化学金属思维导图

# 《化学金属思维导图》

## 一、金属概述

### 1.1 定义

*   具有光泽、延展性、导电性和导热性的物质。
*   元素周期表中的绝大多数元素。

### 1.2 分类

*   **按用途:**
    *   常用金属: 铁、铝、铜等。
    *   稀有金属: 钛、锆、钒、钨、钼、稀土金属等。
    *   贵金属: 金、银、铂等。
*   **按密度:**
    *   重金属: 密度大于4.5 g/cm³，如铁、铜、铅。
    *   轻金属: 密度小于4.5 g/cm³，如铝、镁。
*   **按颜色:**
    *   有色金属: 铁、锰、铬之外的金属，如铜、铝。
    *   黑色金属: 铁、锰、铬及其合金。

### 1.3 物理性质

*   **光泽:** 具有金属光泽，能反射光线。
*   **延展性:** 易于拉成丝或压成片。
*   **导电性:** 良好的电导体，导电能力强。
*   **导热性:** 良好的热导体，导热能力强。
*   **熔点:** 多数金属熔点较高，但也有例外，如汞。
*   **密度:** 差异较大，从锂的轻质到锇的重质。
*   **硬度:** 差异较大，从钠的柔软到铬的坚硬。

### 1.4 化学性质

*   **金属活动性:** 金属活动性顺序（K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au）是判断金属反应性的重要依据。
*   **与氧气反应:** 大部分金属能与氧气反应，生成氧化物。
    *   常温下: 铝表面形成致密的氧化铝保护膜。
    *   加热或点燃: 铁燃烧生成四氧化三铁，镁燃烧发出耀眼白光。
*   **与酸反应:** 活泼金属能与酸反应，生成盐和氢气。
    *   酸的种类: 盐酸、稀硫酸等。
    *   反应速率: 金属活动性越强，反应速率越快。
*   **与盐溶液反应:** 活泼金属能将不活泼金属从其盐溶液中置换出来。
    *   置换反应的条件: 金属必须在盐溶液中金属之前。
*   **钝化:** 某些金属（如铝、铁）在浓硝酸或浓硫酸中表面形成致密的氧化物保护膜，阻止内部金属继续反应。

## 二、重要金属及其化合物

### 2.1 钠 (Na)

*   **性质:** 银白色金属，质软，易氧化。
*   **储存:** 浸在煤油中。
*   **与氧气反应:**
    *   常温: 4Na + O2 = 2Na2O
    *   加热: 2Na + O2 = Na2O2
*   **与水反应:** 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
*   **重要化合物:**
    *   氢氧化钠 (NaOH): 强碱，俗称烧碱、火碱、苛性钠，具有强腐蚀性。
    *   碳酸钠 (Na2CO3): 俗称纯碱，用于制造玻璃、肥皂、造纸等。
    *   氯化钠 (NaCl): 食盐的主要成分，重要的化工原料。

### 2.2 铝 (Al)

*   **性质:** 银白色金属，质轻，易形成氧化铝保护膜。
*   **与氧气反应:** 4Al + 3O2 = 2Al2O3
*   **与酸反应:** 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑
*   **与碱反应:** 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑ (偏铝酸钠)
*   **两性:** 氧化铝和氢氧化铝都具有两性，既能与酸反应，又能与碱反应。
    *   Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
    *   Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O
    *   Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O
    *   Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O
*   **明矾:** KAl(SO4)2·12H2O，具有净水作用。

### 2.3 铁 (Fe)

*   **性质:** 银白色金属，易生锈。
*   **与氧气反应:** 3Fe + 2O2 = Fe3O4 (点燃)
*   **与酸反应:** Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑
*   **与盐溶液反应:** Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
*   **铁的氧化物:**
    *   氧化亚铁 (FeO): 黑色固体，不稳定。
    *   氧化铁 (Fe2O3): 红色固体，俗称铁锈，可用于制造颜料。
    *   四氧化三铁 (Fe3O4): 黑色晶体，具有磁性。
*   **铁的氢氧化物:**
    *   氢氧化亚铁 (Fe(OH)2): 白色沉淀，易被氧化成氢氧化铁。
    *   氢氧化铁 (Fe(OH)3): 红褐色沉淀。
*   **铁盐和亚铁盐:**
    *   亚铁盐易被氧化成铁盐，铁盐具有氧化性。
    *   检验亚铁离子：先加KSCN溶液无明显现象，再加入氯水，溶液变红色。
    *   检验铁离子：直接加入KSCN溶液，溶液变红色。

### 2.4 铜 (Cu)

*   **性质:** 紫红色金属，具有良好的导电性和导热性。
*   **与氧气反应:** 2Cu + O2 = 2CuO (加热)
*   **与浓硫酸反应:** Cu + 2H2SO4(浓) = CuSO4 + SO2↑ + 2H2O (加热)
*   **与稀硝酸反应:** 3Cu + 8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
*   **重要化合物:**
    *   硫酸铜 (CuSO4): 蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾，具有杀菌作用。

## 三、金属的冶炼

### 3.1 概述

*   从矿石中提取金属的过程。
*   主要方法：热分解法、还原法、电解法。

### 3.2 常见方法

*   **热分解法:** 适用于不活泼金属，如金、银。
*   **还原法:**
    *   碳还原法: 适用于较活泼金属，如铁。
    *   铝热反应: 适用于熔点高的金属氧化物，如钒、铬。
*   **电解法:** 适用于活泼金属，如钠、镁、铝。

### 3.3 步骤

*   **富集:** 提高矿石中金属元素的含量。
*   **冶炼:** 将金属元素还原成金属单质。
*   **精炼:** 提纯金属，去除杂质。

## 四、金属材料

### 4.1 合金

*   由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的混合物。
*   合金的性能通常优于组成它们的纯金属。
*   常见的合金：钢铁、青铜、黄铜、铝合金等。

### 4.2 金属材料的应用

*   **建筑:** 钢铁用于建造桥梁、房屋等。
*   **交通:** 铝合金用于制造飞机、汽车等。
*   **电子:** 铜用于制造电线、电路板等。
*   **医疗:** 钛合金用于制造人造关节等。

## 五、金属的保护

### 5.1 防止金属腐蚀

*   **原理:** 阻止金属与外界环境中的腐蚀性物质接触。
*   **方法:**
    *   涂保护层: 涂油漆、镀金属、搪瓷等。
    *   改变金属的内部结构: 制成合金。
    *   电化学保护: 牺牲阳极保护法、外加电流保护法。

### 5.2 资源保护

*   **合理开发利用金属资源。**
*   **回收利用废旧金属。**
*   **寻找金属替代品。**

《化学金属思维导图》

一、金属概述

1.1 定义

具有光泽、延展性、导电性和导热性的物质。
元素周期表中的绝大多数元素。

1.2 分类

按用途:
- 常用金属: 铁、铝、铜等。
- 稀有金属: 钛、锆、钒、钨、钼、稀土金属等。
- 贵金属: 金、银、铂等。
按密度:
- 重金属: 密度大于4.5 g/cm³，如铁、铜、铅。
- 轻金属: 密度小于4.5 g/cm³，如铝、镁。
按颜色:
- 有色金属: 铁、锰、铬之外的金属，如铜、铝。
- 黑色金属: 铁、锰、铬及其合金。

1.3 物理性质

光泽: 具有金属光泽，能反射光线。
延展性: 易于拉成丝或压成片。
导电性: 良好的电导体，导电能力强。
导热性: 良好的热导体，导热能力强。
熔点: 多数金属熔点较高，但也有例外，如汞。
密度: 差异较大，从锂的轻质到锇的重质。
硬度: 差异较大，从钠的柔软到铬的坚硬。

1.4 化学性质

金属活动性: 金属活动性顺序（K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au）是判断金属反应性的重要依据。
与氧气反应: 大部分金属能与氧气反应，生成氧化物。
- 常温下: 铝表面形成致密的氧化铝保护膜。
- 加热或点燃: 铁燃烧生成四氧化三铁，镁燃烧发出耀眼白光。
与酸反应: 活泼金属能与酸反应，生成盐和氢气。
- 酸的种类: 盐酸、稀硫酸等。
- 反应速率: 金属活动性越强，反应速率越快。
与盐溶液反应: 活泼金属能将不活泼金属从其盐溶液中置换出来。
- 置换反应的条件: 金属必须在盐溶液中金属之前。
钝化: 某些金属（如铝、铁）在浓硝酸或浓硫酸中表面形成致密的氧化物保护膜，阻止内部金属继续反应。

二、重要金属及其化合物

2.1 钠 (Na)

性质: 银白色金属，质软，易氧化。
储存: 浸在煤油中。
与氧气反应:
- 常温: 4Na + O2 = 2Na2O
- 加热: 2Na + O2 = Na2O2
与水反应: 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
重要化合物:
- 氢氧化钠 (NaOH): 强碱，俗称烧碱、火碱、苛性钠，具有强腐蚀性。
- 碳酸钠 (Na2CO3): 俗称纯碱，用于制造玻璃、肥皂、造纸等。
- 氯化钠 (NaCl): 食盐的主要成分，重要的化工原料。

2.2 铝 (Al)

性质: 银白色金属，质轻，易形成氧化铝保护膜。
与氧气反应: 4Al + 3O2 = 2Al2O3
与酸反应: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑
与碱反应: 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑ (偏铝酸钠)
两性: 氧化铝和氢氧化铝都具有两性，既能与酸反应，又能与碱反应。
- Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
- Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O
- Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O
- Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O
明矾: KAl(SO4)2·12H2O，具有净水作用。

2.3 铁 (Fe)

性质: 银白色金属，易生锈。
与氧气反应: 3Fe + 2O2 = Fe3O4 (点燃)
与酸反应: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑
与盐溶液反应: Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
铁的氧化物:
- 氧化亚铁 (FeO): 黑色固体，不稳定。
- 氧化铁 (Fe2O3): 红色固体，俗称铁锈，可用于制造颜料。
- 四氧化三铁 (Fe3O4): 黑色晶体，具有磁性。
铁的氢氧化物:
- 氢氧化亚铁 (Fe(OH)2): 白色沉淀，易被氧化成氢氧化铁。
- 氢氧化铁 (Fe(OH)3): 红褐色沉淀。
铁盐和亚铁盐:
- 亚铁盐易被氧化成铁盐，铁盐具有氧化性。
- 检验亚铁离子：先加KSCN溶液无明显现象，再加入氯水，溶液变红色。
- 检验铁离子：直接加入KSCN溶液，溶液变红色。

2.4 铜 (Cu)

性质: 紫红色金属，具有良好的导电性和导热性。
与氧气反应: 2Cu + O2 = 2CuO (加热)
与浓硫酸反应: Cu + 2H2SO4(浓) = CuSO4 + SO2↑ + 2H2O (加热)
与稀硝酸反应: 3Cu + 8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
重要化合物:
- 硫酸铜 (CuSO4): 蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾，具有杀菌作用。

三、金属的冶炼

3.1 概述

从矿石中提取金属的过程。
主要方法：热分解法、还原法、电解法。

3.2 常见方法

热分解法: 适用于不活泼金属，如金、银。
还原法:
- 碳还原法: 适用于较活泼金属，如铁。
- 铝热反应: 适用于熔点高的金属氧化物，如钒、铬。
电解法: 适用于活泼金属，如钠、镁、铝。

3.3 步骤

富集: 提高矿石中金属元素的含量。
冶炼: 将金属元素还原成金属单质。
精炼: 提纯金属，去除杂质。

四、金属材料

4.1 合金

由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的混合物。
合金的性能通常优于组成它们的纯金属。
常见的合金：钢铁、青铜、黄铜、铝合金等。

4.2 金属材料的应用

建筑: 钢铁用于建造桥梁、房屋等。
交通: 铝合金用于制造飞机、汽车等。
电子: 铜用于制造电线、电路板等。
医疗: 钛合金用于制造人造关节等。

五、金属的保护

5.1 防止金属腐蚀

原理: 阻止金属与外界环境中的腐蚀性物质接触。
方法:
- 涂保护层: 涂油漆、镀金属、搪瓷等。
- 改变金属的内部结构: 制成合金。
- 电化学保护: 牺牲阳极保护法、外加电流保护法。

5.2 资源保护

合理开发利用金属资源。
回收利用废旧金属。
寻找金属替代品。

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