金属材料及金属矿物的开发利用.docx

金属材料及金属矿物的开发利用.docx

《金属材料及金属矿物的开发利用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料及金属矿物的开发利用.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

金属材料及金属矿物的开发利用

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：

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。

铜及其化合物的性质、应用

（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（　　）

（9）Cu2（OH）2CO3是铜锈的主要成分，在干燥的空气中铜不易生锈（　　）

（10）将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干，制得无水CuCl2固体（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）√　（5）×　（6）×　（7）×　（8）×　（9）√　（10）×

把铜及其化合物的化学式与其颜色连接起来

答案　

题组一　铜及其化合物的转化

1．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。

2．（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

答案　B

解析　A项，2CuS＋3O2

2CuO＋2SO2，由方程式可知，1molCuS消耗1.5molO2，错误；B项，废气中含有SO2，能使酸性高锰酸钾溶液褪色，正确；C项，调节pH时，Fe3＋水解转化为Fe（OH）3而除去，错误；D项，将CuCl2·2H2O直接加热脱水，Cu2＋水解，HCl挥发会产生Cu（OH）2，无法得到CuCl2，错误。

题组二　铜及其化合物的制取

3．Cu2S是火法炼铜的重要原料之一，下面是由Cu2S冶炼铜及制取CuSO4·5H2O的流程图：

Cu2S

Cu

Cu2O、CuO

A

B

胆矾

（1）Cu2S中铜元素的化合价为________，火法炼铜的反应原理是_______________（用化学方程式表示）。

（2）向Cu2O、CuO中加入足量稀硫酸得到的体系A中溶液呈蓝色，且有红色物质生成，请写出生成红色物质的离子方程式：

_________________________________________________。

（3）若将A中红色物质反应掉，操作Ⅰ中加入的试剂最好是________（填字母）。

A．适量的NaNO3B．适量的HNO3C．适量的H2O2

答案　

（1）＋1　Cu2S＋O2

2Cu＋SO2

（2）Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O

（3）C

解析　

（1）Cu2S中铜为＋1价，火法炼铜中Cu、O被还原，S被氧化，反应的化学方程式为Cu2S＋O2

2Cu＋SO2。

（2）依据信息知Cu2O在酸性条件下生成Cu2＋（蓝色）和单质铜（红色），反应的离子方程式为Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O。

（3）H2O2不产生污染物，不引入杂质。

4．（2018·安顺检测）工业上由黄铜矿（主要成分为CuFeS2）冶炼铜的主要流程如下：

（1）气体A中的大气污染物可选用下列试剂中的______吸收。

a．浓硫酸b．稀硝酸

c．NaOH溶液d．氨水

（2）由泡铜冶炼粗铜的化学方程式为_______________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）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________________________________________________________________。

a．电能全部转化为化学能

b．粗铜接电源正极，发生氧化反应

c．溶液中Cu2＋向阳极移动

d．从阳极泥中可回收Ag、Pt、Au等金属

（4）利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极电极反应式为____________________________________________________________。

答案　

（1）cd

（2）3Cu2O＋2Al

Al2O3＋6Cu

（3）bd

（4）4H＋＋O2＋4e－===2H2O

解析　

（1）气体A中的大气污染物为SO2，可以用NaOH溶液或氨水吸收。

（2）依据图示，泡铜中的Cu2O与Al高温下发生铝热反应制得铜。

（3）电解精炼铜过程中，电能转变为化学能的同时，部分电能也转化为热能，a错；电解精炼粗铜时，粗铜作阳极，与电源正极相连，发生氧化反应，b对；电解过程中Cu2＋向阴极移动，c错；粗铜中Ag、Pt、Au的放电能力比铜的弱，形成阳极泥，可以回收，d对。

（4）根据总反应，O2发生还原反应，因此正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

铜的冶炼“两方法”

（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。

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．金属与合金的性质和应用

（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）金属元素在不同化合物中化合价均相同（　　）

（4）大多数金属元素的单质为电的良导体（　　）

（5）铝合金的熔点比纯铝的高（　　）

（6）合金材料中不可能含有非金属元素（　　）

（7）地震灾区重建要使用大量钢材，钢材是合金（　　）

（8）铁是人类在生产、生活中最早使用的金属（　　）

（9）合金中的金属元素都是以化合态形式存在（　　）

（10）合金的硬度一般大于成分金属，而熔点一般低于成分金属（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×　（7）√　（8）×　（9）×　（10）√

2．金属矿物的开发利用

（1）金属氧化物与铝粉的混合物都是铝热剂（　　）

（2）用金属钠在高温下还原TiCl4可制取金属钛（　　）

（3）人类历史上使用铝的时间比铁晚，原因是铝的冶炼成本高（　　）

（4）用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜（　　）

（5）电解氯化镁溶液制取金属镁（　　）

（6）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（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）×　（6）√

题组一　金属冶炼方法的选择

1．（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。

2．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，气化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方向进行。

题组二　铝热反应及应用

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．KClO3

C．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）。

答案　

（1）BD　

（2）①加少量KClO3，插上镁条并将其点燃　②铁　（3）不能　Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋

解析　

（1）做铝热反应的实验时，需要KClO3作助燃剂，且用镁条引燃。

（2）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。

MgO不能与铝发生铝热反应，所以产物中单质为Fe。

（3）反应后固体混合物中若有Fe2O3，因发生反应：

Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，Fe3＋转化为Fe2＋，加KSCN溶液不会变红。

题组三　定量测定合金组成的两种方法

4．为测试一铁片中铁元素的含量，某课外活动小组提出下面两种方案并进行了实验（以下数据为多次重复实验测定结果的平均值）：

方案一：

将ag铁片完全溶解于过量稀硫酸中，测得生成氢气的体积为580mL（标准状况）；

方案二：

将

g铁片完全溶解于过量稀硫酸中，将反应后得到的溶液用0.02000mol·L－1的KMnO4溶液滴定，达到终点时消耗了25.00mLKMnO4溶液。

请回答下列问题：

（1）配平下面的化学方程式：

KMnO4＋

FeSO4＋

H2SO4===

Fe2（SO4）3＋

MnSO4＋

K2SO4＋

H2O

（2）在滴定实验中不能选择________式滴定管，理由是_______________________________

________________________________________________________________________。

（3）根据方案一和方案二测定的结果计算，铁片中铁的质量分数依次为________和________。

（4）若排除实验仪器和操作的影响，试对上述两种方案测定结果的准确性做出判断和分析。

①方案一________（填“准确”“不准确”或“不一定准确”），理由是

________________________________________________________________________。

②方案二________（填“准确”“不准确”或“不一定准确”），理由是

________________________________________________________________________。

答案　

（1）2　10　8　5　2　1　8

（2）碱　KMnO4是强氧化剂，会腐蚀乳胶管

（3）

（4）①不一定准确　如果铁片中存在与稀硫酸反应并能生成氢气的其他金属，会导致结果偏高；如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解、但不产生氢气的铁的氧化物，会导致结果偏低；如果上述情况均不存在，则结果准确

②不一定准确　如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解的其他金属，生成的金属离子在酸性溶液中能被高锰酸钾氧化，会导致结果偏高；如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解的铁的氧化物，生成的Fe3＋在酸性溶液中不能被高锰酸钾氧化，会导致结果偏低；如果上述情况均不存在，则结果准确（答案合理即可）

解析　

（1）在反应中MnO

中Mn的化合价由＋7价降至＋2价，Fe2＋被氧化为Fe3＋，依据化合价升降相等可知KMnO4与FeSO4的化学计量数之比应为1∶5，考虑到Fe2（SO4）3的化学计量数为整数，将KMnO4与FeSO4的化学计量数分别配成2、10，依据原子守恒再配出其他物质的化学计量数即可。

（2）因KMnO4是强氧化剂，它会腐蚀碱式滴定管的乳胶管，因此不能用碱式滴定管盛装KMnO4溶液。

（3）方案一：

依据铁与硫酸反应的方程式可知产生580mLH2（标准状况）所需m（Fe）＝

×56g·mol－1＝1.45g，故铁的质量分数为

；方案二：

利用

（1）中配平的方程式可知，

g铁片中含有m（Fe）＝0.02000mol·L－1×0.0250L×5×56g·mol－1＝0.140g，故铁的质量分数为

＝

。

5．某铝合金中含有元素镁、铜、硅，为了测定该合金中铝的含量，设计了如下实验，请回答有关问题：

（1）称取样品ag，称量时应该使用的主要仪器的名称是_______________________________。

（2）将样品溶解于足量的稀盐酸，过滤。

滤液中主要含有______________，滤渣中含有________，溶解、过滤用到的玻璃仪器是_________________________________________。

（3）滤液中加过量氢氧化钠溶液、过滤。

有关反应的离子方程式是

________________________________________________________________________。

（4）步骤（3）的滤液中通入足量二氧化碳气体，过滤。

有关反应的离子方程式是

________________________________________________________________________。

（5）步骤（4）过滤后的滤渣用蒸馏水洗涤数次，烘干并灼烧至恒重，冷却后称量，其质量为bg。

有关反应的化学方程式是_____________________________________________________，原样品中铝的质量分数是________。

（6）若步骤（3）中加入氢氧化钠的量不足，则实验结果________（填“偏高”“偏低”或“不影响”，下同）；若步骤（5）中滤渣没有洗涤，则实验结果________；若滤渣灼烧不充分，则实验结果__________。

答案　

（1）托盘天平

（2）MgCl2、AlCl3、HCl　Cu、Si　烧杯、玻璃棒、普通漏斗

（3）Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓、Al3＋＋4OH－===AlO

＋2H2O

（4）AlO

＋CO2＋2H2O===Al（OH）3↓＋HCO

（5）2Al（OH）3

Al2O3＋3H2O　

×100%

（6）偏低　偏高　偏高

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）。

1．（2016·浙江理综，7）下列说法不正确的是（　　）

A．储热材料是一类重要的能量存储物质，单位质量的储热材料在发生熔融或结晶时会吸收或释放较大的热量

B．Ge（32号元素）的单晶可以作为光电转换材料用于太阳能电池

C．Ba2＋浓度较高时危害健康，但BaSO4可服入体内，作为造影剂用于X射线检查肠胃道疾病

D．纳米铁粉可以高效地去除被污染水体中的Pb2＋、Cu2＋、Cd2＋、Hg2＋等重金属离子，其本质是纳米铁粉对重金属离子较强的物理吸附

答案　D

解析　A项，储热材料具有在熔融或结晶时会吸收或释放较大热量的特点，正确；B项，Ge是一种优质的光电转换材料，可用于太阳能电池，正确；C