高中化学《金属及其化合物》思维导图

中心主题：金属及其化合物

金属的通性

• 物理性质

  • 状态: 常温下除汞为液体外，均为固体。
  • 颜色: 大多为银白色（铜为紫红色，金为黄色）。
  • 金属光泽: 表面有良好的金属光泽。
  • 导电导热性: 良好的导电体和导热体。
  • 延展性: 具有良好的延展性（可拉成丝、压成片）。
  • 密度与熔沸点: 一般较大，但差异大（如钠的熔点低，钨的熔点高）。

• 化学性质 (核心：失去电子，作还原剂)

  • 与氧气反应:
    • 4Na + O₂ = 2Na₂O (常温)
    • 2Na + O₂ = Na₂O₂ (加热)
    • 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (剧烈燃烧)
    • 2Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ (致密氧化膜，有保护作用)
  • 与水反应:
    • 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑ (剧烈，熔成小球)
    • Fe + H₂O(g) = Fe₃O₄ + 4H₂↑ (高温，水蒸气)
    • Mg + 2H₂O(热) = Mg(OH)₂ + H₂↑ (缓慢)
  • 与酸反应 (非氧化性酸):
    • 2H⁺ + M = M²⁺ + H₂↑ (M为活泼金属，如K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe)
    • 规律: 金属活动性顺序表中，H前面的金属能置换出酸中的氢。
  • 与盐溶液反应:
    • 置换反应: Fe + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu (活动性强的金属置换活动性弱的金属)
    • 特殊反应: 2Al + 3Cu²⁺ = 2Al³⁺ + 3Cu
    • 不反应: Cu + 2Ag⁺ (不满足置换条件)
  • 与某些氧化物反应:
    • 2Al + Fe₂O₃ = 2Fe + Al₂O₃ (铝热反应，用于焊接钢轨)
    • 3CO + Fe₂O₃ = 2Fe + 3CO₂ (工业炼铁，体现CO的还原性)

重要金属单质及其化合物

• (一) 钠及其化合物

  • 钠

    
    （图片来源网络，侵删）
    • 物理性质: 银白色金属，质软，可用小刀切割，密度比水小，比煤油大。
    • 化学性质:
      • 与O₂: 4Na + O₂ = 2Na₂O (白色)
      • 与Cl₂: 2Na + Cl₂ = 2NaCl (产生白烟)
      • 与H₂O: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑ (现象：浮、熔、游、响、红)
      • 与醇/酸: 更剧烈，产生H₂。
    • 制备: 电解熔融NaCl (2NaCl(熔融) = 2Na + Cl₂↑)
    • 保存: 煤油或石蜡中，隔绝空气和水。

  • 氧化钠与过氧化钠

    • 氧化钠 (Na₂O):
      • 性质: 碱性氧化物，与水、酸反应。
        • Na₂O + H₂O = 2NaOH
        • Na₂O + 2HCl = 2NaCl + H₂O
    • 过氧化钠 (Na₂O₂):
      • 性质: 强氧化剂，不属于碱性氧化物。
        • 与水: 2Na₂O₂ + 2H₂O = 4NaOH + O₂↑ (有O₂生成)
        • 与CO₂: 2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂↑ (用于呼吸面具)
        • 强氧化性: 漂白、杀菌。

  • 氢氧化钠

    • 俗称: 烧碱、火碱、苛性钠。
    • 性质:
      • 强碱: 具有碱的通性（使指示剂变色、与酸性氧化物、酸、盐反应）。
      • 腐蚀性: 强腐蚀性。
      • 潮解: 易吸收空气中的水分而潮解。
    • 制备: Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaOH (苛化法)

  • 碳酸钠与碳酸氢钠

    • 碳酸钠 (Na₂CO₃, 纯碱/苏打):
      • 性质: 水溶液呈碱性。
        • Na₂CO₃ + HCl = NaHCO₃ + NaCl (分步反应)
        • Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + 2NaOH
    • 碳酸氢钠 (NaHCO₃, 小苏打):
      • 性质:
        • 热稳定性差: 2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ (鉴别方法)
        • 碱性: 水溶液碱性比Na₂CO₃弱。
        • 与酸反应: NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂↑ (反应比Na₂CO₃剧烈)
    • 相互转化: Na₂CO₃ ⇌ CO₂ + H₂O ⇌ 2NaHCO₃
      • 正反应: CO₂通入饱和Na₂CO₃溶液 (析出NaHCO₃晶体)。
      • 逆反应: 加热或加碱 (如NaOH)。

• (二) 铝及其化合物

  
  （图片来源网络，侵删）

  • 铝

    • 物理性质: 银白色金属，密度小，强度高，良好的导热导电性。
    • 化学性质:
      • 与O₂: 4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ (致密氧化膜，抗腐蚀)
      • 与酸: 2Al + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂↑
      • 与强碱: 2Al + 2OH⁻ + 2H₂O = 2AlO₂⁻ + 3H₂↑ (体现两性)
      • 与某些金属氧化物: 铝热反应 (2Al + Fe₂O₃ = 2Fe + Al₂O₃)
    • 制备: 电解熔融Al₂O₃ (2Al₂O₃(熔融) = 4Al + 3O₂↑，冰晶石作助熔剂)

  • 氧化铝 (Al₂O₃)

    • 性质: 高熔点、高硬度 (刚玉的主要成分)。
    • 两性氧化物:
      • Al₂O₃ + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂O
      • Al₂O₃ + 2OH⁻ = 2AlO₂⁻ + H₂O

  • 氢氧化铝 [Al(OH)₃]

    • 性质:
      • 两性氢氧化物:
        • Al(OH)₃ + 3H⁺ = Al³⁺ + 3H₂O
        • Al(OH)₃ + OH⁻ = AlO₂⁻ + 2H₂O
      • 受热分解: 2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O
    • 制备: Al³⁺ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃↓ + 3NH₄⁺ (不用强碱，因Al(OH)₃会溶于强碱)

• (三) 铁及其化合物

  • 铁

    • 物理性质: 银白色金属，有磁性，良好的导电导热性。
    • 化学性质 (变价特征):
      • 与非金属:
        • 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (+2, +3价)
        • 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃ (生成+3价化合物)
      • 与水: 3Fe + 4H₂O(g) = Fe₃O₄ + 4H₂↑ (高温)
      • 与酸 (非氧化性酸): Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂↑
      • 与盐溶液: Fe + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu

  • 铁的氧化物

    • 氧化亚铁: 黑色，碱性氧化物，不稳定 (6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄)。
    • 三氧化二铁: 红棕色 (铁锈主要成分)，碱性氧化物。
    • 四氧化三铁: 黑色，具有磁性，可看作FeO·Fe₂O₃。

  • 铁的氢氧化物

    • 氢氧化亚铁 [Fe(OH)₂]:
      • 性质: 白色絮状沉淀，极易被氧化。
        • 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃ (白色 → 灰绿色 → 红褐色)
    • 氢氧化铁 [Fe(OH)₃]:
      • 性质: 红褐色沉淀，受热分解。
        • Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O
        • 胶体性质: 分散质粒子直径在1-100nm之间，丁达尔效应。

  • 铁盐与亚铁盐

    • Fe²⁺ (亚铁离子):
      • 性质: 还原性 (主要)，遇强氧化剂被氧化为Fe³⁺。
        • 2Fe²⁺ + Cl₂ = 2Fe³⁺ + 2Cl⁻
      • 检验: 加入KSCN溶液，不变色；再滴加新制氯水，变血红色。
    • Fe³⁺ (铁离子):
      • 性质: 氧化性 (主要)，遇较强还原剂被还原为Fe²⁺。
        • 2Fe³⁺ + Fe = 3Fe²⁺
        • 2Fe³⁺ + Cu = 2Fe²⁺ + Cu²⁺
      • 检验: 加入KSCN溶液，立即变血红色。
    • 相互转化:
      • Fe²⁺ --[O₂, Cl₂, HNO₃, KMnO₄等氧化剂]--> Fe³⁺
      • Fe³⁺ --[Fe, Cu, I⁻, SO₂等还原剂]--> Fe²⁺

金属的冶炼

• 实质: 使金属化合物中的金属离子得到电子，被还原成金属单质 (M⁺⁺ + ne⁻ = M)。
• 方法 (根据金属活动性顺序):
  • K - Al: 电解法 (活泼金属，强还原剂无法还原)
    • 例: 2Al₂O₃(熔融) = 4Al + 3O₂↑
  • Zn - Cu: 热还原法 (用CO、H₂、C、活泼金属作还原剂)
    • 例: Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂ (高炉炼铁)
    • 例: WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O (钨的冶炼)
  • Hg - Ag: 热分解法 (不活泼金属，受热易分解)
    • 例: 2HgO = 2Hg + O₂↑
  • Pt - Au: 物理方法 (如淘金、重选)

离子检验

• 常见阳离子的检验:
  • H⁺: 石蕊试液变红。
  • Na⁺ / K⁺: 焰色反应 (黄色 / 紫色，透过蓝色钴玻璃看K⁺)。
  • Fe²⁺: KSCN溶液不变色，加氯水后变红。
  • Fe³⁺: KSCN溶液变血红色。
  • NH₄⁺: 与NaOH溶液共热，产生使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体。
• 常见阴离子的检验:
  • Cl⁻: 加AgNO₃溶液，产生不溶于稀HNO₃的白色沉淀。
  • SO₄²⁻: 加BaCl₂溶液，产生不溶于稀HNO₃的白色沉淀。
  • CO₃²⁻: 加稀盐酸，产生使澄清石灰水变浑浊的气体。

重要规律与总结

• 金属活动性顺序表:

  • K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
  • 应用规律:
    • 与O₂反应: K、Ca、Na常温；Mg、Al加热；Fe、Sn、Pb常温缓慢；Cu以后不反应。
    • 与水反应: K、Ca、Na冷水；Mg、Al热水/水蒸气；Fe、Sn、Pb高温水蒸气；Cu以后不反应。
    • 与酸反应: H前面的金属置换酸中的氢。
    • 与盐溶液反应: 活动性强的金属置换活动性弱的金属 (K、Ca、Na除外，先与水反应)。

• “铝三角” (Al³⁺, Al(OH)₃, AlO₂⁻) 相互转化:

  • 核心: Al(OH)₃的两性。
  • Al³⁺ + 3NH₃·H₂O ⇌ Al(OH)₃↓ + 3NH₄⁺
  • Al(OH)₃ + OH⁻ ⇌ AlO₂⁻ + 2H₂O
  • AlO₂⁻ + H⁺ + H₂O ⇌ Al(OH)₃↓
  • Al(OH)₃ + 3H⁺ ⇌ Al³⁺ + 3H₂O

• “铁三角” (Fe, Fe²⁺, Fe³⁺) 相互转化:

  • 核心: Fe具有还原性，Fe³⁺具有氧化性，Fe²⁺既有氧化性又有还原性。
  • Fe --[弱氧化剂:H⁺, Cu²⁺, S等]--> Fe²⁺
  • Fe --[强氧化剂:Cl₂, Br₂, HNO₃, O₂等]--> Fe³⁺
  • Fe²⁺ --[强氧化剂:Cl₂, Br₂, HNO₃, O₂等]--> Fe³⁺
  • Fe³⁺ --[强还原剂:Fe, Cu, I⁻, SO₂等]--> Fe²⁺

• 焰色反应:

  • 概念: 金属或其化合物在灼烧时使火焰呈现特殊颜色的现象。
  • 操作: 铂丝蘸取待测液 → 灼烧至无色 → 蘸取待测液 → 灼烧 → 观察颜色。
  • 常见颜色:
    • 钠: 黄色
    • 钾: 紫色 (透过蓝色钴玻璃)
    • 锂: 紫红色
    • 钙: 砖红色
    • 锶: 洋红色
    • 钡: 黄绿色