NCEA 1 级科学/物质的性质和变化

烧杯中的氯化氢蒸汽和试管中的氨气相遇形成新的物质氯化铵的云

介绍

金属在我们日常生活中随处可见。通常，我们看到它们是化合物，如不锈钢（由铁、镍和铬制成）。在化学中，金属是元素周期表中左侧和中间的元素。中间的金属称为过渡金属。

物理性质

大多数金属具有以下物理性质

• 导电性（具有自由电子）
• 导热性（热量导体）
• 密度（原子结构紧密排列）
• 延展性（可以拉成细丝，例如电线）
• 光泽（闪亮）
• 延展性（可以锤成形状）

金属通常在室温（20 ˚C）下为固体，唯一的例外是汞，其熔点为 -39 ˚C。金属也通常为灰色或银色，铜是例外。

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  导电性
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  导热性
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  密度
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  延展性
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  光泽
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  延展性

金属的反应

镁火。第一股来自 CO₂灭火器，第二股来自粉末灭火器，第三股来自泡沫灭火器。由于相机根据最亮的光源设置灵敏度，请注意设置，以便了解火产生的光的强度。

活性（反应性）序列

金属	Na	Ca	Mg	Al	Zn	Fe	Pb	Cu
符号	Na+	Ca2+	Mg2+	Al3+	Zn2+	Fe2+	Pb2+	Cu2+
反应性

反应性序列显示了金属对氧气、水或酸的反应性。钠和钙的反应性最高。钠的反应性最高，因为它离拥有完整的价电子层只有一个电子。

金属和氧气

提示！
金属 + 氧气 → 金属氧化物

当金属与氧气反应时，它们会形成金属氧化物涂层。

对于文字方程式，需要反应物和产物的名称。对于化学方程式，应遵循滴落交换规则。此外，方程式需要平衡，以便反应物的数量等于产物的数量。

金属	反应	评论
钠	钠 + 氧气 → 氧化钠 4Na + O2 → 2Na2O	钠暴露在空气中时会立即与氧气反应，因此有必要将其放在油中以防止与空气接触。
钙	钙 + 氧气 → 氧化钙 2 Ca + O2 → 2CaO	钙对氧气的反应性很高，因为它离拥有完整的价电子层有两个电子。
镁	镁 + 氧气 → 氧化镁 2Mg + O2 → 2MgO	在氧化镁反应中，当镁在本生灯火焰中燃烧时，会观察到明亮的白光。产物氧化镁是产生的白色粉末。
铝	铝 + 氧气 → 氧化铝 4Al +3 O2 → 2Al2O3	氧化铝层是完整的，没有间隙，因此可以防止铝与氧气、水或酸接触。这种不溶性涂层使铝看起来不反应，尽管铝在活性序列中的排名很高。
锌	锌 + 氧气 → 氧化锌 2Zn + O2 → 2ZnO	锌的反应性很强，它很容易氧化。
铁	铁 + 氧气 → 氧化铁 4Fe +3 O2 →2Fe2O3	铁的氧化反应通常被称为生锈。在氧气和水的存在下，生锈会缓慢发生，形成氧化铁。
铅	铅 + 氧气 → 氧化铅 2Pb + O2 → 2PbO	当铅加热到 600°C 时，会发生氧化铅（II），呈红色或黄色。与铅一样，氧化铅有毒，是铅漆的成分。
铜	铜 + 氧气 → 氧化铜 2Cu + O2 → 2CuO	铜位于活性序列的末尾，反应性很弱。它与氧气的反应需要很长时间。作为一种过渡金属，它在变成化合物时会改变颜色。铜在变成氧化铜时会从红褐色变成黑色。

生锈

一个心形的生锈金属补丁，从破裂和剥落的油漆中显露出来；一个靠近铁路轨道的金属墙。

氧化铁反应通常被称为生锈。

生锈在氧气（不是空气，空气主要是氮气）和水的存在下发生。金属生锈或氧化需要这两种元素。在这些条件下，铁会与空气和水结合形成水合氧化铁。

生锈是一个非常昂贵的问题，因为它会腐蚀金属，最终完全溶解它。可以采取以下措施防止生锈

• 合金化

通过将铁与铬或镍或两者合金化，可以形成不锈钢，它具有化学抗腐蚀性。这是最昂贵的方法，但它使金属绝对防锈。

• 镀锌

与铁相比，更容易与腐蚀性物质反应的金属会牺牲自己来保护铁（这些金属可以在活性序列中找到）。这种牺牲腐蚀通常用于保护铁，例如在屋顶上以镀锌铁的形式使用。在腐蚀性物质的存在下，锌与铁形成电势，导致锌牺牲自己并保护铁，只要锌仍然存在。但是，如果另一种反应性更弱的金属接触到这种锌涂层，锌会溶解以防止这种反应性更弱的金属腐蚀。当锌腐蚀后，铁会开始腐蚀。

生锈的栅栏

• 涂层

涂层必须完全覆盖铁，并且必须是不渗透的（防止与氧气和水接触）。只要涂层完全覆盖它，这种方法就有效。它是最便宜的，因此也是最常见的。油漆是常用的金属涂层，例如汽车。保护层也可以是不反应的金属，例如铬和锡（用于罐头，称为锡罐）。但是，这意味着电势被设置为保护涂层，因此如果涂层破损，铁上的生锈速度会加快。

特殊氧化层

虽然铝的化学反应性很强，但铝会形成一层薄而透明的完整氧化层，保护它免受进一步腐蚀。因此，在正常的环境条件下，它看起来是不反应的。

锌和铅的反应性比铝弱，也会形成类似的保护层。

金属和水

提示！
金属 + 水 → 金属氢氧化物 + 氢

金属与水反应生成金属氢氧化物（液体）和氢气。金属氢氧化物是碱性物质。像钠这样的金属会与水剧烈反应，而铜则反应性很弱。

示例

钠 + 水 → 氢氧化钠 + 氢气

Mg + H₂O → Mg(OH)₂ → H₂

Zn + H₂O → Zn(OH)₂ + H₂

钙 + 水 → 氢氧化钙 + 氢气

Pb + 2H₂O → Pb(OH)₂ + H₂

铁 + 水 → 氢氧化铁 + 氢气

Al + H₂O → Al(OH)₃ + H₂O

H 是氢元素，H₂ 是氢气。

氢气的检验方法是爆鸣实验。爆鸣实验包括收集气体样本并点燃。氢气燃烧会发出爆鸣声。

金属和酸

提示！
金属 + 酸 → 金属离子（盐） + 氢气

当金属与酸反应时，会形成金属离子（盐）并产生氢气。

示例

锌 + 盐酸 → 氯化锌 + 氢气

Ca + H₂SO₄ + CaSO₄ + H₂

镁 + 盐酸 → 氯化镁 + 氢气

Mg + HCl → MgCl₂ + H₂

钠 + 硫酸 → 硫酸钠 + 氢气

Al + H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + H₂

铅 + 盐酸 → 氯化铅 + 氢气

Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂

化学方程式的配平

提示！
反应物 → 生成物

一个配平的化学方程式是指反应物和生成物两边每种元素的原子数目相同。为了配平化学方程式，我们在元素或化合物前面加上系数。

示例

2Mg + O2 → 2MgO

对指示剂的影响

酸

酸是一种含有氢的化合物，可以在水中释放氢离子（H⁺），从而产生比纯水中更高的氢离子浓度。酸的味道是酸的，并且具有腐蚀性。

有机酸（含有碳的酸）的例子

• 
  可乐（碳酸）
• 
  柑橘类水果（柠檬酸）
• 
  醋（乙酸）
• 
  蜜蜂蜇伤
• 
  叶子（草酸）
• 
  阿司匹林（水杨酸）
• 
  胃酸（盐酸）

盐酸是常见的实验室试剂。

实验室中使用的无机酸包括

• 盐酸 (HCl)
• 硫酸 (H₂SO₄)

氯化氢 (HCl) 是酸，因为它溶解在水中会产生氢离子和氯离子，被称为盐酸。判断一种物质是否是酸的一个线索是它的化学式是否以 H 开头，例如 HCl 和 H₂SO₄。但是，并非所有情况下都如此。

酸具有腐蚀性，因为它们溶解在水中（例如，氯化氢溶解形成盐酸）时会释放氢离子。这些氢离子反应性很强，因为它们会与另一种化合物结合以形成稳定的状态。当酸洒到皮肤上时，酸会分解皮肤，与构成皮肤的化合物结合。然而，在学校实验室环境中，酸通常会被高度稀释，但如果处理不及时，仍然有可能造成伤害。

碱

碱是一类碱性物质，味道苦，摸起来滑腻。当溶解在水中时，碱会产生过量的氢氧根离子 (OH^-.)。

常见的家庭用碱的例子

• 肥皂
• 烤箱清洁剂
• 清洁产品
• 胃药片
• 洗衣粉
• 家用清洁剂
• 洗碗液

常见的碱包括

• 氢氧化钠 (NaOH)
• 氢氧化钙 (Ca(OH)₂)
• 氨水 (NH₃)

中和反应

当酸和碱相互反应时，会发生中和反应，生成盐和水。使用指示剂，例如石蕊试纸，可以找到混合物变为中性的点。

中和反应可以表示为

H⁺ + OH^- → H₂O

但是，由于酸碱反应中存在其他化合物，实际反应会形成盐。

酸 + 碱 → 盐 + 水

示例

氢氧化钠（也称为苛性钠）与盐酸混合，形成水和氯化钠。

氢氧化钠 + 盐酸 → 水 + 氯化钠 NaOH + HCl → H₂O + NaCl

驱动此反应的原因是形成溶剂，在本例中是水。虽然形成了水分子，但钠 (Na⁺) 和氯 (Cl^-) 离子仍然是分离的。通过蒸发水，氯化钠 (NaCl) 会随着离子结合形成化合物而形成。

指示剂

指示剂是任何在酸性、碱性或中性溶液中会改变颜色的化学物质或天然产物。常见的化学指示剂有

• 通用指示剂
• &石蕊试纸（染料和纸张）

其中最有用的是通用指示剂。通用指示剂是几种不同化学指示剂的混合物。之所以能够呈现出各种颜色，是因为通用指示剂溶液在特定 pH 值下的颜色是由各个指示剂的颜色决定的。总体效果是在较大的 pH 范围内逐渐发生颜色变化。

石蕊和其他许多指示剂都来自植物汁液。石蕊是从地衣中提取的。许多植物汁液，例如甜菜汁，也可以根据溶液的酸性、碱性或中性而改变颜色。

在不同酸碱度下的颜色变化

指示剂	酸	颜色	中性	颜色	碱	颜色
通用指示剂	红色、橙色、黄色		绿色		蓝色、紫色
石蕊	红色				蓝色

颜色变化的例子

溶液	颜色变化	颜色	溶液类型
Jif	蓝色		碱
牛奶	黄色		弱酸
烤箱清洁剂	蓝色		碱
咖啡	黄色		弱酸
酸橙汁	红色		酸
雪碧	红色		酸
醋	红色		酸
洗碗液	蓝色		碱
茶	黄色		弱酸

pH 值

pH（氢离子浓度）值是指溶液的酸碱度。

通用指示剂

通用指示剂的颜色决定了酸或碱的强度。偏离 pH 7 的值越大，酸或碱的强度就越大。

pH 范围	描述	颜色	颜色样本
0	强酸	红色
1	强酸	红色
2	强酸	红色
3	弱酸	橙色
4	弱酸	橙色
5	弱酸	黄色
6	弱酸	黄色
7	中性	绿色
8	弱碱	蓝色
9	弱碱	蓝色
10	弱碱	蓝色
11	弱碱	蓝色
12	强碱	紫色
13	强碱	紫色
14	强碱	紫色

酸和碳酸盐

酸和金属氧化物

金属氧化物与酸反应会生成盐和水。

提示！
金属氧化物 + 酸 → 盐 + 水

示例

MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O

氧化镁 + 盐酸 → 氯化镁 + 水

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

氧化钠 + 硫酸 → 硫酸钠 + 水

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

氧化铅 + 盐酸 → 氯化铅 + 水

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

金属氧化物是碱性的，可以用酸来中和。

酸和氢氧化物

酸与金属氢氧化物的反应也会生成盐和水。

提示！
金属氢氧化物 + 酸 → 盐 + 水

示例

Cu(OH)₂ + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

氢氧化铜 + 硫酸 → 硫酸铜 + 水

Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O

氢氧化镁 + 盐酸 → 氯化镁 + 水

2Al(OH)₂ +3H₂SO₄ → 2Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O

酸和碳酸盐

提示！
金属碳酸盐 + 酸 → 盐 + 二氧化碳 + 水

金属碳酸盐与酸反应会生成盐、二氧化碳气体和水。

示例

ZnCO₃ + HCl → ZnCl₂ + CO₂ + H₂O

CO₂ 的检验方法是：石灰水变浑浊。

酸和碳酸氢盐

提示！
金属碳酸氢盐 + 酸 → 盐 + 二氧化碳 + 水

金属碳酸氢盐（碳酸氢盐）也会与酸反应生成盐、二氧化碳和水。

示例

碳酸氢钙 + 硫酸 → 硫酸钙 + 二氧化碳 + 水

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ + H₂O

小苏打

NaHCO₃ 通常被称为小苏打。泡打粉是NaHCO₃ 添加了酒石酸以改善口感。

金属

金属	符号	示例
钠	Na
钙	Ca
镁	Mg
铝	Al
锌	Zn
铁	Fe
铅	Pb
铜	Cu