高考理综高三一轮高考化学复习 第3章 第4讲 用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物.docx

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高考理综高三一轮高考化学复习第3章第4讲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：

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。

深度思考

波尔多液是一种农业上应用广泛的杀菌剂，它是由硫酸铜、生石灰和水按一定比例配成的天蓝色胶状悬浊液，思考下列问题

（1）波尔多液能否用铁桶盛放？

为什么？

（2）波尔多液能杀菌的可能原因是什么？

答案　

（1）不能。

原因是铁能置换波尔多液中的Cu2＋，降低杀菌能力。

（2）CuSO4是重金属盐，能使蛋白质变性。

题组一　铜及其化合物的性质

1．下表中，对陈述Ⅰ、Ⅱ的正确性及其有无因果关系的判断都正确的是（　　）

选项

陈述Ⅰ

陈述Ⅱ

判断

A

铜绿的主要成分是碱式碳酸铜

可用稀盐酸除铜器表面的铜绿

Ⅰ对；Ⅱ对；无

B

铜表面易形成致密的氧化膜

铜容器可以盛放浓硫酸

Ⅰ对；Ⅱ对；有

C

向硫酸铜溶液通入氨气，有深蓝色沉淀产生，过滤后灼烧滤渣，最后变成黑色固体

把铜丝放在酒精灯火焰上灼烧，铜丝表面变黑

Ⅰ对；Ⅱ对；有

D

蓝色硫酸铜晶体受热转化为白色硫酸铜粉末是物理变化

硫酸铜溶液可用作游泳池的消毒剂

Ⅰ错；Ⅱ对；无

答案　D

解析　稀盐酸可以与Cu2（OH）2CO3反应，而且稀盐酸不能与Cu反应，所以可用稀盐酸除铜器表面的铜绿Cu2（OH）2CO3，Ⅰ、Ⅱ有因果关系，A错误；铜表面不能形成致密的氧化膜，铜与浓硫酸在一定温度下能发生反应，所以不能用铜制容器盛装浓硫酸，B错误；硫酸铜与氨水生成Cu（OH）2，Cu（OH）2受热分解生成黑色CuO，Ⅰ、Ⅱ均正确，但没有因果关系，C错误；蓝色硫酸铜晶体受热转化为白色硫酸铜粉末有新物质生成，属于化学变化，CuSO4可用作消毒剂，但与前者没有因果关系，D正确。

2．出土的锡青铜（铜锡合金）文物常有Cu2（OH）3Cl覆盖在其表面。

下列说法正确的是

（　　）

A．锡青铜的熔点比纯铜高

B．在自然环境中，锡青铜中的锡可对铜起保护作用

C．锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中慢

D．生成Cu2（OH）3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程，但不是化学反应过程

答案　B

解析　锡青铜是合金，合金的熔点比任何一种纯金属的熔点低，一般合金的硬度比任何一种纯金属的硬度大，可判断A错；由于锡比铜活泼，故在发生电化学腐蚀时，锡失电子保护铜，B正确；潮湿的环境将会加快金属的腐蚀，C不正确；电化学腐蚀过程实质是金属失去电子生成金属阳离子，有电子的转移，属于化学反应过程，D错。

3．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　

（1）Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu。

（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　铜及其化合物的制取

4．铜在自然界存在于多种矿石中，如：

矿石名称

黄铜矿

斑铜矿

辉铜矿

孔雀石

主要成分

CuFeS2

Cu5FeS4

Cu2S

CuCO3·Cu（OH）2

请回答下列问题：

（1）上表所列铜化合物中，铜的质量百分含量最高的是_______________________。

（2）工业上以黄铜矿为原料，采用火法熔炼工艺生产铜。

该工艺的中间过程会发生反应：

2Cu2O＋Cu2S

6Cu＋SO2↑，反应的氧化剂是__________。

（3）SO2尾气直接排放到大气中造成环境污染的后果是__________________；处理该尾气可得到有价值的化学品，写出其中1种酸和1种盐的名称____________。

（4）黄铜矿熔炼后得到的粗铜含少量Fe、Ag、Au等金属杂质，需进一步采用电解法精制。

请简述粗铜电解得到精铜的原理：

__________________________________。

答案　

（1）Cu2S　

（2）Cu2O和Cu2S

（3）形成酸雨　硫酸、硫酸铵

（4）电解池中，粗铜作阳极，纯铜作阴极，电解质为硫酸铜溶液。

阳极上发生氧化反应，Cu失去电子，使Cu单质变为Cu2＋进入溶液中，Cu－2e－===Cu2＋；阴极上发生还原反应，Cu2＋得到电子在阴极上析出Cu单质，Cu2＋＋2e－===Cu，从而达到精制Cu的目的

解析　

（2）Cu2O、Cu2S的Cu由＋1价被还原为0价，作氧化剂；Cu2S的S由－2价被氧化为＋4价，作还原剂。

（3）处理SO2尾气一般为循环制备硫酸，或用氨水吸收，最后可得到（NH4）2SO4等化学品。

5．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________。

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_______________________________________________________________。

（3）有同学指出，由CuSO4溶液到生成CuO少了一个环节，即应先生成Cu（OH）2沉淀，过滤洗涤后再加热分解Cu（OH）2得CuO。

以下说法不可能成为减少该环节的理由的是________。

A．CuO比Cu（OH）2颗粒粗大，更易于过滤从溶液中分离

B．Cu（OH）2分解温度较低，加热其浊液即可使其分解

C．干态下分解Cu（OH）2，温度难以控制，可能因温度过高导致CuO进一步分解生成Cu2O

D．过滤分离出的CuO不需洗涤就已非常纯净

答案　

（1）ab

（2）耗酸少；无污染性气体SO2产生　（3）D

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。

（3）显然过滤得到的不溶物不经洗涤是不会纯净的，故D项一定不会成为本问题理由的。

铜的冶炼

1．粗炼

（1）火法炼铜（以CuFeS2为例）：

2CuFeS2＋O2

Cu2S＋2FeS＋SO2↑　2Cu2S＋3O2

2Cu2O＋2SO2↑　2Cu2O＋Cu2S

6Cu＋SO2↑

（2）湿法炼铜：

Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4

2．电解精炼

电解时，以CuSO4作电解液，粗铜为阳极，纯铜为阴极。

考点二　合金的概念及其重要应用

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

题组一　合金的性能特点及应用

1．铝镁合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料，主要用于制作窗框、卷帘门、防护栏等。

下列与这些用途无关的性质是（　　）

A．不易生锈B．导电性好

C．密度小D．强度高

答案　B

解析　合金材料在日常生活中使用很广泛，铝镁合金在家居装潢中经常会用到。

铝镁合金强度高，制成的门窗、防护栏等坚硬牢固；密度小，同体积时比较轻，方便运输、搬运；不容易生锈，制成的装潢材料经久耐用；只有导电性好与这方面的用途无关。

2．钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、耐腐蚀等，尤其是钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”。

根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是

（　　）

A．用来做保险丝

B．用于制造航天飞机

C．用来制造人造骨

D．用于家庭装修，做钛合金装饰门

答案　A

解析　由于钛和钛的合金密度小、可塑性好，因此可用于航天领域，B正确；由于钛和钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”，可与人体的组织相容，不引起排异反应，因此可以用来制造人造骨，C正确；由于其密度小、可塑性好、易于加工，因此可用于家庭装修，做钛合金装饰门，D正确；只有A错误，由于其熔点高，不适合做保险丝。

题组二　有关合金成分的分析

3．北京2008奥运会金牌直径为70mm，厚6mm。

某化学兴趣小组对金牌成分提出猜想：

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

答案　B

解析　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。

4．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，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。

5．某铝合金（硬铝）中含有镁、铜、硅，为了测定该合金中铝的含量，有人设计了如下实验：

（1）取样品ag，称取时使用的仪器名称为____________。

（2）将样品溶于足量稀盐酸中，过滤，滤液中主要含有________；滤渣中含有____________；在溶解过滤时使用的主要仪器有___________________________。

（3）往滤液中加入过量NaOH溶液，过滤，写出该步操作中有关的化学方程式

_______________________________________________________________________。

（4）在第（3）步的滤液中通入足量CO2，过滤，将沉淀用蒸馏水洗涤数次后，烘干并灼烧至重量不再减少为止，冷却后称量，质量为bg。

有关反应的化学方程式为

_______________________________________________________________________。

（5）计算该样品中铝的质量分数的表达式为________________________________。

（6）若第（3）步中加入NaOH溶液的量不足，会使测定的结果________（填“偏高”、“偏低”或“不影响”，下同）；若第（4）步中的沉淀灼烧不充分，会使测定的结果______________________________________________________________________。

答案　

（1）托盘天平

（2）AlCl3、MgCl2、HCl　Cu、Si　烧杯、玻璃棒、漏斗、铁架台

（3）HCl＋NaOH===NaCl＋H2O，

MgCl2＋2NaOH===Mg（OH）2↓＋2NaCl，

AlCl3＋4NaOH===NaAlO2＋3NaCl＋2H2O

（4）CO2＋NaOH===NaHCO3，

NaAlO2＋2H2O＋CO2===NaHCO3＋Al（OH）3↓，

2Al（OH）3

Al2O3＋3H2O

（5）

×100%

（6）偏低　偏高

解析　由反应方程式可得如下关系：

2Al～Al2O3

w（Al）＝

×100%＝

×100%。

　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：

Al2O3、MgCl2、NaCl的电解反应，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。

2．2005年诺贝尔化学奖获得者施罗克等人发现金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。

工业上冶炼钼的化学原理为

①2MoS2＋7O2

2MoO3＋4SO2；

②MoO3＋2NH3·H2O===（NH4）2MoO4＋H2O；

③（NH4）2MoO4＋2HCl===H2MoO4↓＋2NH4Cl；

④H2MoO4

MoO3＋H2O；

⑤用还原剂将MoO3还原成金属钼。

则下列说法正确的是（　　）

A．MoS2煅烧产生的尾气可直接排入空气中

B．MoO3是金属氧化物，也是碱性氧化物

C．H2MoO4是一种强酸

D．利用H2、CO和铝分别还原等量的MoO3，所消耗还原剂的物质的量之比为3∶3∶2

答案　D

解析　A项，MoS2煅烧产生的SO2是大气污染物，不能直接排入空气，A不正确；B项，MoO3和氨水反应表现出酸性氧化物的性质，B不正确；C项，H2MoO4不溶于水，受热易分解，不是强酸，C不正确；D项，还原1molMoO3需要6mol电子，消耗H2、CO、Al的物质的量分别为

∶

∶

＝3∶3∶2，D正确。

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