第四讲用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物.docx
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第四讲用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物
第四讲 用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物
[2017高考导航]
考纲要求
真题统计
命题趋势
1.了解常见金属的活动顺序及金属冶炼的一般方法。
2．了解合金的概念及其重要应用。
3．了解铜及其重要化合物的性质。
4．了解铜及其重要化合物的应用。
5．了解化学科学发展对自然资源开发利用的作用。
2015，卷Ⅰ10T（B）；
2014，卷Ⅱ9T
本部分内容涉及题型较多，有选择题、综合推断题及实验探究题，铜及其重要化合物知识往往结合电化学知识一起考查。
由金属材料、铜及其重要化合物知识联系生活实际，近几年高考的考查有升温趋势。
预计在2017年高考中还会继续考查本部分内容，在平时的复习过程中，多注重与实验探究的结合。
考点一 铜及其重要化合物[学生用书P71]
1．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
反应物
化学方程式
非金属
O2
（1）潮湿的空气中：
2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2（OH）2CO3
（碱式碳酸铜，绿色）
（2）2Cu＋O22CuO（黑色固体）
Cl2
Cu＋Cl2CuCl2（棕黄色烟）
S
2Cu＋SCu2S
氧化性酸
浓硫酸
Cu＋2H2SO4（浓）CuSO4＋SO2↑＋2H2O
浓硝酸
Cu＋4HNO3（浓）===Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O
稀硝酸
3Cu＋8HNO3（稀）===3Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O
盐
AgNO3
Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag
FeCl3
Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2
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
水溶性
不溶
不溶
与酸反应（H＋）
CuO＋2H＋===Cu2＋＋H2O
Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O
与H2反应
CuO＋H2Cu＋H2O
Cu2O＋H22Cu＋H2O
转化关系
4CuO2Cu2O＋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．铜盐
（1）碱式碳酸铜
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）2CO32CuO＋H2O＋CO2↑。
（2）硫酸铜
①CuSO4·5H2O为蓝色晶体，俗称蓝矾、胆矾。
②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。
（3）铜盐的毒性
铜盐溶液有毒，主要是因为铜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。
1．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
2．铜钱在历史上曾经是一种广泛流通的货币。
从物理性质和化学性质的角度分析，铜常用于制造货币的说法正确的是（ ）
A．铜来源广泛，易于从自然界冶炼得到
B．铜的化学性质比较稳定，不易被腐蚀，铜的熔点比较低，容易冶炼铸造成型
C．铜的外观为紫红色，大方美观，易于被人们接受
D．铜的化学性质不稳定，在空气中易转化为铜绿，铜绿具有抗腐蚀能力，易于流通
答案：
B
名师点拨
（1）Cu在加热条件下与O2非常容易反应，利用这一性质，可把Cu作为O2的吸收剂。
若在实验题中看到加热的铜网或铜粉，应想到这一作用。
（2）无水CuSO4常用作水的检验试剂；由于其吸水效率不是太高，一般不作干燥剂使用。
（3）铜盐属于重金属盐，可使蛋白质变性，故铜盐有毒。
农业上常用石灰乳和CuSO4混合使用，是被称为“波尔多液”的农药。
（2015·高考天津卷）废旧印刷电路板是一种电子废弃物，其中铜的含量达到矿石中的几十倍。
湿法技术是将粉碎的印刷电路板经溶解、萃取、电解等操作得到纯铜等产品。
某化学小组模拟该方法回收铜和制取胆矾，流程简图如下：
回答下列问题：
（1）反应Ⅰ是将Cu转化为Cu（NH3），反应中H2O2的作用是________________________________________________________________________。
写出操作①的名称：
________。
（2）反应Ⅱ是铜氨溶液中的Cu（NH3）4与有机物RH反应，写出该反应的离子方程式：
________________。
操作②用到的主要仪器名称为________，其目的是（填序号）________。
a．富集铜元素
b．使铜元素与水溶液中的物质分离
c．增加Cu2＋在水中的溶解度
（3）反应Ⅲ是有机溶液中的CuR2与稀硫酸反应生成CuSO4和________。
若操作③使用右图装置，图中存在的错误是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）操作④以石墨作电极电解CuSO4溶液。
阴极析出铜，阳极产物是________________________________________________________________________。
操作⑤由硫酸铜溶液制胆矾的主要步骤是
________________________________________________________________________。
（5）流程中有三处实现了试剂的循环使用，已用虚线标出两处，第三处的试剂是________。
循环使用的NH4Cl在反应Ⅰ中的主要作用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析]
（1）Cu转化为Cu（NH3）4，化合价升高，发生氧化反应，故H2O2作氧化剂，将Cu氧化。
从图中可以看出，经过操作①得到溶液和残渣，故操作①是过滤。
（2）铜氨溶液中的Cu（NH3）4与有机物RH反应生成NH3和NH4Cl及溶解在有机层中的CuR2，故反应的离子方程式为Cu（NH3）4＋2RH===2NH3＋2NH4＋CuR2。
操作②得到溶液和有机层，故该操作是分液，用到的主要仪器是分液漏斗。
其目的是使铜元素与水溶液中的物质分离，富集铜元素。
（3）根据反应Ⅲ可以判断出CuR2与稀硫酸反应生成CuSO4和RH。
图中的错误是分液漏斗的尖端未紧靠烧杯内壁，分液漏斗中的液体太多。
（4）电解CuSO4溶液，阳极是水放电，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，故阳极产物是O2和H2SO4。
将硫酸铜溶液加热浓缩、冷却结晶、过滤即得胆矾晶体。
（5）反应Ⅲ消耗H2SO4，操作④电解CuSO4溶液产生H2SO4，实现了H2SO4的循环使用。
反应Ⅰ中H2O2将铜氧化为Cu2＋，Cu2＋与NH3产生Cu（NH3）4，因为NH3溶于水，溶液显碱性，如果c（OH－）过高，会产生Cu（OH）2沉淀，为了防止产生Cu（OH）2沉淀，在反应Ⅰ中加入了NH4Cl。
[答案]
（1）作氧化剂 过滤
（2）Cu（NH3）4＋2RH===2NH4＋2NH3＋CuR2 分液漏斗 ab
（3）RH 分液漏斗尖端未紧靠烧杯内壁、分液漏斗中的液体过多
（4）O2、H2SO4 加热浓缩、冷却结晶、过滤
（5）H2SO4 防止由于溶液中c（OH－）过高，生成Cu（OH）2沉淀
某研究小组用废铜粉制取胆矾，设计了如下几个实验方案：
（1）CuCuSO4硫酸铜溶液CuSO4·5H2O。
（2）CuCuO硫酸铜溶液CuSO4·5H2O。
（3）硫酸铜溶液CuSO4·5H2O。
对三个方案进行评价，你认为最好的是哪个方案？
答案：
方案
（1）：
产生污染性气体，且消耗硫酸较多。
方案
（2）：
消耗能量较多，且步骤复杂。
方案（3）：
不产生污染性气体，原料利用率高，节约能源。
因而方案（3）更经济合理。
废铜综合利用的常见流程框图模式
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．CuSO4·5H2O晶体加入浓硫酸中变成CuSO4是物理变化，体现了浓硫酸的脱水性
B．醋酸是弱酸，所以Cu（OH）2悬浊液与醋酸不能反应
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＋
解析：
选D。
A项：
CuSO4·5H2O===CuSO4＋5H2O是化学变化，体现了浓硫酸的吸水性；B项：
在常温下，Cu（OH）2与醋酸也能发生中和反应；C项：
CuO与水不反应；D项：
Cu2OCu2＋，利用硝酸的强氧化性。
2．（2015·高考四川卷）下列有关CuSO4溶液的叙述正确的是（ ）
A．该溶液中Na＋、NH、NO、Mg2＋可以大量共存
B．通入CO2气体产生蓝色沉淀
C．与H2S反应的离子方程式：
Cu2＋＋S2－===CuS↓
D．与过量浓氨水反应的离子方程式：
Cu2＋＋2NH3·H2O===Cu（OH）2↓＋2NH
解析：
选A。
A.CuSO4溶液显酸性，Na＋、NH、NO、Mg2＋可以大量共存，A项正确；B.CO2与CuSO4溶液不发生反应，违背了强酸制弱酸的原理，B项错误；C.H2S属于弱电解质，书写离子反应方程式时，要写化学式，C项错误；D.CuSO4溶液与过量浓氨水反应生成四氨基合铜离子，D项错误。
题组二 废铜的回收利用
3．（2016·烟台莱州一中期末）实验室以含有少量铁的粗铜粉和硫酸与硝酸的混合溶液为原料制备CuSO4·5H2O晶体。
设计的工艺流程如图所示：
请回答下列问题：
（1）根据反应原理，操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理论配比（物质的量之比）为________。
操作②中需要把NO与______（气体）混合通入水中，混入该气体的目的是_______________________________________________________（用化学方程式表示）。
（2）溶液Ⅰ中存在一定浓度的Fe3＋、Cu2＋，在该浓度时生成氢氧化物沉淀的pH如下表。
操作③中某学生设计物质X为H2O，若加水调整溶液pH，则Fe（OH）3开始沉淀的pH____1.9（填“＜”“＞”或“＝”）；而实际操作中一般不用此法调节溶液pH，其主要原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
开始沉淀
沉淀完全
Fe3＋
1.9
3.2
Cu2＋
4.7
6.7
（3）操作④中物质Y为____________________。
查阅资料知CuSO4·5H2O的溶解度曲线如上图所示，则操作⑤应采取的措施是蒸发浓缩、______________、过滤、洗涤、干燥等。
解析：
（1）操作①是利用硝酸氧化而溶解铜，生成的Cu2＋与SO结合为CuSO4。
根据3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O知，生成3molCuSO4消耗3mol硫酸、2mol硝酸。
操作②中把NO与氧气混合通入水中生成硝酸以循环利用，并减少污染，反应方程式是4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。
（2）因加水使c（Fe3＋）降低，则Fe（OH）3开始沉淀的pH>1.9，而实际操作中一般不用此法调节溶液pH，其主要原因是加入的水较多不利于蒸发浓缩或蒸发浓缩消耗很多的能量。
（3）由溶液Ⅱ得到晶体需蒸发浓缩，而蒸发时硫酸铜会水解，因此加入硫酸抑制水解。
根据CuSO4·5H2O的溶解度曲线知温度越高，其溶解度越大，即温度低时析出量多，而且30℃时CuSO4·5H2O失水变为CuSO4·3H2O，因此应冷却到30℃下结晶。
答案：
（1）2∶3 O2 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3
（2）> 不利于蒸发浓缩（或蒸发浓缩消耗很多的能量）
（3）H2SO4 冷却到30℃下结晶
（1）溶液中的Cu2＋常为蓝色（浓CuCl2溶液为绿色，稀CuCl2溶液为蓝色），可作为Cu2＋的鉴别依据。
例如：
CuSO4溶液呈蓝色，在推断题中，“蓝色溶液”基本可作为Cu2＋的存在依据。
（2）Cu2＋与碱反应生成蓝色沉淀[Cu（OH）2]，这也是鉴定Cu2＋的原理之一。
考点二 金属矿物的开发及利用[学生用书P73]
1．金属在自然界中的存在形态
除了金、铂等极少数金属外，绝大多数金属以化合态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．金属的冶炼
（1）实质：
把金属从化合态还原为游离态。
（2）一般步骤
（3）方法
方法名称
主要反应原理（举例）
热分解法
2HgO2Hg＋O2↑
2Ag2O4Ag＋O2↑
热还原法
C作还原剂
2ZnO＋C2Zn＋CO2
CO作还原剂
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
（高炉炼铁）
H2作还原剂
WO3＋3H2W＋3H2O
活泼金属
作还原剂
3MnO2＋4Al3Mn＋2Al2O3
电解法
2Al2O34Al＋3O2↑
MgCl2Mg＋Cl2↑
2NaCl2Na＋Cl2↑
3.合金
（1）概念：
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都低；
②硬度和强度：
一般比它的各成分金属都大。
4．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
1．（2016·高三金考卷单元滚动双测卷）下列关于金属的说法中，不正确的是（ ）
A．合金比纯金属具有较好地性能，熔点比各成分金属的低
B．一般情况下，合金的硬度大于其各成分金属的硬度
C．常用电解法冶炼钠、镁、铝等活泼金属
D．由于铝在常温下不能与氧气反应，所以铝制品具有一定的抗腐蚀性，是一种应用广泛的金属材料
解析：
选D。
合金的熔点比成分金属的低，硬度比其成分金属的大，化学性质一般保持不变，A、B项正确，活泼金属常用电解法冶炼，如钠、镁、铝等，C项正确；铝在常温下能与氧气反应，并在铝的表面形成一层致密的氧化铝保护膜，所以铝制品具有一定的抗腐蚀性，D项错误。
2．某化学兴趣小组对奥运会金牌成分提出猜想：
甲认为金牌是由纯金制造；乙认为金牌是由金银合金制成；丙认为金牌是由黄铜（铜锌合金）制成。
为了验证他们的猜想，请你选择一种试剂来证明甲、乙、丙猜想的正误（ ）
A．硫酸铜溶液 B．稀硝酸
C．盐酸D．硝酸银溶液
解析：
选B。
当金牌是纯金时，遇到稀硝酸不溶解；当金牌是金银合金时，遇到稀硝酸会部分溶解；当金牌是黄铜时，遇到稀硝酸会全部溶解。
3．下列金属冶炼的反应原理，错误的是（ ）
A．MgCl2Mg＋Cl2↑
B．Al2O3＋3H22Al＋3H2O
C．Fe3O4＋4CO3Fe＋4CO2
D．2HgO2Hg＋O2↑
解析：
选B。
冶炼Al的反应原理是2Al2O34Al＋3O2↑。
4．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
解析：
选B。
A中不能用TiCl4溶液，要用熔融状态的TiCl4；电解NaCl溶液得到NaOH、Cl2和H2；电解法精炼铜的原料是粗铜。
名师点拨
（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。
合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加合；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。
（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）合金一定是混合物。
（5）金属活动性顺序中，金属的位置越靠后，其阳离子越容易被还原，金属的位置越靠前，其阳离子越难被还原。
（6）冶炼Mg时只能电解MgCl2不能电解MgO（熔点太高）。
（7）冶炼Al时只能电解Al2O3不能电解AlCl3（共价化合物，熔融时不导电）。
加入冰晶石（Na3AlF6）的目的是降低Al2O3的熔化温度。
（2016·石家庄模拟）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
[解析] A项，Mg的还原性大于H2的还原性；C项，制取钠应电解熔融NaCl；D项，发生的反应为4CuO2Cu2O＋O2↑，得不到单质Cu。
[答案] B
1．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。
2．热还原法用到的还原剂有焦炭、CO和H2，试从所得产物纯度及对环境污染的角度考虑哪种还原剂更好？
答案：
最好的还原剂是H2；原因是焦炭会使产品的纯度降低，CO会污染环境。
根据金属活动顺序表选择冶炼方法
（1）电解法K～Al。
（2）热还原法Zn～Cu。
（3）热分解法Hg～Ag。
（4）富集法Pt～Au（此为物理方法）。
（5）有些活泼性很强的金属也可以用热还原法来冶炼，如
Na＋KClK↑＋NaCl、2RbCl＋MgMgCl2＋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。
题组一 合金的组成、性质及应用
1．（2016·德阳高三一诊）2015年底在上海首飞的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
解析：
选D。
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。
2．某合金与铁的物理性质的比较如下表所示：
熔点/℃
密度（g/cm3）
硬度（金刚
石为10）
导电性（银
为100）
某合金
2500
3.00
7.4
2.3
铁
1535
7.86
4.5
17
还知该合金耐腐蚀、强度大，从以上性能看，该合金不适合做（ ）
A．导线 B．门窗框
C．炉具D．飞机外壳
解析：
选A。
该合金与铁的性质比较可知，其导电性比Fe差很多，不适合做导线。
题组二 有关金属冶炼的考查
3．（教材改编）下列关于金属冶炼的说法中正确的是（ ）
A．金属银、汞可用热分解法冶炼
B．可用热分解法冶炼金、铂
C．金属Mg、Al都可以用电解熔融氯化物的方法制得
D．电解法是冶炼活泼金属（如钾、钠、镁、铝等）的唯一方法
解析：
选A。
银、汞为不活泼金属，工业上可用热分解其氧化物的形式制得，A项正确；金、铂极不活泼，应用富集法（物理方法）冶炼，B项错误；AlCl3为共价化合物，工业上制备金属Al是用电解熔融Al2O3的方法，C项错误；工业上冶炼钾可以用钠还原法：
Na＋KClNaCl＋K↑，反应制得的钾蒸气遇冷即得到金属钾，D项错误。
4．铝热反应的化学方程式为2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe。
某同学对“铝热反应”的现象有这样的描述：
“反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒”“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。
查阅《化学手册》知，Al、Al2O3、Fe、Fe2O3的熔、沸点数据如下：
物质
Al
Al2O3
Fe
Fe2O3
熔点/℃
660
2054
1535
1462
沸点/℃
2467
2980
2750
—
（1）该同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金。
这种推测有一定的道理，理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）设计一个简单的实验方案，证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。
该实验所用试剂是________，当观察到________________的现象时，说明熔融物中含有金属铝。
（3）实验室溶解该熔融物，最好选用下列试剂中的________（填序号）。
A．浓硫酸B．稀硫酸
C．稀硝酸D．氢氧化钠溶液
答案：
（1）该反应温度下铝已熔化，未反应的铝可与生成的铁熔合在一起，形成合金
（2）NaOH溶液 有气泡生成 （3）B
（1）熟记2个物理性质：
合金的熔点比各成分金属低；合金的硬度比各成分金属大。
（2）记住2种有色金属：
铝、铜。
（3）牢记4种物质的颜色：
Cu——紫红色，CuO——黑色，CuSO4粉末——白色，CuSO4·5H2O——蓝色。
（4）熟记5个化学方程式
2Cu＋O2＋H2O＋CO2===Cu2（OH）2CO3（铜锈），
3Cu＋8HNO3（稀）===3Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O，
Cu＋4HNO3（浓）===Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O，
Cu＋2H2SO4（浓）CuSO4＋SO2↑＋2H2O，
Cu（OH）2CuO＋H2O。
一、选择题
1．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
解析：
选C。
金能溶于王水（浓盐酸和浓硝酸按体积比为3∶1组成的混合物），A错误；铜在空气中转化为铜绿[Cu2（OH）2CO3]，不是CuO，B错误；合金的熔点低于各成分的熔点，C正确；Cu中，质子数为29，中子数为34，中子数与质子数之差为5，D错误。
2．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
升级会员 