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第五单元 金属及其化合物(2.1)


2015-11-09 11:13:51   来源:   撰稿:董啸   摄影摄像:    ;  评论:0 点击:

第五单元    金属及其化合物(2.1

 

 

授课人:董 啸

 

①使学生对金属的性质有一个全面的了解。

教学目标:

②使学生掌握镁、铝、铁的单质及化合物的性质。

 

③使学生将元素化合物知识形成网络。

 

 

教学重点:

铝及其化合物的两性、铁的变价及有关化学反应

教学难点:

镁、铝、铁及有关化合物性质及其离子的检验

教学方法:

分析比较法

教学过程:

第一课时

基础知识精析

一、金属概述:

1.分类:

1)按照密度分:轻金属(﹤4.5g/cm3)和重金属(﹥4.5g/cm3

2)按照颜色分:黑色金属(铁、钴、镍等金属)和有色金属(除铁、钴、镍之外的金属)

3)按照含量分:常见金属和稀有金属

2、结构:

大多数金属最外层仅有12个电子,单质以金属键结合形成金属晶体。

3、性质:

1)物理性质:不透明、有金属光泽、易导电导热、有延展性。

2)化学性质:化学反应中只能失去电子,表现出还原性。

4、合金:

1)定义:由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而形成的具有金属特性的物质,叫做合金。

2)性质:合金的熔点比各成分金属低,硬度比各成分金属大。

二、镁和铝的性质

(一)概述

1、物理性质:

共同点:都是银白色的轻金属,有较强的韧性和延展性,有良好的导电和导热性。

不同点:铝的各方面性质都比镁强,因为铝的金属键比镁的金属键强。

2、化学性质:

镁、铝为主族元素,轻金属,能自我保护。在化学反应中易失去电子表现出较强的还原性。

(二)镁及其化合物

1.镁跟非金属或氧化物反应

(1) 常温下氧化生成保护层氧化物,具有抗腐蚀的性质。

(2) 镁可以在O2N2SO2CO2等氧化性气体中燃烧,生成MgOMg3N2MgSC

镁点燃于空气中,MgO2CO2N2反应:

2MgO22MgO  2MgCO2MgOC   3MgN2 Mg3N2

 MgCO2中能够燃烧,所以活泼金属着火不能用干冰灭火器和泡沫灭火器。

(3) 镁也能跟SiO2反应:2MgSiO22MgOSi    

(4) 镁与冷水反应很慢,在加热时反应加快。

Mg2H2OMg(OH)2H2↑ 

2.镁跟酸的反应:与稀盐酸、稀硫酸等非氧化性酸发生置换反应。

Mg2HClMgCl2H2↑ 

3.镁与水解显酸性的盐溶液的反应

3Mg2FeCl36H2O3MgCl22Fe(OH)33H2

Mg2NH4Cl MgCl22NH3­H2

  4.镁盐与氨水反应产生Mg(OH)2沉淀,Mg(OH)2又能溶解在NH4Cl溶液中。

  前者是由Mg(OH)2的特殊溶解性决定。在常见的难溶性氢氧化物中,Mg(OH)2的溶解度最大。故产生Mg(OH)2的条件是:浓的Mg2+ 盐溶液与浓氨水反应。后者是由Mg(OH)2的电离性质和的水解性质决定。通常简单认为Mg(OH)2完全电离,故能溶解在饱和NH4Cl溶液中。

MgCl22NH3·H2OMg(OH)22NH4Cl

5.镁的冶炼:

  海水中提Mg:镁在海水中含量居第三位,总量达2100万亿吨。目前镁世界总产量约300万吨。

  (1) 把从海水提取出食盐、KClBr2以后留下的母液浓缩,就得到卤块,主要成分是MgCl2·6H2O

  (2) 脱水  MgCl2·6H2OMgCl26H2O

  (3) 电解

海水Mg(OH)2 MgOMgCl2Mg

  6.镁的化合物

(1) 氧化镁:白色粉末,高熔点(2800),碱性氧化物,能与酸反应。

MgO2HClMgCl2H2O

(2) 氢氧化镁:白色粉末,难溶于水,与H+作用,与NH4Cl溶液作用,热不稳定性。

Mg(OH)22HClMgCl22H2O    Mg(OH)2MgOH2O↑

(三)铝及其化合物

1.铝跟非金属反应

铝在空气中强热:4Al3O22Al2O3       2AlN22AlN  

铝容易和卤素反应,常温下和氯气激烈化合生成三氯化铝。在高温下也能和硫、氮气、碳直接化合成Al2S3AlNAl4C3(2000)

思考题:铝是活泼金属,为什么铝制品常用来作为各种材料、具有一定的防腐蚀能力?

2.铝跟水反应

常温下不与水反应,铝与沸水反应(但有保护层则不反应。

2Al6H2O2Al(OH)33H2

3.铝与酸反应

(1) 与非氧化性强酸(稀硫酸、盐酸)反应

2Al3H2SO4Al2(SO4)33H2↑    2Al6H+ 2Al3+3H2

(2) 常温下,铝、铁遇浓硫酸、浓硝酸发生钝化。高纯度的铝(含99.950%铝)不与一般酸反应,只溶于王水。

(3)铝与热浓硫酸、浓硝酸反应:

2Al6H2SO4()Al2(SO4)33SO26H2O

  (4) 铝与稀硝酸反应不产生H2     AlHNO3() →

  4.铝与强碱溶液反应

表面氧化膜:Al2O32NaOH2NaAlO2H2

2Al6H2OAl(OH)33H2

Al(OH)3NaOHNaAlO22H2O

总反应2Al2NaOH6H2O 2NaAlO23H24H2O

简化:2Al2NaOH2H2O 2NaAlO23H2

反应中H2O是氧化剂Al是还原剂H2O作氧化剂时,只有氢离子得电子,所以1 mol H2O只能获得1 mol电子所以反应中电子转移的方向和数目可表示为

注意: 在中学化学中,除两个碱Cu(OH)2Ag(NH3)2OH在有机反应中作弱氧化剂外,其余碱都不作氧化剂。

等量的铝与过量的酸或过量的碱溶液反应,产生相同量的氢气。

【方法与技巧】铝与酸、碱反应生成H2的量的关系

铝与酸、碱反应的化学方程式分别为2Al6HCl===2AlCl33H22Al2NaOH2H2O===2NaAlO23H2。从化学方程式可以看出Al与酸、碱反应时生成H2的实质都是AlAl3,所以无论与酸还是与碱反应,AlH2的关系都是2Al3H2

等量铝分别与足量盐酸和氢氧化钠溶液反应,产生氢气体积比11

足量的铝分别与等物质的量的盐酸和氢氧化钠溶液反应,产生氢气的体积比13

一定量的铝分别与一定量的盐酸和氢氧化钠溶液反应,产生氢气的体积比<<,则必定是a.铝与盐酸反应时,铝过量而盐酸不足;b.铝与氢氧化钠反应时,铝不足而氢氧化钠过量。解题时应充分利用上述过量关系。

铝的这种既能与酸(非氧化性酸)又能与强碱反应产生H2的性质常作为推断题的题眼

【思考与交流】

①铝与酸、碱反应的实质是什么?氧化剂是什么?

②等质量的两份铝分别与足量的盐酸、氢氧化钠溶液反应,所得H2的体积之比是多少?为什么?

③足量的两份铝分别投入到等体积、等物质的量浓度的盐酸、氢氧化钠溶液中,产生H2的体积关系是什么?为什么?

足量的两份铝分别投入到等体积、一定物质的量浓度的HClNaOH溶液中,二者产生的H2相等,则HClNaOH的物质的量浓度是什么关系?为什么?

例题1(2011·太原调研)等体积、等物质的量浓度的硫酸、氢氧化钠溶液分别放在甲、乙两烧杯中,各加等质量的铝,生成氢气的体积比为56,则甲、乙两烧杯中的反应情况可能分别是(  )

A.甲、乙中都是铝过量       B.甲中铝过量、乙中碱过量

C.甲中酸过量、乙中铝过量   D.甲中酸过量、乙中碱过量

例题2甲、乙两烧杯中各盛有100 mL 3 mol·L1的盐酸和NaOH溶液,向两烧杯中分别加入等质量的铝粉,反应结束后,测得生成的气体体积比为V()V()12,则加入铝粉的质量为(  )

A5.4 g         B3.6 g        C2.7 g        D1.8 g

5.铝热反应

铝能从许多氧化物中夺氧,所以铝是冶金上常用的还原剂。铝热反应、铝热剂、金属热还原法,用以冶炼NiMnV等难熔金属。

2AlFe2O3Al2O32Fe         10Al3V2O55Al2O36V   

  8Al3Co3O44Al2O39Co        8Al3Fe3O44Al2O39Fe

铝是炼钢的脱氧剂2Al3FeO3FeAl2O3    

深度思考

1铝的化学性质活泼,为什么日常生活中广泛使用的铝制品通常具有较好的抗腐蚀性能?

答案 铝在常温下迅速被氧气氧化,形成一层致密的氧化膜,保护铝不再被氧化,因而铝制品通常具有较强的抗腐蚀性能。

2金属铝是活泼的金属,能与酸反应,为什么能用铝槽储运浓H2SO4或浓HNO3?

答案 常温下浓H2SO4、浓HNO3能使铝钝化(在表面形成一层致密的氧化膜),阻止反应继续进行。

3实验室能否用硫化物与铝盐溶液混合制取Al2S3?用离子方程式说明原因。

答案:不能,Al3S2在水溶液中发生双水解反应:2Al33S26H2O===2Al(OH)33H2S

4Al既能溶于强酸,又能溶于强碱,所以说Al既有金属性,又有非金属性你认为这种说法是否恰当?为什么?

答案:不恰当。金属性是指元素的原子失电子的能力,非金属性是指元素的原子得电子的能力。铝不论是与酸反应还是与碱反应,都是失去3e化合价升高为+3价,均是还原剂,因而铝具有较强的金属性。

题组一 铝的化学性质及应用

 11989年世界卫生组织把铝确定为食品污染源之一,加以控制使用,铝在下列应用时应加以控制的是 (  )

制铝合金 制电线 制炊具 明矾净水 明矾和苏打制食品膨松剂 用氢氧化铝凝胶制胃舒平药品 银色漆颜料 制易拉罐 包装糖果和小食品

A.全部             B③⑤⑧⑨    C⑥⑧⑨         D③④⑤⑥⑧⑨

答案 D 解析:D中所涉及的铝易进入食品、饭、水等,并被人体吸收,所以要加以控制。

2.下列关于铝的叙述中正确的是              (  )

A.铝还原性强且亲氧性强,所以可通过铝热反应冶炼高熔点金属

B.铝在空气中极易锈蚀,所以铝制品的使用时间很短

C.铝能耐稀硫酸腐蚀,所以运送稀硫酸可用铝制槽车

D.铝的导电性比铜、银更强,所以常用以制造电线、电缆

答案 A解析 铝在空气中形成致密的氧化膜,保护内层不被氧化,B错;铝不能耐稀硫酸腐蚀,C错;铝的导电性不如铜、银,D错。

3.常温下把铝粉加入下列物质中,能产生氢气的是 (  )

A.硫酸钠溶液        B.稀硝酸   C.浓硫酸    D.氯化铵溶液

答案 D 解析:硫酸钠溶液呈中性,与Al不反应,A项不能产生H2;稀硝酸具有强氧化性,B项不能产生H2;常温下铝粉在浓硫酸中钝化,C项不能产生H2D项中NH水解,溶液呈酸性,加入铝粉时,AlH反应产生H2

题组二 对比掌握铝、镁的性质

4.镁、铝都是较活泼的金属,下列描述中正确的是 (  )

A.高温下,镁、铝在空气中都有抗腐蚀性

B.镁、铝都能跟稀盐酸、稀硫酸、强碱反应

C.镁在点燃条件下可以与二氧化碳反应,铝在一定条件下可以与氧化铁发生氧化还原反应

D.铝热剂是镁条、铝粉和氧化铁的混合物

答案 C 解析 在常温下,镁和铝在空气里都能与氧气反应,生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,这层氧化物薄膜能够阻止金属的继续氧化,所以镁和铝都有抗腐蚀的性能,但是在高温下能与氧气剧烈反应,放出大量热,A错;镁能跟酸反应,不能跟碱反应,B错;铝热剂是铝粉和氧化铁的混合物。在进行铝热反应时,为了引燃,在铝热剂上放供氧剂(氯酸钾),中间插一根镁条,是引燃用的,D错。

5.将等物质的量的镁和铝混合,取等质量该混合物四份,分别加到足量的下列溶液中,充分反应后,放出氢气最多的是 (  )

A3 mol·L1 HCl                   B4 mol·L1 HNO3

C8 mol·L1 NaOH                      D18 mol·L1 H2SO4

答案 A 解析 在镁、铝混合物中加入HNO3和浓H2SO4都不产生H2;加入NaOH溶液,只有Al与之反应生成H2,而镁不反应;加入盐酸,镁、铝都与盐酸反应生成H2,所以放出H2的量最多。

铝和某些金属氧化物反应,将其从氧化物中置换出来,同时放出大量的热,这种反应称为铝热反应,可用于焊接金属、冶炼高熔点贵重金属。

注意 AlMgO不能发生铝热反应。

题组三 从定性和定量的角度理解铝与酸、碱反应的实质

6.铝是中学化学学习阶段的唯一一种既能与酸(非氧化性酸)反应又能与强碱溶液反应放出H2的金属,就铝的这一特殊性质回答下列问题:

(1)铝与酸、碱反应的实质是什么?氧化剂是什么?

答案 铝与酸、碱反应的实质都是: Al32HH2,只不过碱中的H来源于水的电离,氧化剂分别为酸和水。

(2)区别镁和铝最好的方法是取少量试样,然后             (  )

A.投入沸水中   B.投入冷水中  C.投入盐酸 D.投入NaOH溶液中

答案 D

(3)等质量的两份铝分别与足量的盐酸、氢氧化钠溶液反应,所得H2的体积之比是________

答案 11 解析 根据化学方程式:2Al6HCl===2AlCl33H22Al2NaOH2H2O===2NaAlO23H2AlH2的关系式均为2Al3H2,故只要参加反应的Al相等,所得H2必相等。

(4)足量的两份铝分别投入到等体积、等物质的量浓度的盐酸、氢氧化钠溶液中,产生H2的体积之比是________

答案:13 解析:因为在反应中Al过量,产生的H2HClNaOH的量决定。根据化学反应中的关系式:6HCl3H22NaOH3H2,故当HClNaOH物质的量相等时,二者产生H2的体积比为13

(5)足量的两份铝分别投入到等体积、一定物质的量浓度的HClNaOH溶液中,二者产生的H2相等,则HClNaOH的物质的量浓度之比是________

答案 31

解析:因为铝足量且产生H2相等,根据关系式n(HCl)n(NaOH)31,又因为两溶液体积相等,故物质的量浓度c(HCl)c(NaOH)n(HCl)n(NaOH)31

(6)甲、乙两烧杯中各盛有100 mL 3 mol·L1的盐酸和NaOH溶液,向两烧杯中分别加入等质量的铝粉,反应结束后,测得生成的气体体积比为V()V()12,则加入铝粉的质量为 (  )

A5.4 g             B3.6 g           C2.7 g           D1.8 g

答案 A

解析:其反应原理分别为2Al6HCl===2AlCl33H22Al2NaOH2H2O===2NaAlO23H2。可见当参加反应的HClNaOH的物质的量一样多时,产生H2的体积比是13,而题设条件体积比为12,说明此题投入的铝粉对盐酸来说是过量的,而对于NaOH来说是不足的。

     2Al6HCl   ===   2AlCl33H2

              6 mol                                  3 mol

              3 mol·L1×0.1 L               0.15 mol

AlNaOH反应生成的H20.15 mol×20.3 mol

2Al2NaOH2H2O===2NaAlO23H2

2×27 g                                            3 mol

54 g                                       0.3 mol

即投入的铝粉为5.4 g

    6.铝的化合物

(1) 氧化铝:白色固体,高熔点(2045),难溶于水,两性氧化物。

与酸反应

Al2O36HCl2AlCl33H2O     Al2O33H2SO4Al2(SO4)33H2O

与强碱溶液反应

Al2O32NaOH2NaAlO2H2O

电解氧化铝:2Al2O34Al3O2

(2) 氢氧化铝:白色固体,难溶于水,受热可分解。

与酸反应

  Al(OH)33HClAlCl33H2O            2Al(OH)33H2SO4Al2(SO4)36H2O

  Al(OH)33HNO3Al(NO3)33H2O

与强碱溶液反应

Al(OH)3NaOHNaAlO22H2O    Al(OH)3KOHKAlO22H2O

氢氧化铝的热分解

           2Al(OH)3Al2O33H2

制备方法:

铝盐与氨水反应: Al33NH3·H2O===Al(OH)33NH

NaAlO2溶液中通入足量CO2AlOCO22H2O===Al(OH)3HCO

NaAlO2溶液与AlCl3溶液混合:3AlOAl36H2O===4Al(OH)3

3硫酸铝钾[KAl(SO4)2]

明矾[KAl(SO4)2·12H2O]无色晶体易溶于水

一种复盐KAl(SO4)2 = K+ + Al3+ + SO42—

易水解Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+

主要用途净化水。

7.铝的冶炼:

铝土矿(主要成分Al2O3) Al2O3 Al

  问题:怎样从铝土矿提出纯净的Al2O3?电解Al2O3时为什么加冰晶石?电解中阳极为什么会消耗?

【思维建模】

题组一 Al2O3Al(OH)3溶于酸或碱相关考查

1.将表面已完全钝化的铝条,插入下列溶液中,不会发生反应的是(  )

A.稀硝酸                B.稀盐酸              C.硝酸铜              D.氢氧化钠

答案 C

解析 钝化的实质是FeAl在浓H2SO4或浓HNO3作用下其表面被氧化成一层致密的氧化物保护膜。由于铝的氧化物Al2O3,是一种两性氧化物,既可与强酸反应,又可与强碱反应,故ABD三项皆不符合题意,只有C选项中的Cu(NO3)2不与Al2O3反应,故不可能与钝化的铝条发生反应。

2.铝、氧化铝、氢氧化铝和可溶性铝盐与过量强碱溶液的反应,其生成物有一定的规律,下列说法中正确的是 (  )

A.都有H2O生成                        B.都有H2生成

C.都有AlO生成                              D.都有Al3生成

答案 C

题组二 两性物质及其应用

3.下列物质中既能跟稀硫酸反应,又能跟氢氧化钠溶液反应的是       (  )

NaHCO3 (NH4)2SO3  Al2O3  Al(OH)3    Al

A.全部      B.只有①③④⑤  C.只有③④⑤  D.只有②③④⑤

答案 A

解析 弱酸的酸式盐、弱酸弱碱盐、AlAl2O3Al(OH)3等物质既可与强酸反应又可与强碱反应,故选A

4.小苏打、胃舒平、达喜都是常用的中和胃酸的药物。

(1)小苏打片每片含0.5 g NaHCO3,2片小苏打片和胃酸完全中和,被中和的H____ mol

(2)胃舒平每片含0.245 g Al(OH)3。中和胃酸时,6片小苏打片相当于胃舒平_____片。

(3)达喜的化学成分是铝和镁的碱式盐,其化学式为Al2Mg6(OH)16CO3·4H2O1 mol达喜分别与足量的盐酸和NaOH溶液反应,消耗盐酸和NaOH的物质的量之比为________

答案 (1)0.012  (2)3.8 (3)92

解析 (1)2片小苏打所含NaHCO3的质量为1 g,其物质的量为0.012 mol,由HCOH===CO2H2O,可知n(H)0.012 mol

(2)6片小苏打的物质的量为,即中和的H mol,而每片的Al(OH)3的物质的量为,由Al(OH)33H===Al33H2O,所以Al(OH)3的片数为3.8片。

(3)Al2Mg6(OH)16CO3·4H2O与足量的盐酸反应时,最终产物为AlCl3MgCl2,依据电荷守恒和原子守恒可得如下关系式:

Al2Mg6(OH)16·4H2O2AlCl36MgCl218HCl

因而1 mol达喜消耗HCl的最大物质的量为18 mol。由于Al(OH)3可溶于NaOH,生成NaAlO2Mg(OH)2不溶于NaOH,且溶解度比MgCO3的小,故达喜与足量NaOH反应后的最终产物为NaAlO2Mg(OH)2Na2CO3。依据钠原子守恒可知1 mol达喜消耗NaOH的最大量为4 mol

题组三 关于Al(OH)3的制备的最佳途径

5Al(OH)3是治疗胃酸过多的药物胃舒平的主要成分。某课外兴趣小组用铝、稀硫酸、烧碱为原料,制备一定量的Al(OH)3。他们分别设计了两种实验方案:

方案一:AlAl2(SO4)3Al(OH)3

方案二:AlNaAlO2Al(OH)3

(1)从节约药品的角度思考,你认为哪一种方案较好?_____,方案一和方案二共同存在的问题是________________________________

(2)请用相同的原料设计一个更为节约药品的方案,并写出有关反应的化学方程式:_________________________________________________

答案 (1)方案二较好 第二步操作很难控制试剂用量

(2)2Al3H2SO4===Al2(SO4)33H22Al2NaOH2H2O===2NaAlO23H2Al33AlO6H2O===4Al(OH)3

6若甲、乙、丙三位同学用规定的药品制备Al(OH)3。规定必用的药品如下:350 g 70% H2SO4溶液,NaOH固体240 g,足量铝屑、水(不能用其他药品)

甲、乙、丙用各自设计的方案制得Al(OH)3的质量分别是W1W2W3。三种实验方案如下:

甲:铝NaOH溶液H2SO4溶液W1 g Al(OH)3

乙:铝H2SO4溶液NaOH溶液W2 g Al(OH)3

丙:W3 g Al(OH)3

试回答:(1)从充分利用原料、降低成本和提高产率等因素分析,实验方案最合理的是____

(2)三位学生制得的Al(OH)3W1W2W3其质量由大到小的顺序是_______

(3)制得Al(OH)3的最大质量是________

答案 (1)丙 (2)W3>W1>W2 (3)520 g

【小贴士】既能与强酸反应,又能与强碱反应的物质

(1) 某些金属  如:AlZn

(2) 两性氧化物  如:Al2O3ZnO

(3) 两性氢氧化物  如:Al(OH)3Zn(OH)2

(4) 弱酸的酸式盐  如:NaHCO3NaHSNaHSO3Na2HPO4NaH2PO4

(5) 弱酸的铵盐  如:(NH4)2S(NH4)2CO3(NH4)2SO3NH4HS等。

(6)氨基酸   如:H2NCH2COOH

〖教后记〗

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