镁铝铜及其化合物 金属冶炼.docx
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镁铝铜及其化合物金属冶炼
镁、铝、铜及其化合物 金属冶炼
一、镁、铝单质的性质
1.镁、铝的结构和存在
镁、铝分别位于元素周期表的第三周期ⅡA族和ⅢA族,原子结构示意图为
和
,它们都是活泼的金属,在自然界中全部以化合态的形式存在。
铝是地壳中含量最多的金属元素。
2.金属铝的物理性质
银白色有金属光泽的固体,有良好的延展性、导电性和导热性等,密度较小,质地柔软。
铝的熔点比镁高,硬度比镁大。
3.对比掌握镁、铝的化学性质
铝
镁
与非金属反应
能被Cl2、O2氧化
2Mg+O2
2MgO
3Mg+N2
Mg3N2
与水反应
反应很困难
能与沸水反应Mg+2H2O
Mg(OH)2+H2↑
与酸(H+)反应
能与H+反应产生H2
反应速度比Al快Mg+2H+===Mg2++H2↑
与碱反应
能溶于强碱溶液产生H2
不反应
与某些氧化物反应
能与Fe2O3、MnO2、Cr2O3等金属氧化物发生铝热反应
能在CO2中燃烧:
2Mg+CO2
2MgO+C
问题思考
铝的化学性质用以下转化关系表示
写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式:
①________________________________________________________________________。
②________________________________________________________________________。
③________________________________________________________________________。
④________________________________________________________________________。
答案 4Al+3O2
2Al2O3
2Al+Fe2O3
2Fe+Al2O3
2Al+6H+===2Al3++3H2↑
2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑
4.铝的制备
(1)铝土矿
Al2O3。
(2)2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑。
二、铝的重要化合物
1.氧化铝和氢氧化铝(两性)
名称
氧化铝(Al2O3)
氢氧化铝[Al(OH)3]
物理性质
白色固体,熔点很高
白色胶状物质,难溶于水
化学性质
与酸
反应
Al2O3+6H+===2Al3++3H2O
Al(OH)3+3H+===Al3++3H2O
与碱
反应
Al2O3+2OH-===2AlO
+H2O
Al(OH)3+OH-===AlO
+2H2O
加热
不分解
2Al(OH)3
Al2O3+3H2O
制备方法
Al(OH)3加热分解
①Al3+与氨水反应
②AlO
溶液中通入CO2
③可溶性铝盐和偏铝酸盐混合
主要用途
①作耐火材料
②冶炼铝的原料
①制药 ②净水作用
2.常见的铝盐——明矾
(1)明矾的化学式为KAl(SO4)2·12H2O,属于复盐。
(2)明矾净水的原理
明矾溶于水时发生电离,电离方程式为KAl(SO4)2===K++Al3++2SO
,其中Al3+发生水解反应,产生Al(OH)3(胶体),其吸附能力很强,可以吸附水中的杂质并形成沉淀,使水澄清。
问题思考
1.铝与氢氧化钠溶液反应时,反应机理是怎样的?
请用双线桥法标出该反应电子转移的方向与数目。
答案 铝先与强碱溶液中的水反应生成H2和Al(OH)3,Al(OH)3可溶于NaOH生成NaAlO2和H2O,反应中Al为还原剂,水为氧化剂。
2.中学化学学习阶段接触到许多既能与酸反应又能与碱反应的物质,除了Al及其重要化合物外,你还知道哪些?
答案 ①弱酸的铵盐,如:
NH4HCO3、CH3COONH4、(NH4)2S等;②弱酸的酸式盐,如:
NaHCO3、KHS、NaHSO3等;③氨基酸。
(1)铝在自然界中有游离态和化合态两种形式( )
(2)MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂( )
(3)冶炼铝时常用焦炭作还原剂( )
(4)铝与少量NaOH溶液反应得到铝盐,与足量NaOH溶液反应生成偏铝酸盐( )
(5)相同质量的镁条分别在足量的CO2和O2中完全燃烧,所得固体的质量相同( )
(6)工业上制造镁粉时,可将镁蒸气在N2中冷却( )
(7)Al2O3的熔点高,可作耐高温材料,实验室可用氧化铝坩埚熔化NaOH、Na2CO3固体等( )
(8)明矾可作净水剂,起到杀菌消毒的作用( )
(9)AlO
、HCO
在水溶液中因发生双水解反应而不能大量共存( )
(10)AlO
与NH
在水溶液中因发生双水解反应不能大量共存( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)× (9)× (10)√
题组一 镁、铝单质的性质及应用
1.镁是一种活泼的金属单质,下列关于金属镁的说法中正确的是( )
A.镁能与NaOH溶液反应生成Mg(OH)2沉淀
B.大量镁条燃烧引起的火灾不能用干冰灭火器灭火
C.镁在任何条件下都不能与水反应
D.镁能在N2中燃烧,且生成MgN
答案 B
解析 镁不是两性金属,不能与NaOH溶液反应,故A错误;镁能在CO2中燃烧,故B正确;镁在加热条件下能与水反应生成氢氧化镁和氢气,故C错误;镁能在N2中燃烧,且生成Mg3N2,故D错误。
2.下列关于铝单质的叙述中,正确的是( )
A.不能用铝制的器皿来盛放酸梅汤或碱水是因为铝会和酸或碱反应
B.铝制品在空气中有很强的抗腐蚀性是因为铝的化学性质很稳定
C.铝和NaOH溶液反应:
Al+2OH-===AlO
+2H2↑
D.用坩埚钳夹住一小块用砂纸仔细打磨过的铝箔在酒精灯上加热,熔化后的液态铝会滴落下来,是因为金属铝的熔点较低
答案 A
解析 A项,无论是铝还是其氧化物都能与酸或碱反应,正确;B项,铝表面形成致密的氧化膜,错误;C项,电荷、原子均不守恒,正确的离子方程式为2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑,错误;D项,打磨后的铝箔在酒精灯上灼烧表面生成Al2O3,高熔点的Al2O3兜住了熔融的液态铝,不会滴落,错误。
3.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和氢氧化钠溶液中,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________(填字母)。
A.5.4gB.3.6gC.2.7gD.1.8g
答案
(1)1∶1
(2)1∶3 (3)3∶1 (4)A
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的量相等,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↑
2×27g 3mol
5.4g 0.3mol
即投入的铝粉为5.4g。
铝与酸或碱反应生成H2的量的关系
2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑
2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
(1)等质量的铝与足量的盐酸、氢氧化钠溶液分别反应:
①产生H2的物质的量相等。
②消耗H+、OH-的物质的量之比为n(H+)∶n(OH-)=3∶1。
(2)足量的铝分别与等物质的量的HCl和NaOH反应:
①消耗Al的物质的量之比为1∶3。
②生成H2的物质的量之比为1∶3。
(3)一定量的铝分别与一定量的盐酸、氢氧化钠溶液反应:
若产生氢气的体积比为
<
<1,则必定
①铝与盐酸反应时,铝过量而HCl不足。
②铝与氢氧化钠溶液反应时,铝不足而NaOH过量。
题组二 氧化铝、氢氧化铝的特性及应用
4.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
答案 B
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。
5.(2020·内江高三月考)用含少量镁粉的铝粉制取纯净的氢氧化铝,下列操作步骤中最恰当的组合是( )
①加盐酸溶解 ②加烧碱溶液溶解 ③过滤 ④通入过量CO2生成Al(OH)3沉淀 ⑤加入盐酸生成Al(OH)3沉淀 ⑥加入过量烧碱溶液
A.①⑥⑤③B.②③④③
C.②③⑤③D.①③⑤③
答案 B
6.工业上以铝土矿(主要成分是氧化铝,含氧化铁杂质)为原料冶炼铝的工艺流程如下:
下列叙述正确的是( )
A.反应①中试剂X是氢氧化钠溶液
B.试剂Y是HCl,它与AlO
反应生成氢氧化铝
C.图中所示转化反应中包含2个氧化还原反应
D.将X与Y试剂进行对换,最终可以达到相同结果
答案 A
解析 B项,若试剂Y是HCl,它与AlO
反应生成Al3+,错误;C项,图中所示转化只有一步是氧化还原反应2Al2O3
4Al+3O2↑,错误;D项,试剂X为氢氧化钠,滤渣C为氧化铁,滤液A为偏铝酸钠和氢氧化钠混合溶液,通入过量二氧化碳气体,发生反应:
NaAlO2+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+NaHCO3,不能对换,错误。
1.含铝杂质的提纯方法归类
利用Al、Al2O3、Al(OH)3可溶于强碱的特性,可除去许多物质中的含铝杂质,如:
(1)Mg(Al):
加足量NaOH溶液。
(2)Fe2O3(Al2O3):
加足量NaOH溶液。
(3)Mg(OH)2[Al(OH)3]:
加足量NaOH溶液。
(4)Mg2+(Al3+):
加过量NaOH溶液,过滤,再加酸充分溶解。
2.Al(OH)3的三种制备方法
方法一:
可溶性铝盐溶液与过量氨水反应
反应原理:
Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH
方法二:
向可溶性偏铝酸盐溶液中通入过量CO2
反应原理:
AlO
+2H2O+CO2===Al(OH)3↓+HCO
方法三:
相互促进水解法
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
①常温下,铜在干燥的空气中性质稳定,但在潮湿的空气里则会被锈蚀,在其表面逐渐形成一层绿色的铜锈。
有关化学方程式:
______________________________________________。
②写出下列化学方程式:
铜在空气中加热:
______________________________________________________________;
铜丝在硫蒸气中反应:
__________________________________________________________。
答案 ①2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3
②2Cu+O2
2CuO 2Cu+S
Cu2S
2.铜及其常见化合物的颜色
物质
颜色
物质
颜色
Cu
紫红色
CuSO4
白色
CuO
黑色
CuSO4·5H2O
蓝色
Cu2O
砖红色
Cu2(OH)2CO3
绿色
Cu2S
黑色
Cu(OH)2
蓝色
问题思考
铜的重要化合物转化关系如下,
完成下列方程式:
(1)铜的氧化物
①CuO高温分解得Cu2O,化学方程式为4CuO
2Cu2O+O2↑。
②Cu2O溶于稀硫酸产生蓝色溶液和紫红色固体,离子方程式为Cu2O+2H+===Cu+Cu2++H2O。
(2)氢氧化铜
氢氧化铜悬浊液煮沸变黑的原因,用化学方程式表示为Cu(OH)2
CuO+H2O。
(3)硫酸铜晶体受热分解为白色的硫酸铜粉末,化学方程式为CuSO4·5H2O
CuSO4+5H2O。
(4)Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜,是铜绿、孔雀石的主要成分,受热分解可生成黑色的氧化铜,化学方程式:
Cu2(OH)2CO3
2CuO+CO2↑+H2O,可溶于稀硫酸,离子方程式:
Cu2(OH)2CO3+4H+===2Cu2++CO2↑+3H2O。
(1)CuO是黑色固体,与水反应生成Cu(OH)2( )
(2)铜锈是铜被空气中的氧气缓慢氧化生成的氧化物( )
(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( )
答案
(1)×
(2)× (3)√ (4)√ (5)×
题组一 铜及其化合物的性质和应用
1.(2019·西安调研)我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中记载:
“信州铅山县有苦泉,流以为涧。
挹其水熬之,则成胆矾。
熬胆矾铁釜,久之亦化为铜。
”下列对文中词语的理解,正确的是( )
A.“苦泉”中泉水属于胶体
B.“熬”表示加热蒸馏
C.“胆矾”化学式为CuSO4
D.“化”表示置换转化
答案 D
解析 由题意可知,“苦泉”泉水中含有硫酸铜,属于溶液,不属于胶体,故A错误;硫酸铜溶液蒸发得到硫酸铜晶体,从溶液中获取晶体,属于蒸发操作,故B错误;胆矾是硫酸铜晶体,“胆矾”化学式为CuSO4·5H2O,故C错误;熬胆矾铁釜,久之亦化为铜,是发生了:
Fe+CuSO4===Cu+FeSO4,硫酸铜与Fe置换反应生成Cu,即“化”表示置换转化,故D正确。
2.某研究小组通过实验探究Cu及其化合物的性质,下列操作正确且能达到实验目的的是( )
A.将铜丝插入浓硫酸中并加热,反应后再加入水,观察硫酸铜溶液的颜色
B.常温下将铜丝伸入盛满氯气的集气瓶中,观察CuCl2的生成
C.将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干,得到无水CuCl2固体
D.将表面有铜绿[Cu2(OH)2CO3]的铜器放入盐酸中浸泡,除去铜绿
答案 D
解析 Cu与Cl2在常温下不反应,需要加热才能发生反应,B项错误;CuCl2水解生成的HCl易挥发,加热蒸干能促进CuCl2的水解而得不到CuCl2固体,C项错误。
题组二 铜及其化合物的制备
3.(2020·衡阳调研)某炼铁废渣中含有大量CuS及少量铁的化合物,工业上以该废渣为原料生产CuCl2·2H2O晶体的工艺流程如下:
下列说法正确的是( )
A.焙烧过程中每消耗1molCuS则消耗3molO2
B.焙烧后的废气能够使酸性高锰酸钾溶液褪色
C.滤渣中主要含铁的氧化物
D.将获得的CuCl2·2H2O晶体加热可制得CuCl2固体
答案 B
解析 A项,2CuS+3O2
2CuO+2SO2,由方程式可知,1molCuS消耗1.5molO2,错误;B项,废气中含有SO2,能使酸性高锰酸钾溶液褪色,正确;C项,调节pH时,Fe3+水解转化为Fe(OH)3而除去,错误;D项,将CuCl2·2H2O直接加热脱水,Cu2+水解,HCl挥发会产生Cu(OH)2,无法得到CuCl2,错误。
4.(2019·西宁检测)工业上由黄铜矿(主要成分为CuFeS2)冶炼铜的主要流程如下:
(1)气体A中的大气污染物可选用下列试剂中的______(填字母)吸收。
a.浓硫酸b.稀硝酸
c.NaOH溶液d.氨水
(2)由泡铜冶炼粗铜的化学方程式为______________________________________________。
(3)以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼,下列说法正确的是__________(填字母)。
a.电能全部转化为化学能
b.粗铜接电源正极,发生氧化反应
c.溶液中Cu2+向阳极移动
d.从阳极泥中可回收Ag、Pt、Au等金属
(4)利用反应2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O可制备CuSO4,若将该反应设计为原电池,其正极电极反应式为___________________________________________________________。
答案
(1)cd
(2)3Cu2O+2Al
Al2O3+6Cu(3)bd (4)4H++O2+4e-===2H2O
解析
(1)气体A中的大气污染物为SO2,可以用NaOH溶液或氨水吸收。
(2)依据图示,泡铜中的Cu2O与Al高温下发生铝热反应制得铜。
(3)电解精炼铜过程中,电能转变为化学能的同时,部分电能也转化为热能,a错;电解精炼粗铜时,粗铜作阳极,与电源正极相连,发生氧化反应,b对;电解过程中Cu2+向阴极移动,c错;粗铜中Ag、Pt、Au的放电能力比铜的弱,形成阳极泥,可以回收,d对。
(4)根据总反应,O2发生还原反应,因此正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。
铜的冶炼“两方法”
(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。
1.合金的概念及性能
2.常见的金属材料
(1)金属材料分类
(2)几种常见的合金
②
③
3.金属矿物的开发利用
(1)金属在自然界中的存在。
(2)金属冶炼的实质。
金属的冶炼过程就是把金属从化合态还原为游离态的过程。
即Mn++ne-===M(写反应通式,用M表示金属)。
(3)金属冶炼的方法(用化学方程式表示)。
4.铝热反应实验中的有关问题
实验装置
实验现象
①镁带剧烈燃烧,放出大量的热,并发出耀眼的白光,氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应;②纸漏斗的下部被烧穿,有熔融物落入沙中
实验结论
高温下,铝与氧化铁发生反应,放出大量的热Fe2O3+2Al
2Fe+Al2O3
原理应用
①制取熔点较高、活动性弱于Al的金属,如铁、铬、锰、钨等;
②金属焊接,如野外焊接钢轨等
(1)金属元素的单质只有还原性,其离子只有氧化性( )
(2)金属元素的单质在常温下均为固体( )
(3)合金材料中不可能含有非金属元素( )
(4)铁是人类在生产、生活中最早使用的金属( )
(5)合金的硬度一般大于成分金属,而熔点一般低于成分金属( )
(6)金属氧化物与铝粉的混合物都是铝热剂( )
(7)人类历史上使用铝的时间比铁晚,原因是铝的冶炼成本高( )
(8)电解氯化镁溶液制取金属镁( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)× (8)×
题组一 金属材料、合金的性能及应用
1.(2019·中原区校级月考)青铜的主要成分是铜和锡,锡的熔点是232℃,含锡25%的青铜熔点约为800℃,《吕氏春秋·别类编》中有关于青铜的记载“金(铜)柔锡柔,合两柔则为刚,燔(烧)之则为淖(液体)。
”下列说法正确的是( )
A.在轮船外壳悬挂锌、锡等金属块可减慢钢铁的腐蚀
B.合金的熔点一定低于各组分金属的熔点
C.铜和锡在元素周期表均位于第四周期
D.“合两柔则为刚”体现了合金的硬度通常大于各组分金属的特点
答案 D
解析 要保护钢铁,在和海水构成的原电池中应该让钢铁作正极才能被保护,活泼性比Fe强的金属作负极,锡金属性弱于铁,不能保护铁,故A错误;青铜的主要成分是铜和锡,锡的熔点是232℃,含锡25%的青铜熔点约为800℃,青铜的熔点高于锡,故B错误;锡位于周期表的第五周期,故C错误;“金(即铜)柔锡柔,合两柔则刚”体现了合金硬度大于成分金属硬度,故D正确。
2.C919大型飞机的制造采用了大量新材料铝锂合金。
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
答案 D
解析 铝锂合金中的铝既能与酸反应,又能与碱反应,锂能与酸反应,故铝锂合金不耐酸碱腐蚀。
题组二 金属冶炼、金属矿物的开发利用
3.(2020·长子县模拟)《五金·铁》中记载:
“若造熟铁,则生铁流出时,相连数尺内,低下数寸,筑一方塘,短墙抵之。
其铁流入塘内,数人执柳木排立墙上……众人柳棍疾搅,即时炒成熟铁。
”以下说法不正确的是( )
A.金属冶炼方法由金属活动性决定
B.熟铁比生铁质地更硬,延展性稍差
C.炒铁是为了降低铁水中的碳含量
D.该法与近代往生铁水吹空气炼钢异曲同工
答案 B
解析 活泼性不同的金属,其冶炼方法不同,即金属冶炼方法由金属活动性决定,故A正确;熟铁比生铁质地更软,且延展性好,故B错误;炒铁过程中降低了铁水中的碳含量,从而将生铁转化成熟铁,故C正确;该冶炼方法和近代往生铁水吹空气炼钢,都是利用空气中氧气氧化C元素,其原理基本相同,故D正确。
4.(2019·九江质检)下列说法正确的是( )
A.
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- 镁铝铜及其化合物 金属冶炼 镁铝铜 及其 化合物 金属 冶炼