第一节 常见的金属单质

课堂活动

同学们家中的厨房里有各种各样的锅：炒菜锅、煮饭锅、蒸锅、高压锅、平底煎锅……不过从制造的原料来看，一般为铁锅和铝锅两种。铁和铝是两种金属。请你根据自己的生活经验，从下面几方面谈谈你对金属性质的认识。

（1）金属的状态、光泽和颜色。

（2）金属的导电性和导热性。

（3）金属的延展性。

（4）金属的密度、熔点和硬度。

（5）使用金属炊具的注意事项。

一、金属键与金属的物理

常温下，除汞以外，金属都是晶体。经研究发现，金属晶体是由电中性的金属原子、金属阳离子和自由电子所组成。其中，金属阳离子是由金属原子脱落电子而形成的，脱落下来的电子不专属于某个金属阳离子，而是晶体中所有的金属阳离子共有，即它们可以在整个晶体中自由移动。我们将这些自由移动的电子称为自由电子。金属阳离子与时刻运动的自由电子之间存在着强烈的作用力，将金属原子与金属阳离子结合在一起。我们可以形象地将金属晶体看成是由浸在“电子海洋”中的金属原子和金属阳离子所组成的晶体。这种通过自由电子的运动，将金属原子与金属阳离子结合在一起的化学键，称为金属键。金属晶体示意图如图1-1所示。

金属晶体的特殊结构决定了金属具有共同的物理性质。例如具有较大的比重、有金属光泽、良好的导电性、导热性及机械加工性。

1.金属的光泽和颜色

金属具有光泽和不同的颜色，是因为金属晶体内部存在自由电子。当可见光照射到金属表面时，自由电子吸收一定波长的可见光，然后将其余各种波长的光再发射出来，因此金属具有光泽和不同的颜色。大多数金属呈银白色。

2.金属的导电性和导热性

金属的导电性和导热性均与金属晶体内部存在的自由电子有关。在外加电场的作用下，自由电子产生定向流动形成电流。当金属某一部分受热时，增加了该部分内部金属原子与金属阳离子的振动，自由电子在金属中运动，会不断地和金属原子或金属阳离子碰撞而交换热能，这样通过自由电子很快就会把热能传递到温度低的部分，使得金属整体的温度很快均一化。常见金属导电性和导热性由强至弱的顺序如下：

3.金属的延展性

金属一般都具有良好的延展性，这是由金属晶体内部的结构决定的。在外界作用力下，金属晶体中各层之间发生相对滑动。滑动后，各层之间的金属键仍然存在，因此金属虽然发生变形，但不会断裂。但也有少数金属的延展性很差，敲打时很易破碎，如锰（Mn）、锑（Sb）、铋（Bi）等。金属延展性示意图如图1-2所示。

4.金属的密度、熔点和硬度

每种金属都有自己固定的密度、熔点和硬度。例如，汞的熔点是-39℃，所以通常状况下，汞是液态的。金的密度是19.3g/cm3，而镁的密度是1.74g/cm3，在体积相同的条件下，金比镁的质量要重很多。因为钠的硬度很小，所以质软如蜡，能用刀切。

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土壤的重金属污染

重金属一般指相对密度大于5g/cm3的金属。土壤中的汞、镉、铬、铅等重金属的污染是土壤的重要污染源。

土壤的重金属污染具有以下特点：

（1）毒性效应强，极低的浓度就会显示出较强的毒性。

（2）土壤中的重金属难以被微生物降解，因而会长期停留和积累在环境中，无法彻底清除。有些重金属在一定条件下还可能被微生物转化为毒性更强的物质，如甲基汞的生成，就是由无机汞经微生物的作用而生成的有机汞。

（3）土壤中重金属的变化仅是化合价和化合物种类的变化，其基本性质没有实质性改变。

（4）土壤中的重金属离子会被农作物吸收，经食物链浓缩千万倍后最终在人体内积累造成人体中毒。

1.汞

土壤中的汞主要来源于含汞农药；含汞污水浇灌农田；含汞污泥施肥；空气中微量汞蒸气和汞尘干沉降或湿沉降进入土壤等。汞不易在土壤中稀释、扩散和迁移，因此土壤的汞污染经常是局部性的。土壤中汞的迁移是通过挥发和植物吸收两条途径完成的。汞通过挥发和沉降在大气和土壤之间进行循环。各种类型的土壤中的汞都能挥发，汞在黏性土壤中的挥发量最少，其次是在壤土中，最大量是在沙土中。植物可以吸收、吸附土壤中离子态的汞。

2.镉

镉在环境中很稳定，只要从其矿物冶炼出，进入环境，就会一直在环境中循环，永不消失。土壤中镉的来源主要是农药、污水、污泥等。土壤中的镉分为水溶性和非水溶性两类。水溶性镉可被植物吸收，经食物链对人体造成危害。非水溶性镉不易迁移，也不易被植物吸收。土壤的pH值会影响土壤对镉的吸附率，pH值越高，对镉的吸附率也越高。镉在土壤中的分布主要集中在地表20cm左右的耕作层内，尤其在地表几厘米内的土层中浓度最高。所以，只要土壤一受到镉的污染，就会直接污染农作物。

二、金属钠、铝、铁及其化学性质

金属元素的原子的最外层电子数一般少于4个，并且金属元素的原子半径大于同周期非金属元素的原子半径，原子核对最外层电子引力较小，最外层电子较易失去。因此，失去电子转变为金属阳离子是金属参加化学反应的实质。金属失去电子转变为金属阳离子的难易顺序（金属活动性顺序）如下：

钠原子、铝原子和铁原子的最外层电子数分别为1个、3个和2个。化学反应中极易失去这些电子，化学性质非常活泼，能与许多非金属及化合物发生反应。

（一）钠及其化学性质

自然界中，钠以化合态存在。钠是低熔点、密度小的轻金属，导电性、导热性强，质软似蜡，能用刀切，新切开的断面呈银白色金属光泽。

1.与氧反应

实践活动

常温下，在空气中用小刀切割金属钠，断层由光亮的银白色逐渐变为暗淡的灰白色。

常温下，钠能与空气中的氧气反应生成氧化物。

4Na＋O2＝2Na2O

实践活动

用小刀切取一小块金属钠，再用滤纸吸去钠表面的油渍。将处理好的钠放在玻璃匙中加热（如图1-3所示），钠熔化并燃烧，火焰呈黄色，生成淡黄色固体。

加热条件下，钠与充足的氧气反应生成过氧化钠（Na2O2）。

2.与水反应

实践活动

用小刀切取一小块金属钠，再用滤纸吸去钠表面的油渍。将处理好的钠投入含有酚酞的水溶液中，盖上表面皿（如图1-4所示），钠浮在液面上游动，熔成红亮的小球并有气体逸出，烧杯内溶液变成红色。

常温下钠能与水发生剧烈反应，生成氢氧化钠和氢气。

2Na＋2H2O＝2NaOH＋H2↑

3.钠离子的检验

实践活动

将铂丝蘸浓盐酸在无色火焰上灼烧至无色。用处理好的铂丝蘸取试样在酒精灯火焰上灼烧，观察火焰颜色。见图1-5焰色反应。

某些金属或它们的挥发性化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征的颜色，称为焰色反应。几种常见金属及其离子的特征焰色如表1-1所示。焰色反应用于检验某些微量金属或它们的化合物，也可用于节日燃放的焰火。

表1-1 几种常见金属及其离子的特征焰色

（二）铝及其化学性质

铝是自然界中分布最广的金属元素。它在地壳中的含量仅次于氧和硅。铝是银白色的轻金属，密度仅为2.7g/cm3，其导热性、导电性、延展性很好。因此，铝及其合金广泛应用于宇宙飞行器、交通工具、建筑材料、通信器材、民用炊具等。生物体内也有铝的存在。医学研究认为，铝是导致老年性痴呆症和帕金森病的因素之一。

1.与氧反应

铝在常温下与空气接触，会被空气中的氧气氧化，表面形成一层致密的氧化物膜（发生钝化），保护内层的铝不再与氧气反应。因此，铝可以保存在空气中。

铝箔在氧气中剧烈燃烧，发出耀眼的白光并放出大量的热，反应生成三氧化二铝。

2.与金属氧化物反应

在高温下，铝能夺取一些金属氧化物中的氧，把其中的金属置换出来。该反应在工业上称为铝热反应。

此反应过程中放出大量的热，温度高达上千度，可使生成的铁熔化，利用这一性质可进行钢轨的无缝焊接。

3.与酸和碱反应

常温下，铝与浓硫酸或浓硝酸发生钝化。铝能与盐酸反应生成三氯化铝（AlCl3）和氢气，又能与氢氧化钠应生成偏铝酸钠（NaAlO2）和氢气。所以铝制品不能长期盛放酸性或碱性物质。像铝这样既能与酸反应又能与碱反应的物质称为两性物质。

2Al＋6HCl＝2AlCl3＋3H2↑

2Al＋2NaOH＋2H2＝O2NaAlO2＋3H2↑

（三）铁及其化学性质

铁在自然界中分布很广，在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝位于第四位，均以化合态存在。铁是银白色具有金属光泽的重金属，具有良好的导电性、导热性和延展性。能够被磁化，是制造发电机和电动机的材料。

1.与非金属反应

铁在干燥的空气中不与氧气反应；在潮湿的空气中与氧气、水和二氧化碳反应而生锈。铁锈的主要成分为Fe2O3。铁在高温下与氧反应，生成铁的氧化物。在一定条件下，铁还能与其他非金属发生反应。

2.与水反应

常温下，铁不与水发生反应，但高温下，铁与水蒸气反应，生成黑色的四氧化三铁和氢气。

3.与酸反应

常温下，铁与浓硫酸或浓硝酸发生钝化；与盐酸、稀硫酸发生置换反应。

Fe＋2HCl＝FeCl2＋H2↑

Fe＋H2SO4＝FeSO4＋H2↑