧的镁条，放入下列气体中时，不能继续燃烧的是 [ ]
A．CO2 B．Cl2
C．He D．O2
8．在下列反应中，能置换出铁的是 [ ]
A．Cu+FeCl3（溶液） B．Na+FeSO4（溶液）
C．Al+Fe3O4（高温） D．Ag+FeSO4（溶液）
9．向某溶液中加入过量盐酸，生成白色沉淀，过滤后向滤液中加入过量氨水使溶液呈碱性，又有白色沉淀生成，再过滤后又向滤液中加入Na2CO3溶液，再次生成白色沉淀。原溶液中含有的离子是 [ ]
A．Cu2+、Ba2+、Ag+ B．Ag+、Al3+、Ba2+
C．Fe3+、Ca2+、Ba2+ D．Mg2+、Al3+、Ca2+
10．下列物质充分反应后，滴入KSCN溶液，显红色的是 [ ]
A．FeO+HCl（溶液） B．过量铁+稀硫酸
C．FeCl2（溶液）+Cl2 D．Fe+CuSO4（溶液）
11．某化合物的溶液中可能含有下列离子，当加入NaOH溶液时，有沉淀生成；另取该化合物的溶液，并加入铁粉，溶液的质量将增加，该溶液中一定含有 [ ]
A．Cu2+ B．Fe3+
C．Al3+ D．Mg2+
12．下列化学方程式中，书写不正确的是 [ ]
A．2Fe+6HCl=2FeCl3+3H2↑
B．2Al+3O2 2Al2O3
C．Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O
D．Fe+CuCl2=FeCl2+Cu
13．把2 g Ca、2.8 g Fe、3.25 g Zn分别加入1 L 0.5 mol／L的盐酸中，产生H2的质量 [ ]
A．一样多 B．Ca最多
C．Fe最多 D．Zn最多
14．下列各组离子中，能在水溶液中大量共存的是 [ ]
度为 [ ]
*16．将a g某钢样放在氧气流中灼烧，得到b mgCO2，钢样中碳的质量分数的计算式为 [ ]
三、问答题
1．以镁为例，说明较活泼的金属具有哪些化学性质，写出有关反应的化学方程式。
2．试用实验的方法比较铁和铜两种金属的活动性，并写出有关反应的化学方程式。
3．试简述检验铜离子的方法，并描述反应现象。
四、实验题
1．某混合液可能是由下列五种溶液中的两种或两种以上混合而成：Na2CO3、NaOH、MgSO4、AlCl3、BaCl2。向该混合液中滴入H2SO4溶液，发现有白色沉淀生成，继续滴入，沉淀完全消失，反应过程中没有气体产生。试分析原混合液是由哪几种溶液组成的。写出发生反应的化学方程式。
2．分别除去下列各物质中的杂质，在空白处写出所用试剂的化学式。
（1）除去MgCl2中混有的少量MgCO3，可选用试剂____；
（2）除去FeCl3溶液中混有的少量FeCl2，可选用试剂____；
（3）除去SiO2中混有的少量CaO，可选用试剂____；
（4）除去FeCl2溶液中混有的少量Cu2+，可选用试剂____；
（5）除去铁粉中混有的少量铝粉，可选用试剂____。
3．现有一种含有Ag+、Al3+、Mg2+、Ba2+的混合溶液，如果要通过依次加入四种离子，使上述四种金属离子依次成为沉淀从溶液中分离出来，则加入的四种离子是什么，顺序如何？
4．如何检验某FeSO4溶液是否已经变质？为防止它变质，可采取什么措施？
五、计算题
1．某高炉每天生产含铁96％的生铁70t，计算需用含20％杂质的赤铁矿石多少吨。
2．向溶解了10 gCuSO4的90 mL溶液中加入2.8 g Fe粉，反应结束后向溶液中加入一定量水，使溶液的体积为100 mL。试计算：
（1）溶液中含有多少克FeSO4？
（2）此时溶液中Fe2+、Cu2+离子的物质的量浓度各是多少？
（3）反应得到固体的质量是多少？
*3．A和B是两种金属，取A和B组成的合金试样a g，用足量的稀盐酸完全溶解，生成bLH2（标准状况），同时得到两种盐ACl2和BCl3。如果合金试样中含w g A，且A与B的物质的量之比为1∶1。求A与B的相对原子质量。
*4．向0.480g氧化铜和铜的混合物中，加入过量的浓硫酸，加热使之完全溶解。用NaOH溶液中和过量的硫酸后把溶液稀释至500mL。此时向溶液中加入0.500g铁粉，充分反应后将不溶物滤出，不溶物的质量为0.556g。求：
（1）滤渣中各成分的质量是多少？
（2）滤液中的物质是什么，它的物质的量浓度是多少？（溶液体积为500mL）
（3）原混合物中铜元素的质量分数是多少？
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