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版高考一轮复习江苏专用专题2第2讲从铝土矿到铝合金
第2讲 从铝土矿到铝合金
【2019·备考】
最新考纲:
1.理解并能应用常见金属的活动性顺序。
2.了解Al及其重要化合物的主要性质和重要应用。
3.了解金属材料在生产和生活中的重要应用。
4.认识化学在金属矿物等自然资源综合利用和实现物质间转化等方面的实际应用。
最新考情:
铝及其化合物涉及Al、Al2O3、Al(OH)3、Al3+、AlO的性质及相互之间的转化,一是在选择题中考查铝及其化合物的性质和转化关系,二是填空题中以工艺流程的形式考查铝及其化合物的冶炼,如2017高考16题。
考点一 铝的性质及用途
[知识梳理]
1.铝的原子结构与物理性质
2.金属铝的化学性质
写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式:
①
②2Al+3Cl22AlCl3
③
④2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
⑤2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe(铝热反应)
提醒:
①常温下,能用铝制容器盛放浓硫酸、浓硝酸的原因是二者能使铝发生“钝化”,而不是铝与浓硫酸、浓硝酸不反应。
②铝与稀硝酸反应时生成的气体是NO而不是H2。
③能与铝反应产生氢气的溶液可能呈强酸性也可能呈强碱性。
3.铝的制备及用途
(1)制备:
电解熔融Al2O3:
。
(2)用途:
①纯铝用作导线。
②铝合金制备汽车、飞机、生活用品等。
[题组诊断]
铝的性质及用途
1.下列关于铝单质的叙述中正确的是( )
A.由于铝在空气中不会锈蚀,所以铝制品的使用寿命都很长
B.由于铝具有强还原性,所以常用铝来冶炼某些高熔点金属
C.常温下,铝被浓硫酸钝化,所以可用浓硫酸除去铝表面的铜镀层
D.由于铝的导电性能比铜强,所以常用铝制造电线、电缆
解析 铜在加热的条件下才能与浓硫酸反应,加热时浓硫酸能与氧化铝反应;铜的导电性能比铝强。
答案 B
2.科技工作者提出用铝粉处理含亚硝酸盐废水的思路:
调节亚硝酸盐废水的酸碱性,使其pH>12,然后加入适量的铝粉、搅拌,从而达到预期目的。
下列判断错误的是( )
A.处理废水时铝单质转化为Al3+
B.处理废水时亚硝酸盐被还原
C.处理过程中,OH-参与了反应
D.铝粉颗粒大小影响废水处理的速率
解析 pH>12,溶液显碱性,则处理废水时,铝单质转化为AlO,A错误;铝是金属,具有还原性,因此处理废水时,亚硝酸盐被还原,B正确;处理废水时铝单质转化为AlO,这说明OH-参与了反应,C正确;固体反应物的表面积越大,反应速率越快,因此铝粉颗粒的大小影响废水处理的速率,D正确。
答案 A
3.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。
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)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___________________________
_______________________________________________________________。
(3)实验室溶解该熔融物,下列试剂中最好的是________(填序号)。
A.浓硫酸B.稀硫酸
C.稀硝酸D.氢氧化钠溶液
解析
(1)这种解释是合理的,它体现了铝热反应的特点之一——放热较多,并且结合了表格中提供的熔点数据。
(2)若证明所得块状熔融物中含有金属铝,只要加入NaOH溶液即可,因为金属铝与NaOH溶液反应放出氢气,而铁不与NaOH溶液反应;相应的离子方程式为2Al+2OH-+2H2O===2AlO+3H2↑。
(3)铁铝熔融物在一定条件下能与浓硫酸或稀硝酸反应,但会产生有毒气体,而且消耗酸的量多;熔融物中铁不能与氢氧化钠溶液反应。
铁和铝均与稀硫酸反应且产物无污染,故答案为B。
答案
(1)合理
(2)NaOH溶液 2Al+2OH-+2H2O===2AlO+3H2↑ (3)B
【归纳总结】
铝粉和氧化铁粉末的混合物称为铝热剂,铝热反应可用于焊接钢轨。
实验装置图见右图。
铝热反应先点燃镁条,KClO3是助燃剂。
2Al+Fe2O32Fe+Al2O3(现象:
剧烈反应,放出大量热,纸漏斗被烧穿,有熔融物落入沙子)
铝热反应还可用于冶炼Ni、Mn、V等难熔金属。
如:
10Al+3V2O55Al2O3+6V等。
铝与酸、碱反应的定量分析
4.铝是中学化学学习阶段的唯一一种既能与酸(非氧化性酸)反应又能与强碱溶液反应放出H2的金属,就铝的这一特殊性质回答下列问题:
(1)等质量的两份铝分别与足量的盐酸、氢氧化钠溶液反应,所得H2的体积之比是________。
(2)足量的两份铝分别投入到等体积、等物质的量浓度的盐酸、氢氧化钠溶液中,产生H2的体积之比是________。
(3)足量的两份铝分别投入到等体积、一定物质的量浓度的HCl、NaOH溶液中,二者产生的H2相等,则HCl和NaOH的物质的量浓度之比是________。
(4)甲、乙两烧杯中各盛有100mL3mol·L-1的盐酸和NaOH溶液,向两烧杯中分别加入等质量的铝粉,反应结束后,测得生成的气体体积比为V(甲)∶V(乙)=1∶2,则加入铝粉的质量为( )
A.5.4gB.3.6g
C.2.7gD.1.8g
解析
(1)根据化学方程式:
2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑、2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑得Al与H2的关系式均为2Al~3H2,故只要参加反应的Al的量相等,所得H2的量必相等。
(2)因为在反应中Al过量,产生的H2由HCl和NaOH的量决定。
根据化学反应中的关系式:
6HCl~3H2、2NaOH~3H2,故当HCl、NaOH物质的量相等时,二者产生H2的体积比为1∶3。
(3)因为铝足量且产生H2相等,根据关系式n(HCl)∶n(NaOH)=3∶1,又因为两溶液体积相等,故物质的量浓度c(HCl)∶c(NaOH)=n(HCl)∶n(NaOH)=3∶1。
(4)其反应原理分别为2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑,2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑。
可见当参加反应的HCl和NaOH的物质的量一样多时,产生H2的体积比是1∶3,而题设条件体积比为1∶2,说明此题投入的铝粉对盐酸来说是过量的,而对于NaOH来说是不足的。
2Al+6HCl === 2AlCl3+3H2↑
6mol3mol
3mol·L-1×0.1L0.15mol
则Al与NaOH反应生成的H2为0.15mol×2=0.3mol。
2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
2×27g3mol
5.4g0.3mol
即投入的铝粉为5.4g。
答案
(1)1∶1
(2)1∶3 (3)3∶1 (4)A
【反思归纳】
铝与酸、碱反应生成H2的量的关系
1.铝与酸、碱反应的化学方程式分别为2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑、2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑。
从化学方程式可以看出Al与酸、碱反应时生成H2的实质都是AlAl3+,2H+H2,所以无论与酸还是与碱反应,Al与H2的关系都是2Al~3H2。
2.等量的铝分别与足量盐酸和氢氧化钠溶液反应,产生氢气体积比=1∶1。
3.足量的铝分别与等物质的量的HCl和氢氧化钠反应,产生氢气的体积比=1∶3。
4.一定量的铝分别与一定量的盐酸和氢氧化钠溶液反应,产生氢气的体积比<<,则必定是a.铝与盐酸反应时,铝过量而盐酸不足;b.铝与氢氧化钠溶液反应时,铝不足而氢氧化钠过量。
考点二 铝的重要化合物
[知识梳理]
1.铝的氧化物
2.氢氧化铝
(1)白色胶状不溶于水的固体。
(2)化学性质:
反应的化学方程式分别为:
①Al(OH)3+3H+===Al3++3H2O;
②Al(OH)3+OH-===AlO+2H2O;
③2Al(OH)3Al2O3+3H2O。
(3)制备
①向铝盐中加入氨水,离子方程式为Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH。
②NaAlO2溶液中通入足量CO2,离子方程式为AlO+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+HCO。
③NaAlO2溶液与AlCl3溶液混合:
离子方程式为3AlO+Al3++6H2O===4Al(OH)3↓。
名师助学:
①Al(OH)3具有两性,能溶于强酸(如盐酸)、强碱(如NaOH溶液),但不溶于弱酸(如H2CO3)、弱碱溶液(如氨水)。
②Al2O3、MgO的熔点很高,可用作耐火材料,但氧化铝坩埚不能用于熔融NaOH固体。
③既能与盐酸反应又能与NaOH溶液反应的物质有Al、Al2O3、Al(OH)3,多元弱酸的酸式盐(如NaHCO3、KHS、KHSO3、NaH2PO4等)及弱碱弱酸盐(如CH3COONH4等)。
3.常见的铝盐
(1)复盐:
两种不同的金属阳离子(或金属离子和铵根)和一种酸根阴离子组成的盐。
(2)明矾净水
①明矾的化学式:
KAl(SO4)2·12H2O,
②净水原理涉及的离子方程式:
Al3++3H2O
Al(OH)3(胶体)+3H+。
[题组诊断]
铝的重要化合物的性质用途
1.下列有关铝的重要化合物的说法不正确的是( )
A.Al(OH)3在用于治疗胃酸过多类疾病时表现出弱碱性
B.明矾溶于水后可得到少量的有强吸附性的Al(OH)3胶体,故明矾可作净水剂
C.Al(OH)3可用于中和馒头制作过程(如发酵阶段)中产生的酸
D.Al2O3可用于制作耐火材料而Al(OH)3不能
解析 治疗胃酸过多时要消耗胃中的酸,因此Al(OH)3表现出弱碱性,A项正确;Al(OH)3胶体有强吸附性,能吸附水中悬浮的杂质并最终转化为沉淀而使水变澄清,B项正确;馒头制作过程中加小苏打是用于发泡和中和酸的,不用Al(OH)3,C项错误;耐火材料本身应对热稳定且熔点很高,而Al(OH)3受热易分解,D项正确。
答案 C
2.下列除去杂质的方法不正确的是( )
A.镁粉中混有少量铝粉:
加入过量烧碱溶液充分反应,过滤、洗涤、干燥
B.用过量氨水除去Fe3+溶液中的少量Al3+
C.Al(OH)3中混有少量Mg(OH)2:
加入足量烧碱溶液,充分反应,过滤,向滤液中通入过量CO2后过滤
D.MgO中混有少量Al2O3:
加入足量烧碱溶液,充分反应,过滤、洗涤、干燥得到MgO
解析 Al(OH)3不溶于氨水,故向含少量Al3+的Fe3+溶液中加入过量氨水时,
Fe3+、Al3+均转化为氢氧化物沉淀,达不到除杂的目的。
答案 B
3.工业上用铝土矿(主要成分为Al2O3,杂质为Fe2O3和SiO2)为原料冶炼铝的工艺流程之一,如下图。
下列叙述不正确的是( )
A.沉淀甲为SiO2
B.生成沉淀乙的反应为Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
C.溶液乙中含有AlO
D.反应③为2AlO+CO2+3H2O===2Al(OH)3↓+CO
解析 由分离流程可知,SiO2和盐酸不反应,先加过量盐酸,沉淀甲为SiO2,溶液甲为氯化铝和氯化铁的混合液,再加过量的NaOH溶液,生成沉淀乙为Fe(OH)3,溶液乙中含NaAlO2,向偏铝酸钠溶液中通入过量的二氧化碳可以生成Al(OH)3沉淀,则沉淀丙为Al(OH)3,Al(OH)3加热分解可以得到氧化铝,电解氧化铝生成Al。
反应③通入的是过量的二氧化碳,则生成的产物是氢氧化铝和碳酸氢钠,正确的离子方程式为AlO+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+HCO。
答案 D
【方法总结】
从铝土矿中提取Al2O3的方法
(1)碱溶法
(2)酸溶法
“铝三角”及其拓展应用
4.下列各组物质,不能按
(“―→”表示反应一步完成)关系转化的是( )
选项
a
b
c
A
Al2O3
NaAlO2
Al(OH)3
B
AlCl3
Al(OH)3
NaAlO2
C
Al
Al(OH)3
Al2O3
D
MgCl2
Mg(OH)2
MgO
解析 Al2O3与过量NaOH反应生成NaAlO2,NaAlO2与AlCl3反应生成Al(OH)3,Al(OH)3受热分解得Al2O3,A符合;AlCl3与少量NaOH反应生成Al(OH)3,Al(OH)3与NaOH反应生成NaAlO2,NaAlO2和过量盐酸反应生成AlCl3,B符合;Al不能一步生成Al(OH)3,C不符合;MgCl2与NaOH反应生成Mg(OH)2,Mg(OH)2受热分解得MgO,MgO和盐酸反应生成MgCl2,D符合。
答案 C
5.常温下,下列各组离子在指定溶液中能大量共存的是( )
A.中性溶液中:
Cl-、Mg2+、Al3+、K+
B.1.0mol·L-1的NaAlO2溶液中:
Cl-、HCO、K+、Ca2+
C.在强碱性环境中:
AlO、SiO、Na+、K+
D.0.1mol·L-1明矾溶液中:
NH、AlO、HCO、Na+
解析 A项,Al3+易水解,在中性溶液中水解生成Al(OH)3沉淀;B项,HCO+AlO+H2O===Al(OH)3↓+CO;D项,Al3+与AlO、HCO因发生双水解反应不能大量共存。
答案 C
6.下列反应中的离子方程式书写正确的是( )
A.向氯化铝溶液中滴加过量氨水:
4NH3·H2O+Al3+===AlO+4NH+2H2O
B.NH4Al(SO4)2溶液中滴加少量NaOH溶液:
NH+OH-===NH3·H2O
C.向明矾溶液中加入过量的Ba(OH)2溶液:
Al3++2SO+2Ba2++4OH-===2BaSO4↓+AlO+2H2O
D.向NaAlO2溶液中通入足量CO2:
2AlO+CO2+3H2O===2Al(OH)3↓+CO
解析 A项,氨水不能溶解Al(OH)3;B项,NH、Al3+同时存在时,Al3+与
OH-先反应;D项,通足量CO2时,应生成HCO。
答案 C
【练后归纳】
含铝化合物间的转化关系及应用
1.Al3+、AlO、Al(OH)3的转化关系
2.可溶性铝盐与强碱(如NaOH)溶液反应,铝元素的存在形式
3.应用
(1)判断离子共存问题:
Al3+与OH-及AlO、CO、S2-等弱酸根阴离子或AlO与H+、HCO以及弱碱阳离子Al3+、Fe3+等因生成沉淀或发生相互促进的水解反应而不能大量共存。
(2)鉴别(利用滴加试剂顺序不同,现象不同):
①向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液,先产生白色沉淀,后沉淀溶解。
②向NaOH溶液中滴加AlCl3溶液,开始无明显现象,后产生白色沉淀,沉淀不溶解。
7 有关铝的化合物的图像分析
1.解答图像题思维模板
[说明] 前两“看”较直观,难度较小。
第三“看”难度大些,只有在正确书写出变化过程中的反应方程式并理清化学方程式中化学计量数与题目相关量的数量关系时才能顺利破题。
2.铝盐与碱、偏铝酸盐与酸反应的六大图像
操作
向可溶性铝盐溶液中逐滴加入NaOH溶液至过量
向NaOH溶液中逐滴加入可溶性铝盐溶液至过量
图像
图1
图2
操作
向偏铝酸盐溶液中逐滴加入稀盐酸至过量
向稀盐酸中逐滴加入偏铝酸盐溶液至过量
图像
图3
图4
操作
向AlCl3溶液中滴加氨水或NaAlO2溶液至过量
向NaAlO2溶液中通入CO2或加入AlCl3溶液至过量
图像
图5
图6
3.混合溶液图像
操作
向混合离子(H+、Mg2+、Al3+)中滴加NaOH溶液至过量
向MgCl2、AlCl3混合溶液中先加入NaOH溶液,后加入盐酸(NaOH溶液与盐酸的物质的量浓度相等)
图像
图7
图8
铝盐与碱、偏铝酸盐与酸反应图像
1.如图表示AlCl3溶液与NaOH溶液相互滴加过程中微粒的量的关系曲线。
下列判断错误的是( )
A.①线表示Al3+的物质的量的变化
B.x表示AlCl3的物质的量
C.③线表示Al(OH)3的物质的量的变化
D.④线表示AlO的物质的量的变化
解析 AlCl3溶液与NaOH溶液混合有两种方式:
向AlCl3溶液中缓慢滴加NaOH溶液,开始有沉淀生成后沉淀溶解,且生成沉淀与沉淀溶解消耗的NaOH的物质的量之比为3∶1,显然符合题意,则x表示NaOH的物质的量,B项错误;另一种方式是向NaOH溶液中缓慢滴加AlCl3溶液,开始没有沉淀,后有沉淀生成,与本题图示情况不符。
答案 B
2.室温下,在0.2mol·L-1Al2(SO4)3溶液中,逐滴加入1.0mol·L-1NaOH溶液,实验测得溶液pH随NaOH溶液体积变化曲线如图,下列有关说法正确的是( )
A.a点时,溶液呈酸性的原因是Al3+水解,离子方程式为:
Al3++3OH-
Al(OH)3
B.a~b段,溶液pH增大,Al3+浓度不变
C.b~c段,加入的OH-主要用于生成Al(OH)3沉淀
D.d点时,Al(OH)3沉淀开始溶解
解析 A项,a点时,即为Al2(SO4)3溶液,由于Al3+水解:
Al3++3H2O
Al(OH)3+3H+,溶液呈酸性,错误;B项,a~b段,主要是滴入的NaOH溶液中和了水解生成的H+,c(H+)减小,溶液pH增大,另外,一方面,c(H+)减小一定程度上促进了Al3+的水解,另一方面溶液体积增大,故c(Al3+)减小,错误;C项,b~c段,pH变化缓慢,主要发生反应:
Al3++3OH-===Al(OH)3↓,正确;D项,c点后pH变化较快的一段,为Al3+沉淀完全,Al(OH)3未溶解而c(OH-)增大的过程,d点前pH变化较缓慢的一段反应为:
Al(OH)3+OH-===AlO+2H2O,故d点时,Al(OH)3已完全溶解,错误。
答案 C
铝盐、镁盐等混合液与碱的反应
3.某溶液中可能含有H+、NH、Mg2+、Al3+、Fe3+、CO、SO、NO中的几种。
①若加入锌粒,产生无色无味的气体;②若加入NaOH溶液,产生白色沉淀,且产生的沉淀量与加入NaOH的物质的量之间的关系如图所示。
则下列说法正确的是( )
A.溶液中的阳离子只有H+、Mg2+、Al3+
B.溶液中n(NH)=0.2mol
C.溶液中一定不含CO,可能含有SO和NO
D.n(H+)∶n(Al3+)∶n(Mg2+)=1∶1∶1
解析 由①知溶液中一定含有H+,一定没有CO、NO,由②及图像知溶液中一定含有Mg2+、Al3+和NH,且n(NH)=0.7mol-0.5mol=0.2mol,n(H+)=0.1mol,n(Al3+)=0.8mol-0.7mol=0.1mol,沉淀Al3+、Mg2+共消耗0.4mol
OH-,其中沉淀Al3+消耗0.3molOH-,沉淀Mg2+消耗0.1molOH-,根据
Mg2+~2OH-,可得n(Mg2+)=0.05mol,故只有选项B正确。
答案 B
4.如图
是向MgCl2、AlCl3混合液中依次加入M和N时生成沉淀的物质的量与加入的M和N的体积关系图(M、N分别表示盐酸或氢氧化钠溶液中的一种),以下结论不正确的是( )
A.混合溶液中c(AlCl3)∶c(MgCl2)=1∶1
B.混合溶液中c(AlCl3)∶c(MgCl2)=3∶1
C.点V之前加NaOH溶液,点V之后加盐酸
D.所加盐酸与NaOH溶液中溶质的物质的量浓度相同
解析 ①O~A
②A~B
③B~COH-+H+===H2O
④C~D
⑤D~E
答案 B
明矾与Ba(OH)2溶液反应图像分析
5.将1mol明矾完全溶解于水中,向此溶液中滴加Ba(OH)2溶液,试求溶液中沉淀物的物质的量最大值________。
图像提示:
整个过程的反应方程式:
O→A:
______________________________________________________________
A→B:
_____________________________________________________________
O→B:
____________________________________________________________
答案 2.5mol 2KAl(SO4)2+3Ba(OH)2===2Al(OH)3↓+3BaSO4↓+K2SO4 2Al(OH)3+K2SO4+Ba(OH)2===BaSO4↓+2KAlO2+4H2O KAl(SO4)2+2Ba(OH)2===2BaSO4↓+KAlO2+2H2O
6.向含1.0mol明矾[KAl(SO4)2·12H2O]的溶液中滴入Ba(OH)2溶液,试求溶液中沉淀的质量的最大值________。
图像提示:
答案 466g
【知识网络回顾】
1.下列物质的制备方法正确的是( )
A.氯化铝溶液和硫化钠溶液反应制备Al2S3
B.用镁粉和空气反应制备Mg3N2
C.用铝粉和MnO2制得锰
D.用电解熔融氯化铝的方法制得单质铝
解析 硫化钠和氯化铝溶液反应,硫离子和铝离子发生双水解反应生成氢氧化铝沉淀和硫化氢,A错误;镁粉在空气中和氧气也反应,主要生成氧化镁,B错误;铝热法可冶炼锰,C正确;氯化铝属于共价化合物,熔融状态下不导电,工业上常用电解熔融的氧化铝来冶炼铝,D错误。
答案 C
2.下列物质中既能跟稀硫酸反应,又能跟氢氧化钠溶液反应的是( )
①NaHCO3 ②(NH4)2SO3 ③Al2O3 ④Al(OH)3 ⑤Al
A.全部B.只有①③④⑤
C.只有③④⑤D.只有②③④⑤
解析 弱酸的酸式盐、弱酸弱碱盐、Al、Al2O3、Al(OH)3等物质既可与强酸反应又可与强碱反应,故选A。
答案 A
3.向铝粉中添加少量NH4Cl固体并充分混合,其中铝粉在1000℃时可与N2反应制备AlN,下列说法正确的是( )
A.AlN是一种金属材料
B.AlN与足量氢氧化钠溶液共热时生成氢氧化铝和氨气
C.少量NH4Cl能够破坏Al表面的Al2O3薄面
D.AlN与足量盐酸反应的离子方程式为AlN+3H+===Al3++NH3↑
解析 A.AlN属于原子晶体,属于无机非金属材料,故A错误;B.Al(OH)3有两性,能溶于NaOH,则AlN与足量氢氧化钠溶液共热时生成偏铝酸钠和氨气,故B错误;C.在铝粉中添加少量NH4Cl固体并充分混合,有利于AlN的制备,其主要原因是NH4Cl分解产生的HCl能够破坏Al表面的Al2O3薄膜,故C正确;D.AlN与足量盐酸反应的离子方程式为AlN+4H+===Al3++NH,故D错误。
答案 C
4.粉煤灰是燃煤电厂的废渣,主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和C等。
实验室模拟工业
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