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届步步高鲁科版高考总复习化学大一轮第3章第4讲

第4讲 金属材料及复合材料

[考纲要求] 1.知道铜及其重要化合物的性质。

2.了解金属材料(合金)、复合材料的概念及重要应用。

3.了解常见金属的活动顺序及金属冶炼的一般方法。

4.了解化学科学发展对自然资源开发利用的作用。

考点一 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

写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式:

①化学方程式:

2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3(绿色固体)。

②化学方程式:

2Cu+S

Cu2S。

③与氧化性酸反应

a.与浓硫酸共热的化学方程式:

Cu+2H2SO4(浓)

CuSO4+SO2↑+2H2O;

b.与稀硝酸反应的离子方程式:

3Cu+8H++2NO

===3Cu2++2NO↑+4H2O。

④与盐溶液反应(写离子方程式)

a.与硝酸银溶液:

Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+;

b.与FeCl3溶液:

Cu+2Fe3+===2Fe2++Cu2+。

2.氧化铜和氧化亚铜

名称

氧化铜

氧化亚铜

颜色

黑色

砖红色

与酸反应(H+)

CuO+2H+===Cu2++H2O

Cu2O+2H+===Cu2++Cu+H2O

与H2反应

CuO+H2

Cu+H2O

Cu2O+H2

2Cu+H2O

转化关系

4CuO

2Cu2O+O2↑

3.氢氧化铜

(1)物理性质:

蓝色不溶于水的固体。

(2)化学性质及应用

4.CuSO4·5H2O

CuSO4·5H2O为蓝色晶体,俗称蓝矾、胆矾。

无水CuSO4为白色粉末,遇水变蓝色(生成CuSO4·5H2O),可作为水的检验依据。

题组一 铜及其化合物的性质

1.下列有关铜的化合物的性质的叙述中正确的是(  )

A.CuSO4变成CuSO4·5H2O是物理变化

B.一定条件下,新制的Cu(OH)2悬浊液能与乙醛反应但不能与乙酸反应

C.CuO是黑色固体,与水反应可生成Cu(OH)2

D.Cu2O遇硝酸可能会被氧化成Cu2+

答案 D

解析 CuSO4变成CuSO4·5H2O属于化学变化,A错;Cu(OH)2是碱,能与酸反应,B错;CuO不能与水反应,C错;Cu2O中铜处于低价态,能被强氧化剂硝酸氧化。

2.(2014·成都诊断)下表中,对陈述Ⅰ、Ⅱ的正确性及其有无因果关系的判断都正确的是(  )

选项

陈述Ⅰ

陈述Ⅱ

判断

A

铜绿的主要成分是碱式碳酸铜

可用稀盐酸除铜器表面的铜绿

Ⅰ对;Ⅱ对;无

B

铜表面易形成致密的氧化膜

铜制容器可以盛放浓硫酸

Ⅰ对;Ⅱ对;有

C

向硫酸铜溶液中通入氨气,有深蓝色沉淀产生,过滤后灼烧滤渣,最后变成黑色固体

把铜丝放在酒精灯火焰上灼烧,铜丝表面变黑

Ⅰ对;Ⅱ对;有

D

蓝色硫酸铜晶体受热转化为白色硫酸铜粉末是物理变化

硫酸铜溶液可用作游泳池的消毒剂

Ⅰ错;Ⅱ对;无

答案 D

解析 稀盐酸可以与Cu2(OH)2CO3反应,而且稀盐酸不能与Cu反应,所以可用稀盐酸除铜器表面的铜绿Cu2(OH)2CO3,Ⅰ、Ⅱ有因果关系,A错误;铜表面不能形成致密的氧化膜,铜与浓硫酸在一定温度下能发生反应,所以不能用铜制容器盛装浓硫酸,B错误;硫酸铜与氨水生成Cu(OH)2,Cu(OH)2受热分解生成黑色CuO,Ⅰ、Ⅱ均正确,但没有因果关系,C错误;蓝色硫酸铜晶体受热转化为白色硫酸铜粉末有新物质生成,属于化学变化,CuSO4可用作消毒剂,但与前者没有因果关系,D正确。

3.某研究小组通过实验探究Cu及其化合物的性质,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 A项浓硫酸溶于水时放热,应该是把反应后的溶液倒入水中,故该项错误;B项需要先加热铜才能与氯气发生反应,故该项错误;C项氯化铜溶液中存在水解平衡,加热蒸干最终得到的是氢氧化铜,故该项错误;D项铜和盐酸不反应,只有铜绿[Cu2(OH)2CO3]与盐酸反应,故该项正确。

熟记铜及其化合物的颜色

物质

颜色

物质

颜色

Cu

紫红色

CuSO4

白色

CuO

黑色

CuSO4·5H2O

蓝色

Cu2O

砖红色

Cu2(OH)2CO3

绿色

Cu2S

黑色

Cu(OH)2

蓝色

题组二 铜及其化合物转化关系的应用

4.某课外研究小组用含有较多杂质的铜粉,通过不同的化学反应精制CuO,其设计的实验过程为

(1)杂铜经灼烧后得到的产物是氧化铜及少量铜的混合物,灼烧后含有少量铜的可能原因是________(填字母)。

a.灼烧过程中部分氧化铜被还原

b.灼烧不充分铜未被完全氧化

c.氧化铜在加热过程中分解生成铜

d.该条件下铜无法被氧气氧化

(2)由粗制氧化铜通过两种途径制取纯净CuO,与途径Ⅰ相比,途径Ⅱ有明显的两个优点是________________________________________________________________________。

答案 

(1)ab

(2)耗酸少;无污染性气体SO2产生

解析 

(1)灼烧后含有少量铜,其原因可能是灼烧不充分,铜未被完全氧化,也可能是灼烧过程中部分氧化铜被还原。

(2)根据途径Ⅰ的反应方程式Cu+2H2SO4(浓)

CuSO4+SO2↑+2H2O和途径Ⅱ的反应方程式2Cu+O2+2H2SO4

2CuSO4+2H2O,可以看出途径Ⅱ的优点是①产生等量的CuSO4,比途径Ⅰ消耗硫酸少;②途径Ⅱ不产生污染大气的气体SO2。

废铜综合利用的常见流程框图模式

考点二 合金、复合材料的概念及重要应用

1.熟记金属活动性顺序

金属活动性顺序

K、Ca、Na

Mg

Al、Zn

Fe、Sn、Pb(H)

Cu、Hg、Ag

Pt、Au

与O2反应

常温下易被氧化,点燃生成过氧化物或其他复杂氧化物

常温生成氧化膜

加热化合

不反应

与H2O反应

常温下生成碱和氢气

与热水反应

有碱存在与水反应

与高温水蒸气反应

不反应

与非氧化性酸反应

生成盐和氢气

不反应

反与盐溶液应

先与水反应,生成的碱再与盐反应

排在前面的金属能把排在后面的金属从其盐溶液中置换出来

自然界存在形态

化合态(Fe有游离态)

游离态

2.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。

3.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。

(2)几种有色金属材料

4.复合材料

(1)概念:

将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的一种新型材料。

(2)组成

(3)性能:

既保持或发展了原有材料的长处,又能弥补原材料的不足。

(4)熟悉几种常见的复合材料

名称

基体

增强体

玻璃钢

合成树脂

玻璃纤维

碳纤维增强复合材料

合成树脂

碳纤维

飞机、火箭、导弹壳体

Ti、Al、Mg

碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维

隔热陶瓷瓦

陶瓷

碳纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维

深度思考

合金是复合材料吗?

某复合材料以碳纤维为增强体,金属钛为基体复合而成,这种材料会有哪些优良性能和用途?

答案 不是,合金是金属材料。

该复合材料耐高温、导电、导热性能好,可用于飞机制造,也可用于制造导弹的壳体等。

题组一 金属的性质和应用

1.下列关于金属元素的叙述正确的是(  )

A.金属元素的单质只有还原性,其离子只有氧化性

B.金属元素的单质在常温下均为固体

C.金属元素在不同化合物中化合价均相同

D.大多数金属元素的单质为电的良导体

答案 D

解析 金属离子中的中间价态离子,比如Fe2+,既有氧化性又有还原性,A错;常温下金属汞呈液态,B错;有的金属元素存在变价,比如Fe、Cu等,C错。

2.下列说法中正确的是(  )

A.铁是人类在生产、生活中最早使用的金属材料

B.金、银、铜是应用最广泛的金属材料

C.钛被誉为“21世纪的金属”,应用前景很广阔

D.铜是导电性、导热性最好的有色金属

答案 C

解析 铜是人类使用最早的金属材料,A错;铁、铝及铝合金是应用最广泛的金属材料,B错;银的导电性比铜好,D错。

题组二 合金、复合材料的特点及应用

3.下列叙述不正确的是(  )

A.碳纤维增强复合材料可用于人体组织中韧带的制作

B.成功发射的“天宫”一号目标飞行器使用了大量的复合材料

C.硬铝、钢、水银都属于合金

D.碳化硅陶瓷是新型无机非金属材料,具有较高的硬度和耐磨性

答案 C

4.2015年底将在上海首飞的C919大型飞机采用了大量新型材料铝锂合金。

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 铝锂合金中的铝能与酸和碱反应,锂能与酸反应,故铝锂合金不耐酸碱腐蚀。

5.合金与纯金属制成的金属材料相比,优点是(  )

①合金的硬度一般比它的各成分金属的大

②一般地,合金的熔点比它的各成分金属的更低

③改变原料的配比、改变生成合金的条件,得到有不同性能的合金

④合金比纯金属的导电性更强

⑤合金比纯金属的应用范围更广泛

A.②③④B.①②③⑤

C.①②④D.①②④⑤

答案 B

题组三 合金组成的分析

6.现代建筑的门窗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;由反应②知合金中必须含有Si及排在金属活动性顺序表H之后的金属或其他非金属。

7.某同学设计了如下实验测量mg铜银合金样品中铜的质量分数:

下列说法中不正确的是(  )

A.合金的熔点比其成分金属低,通常比成分金属具有更优良的金属特性

B.铜银都能与稀硝酸反应,收集到的VL气体一定全为NO

C.操作Ⅰ是过滤,操作Ⅱ是洗涤,操作Ⅲ是烘干

D.根据反应收集到的气体体积可以计算铜和银的质量分数

答案 D

解析 解答本题要注意以下两点:

①没有告诉硝酸的浓度,合金与硝酸反应放出的气体中可能含有NO2;②Wg固体应该是干燥纯净的AgCl,由此确定三步操作。

1.定性分析型

形成合金的各种成分的特殊化学性质仍按单一组分的性质(例如铝合金中的铝既能溶于酸又能溶于碱的性质不变,铜能溶于稀硝酸,且硝酸的还原产物为NO气体等性质不变),一般是将合金酸溶或碱溶,根据反应中的特殊现象或根据溶解后所得溶液继续加沉淀剂产生的现象判断其成分。

此类试题常以流程的形式呈现,解答的关键是理清每一步加入的物质和生成物质的成分。

2.定量分析型

定量测定合金的成分常用量气或沉淀两种方法。

(1)定量集气法

定量集气法是指收集合金中某种物质溶解时所产生的气体的量,应用化学方程式或关系式来判断合金的组成。

其原理的关键点是根据某组分的特殊性质(特别是与酸或碱反应能产生气体),其操作要点和注意事项有:

保证装置的气密性良好,注意收集气体的读数方法。

(2)沉淀法

沉淀法测定物质含量是常用的一种方法,采用沉淀法时,涉及到的基本实验操作和主要问题有:

称量、溶解(溶解试剂);沉淀(重点是沉淀试剂的选择);过滤、沉淀洗涤、沉淀的干燥、称量;数据的处理(包括测定结果的误差分析)。

考点三 金属矿物的开发和利用

1.金属在自然界中存在的形态

除了金、铂等极少数金属外,绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界中。

在这些金属化合物中,金属元素都显正化合价。

2.金属冶炼的实质

使金属化合物中的金属离子得电子被还原为金属单质的过程:

Mn++ne-===M。

3.金属冶炼的一般步骤

4.金属冶炼方法

(1)热分解法

例如:

2HgO

2Hg+O2↑,2Ag2O

4Ag+O2↑。

用热分解冶炼法冶炼金属的特点:

金属元素的金属性弱,金属元素的原子不易失去电子,其金属离子容易得到电子,该金属元素所形成的化合物稳定性较差。

(2)热还原法冶炼金属

①焦炭还原法。

例如:

C还原ZnO、CuO,其化学方程式依次为C+2ZnO

2Zn+CO2↑,C+2CuO

2Cu+CO2↑。

②一氧化碳还原法。

例如:

CO还原Fe2O3、CuO,其化学方程式依次为3CO+Fe2O3

2Fe+3CO2,CO+CuO

Cu+CO2。

③氢气还原法。

例如:

H2还原WO3、Fe3O4,其化学方程式依次为3H2+WO3

W+3H2O,4H2+Fe3O4

3Fe+4H2O。

④活泼金属还原法。

例如:

Al还原Cr2O3、V2O5,其化学方程式依次为2Al+Cr2O3

Al2O3+2Cr,10Al+3V2O5

6V+5Al2O3。

(3)电解法冶炼金属

例如:

电解Al2O3、MgCl2、NaCl,其化学方程式依次为2Al2O3(熔融)

4Al+3O2↑,MgCl2(熔融)

Mg+Cl2↑,2NaCl(熔融)

2Na+Cl2↑。

深度思考

1.能否用电解AlCl3和MgO的方法冶炼Al、Mg?

答案 不能。

因为AlCl3是共价化合物,熔融时无法电离出自由移动的离子,不导电;而MgO虽是离子化合物,但其熔点太高,熔融会消耗大量的电能,成本较高。

2.铝是地壳中含量最高的金属元素,为什么人类对铝的使用比铁、铜晚得多?

答案 铝的金属活动性比铁、铜强,难于冶炼,古代人们的技术条件达不到,不能冶炼铝,故铝的发现和大量使用比铁、铜晚得多。

1.下列有关金属的工业制法中正确的是(  )

A.制钛:

用金属钠置换四氯化钛(TiCl4)溶液中的钛

B.炼铁:

用焦炭和空气反应产生的CO在高温下还原铁矿石中铁的氧化物

C.制钠:

用海水为原料制得精盐,再电解纯净的NaCl溶液

D.炼铜:

用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜

答案 B

解析 A中不能用TiCl4溶液,要用熔融态的TiCl4;电解NaCl溶液得到NaOH、Cl2和H2;电解法精炼铜的原料是粗铜。

2.下列金属冶炼的反应原理中错误的是(  )

A.MgCl2(熔融)

Mg+Cl2↑

B.Al2O3+3H2

2Al+3H2O

C.Fe3O4+4CO

3Fe+4CO2

D.2HgO

2Hg+O2↑

答案 B

解析 金属冶炼的方法很多,由于金属离子得电子的能力不同,因此必须采取不同的冶炼方法。

在金属活动性顺序表中,位于氢后面的金属(Hg、Ag等)的氧化物受热就能分解得到单质;位于前面的几种金属(如K、Na、Ca、Al等)的还原性太强,这些金属都很容易失去电子,只能用通电电解其熔融盐或氧化物的方法冶炼。

1.选择金属冶炼的方法要依据金属在自然界中的存在形态和金属的活动性。

金属活动性顺序表中,金属的位置越靠后,越容易被还原;金属的位置越靠前,越难被还原。

2.化学性质很稳定的金属如Au、Pt等,在自然界中呈游离态,用物理方法即可得到。

3.有些活动性很强的金属也可以用还原法来冶炼,如

Na+KCl

K↑+NaCl

2RbCl+Mg

MgCl2+2Rb↑等,

在此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。

探究高考 明确考向

1.下列说法错误的是(  )

A.工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al涉及氧化还原反应(2012·广东理综,10B)

B.四川灾区重建使用了大量钢材,钢材是合金(2009·广东,5②)

C.金属材料都是导体,非金属材料都是绝缘体(2008·山东理综,9A)

D.合金材料中可能含有非金属元素(2009·山东理综,9A)

答案 C

2.(2013·上海,26)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______(选填“强”、“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 弱 D

3.[2013·山东理综,28

(1)

(2)]金属冶炼与处理常涉及氧化还原反应。

(1)由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是

________________________________________________________________________。

a.Fe2O3b.NaClc.Cu2Sd.Al2O3

(2)辉铜矿(Cu2S)可发生反应:

2Cu2S+2H2SO4+5O2===4CuSO4+2H2O,该反应的还原剂是________。

当1molO2发生反应时,还原剂所失电子的物质的量为________mol。

向CuSO4溶液中加入镁条时有气体生成,该气体是

________________________________________________________________________。

答案 

(1)bd 

(2)Cu2S 4 H2

解析 

(1)Na、K、Mg、Al等活泼金属的冶炼均采用电解法,Fe、Cu的冶炼采用热还原法。

(2)在辉铜矿和H2SO4、O2的反应中,O2作氧化剂,所以1molO2得到4mole-,还原剂失去4mole-,Cu2++2H2O===Cu(OH)2+2H+,Mg+2H+===Mg2++H2↑,所以放出的气体应为H2。

4.(2013·广东理综,32)银铜合金广泛用于航空工业,从切割废料中回收银并制备铜化工产品的工艺如下:

(1)电解精炼银时,阴极反应式为

________________________________________________________________________;

滤渣A与稀HNO3反应,产生的气体在空气中迅速变为红棕色,该气体变色的化学反应方程式为____________。

(2)固体混合物B的组成为__________;在生成固体B的过程中,需控制NaOH的加入量,若NaOH过量,则因过量引起的反应的离子方程式为____________。

(3)完成煅烧过程中一个反应的化学方程式:

____CuO+____Al2O3

____CuAlO2+________↑。

(4)若银铜合金中铜的质量分数为63.5%,理论上5.0kg废料中的铜可完全转化为________molCuAlO2,至少需要1.0mol·L-1的Al2(SO4)3溶液________L。

(5)CuSO4溶液也可用于制备胆矾,其基本操作是________、过滤、洗涤和干燥。

答案 

(1)Ag++e-===Ag 2NO+O2===2NO2

(2)Al(OH)3、Cu(OH)2 Al(OH)3+OH-===AlO

+2H2O

(3)4 2 4 O2

(4)50 25

(5)蒸发结晶

解析 根据电解原理、物质的性质及工艺流程、氧化还原反应、守恒计算等分析。

(1)电解精炼银时,阴极反应式为Ag++e-===Ag。

气体变色发生的反应为2NO+O2===2NO2。

(2)固体B含有Cu(OH)2、Al(OH)3。

若NaOH过量,则Al(OH)3会转化为NaAlO2。

(3)该反应为氧化还原反应,根据得失电子守恒、原子守恒确定缺项物质,然后配平化学方程式。

(4)生成CuAlO2的物质的量为

=50mol,据Al元素守恒可知,至少需要Al2(SO4)3的物质的量为25mol,则需溶液体积为25L。

(5)CuSO4从饱和溶液中结晶生成CuSO4·5H2O(胆矾),由CuSO4溶液制备胆矾需要的操作为蒸发结晶、过滤、洗涤和干燥。

练出高分

1.金属材料在日常生活以及生产中有着广泛的应用。

下列关于金属的一些说法不正确的是(  )

A.合金的性质与其成分金属的性质不完全相同

B.工业上金属Mg、Cu都是用热还原法制得的

C.金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子

D.越活泼的金属越难冶炼

答案 B

解析 合金的化学性质与成分金属的化学性质相似,物理性质略有不同,A正确;Mg在工业上用电解法冶炼,Cu用热还原法冶炼,B错误;金属冶炼的实质是Mn++ne-===M,C正确;金属越活泼,则金属离子的氧化性越弱,越难被还原,D正确。

2.钓鱼岛群岛的东海海域及部分太平洋海域探明为海底热水矿床。

海底热水矿床是沉积着由岩浆热气从地底喷出的金、铜、锌、稀有金属等区域。

下列说法正确的是(  )

A.金不溶于任何溶液

B.铜、锌在空气中均能被氧化成对应的氧化物

C.铜锌合金的熔点低于铜或锌的熔点

D.

Cu的质子数和中子数之差为34

答案 C

解析 金能够溶于王水,A项错误;铜在空气中被腐蚀生成铜绿,主要成分是Cu2(OH)2CO3,B项错误;合金的熔点一般比成分金属的都低,C项正确,

Cu的质子数和中子数之差为(63-29)-29=5,D项错误。

3.下列制备金属单质的方法或原理正确的是(  )

A.在高温条件下,用H2还原MgO制备单质Mg

B.在通电条件下,电解熔融Al2O3制备单质Al

C.在通电条件下,电解饱和食盐水制备单质Na

D.加强热,使CuO在高温条件下分解制备单质Cu

答案 B

解析 制备单质Mg应该用电解熔融MgCl2的方法;制备单质Na采用电解熔融NaCl的方法;制备单质Cu用热还原法。

4.氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼。

下列说法不正确的是(  )

A.冶炼铁的主要原料有铁矿石、焦炭、空气、石灰石等,其中石灰石的作用是除去铁矿石中的脉石(二氧化硅)

B.湿法炼铜与火法炼铜的反应中,铜元素都发生还原反应

C.工业上Mg可由电解熔融的MgO制取,Na也可由电解熔融的NaCl制取

D.铝热法还原铁的反应中,放出的热量能使铁熔化

答案 C

解析 工业上用电解熔融MgCl2的方法冶炼金属镁。

5.所谓合金,就是不同种金属(也包括一些非金属)在熔化状态下形成的一种熔合物,下表为四种金属的熔、沸点:

Na

Cu

Al

Fe

熔点(℃)

97.5

1083

660

1535

沸点(℃)

883

2595

2200

3000

根据以上数据判断其中不能形成合金的是(  )

A.Cu和AlB.Fe和Cu

C.Fe和NaD.Al和Na

答案 C

解析 两种金属若形成合金,一种金属的熔点不能超过另一种金属的沸点。

6.已知酸性条件下有如下反应:

2Cu+===Cu2++Cu。

由于反应温度不同,用氢气还原氧化

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