学案34 用途广泛的金属材料 开发利用金属矿物Word格式文档下载.docx
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Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag、
Cu+2FeCl3===CuCl2+2FeCl2
2.铜的氧化物和氢氧化物
氧化铜
氧化亚铜
氢氧化铜
化学式
CuO
Cu2O
Cu(OH)2
状态
不溶于水的黑色固体(粉末)
不溶于水的红色固体
不溶于水的蓝色固体
续表
化学性质
CuO+2H+===Cu2++H2O
CuO+H2
Cu+H2O
CuO+CO
Cu+CO2
Cu2O+2H+===Cu2++Cu+H2O
Cu2O+H2
2Cu+H2O
Cu(OH)2+2H+===Cu2++2H2O
CuO+H2O
3.铜盐
(1)Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜,是铜绿的成分,它是铜在潮湿的空气中被锈蚀的结果,它受热易分解:
Cu2(OH)2CO3
2CuO+H2O+CO2↑。
(2)无水CuSO4是白色粉末,遇水变蓝色(生成CuSO4·
5H2O)可作为水的检验依据,但不适于作干燥剂。
CuSO4·
5H2O为蓝色晶体,俗称蓝矾或胆矾,受热易分解:
5H2O
CuSO4+5H2O↑,蓝色晶体受热转化为白色粉末。
(3)铜盐溶液有毒,主要是因为铜离子作为一种重金属离子能与蛋白质作用,使蛋白质变性失去生理活性,因此人们利用了它的这一性质用胆矾、熟石灰、水配成了波尔多液,用来杀灭植物的病毒。
易错警示 区别红色物质Cu和Cu2O的方法
向红色物质中加入稀硫酸,若溶液由无色变成蓝色,则该红色物质为Cu2O,否则为Cu。
反应的化学方程式为Cu2O+H2SO4===CuSO4+Cu+H2O。
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×
”。
(1)无水CuSO4白色粉末遇水变蓝色,发生物理变化。
( )
(2)CuSO4·
5H2O加热失去结晶水发生物理变化。
(3)铜锈的主要成分是Cu2(OH)2CO3,在干燥的空气中不易生成。
(4)过量的铜与浓硝酸反应一定没有NO生成。
(5)清除铜制品表面的铜绿用稀HNO3。
提示
(1)×
(2)×
(3)√ (4)×
(5)×
题组一铜及其化合物的性质
1.在稀硫酸中加入铜粉,铜粉不溶,再加入下列物质,铜粉溶解的是( )
①FeCl3 ②Fe2O3 ③Cu(NO3)2 ④KNO3
A.只有①或②B.只有②或④
C.只有①或②或③D.①②③④中任意一种
答案 D
解析 Cu与Fe3+作用:
2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,Fe2O3与稀H2SO4反应生成Fe3+,H+、NO
具有强氧化性,能使铜粉溶解。
故①②③④能使铜粉溶解。
2.已知CuO经高温灼烧生成Cu2O,Cu2O与H+发生:
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,说明样品全部生成了Cu2O
B.溶液中最终可能有紫红色固体出现
C.这种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 由于Cu能够与热的稀硝酸反应,所以不论CuO是否完全分解,溶液中最终不可能有紫红色固体出现,故A、B、D项错误。
★总结提升
熟记铜及其化合物的颜色
物质
颜色
Cu
紫红色
CuSO4
白色
黑色
蓝色
砖红色
绿色
题组二铜及其化合物转化关系的应用
3.[2016·
株洲质检]铜是生活中常见的金属,请回答下列问题:
(1)Cu不活泼,通常情况下不与稀硫酸反应,但向Cu和稀硫酸的混合物中滴入H2O2溶液后,溶液很快变蓝色。
试写出该反应的离子方程式______________________________________________。
(2)将硫酸铜溶液和碳酸钠溶液混合,会析出Cu2(OH)2CO3绿色固体,试写出该反应的离子方程式________________________。
(3)火法炼铜的原理:
Cu2S+O2
2Cu+SO2,在该反应中每生成1molCu,转移________mole-。
(4)以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼,下列说法正确的是________(填选项字母)。
a.粗铜接电源正极,发生氧化反应
b.溶液中Cu2+向阴极移动
c.电解过程中,阳极和阴极的质量变化相等
d.利用阳极泥可回收Al、Zn等金属
(5)据报道,有一种叫ThibacillusFerroxidans的细菌在有氧气存在的酸性溶液中,可将黄铜矿CuFeS2氧化成硫酸盐:
4CuFeS2+2H2SO4+17O2===4CuSO4+2Fe2(SO4)3+2H2O。
利用反应后的溶液,按如下流程可制备胆矾(CuSO4·
5H2O):
①检验溶液B中Fe3+是否被除尽的实验方法是__________________________________________________________。
②在实验室中,设计两个原理不同的方案,从溶液B中提炼金属铜(要求:
一种方案只用一个反应来完成)。
写出两种方案中涉及的化学方程式:
方案一:
____________________________________________;
方案二:
____________________________________________。
答案
(1)Cu+H2O2+2H+===Cu2++2H2O
(2)2Cu2++2CO
+H2O===Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑
(3)3 (4)ab
(5)①取少量溶液B于试管中,加入几滴KSCN溶液,若溶液无明显现象,则说明Fe3+已被除尽 ②CuSO4+Fe===Cu+FeSO4 2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑(其他合理答案均可)
解析
(1)溶液变蓝说明有Cu2+生成,则H2O2作氧化剂,离子反应方程式为:
Cu+H2O2+2H+===Cu2++2H2O。
(2)由题给信息可知反应的离子方程式为:
2Cu2++2CO
+H2O===Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑。
(3)根据题给方程式可知,生成2molCu时,转移6mol电子,则生成1molCu时,转移3mol电子。
(4)粗铜接电源的正极,作阳极,发生氧化反应,a正确;
溶液中阳离子向阴极移动,b正确;
电解过程中,阳极是铝、锌、铜放电,Ag、Pt、Au形成阳极泥,而阴极始终是Cu2+得电子生成单质铜,所以阴极和阳极质量变化不一定相等,c错误;
阳极泥是比铜活泼性差的Ag、Pt、Au沉积在阳极形成的,d错误。
(5)①验证Fe3+最好用KSCN溶液。
②由硫酸铜得到铜,可以通过置换反应,也可以通过电解。
4.[2015·
苏州五中期中]各物质之间的转化关系如图,部分生成物省略。
C、D是由X、Y、Z中两种元素组成的化合物,X、Y、Z的原子序数依次增大,在周期表中X的原子半径最小,Y、Z原子最外层电子数之和为10。
D为无色非可燃性气体,G为黄绿色单质气体,J、M为金属,I有漂白作用,反应①常用于制作印刷电路板。
据此回答下列各题:
(1)写出纯净物A的化学式:
________,C的电子式:
________,用来检验L中阳离子的试剂是________(该试剂焰色为紫色)。
(2)沉淀E可溶于过量________(填试剂名称)得到深蓝色的透明溶液,呈现该颜色是因为溶液中存在配离子:
________(填化学式)。
(3)写出反应①的离子方程式:
________________,写出反应②的化学方程式:
________________(有机物用结构简式表示)。
(4)已知F溶于稀硝酸,溶液变成蓝色,放出无色气体,请写出该反应的化学方程式:
________________。
答案
(1)CuCO3[或Cu2(OH)2CO3或Cu(OH)2·
CuCO3]
硫氰化钾
(2)氨水 [Cu(NH3)4]2+
(3)Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+
CH3CHO+2Cu(OH)2+NaOH
CH3COONa+Cu2O↓+3H2O[写成CH3CHO+2Cu(OH)2
CH3COOH+Cu2O↓+2H2O也可]
(4)3Cu2O+14HNO3===6Cu(NO3)2+2NO↑+7H2O
解析 周期表中原子半径最小的是H(X)、G为Cl2、L为FeCl3、B为CuCl2、E为Cu(OH)2、M为Cu、K为FeCl2、J为Fe、H为HCl、C为H2O、I为HClO,由Y、Z原子序数依次增大且Y、Z最外层电子数之和为10可推知Y为C、Z为O,所以D为CO2,A为CuCO3或Cu2(OH)2CO3。
(1)A为CuCO3或Cu2(OH)2CO3,C的电子式为H:
O·
·
·
:
H,检验Fe3+常用KSCN溶液或苯酚溶液,题中指明该试剂焰色为紫色可知为KSCN。
(2)Cu(OH)2能溶于过量氨水得到深蓝色溶液,反应方程式为Cu(OH)2+4NH3·
H2O===[Cu(NH3)4](OH)2+4H2O,溶液呈蓝色的原因是含有络合离子[Cu(NH3)4]2+。
(3)反应①的离子方程式为Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+,反应②的化学方程式为CH3CHO+2Cu(OH)2
CH3COOH+Cu2O↓+2H2O。
(4)F溶于稀硝酸,溶液呈蓝色,说明F为Cu2O,Cu2O与稀硝酸反应化学方程式为3Cu2O+14HNO3===6Cu(NO3)2+2NO↑+7H2O。
铜的冶炼“三方法”
(1)湿法炼铜:
Fe+CuSO4===FeSO4+Cu。
(2)高温炼铜:
工业上用高温冶炼黄铜矿的方法获得铜(粗铜):
2CuFeS2+4O2
Cu2S+3SO2+2FeO(炉渣)
2Cu2S+3O2
2Cu2O+2SO2
2Cu2O+Cu2S
6Cu+SO2↑
粗铜中铜的含量为99.5%~99.7%,主要含有Ag、Zn、Fe、Au等杂质,粗铜通过电解精炼可得到纯度达99.95%~99.98%的铜。
电解精炼铜的原理是用粗铜作阳极,失电子变为Cu2+,用纯铜棒作阴极即可得精铜。
(3)生物炼铜:
“吃岩石的细菌”能耐受铜盐的毒性,并能利用空气中的氧气氧化硫化亚铜矿石,然后把不溶性的硫化铜转化为可溶性的硫酸铜。
生物炼铜的优点:
a.成本低;
b.污染小;
c.反应条件简单;
d.含量(品位)很低的矿石也可以被利用。
合金的概念及其重要应用
1.合金
(1)概念:
合金是指由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
(1)重要的黑色金属材料——钢
钢铁是用量最大、用途最广的合金。
钢
(2)几种有色金属材料
易错警示
(1)构成合金的成分不一定是两种或两种以上的金属,也可以是金属与非金属,合金中一定含金属元素。
(2)合金的性质不是各成分金属的性质之和。
(3)并非所有的金属都能形成合金,两种金属形成合金,其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化,若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点,则二者不能形成合金。
(4)常温下,多数合金是固态,但钾、钠合金呈液态。
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×
(1)合金中至少含有两种金属元素,不含非金属元素。
(2)合金中的金属元素以化合物的形式存在。
(3)合金的硬度低于成分金属,合金的熔点一般高于其成分金属。
(4)下列物质或材料都属于合金:
钢、青铜、铝镁合金、水银、硅钢。
(3)×
(4)×
题组一合金的性能特点及应用
1.[2015·
宁波模拟]美国“海狼”潜艇上的核反应堆内使用了液体铝钠合金(单质钠和单质铝熔合而成)作载热介质,下列有关说法不正确的是( )
A.该铝钠合金的熔点低于金属钠
B.铝钠合金若投入一定量的水中可得无色溶液,则n(Al)≤n(Na)
C.铝钠合金投入足量氯化铜溶液中,会有氢氧化铜沉淀生成,也可能有铜析出
D.若mg不同组成的铝钠合金投入足量盐酸中,放出的H2越多,则铝的质量分数越小
解析 合金的熔点低于其组分金属,A正确;
铝钠合金投入水中,发生2Na+2H2O===2NaOH+H2↑,2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,当n(Na)≥n(Al)时,金属全部溶解,得到无色溶液,B正确;
铝钠合金投入到足量氯化铜溶液中,钠和水反应生成的NaOH可以和CuCl2反应生成Cu(OH)2沉淀,若n(Al)>
n(Na),金属铝也会置换出金属铜,C正确;
2Al~3H2↑,2Na~H2↑,等质量的金属钠和金属铝比较,Al产生的氢气量多,所以放出的H2越多,铝的质量分数越大,D错误。
2.[2015·
长安模拟]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
解析 合金的导电性比纯金属的弱。
题组二有关合金成分的分析与计算
3.[2015·
大连模拟]部分氧化的铁铜合金样品(氧化产物为Fe2O3、CuO)共5.76g,经如下处理:
下列说法正确的是( )
A.滤液A中的阳离子为Fe3+、Fe2+、H+
B.样品中Fe元素的质量为2.24g
C.样品中CuO的质量为4.0g
D.V=896
解析 根据题意,3.2g滤渣一定是铜,而铜与Fe3+不共存,则A项错误;
最后的3.2g固体为Fe2O3,其中Fe元素的质量为2.24g,B正确;
样品中Cu元素和O元素共5.76g-2.24g=3.52g,则C项错误;
因2.24gFe元素已部分氧化,且Fe还与Fe3+、Cu2+发生反应,故生成的氢气的体积应小于896mL,D错误。
4.[2013·
重庆高考]合金是建造航空母舰的主体材料。
(1)航母升降机可由铝合金制造。
①铝元素在周期表中的位置为____________________________。
工业炼铝的原料由铝土矿提取而得,提取过程中通入的气体为________。
②AlMg合金焊接前用NaOH溶液处理Al2O3膜,其化学方程式为___________________________________________________。
焊接过程中使用的保护气为________(填化学式)。
(2)航母舰体材料为合金钢。
①舰体在海水中发生的电化学腐蚀主要为________。
②航母用钢可由低硅生铁冶炼而成,则在炼铁过程中为降低硅含量需加入的物质为________。
(3)航母螺旋桨主要用铜合金制造。
①80.0gCuAl合金用酸完全溶解后,加入过量氨水,过滤得白色沉淀39.0g,则合金中Cu的质量分数为__________________。
②为分析某铜合金的成分,用酸将其完全溶解后,用NaOH溶液调节pH,当pH=3.4时开始出现沉淀。
分别在pH为7.0、8.0时过滤沉淀。
结合如图信息推断该合金中除铜外一定含有________。
答案
(1)①第三周期第ⅢA族 CO2
②Al2O3+2NaOH===2NaAlO2+H2O Ar(其他合理答案均可)
(2)①吸氧腐蚀 ②CaCO3(或CaO)
(3)①83.1% ②Al、Ni
解析
(1)①工业炼铝需将铝土矿与强碱溶液反应转化成偏铝酸盐,然后在偏铝酸盐溶液中通入过量的CO2,发生反应:
AlO
+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+HCO
,故提取过程中需通入CO2气体。
②保护气需性质稳定,高温条件下不与AlMg合金反应,N2高温条件下可与Mg反应,可用氩气作保护气。
(2)①海水接近中性,金属在其中以吸氧腐蚀为主。
②铁矿石中硅元素多以SiO2形式存在,加入CaCO3或CaO,SiO2可与之反应生成CaSiO3从而降低生铁中硅的含量。
(3)①白色沉淀为Al(OH)3,39.0gAl(OH)3中铝元素为0.5mol,合金中铝的质量为0.5mol×
27g·
mol-1=13.5g,则铜的质量为66.5g,质量分数为83.1%。
②由于要将Cu溶解,所选用的酸为氧化性酸,若合金中有铁存在,则Fe将被氧化成Fe3+,pH=3.4时开始出现沉淀,利用图给信息可知溶液中无Fe3+,一定有Al3+,则合金中一定有Al;
由题意可知pH在7.0~8.0之间一定有沉淀生成,由图给信息可知溶液中一定有Ni2+,则合金中一定有Ni。
金属矿物的开发利用
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
(1)富集:
除去杂质,提高矿石中有用成分的含量。
(2)冶炼:
利用氧化还原反应,用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质。
(3)精炼:
提纯金属。
4.金属冶炼方法
(1)热分解法(适用于Hg、Ag等不活泼金属)
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(适用于Zn—Cu等中等活泼金属)
①焦炭还原法。
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。
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。
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。
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(适用于Al以前的活泼金属)
Al2O3、MgCl2、NaCl的电解反应,其化学方程式依次为2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑,MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑,2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑。
(1)制钛:
用金属钠置换氯化钛(TiCl4)溶液中的钛。
(2)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。
(3)制钠:
用海水为原料制得精盐,再电解纯净的NaCl溶液。
(4)炼铜:
用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜。
(5)铝是地壳中含量最高的金属元素。
(6)能用电解AlCl3和MgO的方法冶炼Al、Mg。
(7)在铝热反应中,镁条、KClO3的作用是引燃助燃作用。
(2)√ (3)×
(5)√ (6)×
(7)√
题组一金属冶炼原理的考查
1.下列有关金属冶炼的方法叙述正确的是( )
A.电解氯化镁水溶液制备金属镁
B.利用铝热反应制备金属铝
C.加热分解Fe2O3的方法制备金属铁
D.用火法或湿法均可制备金属铜
解析 电解氯化镁溶液得到Mg(OH)2,冶炼金属镁应电解熔融MgCl2,A错;
利用铝热反应可冶炼钒、铬、锰、铁等高熔点金属,B错;
用热还原法用CO、H2或Al还原Fe2O3制备金属铁,C错;
可用热还原法或活泼金属置换法制备Cu,D正确。
2.[2013·
山东高考]金属冶炼和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.NaCl
c.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)Cu2S4H2
解析
(1)金属冶炼时,金属活动性顺序表中铝及其前面的金属一般采用电解法,故选bd;
(2)分析题给方程式:
2Cu2S+2H2SO4+5O2===4CuSO4+2H2O,Cu元素和S元素的化合价均升高,O元素的化合价降低,故还原剂是Cu2S;
当1molO2发生反应时,氧化剂氧气得到4mol电子,则同时还原剂所失电子也为4mol;
CuSO4溶液由于Cu2+水解呈酸性,故加入镁条放出氢气。
1.金属活动性顺序及其应用
2.根据金属活动性判断金属的冶炼方法
(1)表中汞以后金属一般用热分解法或淘洗等物理方法。
(2)表中锌到铜之间的金属一般用热还原法,常用的还原剂有C、CO、H2、Al等。
(3)表中铝以前的金属一般用电解其熔融化合物的方法。
(4)某些金属如Cu,可用湿法冶金,即CuSO4+Fe===Cu+FeSO4。
题组二铝热反应及其应用
3.[2014·
山东高考]用铝粉和Fe2O3做铝热反应实验,需要的试剂还有________。
a.KClB.KClO