第3章 第12讲 金属材料及金属矿物的开发利用最新修正版.docx

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第3章第12讲金属材料及金属矿物的开发利用最新修正版

第12讲　金属材料及金属矿物的开发利用

课程内容

　1.结合真实情景中的应用实例或通过实验探究，了解金属材料及其重要化合物的主要性质，了解其在生产、生活中的应用。

2.结合实例认识金属性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质的转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要作用。

考点一　镁、铝及其重要化合物

镁、铝、铜是重要的金属材料，应了解它们及其重要化合物的性质。

一、镁与海水提镁

1.镁的性质与用途

（1）物理性质：

具有银白色金属光泽的固体。

（2）化学性质（写化学方程式）

①与O2反应：

2Mg＋O2

2MgO

（产生强烈白光）

②与N2反应：

3Mg＋N2

Mg3N2

③与CO2反应：

2Mg＋CO2

2MgO＋C

④与沸水反应：

Mg＋2H2O

Mg（OH）2＋H2↑

提醒：

Mg3N2能与水剧烈反应生成Mg（OH）2沉淀并放出氨气，所以只能在干态下制取。

（3）用途：

生产合金，冶金工业上用作还原剂和脱氧剂。

2.海水中提取镁

（1）工艺流程

（2）基本步骤及主要反应

制熟石灰

CaCO3

CaO＋CO2↑，

CaO＋H2O===Ca（OH）2

沉淀

Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓

酸化

Mg（OH）2＋2HCl===MgCl2＋2H2O

蒸发结晶

析出MgCl2·6H2O

脱水

在氯化氢气流中使MgCl2·6H2O脱水制得无水氯化镁

电解

电解熔融氯化镁制得镁：

MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

二、铝及其重要化合物

1.铝的结构、存在与性质

（1）铝的结构和存在

铝位于元素周期表第三周期ⅢA族，原子结构示意图为

。

铝是地壳中含量最多的金属元素。

自然界中的铝全部以化合态的形式存在。

（2）金属铝的物理性质

银白色有金属光泽的固体，有良好的延展性、导电性和导热性等，密度较小，质地柔软。

（3）金属铝的化学性质

写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：

①________________________________________________________________________。

②________________________________________________________________________。

③________________________________________________________________________。

④________________________________________________________________________。

答案　①4Al＋3O2

2Al2O3

②2Al＋Fe2O3

2Fe＋Al2O3

③2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑

④2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑

（4）铝的用途

纯铝用作导线，铝合金用于制造汽车、飞机、生活用品等。

2.铝的重要化合物

（1）氧化铝

①物理性质：

白色固体，难溶于水，熔点很高。

②化学性质（用化学方程式表示）

（2）氢氧化铝

①物理性质：

白色胶状不溶于水的固体，有较强的吸附性。

②化学性质

Al（OH）3的电离方程式为

写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：

Al（OH）3＋3H＋===Al3＋＋3H2O；

Al（OH）3＋OH－===AlO

＋2H2O；

2Al（OH）3

Al2O3＋3H2O。

③制备

向铝盐中加入氨水，离子方程式为Al3＋＋3NH3·H2O===Al（OH）3↓＋3NH

。

（3）常见的铝盐

①硫酸铝钾是由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的复盐。

②明矾的化学式为KAl（SO4）2·12H2O，它是无色晶体，可溶于水，水溶液pH＜（填“＜”“>”或“＝”）7。

明矾可以净水，其净水的原理是Al3＋＋3H2OAl（OH）3（胶体）＋3H＋，Al（OH）3胶体吸附水中的杂质形成沉淀而净水。

（1）铝在自然界中有游离态和化合态两种形式（　　）

（2）MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂（　　）

（3）冶炼铝时常用焦炭作还原剂（　　）

（4）铝与少量NaOH溶液反应得到铝盐，与足量NaOH溶液反应生成偏铝酸盐（　　）

（5）相同质量的镁条分别在足量的CO2和O2中完全燃烧，所得固体的质量相同（　　）

（6）工业上制造镁粉时，可将镁蒸气在N2中冷却（　　）

（7）Al2O3的熔点高，可作耐高温材料，实验室可用氧化铝坩埚熔化NaOH、Na2CO3固体等（　　）

（8）明矾可作净水剂，起到杀菌消毒的作用（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×　（7）×　（8）×

1.镁粉能溶于浓氯化铵溶液，且产生两种气体，请结合镁单质的性质及平衡移动理论解释这事实。

答案　在氯化铵溶液中存在水解平衡：

NH

＋H2ONH3·H2O＋H＋，溶液呈酸性，Mg是活泼的金属，能与H＋反应产生H2，使上述水解平衡向右移动，逸出氨气。

2.酸溶法提纯Al2O3的过程如下

讨论回答下列问题：

（1）写出①②中可能发生反应的离子方程式。

答案　①Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O，

Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。

②Al3＋＋4OH－===AlO

＋2H2O，

Fe3＋＋3OH－===Fe（OH）3↓。

（2）步骤②中不用氨水沉淀Fe3＋的原因：

______________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　Al（OH）3只能溶于强碱，不能溶于氨水，用氨水不能将Fe（OH）3和Al（OH）3分离

题组一　镁、铝单质的性质及应用

1.镁是一种活泼的金属单质，下列关于金属镁的说法中正确的是（　　）

A.镁能与NaOH溶液反应生成Mg（OH）2沉淀

B.大量镁条燃烧引起的火灾不能用干冰灭火器灭火

C.镁在任何条件下都不能与水反应

D.镁能在N2中燃烧，且生成MgN

答案　B

解析　镁不是两性金属，不能与NaOH溶液反应，故A错误；镁能在CO2中燃烧，故B正确；镁在加热条件下能与水反应生成氢氧化镁和氢气，故C错误；镁能在N2中燃烧，且生成Mg3N2，故D错误。

2.下列关于铝单质的叙述中，正确的是（　　）

A.不能用铝制的器皿来盛放酸梅汤或碱水是因为铝会和酸或碱反应

B.铝制品在空气中有很强的抗腐蚀性是因为铝的化学性质很稳定

C.铝和NaOH溶液反应：

Al＋2OH－===AlO

＋2H2↑

D.用坩埚钳夹住一小块用砂纸仔细打磨过的铝箔在酒精灯上加热，熔化后的液态铝会滴落下来，是因为金属铝的熔点较低

答案　A

解析　A项，无论是铝还是其氧化物都能与酸或碱反应，正确；B项，铝表面形成致密的氧化膜，错误；C项，电荷、电子均不守恒，正确的离子方程式为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑，错误；D项，打磨后的铝箔在酒精灯上灼烧表面生成Al2O3，高熔点的Al2O3兜住了熔融的液态铝，不会滴落，错误。

3.Mg、Al组成的混合物与足量盐酸反应，产生标准状况下的氢气4.48L，下列推断中不正确的是（　　）

A.参加反应的Mg、Al共0.2mol

B.参加反应的HCl为0.4mol

C.Mg、Al在反应中共提供0.4mol电子

D.若与足量的稀硫酸反应能产生0.2molH2

答案　A

解析　反应的实质为Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑，2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑，n（H2）＝

＝0.2mol，则参加反应的n（HCl）＝n（H＋）＝0.4mol。

因为盐酸足量，故产生H2的量取决于金属的量，所以若换成足量的稀H2SO4，同样产生0.2molH2。

依据得失电子守恒，由2H＋→H2得电子总数为0.4mol。

0.2molMg在反应中提供0.4mol电子，0.2molAl在反应中提供0.6mol电子，0.2molMg、Al混合物提供的电子应大于0.4mol而小于0.6mol，A项不正确。

题组二　Al2O3和Al（OH）3的两性

4.（2018·闵行区二模）探究氢氧化铝的两性，最适宜的试剂是（　　）

A.Al、NaOH溶液、稀盐酸

B.Al2O3、氨水、稀盐酸

C.Al2（SO4）3溶液、NaOH溶液、稀盐酸

D.AlCl3溶液、氨水、稀盐酸

答案　C

解析　可溶性的铝盐Al2（SO4）3溶液与少量NaOH溶液反应生成氢氧化铝沉淀，继续加过量的氢氧化钠，氢氧化铝沉淀会溶解，氢氧化铝沉淀中加盐酸也会溶解。

5.下列除去杂质的方法不正确的是（　　）

A.镁粉中混有少量铝粉：

加入过量烧碱溶液充分反应，过滤、洗涤、干燥

B.用过量氨水除去Fe3＋溶液中的少量Al3＋

C.Al（OH）3中混有少量Mg（OH）2：

加入足量烧碱溶液，充分反应，过滤，向滤液中通入过量CO2后过滤

D.MgO中混有少量Al2O3：

加入足量烧碱溶液，充分反应，过滤、洗涤、干燥得到MgO

答案　B

解析　Al（OH）3不溶于氨水，故向含少量Al3＋的Fe3＋溶液中加入过量氨水时，Fe3＋、Al3＋均转化为氢氧化物沉淀，达不到除杂的目的。

6.用含少量镁粉的铝粉制取纯净的氢氧化铝，下列操作步骤中最恰当的组合是（　　）

①加盐酸溶解　②加烧碱溶液溶解　③过滤　④通入过量CO2生成Al（OH）3沉淀　⑤加入盐酸生成Al（OH）3沉淀　⑥加入过量烧碱溶液

A.①⑥⑤③B.②③④③C.②③⑤③D.①③⑤③

答案　B

解析　若先加盐酸，Mg、Al均溶解，制取Al（OH）3的步骤较多；从NaAlO2制备Al（OH）3，加盐酸不容易控制量的多少，故B项操作步骤为最佳顺序。

含铝杂质的提纯方法归类

利用Al、Al2O3、Al（OH）3可溶于强碱的特性，可除去许多物质中的含铝杂质，如：

（1）Mg（Al）：

加足量NaOH溶液。

（2）Fe2O3（Al2O3）：

加足量NaOH溶液。

（3）Mg（OH）2[Al（OH）3]：

加足量NaOH溶液。

（4）Mg2＋（Al3＋）：

加过量NaOH溶液，过滤，再加酸充分溶解。

考点二　铜及其化合物

1.单质铜

（1）物理性质：

紫红色固体，具有良好的延展性、导热性和导电性。

（2）化学性质

①常温下，铜在干燥的空气中性质稳定，但在潮湿的空气里则会被锈蚀，在其表面逐渐形成一层绿色的__________。

有关化学方程式_____________________________________________

_______________________________________________________________________________。

②写出下列化学方程式：

铜在空气中加热：

________________________________________________________________；

铜丝在硫蒸气中反应：

____________________________________________________________。

答案　①铜锈　2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2（OH）2CO3

②2Cu＋O2

2CuO　2Cu＋S

Cu2S

2.铜的重要化合物

（1）Cu2（OH）2CO3的名称为碱式碳酸铜，是铜绿、孔雀石的主要成分，受热分解可生成黑色的氧化铜，化学方程式：

Cu2（OH）2CO3

2CuO＋CO2↑＋H2O，可溶于稀硫酸，离子方程式：

Cu2（OH）2CO3＋4H＋===2Cu2＋＋CO2↑＋3H2O。

（2）黑色氧化铜在高温下分解为红色的Cu2O，化学方程式为4CuO

2Cu2O＋O2↑。

（3）蓝色的硫酸铜晶体受热分解为白色的硫酸铜粉末，化学方程式为CuSO4·5H2O

CuSO4＋5H2O。

（4）红色的Cu2O与稀硫酸反应，溶液变蓝，同时生成红色的单质铜，离子方程式为Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O。

（1）CuO是黑色固体，与水反应生成Cu（OH）2（　　）

（2）铜锈是铜被空气中的氧气缓慢氧化生成的氧化物（　　）

（3）无水硫酸铜可用于检验酒精中是否含有水（　　）

（4）将铜片置于干燥的空气中，不易被腐蚀（　　）

（5）CuSO4·5H2O失去结晶水属于物理变化（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）√　（5）×

某研究小组用废铜粉制取胆矾，设计了如下几个实验方案：

（1）Cu

CuSO4

硫酸铜溶液

CuSO4·5H2O

（2）Cu

CuO

硫酸铜溶液

CuSO4·5H2O

（3）

对三个方案进行评价，你认为最好的是哪个方案？

为什么？

答案　方案

（1）：

产生污染性气体，且消耗硫酸较多。

方案

（2）：

消耗能量较多，且步骤复杂。

方案（3）：

不产生污染性气体，原料利用率高，节约能源。

因此方案（3）更经济合理。

1.某研究小组通过实验探究Cu及其化合物的性质，下列操作正确且能达到实验目的的是（　　）

A.将铜丝插入浓硫酸中并加热，反应后再加入水，观察硫酸铜溶液的颜色

B.常温下将铜丝伸入盛满氯气的集气瓶中，观察CuCl2的生成

C.将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干，得到无水CuCl2固体

D.将表面有铜绿[Cu2（OH）2CO3]的铜器放入盐酸中浸泡，除去铜绿

答案　D

解析　铜丝与浓硫酸反应后，仍有大量浓硫酸存在，不能把水加入反应器中，否则会发生危险，A项错误；Cu与Cl2在常温下不反应，需要加热才能发生反应，B项错误；CuCl2水解生成的HCl易挥发，加热蒸干能促进CuCl2的水解而得不到CuCl2固体，C项错误。

2.已知CuO经高温灼烧生成Cu2O，Cu2O与H＋发生反应：

Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O。

将经高温灼烧后的CuO样品投入足量的热的稀硝酸溶液中，下列有关说法中正确的是（　　）

A.如果溶液变为蓝色，同时有紫红色固体出现，说明样品全部生成Cu2O

B.溶液中最终可能有紫红色固体出现

C.该实验的结果无法说明CuO分解的程度

D.如果溶液中出现蓝色，最终没有紫红色固体出现，说明CuO没有分解

答案　C

解析　解答此题的关键是明确稀硝酸具有酸性和强氧化性，能溶解CuO、Cu2O和单质Cu，因而该实验结果无法说明CuO分解的程度。

3.（2018·河北邯郸教学质量检测）某化合物M由两种常见的元素组成，为了测定其组成进行如下实验：

M的化学式可能为（　　）

A.Cu2SB.CuSC.FeS2D.Fe3S4

答案　A

解析　由题意并结合选项可知，1.60gM在高温下反应生成的气体是二氧化硫，二氧化硫被双氧水氧化为硫酸，根据滴定过程消耗的氢氧化钠，可以求出n（S）＝n（SO2）＝n（H2SO4）＝

n（NaOH）＝

×20.00×10－3L×0.1mol·L－1×

＝0.01mol，所以m（S）＝0.32g，则m（金属）＝1.60g－0.32g＝1.28g，假若是铜，则n（Cu）＝0.02mol，M可能为Cu2S；假若是铁，则n（Fe）≈0.023mol，没有与之对应的选项。

综上所述，A项正确。

考点三　金属材料与金属矿物的开发利用

1.合金

（1）概念：

合金是指两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。

（2）性能：

合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能。

①熔点：

一般比它的各成分金属的低；

②硬度和强度：

一般比它的各成分金属的大。

2.常见金属材料

金属材料—

（1）重要的黑色金属材料——钢

钢是用量最大、用途最广的合金。

钢

（2）几种有色金属材料

铝及铝合金

铜及铜合金

3.金属矿物的开发利用

（1）金属在自然界中的存在

在地壳中除了金、铂等少数极不活泼的金属外，绝大多数金属元素以________________形式存在。

（2）金属冶炼的实质

金属元素只有正价，没有负价，所以金属的冶炼过程就是把金属从其化合物中____________出来的过程。

（3）金属冶炼的方法

①热分解法

如由HgO、Ag2O冶炼Hg、Ag：

_____________________________________________________、

________________________________________________________________________。

②热还原法

a.CO还原Fe3O4：

________________________________________________________________；

b.H2还原WO3：

_________________________________________________________________；

c.C还原ZnO：

ZnO＋C

Zn＋CO↑。

③电解法

工业上用电解法冶炼Na、Mg、Al的化学方程式分别为__________________________________

_______________________________________________________________________________、

_______________________________________________________________________________、

_______________________________________________________________________________。

答案　

（1）化合物　

（2）还原　（3）①2HgO

2Hg＋O2↑

2Ag2O

4Ag＋O2↑　②Fe3O4＋4CO

3Fe＋4CO2　WO3＋3H2

W＋3H2O　③2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑　MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑　2Al2O3

4Al＋3O2↑

4.铝热反应实验中的有关问题

实验装置

实验现象

①镁带剧烈燃烧，放出大量的热，并发出耀眼的白光，氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应；②纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中

实验结论

高温下，铝与氧化铁发生反应，放出大量的热Fe2O3＋2Al

2Fe＋Al2O3

原理应用

①制取熔点较高、活动性弱于Al的金属，如铁、铬、锰、钨等；

②金属焊接，如野外焊接钢轨等

（1）金属元素的单质只有还原性，其离子只有氧化性（　　）

（2）金属元素的单质在常温下均为固体（　　）

（3）合金材料中不可能含有非金属元素（　　）

（4）铁是人类在生产、生活中最早使用的金属（　　）

（5）合金的硬度一般大于成分金属，而熔点一般低于成分金属（　　）

（6）金属氧化物与铝粉的混合物都是铝热剂（　　）

（7）人类历史上使用铝的时间比铁晚，原因是铝的冶炼成本高（　　）

（8）电解氯化镁溶液制取金属镁（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）×

题组一　金属材料与合金

1.（2019·武汉调研）下列生活用品中主要由黑色金属材料制造的是（　　）

A.塑钢门窗B.不锈钢刀

C.纯铜导线D.18K金首饰

答案　B

解析　冶金工业上习惯把铁、铬、锰以及它们的合金（主要指合金钢及钢铁）叫做黑色金属材料。

塑钢门窗是以聚氯乙烯树脂为主要原料制造的，A项错误；不锈钢刀为铁的合金，主要由黑色金属材料制造而成，B项正确；纯铜导线为铜单质，铜属于有色金属，C项错误；18K金首饰为金的合金，属于有色金属材料，D项错误。

2.C919大型飞机的制造采用了大量新材料铝锂合金。

下列关于铝锂合金的说法不正确的是（　　）

A.铝锂合金是铝与锂形成的混合物

B.铝锂合金的硬度比锂大

C.铝锂合金的熔、沸点比铝低

D.铝锂合金耐酸碱腐蚀

答案　D

解析　铝锂合金中的铝既能与酸反应，又能与碱反应，锂能与酸反应，故铝锂合金不耐酸碱腐蚀。

3.（2018·唐山调研）现代建筑的门窗框架常用电解加工成的古铜色硬铝制造。

取硬铝样品进行如下实验（每一步试剂均过量），由此可以推知硬铝的组成可能为（提示：

Si＋2OH－＋H2O===SiO

＋2H2↑）（　　）

样品

A.Al、Mg、Si、ZnB.Al、Fe、Zn、Na

C.Al、Na、Cu、FeD.Al、Cu、Mg、Si、Mn

答案　D

解析　通过反应①知合金中必须含有排在金属活动性顺序中H之前的金属和H之后的金属或其他非金属；由反应②知合金中必须含有Si及排在金属活动性顺序中H之后的金属或其他非金属。

题组二　金属冶炼方法的选择

4.（2018·芜湖质检）下列说法正确的是（　　）

A.工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气

B.钢铁厂用热还原法冶炼铁

C.工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al不涉及氧化还原反应

D.MgCl2（aq）

Mg（OH）2

MgO

Mg

答案　B

解析　电解NaCl溶液生成NaOH、H2和Cl2，得不到单质钠，A错误；电解熔融Al2O3发生的是氧化还原反应，C错误；工业上冶炼镁是电解熔融MgCl2而不是MgO，D错误。

5.金属铝质轻且有良好的防腐蚀性，在国防工业中有非常重要的应用。

完成下列填空：

（1）镓（Ga）与铝同主族。

写出镓的氯化物与氨水反应的化学方程式：

_______________________。

（2）用铝和金属氧化物反应制备金属单质是工业上较常用的方法。

如：

2Al＋4BaO

3Ba↑＋BaO·Al2O3

常温下Al的金属性比Ba的金属性________（填“强”或“弱”）。

利用上述方法可制取Ba的主要原因是____________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

a.高温时Al的活泼性大于Ba

b.高温有利于BaO分解

c.高温时BaO·Al2O3比Al2O3稳定

d.Ba的沸点比Al的低

答案　

（1）GaCl3＋3NH3·H2O===Ga（OH）3↓＋3NH4Cl　

（2）弱　d

解析　

（1）由AlCl3与NH3·H2O的反应可推出化学方程式。

（2）依据元素周期律可知Al的金属性弱于Mg，Mg的金属性弱于Ba。

应从化学平衡移动的观点分析此反应发生的原因。

有些很活泼的金属也可以用还原法来冶炼，如

Na＋KCl

K↑＋NaCl

2RbCl＋Mg

MgCl2＋2Rb↑等，

主要运用了化学平衡移动原理，利用K、Rb沸点低，汽化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方向进行。

题组三　铝热反应及应用

6.铝热反应的本质是利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来，关于铝热反应解答下列问题：

（1）用铝粉和Fe2O3做铝热反应实验，需要的试剂还有________。

A.KClB.KClO3C.MnO2D.Mg