专题 2.2-1 金属的化学性质（一）金属与氧气和酸的反应（解析版）

第2章物质转化与材料利用2.2-1金属的化学性质（一）金属与氧气和酸的反应目录 1 3 4 4【基础巩固练】 4【发散思维练】 7【核心素养练】 10【中考提分练】 111.金属与氧气反应金属与其他物质发生反应时，会生成新的物质，表现出金属的化学性质。有些金属能在氧气中燃烧，有些金属不能燃烧，但都生成相应的氧化物。氧气的浓度不同，化学反应的现象可能不同。金属在空气中在氧气中化学方程式镁常温下表面逐渐变暗。点燃，剧烈燃烧，发出耀眼白光，生成白色固体点燃，剧烈燃烧，发出耀眼白光，生成白色固体2Mg+O2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(点燃),===)2MgO铝常温下，铝表面变暗，生成一层致密的氧化膜，保护铝不再被腐蚀点燃，剧烈燃烧，火星四射，放出大量的热，生成白色固体4Al+3O2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(点燃),===)2Al2O3铁持续加热发红，离火变冷点燃，剧烈燃烧，火星四射，放出大量的热，生成黑色固体3Fe+2O2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(点燃),===)Fe3O4铜加热，生成黑色物质；潮湿空气中，生成铜绿而被腐蚀加热，生成黑色物质2Cu+O2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(Δ),===)2CuO，2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3金即使在高温时也不与氧气反应【注意】①镁条、铝丝在空气中能燃烧。铁丝在空气中不能燃烧，但在氧气中能燃烧。②铁在空气中缓慢氧化生成的主要产物是Fe2O3(生锈)。铁在氧气中燃烧生成Fe3O4(Fe2O3呈暗红色，Fe3O4呈灰黑色)。③金属铝的表面易生成一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝的进一步氧化，因而铝具有很好的抗腐蚀性能。但用钢丝球擦洗铝制容器会破坏氧化膜，会使金属铝进一步被氧化。2.金属与酸反应金属与盐酸或稀硫酸反应伴随的现象及反应的化学方程式如下表所示：金属现象反应的化学方程式盐酸稀硫酸盐酸稀硫酸镁剧烈反应，产生大量气泡，溶液仍为无色，试管壁发热，生成的气体能够燃烧，产生淡蓝色火焰Mg+2HCl===MgCl2+H2↑Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑铝打磨过的铝放入酸中，剧烈反应产生大量气泡，溶液仍为无色，生成的气体能够燃烧，产生淡蓝色火焰2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑2Al＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2↑锌反应比较剧烈，产生大量气泡，溶液仍为无色，生成的气体能够燃烧，产生淡蓝色火焰Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑铁反应缓慢，有气泡产生，溶液由无色逐渐变为浅绿色，生成的气体能够燃烧，产生淡蓝色火焰Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑铜无任何现象不反应不反应3.置换反应(1)概念：一种单质与一种化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应叫做置换反应。金属与稀盐酸、稀硫酸，以及铁与硫酸铜溶液的反应等都属于置换反应。(2)形式：AB+C→A+CB。[拓展]置换反应归纳①K、Ca、Na等极活泼金属与水反应产生氢气：2Na+2H2O==2NaOH+H2↑氢氧化钠②金属与稀硫酸(或盐酸)的置换反应：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑③金属与某些盐溶液的置换反应：Fe+CuSO4===FeSO4+Cu④热还原置换反应：H2+CuOEQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(Δ),===)Cu+H2O3C+2Fe2O3EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(高温),===)4Fe+3CO2↑2Al+Fe2O3EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(高温),===)Al2O3+2Fe置换反应都属于氧化还原反应。【归纳】4种化学基本反应类型：一种单质跟一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应，叫作置换反应，表示形式为：A＋BC===B＋AC；化合反应是由两种或两种以上物质生成一种物质的反应(A＋B===AB)；分解反应是由一种物质生成两种或两种以上物质的反应(AB===A＋B)；复分解反应是两种化合物互相交换成分生成新化合物的反应(AB＋CD===AD＋CB)。化学反应中的电子转移(1)电子转移：把金属锌放入硫酸铜溶液中，金属锌失去电子变成锌离子进入溶液，而铜离子从金属锌表面得到电子变成了金属铜，上述反应的过程实际上是电子转移的过程。(2)氧化还原反应：在反应物之间电子发生转移的反应。(3)反应中的电子转移与氧化还原反应的关系：电子转移会导致元素的化合价发生变化，我们通常用元素化合价是否发生变化来判定是否为氧化还原反应。氧化剂是得到电子的物质，其组成的元素化合价会降低；还原剂是失去电子的物质，其组成的元素的化合价会升高。另外，同一化学反应中氧化剂和还原剂可以是同一种物质。(4)置换反应与氧化还原反应的关系：所有的置换反应都是氧化还原反应，但氧化还原反应不一定是置换反应。【常考1】掌握金属与氧气、酸的反应【例1】(2020•金华)取一定质量的锌粒和铜片于同一敞口容器中，再逐渐加入稀硫酸。加入稀硫酸的质量与有关量的变化关系图正确的是（）【答案】C【解析】铜与硫酸不反应，随着稀硫酸的加入铜片的质量不变，A错误；锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，随着稀硫酸的加入锌粒质量不断减少至0，B错误；锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，随着稀硫酸的不断加入，氢气的质量不断增加，当锌完全消耗，氢气的质量不变，C正确；锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，随着稀硫酸的不断加入，硫酸锌的质量不断增加，当锌完全消耗，硫酸锌的质量不变，D错误。【常考2】化学反应基本类型【例2】金属钛(Ti)抗腐蚀性能好，露置于空气中数年，仍光亮如初。以金红石(主要成分是TiO2)为原料生产金属钛的步骤主要有：①在高温下，向金红石与焦炭的混合物中通入氯气(Cl2)，得到TiCl4和一种可燃性气体；②在稀有气体环境和加热条件下，用Mg和TiCl4反应得到Ti和MgCl2。下列说法中不正确的是（）A.①中的反应TiO2+C+2Cl2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(高温),===)TiCl2+CO4↑B.②中的稀有气体的作用是隔绝空气C.②中发生的反应为置换反应D.金属钛在常温下不与O2反应【答案】A【解析】A．金红石与焦炭的混合物中通入Cl2，得到TiCl4和一种可燃气体知道反应物是二氧化钛和焦炭、氯气，产物是四氯化钛和一氧化碳，而不是二氧化碳，故A错误；B．稀有气体化学性质稳定，不会参与化学反应，常做保护气，用来隔绝空气，故B正确；C．Mg和TiCl4反应得到Ti和MgCl2，反应物和生成物分别是单质和化合物，属于置换反应，故C正确；D．金属钛抗腐蚀性能好，露置于空气中数年，仍光亮如初，说明金属钛在常温下不与O2反应，故D正确.【基础巩固练】1.(2020•温州)伏打电堆于1800年问世，它利用化学反应将化学能转化为电能，其中的一条化学反应是2Zn+O2+2H2O===2Zn(OH)2，该反应属于（）A.化合反应B.分解反应C.置换反应D.复分解反应【答案】A【解析】该反应由三种物质反应生成一种物质，由两种或两种以上物质反应生成一种物质的反应是化合反应。2.铁、铝、铜都具有的性质是（）①有银白色的光泽②导热性③与稀硫酸反应④与氧气反应⑤与硝酸银溶液反应A.②④⑤B.①③C.①②④D.①②③④⑤【答案】A【解析】金属具有良好的导电性、导热性、延展性；铜是红色固体；铜不能和稀硫酸反应；铜在一定条件下也能与氧气反应；铁、铝、铜的金属活动性比银强。3.用小刀切去一小块钠，放入水中后，观察到金属钠浮在水面上，并在水面上迅速游动，熔成一个银白色的小球，最后完全消失。根据以上内容不能推知的（）A.钠的密度比水小B.钠在水中能燃烧C.钠的熔点比较低D.钠是银白色的固体【答案】Ｂ【解析】A、金属钠浮在水面上，说明其密度小于水，正确；B、根据现象，不能看出钠能在水中燃烧，错误；C、熔成一个银白色小球，说明钠的熔点比较低，正确；C、熔成一个银白色小球，说明钠是银白色的固体，正确B。4.某同学利用初中科学物质间相互转化的知识，设计了下图所示的3条铜的“旅行路线”，每条路线中的每次转化都是通过一步化学反应来实现的。那么，每条路线中可能都有的化学反应类型是（）A.化合反应B.分解反应C.置换反应D.复分解反应【答案】C【解析】置换反应是单质与化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应。5.生活中处处有科学，某同学拆开家中使用过的“暖宝宝”，发现内有褐色固体，查阅后得知：“暖宝宝”成分中有铁粉、食盐和水等物质；使用后形成的褐色固体主要是氧化铁和氢氧化铁，其中氢氧化铁受热会分解成氧化铁和水。据上信息，你认为该褐色固体可能是“暖宝宝”中的物质跟空气中的__________发生反应形成的。请写出氢氧化铁受热分解的化学方程式：______________________________。【答案】氧气2Fe(OH)3EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(Δ),===)Fe2O3+3H2O【解析】在有食盐存在的条件下，铁粉、水极易与空气中的氧气发生复杂的缓慢氧化反应生成铁锈(主要成分是Fe2O3)，释放出热量；氢氧化铁受热分解生成氧化铁，依据质量守恒定律，反应前后各原子的种类和数目不变可确定同时还会生成水，进一步完成化学方程式的书写。6.在利用某种金属材料时，人们往往要考虑这种材料的化学性质，因此需要对一些金属的活动性及反应的快慢进行研究。(1)请写出能体现金属化学性质的一个化学方程式：______________________________。(2)相同条件下，不同金属与相同质量分数的稀硫酸反应，反应的快慢不同。取等质量大小相同的镁片、锌片、铁片中的两种金属，分别放入溶质质量分数相同的足量稀硫酸中，生成氢气的质量(m)与反应时间(t)的关系如图所示，则曲线A对应的金属是__________。(3)在一定条件下，同一反应进行的快慢与反应物的浓度有关。现将一定浓度的稀硫酸与过量锌反应制取氢气，为了使反应速率减慢而又不影响生成氢气的总量，可向稀硫酸中加入适量的一些物质，其中原理上可行的是__________(填序号)。①水②NaOH稀溶液③Na2SO4稀溶液【答案】(1)Mg+2HCl===MgCl2+H2↑(2)铁片(3)①③【解析】（1）某些金属能和稀硫酸反应生成盐和水，例如镁和稀硫酸反应生成硫酸镁和氢气，反应的化学方程式：Mg+H2SO4═MgSO4+H2↑。（2）镁比锌活泼，锌比铁活泼，等质量、大小相似的镁片、锌片、铁片与溶质质量分数相同的足量稀硫酸反应时，镁反应需要时间最短，铁反应需要时间最长，镁反应生成的氢气最多，锌反应生成的氢气最少，由图中信息可知，B比A活泼，A反应生成的氢气比B多，则A是铁，B是锌。（3）为了使反应慢点而又不影响生成氢气的总量，可向稀硫酸中加入适量的水（起到稀释作用）、硫酸钠稀溶液（起到稀释作用），不能用氢氧化钠稀溶液，是因为氢氧化钠能和稀硫酸反应生成硫酸钠和水，影响氢气产量。7.已知材料：在实验室里，金属钠保存在煤油中。在烧杯中加一些水，滴入几滴酚酞试液，然后把一小块钠放人水中，钠与水剧烈反应，钠熔为小球并在水面快速游动，产生一种可燃性气体，烧杯中的液体变红。请回答下列问题：(1)钠、煤油、水三者的密度大小顺序为__________>__________>__________。(2)钠与水反应的化学方程式为______________________________，此反应的基本类型是__________。【答案】(1)水钠煤油(2)2Na+2H2O===2NaOH+H2↑置换反应【解析】（1）根据题目中的“金属钠保存在煤油中”、“钠熔为小球并在水面快速游动”信息，得出钠的密度比煤油的密度大，钠的密度比水的密度小；（2）金属钠与水剧烈反应，生成一种可燃性气体和另一种能使无色酚酞变红的物质，根据反应前后元素的种类不变，说明生成可燃性的氢气和显碱性的氢氧化钠，反应物是Na和H2O，生成物是H2和NaOH，由一种单质和一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应属于置换反应。8.(2020•河南)已知镁和铝的相对原子质量之比为8∶9，若镁和铝分别与足量盐酸反应，生成氢气的质量相等，则参加反应的镁和铝的质量比为（）A.3：2B.4：3C.1：1D.1：2【答案】B【解析】根据化学方程式Mg+2HCl===MgCl+H2↑、2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑可知，1个镁原子产生1个2氢气分子，个铝原子产生1个氢气分子，得Mg~H2、Al~H2，假设氢气质量均为2g，通过计算可得出Mg需要24g，Al需要18g，则镁和铝的质量比为24∶18=4：3，故选B。9.(2021•宁波海曙质检)往一定量的稀硫酸中加入过量的锌粒，如图所示是反应过程中某种量y随加入锌粒的质量变化的图像。由此可知，y不可能表示（）A.溶液中水的质量B.生成硫酸锌的质量C.参加反应的硫酸质量D.生成氢气的质量【答案】A【解析】锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，溶液中水的质量不变，A符合题意；锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，硫酸锌的质量会从原点起增加，至反应结束后不再变化，B不符合题意；参加反应的硫酸质量会随反应的发生而增加，至反应结束不再改变，C不符合题意；生成氢气质量会随反应的发生从原点起增加，至反应结束后不再改变，D不符合题意。【发散思维练】10.(2021•嘉兴海宁期中)在托盘天平的两个托盘上各放一只烧杯，分别注入相同质量分数、相同质量的稀盐酸，天平平衡。向左边的烧杯中加入10g金属锌，向右边的烧杯中加入10g金属镁。当反应停止后，金属都有剩余，天平指针的指向是（）A.分度盘的左边B.分度盘的中间C.分度盘的右边D.3种情况都有可能【答案】B【解析】当反应停止后，金属都有剩余，说明稀盐酸全部反应，因而生成的氢气质量一样。反应后体系的质量=盐酸的质量+金属的质量-产生氢气的质量，故天平左右两边的质量一样。11.等质量的稀硫酸分别与足量的镁、铁、锌三种金属反应，下列图像能正确表示产生氢气的质量与反应时间关系的是（）【答案】D【解析】等质量的稀硫酸分别与足量的镁、铁、锌三种金属反应，由于金属过量而置换出硫酸中全部的氢，因此充分反应后放出氢气的质量相等；根据金属活动性强弱关系：镁>锌>铁，可判断镁与稀硫酸反应最剧烈，铁与稀硫酸反应最慢，即酸与镁的反应时间最短最先完成，其次是锌，最后完成的反应消耗时间最长的为铁。12.如图，将等质量的锌和铁分别放入左、右两支试管中，加入等质量、等质量分数的稀盐酸，充分反应后，冷却到室温，金属均有剩余(U形管内为水，初始液面相平，反应过程中装置气密性良好)，下列说法中正确的是（）A.右侧试管中溶液为浅绿色B.两支试管中所得溶液的质量相等C.U形管中液面左升右降D.右侧试管比左侧试管中产生气泡的速率快【答案】A【解析】锌和稀盐酸反应生成氯化锌和氢气，铁和稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，氯化亚铁溶液是浅绿色的。13.两个烧杯中有等质量的锌和铁，分别逐渐加入等质量分数的稀硫酸，产生氢气的质量与加入硫酸的质量关系如图所示，A、B代表金属，a、b、c是曲线上的三个点，则：(1)分析可知：A金属是__________；在__________点时两烧杯中金属都有剩余。(2)b点时B金属所在烧杯里的溶液溶质是__________(填化学式)。【答案】(1)铁c(2)ZnSO4、H2SO4【解析】根据产生氢气的质量与加入硫酸的质量关系图，铁产生的氢气质量多，故A金属是铁；

加入cg硫酸时，硫酸全部参加反应，两个烧杯中都有金属剩余；加入bg硫酸时，铁产生的氢气多，锌产生的氢气质量少，故b点时B金属所在烧杯里的溶液溶质是ZnSO4，H2SO4。14.现有铜与另一种金属的混合物粉末，另一种金属可能是镁、铁、锌中的一种，现欲测定其组成。【查阅资料】(1)镁、铁、锌皆能与稀硫酸发生置换反应，且生成+2价的可溶性金属硫酸盐和氢气。(2)相对原子质量：Mg-24、Fe-56、Zn-65。【实验步骤及数据】取该混合物粉末8.0g放入烧杯中，将140.0g14.0%的稀硫酸分4次加入该烧杯中，充分反应后，测得剩余固体的质量数据记录如下：次数1234加入稀硫酸的质量/g35.035.035.035.0剩余固体的质量/g6.85.64.44.2通过计算(写出计算过程)，求：(1)该混合物粉末中铜的质量分数。(2)该混合物粉末中另一金属为何种金属?(3)第3次加入硫酸充分反应后，所得溶液中溶质的质量分数是多少?(结果保留至0.1%)【答案】(1)混合物中Cu的质量分数为4.2g/8g×100%=52.5%(2)设该金属Ｍ的相对原子质量为x。第3次反应的硫酸质量为140.0g×14.0%/4=4.9gＭ的质量为5.6g-4.4g=1.2gM+H2SO4===MSO4+H2↑x981.2g4.9gx/98=1.2g/4.9gx=24所以该金属是镁。(3)设所得溶液中MgSO4的质量为y，生成H2的质量为z。H2SO4+Mg===MgSO4+H2↑981202105g×14.0%.yz98/120=105g×14.0%/yy=18g98/2=105g×14.0%/zz=0.3g溶液中MgSO的质量分数为18g/(105g+8.0g-4.4g-0.3g)×100%≈16.6%答：所得溶液中溶质的质量分数为16.6%。【解析】（1）分析表格发现，前三次每加入35g硫酸，剩余固体的质量就减少1.2g，但是第四次加入35g硫酸，剩余固体的质量减少0.2g，说明另一种金属已经全部参加反应，剩余固体就是铜，所以铜的质量为4.2g．该混合物粉末中铜的质量分数=4.2g/8g×100%=52.5%；（2）由于35克硫酸参加反应金属每减少1.2克，由此可以求出第四次参加反应硫酸的质量，根据参加反应金属的质量与参加反应硫酸的质量计算金属的相对原子质量；根据相对原子质量判断金属元素；（3）第三次加入硫酸充分反应后，由于金属有剩余因而所加稀硫酸完全反应，所得溶液为金属的硫酸盐溶液；根据反应的化学方程式则消耗金属的质量计算出反应生成硫酸盐的质量，所得质量与溶液的质量比即得溶液的质量分数；反应后所得溶液的质量由质量守恒定律进行求得．【核心素养练】15.(变化观念与平衡思想)已知：镁在空气中燃烧生成氧化镁和氮化镁(Mg3N2)，氮化镁与水反应生成氢氧化镁和氨气。(1)写出氮化镁与水反应的化学方程式：______________________________。(2)ag镁在空气中完全燃烧生成固体的总质量m为____________________(用含a的式子表示m的取值范围)。(3)某学生对该混合物中氮化镁的质量分数进行测定，设计如下实验装置。【查阅资料】I.碱石灰是固体氧化钙和氢氧化钠的混合物，常用作干燥剂，不与NH反应。II.2NH3+H2O4===(NH4)2SO4。Ⅲ.NH3是一种极易溶于水的气体。【实验步骤】①检查装置的气密性；②精确称量镁在空气中燃烧后的固体5.00g放入锥形瓶中，称量装置C，连接好装置；③关闭止水夹K，打开Ａ中分液漏斗活塞，逐滴加入水，至样品恰好完全反应；④打开止水夹K，鼓入空气；⑤再次称量装置C，装置C增重0.34g。请回答：(一)装置B的作用是______________________________。(二)装置Ｄ的作用是______________________________。(三)实验步骤④中鼓入空气的目的是______________________________。(四)固体混合物中Mg3N2质量分数为____________________。(五)实验证明此方法测定的实验结果偏低，可能____________________的原因是(写一条)。【答案】(1)Mg3N2+6H2O===3Mg(OH)2+2NH3↑(2)(或1.39a<m<1.67a)(3)(一)吸收水蒸气(干燥)(二)防止空气中的水蒸气进入装置C中(三)使产生的氨气完全被浓硫酸吸收(答案合理即可)(四)20%(五)有部分氨气溶于水(答案合理即可)【解析】（1）氮化镁与水反应的化学方程式为：Mg3N2+6H2O═3Mg（OH）2+2NH3↑；（2）设ag镁和氧气反应生成的氧化镁的质量为x，ag镁和氮气反应生成氮化镁的质量为y，2Mg+O2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(点燃),===)2MgO，3Mg+N2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(点燃),===)Mg3N2，488072100agxagy48/ag＝80/x，72/ag＝100/y，x=，y=因此ag镁在空气中完全燃烧生成固体的总质量m为：;（一）装置B的作用是吸收水蒸气；（二）装置D的作用是防止空气中的水蒸气进入C装置中；（三）实验步骤④中鼓入空气的目的是使生成的氨气完全被浓硫酸吸收；（四）设氮化镁的质量为z，装置C增重0.34g，说明生成了0.34g氨气，Mg3N2+6H2O═3Mg（OH）2+2NH3↑，10034z0.34g固体混合物中Mg3N2的质量分数为：1g/5g×100%=20%；（五）实验证明此方法测定的结果偏低，可能原因是部分氨气溶于水中。【中考提分练】16.(2020•台州)某同学用足量的金属镁与7.3g5%的稀盐酸反应，测量产生氢气的体积。(1)已知氢气的密度比空气小，难溶于水。应选择甲图中的___________装置进行制取和收集。(2)乙图为检验发生装置气密性的操作，当观察到水中的导管口有_________产生，则表示该装置气密性良好。(3)已知氢气的密度为0.09g/L，请计算能收集到氢气_________L。(计算结果精确到0.01)(4)反应结束后，发现实际收集到的气体体积比计算值要大，请分析可能原因______________(写两点)【答案】(1)B和D(2)气泡，松手后导管口有一段水柱(3)0.11L(4)反应放热使反应容器内的气体受热膨胀；镁与水发生反应产生气体(或气体中含有水蒸气)【解析】(1)由于实验室制氢气的反应物为固体和液体，且在常温下进行，故选择B作为气体发生装置，由于氢气难溶于水，故选择D作为收集装置。(2)手握法检查气密性的具体操作为：将导管伸入水面，双手握住试管，当观察到水中导管口有气泡，松手后导管口有一段水柱，说明气密性良好。(3)盐酸中氯化氢的质量为7.3g×5%=0.365g。设生成氢气的质量为xMg+2HCl===MgCl2+H2↑7320.365gx73/2=0.365g/xx=0.01g氢气的体积为0.01g/0.09g/L≈0.11L。(4)由于实际收集到的气体体积比计算值要大，分析得排出水的量大于理论上生成氢气的体积，可能是由于金属与水反应为放热反应，导致容器内气体受热膨胀，排出更多的水，也可