實(shí)驗(yàn)活動5金屬的物理性質(zhì)和某些化學(xué)性質(zhì)

朱紅杰

本實(shí)驗(yàn)旨在引導(dǎo)同學(xué)們通過對比實(shí)驗(yàn)、控制變量等科學(xué)方法，探究常見金屬的物理性質(zhì)和活動性強(qiáng)弱，進(jìn)一步加深對金屬性質(zhì)的認(rèn)識，并初步學(xué)會設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證金屬活動性順序。

一、金屬的物理性質(zhì)

金屬都有明顯的光澤，都能導(dǎo)電；大部分金屬呈現(xiàn)銀白色；不同的金屬硬度不同，合金的硬度高于組成它們的純金屬。

1.金屬的光澤和顏色

（1）實(shí)驗(yàn)操作：先用砂紙打磨掉鎂條、鋅片、鋁片、鐵片、銅片表面的氧化膜，然后觀察它們的顏色和光澤。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

鎂條鋁片鐵片鐵粉銅片

顏色銀白色銀白色銀白色黑色紫紅色

光澤金屬光澤金屬光澤金屬光澤沒有光澤金屬光澤

2.金屬的硬度

（1）實(shí)驗(yàn)操作：采取“相互刻畫”的方法，比較銅片和鋁片、銅片和黃銅片的硬度，觀察到銅片容易在鋁片上刻出痕跡，黃銅片容易在銅片上刻出痕跡；采用“彎折”的方法，比較鐵絲、銅絲、鋼絲的硬度，觀察到銅絲比鐵絲容易彎折，鐵絲比鋼絲容易折彎。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：銅的硬度比鋁大，黃銅的硬度比銅大；鐵比銅硬，鋼比鐵硬。

3.金屬的導(dǎo)電性

（1）實(shí)驗(yàn)操作：利用圖2實(shí)驗(yàn)裝置（將a、b接觸點(diǎn)同時接觸待測物表面，若二極管發(fā)光則導(dǎo)電），分別測量銅片、鋁片、衣服、紙張的導(dǎo)電性，發(fā)現(xiàn)銅片、鋁片均導(dǎo)電，而衣服、紙張不導(dǎo)電。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：金屬能導(dǎo)電。

二、金屬的化學(xué)性質(zhì)

金屬能與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，能與酸溶液發(fā)生置換反應(yīng)，也能與鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)。

1.金屬與氧氣反應(yīng)

（1）實(shí)驗(yàn)操作：用坩堝鉗分別夾持銅片、鎂條，在酒精燈火焰上加熱。觀察到鎂條劇烈燃燒、發(fā)出強(qiáng)光，銅片不燃燒，表面變黑。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：絕大多數(shù)金屬能與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，但是反應(yīng)的難易程度不一樣。

2.金屬與酸溶液反應(yīng)

（1）實(shí)驗(yàn)操作：向5支試管中分別放入大小、外形一樣的鎂、鋁、鋅、鐵、銅，再分別倒入5 mL稀鹽酸或稀硫酸。觀察到銅的表面幾乎沒有變化，鎂、鋁、鋅、鐵表面均冒出氣泡，放出氣泡的快慢：鎂>鋁>鋅>鐵。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：活潑金屬能與酸溶液發(fā)生置換反應(yīng)，而且反應(yīng)的劇烈程度不一樣。

3.金屬與鹽溶液反應(yīng)

（1）實(shí)驗(yàn)操作：將鐵片插入硫酸銅溶液中，將銅片插入硝酸銀溶液中，并將觀察的結(jié)果填入下表。

實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有關(guān)的化學(xué)方程式

鐵片插入硫酸銅溶液中鐵片表面覆蓋一層色固體，溶液由藍(lán)色變?yōu)樯?/p>

將銅片插入硝酸銀溶液中銅片表面覆蓋一層色固體，溶液由無色變?yōu)樯?/p>

[紅淺綠Fe+CuSO4=FeSO4+Cu銀白藍(lán)Cu+2AgNO3=Cu（NO3）2+2Ag]

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相對活潑的金屬能將不活潑金屬從其鹽溶液里置換出來。

三、疑難解答

1.鐵絲（或鐵片）呈銀白色而鐵粉呈黑色的原因

塊狀鐵（如鐵絲、鐵片）的晶體結(jié)構(gòu)較完整，當(dāng)光線照射到鐵塊表面時，大部分可見光發(fā)生鏡面反射，因此顯示出銀白色；鐵粉沒有規(guī)則的幾何外形，照射在其表面的可見光幾乎全部被吸收，所以呈黑色。其實(shí)，不僅僅是鐵粉，大多數(shù)金屬的粉末都是黑色的。

2.利用金屬與酸溶液反應(yīng)比較金屬活動性時要控制變量的原因

利用金屬與酸溶液發(fā)生置換反應(yīng)比較金屬活動性強(qiáng)弱時，一般通過反應(yīng)的劇烈程度得出結(jié)論，而反應(yīng)的劇烈程度與反應(yīng)物的接觸面有直接關(guān)系。例如，將鐵粉、鐵片分別與10%的稀鹽酸反應(yīng)，鐵粉放出氣體的速率快；將鐵片分別與10%的稀鹽酸、20%的稀鹽酸反應(yīng)，20%的稀鹽酸放出氣體的速率快；相同的鐵片與相同濃度的鹽酸反應(yīng)時，溫度高的鹽酸放出氣體的速率快。因此，利用金屬與酸溶液反應(yīng)比較金屬活動性強(qiáng)弱時必須控制變量。

3.比較金屬活動性強(qiáng)弱的常用方法

金屬與氧氣反應(yīng)的難易和劇烈程度，金屬與酸溶液能否發(fā)生置換反應(yīng)及反應(yīng)劇烈程度，能反映金屬活動性強(qiáng)弱；金屬與鹽溶液能否發(fā)生置換反應(yīng)，能直接反映出金屬活動性的強(qiáng)弱。

一次性驗(yàn)證三種金屬活動性強(qiáng)弱的最佳試劑組合是：活潑金屬，活動性居中金屬的鹽溶液，不活潑金屬（簡稱“金、鹽、金”）；或活潑金屬的鹽溶液，活動性居中的金屬，不活潑金屬的鹽溶液（簡稱“鹽、金、鹽”）。

4.有關(guān)金屬發(fā)生置換反應(yīng)的注意事項(xiàng)

（1）金屬與酸溶液的置換反應(yīng)。

鐵與酸溶液發(fā)生置換反應(yīng)時，生成的是+2價的亞鐵鹽，如鐵跟稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式是Fe+2HCl=FeCl2+H2↑。具有氧化性的酸不能與金屬發(fā)生置換反應(yīng)，像HNO3、濃H2SO4因有氧化性，它們與活潑金屬反應(yīng)不能生成H2，酸中的氫一般轉(zhuǎn)化為水，如4Zn+10HNO3（?。?4Zn（NO3）2+N2O↑+5H2O。

（2）金屬與鹽溶液的置換反應(yīng)。

金屬與鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)時，反應(yīng)物鹽要溶于水，反應(yīng)才能發(fā)生，如鐵雖比銅活潑，但鐵與CuCO3并不能發(fā)生反應(yīng)，因?yàn)镃uCO3不溶于水。金屬與鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)時，反應(yīng)生成的鹽也要溶于水，反應(yīng)才能持續(xù)進(jìn)行，如Pb+CuSO4=PbSO4+Cu，因?yàn)镻bSO4不溶于水，沉淀下來會覆蓋在固體鉛的表面，慢慢隔絕了鉛與CuSO4的接觸，使反應(yīng)自行停止。非?；顫姷慕饘伲ㄈ鏚、Na、Ca等）不能與鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)，如把鈉投進(jìn)CuSO4溶液里，先發(fā)生的反應(yīng)是2Na+2H2O=2NaOH+H2↑，后發(fā)生的反應(yīng)是2NaOH+CuSO4=Na2SO4+Cu（OH）2↓，總反應(yīng)是2Na+2H2O+CuSO4=Cu（OH）2↓+Na2SO4+H2↑，它不屬于置換反應(yīng)。鐵與鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)時生成的是+2價的亞鐵鹽，如鐵跟CuSO4溶液反應(yīng)，生成的鹽是FeSO4。endprint

（3）鹽溶液中多個置換反應(yīng)并存的問題。

如在Cu（NO3）2、AgNO3的混合溶液里加入鋅，由于鋅與銀的金屬活動性相差較大，所以鋅先與AgNO3溶液反應(yīng)：Zn+2AgNO3=Zn（NO3）2+2Ag，等到AgNO3反應(yīng)完全，才開始與Cu（NO3）2反應(yīng)：Zn+Cu（NO3）2=Zn（NO3）2+Cu。再如，在AgNO3溶液里同時加入鐵、銅，因?yàn)殍F與銀的金屬活動性相差較大，所以鐵先與AgNO3溶液反應(yīng)：Fe+2AgNO3=Fe（NO3）2+2Ag，等到鐵消耗完全，銅才開始與AgNO3反應(yīng)：Cu+2AgNO3=Cu（NO3）2+2Ag。

四、例題導(dǎo)學(xué)

【例1】（2015·菏澤）下列有關(guān)金屬的敘述，正確的是（）

A.硬幣、不銹鋼鍋都是合金材料，合金比各成分金屬具有更優(yōu)良的性能

B.鋁、鐵、銅都是銀白色固體，都能夠?qū)щ?/p>

C.鎂、鋁都是活潑金屬，相同質(zhì)量時與足量的鹽酸反應(yīng)放出氫氣的體積相同

D.鐵在空氣中燃燒，冒出濃烈的黑煙，放出熱量，生成黑色粉末

【解析】硬幣、不銹鋼都屬于合金，合金比各成分金屬具有更高的硬度、更好的防腐性；銅是紫紅色，而非銀白色；相同質(zhì)量的鎂、鋁與足量的鹽酸反應(yīng)時，金屬鋁放出的氫氣多；鐵在氧氣中燃燒，火星四射，放出熱量，生成黑色固體。

【答案】A

【例2】（2015 ·荊門）某研究性學(xué)習(xí)小組為探究鎂與水的反應(yīng)，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

步驟1：將鎂條用砂紙打磨至光亮，分成兩等份。

步驟2：將一份光亮的鎂條置于冷水中，幾乎沒有觀察到任何現(xiàn)象。

步驟3：將另一份光亮的鎂條置于熱水中，觀察到有氣泡產(chǎn)生。

（1）將鎂條用砂紙打磨至光亮的原因是。

（2）經(jīng)百度可知，活潑金屬與水反應(yīng)生成對應(yīng)的堿和氫氣，如果金屬活動性越強(qiáng)，生成的堿的堿性也越強(qiáng)。某同學(xué)向步驟3的燒杯中滴加酚酞溶液，觀察到鎂條的表面有明顯的紅色出現(xiàn)。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為，反應(yīng)類型是（基本反應(yīng)類型）。

（3）步驟2和3對比可知，影響鎂與水的反應(yīng)速率的一個因素是。

（4）根據(jù)以上信息，若將金屬鈉加到硫酸銅溶液中，可能觀察到的現(xiàn)象是。

【解析】（1）鎂條表面有一層氧化膜，為了防止其對實(shí)驗(yàn)的干擾，所以應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前把它除去。（2）把鎂放到熱水中，鎂可以與水反應(yīng)生成氫氧化鎂和氫氣。（3）對比步驟2和3可知，在其他條件不變的情況下，溫度對鎂與水的反應(yīng)速率有很大的影響。（4）由于鈉的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，鈉先與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣，氫氧化鈉再與溶液中的硫酸銅反應(yīng)，生成氫氧化銅藍(lán)色沉淀和硫酸鈉溶液。

【答案】（1）除去表面的氧化膜（氧化鎂） （2）Mg+2H2O △ Mg（OH）2+H2↑置換反應(yīng)（3）溫度（4）有氣體產(chǎn)生，溶液中產(chǎn)生藍(lán)色沉淀

五、對點(diǎn)訓(xùn)練

1.金屬和金屬材料在日常生活中被廣泛應(yīng)用。下列對金屬或合金的利用是由金屬的活動性決定的是（）

A.用鐵回收含銅離子廢液中的銅

B.用鋁合金制作門窗框架

C.用錫合金作保險絲

D.用銅絲作電纜

2.下列物質(zhì)中，不屬于合金的是（）

A.不銹鋼B.氧化汞

C.黃銅D.生鐵

3.下列可用于驗(yàn)證Fe、Cu、Ag三種金屬的活動性順序的一組藥品是（）

A.Fe、Cu、H2SO4溶液

B.Cu、Ag、FeSO4溶液

C.Fe、Ag、CuSO4溶液

D.Ag、FeSO4溶液、CuSO4溶液

4.下列事實(shí)不能證明金屬甲的金屬活動性比金屬乙強(qiáng)的是（）

A.自然界中甲元素只以化合物形式存在，乙元素存在單質(zhì)形式

B.甲能與鹽酸反應(yīng)生成H2而乙不能

C.甲能從乙的鹽溶液中置換出乙

D.化合物中甲元素顯+2價而乙元素顯+3價

5.在硝酸銀、硝酸銅的混合溶液中加入一定量鋅粉，反應(yīng)停止后過濾，濾液仍為藍(lán)色。有關(guān)判斷正確的是（）

A.濾渣中一定有銀，沒有銅和鋅

B.濾渣中一定有銀和鋅，可能有銅

C.濾液中一定有硝酸鋅、硝酸銅、硝酸銀

D.濾液中一定有硝酸鋅、硝酸銅，可能有硝酸銀

6.金屬、金屬材料的性質(zhì)在很大程度上決定了它們的用途。下列說法中，不正確的是（）

A.鉛銻合金的熔點(diǎn)低、電阻率大，常用于制造發(fā)熱體

B.銅具有良好的導(dǎo)電性，常用于制造電纜

C.鋁合金輕而堅(jiān)韌，可作汽車、飛機(jī)和火箭的材料

D.不銹鋼抗腐蝕性好，常用于制造醫(yī)療器械

7.下列關(guān)于鐵、鋁、銅的說法正確的是（）

A.其表面都能形成致密的氧化膜

B.都能與稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)

C.都能與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)

D.化學(xué)性質(zhì)都很活潑

8.向一定質(zhì)量的AgNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中加入m克Zn，充分反應(yīng)后過濾，將濾渣洗滌、干燥后再稱量，得到的質(zhì)量為m克。據(jù)此，下列說法不正確的是（）

A.取反應(yīng)后的濾液觀察，濾液可能呈藍(lán)色

B.取反應(yīng)后的濾液滴加稀鹽酸，有白色沉淀產(chǎn)生

C.取濾渣滴加稀硫酸，可能有氣泡產(chǎn)生

D.濾渣中的物質(zhì)至少有兩種

9.用三塊相同的鋁片（均已去除氧化膜）進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1：取第一塊鋁片，放入稀硫酸中，有明顯的現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)2：取第二塊鋁片，放入硫酸銅溶液中，鋁片表面有紅色物質(zhì)析出；實(shí)驗(yàn)3：取第三塊鋁片，放入濃硫酸中，沒有明顯的現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)4：將實(shí)驗(yàn)3中的鋁片取出，洗凈后放入硫酸銅溶液中，沒有明顯的現(xiàn)象。endprint

下列說法不正確的是（）

A.在實(shí)驗(yàn)1中可以觀察到鋁片表面有氣泡產(chǎn)生

B.由實(shí)驗(yàn)2可以得出金屬鋁比銅活潑

C.鋁片與濃硫酸不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

D.濃硫酸與稀硫酸的化學(xué)性質(zhì)有差別

10.下列現(xiàn)象和事實(shí)，可用金屬活動性作合理解釋的是（）

①金屬鎂在空氣中比鋁更容易燃燒，說明鎂比鋁的活動性強(qiáng)②金屬鋁比金屬鋅更耐腐蝕，說明鋅比鋁的活動性強(qiáng)③用硫酸銅與石灰水配制農(nóng)藥波爾多液時，不能用鐵制容器④盡管金屬的種類很多，但在自然界中僅有少量金屬以單質(zhì)形式存在

A.①②B.①③④

C.③④D.①②③④

11.向一定質(zhì)量AgNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中加入Zn，溶液質(zhì)量與加入Zn的質(zhì)量關(guān)系如圖3所示。下列說法正確的是（）

A.取a點(diǎn)溶液，滴加稀鹽酸，無白色沉淀

B.c點(diǎn)溶液中溶質(zhì)為Zn（NO3）2

C.若取b～c段固體，滴加稀鹽酸，無氣泡產(chǎn)生

D.d點(diǎn)時的固體有2種

12.金屬及合金是重要的工業(yè)及建筑材料，某些金屬離子是人體不可或缺的元素。

（1）下表是A、B、C三種金屬的部分物理性質(zhì)：

性質(zhì)金屬導(dǎo)電性（100為標(biāo)準(zhǔn)）密度（g/cm3）熔點(diǎn)（℃）硬度（10為標(biāo)準(zhǔn)）

A998.9210833

B612.706602.9

C177.8615355

①三種金屬中最不適宜作導(dǎo)線的是（填字母），高壓輸電線不用金屬A而選用金屬B，主要原因是。

②C的合金通?？梢宰霾说?、錘子等，其合金的硬度（填“>”“<”或“=”）5。

（2）老火靚湯強(qiáng)身健體，豬骨湯是其中之一。

煲制豬骨湯的主要原料：豬骨、雞腳、甜玉米、胡蘿卜、雞骨草等。

①豬骨湯包含的營養(yǎng)素中除了蛋白質(zhì)、油脂、水、無機(jī)鹽外，還有等。

②豬骨湯中因?yàn)楹休^豐富的（用離子符號表示），所以老年人飲用可以預(yù)防。

13.不銹鋼材料中含有的金屬鉻（Cr）能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。為了解金屬鉻與常見金屬鋁、銅在金屬活動性順序中的相對位置關(guān)系，小娟與小濤進(jìn)行了如下探究活動。

【猜想與假設(shè)】根據(jù)所學(xué)知識，猜想三種金屬在金屬活動性順序中的相對位置關(guān)系：

猜想一：Cr、Al、Cu；

猜想二：Al、Cr、Cu；

猜想三：。

【實(shí)驗(yàn)與探究】（1）小娟的實(shí)驗(yàn)：取大小相同的鋁、鉻、銅三種金屬片（用砂紙打磨光亮）：

實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋與結(jié)論

分別取三支試管，向其中加入等質(zhì)量、等濃度的稀硫酸，然后將鋁、鉻、銅三種金屬分別插入三支試管中

鋁片表面產(chǎn)生氣泡較快；鉻片表面產(chǎn)生氣泡較緩慢，溶液變藍(lán)色；銅片無明顯現(xiàn)象

猜想成立。鉻與稀硫酸反應(yīng)生成藍(lán)色的硫酸亞鉻（CrSO4）溶液，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為

（2）小濤的實(shí)驗(yàn)：小濤只選用了三種藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也得出了三種金屬在金屬活動性順序中的相對位置關(guān)系。則他選用的三種藥品可能是。

【總結(jié)與歸納】由上述實(shí)驗(yàn)得出，比較金屬活動性強(qiáng)弱的方法有：①；②。

14.小明把過量鋅粒加入有鹽酸的試管中，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生氣體的速度逐漸加快，一段時間后逐漸減慢，最后停止產(chǎn)生氣體。在反應(yīng)過程中，溶液的溫度也先隨之升高，最后下降至室溫。于是，小明設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究“一定質(zhì)量的某種金屬和同體積鹽酸反應(yīng)快慢的影響因素”。測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

某金屬與同體積鹽酸溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

鹽酸溶液濃度反應(yīng)開始時酸溶液的溫度反應(yīng)開始到2分鐘產(chǎn)生的氣體體積反應(yīng)結(jié)束共產(chǎn)生氣體體積

5%20 ℃10 mL60 mL

10%20 ℃19 mL118 mL

15%20 ℃28 mL175 mL

5%35 ℃28 mL60 mL

10%35 ℃72 mL118 mL

15%35 ℃103 mL175 mL

（1）分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，一定質(zhì)量的某種金屬和同體積鹽酸反應(yīng)，影響金屬和酸反應(yīng)快慢的主要因素有、。

（2）可以通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定金屬和酸反應(yīng)的快慢。

（3）過量鋅粒加入鹽酸中，反應(yīng)開始的一段時間，反應(yīng)速率逐漸加快，而不是逐漸減慢。請分析原因：。

附：對點(diǎn)訓(xùn)練參考答案

1.A2.B3.C4.D5.D6.A7.C

8.B9.C10.B11.B

12.（1）①C高壓輸電線一般較粗且架設(shè)較高，因此需要導(dǎo)電性較好而密度又不大的金屬②>（2）①維生素、糖類②Ca2+骨質(zhì)疏松

13.【猜想與假設(shè)】Al、Cu、Cr【實(shí)驗(yàn)與探究】（1）二Cr+H2SO4=CrSO4 +H2↑（2）Al、CrSO4溶液、Cu【總結(jié)與歸納】通過金屬與酸反應(yīng)比較通過金屬與鹽溶液反應(yīng)比較

14.（1）鹽酸溶液的濃度反應(yīng)開始時酸溶液的溫度（2）相同時間內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積（3）溫度對反應(yīng)速率的影響大于鹽酸溶液濃度對反應(yīng)速率的影響endprint