第1章第4节金属材料铜及化合物.docx

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第1章第4节金属材料铜及化合物

第四节

金属材料__铜及其化合物

明考纲要求

理主干脉络

1.了解常见金属活动性顺序。

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主要性质及其应用。

合金及常见的金属材料

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：

①多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点低；

②合金的硬度一般比它的各成分金属的硬度大。

2．常见金属材料

（1）黑色金属材料——钢铁。

①钢是用量最大，用途最广的合金。

②

（2）有色金属材料——铜和铝。

①我国使用最早的合金是青铜，常见的铜合金有黄铜和白铜。

②铝合金：

成分元素

主要特性

主要用途

Al、Mg、Cu、Si等

密度小、强度高

用于汽车、飞机、火箭、船舶制造

1.判断下列描述的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）铝合金的熔点比纯铝的高。

（　　）

（2）合金材料中不可能含有非金属元素。

（　　）

（3）四川地震灾区重建使用了大量钢材，钢材是合金。

（　　）

（4）合金中的金属元素以化合物的形式存在。

（　　）

（5）合金中各元素的含量一定，所以合金是纯净物。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）×

2．将下列合金与其用途连线

①青铜　　　　　　　　A．不锈钢

②铬镍合金B．司母戊鼎

③低碳钢C．门窗框架

④铝合金D．钢丝、钢管

答案：

①－B，②－A，③－D，④－C

3．化学兴趣小组对某“金牌”的成分提出了猜想：

一是由纯金制成，二是由黄铜（铜锌合金）制成。

请用化学方法判断哪种猜想是正确的。

提示：

用盐酸（或稀硝酸）溶解，若“金牌”部分溶解（或全部溶解）则是由黄铜制成，若“金牌”不溶解，则是由纯金制成。

4．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。

铝合金的这些用途是利用了它的哪些性质？

提示：

利用了铝合金的密度小、强度高、不易生锈等特性。

定量测定合金成分与含量的两种方法

（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）。

1.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

2．（2013·重庆高考）航母螺旋桨主要由铜－铝合金制造。

80．0gCuAl合金用盐酸完全溶解后，在溶液中加入过量氨水，过滤后得到白色沉淀39.0g，则合金中Cu的质量分数为________。

[答案专区]

1.解析：

不论是浓HNO3还是稀HNO3，用排水法收集到的气体一定全部是NO；Wg固体为AgCl，由于AgCl具有热不稳定性，故操作Ⅲ应是低温干燥而不是烘干，C项错误。

根据反应收集的气体体积，利用电子守恒及质量关系列式可求得Ag的质量分数。

答案：

C

2.解析：

反应过程为：

Al（OH）3↓故39.0g为Al（OH）3的质量。

因此合金中m（Al）＝

×27g·mol－1＝13.5g，合金中铜的质量分数为：

×100%≈83.1%。

答案：

83.1%

金属矿物的开发利用

1．金属在自然界中的存在形式

金、铂等化学性质不活泼的金属，在自然界以游离态存在；化学性质较活泼的金属在自然界中以化合态存在。

2．金属冶炼的一般步骤

（1）富集：

除去杂质，提高矿石中有用成分的含量。

（2）冶炼：

利用氧化还原反应，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质。

（3）精炼：

提纯金属。

3．金属的冶炼方法

（1）热分解法：

加热分解HgO和Ag2O的化学方程式分别为：

2HgO

2Hg＋O2↑；2Ag2O

4Ag＋O2↑。

（2）热还原法：

①焦炭还原法：

用C还原CuO的化学方程式：

C＋2CuO

2Cu＋CO2↑。

②一氧化碳还原法：

工业上炼铁的反应原理：

3CO＋Fe2O3

2Fe＋3CO2。

③H2还原法：

用H2还原WO3的化学方程式：

3H2＋WO3

W＋3H2O。

④活泼金属还原法：

用Al还原Cr2O3的化学方程式：

2Al＋Cr2O3

2Cr＋Al2O3。

（3）电解法：

电解熔融Al2O3、MgCl2冶炼Al、Mg的化学方程式分别为：

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑，MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑。

1.判断下列描述的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）（2012·重庆高考）钢铁厂用热还原法冶炼铁。

（　　）

（2）（2012·广东高考）工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al涉及氧化还原反应。

（　　）

（3）（2011·山东高考）电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液时，阴极上依次析出Cu、Fe、Al。

（　　）

（4）（2010·上海高考）电解氯化镁溶液制取金属镁。

（　　）

（5）用金属钠置换四氯化钛（TiCl4）溶液中的钛来制取单质钛。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）×

2．将下列金属的制备与冶炼方法用短线连接起来。

　金属的制备　　　　　　冶炼方法

①

　　　a．电解法

②电解熔融NaCl得到金属钠b．还原法

③工业上将焦炭和铁矿石

放入炼铁高炉中冶炼铁c．热分解法

④加热分解HgO获得水银

答案：

①－b，②－a，③－b，④－c

3．能否用电解熔融AlCl3、MgO的方法冶炼Al、Mg？

为什么？

提示：

不能；原因是AlCl3是共价化合物，熔融时不电离、不导电；MgO虽是离子化合物，但其熔点太高，熔融时会消耗大量的能量。

4．铝是地壳中含量最高的金属元素，但为什么人类对铝的使用要比铁、铜晚得多？

提示：

铝的活动性比Fe、Cu强，冶炼时需要电解。

而古代未发明和使用电冶金技术，故活泼性越强的金属，人们使用的年代越晚。

一、金属冶炼三方法

金属冶炼的本质是金属离子得到电子，被还原成金属原子的过程。

金属活动性顺序中的不同金属，因金属离子结合电子的能力不同，其冶炼方法也不同。

1．电解法

在金属活动性顺序中Al之前（含铝）的金属，用电解的方法冶炼。

如电解熔融NaCl制Na，电解熔融MgCl2制镁，电解熔融Al2O3制铝。

2．热还原法

在金属活动性顺序中，Al之后，Cu之前（含Cu）的金属一般用还原法冶炼。

常使用的还原剂有焦炭、CO和H2。

用焦炭作还原剂冶炼的金属会混有一定量的炭，如钢铁。

用CO作还原剂时产物的纯度较高，但CO有毒，污染环境。

用H2作还原剂时产物的纯度高、对环境无污染，但H2不易获得，且难以贮存和运输。

3．加热分解法

在金属活动性顺序中，Cu之后的金属（如Hg、Ag）一般可采用加热分解氧化物的方法冶炼。

如加热HgO、Ag2O制得Hg、Ag。

1.下列金属冶炼的反应原理，错误的是（　　）

A．MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

B．Al2O3＋3H2

2Al＋3H2O

C．Fe3O4＋4CO

3Fe＋4CO2

D．2HgO

2Hg＋O2↑

2．冶炼金属一般有以下几种方法：

①热分解法；②焦炭法；③水煤气法（CO或H2）；④活泼金属置换法；⑤电解法。

这几种方法各有优缺点，它们在工业上均有应用。

古代有：

a.火烧孔雀石炼铜；b.湿法炼铜；现代有：

c.铝热法炼铁；d.光卤石法炼镁。

对它们的冶炼方法分析不正确的是（　　）

A．a用②B．b用③

C．c用④D．d用⑤

二、铝热反应及应用

（1）原理：

高温下铝将较不活泼的金属从其氧化物中还原出来。

（2）实验装置：

铝粉还原氧化铁的实验装置：

如图所示。

（3）反应特点：

①高温条件；

②剧烈燃烧，放出大量的热；

③新生成的液态金属单质易与Al2O3（固态）分离。

（4）引燃剂和铝热剂：

①引燃剂：

镁条、氯酸钾。

②铝热剂：

铝粉和金属氧化物（Fe2O3、Cr2O3、V2O5等）组成的混合物。

（5）应用：

铝热反应常用于冶炼难熔金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等。

（6）注意：

不能利用铝热反应冶炼活泼性比Al强的金属。

如Al与MgO高温下不反应。

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

[答案专区]

1.解析：

A项，Mg是活泼金属，一般用电解法制取；B项，由于Al的还原性强于H2，B中反应不能发生；C项，Fe的活动性介于Zn与Cu之间，一般用热还原法制取；D项，Hg的活动性排在Cu后面，一般用热分解法制取。

答案：

B

2.解析：

铁、铜、镁的冶炼方法，要根据它们的金属活动性来选择。

火烧孔雀石炼铜是用焦炭作还原剂进行冶炼，A正确；湿法炼铜是在溶液中进行的，故不能用水煤气法，B不正确；铝热法炼铁属于活泼金属置换法，C正确；镁的活泼性较强，用电解法比较适宜，D正确

答案：

B。

3.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）证明某固体是不是含有铝，只要加入足量的NaOH溶液即可，若含有铝，则固体部分溶解，有气泡产生。

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与浓硫酸或稀硝酸反应，会产生有毒气体，而且消耗的两种酸量又多；熔融物中铁不能与氢氧化钠溶液反应，故最好选用稀硫酸。

答案：

（1）合理　

（2）NaOH溶液

2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑　（3）B

铜及其化合物的性质和应用

1．铜的物理性质

铜是一种有金属光泽的紫红色固体，有良好的导电、导热性（仅次于银，可用于制电缆），良好的延展性。

2．铜的化学性质

铜的化学性质不太活泼，自然界中有少量单质铜存在，在潮湿的环境下，铜能发生锈蚀生成铜绿[Cu2（OH）2CO3]。

在一定条件下铜能与多种物质发生化学反应，写出下列有关反应的化学方程式。

①3Cu＋8HNO3（稀）===3Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O；

②Cu＋4HNO3（浓）===Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O；

③Cu＋2H2SO4（浓）

CuSO4＋SO2↑＋2H2O；

④Cu＋Cl2

CuCl2；

⑤2Cu＋O2

2CuO；

⑥2Cu＋S

Cu2S；

⑦Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag；

⑧Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2。

3．铜的化合物

（1）无水硫酸铜（CuSO4）是白色粉末，吸水后变为蓝色的晶体（CuSO4·5H2O），俗称蓝矾。

铜盐能杀死某些细菌，并能抑制藻类生长，因此游泳馆常用硫酸铜作池水消毒剂。

稀的硫酸铜溶液还可用于杀灭鱼体上的寄生虫，治疗鱼类皮肤病和鳃病。

（2）氢氧化铜[Cu（OH）2]是蓝色不溶于水的固体，受热易分解，生成黑色的氧化铜，化学方程式为Cu（OH）2

CuO＋H2O。

1.判断下列描述的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）Cu2（OH）2CO3是铜锈的主要成分，在干燥的空气中不易生成。

（　　）

（2）过量的铜与浓硝酸反应一定没有一氧化氮生成。

（　　）

（3）利用无水硫酸铜遇水变成蓝色这一性质，来检验水的存在。

（　　）

（4）将铁片置于CuSO4溶液中，铁片上有红色物质析出，说明铁比铜活泼。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）√

2．将下列物质与颜色用短线连接起来。

　　　　　　　　　a．蓝色

③Cu2Sb．黑色

④Cu（OH）2c．白色

⑤Cu2（OH）2CO3d．红色

⑥CuSO4·5H2Oe．绿色

⑦Cu

⑧CuSO4

提示：

①—b，②—d，③—b，④—a，⑤—e，⑥—a，⑦—d，⑧—c

3．铜绿的主要成分是什么？

写出铜在潮湿空气中锈蚀生成铜绿的化学方程式。

提示：

Cu2（OH）2CO3；2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2（OH）2CO3。

4．由铜屑制备硫酸铜时，一般不用铜与浓硫酸反应，而是将热空气通入铜和稀硫酸的混合物中，为什么？

提示：

铜与浓硫酸反应生成硫酸铜、二氧化硫和水，Cu＋2H2SO4（浓）

CuSO4＋SO2↑＋2H2O；将热空气通入到稀硫酸中发生的反应为2Cu＋O2

2CuO，CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O。

两种方法相比较，前一种方法会产生有毒的SO2，且制取相同质量的硫酸铜，消耗的硫酸较多，故制备硫酸铜时，一般用第二种方法。

铜的冶炼“三方法”

（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。

（3）生物炼铜：

“吃岩石的细菌”能耐受铜盐的毒性，并能利用空气中的氧气氧化硫化亚铜矿石，然后把不溶性的硫化铜转化为可溶性的硫酸铜。

生物炼铜的优点：

a.成本低；b.污染小；c.反应条件简单；d.含量（品位）很低的矿石也可以被利用。

1.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

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．孔雀石的主要成分为Cu2（OH）2CO3。

某同学设计的从孔雀石中冶炼铜的方案如下（假设孔雀石中杂质不溶于水和稀硫酸）：

（1）反应①能观察到的现象是_________________________________________________，

有关反应的化学方程式为_____________________________________________________

___________________________________________________________________________。

（2）反应②加入的金属可能是________，有关反应的离子方程式为__________________。

[答案专区]

1.解析：

Cu2S中铜元素的化合价为＋1；Cu2S在加热条件下与O2反应生成Cu，依据氧化还原反应的实质判断硫元素对应的产物是SO2。

反应方程式为：

Cu2S＋O2

2Cu＋SO2。

答案：

＋1　Cu2S＋O2

2Cu＋SO2

2.解析：

孔雀石中加入稀硫酸可看到孔雀石逐渐溶解，溶液由无色变为蓝色，且有气泡产生；反应的化学方程式为

Cu2（OH）2CO3＋2H2SO4===2CuSO4＋CO2↑＋3H2O。

经过滤除去难溶于水和稀硫酸的杂质，则滤液中主要含有CuSO4，加入的金属粉末要能将Cu2＋从溶液中置换出来即可，故金属可能是Fe或Zn等。

答案：

（1）固体逐渐消失，溶液由无色变成蓝色，有气泡产生　Cu2（OH）2CO3＋2H2SO4===2CuSO4＋CO2↑＋3H2O

（2）铁粉　Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu

以“由黄铜矿冶炼铜的工艺流程”为载体串联金属冶炼的常用方法

高考载体（2012·山东高考T28）

工业上由黄铜矿（主要成分CuFeS2）冶炼铜的主要流程如下：

[知识串联设计]

（1）写出用电解法冶炼钠和铝的化学方程式______________________________________，

________________________________________________________________________。

（2）工业上冶炼铁用的还原剂是什么？

写出反应的化学方程式。

_____________________

（3）由泡铜（Cu2O、Cu）冶炼粗铜的化学方程式是__________________________________

__________________________________________________________________________。

（4）已知Cu2O能与稀H2SO4反应生成CuSO4和Cu，泡铜中的Cu2O和Cu均是红色物质，如何通过实验鉴别Cu2O与Cu？

_______________________________________________。

（5）冰铜（mCu2S·nFeS）中铜元素的化合价是多少？

将冰铜中的Cu2S在O2中灼烧能冶炼出铜，试写出该反应的化学方程式。

__________________________。

（6）由粗铜电解精炼铜时，粗铜接电源的正极还是负极？

____________________。

（7）设计由粗铜、浓H2SO4，水等物质制备CuSO4的实验方案。

______________________。

答案：

（1）2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

（2）CO　3CO＋Fe2O3

2Fe＋3CO2

（3）3Cu2O＋2Al

6Cu＋Al2O3

（4）将少量红色物质放入稀H2SO4中，若溶液变成蓝色，说明红色物质为Cu2O，若溶液不变蓝，则红色物质为Cu

（5）＋1价　Cu2S＋O2

2Cu＋SO2

（6）电解精炼铜时，粗铜作阳极（接电源正极），纯铜作阴极，CuSO4溶液作电解质溶液

（7）由粗铜制备CuSO4的实验流程为

Cu

CuO

CuSO4