普通高中教科书 化学 必修 第二册（2020沪教版）.pdf

普通高中教科书化学必修第二册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版 上海世纪出版（集团）有限公司上海科学技术出版社 （上海市闵行区号景路 159 弄 A 座 9F 10F邮政编码 201101）发 行上海新华书店印 刷上海中华印刷有限公司版 次2021 年 1 月第 1 版印 次2022 年 2 月第 2 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张7.75字 数169 千字书 号ISBN 978 7 5478 5222 4/G1027定 价9.85 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：02164848025，邮箱：全国物价举报电话：12315 声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。主编：麻生明 陈 寅本册主编：麻生明 陈 寅编写人员： （以姓氏笔画为序）匡云艳 朱万森 刘永梅 孙兴文余方喜 姚子鹏 姚秋平 唐增富责任编辑：王美淞 张明睿 胡恺岩 孙 伟美术设计：诸梦婷5.1 金属的性质 35.2 重要的金属化合物 125.3 化学变化中的能量变化 24本章复习 31项目学习活动 如何测定菠菜中铁元素的含量 356.1 化学反应速率 416.2 化学平衡 506.3 化工生产 56本章复习 647.1 饱和烃 717.2不饱和烃 807.3乙醇和乙酸 917.4糖、油脂和蛋白质 98本章复习 105项目学习活动 如何利用数据库探究有机分子的空间结构 111目 录第 5 章 金属及其化合物 1第 6 章 化学反应速率和化学平衡 39第 7 章 常见的有机化合物 69 I 化学词汇中英文对照表 114 II 学生必做实验索引 115 III 元素周期表 116附 录 114金属及其化合物金属及其化合物第5章1 大克鼎是西周晚期贵族用于祭祀的青铜器，含有铜、锡、铅等金属。现藏于上海博物馆。第 7 章5.1 金属的性质5.2 重要的金属化合物5.3 化学变化中的能量变化2元素周期表中大多数元素是金属元素。由金属元素或以金属元素为主制成的材料可应用于各个领域，小到日常民用，大到国防军工，都能看到金属材料的身影。可以说，金属及其材料在人类文明进步和社会发展中起着至关重要的作用。 金属元素在自然界中广泛存在。地球上绝大多数的金属资源存在于地壳和海洋之中，除少数不活泼的金属能以游离态存在之外，其他金属元素大多以化合态形式存在。通过本章学习，我们将了解人们是如何从自然资源中获取金属单质，认识钠、铁等金属及其重要化合物的主要性质和用途，了解化学变化中伴随的能量变化。35.1金属的性质身边的有机化合物第 7 章5.1金属的性质钠和铁都是自然界中储量比较丰富的元素，钠是一种性质非常活泼的金属，铁是人类冶炼和使用最多的金属。本节中我们将以钠、铁为代表，了解金属的主要性质，以及它们在生产、生活中的重要应用。金属表面一般都有光泽，黄金、白银、铂金等饰品就是利用了这一性质。金属具有良好的延展性，可将它们拉成细丝或锤击成薄片。金属既能导电，又有良好的导热性。银的导电性和导热性居金属首位，但由于价格等原因，一般的电线都是用铜制成的。除了这些共性以外，各种金属还具有不同的特性和用途。合金是由两种或两种以上元素（其中至少一种是金属）组成的具有金属特性的物质。由于纯金属性能的局限性，实际中广泛应用的主要是合金。青铜主要是铜合金，钢铁属于铁碳合金。 知道金属的通性 了解钠、铁及其重要化合物的主要性质 理解金属的还原性了解金属冶炼的原理学 习 聚 焦知 识 回 放 金属活动性顺序 氧化还原反应 同周期和同主族元素性质的递变规律（1） 打开元素周期表，标出金属元素的位置区域，估算它们在已发现元素中所占的比例。（2） 在日常生活中，你会用到哪些金属材料？这些材料分别有哪些理化性能？（1） 从原子结构的角度，分析碱金属等主族金属元素原子的核外电子排布与其化学性质的关联。（2） 比较金属活动性顺序表中不同位置金属还原性的相对强弱，以及这些金属所对应正离子氧化性的相对强弱。想一想金属的物理性质想一想金属之最锂 密度最小的金属铝 地壳中含量最高的金属元素钙 人体中含量最多的金属元素铬 硬度最大的金属钨 熔点最高的金属汞 熔点最低的金属资 料 库金属元素的原子结构4金属及其化合物第 5 章金属元素的原子具有较为相似的电子结构，大多数金属元素原子的最外层电子数较少，原子半径较大，容易失去电子。主族金属元素原子在化学反应中失去最外层电子，呈现的最高正价等于原子的最外层电子数。副族金属元素原子的电子结构比较复杂，在化学反应中除能失去最外层的电子外，还能失去排布在内层上的电子，可显示出多种价态。总之，由于金属元素原子的核外电子排布具有共性和个性，因此金属单质的化学性质既有相似的方面，又有差异的体现。金属的化学性质1.金属与非金属单质的反应我们知道许多金属与非金属单质在一定条件下能发生化合反应。同一种金属与不同种非金属单质反应时，可能得到不同价态的生成物。同一种金属与同种非金属单质反应时，如果反应条件不同，也可能得到不同价态的生成物。写出金属铁、铜分别与氯气和硫反应的化学方程式。实 验 探 究取一小块保存在煤油中的金属钠，用滤纸吸干表面的煤油后，用小刀切开一端的外皮，观察钠表面的光泽和颜色，放置一会儿后，再观察表面的变化（图5.1） 。 （金属钠使用时要小心，多余的钠要及时放回煤油中）不同条件下钠在空气中的反应图 5.1金属钠易被空气中的氧气氧化书写表达55.1金属的性质如图 5.2 所示，取绿豆大小的一块钠放在石英玻璃蒸发皿中，用小火加热片刻，待金属钠燃烧起来立即停止加热，观察并记录现象。现象记录： 。实验结论： 。问题：根据实验现象描述钠的物理性质。在常温或加热条件下，钠与氧气反应得到的生成物相同吗？图 5.2钠在空气中燃烧钠暴露在干燥的空气中，易与空气中的氧气反应，生成白色的氧化钠，失去金属光泽而变暗。常温下，钠在空气中就会迅速地被氧化，说明钠的化学性质活泼。钠具有很强的还原性，除了与氧气反应之外，还能与氯气、硫等非金属单质发生反应。铁的化学性质也比较活泼，铁原子在化学反应中容易失去最外层的 2 个电子，变成 Fe2+；若遇较强的氧化剂，铁原子能失去 3 个电子，变成 Fe3+。因此，铁具有还原性，常见的价态为 +2、+3 价。常温下，铁在干燥的空气中不易与氧气、氯气、硫等非金属单质发生反应。在潮湿的空气中，铁易被氧化生成铁锈（主要成分是 Fe2O3xH2O） 。高温时，铁与氧气、氯气、硫等非金属单质均能发生剧烈的反应。2Na + O2 Na2O24Na + O2 2Na2O钠在空气中受热后，先熔化成银色的小球，然后剧烈燃烧，发出黄色火焰，生成一种淡黄色的过氧化钠（Na2O2）固体。钠密度： 0.968 gcm3（293 K）熔点：97.8 沸点：881.4 资 料 库6金属及其化合物第 5 章大多数金属跟钠、铁相似，能与氧气、氯气等非金属单质反应，但由于金属的还原性强弱不同，因此反应的难易和剧烈程度也是不同的。2.金属与水的反应许多金属在一定条件下都能与水发生反应。钠能在冷水中剧烈反应，可用作强除水剂。当钠着火时，不能用水或泡沫灭火剂扑灭，应选用干沙、石粉、专用灭火剂来扑灭。在实验室中，少量金属钠一般保存在煤油或石蜡油中，以隔绝水和空气。日常生活中人们常用铁或铜制的水壶来盛水和烧水，说明这些金属与冷水或热水不发生反应。但在更高温度下，铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。金属铝很活泼，但在空气中易发生“钝化” ，即在铝的表面生成一层致密的氧化膜，这层氧化膜起着保护内部金属的作用。这也正是化学性质活泼的铝能在空气中稳定存在，以及能用于制作炊具的原因。除去氧化膜后，铝能与热水反应生成氢氧化铝和氢气。3.金属与酸、盐溶液的反应比较活泼的金属如锌、铁，它们能与稀硫酸或盐酸等发生置换反应放出氢气。较活泼的金属也可以把相对不活泼的金属从其盐溶液中置换出来。较不活泼的金属如铜、银，它们与稀硫酸或盐酸等不发生反应，但能与浓硫酸、硝酸等具有强氧化性的酸发生反应，生成二氧化硫、氮氧化物等。铁、铝等金属在室温下遇浓硫酸、浓硝酸会发生钝化。3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2高温2Al + 6H2O 2Al(OH)3 + 3H2 写出金属钠与水反应的化学方程式，描述该反应的实验现象。书写表达75.1金属的性质金属的冶炼在自然界中，只有少数化学性质稳定的金属能以游离态存在，如金、铂以及少量的银、铜。大多数金属以化合态存在于矿石中，金属的冶炼就是将化合态的金属元素还原为金属单质的过程。在很多矿物中，金属元素一般以离子的形式存在，由于金属离子的氧化性强弱存在差异，使它们被还原为单质的难易程度不同，因此，金属的冶炼方法也就不同。不活泼金属的硫化物或氧化物在焙烧或加热时就可分解，生成金属单质。例如，焙烧辰砂（HgS）或加热氧化汞都可以制取汞。较活泼的金属可以采用热还原法来制得，常见的还原剂有氢气、焦炭、一氧化碳、活泼金属等。铁是现代生产和生活中使用量最大的金属，炼铁的过程就是加入还原剂将矿石中的铁元素还原成铁单质。纯净的铁有银白色的金属光泽。铁元素在地壳中以化合态形式存在，含量约占 4.75%，仅次于氧、硅、铝（图 5.3） 。用于炼铁的矿石主要有赤铁矿（主要成分是Fe2O3） 、磁铁矿（主要成分是 Fe3O4）和菱铁矿（主要成分是 FeCO3）等（图 5.4） 。炼铁最主要的化学反应是（以赤铁矿石为例） ：焙烧HgS + O2 Hg + SO22HgO 2Hg + O2 实验室里用金属置换出某些盐溶液中的金属时，为何一般不会选择像钠、钾这样的活泼金属？铁密度：7.86 gcm3熔点：1 535 沸点：2 861 资 料 库图 5.3地壳中各种元素的含量Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2高温想一想8金属及其化合物第 5 章通直流电2Al2O3 4Al + 3O2 助熔剂在实际生产中，人们把铁矿石和焦炭等原料混合，在高温下炼制，这样炼出来的铁碳合金，称为生铁。为了提高性能和扩大用途，再除去生铁里的一部分碳和其他杂质，便炼制成了钢，也称为碳钢。在普通碳钢里添加适量的一种或多种合金元素，使钢具有一些特殊的性能，这种钢称为合金钢。钢铁材料的品种繁多，广泛应用于建筑、家电、机械、造船、汽车、铁道、能源等领域（图 5.5） ，是许多基础建设的物质保障，也为国家持续快速的经济发展做出了重大贡献。图 5.4 不同的铁矿石资 料 库表 5.1 生铁和钢铁合金生铁钢含碳量2% 4.3%0.03% 2%机械性能硬而脆硬而韧，有弹性机械加工可铸不可锻可铸可锻指出下列金属冶炼反应中的还原剂。WO3 + 3H2 W + 3H2OZnO + C Zn + CO Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3高温高温书写表达图 5.5 2017 年我国不同行业对钢铁需求的结构2NaCl(熔融) 2Na + Cl2 通直流电金属铝是用电解熔融氧化铝的方法制得的，但氧化铝熔点高，很难直接熔融电解。工业上用冰晶石（Na3AlF6）作为助熔剂，使氧化铝熔融的温度大大降低，然后通直流电制取。活泼金属离子的氧化性很弱，用还原剂很难将它们从化合态还原成单质，一般采用电解法制得。金属钠就是用电解熔融的氯化钠来制取的。赤铁矿磁铁矿菱铁矿95.1金属的性质拓展视野稀土金属是元素周期表中第 3 族的钪、钇和 15 种镧系元素的总称。稀土金属质地比较软，具有优良的光、电、磁等物理特性，它们的化学性质极为相似，都是很活泼的金属，常见化合价为 +3。这些稀土金属常被作为神奇的“调料”使用，只需极少量，就能显著改变材料的性能。稀土金属图 5.6稀土元素钪、钐、铕和镥例如，在铝中加入千分之几的钪，就能明显提升铝合金在高温强度、结构稳定性、抗腐蚀等方面的性能。钪也是铁的有效改良剂，添加少量钪便可显著提高铸铁的强度和硬度。因钪具有较高熔点，且密度又跟铝接近，因此又可被应用于钪钛合金和钪镁合金等，这种高熔点轻质合金材料通常用在航天飞机和火箭上。当然，钪只是稀土金属中的一员。稀土元素还可用于生产荧光、永磁、超导、储氢、磁光存储及光导纤维等材料中。这些稀土材料极具价值且有广泛的用途，在通信、电子计算机、航空航天、医药卫生、新能源等尖端科技领域都有应用。中国化学家徐光宪（19202015）所创立的“串级萃取理论”在稀土工业得到了普遍应用，引导了我国稀土分离科技和产业的全面革新，为稀土功能材料和器件的发展提供了物质保证，使我国实现了从稀土资源大国到生产和应用大国的飞跃，极大地提升了我国稀土产业的国际竞争力。镥 (71Lu)钪 (21Sc)钐 (62Sm)铕 (63Eu)图 5.7 国家最高科学技术奖获得者徐光宪10金属及其化合物第 5 章链接职业 某种合金材料耐腐蚀、强度大。它和铁的部分物理常数如下表所示。 请根据表中数据对该合金材料的性能和用途做出基本评价。 物质的用途应该与其相应的理化性质或性能相匹配。从已知条件和表中信息可知，该合金材料具有高熔点、低密度、高硬度、耐腐蚀等优良性能。拥有这些性能的合金材料，适用于航天器的外壳、炉具、门窗框等。不足之处就是其导电性较差，不适合用作导线等。学习指南例题导引问题：分析：物质熔点密度（gcm3）硬度导电性合金3 2003.207.53.5铁1 5357.864.517 注：硬度以金刚石的硬度 10 为标准，1 表示很软，10 表示很硬。导电性以银的导电性 100 为标准。特种钢的制造在军事、航空航天工业上起着关键性的作用。特种钢就是在碳素钢里适量地加入一种或几种其他元素，例如稀土元素，从而使钢具有各种特殊性能。从事特种钢炼制的科研人员，是国家急需的人才，主要的工作是研究元素添加对特种钢性质的影响和特种钢制备的化学工艺等。特种钢炼制图 5.8 炼钢115.1金属的性质请回答下列问题。（1） 铝具有较好的耐腐蚀性，请解释铝耐腐蚀的原因。（2） 钛是制造飞机的材料之一。根据表中数据，解释为何用钛来制造飞机。（3） 钢是铁合金，汽车车身可以用钢或铝制造。根据表中数据，评述用铝来替代钢制造汽车车身的优缺点。 注：金属强度一般是指材料抵抗外力破坏作用的最大能力，数值越小表示能力越弱。金属熔点密度（gcm3）强度硬度每吨的价格元铁1 5357.86204.54 000铝6602.70112.813 000铜1 0858.96333.048 000钛1 6684.51406.065 000练习巩固1. 在冶金行业中通常把铁称为“黑色金属” ，铁制品在生产、生活中有广泛用途。下列说法正确的是（） 。 （A） 铁是黑色的金属 （B） 用作避雷针是利用铁的导电性 （C） 铁制容器不能贮存浓硫酸 （D） 生铁是铁矿石经热分解法冶炼而得的2. 钠与水反应时的现象与其下列性质无关的是（） 。 （A） 熔点低 （B） 密度小 （C） 导电性好 （D） 有强的还原性3. 下列物质中，不能通过单质之间的化合直接制取的是（） 。 （A） FeCl2 （B） Na2O2 （C） Fe3O4 （D） Na2O4. 表中列出的是铁、铝、铜和钛这四种金属的相关性质。12金属及其化合物第 5 章金属化合物的种类很多，主要有金属氧化物、氢氧化物和盐等。我们已经接触了一些含钠和含铁的化合物，如氢氧化钠、氯化钠、氧化铁等，不同的金属化合物拥有各自的性质和用途。本节我们将进一步学习钠、铁等的一些重要化合物及其应用。自然界中许多矿物的主要成分是以金属氧化物的形式存在的，如赤铁矿（主要成分是 Fe2O3） 、铝土矿（主要成分是 Al2O3）等。多数金属氧化物不溶于水，只有少数金属氧化物能与水反应，生成可溶或微溶的碱。1.氧化钠氧化钠（图 5.9）是碱性氧化物，常温下，与水反应后生成氢氧化物，并放出热量。氧化钠与二氧化碳反应，生成碳酸钠。氧化钠与酸反应，生成相应的钠盐和水。氧化钠在空气中加热会跟氧气反应生成过氧化钠。2.铁的氧化物铁的氧化物主要有氧化亚铁、氧化铁、四氧化三铁等，它们既不溶于水，也不与水发生反应。氧化亚铁是黑色粉末，在空气中受热后会被氧化为氧化铁或四氧化三铁。氧化铁是一种红棕色粉末，俗称铁红，可作油漆和涂料的颜料（图 5.10） 。四氧化三铁是一种复杂的氧化物，它是具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁。氧化亚铁和氧化铁都是碱性氧化物，都能与酸反应，生成亚铁盐和铁盐。离子方程式为：氧化物5.2重要的金属化合物 理解氧化钠与过氧化钠、碳酸钠与碳酸氢钠的化学性质 知道铁的氧化物的性质 理解铁的氢氧化物的制备 学会 Fe3+的检验 了解 Fe3+与 Fe2+的相互转化学 习 聚 焦知 识 回 放 钠与氧气反应 盐酸除铁锈 离子反应图 5.9 氧化钠图 5.10 氧化铁可作建筑外墙的涂料Na2O + H2O 2NaOHNa2O + CO2 Na2CO3Na2O + H2SO4 Na2SO4 + H2O2Na2O + O2 2Na2O2135.2重要的金属化合物过氧化物过氧化钠（Na2O2）是一种重要的过氧化物，具有强氧化性，易潮解，有腐蚀性，应密封保存。实 验 探 究1. 如图 5.11 所示，取一小匙过氧化钠置于干燥的试管中，向试管里滴加 3 mL 水，用带火星的木条，检验生成的气体，用手触感试管底部的温度，然后滴入几滴酚酞试液，观察并记录现象。过氧化钠性质的探究FeO + 2H+ Fe2+ + H2OFe2O3 + 6H+ 2Fe3+ + 3H2O图 5.11 过氧化钠与水反应拓展视野氧化铝是一种白色且熔点较高的氧化物，常用于耐火材料的制造。新制的氧化铝除了能与酸反应外，还能与氢氧化钠溶液反应，生成四羟基合铝酸钠。因此，氧化铝是一种既能与强酸反应又能与强碱反应的两性氧化物。氧化铝Al2O3 + 6HCl 2AlCl3 + 3H2OAl2O3 + 2NaOH + 3H2O 2NaAl(OH)4（c） 滴加酚酞试液（a） 滴加 3 mL 水（b） 用带火星木条检验14金属及其化合物第 5 章问题：过氧化钠与二氧化碳反应后会生成哪些生成物？请设计实验探究该反应的生成物。编号现象记录实验结论化学方程式12过氧化钠与水反应，生成氢氧化钠和氧气。过氧化钠还能与二氧化碳反应，生成碳酸钠和氧气。根据上述性质，可将过氧化钠用作漂白剂、消毒剂、氧化剂，以及潜水员或潜艇的供氧剂等。2Na2O2 + 2H2O 4NaOH + O2 2Na2O2 + 2CO2 2Na2CO3 + O2氢氧化物1.氢氧化钠氢氧化钠是一种白色固体，容易潮解，易溶于水并产生大量的热，水溶液呈强碱性。氢氧化钠能与氯气等一些非金属单质反应，那么它能与金属反应吗？2. 如图 5.12 所示，在长玻璃管中加入少量过氧化钠固体，用气袋（或气囊）向玻璃管内缓缓通入二氧化碳。将反应后的气体通入澄清石灰水中，用手小心触感玻璃管的温度，并用带火星的木条在试管液面上方检验产生的气体。图 5.12 过氧化钠与二氧化碳反应氢氧化钠密度：2.130 gcm3熔点：323 沸点：1 388 对皮肤、纸张、丝绵织物和玻璃等有腐蚀性。资 料 库二氧化碳气体155.2重要的金属化合物实 验 探 究如图 5.13 所示，取一段铝条，用砂纸去除铝条表面的氧化膜后放入试管，加入 3 mL 6 molL1 NaOH 溶液，观察现象。用带导管的塞子塞住试管，将产生的气体导入盛有少量洗涤剂的玻璃蒸发皿中，待蒸发皿中产生较多气泡后，点燃气泡。氢氧化钠与铝的反应图 5.13 氢氧化钠与铝反应2.铁的氢氧化物在 常 见 的 金 属 氢 氧 化 物 中， 除 了 NaOH、KOH、Ba(OH)2等易溶于水，Ca(OH)2微溶于水之外，Fe(OH)3、Al(OH)3等多数的金属氢氧化物都不溶于水，但可溶于酸。常见的铁的氢氧化物有氢氧化铁和氢氧化亚铁。实 验 探 究1. 氢氧化铁的制备取一支试管加入 2 mL FeCl3溶液，再用胶头滴管向其中加入 NaOH 溶液，观察并记录实验现象。2. 氢氧化亚铁的制备Fe(OH)2是一种白色物质，易被氧气等氧化剂氧化，甚至溶解在溶液中的少量氧气也可氧化 Fe(OH)2。请设计一个实验方案，从溶液配制直至生成Fe(OH)2沉淀，整个过程尽量隔绝氧气。在得到白色絮状沉淀后，进一步观察Fe(OH)2的氧化过程。你的实验方案是：氢氧化铁和氢氧化亚铁的制备现象记录： 。实验结论： 。问题：上述实验中氢氧化钠和铝分别表现出哪些化学性质？16金属及其化合物第 5 章编号现象记录化学方程式或离子方程式12铁盐溶液与碱溶液反应得到的氢氧化铁是一种不溶于水的红褐色沉淀（图 5.14） 。氢氧化铁可用来制药、制颜料等。加热时，氢氧化铁分解为氧化铁和水。FeSO4与 NaOH 反应，生成的白色絮状沉淀暴露在空气中会迅速变为灰绿色，最后变成红褐色。因为不溶于水的白色 Fe(OH)2被空气中的 O2氧化为红褐色的 Fe(OH)3。2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2OFeSO4 + 2NaOH Fe(OH)2 + Na2SO44Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3实验目的：实验原理：实验用品：实验步骤：数据处理与实验结果：问题与讨论：氢氧化铁和氢氧化亚铁都是难溶的氢氧化物，请写出它们分别与盐酸反应的离子方程式。书写表达氢氧化亚铁的制备图 5.14 氢氧化铁沉淀175.2重要的金属化合物实 验 探 究1. 热稳定性在两支大试管内分别放入少量碳酸钠和碳酸氢钠固体，按图 5.15 所示搭建装置，将导管分别伸入两支盛有澄清石灰水的小试管中。 在大试管底部加热，观察现象，并尝试得出结论。2. 与盐酸反应如图 5.16（a）所示，在一支 Y 形试管的一侧支管中放小磁子和 1 g 碳酸钠，另一支 Y 形试管的一侧支管中放小磁子和 1 g 碳酸氢钠，在两支 Y 形管的另一比较碳酸钠、碳酸氢钠的化学性质（a） 加热碳酸钠固体（b） 加热碳酸氢钠固体图 5.15 加热碳酸钠和碳酸氢钠固体碳酸钠和碳酸氢钠都能与盐酸反应，请分别写出它们与盐酸反应的离子方程式。书写表达盐1.碳酸钠和碳酸氢钠碳酸钠和碳酸氢钠是常见的钠盐。碳酸钠俗称苏打，又称纯碱，常温下为白色粉末，易溶于水，水溶液呈碱性。碳酸钠是一种重要的化工原料，广泛应用于石油、纺织、冶金、建筑等领域。碳酸氢钠俗称小苏打，常温下为白色晶体，在水中的溶解度小于碳酸钠，水溶液呈弱碱性。在制药中用作制酸剂，在食品工业中用作酸度调节剂、膨松剂等。18金属及其化合物第 5 章图 5.16 碳酸钠、碳酸氢钠分别与盐酸反应物质热稳定性化学方程式与盐酸反应化学方程式Na2CO3NaHCO3实验表明，碳酸氢钠比碳酸钠更易受热分解。碳酸氢钠在加热后迅速分解，产生二氧化碳气体。碳酸钠则很难受热分解。碳酸钠与盐酸反应其实是分两步完成的。碳酸氢钠遇到稀盐酸放出二氧化碳，要比碳酸钠剧烈得多。2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2ONa2CO3 + HCl NaHCO3 + NaClNaHCO3 + HCl NaCl + H2O + CO2 根据碳酸钠、碳酸氢钠的性质，思考可以利用哪些方法来鉴别碳酸钠和碳酸氢钠。侧支管中都加入 10 mL 0.1 molL1稀盐酸。在两支 Y 形试管上各连一个气体压强传感器，并与数据采集器和计算机连接并采集压强数据。将两支 Y 形管同时向一侧倾斜，使盐酸跟固体反应，同时将 Y 形管固定在磁力搅拌器上搅拌。观察试管中的现象和采集到的压强数据的变化，根据如图 5.16 （b） 所示的实验结果，得出结论。（b）（a）想一想195.2重要的金属化合物碳酸钠粉末露置在潮湿的空气中会吸收水分，形成水合碳酸钠晶体（Na2CO3xH2O） 。像石碱（Na2CO310H2O）这种碳酸钠晶体在干燥空气里容易逐渐失去结晶水变成碳酸钠粉末。向碳酸钠溶液中通入二氧化碳可生成碳酸氢钠。享誉世界的侯氏制碱法碳酸钠俗称纯碱，是一种重要的化工原料，人们曾经从盐湖等天然资源中获得纯碱，但这远远不能满足工业生产的需要。为此，化学家从 18 世纪起就开始探索采用工业方法生产纯碱。1861 年比利时化学家索尔维用食盐、氨水、二氧化碳为原料，于室温下从溶液中析出碳酸氢钠，将它煅烧，即分解为碳酸钠。此法称为索尔维法，并沿用至今。NH3 + CO2 + H2O NH4HCO3NH4HCO3 + NaCl NaHCO3 + NH4Cl2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O索尔维法生产出的纯碱产量高、质量好，多国采用索尔维法建立了大规模生产纯碱的工厂，并成立索尔维公会，对会员国以外的国家实施技术封锁。第一次世界大战期间，欧亚交通壅阻，由于我国所需的纯碱是从英国进口的，一时间，纯碱非常匮乏，一些以纯碱为原料的企业难以维系。1917 年，中国化工实业家范旭东（18831945）在天津塘沽创办了永利制碱公司，决心打破外国的垄断，生产出中国的纯碱。1921 年，侯德榜（18901974）受邀担任永利碱厂的技师长，他全身心投入到制碱工艺和设备的改进上。1926 年，永利碱厂生产的“红三角”牌纯碱在万国博览会上获得金质奖章，产品不仅畅销国内，而且打入国际市场。1932 年，侯德榜将多年研究心得写成纯碱制造一书，将保密达 70 年之久的索尔维法制碱技术公之于世。1938 年初，侯德榜决定在四川建立新碱厂，但他面临的困难有：中国内陆缺盐，而索尔维法食盐的转化率较低，制碱成本高，废液、废渣污染环境和难以处理等。因此，必须对制碱工艺进行改进创新。他提出将索尔维法制碱和合成氨两大工业联合，同时生产纯碱和化肥氯化铵。为此，侯德榜带领技术人员进行了 500多次试验，分析了 2 000 多个样品，终于在 1943 年，侯德榜发明和创立了举世闻化学史话图 5.17侯德榜20金属及其化合物第 5 章Fe3+具有氧化性，遇到金属铁、铜等时，会被还原为Fe2+。Fe2+既有氧化性，又有还原性，通常主要表现为还原性。Fe2+遇到强氧化性的物质如氧气、氯水、硝酸等时，会被氧化为 Fe3+。因此，Fe2+和 Fe3+在一定条件下可以相互转化。实 验 探 究取一支试管加入2 mL 0.1 molL1 FeCl3溶液，然后滴入2滴0.1 molL1 KSCN 溶液，观察并记录实验现象。向上述试管中加入过量铁粉，充分振荡后静置。再取上层清液，滴入几滴新制氯水，观察和记录实验过程中的现象。现象记录： 。实验结论： 。问题：将实验中的铁粉换成铜粉，氯水换成其他氧化剂，能否产生同样效果？通过探究你能总结 Fe2+和 Fe3+之间相互转化的规律吗？Fe2+和 Fe3+性质的探究2.铁盐和亚铁盐氯化铁、硫酸铁等含有 Fe3+的盐溶液遇到硫氰化钾（KSCN）溶液后变成血红色（图 5.18） ，我们可利用这一性质来检验 Fe3+的存在。名的“联合制碱法” 。此法将氨与二氧化碳（合成氨工业的副产品）先后通入饱和食盐水中，析出碳酸氢钠，经过滤、洗涤、煅烧而得纯碱产品。在滤液中，通入氨、冷冻和添加食盐，使氯化铵析出，经过滤、洗涤、干燥而得氯化铵。此时，由食盐所饱和的滤液，可再通入氨和二氧化碳，循环利用。NaCl + NH3 + CO2 + H2O NaHCO3 + NH4Cl联合制碱法大大地提高了食盐利用率，避免废液、废渣的产生，也节省了耗能的设备。由于侯德榜对制碱技术做出了重大贡献，人们把他所发明的联合制碱法称为“侯氏制碱法” 。图 5.18 Fe3+遇 KSCN 溶液显血红色215.2重要的金属化合物拓展视野1911 年荷兰物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes, 18531926）首次发现当温度降到 4.3 K 附近时，汞的电阻突然消失。这就是某些材料在低温下的超导现象，能发生超导现象的物质叫做超导体，超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度。大多数金属元素及数以千计的合金、化合物均可在不同条件下显示出超导性，如钨的转变温度为 0.012 K，铝为 1.196 K 等。没有电阻的金属具有巨大价值，但由于维持低温的液氦成本太大，从而限制了超导体的应用。科学家一直在探索高温超导体，高温超导体将超越常规材料而拥有广泛用途，如可制作磁体应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输，还可制作电缆用于大容量输电、通信等。20 世纪 80 年代，掀起了以金属氧化物为对象，以寻找高温超导体为目标的研究热潮。1987 年中国科学院物理研究所赵忠贤研究团队和科学家朱经武分别发现 YBaCuO 体系中存在 100 K 和 92 K 的超导体。此后，更高温度的金属氧化物超导材料被陆续发现。金属和金属氧化物超导现象的探索表明，种类繁多的金属及其化合物中拥有许多奇妙的性质，等待我们进一步去开拓和研究，使之为人类服务。金属和金属氧化物超导材料2Fe3+ + Fe 3Fe2+2Fe2+ + Cl2 2Fe3+ + 2Cl请分析以下操作过程的化学原理： 实验室配制 FeSO4溶液时，常会添加铁粉； 用 FeCl3溶液作蚀刻剂制作简易的印制电路板（印制电路板可由绝缘材料和铜箔复合而成，为板上电子元器件的连接提供支撑体） 。想一想22金属及其化合物第 5 章分析：练习巩固1. 室温下金属钠长期露置在空气中，最终将变为（） 。 （A） Na2O （B） Na2O2 （C） Na2CO3 （D） NaOH2. 为了检验 FeCl2溶液是否被氧化，可向溶液中加入（） 。 （A） 新制氯水 （B） 铁片 （C） KSCN 溶液 （D） 石蕊试液3. 整理 Na2CO3和 NaHCO3的性质和用途，补全表格的内容。名称（俗名）碳酸钠（俗名： ）碳酸氢钠（俗名： ）物理性质化学性质用途例题导引 某学生在实验室用如图 5.19 所示的装置制备白色的 Fe(OH)2。向装置中投入过量的纯铁粉和稀硫酸，装置中盛有NaOH 溶液。 （1） 该学生会用煮沸过的蒸馏水来配制NaOH 溶液，为什么？ （2） 待装置中的反应结束后，如何操作将会得到白色的 Fe(OH)2沉淀？ （1） Fe(OH)2易被空气中的氧气氧化，故制备时主要是避免氧气的介入。用煮沸过的蒸馏水来配制 NaOH 溶液就是避免溶入 氧气。 （2） 上述实验装置的主要目的是：装置在制备 FeSO4的同时，生成的氢气通过带止水夹的导管进入装置，把装置中的空气全部排出。待一段时间后再夹紧止水夹，氢气无法排出致使装置内的压强增大，将反应后的 FeSO4溶液通过导管被压入装置，并跟装置中的 NaOH 溶液反应，此时会观察到生成的白色 Fe(OH)2沉淀。问题：学习指南图 5.19235.2重要的金属化合物（1） 铁元素在人体中存在的形式与作用是什么？（2） 补血剂成分中含有维生素 C 的理由。（3） 补血剂说明书中注明： “喝本品后 2 h 内不能喝茶、咖啡、牛奶，以免影响铁的吸收。 ”为何服用补血剂后立即饮茶会影响铁的吸收？根据 Fe2+的性质，请写出你的猜想，并设计实验来证明。4. 铁元素是人体必不可少的元素之一，若人体内铁的含量不能满足正常红细胞生成的需要而发生的贫血称为缺铁性贫血。下图为某品牌补血剂的说明书。阅读说明书并查阅相关资料，回答下列问题。（第 4 题）24金属及其化合物第 5 章人类利用化学反应不仅可以创造新物质，还可以获取能量或实现不同形式能量之间的转化。用柴木可以生火取暖和照明，在这个过程中化学能转化成了热能、光能等。利用电池的化学反应可获取驱动汽车的电能，在该过程中实现了化学能与电能的相互转化。在本节中，我们将学习物质在发生化学变化的过程中能量是如何变化的。物质内部都储存着能量。化学能是在化学反应中表现出来的，与化学键等有关的能量。化学反应中的能量变化主要有热能、电能、光能等多种形式，一般人类利用较多的是反应产生的热能和电能。吸热反应和放热反应5.3化学变化中的能量变化 知道吸热反应和放热反应 了解化学反应体系能量改变与化学键的断裂和形成有关 知道化学反应可以实现化学能与其他形式能量的转化 知道化学能可以转化为电能 认识原电池的组成和工作原理学 习 聚 焦知 识 回 放 燃烧反应 碳酸钙的分解反应 化学键 氧化还原反应实 验 探 究用硬纸片折成漏斗状，侧面用钉书钉钉上，底部剪一小孔，内放一用滤纸折成的漏斗，用少量水湿润使滤纸紧贴住硬纸片。将 5 g 氧化铁粉末和 2 g铝粉混合均匀后，放在纸漏斗中。如图 5.20 所示，把纸漏斗架在铁圈上，将整套装置放置在一个盛砂的铁盘上。在固体混合物上平铺少量氯酸钾固体，混合物中间插上一根打磨过的镁条，用点火枪点燃镁条。现象记录： 。实验结论： 。铝热反应图 5.20 铝热反应问题：查阅相关资料了解铝热反应有何实际应用。255.3化学变化中的能量变化化学中把有热量放出的化学反应叫做放热反应，把吸收热量的化学反应叫做吸热反应。铁与盐酸的反应是放热反应，氢氧化钠与盐酸的中和反应也是放热反应，氢气、木炭、甲烷等在氧气中的燃烧反应都是放热反应。碳酸钙的分解是吸热反应，灼热的炭与二氧化碳的反应也是吸热反应。为什么有的化学反应会释放热量，而有的化学反应却需要吸收热量呢？这是由于物质在发生化学反应时，反应物中的化学键发生断裂，需要吸收能量；而生成物中新的化学键生成时，会放出能量。若化学键断裂需要吸收的总能量小于化学键生成时释放出的总能量，那么该化学反应就是放热反应，化学能转化为热能等释放出来。反之是吸热反应，热能会转化成化学能储存起来。我们还可以从反应物总能量和生成物总能量的相对大小，来看化学反应是释放热量还是吸收热量。若反应物的总能量高于生成物的总能量，发生反应时会向周围环境释放能量；若反应物的总能量低于生成物的总能量，发生反应时需要从周围环境吸收能量（图 5.21） 。化石燃料在燃烧时为人类生产、生活提供了大量的热能。燃料燃烧效率的提高与热能的充分利用是提高燃料利用率的重要途径。化石燃料为不可再生资源，因此，世界各国科学家不断努力寻找化石燃料的可替代能源，开发新型的清洁能源。图 5.21 化学反应中的能量变化示意图化学能可以转化为热能，还可以转化为电能等其他形式的能量。我们把化学能转化为电能的装置，称为化学电源，习惯上叫做电池。电池大体上可分为原电池、蓄电池和燃料电池等。在学习原电池的相关原理之前，让我们先来探究一个实验。化学能与电能的转化CaCO3 CaO + CO2 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O点燃26金属及其化合物第 5 章实 验 探 究1. 把一块铜片和锌片并排插入盛有稀硫酸的容器里，观察实验现象。2. 把铜片、锌片分别用导线连接，并接入灵敏电流计（图 5.22） ，观察和记录实验现象。问题：实验 2 中灵敏电流计的指针为何会发生偏转？铜锌原电池编号现象记录实验结论12这是一个有趣的实验，我们知道铜与稀硫酸是不会发生化学反应的，但当用导线将铜片和锌片连接在一起，并同时插入稀硫酸中时，铜片的表面会出现气泡，接入导线中的灵敏电流计的指针发生了偏转。这说明在导线中有电流流过，该装置已构成一个原电池。这是因为，浸在稀硫酸里的铜片和锌片用导线连接后，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化为 Zn2+而进入溶液，金属锌表面的电子通过导线流向铜片，溶液中的 H+从铜片上获得电子，被还原为氢原子，进而结合成氢分子从铜片上放出。电子的定向流动产生了电流，使电流计的指针发生了偏转。这一过程的总反应可表示为：Zn + 2H+ Zn2+ + H2 图 5.22 原电池实验装置275.3化学变化中的能量变化在原电池中，电子流出的电极是负极，如上述原电池中的锌片，电极材料失去电子被氧化，发生氧化反应；电子流入的电极是正极，如铜片，H+在电极上得到电子，发生还原反应。人们就是利用原电池的原理制作了多种电池。铜锌原电池的电极反应式锌片为负极，发生氧化反应：Zn 2e Zn2+铜片为正极，发生还原反应：2H+ + 2e H2资 料 库分析原电池主要由哪几部分组成，每一部分在电池反应中各起什么作用？电池的发明1780 年，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani, 17371798）在进行青蛙解剖实验时，将已解剖的青蛙放在潮湿的