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金属的物理性质
第二章镁铝
第一节金属的物理性质
目标:
1,了解金属的分类.
2,理解金属晶体的结构特点,金属键的概念.并能解释金属单质的一些特性.
3,比较四类晶体在结构,物性上的异同.
重点:
金属的物理性质.
难点:
金属键,金属晶体.
引入:
金属之重要性.
新授:
(一.)概述
一.元素:
占4/5
在已发现的一百多种元素里,大约有五分之四是金属元素。
这一章主要学习两种重要的轻金属镁和铝。
二.分类:
金属有不同的分类方法。
在冶金工业上,人们常把金属分为黑色金属(包括铁、铬、锰)和有色金属(铁、铬、锰以外的金属)两大类。
人们也常按照密度大小来把金属分类,把密度小于4.5g/cm3的叫做轻金属(如钾、钠、钙、镁、铝等);把密度大于4.5g/cm3的叫做重金属(如铜、镍、锡、铅等)。
此外,还可把金属分为常见金属(如铁、铝等)和稀有金属(如锆、铪、铌、钼等)。
板书:
黑色金属仅:
铁.钴.镍
有色金属介绍:
铁的外观颜色,(与命名有关)
铁与人类历史的发展.
轻金属以密度4.5为界
重金属介绍:
重金属及其盐的毒性,如:
铜绿;汽油中的铅;但注意
BaSO4.BaCO3的差别.
常见金属
稀有金属介绍:
稀有金属元素及其应用前景;
我国占有世界上的绝大部分资源.
三.通性:
金属有许多共同性质,像有金属光泽、不透明、容易导电、导热、有延展性等。
(二.)金属键.金属晶体.
一.概念:
怎样解释金属的这些共同性质呢?
金属(除汞外)在常温下一般都是晶体。
用X射线进行研究发现,在晶体中,金属原子好像硬球,一层一层地紧密堆积着。
数学方法可计算出,一定大小的原子,什么方式堆积是最紧密的堆积。
观察与计算一致.
问题:
金属原子之间为什么能.且都是紧密的结合在一起呢?
假设:
因为金属原子的最外层电子易失去,原子失去电子后就成为金属阳离子和很多的电子,称这些电子为自由电子,那么,在金属晶体中,其立体模型想像为:
如图:
金属离子浸在雾一样的自由电子之中
.
分析金属阳离子的受力情况,引出如下概念:
金属键---------金属晶体中,金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用.
金属晶体--------由金属键形成的晶体.
二.解释金属的通性.
1.导电.关键词:
电场中,自由电子定向运动.
2.传热.关键词:
自由电子与金属离子碰撞而交换能量.
3、可延展关键词:
形变末破坏金属键。
补充:
碱金属单质的熔点、沸点、硬度的变化规律。
钠、镁、铝的熔点、沸点、硬度的变化规律。
小结:
影响金属物性的主要因素是:
金属离子的电荷数、半径。
*熔点最高的金属是钨、最低的是汞;硬度最大的是铬。
第二节镁和铝的性质
目标:
1.了解合金的概念.用途和熔点特征,介绍镁铝合金.
2掌握镁.铝的性质及性质差异.
3.掌握铝热剂,铝热反应及应用.
重点:
镁.铝的性质
难点:
铝的两性
新授:
镁和铝都是第三周期的金属元素,它们原子的价电子数都比较少,因而性质有类似的地方。
但是由于结构不同,所以它们的性质又有许多差异。
为了便于比较,我们把镁和铝的性质并列介绍。
(一.)物性.
1.小(密度,硬度).低(熔点,沸点)
2.优良.导电,延展.
3合金.-------由金属与金属或非金属熔合而成的具有金属性质的混合物.
介绍:
熔点低于任一组成的金属.如:
保险丝.
(二)化性:
镁或铝原子的最外层分别有2个或3个电子,它们都容易失去最外层电子成为阳离子。
镁和铝是比较活泼的金属,能跟非金属、酸等起反应。
一,与非金属反应.
(1).与氧气
1.常温:
在常温下,镁和铝在空气里都能跟氧气起反应,生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,从而使金属失去光泽。
但是,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。
(与钝化同理但说法不同)
2.加热:
镁在空气里点燃可以燃烧,放出大量的热并发出耀眼的白光。
我们利用镁的这种性质来制造照明弹等。
铝跟氧气起反应没有镁那样容易,可是把铝粉或铝箔放在氧气里加热,铝也能燃烧,放出大量的热,同时发出耀眼的白光。
但是,在空气里,只是在高温下,铝才能发生这样剧烈的变化。
上述差异可据氧化还原反应原理分析.
(2)与硫,氮气.
2Al+3S===Al2S3
3Mg+N2====Mg3N2
介绍:
产物在水中都不存在(制法),反应时相当于复分解
Al2S3+6H2O===2Al(OH)3+3H2S
Mg3N2+6H2O===3Mg(OH)2+2NH3
(3)与卤素
但:
2Al+3I2===2AlI3
需要催化剂,据氧化还原反应原理可分析出该结论
二.与酸反应
通性;
介绍:
与硝酸反应时还原产物的复杂性.
与强碱反应
2Al+5H2O===2Al(OH)3+3H2
Al(OH)3+NaOH===NaAlO2+2H2O
2Al+2NaOH+6H2O===NaAlO2+4H2O
复习硅与碱的反应.
四,与某些氧化物.
2Mg+CO2===2MgO+C
演示:
〔实验2-1〕如右图所示,点燃镁条,放入盛有二氧化碳的集气瓶里,镁条剧烈燃烧,生成氧化镁,析出的碳附着在集气瓶内壁上。
〔实验2-2〕用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状,套在一起使四周都有四层。
把内层的纸漏斗取出,在底部剪一个孔,用水润湿,再跟另一纸漏斗套在一起,架在铁圈上(如右图),下面放置盛沙的蒸发皿。
把5g炒干的氧化铁粉末和2g铝粉混合均匀,放在纸漏斗中,上面加少量氯酸钾并在混合物中间插一根镁条,用小木条点燃镁条,观察发生的现象。
从实验我们看到,镁条剧烈燃烧,放出一定的热量,使氧化铁粉末和铝粉在较高的温度下发生了剧烈的反应,放出大量的热,发出耀眼的光芒。
我们还可以看到纸漏斗下部被烧穿,有熔融物落入沙中。
冷却后除去外层熔渣,仔细观察,可以发现落下的是铁珠。
这个反应叫铝热反应。
在反应中放出大量的热,可达很高的温度,生成了氧化铝和液态铁。
Al+Fe2O3===Al2O3+Fe
通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂。
铝热反应原理可以应用在生产上,例如焊接钢轨等。
往铝热剂里加入一定量的铁合金和铁钉屑,把这种混合物放到特制的坩埚里,点燃后,立即发生剧烈的复杂的化学反应,产生了高温的钢水和熔渣。
随即把高温钢水浇入扣在两根钢轨缝上的沙型中,这样可以把两根钢轨焊接起来(如右图)。
这种焊接不用电源,而且焊接的速度快,设备简易,适合在野外作业。
用这种焊接方法可以把比较短的钢轨(12.5~25m)焊接成较长的钢轨(约1000m),这在建设铁道的无缝线路上有着重要的意义。
此外,工业上,也用铝热剂的焊接法焊接大截面的钢材部件。
铝热剂还有:
Al+(FeO,Fe2O3,Fe3O4,V2O5,WO3,MnO2)
第三节.镁和铝的重要化合物
目标:
1.掌握氧化镁.氯化镁的物性,化性.来源及主要用途
2.掌握氧化铝,氢氧化铝,铝盐的性质,制备,主要用途及转化关系.
3.理解复盐的组成,明矾的物性的净水原理.
重点:
氧化铝,氢氧化铝,铝盐的性质及转化关系.
难点:
氧化铝,氢氧化铝,铝盐的转化关系.
(一.)镁的重要化合物
一.MgO
1.物性:
镁在空气里燃烧可以生成氧化镁。
工业上通常由煅烧菱镁矿(主要成分是MgCO3)来制取氧化镁:
氧化镁是密度很小的白色粉末,它的熔点高达2800℃,是优良的耐火材料,常用来制造耐火砖、耐火管和坩埚等。
板书:
白色粉末,熔点高,------制耐火材料.
2.化性:
氧化镁是一种碱性氧化物,可以跟水缓慢地反应生成氢氧化镁
复习:
MgO+H2O===Mg(OH)2
3.工业来源
菱镁矿MgCO3====MgO+CO2
不溶性碳酸盐受热与此相似,举例:
CaCO3===
CuCO3===
二,MgCl2
1,工业来源:
从光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)溶液里把KCl提出以后,把溶液浓缩,就得到六水合氯化镁(MgCl2·6H2O)晶体。
氯化镁也存在于海水里,它是制取食盐的副产品。
在制盐剩下的苦卤里加入熟石灰,或直接把海水引入水渠中加入熟石灰,氢氧化镁就沉淀析出。
然后用盐酸溶解氢氧化镁,再将溶液浓缩,就得到氯化镁晶体。
氯化镁是一种无色、苦味、易溶的晶体,极易吸收空气中的水分而潮解,粗制食盐在潮湿的空气中容易吸湿变潮,就是由于里面含有少量氯化镁杂质的缘故。
氯化镁是制取镁的重要原料,工业上采用通电分解熔融的氯化镁的方法制取镁。
板书:
光卤石(复盐)
KCl.MgCl2.6H2O-------MgCl2.6H2O------MgCl2------Mg
或由制食盐的卤水中提取,(步骤?
-----)
2.主要用途:
制金属镁.
三.Mg(OH)2
演示并写出离子反应方程式.
Mg2++OH--===Mg(OH)2
Mg2++2NH3.H2O===Mg(OH)2+NH4+
第二课时
(二.)铝的重要化合物
一.Al2O3
1.存在:
氧化铝(Al2O3·H2O)、三水合氧化铝(Al2O3·3H2O)以及少量氧化铁和石英等杂质组成的。
铝土矿可用来提取纯氧化铝。
氧化铝是一种白色难熔的物质,工业上,主要是以氧化铝为原料,采用通电分解的方法制得铝的。
氧化铝也是一种比较好的耐火材料,它可以用来制造耐火坩埚、耐火管和耐高温的实验仪器等。
刚玉是天然产的无色氧化铝晶体。
刚玉的硬度很大,仅次于金刚石。
因此,它常被用来制成砂轮、研磨纸或研磨石等,用以加工光学仪器和某些金属制品。
通常所说的蓝宝石和红宝石是混有少量不同氧化物杂质的刚玉。
它们可以用做精密仪器和手表的轴承。
板书:
铝土矿(钒土)
刚玉其形式有:
红.蓝宝石,属原子晶体
与二氧化硅的两种存在形式相似.
2.物性
轻,高熔点,可制耐火材料.
3.化性:
氧化铝是典型的两性氧化物,新制备的氧化铝既能跟酸起反应生成铝盐,又能跟碱起反应生成偏铝酸盐。
氧化铝不溶于水,因此,不能用它来制备氢氧化铝。
两性(复习)
Al2O3+6H+===2Al3++3H2O
Al2O3+2OH--===2AlO2--+H2O
二,Al(OH)3
1.物性:
凝聚水中悬浮物(净水),吸附色素.
以95年洪水为例,说明其作用.
2.化性:
氢氧化铝是不溶于水的白色胶状物质。
氢氧化铝能凝聚水中悬浮物,又有吸附色素的性能。
在实验室里我们可以用铝盐溶液跟氨水的反应来制备氢氧化铝。
〔实验2-3〕把3mL0.5mol/L硫酸铝溶液注入试管里,向硫酸铝溶液里滴加氨水,生成蓬松的白色胶状氢氧化铝沉淀,继续滴加氨水,直到不再产生沉淀为止。
过滤,用蒸馏水冲洗沉淀,得到较纯净的氢氧化铝(大部分留下做下面的实验)。
取少量氢氧化铝沉淀放在蒸发皿里,加热。
观察氢氧化铝的分解。
上述实验的反应用化学方程式可表示如下:
〔实验2-4〕 把上面实验制得的氢氧化铝沉淀分装在两个试管里,往一个试管里滴加2mol/L盐酸;往另一个试管滴加2mol/L氢氧化钠溶液。
观察两个试管里发生的现象。
通过上述实验我们看到,氢氧化铝在酸或强碱的溶液里都能溶解。
可见它既能跟酸起反应,又能跟强碱起反应。
这两个反应可以分别表示如下:
实验证明,氢氧化铝是典型的两性氢氧化物。
(复习两性.Al(OH)3+H+===Al3++2H2OAl(OH)3+OH--===Al3++2H2O
2Al(OH)3====Al2O3+3H2O)
明矾:
硫酸铝钾是由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的盐,像这样的盐,叫做复盐。
它电离时可解离出两种金属的阳离子。
十二水合硫酸铝钾(KAl(SO4)2·12H2O)的俗名是明矾,明矾通常也用K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O表示。
明矾是无色晶体,明矾溶于水时能与水反应,有胶状的氢氧化铝生成,生成的氢氧化铝可以吸附水里悬浮的杂质,并形成沉淀,使水澄清。
所以,明矾是一种净水剂。
用途:
三.重要的转化关系.
1.Al3+-----Al(OH)3
Al3++3OH--===Al(OH)3
Al3++3NH3.H2O===Al(OH)3+3NH4+
强调:
完全沉淀铝离子的最好方法.
2.Al3+-----AlO2--
Al3++3OH--===Al(OH)3
Al(OH)3+OH--==AlO2--+2H2O
总反应为:
Al3++4OH--===AlO2--+2H2O
3.AlO2------Al(OH)3
AlO2--+H++H2O====Al(OH)3
2AlO2--+CO2+3H2O====2Al(OH)3+CO32--
强调:
完全沉淀偏铝酸根的最好方法.
4.AlO2------Al3+
AlO2--+H++H2O====Al(OH)3
Al(OH)3+3H+====Al3++2H2O
总反应为:
AlO2--+4H+===Al3++2H2O
5.演示:
Al3++3AlO2--+6H2O===4Al(OH)3
介绍灭火器原理:
在此仅介绍配平方法,告之:
原理待续.
第三课时
四.小结:
Al3+Al(OH)3AlO2--
观察,分析.
1.实验一:
向硫酸铝溶液中逐滴加入氢氧化钠,完成可能发生的反应;
分析比例关系,可知:
(图)
OH-
2.实验二:
向氢氧化钠溶液中逐滴加入硫酸铝,完成可能发生的反应;
分析比例关系,可知:
(图)
Al3+
3.实验三:
向偏铝酸钠溶液中逐滴加入稀盐酸,完成可能发生的反应;
分析比例关系,可知:
(图)
H+
4.实验四:
向稀盐酸溶液中逐滴加入偏铝酸钠溶液,完成可能发生的反应;
分析比例关系,可知:
(图)
AlO2--
小结:
练习题;
课外作业辅导:
(以重难点手册为主)
第四节硬水及其软化
目标:
1.掌握如下概念:
硬水(暂时,永久).软水;硬水软化.水的净化;硬度(暂时,永久)及其计算方法
2.掌握离子交换法原理
3.从离子反应的角度理解药剂软化法的化学原理
重点:
软化水的化学原理
难点:
石灰---纯碱法软化水的化学原理
引入:
水与生活,与工.农业上的需求.
新授:
(一).硬水和软水
一.形成过程.
水是日常生活和工农业生产不可缺少的物质。
水质的好坏对生产和生活影响很大。
天然水跟空气、岩石和土壤等长期接触,溶解了许多杂质,如无机盐类、某些可溶性有机物以及气体等。
水里溶解的无机盐有钙和镁的酸式碳酸盐、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐,等等。
也就是说,天然水里一般含有Ca2+、Mg2+等阳离子和HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-和NO3-等阴离子。
各地的天然水含有这些离子的种类和数量有所不同。
例如,溶有二氧化碳的水,遇到主要成分是碳酸钙的岩石时,会使碳酸钙逐渐变成可溶性的碳酸氢钙:
这种水中就含有Ca2+和HCO3-离子。
板书:
CaCO3+CO2+H2O===Ca(HCO3)2
MgCO3+CO2+H2O===Mg(HCO3)2
还有钙.镁离子的其它无机盐
强调:
硬水----含有较多的钙,镁离子
软水----含有较少的钙,镁离子
鉴别:
有的天然水里含Ca2+和Mg2+比较多,在这种水里加入肥皂水,就会发生沉淀。
〔实验2-5〕用两个试管分别取蒸馏水、天然水5~6mL,各注入少量肥皂水,振荡。
观察发生的现象。
通过实验,我们可以看到盛有蒸馏水的试管里泡沫很多,没有沉淀产生。
在盛有天然水的试管里泡沫较少,并出现絮状沉淀。
这是因为天然水里含有Ca2+或Mg2+,肥皂跟Ca2+或Mg2+起反应以后,生成了不溶于水的物质。
通常把溶有较多量的Ca2+和Mg2+的水,叫做硬水;只溶有少量或不含Ca2+和Mg2+的水,叫做软水。
二.硬度.
计算方法.Ca2+----CaOMg2+-----CaO
10mg/L===10
计算举例:
规定:
硬水>80软水<80
三.暂时硬水(度)、永久硬水(度)
如果水的硬度是由碳酸氢钙或碳酸氢镁所引起的,这种硬度叫做暂时硬度。
具有暂时硬度的水经过煮沸以后,水里所含的碳酸氢钙就分解而生成不溶性的碳酸钙:
水里所含的碳酸氢镁先形成难溶于水的碳酸镁沉淀。
碳酸镁虽然难溶于水,但它仍有少量能溶解在水里(在18℃时,它的溶解度为0.011g,相当于110mg/L)。
因此,当继续加热煮沸时,碳酸镁就跟水发生反应,生成了更难溶的氢氧化镁(在18℃时,它的溶解度为0.00084g,相当于8.4mg/L)。
这样水里溶解的Ca2+和Mg2+就转变成为碳酸钙和氢氧化镁的沉淀,从水里析出,水的硬度就可以降低,从而使硬度高的水得到软化。
如果水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物等所引起的,这种硬度叫做永久硬度。
永久硬度不能用加热的方法软化。
天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度,因此,一般所说的水的硬度是泛指上述两种硬度的总和。
水的硬度高对生活和生产都有危害。
洗涤用水如果硬度太高,不仅浪费肥皂,而且衣物也不易洗干净。
长期饮用硬度很高或硬度过低的水,都不利于人体的健康。
锅炉用水硬度太高,特别是暂时硬度太高,十分有害。
因为经过长期烧煮后,水里的钙盐和镁盐会在锅炉内结成锅垢,使锅炉内的金属管道的导热能力大大降低,这不但浪费燃料,而且会使管道局部过热,当超过金属允许的温度时,锅炉管道将变形或损毁,严重时会引起锅炉爆炸事故。
很多工业部门,如纺织、印染、造纸、化工等,都要求用软水。
因此,对天然水进行处理,以降低或消除它的硬度是很重要的。
板书:
暂时硬度可以通过加热降低:
Ca(HCO3)2====CaCO3+CO2+H2O
Mg(HCO3)2====MgCO3+CO2+H2O
以课本中MgCO3的溶解度数据计算硬度,约7.30
故下列反应符合复分解反应的条件:
MgCO3+H2O====Mg(OH)2+CO2
因此锅垢的主要成份是:
CaCO3Mg(OH)2和少量MgCO3
(二)硬水软化的方法
一.离子交换法
离子交换法是用离子交换剂软化水的一种方法。
在工业上常用磺化煤(NaR)做离子交换剂。
磺化煤是黑色颗粒状物质,它不溶于酸和碱。
这种物质的阳离子会跟溶液里其他物质的阳离子发生离子交换作用。
所示,在离子交换柱里装有磺化煤。
把硬水从离子交换柱的上口注入,使硬水慢慢地流经磺化煤。
当硬水通过磺化煤时,硬水里的Ca2+和Mg2+跟磺化煤的Na2+起离子交换作用。
〔实验2-6〕把实验2-5所用的天然水经离子交换剂软化以后,用试管取5~6mL,注入少量肥皂水,振荡。
通过实验,我们可以看到,硬水软化以后,加入肥皂水振荡时,泡沫很多,就没有沉淀产生了。
磺化煤的Na+全部为Ca2+和Mg2+所代替后,磺化煤就失去了软化硬水的能力。
但是用质量分数为8%~10%氯化钠溶液浸泡,CaR2和MgR2跟Na+就会发生交换作用,重新生成NaR,从而又恢复了磺化煤软化硬水的能力,这个过程叫做再生。
可以表示如下:
这种软化硬水的方法具有质量高,设备简单,占地面积小,操作方便等优点,因此,目前使用比较普遍。
板书:
软化原理:
2NaR+Ca2+===CaR2+2Na+
Mg2+
再生原理:
CaR2+2Na+===2NaR+Ca2+
强调:
磺化媒中R的化合价.
二.药剂软化法
1.石灰---纯碱法
第一步:
加入生石灰.
Ca(HCO3)2+Ca(OH)2===2CaCO3+2H2O
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2===MgCO3+CaCO3+2H2O
MgCO3+Ca(OH)2===Mg(OH)2+CaCO3
介绍溶解度的原因而发生复分解反应。
总反应为:
Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2====Mg(OH)2+2CaCO3+2H2O
除此之外,永久硬水中的Mg2++2OH--===Mg(OH)2
(写化学方程式直观些)
综上:
生石灰的作用有:
降低暂时硬度;
使永久硬水中的镁离子形成的硬度转化成钙离子形成的硬度.
第二步:
加入纯碱.
Ca2++CO32--===CaCO3
纯碱的作用:
消除钙离子形成的硬度(原硬水中的,加生石灰转化的)
2.磷酸三钠法
写出离子方程式,并介绍:
由于两种盐的溶解度原因加入磷酸三钠可达目的,化学原理比上述方法简单,但药品价格贵些.
小结:
比较上述方法的优、缺点。
作业和作业辅导.
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