118 种化学元素
氢 H
- 纯净的氢气在空气中安静地燃烧，发出淡蓝色火焰，产物为水：
\[\ce{2H2 + O2\xlongequal{点燃}2H2O}
\]
- 实验室中常用活泼金属和酸反应制备氢气：
\[\ce{Zn + 2HCl\xlongequal\quad ZnCl2 + H2 ^}\hspace{3em}\ce{Mg + H2SO4\xlongequal\quad MgSO4 + H2 ^}
\]
- 氢气具有还原性，可在加热条件下将氧化铜还原为金属铜：
\[\ce{H2 + CuO\xlongequal\triangle Cu + H2O}
\]
锂 Li
- 锂可以在氧气中燃烧，生成氧化锂：
\[\ce{4Li + O2\xlongequal{点燃}2Li2O}
\]
- 锂会与水发生剧烈反应，生成的氢氧化锂是一种强碱。由于锂的密度比水小，反应时锂会浮在水面上：
\[\ce{2Li + 2H2O\xlongequal\quad 2LiOH + H2 ^}
\]
- 锂是唯一的在室温下就可以与氮气发生反应的金属。金属锂暴露在空气中变黑的主要原因是生成了氮化锂：
\[\ce{6Li + N2\xlongequal\quad 2Li3N}
\]
- 锂离子电池常用钴酸锂作为正极材料，电池充、放电的反应方程式：
\[\ce{LiCoO2 + C<=>T[充电][放电]Li_{1-x}CoO2 + Li_xC}
\]
碳 C
- 碳在空气中可以燃烧，在氧气充足的条件下充分燃烧可生成二氧化碳，在氧气不充足的条件下不充分燃烧则生成一氧化碳：
\[\ce{C + O2\xlongequal{点燃}CO2}\hspace{3em}\ce{2C + O2\xlongequal{点燃}2CO}
\]
- 煤气的主要成分是一氧化碳。一氧化碳燃烧发出蓝色的火焰，生成二氧化碳，并放出大量的热：
\[\ce{2CO + O2\xlongequal{点燃}2CO2}
\]
- 工业上由炽热的焦炭和水蒸气反应制得一氧化碳和氢气的混合物，俗称 “水煤气”：
\[\ce{C + H2O\xlongequal{高温}CO + H2}
\]
- 大气中的二氧化碳可通过植物的光合作用转化为糖类和氧气：
\[\ce{6CO2 + 6H2O\xlongequal{光合作用}C6H12O6 + 6O2}
\]
氮 N
- 点燃的镁条在氮气中不会熄灭，反而会更加剧烈地燃烧起来：
\[\ce{3Mg + N2\xlongequal{点燃}Mg3N2}
\]
- 氮气和氢气在催化剂存在和高温、高压条件下可反应生成氨气，这就是著名的合成氨反应：
\[\ce{N2 + 3H2<=>T[催化剂][高温、高压]2NH3}
\]
- 实验室常用加热铵盐和碱的固体混合物的方式制备氨气：
\[\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2\xlongequal\triangle CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}
\]
- 金属与硝酸反应一般不生成氢气，而生成硝酸盐、氮氧化物和水。硝酸具有氧化性，不同浓度的硝酸的氧化性不同，所得的氮氧化物也不同：
\[\begin{matrix}
\ce{3Cu + 8HNO3(稀)\xlongequal\quad 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\\
\ce{Cu + 4HNO3(浓)\xlongequal\quad Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}
\end{matrix}
\]
氧 O
- 实验室里常用双氧水溶液或氯酸钾（KClO3）固体的分解反应制备氧气，反应中，二氧化锰（MnO2）作为催化剂不参与反应。氧气不易溶于水，故生成的氧气可用排水法收集：
\[\begin{matrix}
\ce{2H2O2\xlongequal{\ce{MnO2}}2H2O + O2 ^}\\
\ce{2KClO3\xlongequal[\triangle]{\ce{MnO2}}{2\,KCl} + 3O2 ^}
\end{matrix}
\]
- 大量金属和非金属都能在氧气中发生燃烧反应，并生成相应的氧化物：
\[\begin{matrix}
\ce{2Mg + O2\xlongequal{点燃}2MgO}\\
\ce{3Fe + 2O2\xlongequal{点燃}Fe3O4}\\
\ce{C + O2\xlongequal{点燃}CO2}\\
\ce{S + O2\xlongequal{点燃}SO2}
\end{matrix}
\]
氟 F
- 氟气与水反应时可以将水中的氢夺走，并释放出氧气：
\[\ce{2F2 + 2H2O\xlongequal\quad 4HF + O2}
\]
- 氟气的化学性质非常活泼，可以与氢气发生爆炸性化合反应，生成氟化氢：
\[\ce{H2 + F2\xlongequal\quad 2HF}
\]
- 氢氟酸是氟化氢的水溶液，它可以腐蚀玻璃。因此通常选择聚四氟乙烯容器，而不是玻璃瓶来保存氢氟酸：
\[\begin{matrix}
\ce{SiO2 + 4HF\xlongequal\quad SiF4 ^ + 2H2O}\\
\ce{SiO2 + 6HF\xlongequal\quad H2SiF6 + 2H2O}
\end{matrix}
\]
钠 Na
- 钠可以与水剧烈反应并放热。由于钠的熔点低、密度小，反应时钠会熔成一个小球并漂浮在水面上：
\[\ce{2Na + 2H2O\xlongequal\quad 2NaOH + H2 ^}
\]
- 过氧化钠（Na2O2）可与二氧化碳反应，生成氧气，作为二氧化碳吸收剂和潜艇供氧剂：
\[\ce{2Na2O2 + 2CO2\xlongequal\quad 2Na2CO3 + O2}
\]
- “联合制碱法” 是以氯化钠、二氧化碳、氨和水为原料制取纯碱（Na2CO3）的一种制碱工艺。副产物氯化铵可作氮肥，二氧化碳可循环利用：
\[\begin{matrix}
\ce{NaCl + CO2 + NH3 + H2O\xlongequal\quad NaHCO3 v + NH4Cl}\\
\ce{2NaHCO3\xlongequal\triangle Na2CO3 + H2O + CO2 ^}
\end{matrix}
\]
- 电解饱和食盐水不能提取钠单质，而是得到氢氧化钠溶液，同时生成氯气和氢气：
\[\ce{2NaCl + 2H2O\xlongequal{通电}2NaOH + Cl2 ^ + H2 ^}
\]
镁 Mg
- 镁在氧气中燃烧生成氧化镁，并发出耀眼白光：
\[\ce{2Mg + O2\xlongequal{点燃}2MgO}
\]
- 镁着火后不能用二氧化碳灭火器灭火，因为镁可以在二氧化碳中燃烧：
\[\ce{2Mg + CO2\xlongequal{点燃}2MgO + C}
\]
- 氧化镁是一种碱性氧化物，难溶于水，但可以与酸反应：
\[\ce{MgO + 2HCl\xlongequal\quad MgCl2 + H2O}
\]
- 镁是一种活泼金属，可以通过电解熔融氯化镁制得：
\[\ce{MgCl2(熔融)\xlongequal{通电}Mg + Cl2 ^}
\]
铝 Al
- 铝既可以溶于酸，也可以溶于强碱，是一种两性金属：
\[\begin{matrix}
\ce{2Al + 6HCl\xlongequal\quad 2AlCl3 + 3H2 ^}\\
\ce{2Al + 2NaOH + 2H2O\xlongequal\quad 2NaAlO2 + 3H2 ^}
\end{matrix}
\]
- 高温条件下，铝可以将活泼性不如铝的金属（如铁）从其氧化物中置换出来。这一反应会放出大量的热，称为 “铝热反应”：
\[\ce{2Al + Fe2O3\xlongequal{高温}2Fe + Al2O3}
\]
- 在冰晶石溶液中电解熔融氧化铝可制得铝单质，这就是 “电解炼铝法”：
\[\ce{2Al2O3(熔融)\xlongequal[冰晶石]{电解}{4\,Al} + 3O2 ^}
\]
硅 Si
- 二氧化硅既可以与氢氟酸反应，也能与氢氧化钠反应：
\[\ce{SiO2 + 6HF\xlongequal\quad H2SiF6 + 2H2O}\hspace{3em}\ce{SiO2 + 2NaOH\xlongequal\quad Na2SiO3 + H2O}
\]
- 工业上用石英砂（二氧化硅）提取硅单质：
\[\ce{SiO2 + 2C\xlongequal{高温}Si + 2CO ^}
\]
- 硅酸是难溶性弱酸。实验室里使用水玻璃（硅酸钠水溶液）和稀盐酸反应制备硅酸胶体：
\[\ce{Na2SiO3 + 2HCl\xlongequal\quad 2NaCl + H2SiO3}
\]
磷 P
- 磷在空气中燃烧生成十氧化四磷（或五氧化二磷）。由于磷不与空气中除氧气外的其他组分反应，所以磷的燃烧可用于测定空气中氧气的含量：
\[\begin{matrix}
\ce{4P + 5O2\xlongequal{点燃}P4O10}\\
\ce{4P + 5O2\xlongequal{点燃}2P2O5}
\end{matrix}
\]
- 酸酐是指与水反应可生成酸的化合物。十氧化四磷溶于热水可生成磷酸，是磷酸的酸酐：
\[\ce{P4O10 + 6H2O(热)\xlongequal\quad 4H3PO4}
\]
硫 S
- 硫在空气中燃烧的火焰呈蓝紫色，生成有刺激性气味的二氧化硫气体：
\[\ce{S + O2\xlongequal{点燃}SO2}
\]
- 二氧化硫溶于水生成亚硫酸，亚硫酸进一步被氧化形成硫酸型酸雨：
\[\ce{SO2 + H2O\xlongequal\quad H2SO3}\hspace{3em}\ce{2H2SO3 + O2\xlongequal\quad 2H2SO4}
\]
- 浓硫酸具有氧化性。铜不与稀硫酸反应，但可以与浓硫酸反应，加热条件下反应速率会加快：
\[\ce{Cu + 2H2SO4(浓)\xlongequal\triangle CuSO4 + 2H2O + SO2 ^}
\]
- 浓硫酸沸点高且不易挥发，可以用来制取盐酸：
\[\ce{2NaCl + H2SO4(浓)\xlongequal\triangle Na2SO4 + 2HCl ^}
\]
氯 Cl
- 实验室里常用二氧化锰和浓盐酸在加热的条件下反应制取氯气：
\[\ce{MnO2 + 4HCl(浓)\xlongequal\triangle MnCl2 + 2H2O + Cl2 ^}
\]
- 氯气十分活泼，能和多种金属化合，生成金属氯化物：
\[\begin{matrix}
\ce{2Na + Cl2\xlongequal{点燃}2NaCl}\\
\ce{Cu + Cl2\xlongequal{点燃}CuCl2}\\
\ce{2Fe + 3Cl2\xlongequal{点燃}2FeCl3}
\end{matrix}
\]
- 氢气在氯气中安静地燃烧，发出苍白色火焰，生成氯化氢气体。氯化氢气体能与空气中的水结合形成小液滴，故盛有氯化氢气体的瓶口可以看到缕缕白雾：
\[\ce{H2 + Cl2\xlongequal{点燃}2HCl}
\]
- 漂白粉的作用原理是有效成分次氯酸钙与空气中的二氧化碳和水接触，生成具有漂白性的次氯酸：
\[\ce{Ca(ClO)2 + CO2 + H2O\xlongequal\quad CaCO3 v + 2HClO}
\]
钾 K
- 钾与水能反应生成氢气，并且反应极为剧烈：
\[\ce{2K + 2H2O\xlongequal\quad 2KOH + H2 ^}
\]
- 钾在过量的氧气中燃烧生成超氧化钾，而非过氧化钾：
\[\ce{K + O2\xlongequal{点燃}KO2}
\]
- 超氧化钾在吸收二氧化碳的同时释放出氧气，可作为封闭空间中的氧源：
\[\ce{2KO2 + 2CO2\xlongequal\quad 2K2CO3 + 3O2}
\]
钙 Ca
- 金属钙非常活泼，常温下与水发生剧烈反应，生成氢氧化钙和氢气：
\[\ce{Ca + 2H2O\xlongequal\quad Ca(OH)2 + H2 ^}
\]
- 高温煅烧石灰石能得到生石灰（氧化钙）：
\[\ce{CaCO3\xlongequal{高温}CaO + CO2 ^}
\]
- 生石灰溶于水制得熟石灰（氢氧化钙），同时放出大量的热：
\[\ce{CaO + H2O\xlongequal\quad Ca(OH)2}
\]
- 碳酸钙难溶于水，但能溶于含二氧化碳的水中，产生可溶于水的碳酸氢钙，碳酸氢钙不稳定，受热易分解为碳酸钙：
\[\begin{matrix}
\ce{CaCO3 + CO2 + H2O\xlongequal\quad Ca(HCO3)2}\\
\ce{Ca(HCO3)2\xlongequal\quad CaCO3 + CO2 ^ + H2O}
\end{matrix}
\]
钛 Ti
- 高温（500℃~600℃）下，金属钛与氧气发生反应，生成二氧化钛：
\[\ce{Ti + O2\xlongequal{高温}TiO2}
\]
- 钛有着良好的抗腐蚀性能，只会被特定的酸（如氢氟酸）腐蚀：
\[\ce{2Ti + 6HF\xlongequal\quad 2TiF3 + 3H2 ^}
\]
钒 V
- 钒有着多种氧化物。当金属钒在空气中加热时，钒氧化生成三氧化二钒和二氧化钒，并最终成为稳定的五氧化二钒：
\[\begin{matrix}
\ce{4V + 3O2\xlongequal\triangle 2V2O3}\\
\ce{V + O2\xlongequal\triangle VO2}\\
\ce{4V + 5O2\xlongequal\triangle 2V2O5}
\end{matrix}
\]
- 工业上用焦炭或铝在高温条件下还原五氧化二钒，生产金属钒：
\[\begin{matrix}
\ce{5C + 2V2O5\xlongequal{高温}4V + 5CO2 ^}\\
\ce{10Al + 3V2O5\xlongequal{高温}6V + 5Al2O3}
\end{matrix}
\]
铬 Cr
- 一些金属离子的铬酸盐难溶于水，且呈现出鲜艳的特征颜色：
\[\begin{matrix}
\ce{Ba^{2+} + CrO4^{2-}\xlongequal\quad BaCrO4 v (黄色)}\\
\ce{Pb^{2+} + CrO4^{2-}\xlongequal\quad PbCrO4 v (黄色)}\\
\ce{2Ag+ + CrO4^{2-}\xlongequal\quad Ag2CrO4 v (砖红色)}
\end{matrix}
\]
- 重铬酸根在酸性溶液中具有强氧化性，可用于测定二价铁离子的含量：
\[\ce{6Fe^{2+} + Cr2O7^{2-} + 14H+\xlongequal\quad 2Cr^{3+} + 7H2O + 6Fe^{3+}}
\]
- 三氧化二铬为深绿色固体，既可溶于酸，也可溶于强碱：
\[\begin{matrix}
\ce{Cr2O3 + 6HCl\xlongequal\quad 2CrCl3 + 3H2O}\\
\ce{Cr2O3 + 2NaOH\xlongequal\triangle 2NaCrO2 + H2O}
\end{matrix}
\]
锰 Mn
- 高锰酸钾晶体在室温下比较稳定，但加热时容易分解，并释放出氧气：
\[\ce{2KMnO4\xlongequal\triangle K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}
\]
- 向紫红色的高锰酸钾溶液中通入二氧化硫会发生化学反应，能使高锰酸钾溶液褪色：
\[\ce{5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O\xlongequal\quad K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4}
\]
- 二氧化锰是两性氧化物，可以与浓酸、浓碱分别缓慢反应：
\[\begin{matrix}
\ce{2MnO2 + 2H2SO4\xlongequal\triangle 2MnSO4 + 2H2O + O2 ^}\\
\ce{2MnO2 + 4KOH + O2\xlongequal\triangle 2K2MnO4 + 2H2O}
\end{matrix}
\]
铁 Fe
- 铁与氧气的反应条件不同，可以得到不同的产物。常温下，铁与氧气反应会生成红色的氧化铁；在氧气中点燃铁丝，则会生成黑色的四氧化三铁：
\[\ce{4Fe + 3O2\xlongequal\quad 2Fe2O3}\hspace{3em}\ce{3Fe + 2O2\xlongequal{点燃}Fe3O4}
\]
- 工业冶铁是将铁矿石和焦炭投入熔炉内并鼓入空气，高温下，碳及其燃烧生成的一氧化碳可以将铁从铁矿石中还原出来：
\[\ce{2Fe2O3 + 3C\xlongequal{高温}4Fe + 3CO2 ^}\hspace{3em}\ce{Fe2O3 + 3CO\xlongequal{高温}2Fe + 3CO2}
\]
- 二价铁离子又称为亚铁离子，向含有亚铁离子的溶液中滴加强碱，可以得到氢氧化亚铁白色沉淀：
\[\ce{Fe^{2+} + 2OH^-\xlongequal\quad Fe(OH)2 v}
\]
- 氢氧化亚铁暴露在空气中极易被氧化，会迅速变成红褐色的氢氧化铁：
\[\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O\xlongequal\quad 4Fe(OH)3}
\]
钴 Co
- 金属钴与氧气在加热条件下会生成氧化物——四氧化三钴（Co3O4）。如果加热温度达到 900℃ 以上，则会生成二价钴的氧化物——氧化钴（CoO）：
\[\ce{3Co + 2O2\xlongequal\triangle Co3O4}\hspace{3em}\ce{2Co + O2\xlongequal{高温}2CoO}
\]
- 金属钴溶于盐酸，生成蓝色的氯化钴，并放出氢气：
\[\ce{Co + 2HCl\xlongequal\quad CoCl2 + H2 ^}
\]
- 氧化钴用硫酸分解后经蒸发结晶，可以得到粉红色的硫酸钴晶体：
\[\ce{CoO + H2SO4\xlongequal\quad CoSO4 + H2O}
\]
铜 Cu
- 空气中加热金属铜生成黑色的氧化铜。若温度进一步升高，氧化铜会分解生成砖红色的氧化亚铜：
\[\ce{2Cu + O2\xlongequal\triangle 2CuO}\hspace{3em}\ce{4CuO\xlongequal{高温}2Cu2O + O2 ^}
\]
- “湿法炼铜” 是用铁从硫酸铜溶液中提取铜的方法。该反应是由单质与化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应，属于置换反应：
\[\ce{Fe + CuSO4\xlongequal\quad Cu + FeSO4}
\]
- 向蓝色的硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠会得到蓝色的氢氧化铜絮状沉淀：
\[\ce{CuSO4 + 2NaOH\xlongequal\quad Cu(OH)2 v + Na2SO4}
\]
- 在潮湿的空气中，许多青铜器的表面都会附着一层碱式碳酸铜，又名 “铜锈” “铜绿”：
\[\ce{2Cu + O2 + CO2 + H2O\xlongequal\quad Cu2(OH)2CO3}
\]
锌 Zn
- 锌是一种两性金属，在强酸、强碱中都能够反应并放出氢气：
\[\begin{matrix}
\ce{Zn + 2HCl\xlongequal\quad ZnCl2 + H2 ^}\\
\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O\xlongequal\quad Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}
\end{matrix}
\]
- 锌在空气中表面会生成氧化锌，因为这层保护膜，金属锌很难剧烈燃烧：
\[\ce{2Zn + O2\xlongequal\quad ZnO}
\]
- 锌锰干电池是一种常见的碱性电池，电池以锌为负极，二氧化锰为正极，氢氧化钾为电解质：
\[\begin{matrix}
\text{负极：}\ce{Zn + 2OH- - 2e^-\xlongequal\quad Zn(OH)2}\\
\text{正极：}\ce{2MnO2 + 2H2O + 2e^-\xlongequal\quad 2MnO(OH) + 2OH-}\\
\text{总反应：}\ce{Zn + 2MnO2 + 2H2O\xlongequal\quad Zn(OH)2 + 2MnO(OH)}
\end{matrix}
\]
银 Ag
- 银能溶于硝酸，生成硝酸银：
\[\begin{matrix}
\ce{3Ag + 4HNO3(稀)\xlongequal\quad 3AgNO3 + 2H2O + NO ^}\\
\ce{Ag + 2HNO3(浓)\xlongequal\quad AgNO3 + H2O + NO2 ^}
\end{matrix}
\]
- 把葡萄糖溶液与硝酸银的氨溶液混合在一起，硝酸银被葡萄糖还原成金属银，沉淀在容器内壁上，光亮如镜，这就是 “银镜反应”：
\[\ce{2[Ag(NH3)2]+ + 2OH- + C6H12O6\xlongequal\quad C5H11O5COO- + 2Ag v + 3NH3 ^ + H2O + NH4+}
\]
- 银的卤化物（氯化银、溴化银等）会在光照下分解，形成游离态的银。这一过程就是胶片摄影的 “曝光”：
\[\ce{2AgX\xlongequal{光照}2Ag + X2}\mathrm{\quad(X=Cl,Br,I)}
\]
锡 Sn
- 金属锡在常温下的化学性质稳定，不易被氧化。当加热到 150℃ 以上时，锡与氧气反应，生成二氧化锡：
\[\ce{Sn + O2\xlongequal\triangle SnO2}
\]
- 锡是两性金属，与酸或碱均能发生反应，生成氢气：
\[\begin{matrix}
\ce{Sn + 2HCl\xlongequal\quad SnCl2 + H2 ^}\\
\ce{Sn + 2NaOH\xlongequal\quad Na2SnO2 + H2 ^}
\end{matrix}
\]
碘 I
- 碘单质常温下可以与化学性质活泼的金属直接发生反应。例如，碘可以与钠反应，生成碘化钠：
\[\ce{I2 + 2Na\xlongequal\quad 2NaI}
\]
- 碘的活泼性不如其他卤素（F、Cl、Br），因此位于碘之前的卤素可以将碘从碘化物中置换出来：
\[\ce{Br2 + 2HI\xlongequal\quad 2HBr + I2}
\]
- 碘化氢可以与浓硫酸反应，生成碘单质，这就是碘被发现的过程：
\[\ce{2HI + H2SO4(浓)\xlongequal\quad I2 + SO2 ^ + 2H2O}
\]
钡 Ba
- 钡在空气中会缓慢氧化，生成氧化钡：
\[\ce{2Ba + O2\xlongequal\quad 2BaO}
\]
- 氧化钡在空气中点燃会发出绿色的火焰，生成过氧化钡：
\[\ce{2BaO + O2\xlongequal{点燃}2BaO2}
\]
- 钡能与水发生反应，生成氢氧化钡与氢气：
\[\ce{Ba + 2H2O\xlongequal\quad Ba(OH)2 + H2 ^}
\]
- 氢氧化钡可与硫酸反应，生成硫酸钡沉淀和水：
\[\ce{Ba(OH)2 + H2SO4\xlongequal\quad BaSO4 v + 2H2O}
\]
铅 Pb
- 铅酸电池是以铅及其氧化物为电极，硫酸为电解液的电池。充电时，电极上发生的化学反应：
\[\begin{matrix}
\text{正极：}\ce{PbO2 + 4H+ + SO4^{2-} + 2e^-\xlongequal\quad PbSO4 + 2H2O}\\
\text{负极：}\ce{Pb + SO4^{2-} - 2e^-\xlongequal\quad PbSO4}
\end{matrix}
\]
即得易见平凡，仿照上例显然。留作习题答案略，读者自证不难。
反之亦然同理，推论自然成立。略去过程 $\rm QED$，由上可知证毕。
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