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1、51金属元素第五单元 金属元素51 金属元素概述【知识结构】【考点诠释】1金属的分类 （1）黑色金属：通常指铁，锰、铬及它们的合金（主要指钢铁）。锰和铬主要应用于制合金钢，而钢铁表面常覆盖着一层黑色的四氧化三铁，所以把铁、锰、铬及它们的合金叫做黑色金属。这样分类，主要是从钢铁在国民经济中占有极重要的地位出发的。（2）有色金属：通常是指除黑色金属以外的其他金属。有色金属可分为四类：（1）重金属，如铜、锌、铅、镍等；（2）轻金属，如钠、钙、镁、铝等；（3）贵金属，如金、银、铂、铱等；（4）稀有金属，如锗、铍、镧、铀等。（3）轻金属：密度在4.5 gcm-3以下的金属叫轻金属。例如钠、钾、镁、钙、铝

2、等。周期系中第A、A族均为轻金属。（4）重金属：一般是指密度在4.5 gcm-3以上的金属叫重金属。例如铜、锌、钻、镍、钨、钼、锑、铋、铅、锡、镉、汞等，过渡元素大都属于重金属。（5）贵金属：贵金属通常是指金、银和铂族元素。这些金属在地壳中含量较少，不易开采，价格较贵，所以叫贵金属。这些金属对氧和其他试剂较稳定，金、银常用来制造装饰品和硬币。（6）稀有金属：稀有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。它们难于从原料中提取，在工业上制备及应用较晚。 稀有金属跟普通金属没有严格的界限，如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要多。稀有金属在现代工业中具有重要的意义，往往把黑色金属、有

3、色金属和稀有金属并列为三大类。2金属元素在周期表中的位置和原子结构特点（1）金属元素在周期表中的位置在目前已知的112种元素中，金属元素有90种，集中位于周期表的左、中下方，属于主族元素和过渡元素。 （2）原子结构特征最外层电子数：除锡Sn、锑Sb、铋Bi等少数几种金属的原子最外层电子数大于或等于4以外，绝大多数金属原子的最外层电子数均小于4。价电子排布：主族金属原子的价电子就是最外层电子，电子排布为ns1 或ns2 或ns2 np(1-4)，过渡金属的价电子除了最外层电子，还有部分的次外层电子，电子排布可表示为(n-1)d(1-10) ns(1-2)。如铁原子最外层上只有两个电子，可铁的化合

4、价有+2价和+3价；锰原子的最外层也只有两个电子，但锰的化合价有+2价(MnCl2)、+4价(MnO2)、+6价(K2MnO4)和+7价(KMnO4)等。原子半径：主族金属元素的原子半径均比同周期非金属元素（稀有气体除外）的原子半径大。大于其形成的阳离子半径，如Na半径Na+半径。金属原子形成的阳离子电子层结构通常与上一周期元素的稀有气体元素原子的电子层结构相同，如Na+、Mg2+与Ne；也与上一周期元素的阴离子的电子层结构相同，如Na+、Mg2+与O2、F。3合金及其特性（1）合金概念：两种或两种以上金属(或金属与非金属)熔化而成的具有金属特性的物质叫合金(合金为混合物)。如：钢铁为铁碳合金

5、。（2）合金特性：合金比它的成分金属具有良好的物理和化学等多方面性能。如合金的熔点一般比它的成分金属熔点低，合金适宜铸造；又如硬铝合金的强度和硬度都比纯铝大，几乎相当钢材，且密度小；导电性比纯组分弱，如电缆总是用纯铜或纯铝。4金属之最（1）地壳中含量最高的金属元素铝（2）目前世界年产量最高的金属铁（3）人体中含量最高的金属元素钙（4）导电、导热性最好的金属银（5）硬度最大的金属铬（6）最活泼的金属铯（7）熔点最高的金属钨（8）熔点最低的金属汞（9）密度最大的金属锇（10）密度最小的金属锂（11）展性最好的金属金，延性最好的金属铂（12）海水中储量最大的放射性元素铀5金属的晶体结构和物理性质（1

6、）金属的晶体结构金属元素形成的金属单质，在固态时全是金属晶体。金属的价电子较少，容易失去价电子变成金属阳离子，这些释出的价电子，不专属于那个或那几个指定的金属阳离子，而是整体金属的“集体财富”。它们在整个晶体内自由移动，人称“自由电子”。有人描述金属晶体内的实际情况是“金属阳离子沉浸在自由电子的海洋中”。换言之，在金属晶体中，金属离子好像硬球，一层一层地紧密堆积着。即一个挨一个地堆积在一起，使一定体积的晶体内有最多数目的金属阳离子。金属原子失去的价电子在整个晶体里自由地运动着，金属晶体就是依靠金属阳离子和自由电子间的强烈的相互作用而形成的。（2）金属的物理性质及解释在金属晶体中的“金属离子和自

7、由电子之间存在着的电性作用”有相对强弱之分。一般来说，价电子数越多，原子半径越小，“作用”愈强，其熔沸点相对较高，密度、硬度也相对较大。 金属物理性质的递变同一主族金属元素的原子，价电子数目相同，从上到下随原子序数的递增，电子层数增多，原子半径增大，金属晶体中金属阳离子与自由电子的作用逐渐减弱，因此，它们的熔点逐渐降低，硬度逐渐减小。如：碱金属熔点钠比钾高，硬度钠比钾大。同一周期金属元素的原子的电子层数相同，从左到右随原子序数的递增，价电子数增多，原子半径减小，金属晶体中金属阳离子与自由电子的作用逐渐增强。因此它们的熔点逐渐升高，硬度逐渐增大。如：按钠、镁、铝的顺序熔点依次升高，硬度逐渐增大。

8、 金属的导电性通常情况下，自由电子在金属晶体内部的自由电子在金属内部作无规则的热运动，当金属的两端存在电势差的时候，在电场力的作用下，这些自由电子便作定向的移动，酷似人的定向移动就形成“人流”一样，电子的定向移动也便成了电流。 金属导热性在金属晶体内，自由电子运动时与金属离子相碰撞，引起两者的能量交换，致使整块金属达到了同样的温度，这是金属导热的原因。大多数金属有良好的导电性和导热性，是由于这两种性质都与自由电子有关，所以善于导电的金属也善于导热。常见的几种金属的导电、导热能力由大到小的顺序为：Ag、Cu、Au、Al、Zn、Pt、Sn、Fe、Pb、Hg。 金属延展性金属受外力作用晶体中各层之间

9、发生相对滑动，但金属离子与自由电子间的较强的相互作用仍然存在，也就金属虽发生变形而不致破碎。金属的延性，是指金属可以抽成丝。例如：最细的白金丝直径不过1/5000mm；金属又有展性，指的是可以压成薄片，最薄的金箔，只有1/10000mm厚。延展性最好的金属是金。但也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，没有延展性。 金属的光泽由于金属原子以最紧密状态堆积排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到它的表面时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。而金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅为灰蓝色，是由于它们较易吸收某些频率的光。

10、在粉末状态时，金属的晶面取向杂乱，晶格排列的不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以为黑色。6常见金属单质的化学性质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

11、次减弱。常温时浓硫酸、浓硝酸使铝、铁钝化。能跟浓硫酸、硝酸反应能跟王水反应跟盐的反应要与溶液中水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7常见金属单质的存在和制备方法（1）从金属矿石中提炼金属的步骤第一步：富集。富集矿石，除去杂质，提高矿石中有用成分的含量。第二步：冶炼。利用氧化还原反应原理在一定的条件下，用还原剂把金属离子还原成金属单质第三步：精炼。采用一定的方法，提炼纯金属（2）金属冶炼的原理金属冶炼的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属阳离子得到电子，生成金属的单质：在自然界中，以游离态存在的金属较少，只有一些

12、化学性质不活泼的金属，如银、金、铂等而化学性质比较活泼的金属，总以化合态存在于自然界中。（3）冶炼金属的方法由于金属的化学活动性不同，金属离子得电子还原成金属单质的能力也不相同，因此就要采用不同的冶炼方法常见的冶炼方法有： 热分解法：在金属活动性顺序表中，位于Cu后面的金属氧化物受热易分解。适用于冶炼金属活动性较差的金属，如汞与银2HgO2Hg+O2 2Ag2O4Ag+O2 热还原法：多数金属的冶炼过程属于热还原法。常用的还原剂为焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等，适用于金属活动性介于ZnCu之间的大多数金属的冶炼是用还原剂（如碳、一氧化碳、氢气、铝等）还原金属氧化物如：Fe2O3+3CO2Fe

13、+3CO2 2CuO+C2Cu+CO2 2Al+Cr2O32Cr+2Al2O3 WO3+3H2W+3H2O也可以用活泼金属作还原剂。如用金属Mg作还原剂制铷：2RbCl + MgMgCl2 + 2Rb(g)，用金属Na作还原剂制K：Na(l)KCl(l) NaCl(l)K(g)-Q；此氧化还原反应为可逆过程，尽管还原性NaK，MgCu+FeSO4，所以是活泼金属置换法；B铝热法炼铬，就是用铝还原氧化铬的方法：2Al+Cr2O32Cr+Al2O3，也是活泼金属置换法；C从海水中提炼镁，是从海水中提取无水MgCl2后，电解熔融氯化镁获得镁，是电解法；D火烧孔雀石炼铜，孔雀石的成分为Cu2(OH)2

14、CO3，火烧孔雀石炼铜的反应式为：Cu2(OH)2CO32CuO+CO2+H2O，2CuO+C2Cu+CO2，所以是焦炭法；E用三氧化钨炼钨，是用氢气还原法：WO3+3H2W+3H2O。【正确答案】-D，-C，-A、B，-E。【例3】工业上用铝土矿（主要成分是Al2O3xH2O、Fe2O3、SiO2等）提取纯Al2O3做冶炼铝的原料。提取时操作过程表示如下：（1）写出两处所用试剂的名称 。 （2）写出在在滤液B中加入物质的离子方程式： 。 （3）Al2O3熔点（2045 ）很高，工业上用冰晶石作熔剂，电解熔融的Al2O3，其化学反应方程式是 。某冶炼铝厂以碳为电极电解时，由于温度高，阳极生成的

15、氧气与碳发生反应。当生成54 kg铝时，阳极消耗24 kg碳，则阳极生成的CO和CO2混合气体中，CO与CO2两种气体的分子个数比为 。【考点分析】此题以制取铝为载体，考查如何从铝土矿中提取纯净的氧化铝及制取铝的原理。【思维点悟】（1）铝土矿中含有Fe2O3、SiO2等杂质，加盐酸，SiO2不溶，Al2O3、Fe2O3溶于盐酸：Al2O3+6HCl2AlCl3+3H2O，Fe 2O3+6HCl2FeCl3+3H2O，滤液A中有FeCl3、AlCl3，利用Al(OH)3两性溶于NaOH而Fe (OH)3碱性不溶于NaOH性质，试剂是氢氧化钠，将FeCl3变成Fe (OH)3沉淀，将AlCl3变成

16、NaAlO2溶液，滤液B为NaAlO2溶液。（2）试剂为CO2，反应的离子方程式为：2AlO2+CO2+3H2O2Al(OH)3+CO32 或AlO2+CO2+2H2OAl(OH)3+HCO3。 （3）电解熔融的Al2O3的化学反应方程式是：2Al2O34Al+3O2；54 kg铝失电子为6000mol，设生成COxmol，则生成CO2：24103/12-x=(2103-x)mol，根据电子守恒，碳所失去的电子数应等于铝所得到的电子数,2x+4(2103-x)= 6000，则x=1000，所以CO与CO2两种气体的分子个数比为1：1。【正确答案】（1）过量氢氧化钠 二氧化碳（2）2AlO2+C

17、O2+3H2O2Al(OH)3+CO32 或 AlO2+CO2+2H2OAl(OH)3+HCO3， （3）2Al2O34Al+3O2 1:1【例4】有X、Y、Z三种金属，如果把X和Y分别放入稀硫酸中，X溶解并产生氢气，Y不反应；如果把Y和Z分别放人硝酸银溶液中，过一会儿，在Y表面有银析出，而Z没有变化。根据以上实验事实，判断这三种金属的活动性由强到弱的顺序为 AZ、Y、X BX、Y、Z CY、X、Z DX、Z、Y【考点分析】此题是考查金属活泼性判断的实验方法。【思维点悟】金属越活泼，越易失去电子。根据金属活动性顺序，氢前的金属能与酸发生置换反应，位置在前的金属能把位于其后的金属从其盐溶液中置换

18、出来进行判断。把X、Y分别放在稀硫酸中，Y溶解并产生氢气，X不反应，说明YX；Z的盐溶液不能用X制的容器盛装，说明X的活动性比Z强，X会把Z从其盐溶液中置换出来，所以XZ；综合分析得出，X、Y、Z三种金属的活动性顺序为：YXZ，故选项为B。【正确答案】B【例5】已知粗铜中含有少量Fe、Zn、Ag、Au杂质，用下图装置进行粗铜提纯。（1）电极材料a是 ，b是 ，电解质溶液是 。（2）电极反应式：阳极： 阴极： （3）在阳极附近，有固体沉积在电解槽底，该固体是 ，有何实际应用价值 。（4）工业上电解法精炼铜的生产过程中为了保证精铜的纯度，你认为应采取的措施是： 。【考点分析】此题是利用电解的原理对

19、金属进行精制，考查电解电极反应式的书写，理解金属精制的原理。【思维点悟】（1）电解池的阳极是发生氧化反应，阴极发生还原反应。电解法精炼铜实际上就类同于在阴极上电镀铜，a是阴极，应该是纯铜，b极是阳极，应该是粗铜，电解质溶液应该是可溶性的铜盐溶液。（2）阳极是粗铜电极，是最易失电子的金属首先失电子被氧化：Zn-2eZn2+，依次是：Fe-2eFe2+，再是：Cu-2eCu2+，阴极是溶液中易得电子阳离子得电子被还原：Cu2+2eCu。（3）最终在阴极获得纯铜，阳极金属不断溶解，Fe、Zn变成Zn2+，Fe2+进入溶液，Ag、Au逐渐脱落沉积在阳极底部，将阳极泥加以处理可得到金、银等贵重金属。（4

20、）随着电解的进行，电解液中Zn2+，Fe2+浓度逐渐增加，Cu2+浓度会逐渐降低，因此，要定期更换电解质溶液，并控制电解时的电压和温度在一定范围内。【正确答案】（1）纯铜片 粗铜片 CuSO4(aq)（2）阳极：Zn-2eZn2+，Fe-2eFe2+，Cu2+2eCu。阴极：Cu2+2eCu。（3）银和金 将阳极泥加以处理可得到金、银等贵重金属 （4）控制电解时的电压和温度在一定范围内，定期更换电解质溶液【例6】矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。某化学兴趣小组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还

21、原剂的选择进行了如下探究。（1）提出问题：单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为 为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？（2）猜想与假设：焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全 。（3）进行实验：实验步骤及注意事项如下：称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入下图装置A的试管中；另一份放入下图装置B的玻璃管中。装置A和B两组实验同时开始进行。在装置B的反应中，实验开始前应先 （选填“通CO”或“加热”）；实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是 。（4）实验现象：当装置B的玻璃管中固体完全由 时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），装置A

22、的试管中仍有 。（5）解释与结论：焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。（6）交流与反思：经过查阅资料和讨论，该小组同学发现除了上述原因外，工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其它原因，试写出其中的一个： （7）完善实验：联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO2，将该气体通过下图的检验装置，正确的连接顺序是 （选填字母，装置可重复使用）。经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO2，因此装置A的不足之处是 （8）拓展延伸：乙同学用F图测定铁的相对原子质量，主要实验步骤如下（必要的固定装置已略去）： 连