届高考化学一轮复习 用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物.docx

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届高考化学一轮复习用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物

第4讲　用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物

[考纲要求]　1.知道铜及其重要化合物的性质。

2.了解合金的概念及重要应用。

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

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．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。

2．铜是生命必需的元素，也是人类最早使用的金属之一，铜的生产和使用对国计民生各个方面都产生了深远的影响，请完成

（1）～（3）题：

（1）在西汉古籍中曾有记载：

曾青得铁则化为铜[即曾青（CuSO4）跟铁反应生成铜]。

试写出该反应的化学方程式：

________________________________________________________________________。

（2）铜器表面有时会生成铜绿，请写出生成铜绿的化学方程式：

__________________，

这层铜绿可以用化学方法除去。

试写出除去铜绿而不损伤器物的化学方程式：

________________________________________________________________________。

（3）铜钱在历史上曾经是一种广泛流通的货币。

试从物理性质和化学性质的角度分析为什么铜常用于制造货币：

___________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（铜的熔点是1183.4℃，铁的熔点是1534.8℃）

答案　

（1）Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu

（2）2Cu＋O2＋H2O＋CO2===Cu2（OH）2CO3

Cu2（OH）2CO3＋4HCl===2CuCl2＋CO2↑＋3H2O

（3）选择铜做货币是因为铜的熔点比较低，容易冶炼铸造成型；铜的化学性质比较稳定，不易被腐蚀

解析　

（2）2Cu＋O2＋H2O＋CO2===Cu2（OH）2CO3；要除去铜器表面的铜绿，考虑选择盐酸，因盐酸不和铜反应，且盐酸具有挥发性。

化学反应方程式如下：

Cu2（OH）2CO3＋4HCl===2CuCl2＋CO2↑＋3H2O。

（3）根据题给信息以及做货币的实际要求，选择铜做货币是因为铜的熔点比较低，容易冶炼铸造成型；铜的化学性质比较稳定，不易被腐蚀。

题组二　废铜的利用

3．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________（填字母序号）。

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。

反思归纳

废铜综合利用的常见流程框图模式

考点二　合金的概念及其重要应用

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H＋反应

生成盐和氢气

不反应

与盐溶液反应

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

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

（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

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项错。

题组二　合金的性能特点及应用

3．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

4．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。

5．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气体可能全为NO

C．操作Ⅰ是过滤，操作Ⅱ是洗涤，操作Ⅲ应是烘干

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；

（2）Wg固体应该是干燥纯净的AgCl，由此确定三步操作。

方法指导

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。

3．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，关于铝热反应思考下列问题：

（1）是否所有的金属氧化物都能和铝发生铝热反应？

答案　否，判断铝热反应能否发生，应首先看金属的活动性。

例如MgO和Al不能发生铝热反应。

（2）在铝热反应中，镁条、KClO3的作用是________。

答案　引燃、助燃作用

（3）做铝热反应时，应注意哪些事项？

答案　①要保证纸漏斗重叠时四周均为四层，且内层纸漏斗一定要用水润湿，以防止高温物质从四周溅出，同时损坏纸漏斗。

②蒸发皿中的细纱要适量，既要防止蒸发皿炸裂，又要防止熔融的液体溅出伤人。

③实验装置不要距人群太近，应远离易燃物。

题组一　金属冶炼原理的考查

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，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。

归纳总结

（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泼性。

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）有些活泼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。

题组二　对铝热反应的定性及定量考查

3．粉末状试样A是由等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物。

进行如下实验：

①取适量A进行铝热反应，产物中有单质B生成；

②另取20gA全部溶于0.15L6.0mol·L－1盐酸中，得溶液C；

③将①中得到的单质B和溶液C反应，放出1.12L（标况）气体，同时生成溶液D，还残留有固体物质B；

④用KSCN溶液检验时，溶液D不变色。

请填空：

（1）①中引发铝热反应的实验操作是________，产物中的单质B是________。

（2）②中所发生的各反应的化学方程式是_______________________________________

________________________________________________________________________。

（3）③中所发生的各反应的离子方程式是______________________________________

________________________________________________________________________。

（4）若溶液D的体积仍视为0.15L，则该溶液中c（Mg2＋）为__________，c（Fe2＋）为__________。

答案　

（1）加少量KClO3，插上镁条并将其点燃　Fe

（2）Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O、

MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O

（3）Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋

（4）0.67mol·L－1　2.3mol·L－1

解析　此题将实验操作与元素化合物知识巧妙结合在一起考查，增大了试题的容量，增强了试题的测试能力。

（1）铝热反应是指单质Al和某些金属氧化物发生的反应，反应过程中放出大量热，但该反应需要较高的温度才能引发。

在混合物上加少量KClO3固体并插上Mg条，点燃Mg条后放出热量，使KClO3固体分解放出O2，进一步加剧Mg的燃烧，可在短时间内使混合物温度迅速升高，引发反应。

发生的反应为Fe2O3＋2Al

Al2O3＋2Fe，所以产物中单质B为Fe。

（2）Fe2O3和MgO都是碱性氧化物，能和酸反应生成盐和水：

Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O、MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O。

（3）混合物中只有Fe2O3能和Al发生铝热反应，生成Fe单质。

C溶液中有反应生成的FeCl3，还有未反应的HCl。

发生的离子反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。

（4）假设步骤②用去的20g固体中，MgO的物质的量为x，则Fe2O3的物质的量也为x，则40g·mol－1x＋160g·mol－1x＝20g，解得：

x＝0.1mol。

根据MgO～MgCl2的关系，则溶液中MgCl2的浓度为

0．1mol÷0.15L＝0.67mol·L－1。

步骤④说明溶液中没有Fe3＋，也就是溶质为FeCl2和MgCl2。

根据Cl－不变的关系，可知MgCl2和FeCl2的总的物质的量等于

＝0.45mol，所以，FeCl2的浓度为

＝2.3mol·L－1。

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·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4mole－，还原剂也失去4mole－，Cu2＋＋2H2O===Cu（OH）2＋2H＋，Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑，所以放出的气体应为H2。

3．（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。

4．[2012·天津理综，9

（1）

（2）（3）（4）]信息时代产生的大量电子垃圾对环境构成了极大的威胁。

某“变废为宝”学生探究小组将一批废弃的线路板简单处理后，得到含70%Cu、25%Al、4%Fe及少量Au、Pt等金属的混合物，并设计出如下制备硫酸铜和硫酸铝晶体的路线：

请回答下列问题：

（1）第①步Cu与酸反应的离子方程式为_______________________________________

___________________________________________________