一、合金

1.1 定义 ：

  1. 定义： 由两种或两种以上的金属与金属（或非金属）熔合而成具有金属特性的物质（均一、稳定）
  2. 形成条件：
    1. 金属与金属：形成合金时的温度，需要达到所有成分金属中熔点最高，但是又不能超过所有成分金属中沸点最低的那个才能形成
    2. 金属与非金属：部分不活泼金属与活泼金属可以形成合金，一般活泼非金属与活泼金属不能形成合金

1.2 结构与性质

1. 结构

  1. 纯金属：所有原子的大小和形状形同，排列规整，原子层之间的相对滑动较为简单
  2. 合金：纯金属中加入或大或小的其他元素的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金的硬度变大。

2. 性质

  1. 硬度：合金的硬度一般大于其成分金属
  2. 熔点：合金的熔点多数低于其成分金属
  3. 性能：合金的物理、化学性质及机械性能优于各成分金属
  4. 性能改变：可以通过改变元素种类、含量和生成合金的条件等加以调节

二、铁合金

2.1 生铁和钢

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生铁和钢

2.2 合金钢

  1. 定义：碳素钢加上一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化
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合金钢

三、铝及铝合金

3.1 金属铝

1.组成及概况

  1. 金属铝 ：在自然界中存在单质铝和铝的化合物，但是单质铝的表面通常会有致密的氧化铝膜，可以增强腐蚀性，起到保护内部单质铝的作用。

2.性质

  1. 物理性质： 银白色有金属光泽的固体，良好的延展性、导电性和导热性，密度较小，质地柔软
  2. 化学性质： 属于活泼金属，有较强的还原性；且是两性物质，既能和酸反应，又能和碱反应

3. 转化规律

  1. 与\(\ce{O2}\) ：\(\ce{4Al + 3O2 \xlongequal[]{} 2Al2O3}\) （常温下即可发生，形成致密氧化膜的原理）
  2. 与\(\ce{H2O}\) ： \(\ce{2Al + 6H2O \xlongequal[]{} 2Al(OH)3 + 3H2 ^}\) （常温常压下观察不到该反应的原因，也是因为致密的氧化膜阻止了该反应的发生）
  3. 与酸 ：\(\ce{2Al + 6H^+ \xlongequal[]{} 2Al^3+ + 3H2 ^}\)
  4. 与碱 ：\(\ce{2Al + 2OH- + 6H2O \xlongequal[]{} 2[Al(OH)4]- + 3H2 ^ }\) （先与水反应，产物再与氢氧根离子接着反应）

4. 用途

  1. 电力工业：高压输电线
  2. 包装材料：铝箔；可用于食品包装，如巧克力、香烟等，以及锡纸的主要材质
  3. 化工与防腐：耐腐蚀设备
  4. 冶金工业：脱氧剂、铝热剂

3.2 氧化铝

1.组成及概况

  1. 组成：由原子通过共价键直接构成的原子晶体。

2. 性质

  1. 物理性质 ：熔点极高，硬度大，导电性差（近乎绝缘体），
  2. 化学性质 ：属于两性氧化物，既能和酸反应，又能和碱反应

3.转化规律

  1. 与酸 ：\(\ce{Al2O3 + 6H+ \xlongequal[]{} 2Al^3+ + 3H2O}\)
  2. 与碱 ：\(\ce{Al2O3 + 3H2O + 2OH- \xlongequal[]{} 2[Al(OH)4]-}\)

3.3 氢氧化铝

1. 性质

  1. 物理性质 ：难溶于水的白色胶状沉淀
  2. 化学性质 ：两性氢氧化物 ; 热不稳定性

2. 转化规律

  1. 热不稳定性 ：\(\ce{2Al(OH)3 \xlongequal[]{\Delta} Al2O3 + 3H2O}\)
  2. 与酸 ：\(\ce{Al(OH)3 + 3H+ \xlongequal[]{} Al^3+ + 3H2O}\)
  3. 与碱 ：\(\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal[]{} [Al(OH)4]-}\)
  4. 注意事项 ：
    1. \(\ce{[Al(OH)4]- }\) 读作：铝酸根离子或者四羟基合铝（Ⅲ）离子，是氢氧化铝的酸性体现
    2. 在很多教材中也会把 \(\ce{[Al(OH)4]- }\) 写成 \(\ce{AlO2-}\) (偏铝酸根)。这两种写法都可，因为是同一种物质在不同条件下的表现形式，前者可以更准确的表示出其在水溶液中的真实配位结构，而后者是其简化形式。两者的关系为 \(\ce{[Al(OH)4]- \xlongequal[]{} AlO2- + 2H2O}\)

3. 制备\(\rm Al(OH)_3\)

  1. \(\ce{Al^3+ 与 NH3·H2O}\) （不用强碱）：\(\ce{Al^3+ + 3NH3·H2O \xlongequal[]{} Al(OH)3 v + 3NH4+}\)
  2. 向含 \(\ce{[Al(OH)4]-}\) 的溶液中通入过量的\(\ce{CO2}\) ：\(\ce{[Al(OH)4]- + CO2 \xlongequal[]{} Al(OH)3 v + HCO3-}\)
  3. \(\ce{Al^3+ 与 [Al(OH)4]-}\) 反应：\(\ce{Al^3+ + 3[Al(OH)4]- \xlongequal[]{} 4Al(OH)3 v}\)

3.4 铝合金

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铝合金

四、物质的量在化学方程式中的应用

  1. 化学方程式中各物质的化学计量数之比等于各物质的物质的量之比
  2. 对于有气体参加的反应，在同温同压下各气体的化学计量数之比等于各气体的体积之比

五、其他常见的变价金属

5.1 钒及化合物

  1. 概况 ：钒元素的常见化合价为：+5、+4、+3、+2，其中+5价最为稳定，常见化合物为\(\ce{V2O5}\)
  2. 化学性质 ：
    1. \(\ce{V2O5}\) 强氧化性：\(\ce{V2O5 + 6HCl(浓) \xlongequal[]{} 2VOCl2 + Cl2 ^ + 3H2O}\)
    2. 在强碱溶液中+5价钒以+5价钒以\(\ce{VO4^3-}\) 形式存在形式存在
    3. 在强酸溶液中+5价钒以\(\ce{VO2+}\) 形式存在 ，可以被\(\rm Fe^{2+} 、H_2C_2O_4\) 还原成\(\ce{VO^2+}\) 形式存在
      • \(\ce{VO2^+ + 2H+ + Fe^2+ \xlongequal[]{} VO^2+ + Fe^3+ + H2O}\)
      • \(\ce{2VO2+ + H2C2O4 + 2H+ \xlongequal[]{} 2Vo^2+ +2CO2 ^ + 2H2O}\)

5.2 铬及其化合物

  1. 概况 ：铬元素的常见价态有+6、+3、+2
  2. \(\rm Cr(Ⅱ)\) ：在酸性介质中，\(\rm Cr^{2+}\) 具有较强的还原性
  3. \(\rm Cr(Ⅲ)\) ：在酸性条件下以 \(\rm Cr^{3+}\) 形式存在，碱性条件下以\(\ce{Cr(OH)3、[Cr(OH)4]- (或CrO2-)}\) 形式
    1. \(\rm Cr^{3+}\) 在酸性条件下比较稳定，所以还原性很弱，只能被强氧化剂氧化
      • \(\ce{2Cr^3+ + 3PbO2 + H2O \xlongequal[]{} 3Pb^2+ + Cr2O7^2- + 2H+}\)
    2. 碱性条件下\(\rm CrO_2^{-}\) 可以被 \(\ce{H2O2}\) 氧化为 \(\rm CrO_4^{2-}\)
      • \(\ce{2CrO2- + 3H2O2 +2OH- \xlongequal[]{} 2CrO_4^{2-} + 4H2O}\)
  4. \(\rm Cr(Ⅵ)\) ：最常见的化合物是 \(\ce{K2Cr2O7}\) ，
    1. 在水溶液中，\(\ce{Cr2O7^{2-}和CrO4^{2-}}\) 存在平衡 ：\(\ce{2CrO4^2- + 2H+ <=> Cr2O7^2- + H2O }\) (黄色变为橙红色)
    2. 酸性条件下，\(\ce{Cr2O7^{2-}}\) 具有强氧化性，可以氧化浓盐酸，生成氯气（稀盐酸不可以）
      • \(\ce{Cr2O7^2- + 6Cl- +14H+ \xlongequal[]{} 2Cr^3+ + 3Cl2 ^ + 7H2O}\)

5.3 锰及其化合物

  1. 概况 ：锰元素的常见价态有 +7、+6、+4、+3、+2
  2. \(\ce{Mn(Ⅱ)}\) ：\(\ce{Mn^2+}\) 在酸性条件下稳定性比在碱性条件下强很多，也就是说在酸性条件下还原性很弱，所以只能被强氧化剂氧化
    1. 酸性条件下，被强氧化剂氧化：\(\ce{2Mn^2+ + 5PbO2 + 4H+ \xlongequal[]{} 2MnO4- + 5Pb^2+ + 2H2O}\)
    2. 碱性条件下，易被氧化：\(\ce{5ClO- + 2Mn^2+ + 6OH- \xlongequal[]{} 5Cl- + 2MnO4- + 3H2O}\)
  3. \(\ce{Mn(Ⅵ)}\) ：\(\ce{MnO4^2-}\)存在于强碱性溶液中，在酸性和中性环境中均发生歧化反应
    1. 酸性条件下：\(\ce{3MnO4^2- + 4H+ \xlongequal[]{} 2MnO4- + MnO2 v + 2H2O}\)
    2. 中性条件下：\(\ce{3MnO4^2- + 2H2O \xlongequal[]{} 2MnO4- + MnO2 v + 4OH-}\)
  4. \(\ce{Mn(Ⅶ)}\) ：最常见的化合物是\(\ce{KMnO4}\) ，以此为例
    1. 热稳定性差，受热易分解，保存在试剂瓶中：\(\ce{2KMnO4 \xlongequal[]{\Delta} K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}\)
    2. 在酸性条件下，具有强氧化性，本身被还原为\(\rm Mn^2+\) :\(\ce{MnO4- + 5Fe^2+ 8H+ \xlongequal[]{} Mn^2+ + 5Fe^3+ + 4H2O}\)
    3. 在碱性、中性、弱酸溶液中，仍是氧化剂，被还原为 \(\rm MnO2\) \(\ce{2MnO4- + I- +H2O \xlongequal[]{} 2MnO2 v + IO3- + 2OH-}\)

5.4 铍和锌及其化合物

1. 单质

  1. 与非氧化性酸反应（以盐酸为例） ：
    • \(\ce{Be + 2H+ \xlongequal[]{} Be^2+ H2 ^}\)
    • \(\ce{Zn + 2H+ \xlongequal[]{} Zn^2+ H2 ^}\)
  2. 与强碱反应（以\(\ce{NaOH溶液为例}\)）：
    • \(\ce{ Be + 2OH^- \xlongequal[]{} BeO2^2- + H2 ^}\) (偏铍酸根)
    • \(\ce{ Zn + 2OH^- \xlongequal[]{} ZnO2^2- + H2 ^}\) (偏锌酸根)

2.氧化物

  1. 与强酸反应 （以盐酸为例）：
    • \(\ce{BeO + 2H+ \xlongequal[]{} Be^2+ + H2O}\)
    • \(\ce{ZnO + 2H+ \xlongequal[]{} Zn^2+ + H2O}\)
  2. 与强碱反应 （以\(\ce{NaOH溶液为例}\)）：
    • \(\ce{BeO + 2OH- \xlongequal[]{} BeO2^2- + H2O}\)
    • \(\ce{ZnO + 2OH- \xlongequal[]{} ZnO2^2- + H2O}\)

3.氢氧化物

  1. 与强酸反应 （以盐酸为例）：
    • \(\ce{Be(OH)2 + 2H+ \xlongequal[]{} Be^2+ + 2H2O}\)
    • \(\ce{Zn(OH)2 + 2H+ \xlongequal[]{} Zn^2+ + 2H2O}\)
  2. 与强碱反应 （以\(\ce{NaOH溶液为例}\)）：
    • \(\ce{Be(OH)2 + 2OH- \xlongequal[]{} BeO2^2- + 2H2O}\)
    • \(\ce{Zn(OH)2 + 2OH- \xlongequal[]{} ZnO2^2- + 2H2O}\)

4. 可溶性盐

  1. \(\ce{Zn^2+ 、Be^2+}\) 与强碱溶液反应 ：
    1. 与少量\(\ce{NaOH}\) 反应：
      • \(\ce{Be^2+ + 2OH- \xlongequal[]{} Be(OH) v}\)
      • \(\ce{Zn^2+ + 2OH- \xlongequal[]{} Zn(OH) v}\)
    2. 与足量\(\ce{NaOH}\) 反应：
      • \(\ce{ Be^2+ + 4OH^- \xlongequal[]{} BeO2^2- + 2H2O }\)
      • \(\ce{ Zn^2+ + 4OH^- \xlongequal[]{} ZnO2^2- + 2H2O }\)
  2. \(\ce{Na2ZnO2}\) 与强酸反应 ：
    • 与少量盐酸：\(\ce{Na2ZnO2 + 2HCl \xlongequal[]{} Zn(OH)2 v + 2NaCl}\)
    • 与足量盐酸：\(\ce{Na2ZnO2 + 4HCl \xlongequal[]{} ZnCl2 + 2NaCl +2H2O}\)