金属与氧气、酸的反应

纵观人类炼金史，金$(\mathrm{Au})$、银$(\mathrm{Ag})$、铜$(\mathrm{Cu})$这样的稀有金属是最早被发现并运用的。铁$(\mathrm{Fe})$在其之后，而铝材料更是在近代之后才出现。

这与金属的冶炼难度有关。金在自然界中以单质存在，而铜则大多以氧化铜的形式存在，需要还原。随着金属活性的增加，其冶炼难度也在增加。这决定了人类炼金史的发展。

鉴别金属活性有两种常用的方式。

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金属与氧气的反应

氧化反应是自然界中普遍存在的反应，也是鉴别金属活性最直接的方式。

在此，我们选择了铝$(\mathrm{Al})$、镁$(\mathrm{Mg})$、铁、铜、金五种金属来讨论。

常温下就能发生的反应

由于化学性质活泼，镁铝在常温下就会反应。自然界中他们以化合物的形式存在，且冶炼难度较高，不易获得单质。

$\mathrm{Al}$

铝是银白色金属，在常温下可与氧气反应生成氧化铝$(\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3)$，一种白色化合物。因此氧化时铝表面会逐渐变暗，并形成一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝被进一步氧化。因此，铝具有很好的抗腐蚀性能。另外，其硬度大、密度小以及价格等优点也决定了其理想材料地位。

$4Al+3{\mathrm{O}}_2=2A{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$

$\mathrm{Mg}$

镁铝化学性质相似。常温下镁与氧气反应生成氧化镁$(\mathrm{MgO})$，其表面薄膜致密程度略低于铝。

镁在点燃条件下能在空气中燃烧，发出刺眼白光，放热。

$2Mg+{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{点燃}}{=}2MgO$

点燃或加热时才能发生的反应

相对于镁铝，铁、铜的化学性质较稳定，常温下不易反应，需要点燃或加热。其冶炼难度低于镁铝。

$\mathrm{Fe}$

铁在点燃条件下能在氧气中燃烧。其现象是剧烈燃烧，火星四射，放热。

$3Fe+2{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{点燃}}{=}\mathrm{F}{\mathrm{e}}_3{\mathrm{O}}_4$

$\mathrm{Cu}$

铜在加热条件下能与空气中的氧气反应，现象是表面变黑，失去金属光泽。

$2Cu+{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}2CuO$

上文提到，自然界中铜元素以氧化铜的形式存在。常见的铜单质的还原方法有三种：

$2CuO+\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{高温}}{=}2Cu+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$
$\mathrm{CuO}+\mathrm{CO}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{Cu}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$
$\mathrm{CuO}+{\mathrm{H}}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{Cu}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

不能反应

$\mathrm{Au}$

金的化学性质不活泼，即使在高温下也不与氧气反应。(但注意不能称为惰性金属，金会与其他物质反应）因此，金的冶炼是最容易的。

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综上，我们可以得到以下结论：

• 大多数金属都能与氧气反应，但反应的难易和剧烈程度不同，这取决于金属的活性；
• 以上五种金属的活动性（由大到小）：$\mathrm{Mg},\mathrm{Al}\to \mathrm{Fe},\mathrm{Cu}\to \mathrm{Au}$

金属与盐酸、稀硫酸的反应

除了氧化反应这样的原始鉴别方法以外，我们还广泛采用金属与酸的反应。这里我们选择盐酸$(\mathrm{HCl})$和稀硫酸$({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)$这两种酸。注意不建议使用硝酸$(\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3)$，因为硝酸有强氧化性。例如在铁与硝酸的反应中，可能会出现三价铁，生成物与本实验要求的不同。因此最好选择本实验要求的盐酸和稀硫酸。

我们选择镁、锌$(\mathrm{Zn})$、铁、铜四种金属来做这次实验。为控制变量，应：

• 取相同大小的金属颗粒；
• 取等量、等浓度的同种酸溶液。

实验相关信息如下表所示：

金属	与酸反应的现象	与稀盐酸反应方程式	与稀硫酸反应方程式
$\mathrm{Mg}$	反应剧烈，产生大量气泡，溶液仍为无色	$\mathrm{Mg}+2HCl=\mathrm{MgC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\uparrow$	$\mathrm{Mg}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4=\mathrm{MgS}{\mathrm{O}}_4+{\mathrm{H}}_2\uparrow$
$\mathrm{Zn}$	反应速率适中，产生一些气泡，溶液仍为无色	$\mathrm{Zn}+2HCl=\mathrm{ZnC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\uparrow$	$\mathrm{Zn}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4=\mathrm{ZnS}{\mathrm{O}}_4+{\mathrm{H}}_2\uparrow$
$\mathrm{Fe}$	反应缓慢，产生少量气泡，溶液由无色变为浅绿色	$\mathrm{Fe}+2HCl=\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\uparrow$	$\mathrm{Fe}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4=\mathrm{FeS}{\mathrm{O}}_4+{\mathrm{H}}_2\uparrow$
$\mathrm{Cu}$	无现象，不反应	—	—

根据上表，我们可知反应剧烈程度递减。这是由于四种金属的活泼性递减。在此实验中，如果金属的活泼性大于氢$(\mathrm{H})$，便会发生反应。因此，镁、锌、铁的活性大于氢，而铜的活性小于氢。据此，我们可以将金属分为活泼金属与不活泼金属。

综上，我们得到了以下结论：

• 活泼金属能与盐酸、稀硫酸反应；
• 这四种金属的活动性（由大到小）：$\mathrm{Mg}\to \mathrm{Zn}\to \mathrm{Fe}\to (\mathrm{H})\to \mathrm{Cu}$

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我的第一篇whk博客哦！
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