第2课时 教学设计 三维目标 知识和技能 （1）掌握金属单质（铁）的化学性质。 （2）掌握铁的化合物的性质。 过程和方法 采用图表、比较、讨论、归纳、综合的方法进行教学。 情感、态度和价值观 （1）培养学生分析、归纳、综合的能力。 （2）通过教学培养学生的社会责任感、社会活动能力和互助合作能力。 教学重点 金属单质（钠、镁、铝）及其化合物的化学性质 教学难点 化合物之间的相互转化关系及应用 教具准备 多媒体投影、AlCl3、Al2（SO4）3、FeCl3、Fe2（SO4）3、浑浊水 课时安排 1课时 教学过程 导入新课 上节课我们复习了镁、铝及其化合物的性质，本节课将继续复习铁及铁的化合物的性质。 推进新课 [板书]三、铁及铁的化合物 1.铁是较活泼的金属，具有金属的通性，可以和氧气及其他非金属、水蒸气、酸、某些盐反应。 练习：写出铁与氧气、水蒸气、盐、酸、CuSO4溶液反应的化学反应方程式。 2.铁的化合物 Fe2+和Fe3+的性质 练习：填写下列表格(浅色处留空白由学生填写) 学生讨论填写：
3.铁化合物和亚铁化合物间的相互转化 师：铁的盐类有亚铁盐（溶液常显浅绿色）和铁盐（溶液常显黄色）。Fe3+有一定的氧化性，在某些还原剂作用下，可以被还原成Fe2+；Fe2+有一定的还原性，在某些氧化剂作用下，可以被氧化成Fe3+。 FeCl3被还原： 2FeCl3+2HI====2FeCl2+I2+2HCl 2FeCl3+H2S====2FeCl2+S↓+2HCl 2FeCl3+Cu====2FeCl2+CuCl2 FeCl2被氧化: 2Fe2++Cl2====2Fe3++2Cl－ 4Fe2++O2+4H+====4Fe3++2H2O 4.铁的氢氧化物 师：氢氧化亚铁和氢氧化铁都是不溶于水的碱，它们可用相应的可溶性的盐分别跟碱溶液反应而制得。反应的离子方程式： Fe2++2OH－====Fe(OH)2↓，Fe3++3OH－====Fe(OH)3↓ 氢氧化亚铁在空气里很快被氧化，由开始析出的白色胶状沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色的Fe(OH)3，化学方程式：4Fe(OH)2+2H2O+O2====4Fe(OH)3 Fe3+的检验 师：利用无色的SCN―跟Fe3+反应，生成血红色的络离子。离子方程式为Fe3++SCN-====［Fe（SCN）］2+ ［例题剖析］ （例1）提示：某些金属氧化物跟熔融烧碱反应可生成盐。根据以下化学反应框图填空： （1）单质F是__________________。
（2）写出由E生成G的离子反应方程式______________________。 （3）溶液I中所含金属离子是_____________。 （4）由CE+F若改用浓酸，则不能选用的浓酸是（写化学式）_____________。 分析：本题考查的知识点：Fe及其化合物的性质，Al与烧碱的反应，离子方程式的书写，解题时注意到G是红褐色沉淀，可判断出G为Fe（OH）3，由此逆推即可。粉状单质B能与强碱反应生成单质F，判断B可能为Al，再进行确定其他物质。 答案：（1）H2 （2）Fe2++2NH3·H2O====Fe(OH)2↓ +2NH+4，4Fe(OH)2+O2+2H2O====4Fe(OH)3 (3)Al3+和Na+ （4）H2SO4或HNO3 教师精讲：
（例2）将6 g纯铁粉加入200 mL Fe2(SO4)3和CuSO4的混合液中充分反应，得到200 mL 0.5 mol ·L-1FeSO4溶液和5.2 g固体沉淀物。计算： （1）反应后生成Cu多少克？ （2）加入铁粉前，Fe2(SO4)3溶液的浓度。 分析：本题考查的知识点是Fe3+、Cu2+分别与Fe的反应，浓度的计算，化学方程式的计算。 教师精讲：由题意可知，反应后有5.2 g固体沉淀，不外乎是Fe、Cu或其混合物，说明Fe2(SO4)3全部参加反应，且有Cu析出。 设Fe2(SO4)3的物质的量为x、析出Cu的物质的量为y。 2Fe3++Fe====3Fe2+ Fe+Cu2+====Fe2++Cu 2x x 3x y y y y
所以：c〔Fe2(SO4)3〕=
=0.1 mol·L-1 m(Cu)=64 g· mol-1 ×0.04 mol =2.56 g 答案：反应后生成Cu 2.56 g，加入铁粉前，Fe2(SO4)3溶液的浓度为0.1 mol ·L-1。 板书设计
备课资料 (一)钛 中国钛工业的现状及未来 1.发展史 钛元素发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在实验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。 中国钛工业起步于20世纪50年代。1954年北京有色金属研究总院开始进行海绵钛制备工艺研究，1956年国家把钛当作战略金属列入了12年发展规划，1958年在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验，成立了中国第一个海绵钛生产车间，同时在沈阳有色金属加工厂成立了中国第一个钛加工材生产试验车间。20世纪60~70年代，在国家的统一规划下，先后建设了以遵义钛厂为代表的10余家海绵钛生产单位，建设了以宝鸡有色金属加工厂为代表的数家钛材加工单位，同时也形成了以北京有色金属研究总院为代表的科研力量，成为继美国、前苏联和日本之后的第四个具有完整钛工业体系的国家。1980年前后，我国海绵钛产量达到2800吨，然而由于当时大多数人对钛金属认识不足，钛材的高价格也限制了钛的应用，钛加工材的产量仅200吨左右，我国钛工业陷入困境。在这种情况下，由当时国务院副总理方毅同志倡导，朱镕基和袁宝华同志支持，于1982年7月成立了跨部委的全国钛应用推广领导小组，专门协调钛工业的发展事宜，促成了20世纪80年代至90年代初期我国海绵钛和钛加工材产销两旺、钛工业快速平稳发展的良好局面。综上所述，我国钛工业大致经历了三个发展期：即20世纪50年代的开创期，60~70年代的建设期和80~90年代的初步发展期。在新世纪，得益于国民经济的持续、快速发展，我国钛工业也进入了一个快速成长期。 2.规模及布局 （1）海绵钛的产能及产量 截止到2003年底，我国海绵钛的年产能为4 000吨，其中遵义钛厂3 000吨，抚顺钛厂1 000吨。由于近年来我国持续发展的国民经济对钛材的需求旺盛，上述两厂均能满负荷生产，2003年的总产量也是4 000余吨。 （2）钛加工材的产能及产量 钛加工的产能主要决定于钛锭的生产能力。2003年底，我国约有60台真空自耗电弧炉用于钛锭的生产。其中宝鸡有色金属加工厂有10吨炉、6吨炉各一台，3吨炉、1吨炉各两台，形成了年产6 000吨钛锭的生产能力。上海五钢特冶公司有15吨炉、10吨炉、5吨炉各一台，小炉子两台，大体形成了年产5 000吨钛锭的能力。沈阳有色金属加工厂有5台1.5吨以下真空自耗电弧炉，具有年产600吨钛锭的能力；这三家共有11 600吨钛锭的年产能。其余44台大多为 500 ～1 000 kg级的真空自耗电弧炉，平均以每台200 t/a的产能计，可形成8 800 t/a的产能。这样，我国基本具有了20 000 t/a的钛锭生产能力。以70%可转化成钛材计，基本具有了14 000 t/a的生产能力。据初步统计，2003年我国实际生产钛材约6 000吨，占世界总产量的10%左右。 （3）钛设备加工 近年来，我国化工、冶金、电力、真空制盐、生物制药等领域对钛质设备的需求旺盛。2002年、2003年都以30%以上的速度增加。2003年，估计有20家左右钛设备制造企业的产值在千万元以上，其中南京宝色钛业公司的钛设备生产产值达到1.7个亿，比去年增加约40%，宝鸡有色金属加工厂的产值也近亿元。 （4）产业布局 目前，我国钛加工及其制造业在地理上大体上存在三个比较集中的区域。 以宝鸡为中心的西北地区。这个地区以宝鸡有色金属加工厂及其控股的宝鸡钛业有限股份公司为龙头，形成了我国专业化程度最高、加工设备最系统化、产品规格最多的钛加工及其制造业基地。 以沈阳有色金属加工厂、抚顺特钢板材有限责任公司、沈阳东方钛业有限公司等单位为主形成了东北钛加工及设备制造集团，该地区中小企业多，钛设备制造颇为活跃。 以宝钢集团上海五钢有限公司、南京宝色钛业公司、张家港市宏大钢管厂等单位为主形成了长江三角洲钛加工及其设备制造集团。该集团便捷的市场、开放的理念是其优势，很具发展潜力。 (二)钠 金属钠有相当大的一部分用于制造一种抗爆剂——四乙基铅，它能降低汽油的爆震性，减少在汽油发动机中使用汽油时发生的噪音。四乙基铅通常是使氯乙烷跟金属钠和铅的合金(钠铅齐)反应而制成的。 4C2H5Cl＋4Na＋Pb====(C2H5)4Pb＋4NaCl 金属钠能从钛、锆、铌、钽等金属元素的化合物中把它们置换出来。例如：铌和钽通常是共生在某一种矿物内，一般是先分离它们的氟化物，然后再用金属钠置换出铌和钽。 NbF5＋5Na====Nb＋5NaF TaF5＋5Na====Ta＋5NaF 钠还用于制造过氧化钠等化合物。 钠和钾组成的合金在常温时是液体，用于快中子增殖反应堆作热交换流体。下面列出几种钠钾合金的熔点。 钠钾熔点 钠 钾 熔点/℃  20％ 80％ -10  22％ 78％ -11  24％ 76％ -3.5  40％ 60％ 5   高压钠灯现在已大量应用于道路和广场的照明。由于它不降低照度水平而又能减少能源消耗，所以有取代高压汞灯的趋势。早在1950年就在实验室中解决了钠蒸气的气体放电发光问题，但由于需要解决在高温高压下钠蒸气有很强的腐蚀性的问题，直到1965年才制出了第一只高压钠灯。高压钠灯虽问世较晚，但发展很快。 钠灯也可用于洗相的暗室，因为这种黄光不会使相纸曝光。 碱金属的氢化物 碱金属跟卤素起反应，生成碱金属的卤化物，它们都是离子化合物。在反应中，碱金属的原子失去1个电子，卤素的原子得到1个电子，形成最外层为8个电子的稳定结构。我们知道，像氦原子那样最外电子层是K层，只要有2个电子，就形成了稳定结构。那么，由此可以推理，K层只有1个电子的氢原子，是否也可以因得到1个电子而形成最外电子层的稳定结构呢？ 事实正是如此，当碱金属跟氢气发生反应时，就生成碱金属的氢化物，它们都是离子化合物，其中氢以阴离子H-的形式存在，氢显-1价。它们的结构可以用电子式表示如下： 电子式Li+[∶H]- Na+[∶H]- K+[∶H]- Rb+[∶H]- Cs+[∶H]- 碱金属的氢化物 LiH NaH KH RbH CsH 氢化物中的氢跟卤化物中的卤素，在原子结构上有一些相似的地方，因为它们都得到1个电子而形成阴离子。由此也可以说，氢元素在一定程度上有着类似卤素的性质。当然，氢没有卤素那样活泼，它接受电子的能力也比卤素弱，因此成为阴离子的倾向也比较弱。在这里，试比较氢和卤素中的溴在接受电子以后的能量变化。 从Br2变成Br-是放热的，从H2变成H-是吸热的，所以只有很活泼的金属，如碱金属和碱土金属才能跟氢生成离子型的氢化物，如NaH、CaH2等。 碱金属的氢化物是强还原剂，用于有机合成，制备碱金属的硼氢化物(如NaBH4)、铝氢化物(如NaAlH4)等。钢制品的除锈可以用氢化钠，即把钢制品浸在NaH的质量分数为2％的熔融NaOH槽中，铁锈因被还原为铁而除去。LiH是一种氢气发生剂，用于军事上或其他需要氢气的场合。LiH＋H2O====LiOH＋H2↑ 碱金属氢化物的制法通常是使碱金属跟氢气直接反应。氢化锂是由熔融的锂跟氢气直接反应而生成的。2Li＋H2====2LiH 生成的物质必须保存在惰性的气体中，以避免着火。熔融钠在100～110 ℃开始吸收氢气，到300～400 ℃时反应较快。氢化钠在钠的表面上形成，这层氢化钠阻止了反应的继续进行。生产上，使金属钠分散在高熔点的烃类里或跟熔融的氯化钠混合，以保证钠跟氢气的接触。碱金属的氢化物是一类相当重要的化合物，限于篇幅，课本没有讲述，这里提供一些有关的结构、性质、制法和它们在现代工业和科技方面的用途，以供参考。 （三）铝 1.地球上最多的金属——铝 许多人常常以为铁是地壳中最多的金属。其实，地壳中最多的金属是铝，其次才是铁。铝占整个地壳总重量的7.45％，差不多比铁多一倍！地球上到处都有铝的化合物，像最普通的泥土中，就含有许多氧化铝。说了这么多，铝到底是一种什么样的金属呢？ 铝：一种化学元素，化学符号Al，原子序数13，相对原子质量26.981 539，属第三周期ⅢA族。铝是一种银白色的轻金属，纯净的铝很软，可以压成很薄的箔，现在包糖果、香烟的“银纸”，其实大都是铝箔。在生活中，我们到处都可以看到铝的“影子”。我们平常使用的硬币，是铝制的；在厨房里，我们还可以看到铝锅、铝盆、铝勺……然而，在一百多年前，铝却被认为是一种稀罕的贵金属，价格比黄金还贵，甚至还被列为“稀有金属”之一。真是怪事，铝怎么比金子还贵？这件事说起来也不奇怪。因为铝的价值贵贱，完全取决于炼铝工业的水平。在一百多年前，人们用钠还原法来制造铝，当时钠的价格十分昂贵，所以铝的价格就更加贵了。据说有一次法国皇帝拿破仑三世举行了一次宫廷宴会，来宾都用金碗喝酒，唯独皇帝一人在用铝碗，来宾都对皇帝的铝碗羡慕不已。然而到了19世纪末，人们发明了大量生产铝的方法，这时铝的价格一下子跌了许多，人们才开始普遍使用铝制产品。 发现：1825年丹麦H.C.奥斯特用无水三氯化铝与钾汞齐作用，并蒸掉汞后得到金属铝。1854年H.S.C.德维尔用金属钠还原氯化钠和氯化铝的熔盐,制得金属铝,并在1855年的巴黎博览会上展示。1886年C.M.霍尔和P.L.T.埃鲁分别发明了电解氧化铝和冰晶石的熔盐制铝法，使铝的价格大降，成为可供实用的金属。 存在：铝在地壳中的含量为8％,仅次于氧和硅。它广泛分布于岩石、泥土和动植物体内。岩石中的铝主要以硅酸铝形式存在。岩石风化时，硅酸铝沉积为黏土矿或脱水成铝土矿。刚玉是纯的结晶氧化铝，含铝矿石还有明矾、冰晶石等。 物理性质：铝为银白色的轻金属;熔点660.37 ℃,沸点2 467 ℃,相对密度2.702。铝为面心立方结构。纯铝较软，其强度依赖于它的纯度。铝具有良好的延展性。硅、铜、铁、锌、锡、镁、锰等金属易溶于熔融铝中形成相应的合金；氢是能溶于铝中的唯一气体，其溶解度随温度升高而增大，但在金属凝结时接近于零。铝具有良好的导电性和导热性。纯铝的电导率是退火铜的64％。温度在50 K以下时电阻率小于极纯的铜和银,在1.2 K以下可变为超导体。 化学性质：铝在化合物中通常表现为＋3价氧化态,在高温时有＋1价氧化态。铝是活泼金属，常温下，在干燥空气中铝的表面立即形成厚度约为50埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水的腐蚀，这层氧化膜可吸着染料而使铝着色，还可在硼酸、磷酸中借阳极氧化而加厚，以提高其耐腐蚀性。但细粉状的铝与空气混合则极易燃烧。铝与氧化合时的生成热很高；在高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属。铝还能与卤素、硫、氮、磷和碳等作用。熔融的铝能与水猛烈反应，生成氢氧化铝和氢。铝是两性的，既易溶于强碱形成铝酸盐和氢，也能溶于稀酸，生成相应的铝盐和氢。 但铝的纯度越高,与酸的反应越慢，99.95％以上的纯铝只溶于王水，在冷的浓硫酸和浓硝酸中铝表面被钝化。 制法：现代电解铝的方法是将氧化铝溶解于冰晶石（作为电解质）中,以钢制电解槽的石墨衬里为阴极,石墨棒为阳极，在约1 000 ℃进行电解，在阴极得到液态的金属铝，纯度可达99.8％。 铝的性质与用途的关系： 物质的用途决定于物质的性质。由于铝有多种优良性能，因而铝有着极为广泛的用途。下面介绍铝在几个方面的用途。 (1)铝的密度小(仅为2.7 g·cm-3)，虽然比较软，但可制成各种铝合金(如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等)，广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，导弹、宇宙火箭、人造卫星也使用大量的铝及其合金。例如，一架超音速飞机约由70％的铝及其合金构成。每枚导弹的用铝量约占总重量的10％～15％。据报道，国外已铺设有铝质的火车轨道，其耗电量比普通铁轨节省一半。船舶建造中也大量使用铝，一艘大型客船(15 000 t)，用铝量达2 000 t。 (2)铝的导电性仅次于银、铜，虽然它的导电率为铜的2／3，但密度只有铜的1／3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。 (3)铝是热的良导体(比铁的导热能力大3倍)，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。 (4)铝有较好的延展性(仅次于金和银)，在100～150 ℃时可制成薄于0.01 mm的铝箔，广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制各种铝制品。 (5)铝的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油精炼装置、液态天然气的输送管道等。 (6)铝粉具有银白色光泽(一般金属在粉末状时的颜色多为黑色)，常用来作涂料(俗称银粉、银漆)，保护铁制品不被腐蚀，而且美观。 (7)铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物,如铵铝炸药(由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其他可燃性有机物混合而成)、燃烧混合物(如用铅热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸钡68％、铝粉28%、虫胶4%)。 (8)铝热剂常用来熔炼难熔金属和焊接钢轨等。铝还用作炼钢过程中的脱氧剂。铝粉和石墨、二氧化钛(或其他高熔点金属的氧化物)按一定比率均匀混合后，涂在金属上，经高温煅烧而制成耐高温的金属陶瓷，它在火箭及导弹技术上有重要应用。 (9)铝板对光的反射性能也很好，反射紫外线比银还强，铝愈纯，其反射能力愈好,常用来制造高质量的反射镜，如太阳灶反射镜等。 (10)铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝。 将来的人造小月亮：月亮也可以用人工制造吗？是的。月亮本身不会发光，但它能把太阳光反射到地球上来，所以在晚上我们看见月亮是亮的。如果人类能制造出一个非常巨大的圆盘，把它放在天空，那就会是一个人造小月亮。那么用什么东西来制造这个圆盘呢？重要的是这种东西要有良好的反射光线的能力，要不然，圆盘制好后也只是一件废物。铝能够满足这个要求。铝的反射能力比银还强，它常被用来制作高质量的反射镜。只要人们制作一个面积达几十平方千米的巨大的反射镜，并在镜面镀一层铝，把它发射到天空，人造小月亮做成了。通过它把太阳光反射给地球，可以使地面上夜晚的亮度为农历十五晚上月亮的10～100倍，人们到时可以不用照明灯，直接在室外读书写字、娱乐和工作。 为什么很多厨具是铝的？ 在厨房里我们经常可以看到很多铝制的东西，比如铝锅啦、铝盆、铝勺等等，为什么不用其他金属来制作这些东西呢？ 这是因为铝制品很耐用。铝本来是银白色的，可是铝制品用不了多久，表面就变得白蒙蒙的，这是什么缘故呢？原来铝生锈了，铝的表面与空气中的氧发生反应，生成了一层薄薄的氧化铝，这层氧化铝别看很薄，却“天衣无缝”，它紧紧地贴在铝的表面，防止里面的铝继续和氧反应。这层氧化铝不怕水浸，不怕火烧，很难锈蚀。对于里面的铝来说，它是一件十分耐用的“外套”。如果换用金属铁，这些东西的寿命就会大大缩短。有人会问，金属铁不是也有一层“外衣”吗，怎么会用不久呢？原来，金属铁的“外衣”和铝的不一样。铝的“外衣”很细密，空气、水都钻不进去，而铁的“外衣”却布满了小孔，空气和水很容易就钻了进去，所以铁制品会一直生锈下去，直到整个东西变成了废品。然而，在厨房里我们也会看到一些铁制的东西，这又怎么解释呢？ 说来也很简单，这些东西已经不是纯粹的铁制品了，人们往铁中加入了一些其他的金属，使得铁不会在空气中生锈，所以就可以用它来制造东西。但是这样一来，这些东西比铝制品要贵好多，因而在生活中人们用的很多厨具是铝的。 2.铝合金 铝是一种轻金属,密度小(2.79 g·cm-3), 具有良好的强度和塑性，铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度可达600 MPa，普通硬铝合金的抗拉强度也达200~450 MPa，它的比刚度远高于钢，因此在机械制造中得到广泛的运用。铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，用于制造各种导线。铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金，可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。 （1）纯铝产品 纯铝分冶炼品和压力加工品两类，前者以化学成分Al表示，后者用汉语拼音LG（铝、工业用的）表示。 （2）压力加工铝合金 铝合金压力加工产品分为防锈（LF）、硬质（LY）、锻造（LD）、超硬（LC）、包覆（LB）、特殊（LT）及钎焊（LQ）等七类。常用铝合金材料的状态为退火（M焖火）、硬化（Y）、热轧（R）等三种。 （3）铝材 铝和铝合金经加工成一定形状的材料统称铝材，包括板、带、箔、管、棒、线、型等。 （4）铸造铝合金 铸造铝合金（ZL）按成分中铝以外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四类，代号编码分别为100、200、300、400。 （5）高强度铝合金 高强度铝合金指其抗拉强度大于480 MPa的铝合金，主要是压力加工铝合金中硬铝合金类、超硬铝合金类和铸造合金类。 3.氢氧化铝 (1)氢氧化铝为什么具有两性? 凡是在水溶液中既能电离出H+，又能电离出OH-的氢氧化物，叫两性氢氧化物。氢氧化铝就是两性氢氧化物，它在水溶液中可以按下列两种形式电离： Al3+＋3OH-====Al(OH)3====H++
+H2O (碱式电离） (酸式电离) 其他如Zn(OH)2、Cr(OH)3、Pb(OH)2、Sn(OH)2等也都是两性氢氧化物。 两性氢氧化物的这种性质跟它们的结构有关。如用E表示某一种元素，它可按下列两式进行电离： EOH====E++OH- EOH====EO-+H+ 也就是说E—O和O—H都是极性键，都有因极性溶剂的作用而断裂的可能。对于某一元素的氢氧化物在水中究竟进行酸式电离还是碱式电离，要看E—O和O—H两个键的相对强弱。如E—O键较弱时，就进行碱式电离；如O—H键较弱时，就进行酸式电离。而这两个键的相对强弱，决定于某元素离子En+和氢离子(H+)对氧离子(O2-)的吸引力的相对强弱。 如果En+对O2-的吸引力强，O—H键断裂，即酸式电离的趋势大；如果H+对O2-的吸引力强，E—O键断裂，即碱式电离趋势大。从静电引力考虑，En+对O2-的吸引力的大小，跟元素的离子半径及电荷数有关。一般地说，元素的离子半径愈小，离子的正电荷数愈大，那么En+对O2-的吸引力愈强，就呈酸式电离。反之，吸引力弱，呈碱式电离。如果离子半径较小(不是很小)，离子电荷较大(不是很大)时，E—O键和O—H键的相对强弱接近相等。即En+对O2-的吸引力接近相等，这时，EOH就既可能呈酸式电离，又可能呈碱式电离，这就是两性氢氧化物在水溶液里发生两种形式电离的原因。 现以元素周期表中第三周期元素为例说明如下： Na Mg Al Si P S Cl  离子正电荷数 1 2 3 4 5 6 7  离子半径／nm 0.095 0.065 0.051 0.041 0.034 0.029 0.027   对于Na和Mg的氢氧化物来说，因Na+和Mg2+的正电荷数少，离子半径大，所以Na—O键和Mg—O键较弱，NaOH和Mg(OH)2都呈碱式电离，它们都是碱。又因为Mg2+的正电荷数比Na+多，离子半径比Na+小，所以Mg—O键比Na—O键强，因此，Mg(OH)2的碱性比NaOH弱。对于非金属元素Si、P、S、Cl的“氢氧化物”，因非金属元素E所带的正电荷数多(Si、P、S、Cl分别为+4、+5、+6、+7)，它们的半径又小，所以E—O键较强，O—H键较弱。因而这些“氢氧化物”都呈酸式电离，且随着E的电荷数增大，半径减小的顺序，H2SiO3、H3PO4、H2SO4、HClO4的酸性逐渐增强。铝离子的电荷数和离子半径都介于Mg和Si之间，所以Al(OH)3在水中既能按酸式电离，又能按碱式电离，但它的酸性和碱性都很弱。 此外,由于铝原子数少于价电子层轨道数，所以有空轨道，可以形成受电子配位键。因此，Al(OH)3在水溶液中的酸式电离过程，严格地讲，不是失去H+，而是加上1个OH-，其过程如下式所示： Al(OH)3+2H2O====H3O++
（2）氢氧化铝能否溶于氨水? Al2O3的水合物一般都称为氢氧化铝。它们的存在形式有多种，如一水合物、二水合物和三水合物等。向硫酸铝溶液里滴加氨水时生成白色胶状氢氧化铝沉淀，是因为氢氧化铝的含水量不定，所以组成不均匀，无定形。但无定形水合氧化铝在溶液中经静置后会逐渐转变为结晶的偏氢氧化铝AlO(OH)，温度越高，这种转变越快。因此当硫酸铝溶液沸腾时加入氨水，它的产物就和常温时不一样，得到的是一种结晶(也称为水铝石)形式的AlO(OH)。 氢氧化铝是一种两性化合物，是一种弱碱，也可以作为一种极弱的酸来看待。 Al(OH)3====HAlO2 +H2O HAlO2====H++
(pKa=12.2) 当氢氧化铝与碱作用时，会因生成偏铝酸盐而溶解。 Al(OH)3+OH-====
+2H2 O
=K=
=63 市售氨水的浓度约为15 mol·L-1(含氨约25％，20 ℃时密度为0.9 g·cm-3)，其中 c(OH-)可通过如下计算来求得： NH3·H2 O====
+OH-
=K=
=1.8×10-5 c2(OH-)=15×1.8×10-5=2.7×10-4 c(OH-)=1.6×10-2 mol·L-1 在该浓度的氨水中，每升所溶解Al(OH)3的质量，可通过下式计算： Al(OH)3+ OH-====
+ 2H2 O K=
=63 溶解前 1.6×10-2 mol·L-1 溶解后1.6×10-2 mol·L-1
=63 c(
)=1.57×10-2 mol·L-1 m〔Al(OH)3〕=c(
)·V(
)·M〔Al(OH)3〕=1.57×10-2 mol·L-1×1 L×78 g· mol-1=1.2 g 由上述计算得知，氢氧化铝能微溶于氨水中，即使氨水的浓度降为6 mol·L-1，每100 g该氨水所溶解Al(OH)3的质量也能达到通常所说的微溶标准。 对于强碱(NaOH)，其水溶液中的OH-的物质的量浓度远远大于氨水的，所以Al(OH)3在其中的溶解度要大得多。 当氨水中有铵盐存在时，由于同离子效应，c(OH-)降低，该溶液溶解Al(OH)3的能力也明显减弱。例如，向Al2(SO4)3溶液里滴加氨水，在产生Al(OH)3的同时，也产生铵盐(NH4)2SO4。它对氨水的电离有抑制作用，所以产物Al(OH)3就难溶于该溶液的过剩氨水中。 4.明矾的净水作用 天然水中常含有很多细小的悬浮物(细菌、藻类、原生动物、泥沙、黏土及其他不溶性物质)、胶体物质(如腐殖质胶体等)和一些可溶性的盐类、气体等。在除去悬浮物时，常用明矾或硫酸铝等凝聚剂，使这些杂质聚集起来，形成较大的颗粒而沉淀。 明矾〔KAl(SO4)2·12H2O〕是硫酸钾和硫酸铝的复盐，它的凝聚作用主要是由Al2(SO4)3产生的。当明矾溶于水后，Al2(SO4)3因水解作用而产生Al(OH)3。 Al2(SO4)3 + 6H2O====2Al(OH)3+3H2 SO4 或Al3++3H2O====Al(OH)3+3H+ 硫酸铝还会和水中含有的碳酸氢钙作用，生成氢氧化铝和硫酸钙。 Al2(SO4)3+ 3Ca(HCO3)2====3CaSO4+2Al(OH)3 ↓+6CO2↑ 天然水中的那些杂质，大部分都是带负电荷的胶粒，而氢氧化铝胶粒是带正电荷的，因此，带正电荷的氢氧化铝胶粒能中和水中胶状杂质所带的负电荷，于是这些杂质很快地就会跟氢氧化铝絮状物一起凝聚而下沉。 由于明矾中的K2SO4对净化水不起作用，而K2SO4又是一种原料，因此，现在一般都改用硫酸铝作净水的凝聚剂。工业上使用的净水凝聚剂，除硫酸铝外，还有氯化铝、氯化铁、硫酸铁等。 用明矾净水，只能除去水中的悬浮杂质，对溶解在水中的大部分盐类则不能除去。 （四）铁 1.铁 （1）资源状况 截至1996年底，全国共查明铁矿产地1 834处。累计探明铁矿石储量(A+B+C+D级)504.78亿吨，按全国铁矿石平均含铁品位33%计算，铁金属量为166.58亿吨。扣除历年开采与损失，尚保有铁矿石储量(A+B+C+D级)463.47亿吨，铁金属152.95亿吨，其中A+B+C级铁矿石储量222.09亿吨，铁金属为73.29亿吨，D级铁矿石储量241.38亿吨，铁金属为79.66亿吨。 从1955年到1995年我国铁矿保有储量整整增长了10倍。 根据80年代中期地质科研部门对我国铁矿资源的预测,将全国大陆划分为17个预测区，共有有望航磁异常区1 084处，预测资源潜力606亿吨。其中11个预测区分布在东经105°线以东地区，有望航磁异常区754处，预测资源潜力为317亿吨，东部地区找矿程度较高，预测资源多以隐伏矿或盲矿体分布在已知矿带的深部和周边部。东经105°线以西地区，包括6个预测区，有望航磁异常区330处，预测资源潜力为289亿吨，西部地区找矿和研究工作程度较低或很低，尚有发现新矿区的前景。 据美国地质调查所和矿业局1996年1月的统计，世界铁矿石资源量超过8 000亿吨，折合金属量超过2 300亿吨。1995年世界铁矿石储量1 500亿吨，储量基础2 300亿吨，折合铁金属量分别为650亿吨、1 000亿吨(表3.2.5)。若以我国A+B+C级储量与世界各国储量基础比较，我国铁金属储量73.29亿吨，应在俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西之后居世界第5位。 （2）地理分布 截至1996年底，全国共查明铁矿产地1 834处，分布于全国29个省、市、自治区的660多个县(旗)，主要集中在辽宁(111.81亿吨)、四川(53.32亿吨)、河北(62.36亿吨)3省，共计保有铁矿石储量227.49亿吨，占全国总保有铁矿石储量的49.08%；其次，储量超过10亿吨的有北京、山西、内蒙古、山东、河南、湖北、云南、安徽等8个省、市、自治区，储量合计为160.88亿吨，占全国总保有铁矿石储量的34.71%；再是储量不足10亿吨的有吉林、黑龙江、上海、江苏、浙江、福建、江西、湖南、广东、广西、海南、贵州、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆等18个省、市、自治区，储量合计为75.10亿吨，占全国总保有铁矿石储量的16.21%；上海、宁夏为最少，只有几百万吨。 现有铁矿石储量超过10亿吨的有：辽宁鞍山—本溪(106.5亿吨)、四川攀枝花—西昌(51.6亿吨)、冀东—北京(58.1亿吨)、山西五台—岚县(30.8亿吨)、宁(南京)芜(湖)—庐(江)枞(阳)(21.4亿吨)、内蒙古包头—白云鄂博(16.3亿吨)、云南惠民(11.2亿吨)、皖西霍邱(10.2亿吨)、鲁中(10.1亿吨)等9个地区；储量在5～10亿吨之间的有鄂东、鄂西、河北邯郸、邢台、滇中、甘肃酒泉、河南舞阳—许昌、江西新余—吉安、闽南等地区。上述17个地区经过40多年的开发建设，除惠民、鄂西、霍邱几个区因矿床自身特点和外部条件的影响，目前尚未开发利用外，均已成为我国主要的铁矿石原料供应基地。 2.钢的家族 现代社会，由于各种领域需要有各种不同的能适应特定环境和状态的钢产品，这就促使人们去生产各种具有不同特性、不同用途的合金钢，人们一般把它们叫做特种钢。通常我们使用的金属材料大都不是纯金属，而是一种金属与其他非金属或金属形成的合金，它们往往有更为优越的性能。特种钢也是由于这个原因而生产发展的。 合金钢其实在很远的古代就产生了。相传春秋时期，一个名叫干将的铸剑师与他的妻子莫邪，给吴王阖庐铸造了两把宝剑。这就是传说中的干将、莫邪两把宝剑，据说十分锋利，现代人估计它们肯定是合金钢铸就的。1976年，我国出土的春秋晚期的一把宝剑就证实了这种推测，这把剑至今不锈。经化学分析证明，这是含碳0.5％的碳素钢。 但是在古代，人们并不知道为什么会产出这样的钢，只是因为在炼钢时偶然的发现会产生这样的效果，就把它作为一种生产经验和技术无意识地加以实践。在今天，我们已经掌握了炼钢的技术，可以对钢生产的种种元素进行控制，所以人们就根据不同的目的有意识地生产出了各种合金钢。 到今天，钢已形成了一个庞大的家族。在现代国家中，一个国家钢铁厂生产合金特种钢的技术水平和质量已经成了这个国家现代化水平高低的标志。 合金特种钢按化学成分来说，总的分为碳素钢和合金钢，也就是这个庞大家族的两个嫡系家族。 碳素钢基本上是铁与碳的合金。在这个家族，按含碳量的多少，又分为高碳钢、中碳钢和低碳钢三个小家族。每个小家族里也是兄弟众多，只好按它们的排行来称呼它们。例如，名叫４５号的钢，就是指含碳约为0.45％的碳素钢；名叫２０号的钢，就是指含碳约为0.2％的碳素钢。 合金钢是指含碳外，还含有一些其他金属元素（如硅、锰、铬、镍、钒、钛、钼等等）的钢。合金钢这个家族，按合金元素含量的多少，也分为高合金钢、中合金钢和低合金钢三个小的家族，它们各自的合金元素量大致如下： 高合金钢：含各种合金元素总量＞10％ 中合金钢：含各种合金元素总量3.5%～10％ 低合金钢：含各种合金元素总量＜3.5％ 在各个小家族内，又按含合金元素的不同分为锰钢、钼钢、硅钢、铬钢、镍铬钢、硅锰钢等等。但即使同一种钢，为了区分，也用其含合金元素含量来表示。如40％Cr钢即含铬量约为0.40％的合金钢， ４2%Mo钢即含钼量约0.42％的合金钢。 合金钢由于增加了某种元素含量，引起了钢化学组成和结构上的改变，从而具有了某方面的优良性能。 在工业界闻名遐迩的锰钢，具有很强的耐磨性，含锰大于10％的高锰钢，可用于制造拖拉机履带和破碎机、车轴、齿轮、坦克的装甲材料；以耐高温而著称的钨钢，是制造金属切削工具的好材料；具有良好电磁性能的硅钢（含硅量在1%～5％），常用作硅钢片，是制造电器、电机所不可缺少的；我们日常生活中常见的精光四亮的不锈钢具，是含铬在12％以上的高铬钢或镍铬钢（普通不锈钢中含4％的铬和９％的镍），用它来制造医疗器械。化工设备和生活用具合金钢家族的成员数不胜数，它们都在各自的领域显示了非凡的才能。 我们知道了钢的这么多的长处，我们说在一个国家中钢生产的品种、质量往往是一个国家现代化技术综合水平的标志。近年来，我国的钢产量增长迅速，到1996年中国向世界宣布，中国钢产量超过亿吨，居世界第一，但同时我们也要知道，我国的钢产品种类较为单一，许多特种钢还不能生产，这说明了我国钢铁工业还需要提高现代化技术水平，真正地成为一个现代化钢铁强国的工业生力军。 3. Fe2+和Fe3+的相互转化 (1)Fe2+有还原性，高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢等氧化剂能把它氧化成Fe3+：
+5Fe2++8H+====Mn2++5Fe3++4H2O Cr2
+6Fe2++14H+====2Cr3++6Fe3++7H2O H2O2+2Fe2++2H+====2Fe3++2H2O 在酸性溶液中，空气中的氧也能把Fe2+氧化： 4Fe2++O2+4H+====4Fe3++2H2O 在碱性溶液中，Fe2+的还原性更强，它能把
和NO2还原成NH3,能把Cu2+还原成金属铜。 Fe3+具有氧化性，它能把I-氧化成I2：2Fe3++2I-====2Fe2++I2 在无线电工业上，常利用FeCl3溶液来刻蚀铜，制造印刷线路，它们反应的化学方程式是： 2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+ 因此,铜在氯化铁溶液中能作还原剂，而FeCl3是氧化剂。 Fe3+在酸性溶液中容易被H2S、SnCl2等还原成Fe2+: 2Fe3++H2S====2Fe2++S↓+2H+ 2Fe3++Sn2+====2Fe2++Sn4+ Fe3+还能被金属铁还原：2Fe3++Fe====3Fe2+ 在亚铁盐溶液中加入铁钉可防止Fe2+被氧化为Fe3+。 （2）Fe2+和Fe3+的颜色 Fe2+在水溶液中通常以水合离子2+形式存在，呈淡绿色，并存在下列平衡： ［Fe(H2O)6］2++H2O====［Fe(H2O)5OH］++H3O+ 这个平衡的pK=9.5，水解的程度很小，溶液近于中性。 Fe3+在酸性溶液中，通常以淡紫色的3+形式存在。三氯化铁以及其他+3价铁盐溶于水后都发生显著的水解，实质是+3价水合铁离子的水解。只有在pH=0左右时，才有3+存在(但由于有阴离子的存在，会生成其他的络离子，影响淡紫色的观察)。当pH为2～3时，水解趋势很明显。它们的水解平衡如下： ［Fe(H2O)6］3++H2O====［Fe(H2O)5］2++H3O+ K=10-3.05 ［Fe(H2O)5(OH)］2++H2O
［Fe(H2O)4(OH)2］++H3O+ K=10-3.26 生成的碱式离子呈黄色，它可聚合成二聚体： 2［Fe(H2O)6］3+====［Fe2(H2O)8(OH)2］4++2H3O+ K=10-2.91 二聚体是借OH-为桥把2个Fe3+连结起来形成的多核络离子。溶液的pH越高，水解聚合的倾向越大，最后逐渐形成胶体，析出红棕色水合氧化铁沉淀。 （五）铜 公元前3000至2000年，铜及青铜冶炼达到了全盛时代。这一技术成为当时政治、经济、文化、艺术的载体，给人类文明留下了不可磨灭的印迹。 用现代化学的观念审视古代的炼铜过程，其原理非常简单： Cu2(OH)2CO3
2CuO+CO2↑+H2O CuO+C
Cu+CO↑ CuO+CO
Cu+CO2 CO2+C
2CO 这样的化学过程，人类在5 000年以前就能熟练地完成，而且恰到好处地控制配比和温度，利用炉渣液和铜液的不同流动性、不同比重达到分离铜液。正是这些简单的化学反应，为人类文明创造了辉煌的成就，为生产力的发展起到了划时代的作用。人类用科学的观念真正认识这样的化学过程才是上一个世纪的事情，这是5 000年的积累和跨越，是现代化学科学技术对古代文明的再认识。 从技术角度讲，炼铜是人类进入青铜时代的关键。不少科技考古工作者用现代的科技手段和考古学法透视古代炼铜过程，都发现这一技术的宏伟和壮观、惊奇和绝妙。或许，今天在实验室实现炼铜过程几分钟就可以完成。而人类是经过几万年的摸索和选择、试验和观察、总结和完善，才完成了炼铜过程。炼铜技术浸透着古代文明的历史文化信息，也折射出人类的智慧和伟大。 我国古代的水法冶铜 我国古代的炼铜技术有火法和水法（又称湿法）两种。据已有的考古资料推知，在最早的火法炼铜中，用来炼铜的矿石为孔雀石〔CuCO3·Cu(OH)2〕之类的氧化矿，以木炭为燃料和还原剂。从硫化矿的辉铜矿（Cu2S）、黄铜矿（CuFeS2）等冶炼铜的过程比较复杂，应晚于从氧化矿的炼铜。从迄今已发现的我国最早的从硫化矿炼铜遗址得知，最迟在西周早期已经发明这种炼铜术。 据古代文献资料得知，我国在唐代已有小规模的水法炼铜生产：取能熬煮而得胆矾（CuSO4·5H2O在我国古代的名称）的“苦泉”加入碎铁可得铜。所得铜称为铁铜，后来改称胆铜。显然这是利用了下面的置换反应：Fe+CuSO4====Cu+FeSO4。然而对于这种化学现象的认识和记载，则远在西汉刘安（公元前179～公元前122）所著《淮南万毕术》中就有记载“白青得铁即化为铜”。白青，后来又称石青，就是蓝铜矿〔2CuCO3·Cu(OH)2〕。 北宋末年，胆铜法开始在生产中大规模应用，曾成为生产铜的重要途径之一。《宋史·食货志》对此有详细记载。胆铜法有许多优点，它可以就地取材，在“胆水”多的地方设置铜场，设备比较简单，成本低。只要把薄铁片或碎铁块放入“胆水”槽中，浸渍几天就能得到金属铜的粉末。胆铜法可以在常温下提取铜，既可以节省大量燃料，又不必使用鼓风、熔炼设备。 当年水法冶铜中铜的来源为来自“古坑”（指废矿）的“胆土”和“胆水”。“胆土”是开采硫铜矿时的碎矿渣及贫矿经风化和氧化（包括细菌的作用）后而变化的硫酸铜与土质的混合物。“胆水”是雨水浸渍“胆土”后形成的硫酸铜溶液。“胆土”用水煎时也可溶出硫酸铜。后来，人们有意识地开采硫铜矿的贫矿，将其堆积而促进氧化，并由水煎改为水淋。 上述水法冶炼在我国应用最早。在现代，也有相当数量的铜是湿法冶炼生产的。虽然其总的处理过程较古代的胆铜法复杂，但到后面的阶段，不少工厂仍采用铁（铁屑或海绵状铁）处理含CuSO4的溶液以制得粗铜——最后再将其精炼成纯铜。 （六）镍 在发射卫星用的火箭固体推进剂中，加入约1％的纳米镍，就可使其燃烧值增加两倍。兰州大学的科技人员已在实验室成功研制出这种纳米镍粉。超细镍粉是一种纳米金属材料，具有一系列独特的物理化学性质，在催化剂、电池材料及硬质合金黏结剂等许多领域都有广泛的应用前景。以纳米镍制成的复合催化剂可使有机物加氢或脱氢反应的效率比传统镍催化剂提高10倍。将纳米镍应用于镍氢电池，也是目前镍氢电池发展的方向。兰州大学的科研人员采用简单的液相还原法，成功研制出十几到几十纳米的超细镍粉。目前国际市场上的纳米镍粉每千克售价在1万元，而兰大在实验室制备出的纳米镍粉总成本为每千克2 000元左右。 （七）彩色焰火 实验原理：金属元素的焰色反应。 实验用品：瓷坩埚（或蒸发皿）、玻璃棒、研钵、长滴管，蔗糖、镁粉、KClO3、Ca(NO3)2、CuCl2〔根据条件可增加其他金属的盐，例如Ba(NO3)2、KNO3、NaNO3等〕、浓硫酸。 实验步骤： 1.将等质量的蔗糖、KClO3分别研成粉末，然后混合。把混合物分成3份（或数份），放入3个（或数个）瓷坩埚中。 2.在瓷坩埚中分别加入少量镁粉、Ca(NO3)2和CuCl2，并用玻璃棒搅拌一下。 3.用长滴管吸取浓硫酸，分别滴在3个瓷坩埚中，可观察到瓷坩埚中喷出不同颜色的火焰。 习题详解 1.答案：B 2.答案：C 3.答案：D 4.答案：D 5.答案：A 6.答案：C 7.答案：①2Cu+O2
2CuO ②CuO+H2SO4====CuSO4+H2O ③CuSO4+2NaOH====Cu(OH)2↓+Na2SO4 ④Cu(OH)2
CuO+H2O ⑤CuSO4+Fe====FeSO4+Cu 8.答案：CO2与NaOH溶液反应使容器内压强减小，所以容器会变瘪；因易拉罐的成分为Al，Al能与NaOH溶液反应生成氢气，罐内压强增大，所以会鼓起。 CO2+2OH-====
+H2O 2Al+2OH-+2H2O====2
+3H2↑ 9.答案：CaCO3
CaO+CO2↑ CaO+H2O====Ca(OH)2 Na2CO3+Ca(OH)2====CaCO3↓+2NaOH 10.答案：明矾的主要成分是KAl(SO4)2，含K+、Al3+和
（1）利用焰色反应验证K+的存在：用铂丝蘸取溶液在酒精灯上灼烧，隔着蓝色的钴玻璃观察焰色为紫色，则证明溶液中有K+。 （2）利用Al(OH)3的两性来检验Al3+的存在：取少许溶液，滴加NaOH溶液，可观察到先生成白色沉淀，后白色沉淀溶解，即证明溶液中含Al3+。 （3）利用BaSO4难溶于水和酸的性质来检验
的存在：取少许溶液，滴加Ba(NO3)2溶液和稀HNO3，产生白色沉淀，说明溶液中含
。 11.答案：设镁和铝的物质的量分别为x、y 则有：
解得：
w(Al)=
×100%=52.9% 答：合金中铝的质量分数为52.9%;铝和镁的物质的量之比为1∶1。

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