高中化学复习：金属及其化合物

一、金属活动性

在高中化学的学习中，金属的活动性顺序是一个非常重要的概念。金属活动性顺序表（即金属活泼性顺序）是根据金属与水、酸反应的难易程度以及金属之间的置换反应来排列的。常见的金属活动性顺序如下：

1. 钾（K）

钾是最活泼的金属之一，它可以与冷水剧烈反应，生成氢气和氢氧化钾。反应方程式为：

\[2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2↑\]

2. 钠（Na）

钠的活泼性稍次于钾，但它仍然可以在冷水中迅速反应，生成氢气和氢氧化钠。反应方程式为：

\[2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2↑\]

钠与水反应时会产生大量的热量，甚至可能引发燃烧。

3. 铝（Al）

铝的活泼性相对较低，但在空气中容易形成一层致密的氧化铝薄膜，这层薄膜可以防止铝进一步被氧化。因此，尽管铝的活泼性较高，但它在常温下并不容易与氧气反应。然而，铝可以与碱溶液反应，生成氢气。反应方程式为：

\[2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2↑\]

4. 铁（Fe）

铁的活泼性较低，它在空气中缓慢氧化生成铁锈（Fe_2O_3）。铁可以与稀盐酸或稀硫酸反应，生成氢气。反应方程式为：

\[Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2↑\]

5. 铅（Pb）

铅的活泼性更低，它在空气中不易被氧化，但可以在高温下与氧气反应生成氧化铅（PbO）。铅也可以与酸反应生成氢气，但反应速度较慢。

6. 铜（Cu）

铜是一种不活泼的金属，它在常温下几乎不会与氧气或酸发生反应。只有在高温下，铜才会与氧气反应生成氧化铜（CuO）。

7. 银（Ag）

银的活泼性极低，它几乎不会与氧气或酸发生反应。银的化学性质非常稳定，因此常用于制作珠宝首饰等。

8. 金（Au）

金是所有金属中最不活泼的，它几乎不会与其他物质发生化学反应。正因为其化学稳定性，金被广泛用于货币、珠宝等领域。

二、金属的化学性质

金属通常具有较高的化学活性，尤其是在与氧气、水和酸的反应中表现得尤为明显。

1. 与氧气的反应

大多数金属都可以与氧气反应生成金属氧化物。例如，铁在空气中缓慢氧化生成铁锈（Fe_2O_3），而钠在空气中迅速氧化生成氧化钠（Na_2O）。

\[4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3\]

\[4Na + O_2 \rightarrow 2Na_2O\]

2. 与水的反应

活泼金属如钠、钾等可以与水剧烈反应，生成氢气和相应的碱。

\[2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2↑\]

3. 与酸的反应

金属可以与酸反应生成氢气和相应的盐。例如，铁与稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气。

\[Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2↑\]

4. 特殊金属的反应

铝不仅可以与酸反应生成氢气，还可以与强碱溶液反应生成氢气。这是因为铝的两性特性，既可以与酸反应，也可以与碱反应。

\[2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2↑\]

三、两性化合物

1. 氧化铝（Al_2O_3）

氧化铝是一种典型的两性氧化物，它既可以与酸反应生成盐和水，也可以与碱反应生成盐和水。

- 与酸反应：

\[Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O\]

- 与碱反应：

\[Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]\]

2. 氢氧化铝（Al(OH)_3）

氢氧化铝也是一种两性氢氧化物，它既可以与酸反应生成盐和水，也可以与碱反应生成盐和水。

- 与酸反应：

\[Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O\]

- 与碱反应：

\[Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]\]

四、碳酸钠与碳酸氢钠的比较

碳酸钠（Na_2CO_3）和碳酸氢钠（NaHCO_3）是两种常见的含碳化合物，它们在日常生活和工业中有广泛的应用。以下是它们的主要区别：

1. 俗名

碳酸钠俗称纯碱或苏打，而碳酸氢钠俗称小苏打。

2. 色态

碳酸钠为白色晶体，而碳酸氢钠为细小的白色晶体。

3. 水溶性

碳酸钠易溶于水，且溶液呈碱性，可以使酚酞变红；碳酸氢钠也易溶于水，但溶解度比碳酸钠小，溶液呈弱碱性，使酚酞变浅红色。

4. 热稳定性

碳酸钠较为稳定，受热不易分解；而碳酸氢钠受热易分解，生成碳酸钠、二氧化碳和水。

\[2NaHCO_3 \xrightarrow{\Delta} Na_2CO_3 + CO_2↑ + H_2O\]

5. 与酸的反应

碳酸钠与酸反应时，首先生成碳酸氢钠，然后继续与酸反应生成二氧化碳和水。

\[CO_3^{2-} + H^+ \rightarrow HCO_3^-\]

\[HCO_3^- + H^+ \rightarrow CO_2↑ + H_2O\]

碳酸氢钠直接与酸反应生成二氧化碳和水。

\[HCO_3^- + H^+ \rightarrow CO_2↑ + H_2O\]

在相同条件下，碳酸氢钠放出二氧化碳的速度比碳酸钠快。

6. 与碱的反应

碳酸钠与碱反应时，会发生复分解反应生成碳酸盐和氢氧化物。

\[Na_2CO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3↓ + 2NaOH\]

碳酸氢钠与碱反应时，生成碳酸钠和水。

\[NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O\]

7. 与水和二氧化碳的反应

碳酸钠可以与水和二氧化碳反应生成碳酸氢钠。

\[Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHCO_3\]

而碳酸氢钠不与水和二氧化碳反应。

8. 与盐的反应

碳酸钠可以与某些盐类反应生成沉淀。例如，碳酸钠与氯化钙反应生成碳酸钙沉淀。

\[CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3↓ + 2NaCl\]

碳酸氢钠则不与盐类反应。

9. 主要用途

碳酸钠广泛应用于玻璃、造纸、制皂、洗涤等行业；碳酸氢钠则主要用于发酵、医药和灭火器等领域。

五、合金

合金是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合在一起形成的具有金属特性的物质。合金的特点是硬度一般比成分金属大，而熔点比成分金属低。此外，合金的用途比纯金属更为广泛。

1. 合金的特点

- 硬度增加：合金的硬度通常比其成分金属大。例如，不锈钢是由铁、铬、镍等元素组成的合金，其硬度远高于纯铁。

- 熔点降低：合金的熔点通常低于其成分金属。例如，焊锡是由锡和铅组成的合金，其熔点远低于纯锡或纯铅。

- 耐腐蚀性增强：某些合金具有更好的耐腐蚀性。例如，铝合金由于表面形成了一层致密的氧化膜，具有良好的抗腐蚀性能。

2. 常见合金及其应用

- 青铜：由铜和锡组成的合金，广泛应用于制造工具、雕塑等。

- 黄铜：由铜和锌组成的合金，常用于制造乐器、装饰品等。

- 不锈钢：由铁、铬、镍等元素组成的合金，广泛应用于建筑、厨具等领域。

- 铝合金：由铝和其他元素组成的合金，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

通过以上对金属及其化合物的详细分析，我们可以更深入地理解这些物质的性质和应用。掌握这些知识不仅有助于我们在考试中取得好成绩，还能帮助我们更好地理解日常生活中接触到的各种金属制品和化学品。