第三章 第13讲金属材料及金属矿物的开发利用.docx

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第三章第13讲金属材料及金属矿物的开发利用

考纲要求

　1.了解常见金属活动顺序。

2.了解合金的概念及重要应用。

3.了解铜及其重要化合物的主要性质及其应用。

考点一　铜及其化合物

1.单质铜

（1）物理性质：

_____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：

____________________________________________________。

2.铜的重要化合物

（1）Cu2（OH）2CO3的名称为__________，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：

____________________，可溶于稀硫酸，离子方程式：

_______________。

（2）黑色氧化铜在高温下分解为红色的Cu2O，化学方程式为_______________。

（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_______________。

（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__________。

深度思考

正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”

（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（）

（6）用稀硝酸清除铜制品上的铜锈（）

（7）过量铜与浓硝酸反应，产生的气体中有NO2、NO和H2（）

（8）铜是导电性最好的金属材料（）

题组一　铜及其化合物的性质和应用

1.铜在自然界多以化合态的形式存在于矿石中。

常见的铜矿石有：

黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu5FeS4）、辉铜矿（Cu2S）、孔雀石[CuCO3·Cu（OH）2]。

下列说法不正确的是（　　）

A.可用稀盐酸除去铜器表面的铜绿

B.硫酸铜溶液可用作游泳池的消毒剂

C.工业上常采用电解法制取粗铜

D.在上述几种含铜化合物中，铜的质量分数最高的是Cu2S

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

3.氢化亚铜（CuH）是一种难溶物质，用CuSO4溶液和另一种“反应物”在40～50℃时反应可生成它。

CuH不稳定，易分解；CuH在氯气中能燃烧，跟盐酸反应能产生气体。

下列有关推断中错误的是（　　）

A.这里的“另一种反应物”具有还原性

B.CuH可作氧化剂，还原剂

C.CuH＋Cl2===CuCl＋HCl（燃烧）

D.CuH＋HCl===CuCl＋H2↑（常温）

（1）＋1价的铜有较强的还原性，易被氧化剂氧化为＋2价。

（2）＋1价铜，在酸性条件下能发生歧化反应生成Cu和Cu2＋，利用这一原理可区别Cu和Cu2O。

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。

题组二　铜的冶炼方法

4.在实验室里用铁屑、氧化铜、稀硫酸为原料制备单质铜，有下列两种途径：

①Fe

H2

Cu

②CuO

CuSO4

Cu

若用这两种方法制得等量的铜，则下列有关说法符合实际情况的是（　　）

A.消耗氧化铜的质量相同

B.消耗铁的质量相同

C.消耗硫酸的质量相同

D.生成硫酸亚铁的质量相同

5.孔雀石的主要成分为Cu2（OH）2CO3。

某同学设计的从孔雀石中冶炼铜的方案如下（假设孔雀石中杂质不溶于水和稀硫酸）：

↓②

→

（1）反应①能观察到的现象是________________________________________________

________________________________________________________________________，

有关反应的化学方程式为___________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）反应②加入的金属可能是__________，有关反应的离子方程式为______________。

题组三　铜及其化合物的转化关系

6.（2017·邯郸调研）某炼铁废渣中含有大量CuS及少量铁的化合物，工业上以该废渣为原料生产CuCl2·2H2O晶体的工艺流程如下：

下列说法正确的是（　　）

A.焙烧过程中每消耗1molCuS则消耗3molO2

B.焙烧后的废气能够使酸性高锰酸钾溶液褪色

C.滤渣中主要含铁的氧化物

D.将获得的CuCl2·2H2O晶体加热可制得CuCl2固体

7.铜及其化合物在生产生活中有着广泛的应用，铜在化合物中的常见化合价有＋1、＋2。

（1）工业上可利用反应Cu2S＋O2

2Cu＋SO2制取粗铜，反应中被氧化的元素是________，当消耗32gCu2S时，转移电子数目是________（设NA为阿伏加德罗常数的值）。

（2）将少量铜丝放入适量的稀硫酸中，温度控制在50～60℃，通入O2，反应一段时间后可制得硫酸铜，发生反应的离子方程式为________________________________________。

CuSO4溶液中加入一定量的Na2SO3溶液和NaCl溶液加热，生成CuCl沉淀，写出生成CuCl的离子方程式：

___________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）某小组同学在做铜与浓硫酸反应的实验时，发现铜片表面有黑色固体生成。

①甲同学猜想：

黑色固体是未来得及溶解于酸的CuO，其猜想可用化学方程式表示：

Cu＋H2SO4

___________________________________________________________。

②乙同学认为：

黑色固体除CuO外，还可能含有Cu2S和CuS，其理由可能是___（填字母）。

a.Cu2S和CuS都是黑色的

b.铜与浓硫酸在加热条件下反应，还可能放出O2

c.浓硫酸是氧化剂，铜是还原剂，Cu的化合价升高与S的化合价降低有多种可能

考点二　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_____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_____；

②硬度和强度：

一般比它的各成分金属的_____。

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

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

________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________。

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，并发生耀眼的白光，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。

3MnO2＋4Al

3Mn＋2Al2O3；

②金属焊接，如野外焊接钢轨等

深度思考

正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”

（1）铝合金的熔点比纯铝的高（）

（2）合金材料中不可能含有非金属元素（）

（3）地震灾区重建要使用大量钢材，钢材是合金（）

（4）铁是人类在生产、生活中最早使用的金属（）

（5）用金属钠能置换氯化铜溶液中的铜（）

（6）工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al涉及氧化还原反应（）

（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）用黄铜矿经电解精炼得到纯度99.9%的铜（）

（9）电解氯化镁溶液制取金属镁（）

（10）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（）

题组一　金属与合金的性质和应用

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

2.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

3.（2016·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

题组二　金属冶炼方法的选择

4.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

5.（2016·唐山二模）如图是某课外小组从初选后的方铅矿[主要成分PbS，含少量黄铜矿（CuFeS2）]中提取硫黄、铜、铅的工艺流程图：

已知：

CuFeS2＋4FeCl3===2S＋5FeCl2＋CuCl2、PbS＋2FeCl3===S＋PbCl2＋2FeCl2

（1）黄铜矿（CuFeS2）中Fe元素的化合价为_____________________________________；

提高方铅矿酸浸效率的措施有____________________________（写出两种方法即可）。

（2）过滤过程中用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、______；单质A是________；在此工艺操作中可循环利用的物质有铅、________。

（3）在酸性的FeCl2溶液中加入H2O2溶液，其反应的离子方程式为______________。

（4）PbSO4与PbS加热条件下反应的化学方程式为_____________________________。

1.金属活泼性与冶炼方法的关系：

2.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，气化离开反应体系，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

（2）用等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物在一定条件下与Al粉进行铝热反应。

①引发铝热反应的操作是__________________________________________________。

②产物中单质是________（写名称）。

（3）取少量

（1）中铝热反应所得的固体混合物，将其溶于足量稀H2SO4，滴加KSCN溶液无明显现象，______________（填“能”或“不能”）说明固体混合物中无Fe2O3，理由是_______________________________________________________（用离子方程式说明）。

7.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

1.定量集气法

定量集气法是指收集合金中某种物质溶于酸或碱溶液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。

其原理的关键点是某组分具有特殊性质（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、称量及数据的处理（包括测定结果的误差分析）。

专题训练

1.航母螺旋桨主要由铜铝合金制造。

80.0gCu－Al合金用盐酸完全溶解后，在溶液中加入过量氨水，过滤后得到白色沉淀39.0g，则合金中Cu的质量分数为________。

2.有三种镁铝合金样品①、②、③（组分比例不一定相同）。

三位同学各取一种样品，对合金中镁的质量分数进行下列实验探究：

（1）第一位同学取样品①m1g和过量的氢氧化钠溶液反应，然后过滤；再往滤液中通入过量的二氧化碳气体，将所得沉淀过滤、洗涤、烘干、灼烧，得到固体质量仍为m1g。

则合金中镁的质量分数为________（小数点后保留2位）。

（2）第二位同学取样品②m2g和足量的稀硫酸反应，发现固体完全溶解，标准状况下得到气体体积为VL，则m2的取值范围是________（结果化为最简分数）。

（3）第三位同学取不同质量的样品③分别和30mL同浓度的盐酸反应，所取合金质量与产生气体的体积（标准状况下测定）如表所示：

实验序号

a

b

c

合金质量（g）

0.51

0.765

0.918

气体体积（mL）

560

672

672

Ⅰ.盐酸的物质的量浓度为__________________________________________________。

Ⅱ.合金中镁的质量分数为__________________________________________________。

Ⅲ.要使c组实验后剩余合金中的铝恰好完全溶解，还需向容器中加入1.0mol·L－1的氢氧化钠溶液________mL。

1.（2016·全国卷Ⅲ，28）以硅藻土为载体的五氧化二钒（V2O5）是接触法生产硫酸的催化剂。

从废矾催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。

废钒催化剂的主要成分为

物质

V2O5

V2O4

K2SO4

SiO2

Fe2O3

Al2O3

质量分数/%

2.2～2.9

2.8～3.1

22～28

60～65

1～2

＜1

以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：

回答下列问题：

（1）“酸浸”时V2O5转化为VO

，反应的离子方程式为___________________________，同时V2O4转化成VO2＋。

“废渣1”的主要成分是___________________________________。

（2）“氧化”中欲使3mol的VO2＋变为VO

，则需要氧化剂KClO3至少为________mol。

（3）“中和”作用之一是使钒以V4O

形式存在于溶液中。

“废渣2”中含有________。

（4）“离子交换”和“洗脱”可简单表示为4ROH＋V4O

R4V4O12＋4OH－（ROH为强碱性阴离子交换树脂）。

为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈________性（填“酸”、“碱”或“中”）。

（5）“流出液”中阳离子最多的是________。

（6）“沉钒”得到偏钒酸铵（NH4VO3）沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

2.[2013·重庆理综，8

（1）

（2）]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.[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________。

1.（2016·济宁模拟）明代《天工开物》记载“火法”冶炼锌：

“炉甘石十斤，装载入一泥罐内，…然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红，…冷淀，毁罐取出，…，即倭铅也”（注：

炉甘石的主要成分为碳酸锌，泥罐中掺有煤炭）。

下列说法不正确的是（　　）

A.倭铅是指金属锌和铅的混合物

B.煤炭中起作用的主要成分是C

C.冶炼Zn的化学方程式：

ZnCO3＋2C

Zn＋3CO↑

D.该冶炼锌的方法属于热还原法

2.不同的金属在冶炼方法上也有所不同，下列说法正确的是（　　）

A.钒、铬、锰、铁等难熔金属通常采用铝热法炼制

B.炼钢和炼铁都是采用还原剂将铁从其化合物中还原出来，区别在于炼钢时选用的还原剂的还原性更强

C.由于钠、镁、铝等金属化学性质太活泼，人们通常采用电解熔融状态下的氯化物的方式来获取它们的单质

D.炼铁时加入的焦炭除了提供热量外，还用来制造还原剂一氧化碳

3.金属材料在日常生活以及生产中有着广泛的运用。

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.锈蚀后的铁制品没有回收价值

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

4.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

5.下列说法中正确的是（　　）

A.Cu→CuO→Cu（OH）2每步转化均能通过一步反应实现

B.铝合金是一种混合物，它比纯铝的熔点高

C.金属铜放置在潮湿的空气中会被锈蚀，生成绿色的铜锈——碱式碳酸铜

D.金属铝、铁、铜都有一定的抗腐蚀性能，其抗腐蚀的原因都是表面形成氧化物薄膜，阻止反应的进一步进行

6.（2016·赣州模拟）下列是部分矿物资源的利用及产品流程，有关说法不正确的是（　　）

A.粗铜电解精炼时，粗铜作阳极

B.生产铝、铜、高纯硅及玻璃过程中都涉及氧化还原反应

C.黄铜矿冶炼铜时，副产物SO2可用于生产硫酸，FeO可用作冶炼铁的原料

D.粗硅制高纯硅时，提