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实验 21 常见金属的物理性质和化学性质
情境与思考
金属在我们的生产生活中发挥着重要作用，从高耸的建筑、桥梁的结构，到日常使用的炊具、工具等，金属材料为社会发展提供了重要支撑。金属的广泛使用既得益于金属优异的导电性、延展性等物理性质，更与其独特的化学性质密不可分。许多金属能与氧气、酸或盐等物质发生反应，其化学性质较为活泼，且不同金属的化学性质差异显著。例如：铁在潮湿的空气中易生锈；铝在空气中与氧气反应，其表面生成一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝进一步被腐蚀。
为什么不同金属的物理性质和化学性质存在差异？它们的性质变化是否遵循一定规律？
请思考下列问题：
你还知道金属在生活中有哪些用途？这些用途分别体现了金属的什么性质？
许多金属在不同条件下能与氧气发生反应，金属还有哪些化学性质？
实验准备
仪器：
烧杯(250 mL)，试管、表面皿、砂纸、坩埚钳、温度传感器、刻度尺、电池、导线、小灯泡或发光二极管、磁铁等。
试剂：
铜片(200 mm×10 mm×1 mm)、铁片(200 mm×10 mm×1 mm)、铝片(200 mm×10 mm×1 mm)、木片(200 mm×10 mm×1 mm)、锌粒、铁丝、银丝、稀硫酸、硝酸银溶液、硫酸亚铁溶液、硫酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、热水。
探究与实践
[实验目的]
1. 知道金属具有一些共同的物理性质，认识金属性质与用途的关系。
2. 通过实验探究活动认识金属能与酸、盐溶液反应。
3. 通过实验探究金属活动性顺序。
[实验原理]
金属光泽、延展性、导电性和导热性，是金属所共有的物理性质，称为金属的通性，大多数非金属单质不具有上述性质。银是较稳定的金属，常用于制作首饰。铝有较好的延展性，可作为汽车的车身或飞机的外壳，在航空航天和汽车制造领域有着广泛的应用。铜的导电性能优异，是电线电缆的主要材料。在工业生产中，许多需要散热的设备通常会选用铜或铝等金属材料，以保障其在高温条件下依然能够稳定运行。
金属除了通性外，还具有各自不同的特性，如不同金属的密度、熔点、硬度、强度等差别较大。性质的差异决定了金属的不同用途。例如，铁受到磁场作用能产生磁性，被用于制作各种电磁装置；钨的熔点高，被用于制作白炽灯的灯丝；钛具有较好的生物相容性，被用于制作人造关节和骨骼；汞在常温下呈液态且受热会膨胀，被用于制作温度计等。
锌、铁等金属能与稀盐酸、稀硫酸反应，生成金属的盐溶液和氢气。某些金属还能与盐溶液反应，生成金属盐溶液和另一种金属。这两种反应均是置换反应。湿法炼铜的工艺过程是将铜矿中难溶于水的含铜化合物转变为可溶性的硫酸铜，再将铁放入硫酸铜溶液中，置换出铜。金属活动性强的金属一般能置换活动性弱的金属，你能根据这一原理设计实验，探究锌、铁和铜的金属活动性顺序吗？请将你的方案或设想填入下面的方框中。
安全事项
1. 酸通常有腐蚀性，使用时应避免溅到皮肤或衣物上。
2. 操作时戴好护目镜和实验手套。
[实验步骤]
1. 认识金属的物理性质
(1) 用砂纸打磨铜片、铁片和铝片，用滤纸擦拭后，观察颜色与光泽并记录。
(2) 尝试弯曲或折断铜片、铁片和铝片，记录现象。
|金属|铜片|铁片|铝片|
|--|--|--|--|
|颜色与光泽| | | |
|硬度| | | |
(3) 分别将大小、厚度均相同的铁片、铜片或木片斜放入 250 mL 的烧杯中，在距底端等距离处分别做好记号作为传感器测温点。在烧杯中加入等体积、相同温度的热水，将温度传感器轻放在测温点上，如图 10 - 20 所示。打开数据采集软件，开始采集数据，100 s 后停止采集数据。记录数据并对比三种材料的温度变化情况。
(4) 如图 10 - 21 所示，用导线连接电池、开关、小灯泡，再分别将铜片、铁片和铝片接入电路。闭合开关，观察小灯泡是否发光并记录。
(5) 用磁铁分别靠近铜片、铁片和铝片，观察金属片能否被吸引并记录。
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(3)| |
|(4)| |
|(5)| |
金属有等物理性质。
2. 探究金属的化学性质
(1) 金属与稀硫酸反应。如图 10 - 22 所示，取锌粒、铜片分别放入两支试管中，各加入 1～2 滴管稀硫酸，观察并记录实验现象。
(2) 金属与盐反应。如图 10 - 23 所示，向两支试管中各放入 1 片铜片，向其中一支试管中滴加 1～2 滴管硝酸银溶液；向另一支试管中滴加 1～2 滴管硫酸亚铁溶液。观察并记录实验现象。
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(1)| |
|(2)| |
锌(填“能”或“不能”)与稀硫酸反应；铜(填“能”或“不能”)与稀硫酸反应。写出能发生反应的化学方程式：。
铜(填“能”或“不能”)与硝酸银溶液反应；铜(填“能”或“不能”)与硫酸亚铁溶液反应。写出能发生反应的化学方程式：。
3. 探究金属的活动性顺序
(1) 如图 10 - 24 所示，向两支试管中各放入 1 根铁丝，向其中一支试管滴加 1～2 滴管硫酸铜溶液；向另一支试管中滴加 1～2 滴管氯化铜溶液。观察并记录实验现象。
|金属与盐溶液|铁与硫酸铜溶液|铁与氯化铜溶液|
|--|--|--|
|实验现象| | |
|反应能否进行| | |
(2) 如图 10 - 25 所示，在 3 只表面皿中分别放入锌粒、铁丝和银丝。向放有锌粒的表面皿中滴加 1 滴管硫酸铜溶液，向放有铁丝的表面皿中滴加 1 滴管硝酸银溶液，向放有银丝的表面皿中滴加 1 滴管硝酸铜溶液。观察并记录实验现象。
|金属与盐溶液|锌与硫酸铜溶液|铁与硝酸银溶液|银与硝酸铜溶液|
|--|--|--|--|
|实验现象| | | |
|反应能否进行| | | |
|化学方程式| | | |
综合实验 2 和实验 3，可得出银、铜、锌的金属活动性由强到弱为。
思维与创新
1. 查阅并比较铝、锌、铜、银这四种金属物理性质的相似性和差异性，说说高压输电线常用铝、家用导线常用铜的原因。
2. 设计并开展实验活动，探究铝、锌、铁的金属活动性顺序。
自评与互评
请评价自己和合作伙伴在实验过程中的参与及表现情况，在评价结果下方的方框内打“√”。
合作伙伴：。
|评价内容|自我评价|合作伙伴评价|
|--|--|--|
| |评价结果|评价结果|
|对实验原理的理解|□ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|□ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|
|对实验操作的掌握|□ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|□ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|
|在实验中的表现|□ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|□ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|
情境与思考
金属在我们的生产生活中发挥着重要作用，从高耸的建筑、桥梁的结构，到日常使用的炊具、工具等，金属材料为社会发展提供了重要支撑。金属的广泛使用既得益于金属优异的导电性、延展性等物理性质，更与其独特的化学性质密不可分。许多金属能与氧气、酸或盐等物质发生反应，其化学性质较为活泼，且不同金属的化学性质差异显著。例如：铁在潮湿的空气中易生锈；铝在空气中与氧气反应，其表面生成一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝进一步被腐蚀。
为什么不同金属的物理性质和化学性质存在差异？它们的性质变化是否遵循一定规律？
请思考下列问题：
你还知道金属在生活中有哪些用途？这些用途分别体现了金属的什么性质？
许多金属在不同条件下能与氧气发生反应，金属还有哪些化学性质？
实验准备
仪器：
烧杯(250 mL)，试管、表面皿、砂纸、坩埚钳、温度传感器、刻度尺、电池、导线、小灯泡或发光二极管、磁铁等。
试剂：
铜片(200 mm×10 mm×1 mm)、铁片(200 mm×10 mm×1 mm)、铝片(200 mm×10 mm×1 mm)、木片(200 mm×10 mm×1 mm)、锌粒、铁丝、银丝、稀硫酸、硝酸银溶液、硫酸亚铁溶液、硫酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、热水。
探究与实践
[实验目的]
1. 知道金属具有一些共同的物理性质，认识金属性质与用途的关系。
2. 通过实验探究活动认识金属能与酸、盐溶液反应。
3. 通过实验探究金属活动性顺序。
[实验原理]
金属光泽、延展性、导电性和导热性，是金属所共有的物理性质，称为金属的通性，大多数非金属单质不具有上述性质。银是较稳定的金属，常用于制作首饰。铝有较好的延展性，可作为汽车的车身或飞机的外壳，在航空航天和汽车制造领域有着广泛的应用。铜的导电性能优异，是电线电缆的主要材料。在工业生产中，许多需要散热的设备通常会选用铜或铝等金属材料，以保障其在高温条件下依然能够稳定运行。
金属除了通性外，还具有各自不同的特性，如不同金属的密度、熔点、硬度、强度等差别较大。性质的差异决定了金属的不同用途。例如，铁受到磁场作用能产生磁性，被用于制作各种电磁装置；钨的熔点高，被用于制作白炽灯的灯丝；钛具有较好的生物相容性，被用于制作人造关节和骨骼；汞在常温下呈液态且受热会膨胀，被用于制作温度计等。
锌、铁等金属能与稀盐酸、稀硫酸反应，生成金属的盐溶液和氢气。某些金属还能与盐溶液反应，生成金属盐溶液和另一种金属。这两种反应均是置换反应。湿法炼铜的工艺过程是将铜矿中难溶于水的含铜化合物转变为可溶性的硫酸铜，再将铁放入硫酸铜溶液中，置换出铜。金属活动性强的金属一般能置换活动性弱的金属，你能根据这一原理设计实验，探究锌、铁和铜的金属活动性顺序吗？请将你的方案或设想填入下面的方框中。
安全事项
1. 酸通常有腐蚀性，使用时应避免溅到皮肤或衣物上。
2. 操作时戴好护目镜和实验手套。
[实验步骤]
1. 认识金属的物理性质
(1) 用砂纸打磨铜片、铁片和铝片，用滤纸擦拭后，观察颜色与光泽并记录。
(2) 尝试弯曲或折断铜片、铁片和铝片，记录现象。
|金属|铜片|铁片|铝片|
|--|--|--|--|
|颜色与光泽| | | |
|硬度| | | |
(3) 分别将大小、厚度均相同的铁片、铜片或木片斜放入 250 mL 的烧杯中，在距底端等距离处分别做好记号作为传感器测温点。在烧杯中加入等体积、相同温度的热水，将温度传感器轻放在测温点上，如图 10 - 20 所示。打开数据采集软件，开始采集数据，100 s 后停止采集数据。记录数据并对比三种材料的温度变化情况。
(4) 如图 10 - 21 所示，用导线连接电池、开关、小灯泡，再分别将铜片、铁片和铝片接入电路。闭合开关，观察小灯泡是否发光并记录。
(5) 用磁铁分别靠近铜片、铁片和铝片，观察金属片能否被吸引并记录。
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(3)| |
|(4)| |
|(5)| |
金属有等物理性质。
2. 探究金属的化学性质
(1) 金属与稀硫酸反应。如图 10 - 22 所示，取锌粒、铜片分别放入两支试管中，各加入 1～2 滴管稀硫酸，观察并记录实验现象。
(2) 金属与盐反应。如图 10 - 23 所示，向两支试管中各放入 1 片铜片，向其中一支试管中滴加 1～2 滴管硝酸银溶液；向另一支试管中滴加 1～2 滴管硫酸亚铁溶液。观察并记录实验现象。
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(1)| |
|(2)| |
锌(填“能”或“不能”)与稀硫酸反应；铜(填“能”或“不能”)与稀硫酸反应。写出能发生反应的化学方程式：。
铜(填“能”或“不能”)与硝酸银溶液反应；铜(填“能”或“不能”)与硫酸亚铁溶液反应。写出能发生反应的化学方程式：。
3. 探究金属的活动性顺序
(1) 如图 10 - 24 所示，向两支试管中各放入 1 根铁丝，向其中一支试管滴加 1～2 滴管硫酸铜溶液；向另一支试管中滴加 1～2 滴管氯化铜溶液。观察并记录实验现象。
|金属与盐溶液|铁与硫酸铜溶液|铁与氯化铜溶液|
|--|--|--|
|实验现象| | |
|反应能否进行| | |
(2) 如图 10 - 25 所示，在 3 只表面皿中分别放入锌粒、铁丝和银丝。向放有锌粒的表面皿中滴加 1 滴管硫酸铜溶液，向放有铁丝的表面皿中滴加 1 滴管硝酸银溶液，向放有银丝的表面皿中滴加 1 滴管硝酸铜溶液。观察并记录实验现象。
|金属与盐溶液|锌与硫酸铜溶液|铁与硝酸银溶液|银与硝酸铜溶液|
|--|--|--|--|
|实验现象| | | |
|反应能否进行| | | |
|化学方程式| | | |
综合实验 2 和实验 3，可得出银、铜、锌的金属活动性由强到弱为。
思维与创新
1. 查阅并比较铝、锌、铜、银这四种金属物理性质的相似性和差异性，说说高压输电线常用铝、家用导线常用铜的原因。
2. 设计并开展实验活动，探究铝、锌、铁的金属活动性顺序。
自评与互评
请评价自己和合作伙伴在实验过程中的参与及表现情况，在评价结果下方的方框内打“√”。
合作伙伴：。
|评价内容|自我评价|合作伙伴评价|
|--|--|--|
| |评价结果|评价结果|
|对实验原理的理解|□ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|□ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|
|对实验操作的掌握|□ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|□ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|
|在实验中的表现|□ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|□ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|
答案
解：
情境与思考
1. 金属用途及对应性质：
铁锅：利用铁的导热性；
铝箔：利用铝的延展性；
硬币：利用金属的硬度大、耐磨损、有金属光泽；
磁铁：利用铁的磁性。
2. 金属的其他化学性质：
能与酸发生置换反应生成盐和氢气；能与某些盐溶液发生置换反应；部分金属能与水在一定条件下反应。
实验步骤1 认识金属的物理性质
实验记录
|金属|铜片|铁片|铝片|
|--|--|--|--|
|颜色与光泽|紫红色，有金属光泽|银白色，有金属光泽|银白色，有金属光泽|
|硬度|较硬，不易折断|硬度较大，不易折断|较软，易弯曲|
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(3)|铁片、铜片测温点温度明显升高，且铜片升温速率快于铁片；木片测温点温度升高缓慢|
|(4)|接入铜片、铁片、铝片时，小灯泡均发光|
|(5)|铁片能被磁铁吸引，铜片、铝片无法被磁铁吸引|
实验结论
金属有金属光泽、延展性、导热性、导电性，部分金属具有磁性等物理性质。
实验步骤2 探究金属的化学性质
实验记录
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(1)|锌粒表面有气泡产生；铜片表面无明显现象|
|(2)|加入硝酸银溶液的试管中：铜片表面析出银白色固体，溶液由无色变为蓝色；加入硫酸亚铁溶液的试管中：无明显现象|
实验结论
锌$\boldsymbol{能}$与稀硫酸反应；铜$\boldsymbol{不能}$与稀硫酸反应。化学方程式：$\boldsymbol{{Zn + H_{2}SO_{4} = ZnSO_{4} + H_{2}↑}}$
铜$\boldsymbol{能}$与硝酸银溶液反应；铜$\boldsymbol{不能}$与硫酸亚铁溶液反应。化学方程式：$\boldsymbol{{Cu + 2AgNO_{3} = Cu(NO_{3})_{2} + 2Ag}}$
实验步骤3 探究金属的活动性顺序
(1)实验记录
|金属与盐溶液|铁与硫酸铜溶液|铁与氯化铜溶液|
|--|--|--|
|实验现象|铁丝表面析出红色固体，溶液由蓝色变为浅绿色|铁丝表面析出红色固体，溶液由蓝绿色变为浅绿色|
|反应能否进行|能|能|
|化学方程式|$\boldsymbol{{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}}$|$\boldsymbol{{Fe + CuCl_{2} = FeCl_{2} + Cu}}$|
(2)实验记录
|金属与盐溶液|锌与硫酸铜溶液|铁与硝酸银溶液|银与硝酸铜溶液|
|--|--|--|--|
|实验现象|锌粒表面析出红色固体，溶液蓝色逐渐褪去|铁丝表面析出银白色固体，溶液由无色变为浅绿色|无明显现象|
|反应能否进行|能|能|不能|
|化学方程式|$\boldsymbol{{Zn + CuSO_{4} = ZnSO_{4} + Cu}}$|$\boldsymbol{{Fe + 2AgNO_{3} = Fe(NO_{3})_{2} + 2Ag}}$|无|
实验结论
综合实验2和实验3，可得出银、铜、锌的金属活动性由强到弱为$\boldsymbol{锌＞铜＞银}$。
思维与创新
1. 相似性：四种金属都有金属光泽，具备良好的导电性、导热性、延展性。
差异性：密度、熔点、硬度不同，银的导电性最优，铝的密度最小，锌的熔点相对较低等。
高压输电线常用铝：铝的导电性较好，密度小、质量轻，表面易生成致密氧化铝薄膜耐腐蚀，且成本低于铜；
家用导线常用铜：铜的导电性比铝更优异，电阻小，电能损耗少，适合家庭短距离布线。
2. 实验方案：
取打磨光洁的铝片、锌片、铁片，分别放入三支盛有等量等浓度稀硫酸的试管中，观察反应速率：
铝片表面产生气泡的速率最快，
锌片表面产生气泡速率次之，
铁片表面产生气泡速率最慢。
结论：金属活动性顺序为$\boldsymbol{铝＞锌＞铁}$。
自评与互评（示例）
合作伙伴：XXX
|评价内容|自我评价|合作伙伴评价|
|--|--|--|
| |评价结果|评价结果|
|对实验原理的理解|$\boldsymbol{☑}$ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|$\boldsymbol{☑}$ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|
|对实验操作的掌握|$\boldsymbol{☑}$ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|$\boldsymbol{☑}$ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|
|在实验中的表现|$\boldsymbol{☑}$ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|$\boldsymbol{☑}$ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|
情境与思考
1. 金属用途及对应性质：
铁锅：利用铁的导热性；
铝箔：利用铝的延展性；
硬币：利用金属的硬度大、耐磨损、有金属光泽；
磁铁：利用铁的磁性。
2. 金属的其他化学性质：
能与酸发生置换反应生成盐和氢气；能与某些盐溶液发生置换反应；部分金属能与水在一定条件下反应。
实验步骤1 认识金属的物理性质
实验记录
|金属|铜片|铁片|铝片|
|--|--|--|--|
|颜色与光泽|紫红色，有金属光泽|银白色，有金属光泽|银白色，有金属光泽|
|硬度|较硬，不易折断|硬度较大，不易折断|较软，易弯曲|
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(3)|铁片、铜片测温点温度明显升高，且铜片升温速率快于铁片；木片测温点温度升高缓慢|
|(4)|接入铜片、铁片、铝片时，小灯泡均发光|
|(5)|铁片能被磁铁吸引，铜片、铝片无法被磁铁吸引|
实验结论
金属有金属光泽、延展性、导热性、导电性，部分金属具有磁性等物理性质。
实验步骤2 探究金属的化学性质
实验记录
|实验步骤|实验现象|
|--|--|
|(1)|锌粒表面有气泡产生；铜片表面无明显现象|
|(2)|加入硝酸银溶液的试管中：铜片表面析出银白色固体，溶液由无色变为蓝色；加入硫酸亚铁溶液的试管中：无明显现象|
实验结论
锌$\boldsymbol{能}$与稀硫酸反应；铜$\boldsymbol{不能}$与稀硫酸反应。化学方程式：$\boldsymbol{{Zn + H_{2}SO_{4} = ZnSO_{4} + H_{2}↑}}$
铜$\boldsymbol{能}$与硝酸银溶液反应；铜$\boldsymbol{不能}$与硫酸亚铁溶液反应。化学方程式：$\boldsymbol{{Cu + 2AgNO_{3} = Cu(NO_{3})_{2} + 2Ag}}$
实验步骤3 探究金属的活动性顺序
(1)实验记录
|金属与盐溶液|铁与硫酸铜溶液|铁与氯化铜溶液|
|--|--|--|
|实验现象|铁丝表面析出红色固体，溶液由蓝色变为浅绿色|铁丝表面析出红色固体，溶液由蓝绿色变为浅绿色|
|反应能否进行|能|能|
|化学方程式|$\boldsymbol{{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}}$|$\boldsymbol{{Fe + CuCl_{2} = FeCl_{2} + Cu}}$|
(2)实验记录
|金属与盐溶液|锌与硫酸铜溶液|铁与硝酸银溶液|银与硝酸铜溶液|
|--|--|--|--|
|实验现象|锌粒表面析出红色固体，溶液蓝色逐渐褪去|铁丝表面析出银白色固体，溶液由无色变为浅绿色|无明显现象|
|反应能否进行|能|能|不能|
|化学方程式|$\boldsymbol{{Zn + CuSO_{4} = ZnSO_{4} + Cu}}$|$\boldsymbol{{Fe + 2AgNO_{3} = Fe(NO_{3})_{2} + 2Ag}}$|无|
实验结论
综合实验2和实验3，可得出银、铜、锌的金属活动性由强到弱为$\boldsymbol{锌＞铜＞银}$。
思维与创新
1. 相似性：四种金属都有金属光泽，具备良好的导电性、导热性、延展性。
差异性：密度、熔点、硬度不同，银的导电性最优，铝的密度最小，锌的熔点相对较低等。
高压输电线常用铝：铝的导电性较好，密度小、质量轻，表面易生成致密氧化铝薄膜耐腐蚀，且成本低于铜；
家用导线常用铜：铜的导电性比铝更优异，电阻小，电能损耗少，适合家庭短距离布线。
2. 实验方案：
取打磨光洁的铝片、锌片、铁片，分别放入三支盛有等量等浓度稀硫酸的试管中，观察反应速率：
铝片表面产生气泡的速率最快，
锌片表面产生气泡速率次之，
铁片表面产生气泡速率最慢。
结论：金属活动性顺序为$\boldsymbol{铝＞锌＞铁}$。
自评与互评（示例）
合作伙伴：XXX
|评价内容|自我评价|合作伙伴评价|
|--|--|--|
| |评价结果|评价结果|
|对实验原理的理解|$\boldsymbol{☑}$ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|$\boldsymbol{☑}$ 理解
□ 基本理解
□ 仍未理解|
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□ 经指导能完成
□ 未能完成|$\boldsymbol{☑}$ 能独立完成
□ 经指导能完成
□ 未能完成|
|在实验中的表现|$\boldsymbol{☑}$ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|$\boldsymbol{☑}$ 积极主动
□ 被动参与
□ 未参与|
