NCEA 1 級科學/物質的性質和變化

燒杯中的氯化氫蒸汽和試管中的氨氣相遇形成新的物質氯化銨的雲

介紹

金屬在我們日常生活中隨處可見。通常，我們看到它們是化合物，如不鏽鋼（由鐵、鎳和鉻製成）。在化學中，金屬是元素週期表中左側和中間的元素。中間的金屬稱為過渡金屬。

物理性質

大多數金屬具有以下物理性質

• 導電性（具有自由電子）
• 導熱性（熱量導體）
• 密度（原子結構緊密排列）
• 延展性（可以拉成細絲，例如電線）
• 光澤（閃亮）
• 延展性（可以錘成形狀）

金屬通常在室溫（20 ˚C）下為固體，唯一的例外是汞，其熔點為 -39 ˚C。金屬也通常為灰色或銀色，銅是例外。

• 
  導電性
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  導熱性
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  密度
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  延展性
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  光澤
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  延展性

金屬的反應

鎂火。第一股來自 CO₂滅火器，第二股來自粉末滅火器，第三股來自泡沫滅火器。由於相機根據最亮的光源設定靈敏度，請注意設定，以便了解火產生的光的強度。

活性（反應性）序列

金屬	Na	Ca	Mg	Al	Zn	Fe	Pb	Cu
符號	Na+	Ca2+	Mg2+	Al3+	Zn2+	Fe2+	Pb2+	Cu2+
反應性

反應性序列顯示了金屬對氧氣、水或酸的反應性。鈉和鈣的反應性最高。鈉的反應性最高，因為它離擁有完整的價電子層只有一個電子。

金屬和氧氣

提示！
金屬 + 氧氣 → 金屬氧化物

當金屬與氧氣反應時，它們會形成金屬氧化物塗層。

對於文字方程式，需要反應物和產物的名稱。對於化學方程式，應遵循滴落交換規則。此外，方程式需要平衡，以便反應物的數量等於產物的數量。

金屬	反應	評論
鈉	鈉 + 氧氣 → 氧化鈉 4Na + O2 → 2Na2O	鈉暴露在空氣中時會立即與氧氣反應，因此有必要將其放在油中以防止與空氣接觸。
鈣	鈣 + 氧氣 → 氧化鈣 2 Ca + O2 → 2CaO	鈣對氧氣的反應性很高，因為它離擁有完整的價電子層有兩個電子。
鎂	鎂 + 氧氣 → 氧化鎂 2Mg + O2 → 2MgO	在氧化鎂反應中，當鎂在本生燈火焰中燃燒時，會觀察到明亮的白光。產物氧化鎂是產生的白色粉末。
鋁	鋁 + 氧氣 → 氧化鋁 4Al +3 O2 → 2Al2O3	氧化鋁層是完整的，沒有間隙，因此可以防止鋁與氧氣、水或酸接觸。這種不溶性塗層使鋁看起來不反應，儘管鋁在活性序列中的排名很高。
鋅	鋅 + 氧氣 → 氧化鋅 2Zn + O2 → 2ZnO	鋅的反應性很強，它很容易氧化。
鐵	鐵 + 氧氣 → 氧化鐵 4Fe +3 O2 →2Fe2O3	鐵的氧化反應通常被稱為生鏽。在氧氣和水的存在下，生鏽會緩慢發生，形成氧化鐵。
鉛	鉛 + 氧氣 → 氧化鉛 2Pb + O2 → 2PbO	當鉛加熱到 600°C 時，會發生氧化鉛（II），呈紅色或黃色。與鉛一樣，氧化鉛有毒，是鉛漆的成分。
銅	銅 + 氧氣 → 氧化銅 2Cu + O2 → 2CuO	銅位於活性序列的末尾，反應性很弱。它與氧氣的反應需要很長時間。作為一種過渡金屬，它在變成化合物時會改變顏色。銅在變成氧化銅時會從紅褐色變成黑色。

生鏽

一個心形的生鏽金屬補丁，從破裂和剝落的油漆中顯露出來；一個靠近鐵路軌道的金屬牆。

氧化鐵反應通常被稱為生鏽。

生鏽在氧氣（不是空氣，空氣主要是氮氣）和水的存在下發生。金屬生鏽或氧化需要這兩種元素。在這些條件下，鐵會與空氣和水結合形成水合氧化鐵。

生鏽是一個非常昂貴的問題，因為它會腐蝕金屬，最終完全溶解它。可以採取以下措施防止生鏽

• 合金化

透過將鐵與鉻或鎳或兩者合金化，可以形成不鏽鋼，它具有化學抗腐蝕性。這是最昂貴的方法，但它使金屬絕對防鏽。

• 鍍鋅

與鐵相比，更容易與腐蝕性物質反應的金屬會犧牲自己來保護鐵（這些金屬可以在活性序列中找到）。這種犧牲腐蝕通常用於保護鐵，例如在屋頂上以鍍鋅鐵的形式使用。在腐蝕性物質的存在下，鋅與鐵形成電勢，導致鋅犧牲自己並保護鐵，只要鋅仍然存在。但是，如果另一種反應性更弱的金屬接觸到這種鋅塗層，鋅會溶解以防止這種反應性更弱的金屬腐蝕。當鋅腐蝕後，鐵會開始腐蝕。

生鏽的柵欄

• 塗層

塗層必須完全覆蓋鐵，並且必須是不滲透的（防止與氧氣和水接觸）。只要塗層完全覆蓋它，這種方法就有效。它是最便宜的，因此也是最常見的。油漆是常用的金屬塗層，例如汽車。保護層也可以是不反應的金屬，例如鉻和錫（用於罐頭，稱為錫罐）。但是，這意味著電勢被設定為保護塗層，因此如果塗層破損，鐵上的生鏽速度會加快。

特殊氧化層

雖然鋁的化學反應性很強，但鋁會形成一層薄而透明的完整氧化層，保護它免受進一步腐蝕。因此，在正常的環境條件下，它看起來是不反應的。

鋅和鉛的反應性比鋁弱，也會形成類似的保護層。

金屬和水

提示！
金屬 + 水 → 金屬氫氧化物 + 氫

金屬與水反應生成金屬氫氧化物（液體）和氫氣。金屬氫氧化物是鹼性物質。像鈉這樣的金屬會與水劇烈反應，而銅則反應性很弱。

示例

鈉 + 水 → 氫氧化鈉 + 氫氣

Mg + H₂O → Mg(OH)₂ → H₂

Zn + H₂O → Zn(OH)₂ + H₂

鈣 + 水 → 氫氧化鈣 + 氫氣

Pb + 2H₂O → Pb(OH)₂ + H₂

鐵 + 水 → 氫氧化鐵 + 氫氣

Al + H₂O → Al(OH)₃ + H₂O

H 是氫元素，H₂ 是氫氣。

氫氣的檢驗方法是爆鳴實驗。爆鳴實驗包括收集氣體樣本並點燃。氫氣燃燒會發出爆鳴聲。

金屬和酸

提示！
金屬 + 酸 → 金屬離子（鹽） + 氫氣

當金屬與酸反應時，會形成金屬離子（鹽）併產生氫氣。

示例

鋅 + 鹽酸 → 氯化鋅 + 氫氣

Ca + H₂SO₄ + CaSO₄ + H₂

鎂 + 鹽酸 → 氯化鎂 + 氫氣

Mg + HCl → MgCl₂ + H₂

鈉 + 硫酸 → 硫酸鈉 + 氫氣

Al + H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + H₂

鉛 + 鹽酸 → 氯化鉛 + 氫氣

Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂

化學方程式的配平

提示！
反應物 → 生成物

一個配平的化學方程式是指反應物和生成物兩邊每種元素的原子數目相同。為了配平化學方程式，我們在元素或化合物前面加上係數。

示例

2Mg + O2 → 2MgO

對指示劑的影響

酸

酸是一種含有氫的化合物，可以在水中釋放氫離子（H⁺），從而產生比純水中更高的氫離子濃度。酸的味道是酸的，並且具有腐蝕性。

有機酸（含有碳的酸）的例子

• 
  可樂（碳酸）
• 
  柑橘類水果（檸檬酸）
• 
  醋（乙酸）
• 
  蜜蜂蜇傷
• 
  葉子（草酸）
• 
  阿司匹林（水楊酸）
• 
  胃酸（鹽酸）

鹽酸是常見的實驗室試劑。

實驗室中使用的無機酸包括

• 鹽酸 (HCl)
• 硫酸 (H₂SO₄)

氯化氫 (HCl) 是酸，因為它溶解在水中會產生氫離子和氯離子，被稱為鹽酸。判斷一種物質是否是酸的一個線索是它的化學式是否以 H 開頭，例如 HCl 和 H₂SO₄。但是，並非所有情況下都如此。

酸具有腐蝕性，因為它們溶解在水中（例如，氯化氫溶解形成鹽酸）時會釋放氫離子。這些氫離子反應性很強，因為它們會與另一種化合物結合以形成穩定的狀態。當酸灑到皮膚上時，酸會分解皮膚，與構成皮膚的化合物結合。然而，在學校實驗室環境中，酸通常會被高度稀釋，但如果處理不及時，仍然有可能造成傷害。

鹼

鹼是一類鹼性物質，味道苦，摸起來滑膩。當溶解在水中時，鹼會產生過量的氫氧根離子 (OH^-.)。

常見的家庭用鹼的例子

• 肥皂
• 烤箱清潔劑
• 清潔產品
• 胃藥片
• 洗衣粉
• 家用清潔劑
• 洗碗液

常見的鹼包括

• 氫氧化鈉 (NaOH)
• 氫氧化鈣 (Ca(OH)₂)
• 氨水 (NH₃)

中和反應

當酸和鹼相互反應時，會發生中和反應，生成鹽和水。使用指示劑，例如石蕊試紙，可以找到混合物變為中性的點。

中和反應可以表示為

H⁺ + OH^- → H₂O

但是，由於酸鹼反應中存在其他化合物，實際反應會形成鹽。

酸 + 鹼 → 鹽 + 水

示例

氫氧化鈉（也稱為苛性鈉）與鹽酸混合，形成水和氯化鈉。

氫氧化鈉 + 鹽酸 → 水 + 氯化鈉 NaOH + HCl → H₂O + NaCl

驅動此反應的原因是形成溶劑，在本例中是水。雖然形成了水分子，但鈉 (Na⁺) 和氯 (Cl^-) 離子仍然是分離的。透過蒸發水，氯化鈉 (NaCl) 會隨著離子結合形成化合物而形成。

指示劑

指示劑是任何在酸性、鹼性或中性溶液中會改變顏色的化學物質或天然產物。常見的化學指示劑有

• 通用指示劑
• &石蕊試紙（染料和紙張）

其中最有用的是通用指示劑。通用指示劑是幾種不同化學指示劑的混合物。之所以能夠呈現出各種顏色，是因為通用指示劑溶液在特定 pH 值下的顏色是由各個指示劑的顏色決定的。總體效果是在較大的 pH 範圍內逐漸發生顏色變化。

石蕊和其他許多指示劑都來自植物汁液。石蕊是從地衣中提取的。許多植物汁液，例如甜菜汁，也可以根據溶液的酸性、鹼性或中性而改變顏色。

在不同酸鹼度下的顏色變化

指示劑	酸	顏色	中性	顏色	鹼	顏色
通用指示劑	紅色、橙色、黃色		綠色		藍色、紫色
石蕊	紅色				藍色

顏色變化的例子

溶液	顏色變化	顏色	溶液型別
Jif	藍色		鹼
牛奶	黃色		弱酸
烤箱清潔劑	藍色		鹼
咖啡	黃色		弱酸
酸橙汁	紅色		酸
雪碧	紅色		酸
醋	紅色		酸
洗碗液	藍色		鹼
茶	黃色		弱酸

pH 值

pH（氫離子濃度）值是指溶液的酸鹼度。

通用指示劑

通用指示劑的顏色決定了酸或鹼的強度。偏離 pH 7 的值越大，酸或鹼的強度就越大。

pH 範圍	描述	顏色	顏色樣本
0	強酸	紅色
1	強酸	紅色
2	強酸	紅色
3	弱酸	橙色
4	弱酸	橙色
5	弱酸	黃色
6	弱酸	黃色
7	中性	綠色
8	弱鹼	藍色
9	弱鹼	藍色
10	弱鹼	藍色
11	弱鹼	藍色
12	強鹼	紫色
13	強鹼	紫色
14	強鹼	紫色

酸和碳酸鹽

酸和金屬氧化物

金屬氧化物與酸反應會生成鹽和水。

提示！
金屬氧化物 + 酸 → 鹽 + 水

示例

MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O

氧化鎂 + 鹽酸 → 氯化鎂 + 水

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

氧化鈉 + 硫酸 → 硫酸鈉 + 水

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

氧化鉛 + 鹽酸 → 氯化鉛 + 水

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

金屬氧化物是鹼性的，可以用酸來中和。

酸和氫氧化物

酸與金屬氫氧化物的反應也會生成鹽和水。

提示！
金屬氫氧化物 + 酸 → 鹽 + 水

示例

Cu(OH)₂ + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

氫氧化銅 + 硫酸 → 硫酸銅 + 水

Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O

氫氧化鎂 + 鹽酸 → 氯化鎂 + 水

2Al(OH)₂ +3H₂SO₄ → 2Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O

酸和碳酸鹽

提示！
金屬碳酸鹽 + 酸 → 鹽 + 二氧化碳 + 水

金屬碳酸鹽與酸反應會生成鹽、二氧化碳氣體和水。

示例

ZnCO₃ + HCl → ZnCl₂ + CO₂ + H₂O

CO₂ 的檢驗方法是：石灰水變渾濁。

酸和碳酸氫鹽

提示！
金屬碳酸氫鹽 + 酸 → 鹽 + 二氧化碳 + 水

金屬碳酸氫鹽（碳酸氫鹽）也會與酸反應生成鹽、二氧化碳和水。

示例

碳酸氫鈣 + 硫酸 → 硫酸鈣 + 二氧化碳 + 水

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ + H₂O

小蘇打

NaHCO₃ 通常被稱為小蘇打。泡打粉是NaHCO₃ 添加了酒石酸以改善口感。

金屬

金屬	符號	示例
鈉	Na
鈣	Ca
鎂	Mg
鋁	Al
鋅	Zn
鐵	Fe
鉛	Pb
銅	Cu