2019届一轮复习全国通用版3-4金属材料和开发利用金属矿物学案

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第四节 金属材料和开发利用金属矿物 考纲定位 全国卷 5 年考情 1.了解合金的概念及其重要应用；了解 化学与金属材料的关系。 2.掌握金属铜及其重要化合物的主要性 质及应用。 3.了解铜及其重要化合物的制备方法。 4.了解常见金属的活动性顺序和常见金 属的冶炼方法。 2017 年：Ⅲ卷 T13(B) 2016 年：Ⅱ卷 T13(C)；Ⅲ卷 T7(B) 2015 年：Ⅰ卷 T10(B、D) 2014 年：Ⅰ卷 T8(D)；Ⅱ卷 T9(A、D) 考点 1| 合金与金属矿物的开发利用 (对应学生用书第 53 页) [考纲知识整合] 1．合金 提醒：(1)常温下，多数合金是固体，但钠钾合金是液体。 (2)与成分金属相 比合金的物理性质有所改变，但合金中各成分金属的化学性质仍然不变。 (3) 并非所有的金属都能形成合金。因为两种金属必须熔合在一起才能形成合金。 如果一种金属还未熔化时，另一种金属已经汽化，则一般不能熔合在一起， 如 Cu 与 Na、Fe 与 Na 等不能形成合金。 2．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。 (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形态 ①在自然界中绝大多数金属以化合态的形式存在。 ②少数化学性质不活泼的金属存在游离态。 (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)常见冶炼方法 ①电解法——K～Al Na：2NaCl(熔融)===== 电解 2Na＋Cl2↑； Mg：MgCl2(熔融)===== 电解 Mg＋Cl2↑； Al：2Al2O3(熔融)===== 电解 4Al＋3O2↑。 ②热还原法——Zn～Cu 高炉炼铁：3CO＋Fe2O3===== △ 2Fe＋3CO2； 铝热反应制铬：2Al＋Cr2O3===== 高温 2Cr＋Al2O3； 焦炭还原铜：C＋2CuO===== △ 2Cu＋CO2↑。 ③热分解法——Hg、Ag Hg：2HgO===== △ 2Hg＋O2↑； Ag：2Ag2O===== △ 4Ag＋O2↑。 [高考命题点突破] 命题点 1 金属材料与合金 1．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 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．所谓合金，就是不同种金属(也包括一些非金属)在熔化状态下形成的一种熔 合物，下表为四种金属的熔、沸点： Na Cu Al Fe 熔点/℃ 97.5 1 083 660 1 535 沸点/℃ 883 2 595 2 460 2 750 根据以上数据判断其中不能形成合金的是( ) A．Cu 和 Al B．Fe 和 Cu C．Fe 和 Na D．Al 和 Na C [Fe 熔点比 Na 的沸点高，当 Fe 熔化时，Na 已汽化，不能熔合成为合金。] 3．(2018·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===SiO2－ 3 ＋2H2↑)( ) 样品――→稀盐酸 ① 气体 溶液 难溶物 ――――→浓 NaOH 溶液 ② 气体 溶液 难溶物 A．Al、Mg、Si、Zn B．Al、Fe、Zn、Na C．Al、Na、Cu、Fe D．Al、Cu、Mg、Si、Mn D [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 之后的金属或其他非金属；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。] 命题点 2 金属矿物的开发利用 4．下列说法正确的是________(填序号)。 (1)工业上电解熔融状态的 Al2O3 制备 Al 涉及氧化还原反应 (2)电解 AlCl3、FeCl3、CuCl2 的混合溶液时，阴极上依次析出 Cu、Fe、Al (3)电解氯化镁溶液制取金属镁 (4)用金属钠置换四氯化钛(TiCl4)溶液中的钛来制取单质钛 (5)将 MgO 与铝粉混合发生铝热反应制备镁 (6)工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气 (7)MgCl2(aq)――→石灰乳 Mg(OH)2――→煅烧 MgO――→电解 Mg，工业上常按此流程图进行 海水提取镁 (8)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制备 Fe (9)用磁铁矿炼铁的反应中，1 mol Fe3O4 被 CO 还原成 Fe，转移 9 mol 电子 (10)湿法炼铜与火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应 【答案】 (1)(8)(10) 5．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，并放出 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 的熔点、沸点数据如表所示： 物质 Al Al2O3 Fe Fe2O3 熔点/℃ 660 2 054 1 535 1 462 沸点/℃ 2 467 2 980 2 750 —— (1)该同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金。理由是该反应放出 的热量使铁熔化，而铝的熔点比铁低，此时液态的铁和铝熔合形成铁铝合金。 你认为他的解释是否合理：________(填“合理”或“不合理”)。 (2)将铝与 Fe2O3 混合后放入漏斗中，然后引发铝热反应的实验操作是 _______________________________________________________________。 (3)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________，反应的离子方程式为______________________。 (4)实验室溶解该熔融物，下列试剂中最好的是________(填字母)。 A．浓硫酸 B．稀硫酸 C．稀硝酸 D．氢氧化钠溶液 (5)取少量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)。 【解析】 (1)在一定温度范围内，Fe 和 Al 均为熔融状态，可以熔合形成 FeAl 合金。 (2)加助燃剂 KClO3 和引燃剂镁条，点燃镁条。 (3)利用 Al 与碱液反应。 (4)熔融物为金属及其金属氧化物，用稀酸溶解。 (5)即使固体混合物中有 Fe2O3，因发生反应 Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O 和 Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，使 Fe3＋转化为 Fe2＋，KSCN 溶液也不会变红。 【答案】 (1)合理 (2)加少量 KClO3，插上镁条并将其点燃 (3)NaOH 溶液 2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO－ 2 ＋3H2↑ (4)B (5)不能 Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋(或只写 Fe＋ 2Fe3＋===3Fe2＋) [题后归纳] (1)金属活动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=====850 ℃ K↑＋NaCl、 2RbCl＋Mg =====700～800 ℃ 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。 考点 2| 铜及其化合物 (对应学生用书第 55 页) [考纲知识整合] 1．铜的主要性质 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＋H2O＋CO2===Cu2(OH)2CO3。 ②化学方程式：2Cu＋S===== △ Cu2S。 ③与氧化性酸反应 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－ 3 ===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O； c．与浓硝酸反应的离子方程式：Cu＋4H＋＋2NO－ 3 ===Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O。 ④与某些盐溶液反应 a．与硝酸银溶液反应的离子方程式：Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋； b．与 FeCl3 溶液反应的离子方程式：Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋。 2．铜的重要化合物的性质及其应用 (1)氧化物 CuO：黑色难溶于水的固体，与酸可以反 应，可以用 H2、CO、Al 还原出 Cu。 Cu2O：砖红色难溶于水的固体，与一般酸反 应为 Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O， 遇到 HNO3 发生氧化反应生成 Cu2＋。 (2)氢氧化铜——蓝色难溶物，是一种弱碱。 (3)铜盐 ①Cu2(OH)2CO3 Cu2(OH)2CO3 的名称为碱式碳酸铜，呈绿色，是铜锈的主要成分，受热易分 解的方程式为 Cu2(OH)2CO3△,2CuO＋H2O＋CO2↑。 ②CuSO4 a．CuSO4·5H2O 为蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾。受热或遇浓 H2SO4，蓝色晶 体变为白色粉末。 b．无水 CuSO4 遇水变蓝色(生成 CuSO4·5H2O)，可作为水或水蒸气的检验试 剂。 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。 [应用体验] 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)(2014·全国Ⅰ卷)FeCl3 溶液可用于铜质印刷线路板制作的原理是 FeCl3 能从 含 Cu2＋的溶液中置换出铜。( ) (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)(2016·全国Ⅲ卷)铁比铜金属性强的实际应用是 FeCl3 腐蚀 Cu 刻制印刷电路 板。( ) (8)Cu 和 Cu2O 均为红色，可用稀 HNO3 鉴别。( ) (9)Cu 放 置 于 潮 湿 的 空 气 中 最 终 生 成 铜 锈 的 反 应 为 2Cu ＋ O2 ＋ CO2 ＋ H2O===Cu2(OH)2CO3。( ) (10)葡萄糖与新制 Cu(OH)2 悬浊液共热可生成砖红色 Cu2O。( ) 【提示】 (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)× (9)√ (10)√ [高考命题点突破] 命题点 1 铜及其化合物的主要性质和应用 1．下列有关 Cu 及其化合物的性质和应用正确的是( ) A．(2016·全国Ⅱ卷)除去 Cu 粉中混有 CuO 的方法是加入稀硝酸溶解、过滤、 洗涤、干燥 B．(2015·全国Ⅰ卷)将铜粉加入 1.0 mol·L－1 Fe2(SO4)3 溶液中，现象是溶液变 蓝，有黑色固体出现 C．(2017·全国Ⅲ卷)向含 Cl－的溶液中同时加入 Cu 和 CuSO4 生成 CuCl 沉淀 而除去 Cl－的反应为 Cu＋Cu2＋＋2Cl－===2CuCl D．(2014·全国Ⅱ卷)H2 通过灼热的 CuO 粉末，反应后固体物质增重 C [A 项，Cu、CuO 均与稀 HNO3 发生反应；B 项，不会出现黑色固体；D 项，CuO 固体质量减轻。] 2．下列有关铜的化合物的性质的叙述中正确的是( ) A．CuSO4 变成 CuSO4·5H2O 是化学变化 B．一定条件下，新制的 Cu(OH)2 悬浊液能与葡萄糖反应但不能与乙酸反应 C．常温下将铜丝伸入盛满氯气的集气瓶中，观察 CuCl2 的生成 D．将 CuCl2 溶液在蒸发皿中加热蒸干，得到无水 CuCl2 固体 A [B 项，Cu(OH)2 与乙酸发生中和反应；C 项，Cu 与 Cl2 反应需要点燃或加 热；D 项，CuCl2 在蒸干过程中水解生成 Cu(OH)2。] 3．已知酸性条件下有如下反应：2Cu＋===Cu2＋＋Cu↓。由于反应温度不同，用 氢气还原氧化铜时，可能产生 Cu 或 Cu2O，两者都是红色固体。一同学对某 次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体产物作了验证，实验操作和实验现 象记录如下： 加入试剂 稀硫酸 浓硫酸、加热 稀硝酸 浓硝酸 实验 现象 有红色固体剩 余和溶液变为 蓝色 产生无色气体 产生无色气 体和溶液变 为蓝色 产生红棕色 气体和溶液 变为蓝色 由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物 ( ) A．是 Cu B．是 Cu2O C．一定有 Cu，一定有 Cu2O D．一定有 Cu2O，可能有 Cu D [浓 H2SO4(加热)、硝酸均能氧化 Cu 或 Cu2O；而稀 H2SO4 与 Cu 不反应， 与 Cu2O 反应。] 4．铜是生活中常见的金属，请回答下列问题： 【导学号：97500058】 (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)向 Cu2O、CuO 中加入足量稀硫酸得到的溶液呈蓝色，且有红色物质生成， 请写出生成红色物质的离子方程式： ________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 将溶液中红色物质反应掉，最终得到胆矾。则加入的试剂最好是________(填 字母序号)。 A．适量的 NaNO3 B．适量的 HNO3 C．适量的 H2O2 【解析】 (1)金属铜投入稀硫酸中不发生反应，但再加入 H2O2 溶液后铜开 始溶解，溶液逐渐变为蓝色，说明过氧化氢在酸性溶液中具有氧化性，能溶 解铜，离子方程式为 Cu＋H2O2＋2H＋===Cu2＋＋2H2O。 (2)将硫酸铜溶液和碳酸钠溶液混合，会析出 Cu2(OH)2CO3，反应的化学方程 式为 2Cu2＋＋CO2－ 3 ＋2H2O===Cu2(OH)2CO3↓＋2H＋。 (3)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。 【答案】 (1)Cu＋H2O2＋2H＋===Cu2＋＋2H2O (2)2Cu2＋＋CO2－ 3 ＋2H2O===Cu2(OH)2CO3↓＋2H＋ (3)Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O C 命题点 2 以铜的重要化合物制备为载体的试题 5．某工业含铜废料含有 Cu、CuO、CuS、CuSO4 等成分，利用该含铜废料可生 产硝酸铜晶体[Cu(NO3)2·3H2O]，生产的工艺流程如图所示： 回答下列问题： 【导学号：97500059】 (1)“焙烧”过程中除生成 SO2 的反应外，另外一个反应的化学方程式是 _________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 (2)“酸化”过程为加快反应速率，可采用的措施有__________________(写出 一条即可)，“酸化”的目的是____________________________________ ________________________________________________________________。 (3)若试剂 a 为 Zn，则“置换”的离子方程式为________________________ ________________________________________________________________， 滤液中溶质的化学式是________。 (4)“淘洗”的作用是_____________________________________________， 若图中淘洗液的主要溶质与滤液的溶质相同，则试剂 b 是________。 (5)“反应”一步中使用 20% HNO3 和 10% H2O2，整个过程无红棕色气体产 生，则发生反应的化学方程式为____________________________________ ________________________________________________________________； 若该步骤只使用 20% HNO3，随着反应的进行，温度升高，出现大量红棕色 气体，则还原剂与氧化剂的物质的量之比为________。 (6)“一系列操作”是指化学实验操作，这些操作的名称是_______________。 【解析】 (1)加热条件下，Cu 被 O2 氧化为 CuO。(2)将焙烧物粉碎可增大固 体物质与硫酸的接触面积；升高反应温度、增大反应物浓度均能加快化学反 应速率。“酸化”的目的是使 CuO 溶解转化为 Cu2＋。(3)Zn 的还原性比 Cu 强，故 Zn 与 Cu2＋反应生成 Cu 和 Zn2＋；过滤后滤渣为 Cu(含有 Zn)，滤液为 硫酸锌溶液。(4)“淘洗”的目的是除去前面加入的过量锌，因此试剂 b 为稀 硫酸。(5)“反应”过程中无红棕色气体产生，由此推知反应不生成 NO 或 NO2，则反应的化学方程式为 Cu＋H2O2＋2HNO3===Cu(NO3)2＋2H2O。根据 生成大量红棕色气体可知生成的是 NO2，因还原剂为 Cu，化合价由 0 升高至 ＋2，氧化剂为 HNO3，其中 N 的化合价由＋5 降低为＋4，由氧化还原反应 中得失电子守恒可知该反应中还原剂与氧化剂的物质的量之比为 1∶2。 (6)“反应”后的溶液为 Cu(NO3)2，经过蒸发、结晶、过滤可得到目标产物。 【答案】 (1)2Cu＋O2===== △ 2CuO (2)将焙烧物粉碎、升高酸化温度、适当提高硫酸浓度(任写一条) 将 CuO 转 化为 Cu2＋ (3)Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu ZnSO4 (4)除去过量的 Zn 稀硫酸 (5)Cu＋H2O2＋2HNO3===Cu(NO3)2＋2H2O 1∶2 (6)蒸发、结晶、过滤(或蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤) [思维建模] 废铜利用的思维模式