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专题09 金属材料及其应用【复习目标】1.了解合金的概念及其重要应用。2.了解金属铜及其重要化合物的主要性质及应用。3.了解金属矿物综合利用。【考情分析】高考对本节内容的考查以金属及其化合物的性质、合金的性质、金属的冶炼、提纯在日常生活、生产中的应用为主，高考题型有选择题、实验题、化学工艺流程题等。尤其是以金属及其化合物化工生产为背景的工艺流程题和综合实验题将是考查的热点。【考点过关】考点一 金属铜及其化合物1.金属铜原子结构铜元素在元素周期表中位于第四周期第B族，铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一物理性质紫红色固体，具有良好的延展性、导热性和导电性，不能被磁铁吸引化学性质与O2反应常温下，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，反应的化学方程式为2CuO2CO2H2O=Cu2(OH)2CO3铜在空气中加热：2CuO22CuO与Cl2反应Cu+C12CuCl2与S反应2CuSCu2S与酸反应与非氧化性酸（稀盐酸、稀硫酸）不反应Cu 2H2SO4(浓) CuSO4 SO2 2H2OCu 4HNO3 (浓) Cu(NO3)2 2NO2 2H2O3Cu 8HNO3 (稀) 3Cu(NO3)2 2 NO 4H2O与盐溶液的反应Cu2FeCl3 CuCl2 2FeCl制备湿法炼铜：FeCuSO4=FeSO4Cu高温炼铜：工业上用高温冶炼黄铜矿的方法获得铜(粗铜)。2CuFeS24O2Cu2S3SO22FeO(炉渣)2Cu2S3O22Cu2O2SO22Cu2OCu2S6CuSO2粗铜的精炼：电解池中，粗铜作阳极，精铜作阴极，电解质为硫酸铜溶液。阳极反应：Cu- 2e- = Cu2+、Fe-2e-=Fe2+、Ni-2e-= Ni 2+；阴极反应：Cu2+ e- =Cu，硫酸铜溶液浓度降低2.铜的化合物氧化铜CuO为黑色不溶于水的固体氧化铜有金属氧化物的性质。CuO2HCl CuCl2 H2O氧化铜具有氧化性，可与某些还原剂反应。H2 CuO Cu H2OC 2CuO 2Cu CO2 氧化铜在高温下可发生分解反应： 4CuO 2Cu2OO2氢氧化铜蓝色不溶于水的固体与酸反应：Cu(OH)22H= Cu22H2O受热分解：Cu(OH)2CuOH2O检验醛基：CH3CHO+2Cu(OH)2NaOH CH3COONa+Cu2O+3H2O铜盐Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜，是铜绿、孔雀石的主要成分，是铜在潮湿空气中被腐蚀的结果，其受热分解的化学方程式为Cu2(OH)2CO32CuOH2OCO2CuSO45H2O为蓝色晶体，俗称蓝矾、胆矾，其受热分解的化学方程式为CuSO45H2OCuSO45H2O，蓝色晶体受热转化为白色粉末。无水CuSO4遇水变蓝色(生成CuSO45H2O)，据此可用来检验水的存在【考点演练】下列说法正确的是 。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除去Cu粉中混有CuO的方法是加入稀硝酸溶解、过滤、洗涤、干燥将铜粉加入1.0 molL1 Fe2(SO4)3溶液中，现象是溶液变蓝，有黑色固体出现铁比铜活泼，铆在铜板上的铁钉在潮湿空气中不易生锈氧化铜可作为制造玻璃、搪瓷的红色颜料硫酸铜溶液可用作游泳池的消毒剂为了避免青铜器生成铜绿，在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜1 mol Cu和足量热浓硫酸反应可生成NA个SO3分子冶炼铜的反应为8CuFeS221O28Cu4FeO2Fe2O316SO2，若CuFeS2中Fe的化合价为+2，反应中被还原的元素是Cu和OCuSO4溶液与过量浓氨水反应的离子方程式：Cu2+2NH3H2O=Cu(OH)2+2NH4+将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干，得到无水CuCl2固体H2通过灼热的CuO粉末，反应后固体物质增重答案：考点二 合金与金属冶炼1.合金定义两种或两种以上金属(或金属与非金属)熔化而成的具有金属特性的物质叫合金(合金为混合物)。如钢铁为铁碳合金特性合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能，熔点一般比它的各成分金属的低，硬度和强度一般比它的各成分金属的大常见合金铜合金的主要类型有青铜、黄铜和白铜等。青铜主要含有铜和锡，具有良好的强度和塑性，易加工、耐腐蚀；黄铜主要含有铜和锌，有良好的强度和塑性，易加工、耐腐蚀；白铜主要含有铜和镍，不易产生铜绿，但导电、导热性能差钢是用量最大、用途最广的合金，按其化学成分，可以分为两大类：碳素钢和合金最常见的铝合金为硬铝，硬铝含Cu4%、Mg0.5%、Mn0.5%、Si0.7%，主要用于火箭、飞机、轮船等制造业钛的合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，主要用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域2.金属冶炼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：Mnne=M(写反应通式，用M表示金属)步骤矿石的富集：除去杂质，提高矿石中有用成分的含量冶炼：利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原剂将金属矿石中的金属离子还原成金属单质精炼：采用一定的方法，提炼纯金属方法加热法:适用于冶炼在金属活动顺序表中，位于氢之后的金属(如Hg、Ag等)。2HgO2Hg + O2 HgS + O2Hg + SO22Ag2O4Ag + O2热还原法：适用于冶炼金属活动顺序表中Zn、Fe、Sn、Pb等中等活泼的金属，常用的还原剂有C、CO、H2、Al等。Fe2O3 + 3CO2Fe + 3CO2(炼铁) ZnO + CZn + CO(伴生CO2)WO3 + 3H2W + 3H2O Cr2O3 + 2Al2Cr + A12O3(制高熔点的金属)熔融电解法：适用于冶炼活动性强的金属如K、Ca、Na、Mg、A1等活泼的金属，通过电解其熔融盐或氧化物的方法来制得。2A12O3 4Al + 3O2 2NaCl 2Na + C123.铝热反应实验装置实验现象镁带剧烈燃烧，放出大量的热，并发生耀眼的白光，氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应；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Fe2O32Al2FeAl2O3原理应用制取熔点较高、活动性弱于Al的金属，如铁、铬、锰、钨等；金属焊接，如野外焊接钢轨等【考点演练】下列说法正确的是 。金属元素的单质只有还原性，其离子只有氧化性金属元素的单质在常温下均为固体工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气钒、铬、锰、铁等难熔金属通常采用铝热法炼制合金的性质与其成分金属的性质不完全相同由铁矿石炼成铁是化学变化，由生铁炼成钢是物理变化工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al不涉及氧化还原反应金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子在人类对金属材料的使用过程中，性质活泼的金属单质最早被人们冶炼和使用单质铝在空气中比较耐腐蚀，所以铝是不活泼金属FeO投入稀H2SO4和稀HNO3中均得到浅绿色溶液向一定量的Cu、Fe2O3的混合物中加入300 mL 1 molL1的盐酸，恰好使混合物完全溶解，所得溶液中不含Fe3。若用过量的CO在高温下还原相同质量的原混合物，固体减少的质量为2.4 g答案：【过关练习】1.(潍坊2017届高三联考) 我国晋代抱朴子中描述了大量的化学反应，其中有：“丹砂(HgS)烧之成水银，积变又还成丹砂”；“以曾青涂铁，铁赤色如铜”。下列有关叙述正确的是 ()A中描述的化学反应是可逆反应B“曾青”是含有Cu2的溶液，如硫酸铜溶液C“积变又还成丹砂”中的“还”可理解为“被还原”D水银能跟曾青发生置换反应生成单质铜解析：中描述的化学反应为HgSHgS、HgS=HgS，两个反应的反应条件不同，不是可逆反应，A项错误；“铁赤色如铜”，说明铁置换出铜，故“曾青”应为可溶性铜盐的水溶液，B项正确；“积变又还成丹砂”，发生的反应是HgS=HgS，Hg发生了氧化反应，“还”是指恢复原来的状态，C项错误；Hg的活动性比Cu弱，因此水银不能与曾青发生置换反应生成单质铜，D项错误。答案：B 2.(济宁2016届模拟)明代天工开物记载“火法”冶炼锌：“炉甘石十斤，装载入一泥罐内，然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红，冷淀，毁罐取出，即倭铅也”(注：炉甘石的主要成分为碳酸锌，泥罐中掺有煤炭)。下列说法不正确的是()A.倭铅是指金属锌和铅的混合物B.煤炭中起作用的主要成分是CC.冶炼Zn的化学方程式：ZnCO32CZn3COD.该冶炼锌的方法属于热还原法解析：由题意可知，倭铅是指金属锌，不是混合物，故A错误；煤炭的主要成分是碳，反应中碳作还原剂，故B、C、D均正确。答案：A3.(嘉兴一中2017届月考)氢化亚铜(CuH)是一难溶物质，用CuSO4溶液和另一种反应物在4050 时反应可生成它。CuH不稳定，易分解；CuH在氯气中能燃烧，跟盐酸反应能产生气体。下列有关推断中错误的是()A这里的“另一种反应物”具有还原性 BCuH可作氧化剂、还原剂CCuHCl2=CuClHCl(燃烧) DCuHHCl=CuClH2(常温)解析：Cl2具有强氧化性与多价态金属反应时，生成最高价态的金属化合物，应为CuCl2，故C项错误。答案：C4.（成都经济技术开发区实验中学校2017届月考一）根据下列框图分析,下列说法正确的是AE2+的氧化性比M2+的氧化性强B在反应中若不加稀硫酸可能看到红褐色沉淀C反应的离子方程式可表示为: E3+ +3SCNE(SCN)3D在反应中只能用浓硫酸，既表现了酸性、又表现了氧化性答案：B5.(邯郸2017届调研)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CuCl22H2O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1 mol CuS则消耗3 mol O2B.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CuCl22H2O晶体加热可制得CuCl2固体6.(海口2016届校级模拟)铜的冶炼大致可分为：富集，将硫化物矿进行浮选；焙烧，主要反应为2CuFeS24O2=Cu2S3SO22FeO(炉渣)；制粗铜，在1200 发生的主要反应为2Cu2S3O2=2Cu2O2SO2,2Cu2OCu2S=6CuSO2；电解精炼铜。下列说法不正确的是()A.上述灼烧过程的尾气回收后可用来制硫酸B.上述过程中，由6 mol CuFeS2制取6 mol Cu时共消耗15 mol O2C.在反应2Cu2OCu2S=6CuSO2中，氧化产物与还原产物的物质的量之比为16D.在反应2Cu2OCu2S=6CuSO2中，只有Cu2O作氧化剂解析：A项，二氧化硫能用来制取硫酸；B项，根据最终产物为Cu、SO2和FeO可写出总反应方程式为6CuFeS215O2=6Cu12SO26FeO，根据方程式计算；在反应2Cu2OCu2S=6CuSO2中，Cu元素化合价由1价变为0价、S元素化合价由2价变为4价，则氧化剂是Cu2O、Cu2S，还原剂是Cu2S，氧化产物是二氧化硫、还原产物是Cu，C项正确，D项错误。答案：D7. (2辽宁师大附中016届期中)用下列装置进行相应实验，不能达到有关实验目的的是()A.用甲图装置电解精炼铝 B.用乙图装置制备Fe(OH)2C.用丙图装置制取金属锰 D.用丁图装置验证NaHCO3和Na2CO3的热稳定性解析：因为Al3得电子能力小于水溶液中的H，所以电解AlCl3溶液不能得到Al单质，A项错误；FeSO4溶液上面加入煤油，可防止空气中的氧气氧化生成的Fe(OH)2，有利于得到纯净的Fe(OH)2，B项正确；利用铝热反应可把MnO2还原为金属锰，C项正确；碳酸氢钠放在小试管中，碳酸钠放在大试管中同时加热，可以验证NaHCO3和Na2CO3的热稳定性，D项正确。答案：A8.(南昌2016届模拟)铜是与人类关系非常密切的有色金属。已知，常温下，在溶液中Cu2稳定，Cu易在酸性条件下发生反应：2Cu=Cu2Cu。大多数1价铜的化合物多数不溶于有机溶剂，如Cu2O(砖红色)、CuI、CuCl、CuH等。(1)在CuCl2溶液中逐滴滴加过量的KI溶液可能发生：a.2Cu24I=2CuI(白色)I2b.2Cu22Cl2I=2CuCl(白色)I2为顺利观察到白色沉淀可以加入的最佳试剂是_。A.SO2 B.苯 C.NaOH溶液 D.乙醇(2)一定条件下，在CuSO4中加入NH5反应生成氢化亚铜(CuH)。已知NH5是离子化合物且所有原子都达到稀有气体的稳定结构，请写出NH5的电子式： _；写出CuH在过量稀盐酸中有气体生成的离子方程式：_。(3)纳米级Cu2O具有特殊的光学、电学及光电化学性质，在太阳能电池、传感器、超导体等方面有着潜在的应用，研究制备纳米氧化亚铜的方法已成为当前的热点研究之一。方法一：在新制Cu(OH)2浊液中滴入N2H4H2O水溶液，蓝色沉淀逐渐转化为砖红色，同时产生无污染无色气体。写出上述制备过程中的总反应方程式：_。方法二：以铜作阳极，石墨作阴极电解。已知：铜作阳极时，铜先被氧化生成Cu，后Cu继续氧化生成Cu2；在碱性溶液中CuCl浊液易转化为Cu2O。以NaCl和含少量NaOH的溶液作为电解质溶液，电解时阳极区会产生白色沉淀，写出阳极反应方程式：_。电解一段时间后，溶液中可能产生的现象：_，写出转化的离子方程式：_。这样制得的Cu2O中往往含有CuCl，请设计实验证明CuCl的存在：_。答案：(1)B(2)2CuH2H=Cu2Cu2H2(3)4Cu(OH)2N2H4H2O=2Cu2ON27H2OCuCle=CuCl白色沉淀逐渐变为砖红色2CuCl2OH=Cu2OH2O2Cl取试样少量于试管中，加入稀硝酸溶解，再加硝酸银溶液，若生成沉淀，则含有CuCl，若无明显现象，则无CuCl 9.（江西省九所重点中学2018届高三联合考试）二硫化钨(WS2，WS2中W的化合价为4)可用作润滑剂及石油化工领域中的催化剂。由钨铁矿(其主要成分是FeWO4，还含少量Al2O3)制备二硫化钨的工艺流程如下：请回答下列问题：（1）已知：W元素的原子序数是74，请写出W元素在周期表中的位置：_。（2）操作中用到的玻璃仪器有_。（3）写出FeWO4在碱熔过程中发生反应的化学方程式：_。（4）滤渣中主要成分的形成可用离子方程式表示为：_。（5）钨丝灯管中的W在使用过程中缓慢挥发而使灯丝变细，加入碘单质可以延长使用寿命，其原理为：W（s）+2I2（g）WI4（g）下列说法正确的有_。A. 灯管内的I2可以循环使用B. WI4在灯丝上分解，产生的W又在灯丝上沉积C. 温度升高时，WI4的分解速率加快，而W和I2的合成速率减慢 D. WI4在灯管壁上分解，使灯管寿命延长（6）已知常温下，Ksp(CaWO4) =11010，浓度为x mol/L的Na2WO4溶液与浓度为1104 mol/L的CaCl2溶液按体积比2:1混合，产生CaWO4沉淀，则x_。（7）已知生成二硫化钨的化学方程式为：2(NH4)2WS43O22WS24NH32S2SO22H2O，若生成124克WS2，则反应所转移的电子数目为_。代入数值，得出：，解得x4.5106molL1；（7）根据反应方程式，W的化合价由6价4价，O2中O的化合价由0价2价，S的化合价由2价0价、4价，生成WS2的物质的量为124/248mol=0.5mol，根据反应方程式，求出生成S的物质的量为0.5mol，SO2的物质的量为0.5mol，因此转移电子物质的量为(0.520.56)mol=3mol，转移电子的数目为4NA。答案： (1) 第六周期，B族 (2)玻璃棒、漏斗、烧杯 (3) 4FeWO4O28NaOH2Fe2O34Na2WO44H2O(4) AlO2CO22H2O=Al(OH)3HCO3 (5) AB (6) 4.5106 (7) 4NA（或2.4081024）10.（延边州2018届高三质量检测）某工厂的电镀污泥中含有铜、铁等金属化合物。为实现资源的回收利用并有效防止环境污染，设计如下工艺流程：沉淀物Fe(OH)3Fe(OH)2Cu(OH)2开始沉淀的pH2.37.64.4完全沉淀的pH3.29.76.4（1）酸浸后加入H2O2的目的是_。（2）向CuSO4溶液中加入一定量的NaCl、Na2SO3，可以生成白色的CuCl沉淀，写出该反应的离子方程式_。（3）为保证产品的纯度，调节pH的范围为_，调pH值可以选用(填字母)_。a.Cu(OH)2 b.H2SO4 c.NH3H2O d.Na2CO3 e.CuO（4）煮沸硫酸铜溶液的原因是_。（5）CuCl产品中CuCI的质量分数大于96.50%为国家合格标准。称取所制备的CuCl样品0.2500g置于一定量的0.5mol/LFeCl3溶液中，待样品完全溶解后，加水20mL，用0.1000mol/L的Ce(SO4)2溶液滴定，到达终点时消耗Ce(SO4)2溶液24.80mL。有关的化学反应为Fe3+CuCl=Fe2+Cu2+Cl-，Ce4+Fe2+=Fe3+Ce3+。则产品中CuCl的质量分数为_。（6）已知Fe(OH)3能与次氯酸钾碱性溶液发生反应生成具有强氧化性的高铁酸钾(K2FeO4)，高铁酸钾可作为新型多功能水处理剂的原因是_。为:2Cu2+2Cl-+SO32-+H2O=2CuCl+SO42-+2H+；（3）调pH步骤中，由表中数据可知，当溶液的pH值为4.4时,铜离子开始出现沉淀,当溶液的pH值为3.2时,三价铁离子沉淀完全, 所以为保证产品的纯度，调节pH的范围为3.24.4；为保证产品的纯度，加入的试剂最好是加入某种物质消耗溶液中的酸且不引进新的杂质,所以要加入氧化铜、或氢氧化铜、碳酸铜等，所以选a、e；（4）过氧化氢性质比较稳定,若加热到153便猛烈的分解为水和氧气, 煮沸硫酸铜溶液可将溶液中过量的H2O2除去，避免影响下一步CuCl的生成；（5）设样品中CuCl的质量为x,有关的化学反应为:Fe3+CuCl=Fe2+Cu2+Cl,Ce4+Fe2+=Fe3+Ce3+则由化学反应方程式可得:CuClFe2+Fe2+，则n(CuCl)= 24.8mol/L=2.48mol，故样品CuCl的质量为2.48mol99.5g/mol=0.24676g,所以该样品CuCl的质量分数为=98.70%；（6）K2FeO4具有强氧化性所以能杀菌消毒，高铁酸钾自身被还原为Fe3+，Fe3+与水反应时生成Fe（OH）3（胶体），Fe(OH)3胶体能吸附水中悬浮杂质而沉降，具有净水作用。答案是: K2FeO4具有强氧化性，能杀菌消毒；消毒过程中自身被还原为Fe3+，Fe3+水解生成Fe(OH)3胶体能吸附水中悬浮杂质而沉降。答案：(1) 将Fe2+氧化成Fe3+ (2) 2Cu2+2Cl-+SO32-+H2O=2CuCl+SO42-+2H+ (3)3.2pH4.4(3.2pH4.4) a、e (4) 除净溶液中的H2O2，避免影响下一步CuCl的生成(5)98.70% (6) K2FeO4具有强氧化性，能杀菌消毒；消毒过程中自身被还原为Fe3+，Fe3+水解生成Fe(OH)3胶体能吸附水中悬浮杂质而沉降11.为探究铜与稀硝酸反应的产物及影响反应速率的主要因素，进行如下实验。【实验一】探究铜和稀硝酸反应的产物。实验装置如图所示，气密性已检查。已知：FeSO4NO=Fe(NO)SO4该反应较慢，待生成一定量Fe(NO)2时，突显明显棕色。(1)实验开始时先将Y形试管向盛有碳酸钙的支管倾斜，然后向其中缓慢滴入稀硝酸，该实验操作的目的是_。(2)铜片和稀硝酸反应的化学方程式为_。(3)若Y形试管中产生的气体有NO2，B中的实验现象为_；若Y形试管中产生的气体只有NO，B中的实验现象是_。【实验二】探究铜和稀硝酸反应速率先慢后快的原因。经过实验一，测得硝酸的浓度小于6 molL1时，只有NO生成。当铜片与5 molL1硝酸反应，开始时反应非常缓慢，一段时间后反应速率明显加快。为探究此反应的反应速率先慢后快的原因，进行如下探究。探究一：研究反应过程中温度变化对反应速率的影响，实验所得现象记录如表所示。时间/min现象015铜表面出现气泡，但速度很慢25溶液有很浅的蓝色，气泡生成速度加快30气泡生成速度较快，均匀冒出45洗气瓶中可见少量淡棕色的物质50溶液中蓝色明显变深，洗气瓶中突显明显棕色铜和稀硝酸的反应温度与时间的关系曲线(4)分析上述图表信息可得到的结论是_。探究二：研究化学反应产物对反应速率的影响某同学设计了如下实验，利用实验一的装置测定溶液突显明显棕色的时间。序号温度/ 铜片/g硝酸/mL硝酸铜/g1252255200.53255201.0(5)请将表中的实验条件填写完整：_；_；_。(6)通过实验发现实验1、2、3的反应速率并无明显变化，为达到实验目的还需要继续进行的实验是_。答案：(1)利用生成的CO2将整个装置内的空气赶尽，避免NO和O2反应生成NO2对气体产物的观察产生干扰(2)3Cu8HNO3(稀)=3Cu(NO3)22NO4H2O(3)溶液显红色溶液显棕色(4)反应溶液温度升高不是使反应速率加快的主要因素(5)5200(6)研究NO对反应速率的影响
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