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第9讲铜及其化合物金属材料及金属矿物的开发利用一、铜及其化合物一、铜及其化合物1.单质铜单质铜(1)物理性质:紫红紫红色固体,具有良好的延展性、导热热性和导电电性。(2)化学性质教材研读教材研读写出上图中有关反应的化学方程式或离子方程式:a.与潮湿空气反应:2Cu+O2+CO2+H2OCu2(OH)2CO3。b.与S反应:2Cu+SCu2S。c.与氧化性酸反应与浓硫酸共热:Cu+2H2SO4(浓浓)CuSO4+SO2+2H2O;与稀硝酸反应:3Cu+8H+2N3Cu2+2NO+4H2O(离子方程式)。d.与盐溶液反应(写离子方程式)与硝酸银溶液反应:Cu+2Ag+2Ag+Cu2+;与FeCl3溶液反应:Cu+2Fe3+2Fe2+Cu2+。(3)铜的冶炼a.火法炼铜:Cu2S+O22Cu+SO2。b.湿法炼铜:Fe+CuSO4FeSO4+Cu。c.电解精炼:电解时,用纯铜作阴极,粗铜作阳极,用CuSO4溶液作电解液。3O2.氧化铜和氧化亚铜氧化铜和氧化亚铜3.氢氧化铜(1)物理性质:蓝蓝色、不不溶于水的固体。(2)化学性质及应用4.五水硫酸铜五水硫酸铜CuSO45H2O为蓝色晶体,俗称蓝矾、胆矾。无水CuSO4为白色粉末,遇水变蓝色蓝色(生成CuSO45H2O),可用于检验水。5.碱式碳酸铜碱式碳酸铜碱式碳酸铜的化学式为Cu2(OH)2CO3,是铜绿的成分,是铜在潮湿的空气中被锈蚀的产物,其受热易分解:Cu2(OH)2CO32CuO+H2O+CO2。自测自测1某研究小组用废铜粉制取胆矾,设计了如下三个实验方案:(1)CuCuSO4硫酸铜溶液CuSO45H2O。(2)CuCuO硫酸铜溶液CuSO45H2O。(3)硫酸铜溶液CuSO45H2O。对三个方案进行评价,你认为最好的是哪个方案?Cu热空气答案答案方案(1):产生污染性气体,且消耗硫酸较多。方案(2):消耗能量较多,且步骤复杂。方案(3):不产生污染性气体,原料利用率高,节约能源。因而方案(3)更经济合理。特别提示特别提示(1)通常Cu2+在溶液中呈蓝色,可作为Cu2+的判定依据。(2)Cu2+与碱反应生成蓝色沉淀Cu(OH)2,这是鉴定Cu2+的原理之一。(3)铜盐溶液有毒,主要是因为Cu2+为重金属离子,能使蛋白质变性而失去生理活性,人们利用它的这一性质用胆矾、熟石灰、水配成波尔多液,用来杀虫。自测自测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):足量金属粉末孔雀石溶液Cu(1)反应能观察到的现象是,有关反应的化学方程式为。(2)反应加入的金属可能是,有关反应的离子方程式为。答案答案(1)固体逐渐消失,溶液由无色变成蓝色,有气泡产生Cu2(OH)2CO3+2H2SO42CuSO4+CO2+3H2O(2)铁粉(答案合理即可)Fe+Cu2+Fe2+Cu(答案合理即可)解析解析(1)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+2H2SO42CuSO4+CO2+3H2O。(2)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和H2SO4,加入的金属粉末能将Cu2+从溶液中置换出来即可,故可能是Fe或Zn等。二、合金及常见金属材料二、合金及常见金属材料1.合金合金2.常见金属材料常见金属材料(1)重要的黑色金属材料钢钢钢是用量最大、用途最广的合金。钢(2)铜合金铜合金常见的铜合金主要包括青铜青铜、黄铜和白铜等。:,:,:,:,低碳钢 韧性、焊接性好 强度低碳素钢 中碳钢 强度高 韧性及加工性好高碳钢 硬而脆 热处理后弹性好合金钢 具有各种不同的优良性能 用于制不锈钢及各种特种钢自测自测3下列关于金属的说法中,不正确的是()A.合金比纯金属具有更好的性能,合金的熔点一般比各成分金属的低B.一般情况下,合金的硬度大于其各成分金属的硬度C.常用电解法冶炼钠、镁、铝等活泼金属D.由于铝在常温下不能与氧气反应,所以铝制品具有一定的抗腐蚀性,是一种应用广泛的金属材料D答案答案DA项,合金的熔点一般比其成分金属的低;B项,一般情况下,合金的硬度比其成分金属的大;C项,活泼金属常用电解法冶炼,如钠、镁、铝等;D项,铝在常温下能与氧气反应,并在铝的表面形成一层致密的氧化铝保护膜,所以铝制品具有一定的抗腐蚀性。自测自测4某化学兴趣小组对奥运会金牌成分提出猜想:甲认为金牌是由纯金制造的;乙认为金牌是由金银合金制成的;丙认为金牌是由黄铜(铜锌合金)制成的。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B答案答案B纯金遇到稀硝酸不溶解;金银合金遇到稀硝酸会部分溶解;黄铜遇到稀硝酸会全部溶解。三、金属矿物的开发和利用三、金属矿物的开发和利用1.金属在自然界中存在的形态金属在自然界中存在的形态除了金金、铂铂等极少数金属外,绝大多数金属以化合化合物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.金属冶炼的实质金属冶炼的实质使金属化合物中的金属离子得得电子被还原还原为金属单质的过程:Mn+ne-M。4.金属冶炼方法金属冶炼方法(1)热分解法例如:2HgO2Hg+O2,2Ag2O4Ag+O2。用热分解法冶炼金属的特点:金属元素的金属性弱弱,金属元素的原子不易不易失去电子,对应的金属离子容易容易得到电子,该金属元素所形成的化合物稳定性较差较差。3.金属冶炼的一般步骤金属冶炼的一般步骤(2)热还原法a.焦炭还原法。例如:C还原ZnO、CuO,化学方程式依次为C+2ZnO2Zn+CO2、C+2CuO2Cu+CO2。b.一氧化碳还原法。例如:CO还原Fe2O3、CuO,化学方程式依次为3CO+Fe2O32Fe+3CO2、CO+CuOCu+CO2。c.氢气还原法。例如:H2还原WO3、Fe3O4,化学方程式依次为3H2+WO3W+3H2O、4H2+Fe3O43Fe+4H2O。d.活泼金属还原法。例如:Al还原Cr2O3、V2O5,化学方程式依次为2Al+Cr2O3Al2O3+2Cr、10Al+3V2O56V+5Al2O3。(3)电解法例如:电解熔融Al2O3、MgCl2、NaCl制Al、Mg、Na,化学方程式依次为2Al2O3(熔融熔融)4Al+3O2,MgCl2(熔融熔融)Mg+Cl2,2NaCl(熔融熔融)2Na+Cl2。特别提示特别提示(1)电解法冶炼活泼金属使用的是熔融的金属盐或金属氧化物,不是盐溶液。(2)钠、镁的冶炼是电解熔融的NaCl、MgCl2,铝的冶炼是电解加了冰晶石的熔融Al2O3,而不是电解熔融AlCl3,因为AlCl3是共价化合物,熔融状态不导电。自测自测5(1)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?(2)热还原法用到的还原剂有焦炭、CO和H2,试从所得产物纯度及对环境污染的角度考虑哪种还原剂更好?答案答案(1)铝的金属活动性比铁、铜强,难于冶炼。(2)最好的还原剂是H2;原因是焦炭会使产品的纯度降低,CO会污染环境。自测自测6下列制备金属单质的方法或原理正确的是()A.在高温条件下,用H2还原MgO制备单质MgB.在通电条件下,电解熔融Al2O3制备单质AlC.在通电条件下,电解饱和食盐水制备单质NaD.加强热,使CuO在高温条件下分解制备单质CuB答案答案B制备单质Mg应该用电解熔融MgCl2的方法;制备单质Na采用电解熔融NaCl的方法;制备单质Cu用热还原法。考点突破考点突破考点一金属活动性顺序及其应用考点一金属活动性顺序及其应用考点二守恒法在化学计算中的应用考点二守恒法在化学计算中的应用考点一金属活动性顺序及其应用考点一金属活动性顺序及其应用典例典例1化学在生活中有着广泛的应用,下列对应关系错误的是()化学性质实际应用AAl2(SO4)3和小苏打反应泡沫灭火器灭火B铁比铜金属性强FeCl3腐蚀Cu刻制印刷电路板C次氯酸盐具有氧化性漂白粉漂白织物DHF与SiO2反应氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记B答案答案BFeCl3与Cu的反应为2FeCl3+Cu2FeCl2+CuCl2,不能用来比较铁与铜的金属性强弱,故错误。1-1下列关于金属冶炼的说法中正确的是()A.金属银、汞可用热分解法冶炼B.可用热分解法冶炼金、铂C.金属Mg、Al都可以用电解熔融氯化物的方法制得D.电解法是冶炼活泼金属(如钾、钠、镁、铝等)的唯一方法A答案答案AA项,银、汞为不活泼金属,工业上可用热分解其氧化物制得;B项,金、铂极不活泼,应用富集法(物理方法)冶炼;C项,AlCl3为共价化合物,熔融状态不导电,工业上制备金属Al是用电解熔融Al2O3的方法;D项,工业上冶炼钾可以用钠还原法:Na+KClNaCl+K,反应制得的钾蒸气遇冷即得到金属钾。1-2氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼。下列说法不正确的是()A.冶炼铁的主要原料有铁矿石、焦炭、空气、石灰石等,其中石灰石的作用是除去铁矿石中的脉石(二氧化硅)B.湿法炼铜与火法炼铜的反应中,铜元素都发生还原反应C.工业上Mg可由电解熔融的MgO制取,Na可由电解熔融的NaCl制取D.铝热法还原铁的反应中,放出的热量能使铁熔化C答案答案C工业上用电解熔融MgCl2的方法冶炼金属镁。守恒法是中学化学计算中一种很重要的方法,也是解题中应用最多的方法之一。其特点是抓住有关变化的始态和终态,忽略中间过程,利用其中某种不变量建立关系式,从而简化思路,快速解题。守恒法主要包括质量守恒法、原子守恒法、电荷守恒法、得失电子守恒法等。1.质量守恒法质量守恒法质量守恒主要包括两项内容:参加反应的各物质的质量总和等于生成的各物质的质量总和;反应前后各元素的质量守恒。2.原子守恒法原子守恒法原子守恒主要指系列反应中某原子个数(或物质的量)不变,以此为基础考点二守恒法在化学计算中的应用考点二守恒法在化学计算中的应用可求出与该原子相关联的某些物质的数量(或质量)。3.电荷守恒法电荷守恒法电荷守恒即溶液中阳离子所带的正电荷总数=阴离子所带的负电荷总数。常见的电荷守恒有以下几种情况:化合物化学式中存在的电中性原则(正、负化合价代数和为0);离子反应中的电荷守恒(反应前后净电荷数相等);电解质溶液中存在的电荷守恒(阴、阳离子电荷总数相等)。4.得失电子守恒法得失电子守恒法氧化还原反应中(或系列化学反应中),氧化剂得电子总数=还原剂失电子总数。典例典例2现有CuO和Fe2O3组成的混合物ag,向其中加入2molL-1的硫酸溶液50mL,恰好完全反应。若将ag该混合物在足量H2中加热,使其充分反应,冷却后剩余固体质量为()A.1.6agB.(a-1.6)gC.(a-3.2)gD.1.6gB答案答案B金属氧化物与硫酸恰好完全反应,生成n(H2O)=n(H2SO4)=5010-3L2molL-1=0.1mol。生成的H2O中的氧元素完全来自于金属氧化物,所以ag金属氧化物中氧元素的质量为0.1mol16gmol-1=1.6g,则ag金属氧化物被足量H2还原后剩余固体质量为(a-1.6)g。2-1有一块铁的“氧化物”样品,用140mL5.0molL-1盐酸恰好将其完全溶解,所得溶液还能吸收0.025molCl2,恰好使其中的Fe2+全部转变为Fe3+,则该样品可能的化学式为()A.Fe2O3B.Fe3O4C.Fe4O5D.Fe5O7D答案答案D根据2Fe2+Cl22Fe3+2Cl-可知铁的“氧化物”样品用盐酸溶解后所得溶液中n(Fe2+)=0.025mol2=0.05mol,根据电荷守恒得2n(Fe2+)+3n(Fe3+)=n(Cl-),则n(Fe3+)=0.2mol,故n(Fe2+) n(Fe3+)=0.05 0.2=1 4,该氧化物可表示为FeO2Fe2O3,即Fe5O7。2-2向一定量的Fe、FeO、Fe2O3、Fe3O4的混合物中加入150mL4molL-1的稀硝酸恰好使混合物完全溶解,放出2.24LNO(标准状况),往所得溶液中加入KSCN溶液,无红色出现。若用足量的H2在加热条件下还原相同质量的混合物,所得到铁的物质的量为()A.0.21molB.0.25molC.0.3molD.0.35molB答案答案B稀硝酸恰好使混合物完全溶解,加入KSCN溶液,无红色出现,说明铁元素在溶液中以Fe2+形式存在,根据氮原子守恒可以求出nFe(NO3)2=(0.15L4molL-1-2.24L22.4Lmol-1)2=0.25mol,再由铁原子守恒可知,用足量的H2在加热条件下还原相同质量的混合物,所得到的铁的物质的量为0.25mol。
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