2022届高考化学（人教版）一轮总复习学案：第8讲　用途广泛的金属材料和开发利用金属矿物 Word版含解析

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第8讲　用途广泛的金属材料和开发利用金属矿物
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考试要求：1.了解合金的概念及其重要应用。2.了解Cu及其重要化合物的性质及制备方法。3.能说明常见金属元素及其化合物的应用(如金属冶炼等)对社会发展的价值、对环境的影响。了解常见金属的活动性顺序和常见金属的冶炼方法。4.了解铝、氧化铝、氢氧化铝的主要性质及其应用。
名师点拨：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、提纯以及在日常生活、生产中的应用为主。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是考查的热点。
考点一　合金及金属材料、铜及其化合物
核心知识梳理
1．合金

2．常见金属材料
(1)分类。

(2)常见合金材料。

②铜合金

③铝合金：密度_小__，强度高，塑性好、易于加工。应用于建筑业、容器包装业、交通运输业等。
3．铜的性质
(1)物理性质：铜是_紫红__色金属，具有良好的_导电__性、_导热__性和延展性。
(2)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_2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2(OH)2CO3__
②_2Cu＋SCu2S__

4．铜的重要化合物
(1)氢氧化铜——_蓝__色难溶物，是一种弱碱。

(2)铜盐。
①Cu2(OH)2CO3。
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)2CO32CuO＋CO2↑＋H2O__，可溶于稀硫酸，离子方程式：_Cu2(OH)2CO3＋4H＋===2Cu2＋＋CO2↑＋3H2O__。
②CuSO4。
_蓝__色的硫酸铜晶体受热分解为白色的硫酸铜粉末，化学方程式为_CuSO4·5H2OCuSO4＋5H2O__。
③铜盐的毒性。
铜盐溶液有毒，主要是因为铜离子能与蛋白质作用，使蛋白质变性失去_生理活性__，因此人们利用这一性质用胆矾、熟石灰、水配成了波尔多液，用来杀灭植物的病毒。

特别提醒
(1)通常利用反应2Cu＋O22CuO除去混合气体中的少量O2。
(2)铜为变价金属，与Cl2反应生成CuCl2，与S反应生成Cu2S，由此可知氧化性：Cl2>S。
(3)Cu与稀硫酸不反应，但在通入O2的条件下，Cu可在稀硫酸中逐渐溶解：2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O。
(4)无水CuSO4只能作为检验水的试剂，不能作为水蒸气的吸收试剂而用于除杂。
5．铜的冶炼
(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＋4O2Cu2S＋3SO2＋2FeO(炉渣)
2Cu2S＋3O22Cu2O＋2SO2
2Cu2O＋Cu2S6Cu＋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，铜在阳极上失电子变为Cu2＋，用纯铜棒作阴极，Cu2＋在阴极上得电子生成铜。
6．废铜综合利用常见化工流程

基础小题自测
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)任何金属都能形成合金。(　×　)
(2)钢与纯铁比较，钢不易生锈。(　×　)
(3)不锈钢、硬铝都是合金，青铜是铜单质，不属于合金。(　×　)
(4)高温铝易被氧化，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼。(　√　)
(5)利用反应Cu2S＋O22Cu＋SO2制取粗铜，反应中被氧化的元素是Cu。(　×　)
(6)CuSO4变成CuSO4·5H2O是物理变化。(　×　)
(7)将铁片和铜片用导线连接后置于稀H2SO4中，铜片上有气泡产生，说明铜比铁活泼。(　×　)
(8)铜比铝先获得成功冶炼的原因是铜矿较易被还原，铝矿很难被还原。(　√　)
(9)利用无水硫酸铜遇水变成蓝色这一性质，来检验水的存在。(　√　)
(10)CuCO3是铜锈的主要成分，可用盐酸除去铜锈。(　×　)
(11)Cu2(OH)2CO3是铜锈的主要成分，在干燥的空气中不易生成。(　√　)
(12)过量的铜与浓硝酸反应一定没有一氧化氮生成。(　×　)
(13)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。(　√　)
(14)将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干，得到无水CuCl2固体。(　×　)
[提示]　CuCl2水解，加热蒸干得到Cu(OH)2，灼烧后得到CuO。
(15)将铜丝在空气中加热至红热后迅速伸入装有乙醇的试管中，可闻到刺激性气味。(　√　)
[提示]　铜丝在空气中加热生成CuO，CuO与乙醇生成有刺激性气味的乙醛。
(16)将铜丝插入浓硫酸加热，反应后把水加入反应器中，观察硫酸铜溶液的颜色。(　×　)
(17)将铜粉加入1.0 mol·L－1 Fe2(SO4)3溶液中，现象是溶液变蓝，有黑色固体出现。(　×　)
2．某研究小组用废铜粉制取胆矾，设计了如下几个实验方案：
(1)CuCuSO4硫酸铜溶液CuSO4·5H2O。
(2)CuCuO硫酸铜溶液CuSO4·5H2O。
(3)硫酸铜溶液CuSO4·5H2O。
对三个方案进行评价，你认为最好的是哪个方案？
[提示]　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。
3．深度思考：
(1)下表中是四种金属的熔、沸点数据：
金属
Na
Al
Cu
Fe
熔点/℃
97.81
660
1 038
1 535
沸点/℃
883
2 467
2 567
2 750
①根据表中数据，归纳两种金属不能形成合金的有哪些组合？
②概括出能形成合金的两种金属应具备的条件。
(2)黄铜和金的颜色均为黄色，如何鉴别？
(3)波尔多液是一种杀菌剂，它是由CuSO4、生石灰和水按一定比例配制而成的天蓝色胶状悬浊液，其杀菌的可能原因是什么？
(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]　(1)①Na—Cu，Na—Fe
②要形成合金，各成分都要有共同的液态温度范围，即合金中一种金属的熔点要高于另一种金属的熔点而低于它的沸点。
(2)①测密度　②是否溶于稀硝酸　③测硬度
(3)CuSO4是重金属盐，能使蛋白质变性。
(4)铜与浓硫酸反应生成硫酸铜、二氧化硫和水，化学方程式为Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O；将热空气通入到铜和稀硫酸的混合物中发生反应2Cu＋O22CuO，CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O。(或2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O)两种方法相比较，前一种方法会产生有毒的SO2气体，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，一般采用第二种方法。
考点突破提升
微考点1　合金及金属材料
典例1 (2021·广西南宁模拟)已知Cu、Ag都能溶解在硝酸中，某同学设计如下实验测量m g铜银合金样品中铜的质量分数。

下列说法中正确的是(　D　)
A．被还原的硝酸为 mol
B．操作Ⅰ所用到的玻璃仪器是烧杯、蒸发皿、玻璃棒
C．操作Ⅱ为蒸发
D．铜的质量分数为×100%
[解析]　用排水法收集气体，NO2能与水反应生成NO，故不能判断金属与硝酸反应生成的是NO还是NO2或NO与NO2的混合气体，则被还原的硝酸不一定为 mol，故A项错误；操作Ⅰ为过滤，过滤操作用到的主要玻璃仪器为烧杯、漏斗、玻璃棒，不需要蒸发皿，故B项错误；由流程图可知，溶液中加入氯化钠，将银离子转化为氯化银沉淀，通过测定氯化银沉淀的质量，计算银的质量，进而计算铜的含量，操作Ⅱ是在过滤之后，烘干之前，由于过滤后的氯化银附着一些离子，应洗涤干净，防止影响氯化银的质量测定，所以操作Ⅱ应为洗涤，故C项错误；氯化银的质量为ω g，所以合金中银的质量为ω g×＝ g，所以合金中铜的质量分数为×100%＝×100%，故D项正确。
〔对点集训1〕(2021·山东滨州高三检测)某铝合金中含有元素镁、铜、硅，为了测定该合金中铝的含量，设计了如下实验，请回答有关问题：
(1)称取样品a g，称量时应该使用的主要仪器的名称是_托盘天平__。
(2)将样品溶解于足量的稀盐酸中，过滤并洗涤。滤液中主要含有_MgCl2、AlCl3、HCl__，滤渣中含有_Cu、Si__，溶解、过滤用到的玻璃仪器是_烧杯、玻璃棒、普通漏斗__。
(3)滤液中加过量氢氧化钠溶液、过滤。有关反应的离子方程式是_Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓、Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O__。
(4)步骤(3)的滤液中通入足量二氧化碳气体，过滤。有关反应的离子方程式是_AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO__。
(5)步骤(4)过滤后的滤渣用蒸馏水洗涤数次，烘干并灼烧至恒重，冷却后称量，其质量为b g。有关反应的化学方程式是_2Al(OH)3Al2O3＋3H2O__。原样品中铝的质量分数是_×100%__。
(6)若步骤(3)中加入氢氧化钠的量不足，则实验结果_偏低__(填“偏高”“偏低”或“不影响”，下同)；若步骤(5)中滤渣没有洗涤，则实验结果_偏高__；若滤渣灼烧不充分，则实验结果_偏高__。
萃取精华：
合金的性能、组成小结

①构成合金的成分不一定是两种或两种以上的金属，也可以是金属与非金属，合金中一定含金属元素。合金一定是混合物。
②常温下，多数合金是固态，但钾、钠合金呈液态。
③合金的性质不是各成分金属的性质之和。合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加和；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。
定量测定合金组成的方法

微考点2　铜及其化合物的性质和应用
典例2 (1)(2021·云南大理模拟)已知酸性条件下有如下反应：2Cu＋===Cu2＋＋Cu。由于反应温度不同，用氢气还原氧化铜时，可能产生Cu或Cu2O，两者都是红色固体。一同学对某次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体产物作了验证，实验操作和实验现象记录如下：
加入试剂
稀硫酸
浓硫酸、加热
稀硝酸
浓硝酸
实验
现象
有红色固体
剩余和溶液
变为蓝色　
产生无色
气体
产生无色气
体和溶液变
为蓝色　　
产生红棕色
气体和溶液
变为绿色　
由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物(　D　)
A．是Cu
B．是Cu2O
C．一定有Cu，一定有Cu2O
D．一定有Cu2O，可能有Cu
[解析]　浓硫酸(加热)、硝酸均能氧化Cu或Cu2O；而稀硫酸与Cu不反应，与Cu2O反应，根据实验现象分析，一定有Cu2O，可能有Cu，D项正确。
(2)(2021·山东潍坊高三检测)各物质之间的转换关系如图所示，部分生成物省略。C、D是由X、Y、Z中两种元素组成的化合物，X、Y、Z的原子序数依次增大，在周期表中X的原子半径最小，Y、Z原子最外层电子数之和为10。D为无色非可燃性气体，G为黄绿色单质气体，J、M为金属，I有漂白作用，反应i常用于制作印刷电路板。

请回答下列问题：
①写出A的化学式_Cu2(OH)2CO3[Cu(OH)2·CuCO3]或CuCO3__，C的电子式_H︰︰H__。
②比较Y与Z的原子半径大小_C__>_O__(填写元素符号)。
③已知F溶于稀硝酸，溶液变成蓝色，并放出无色气体。请写出该反应的化学方程式_3Cu2O＋14HNO3===6Cu(NO3)2＋2NO↑＋7H2O__。
[解析]　①X在周期表中的原子半径最小，X为H，“C、D是由X、Y、Z中两种元素组成的化合物，Y、Z原子最外层电子数之和为10，X、Y、Z的原子序数依次增大，D为无色非可燃性气体”可以确定Z为氧，Y为碳，C为H2O，D为CO2，C(H2O)与G(黄绿色单质气体——氯气)反应生成H和I，I有漂白作用应该是次氯酸，因此H为HCl，从A＋H(HCl)―→B(CuCl2)＋C(H2O)＋D(CO2)可知，A是含Cu2＋的碳酸盐或是碱式碳酸盐，所以A是Cu2(OH)2CO3[Cu(OH)2·CuCO3]或CuCO3，C为H2O，H2O的电子式为H︰︰H。
②Y与Z分别是C、O，依据同周期元素原子半径从左到右依次减小判断，原子半径：C>O。
③F(Cu2O)＋HNO3―→Cu(NO3)2(从蓝色可确定为Cu2＋)＋NO(从无色气体确定)，然后根据化合价升降法配平即可，化学方程式为3Cu2O＋14HNO3===6Cu(NO3)2＋2NO↑＋7H2O。
萃取精华：
区别红色物质Cu和Cu2O的方法
向红色物质中加入稀硫酸，若溶液由无色变成蓝色，则该红色物质为Cu2O，否则为Cu。反应的化学方程式为Cu2O＋H2SO4===CuSO4＋Cu＋H2O。
铜与不同氧化剂反应的产物小结

〔对点集训2〕(1)(2021·江西南昌调研)将一定量的铜粉加入到0.5 L 0.3 mol·L－1 Fe2(SO4)3和0.1 mol·L－1 H2SO4的混合溶液中，铜粉完全溶解后，得到溶液X。下列说法正确的是(　C　)
A．溶液X中Cu2＋与Fe2＋的物质的量之比为2︰1
B．向溶液X中滴加KSCN溶液，未变红色，则加入铜粉质量为12.8 g
C．向溶液X中加入足量铁粉，充分反应后，铁粉质量减少11.2 g
D．向溶液X中加入0.18 L 5 mol·L－1 NaOH溶液可使溶液中的金属离子完全沉淀
[解析]　由于发生反应Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，所得溶液中Cu2＋和Fe2＋的物质的量之比为1︰2，故A错误；向溶液X中滴加KSCN溶液，未变红色，说明Fe3＋已完全反应，n(Fe3＋)＝0.5 L×0.3 mol·L－1×2＝0.3 mol，根据Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋可知消耗Cu的物质的量为0.15 mol，m(Cu)＝0.15 mol×64 g·mol－1＝9.6 g，故B错误；向溶液X中加入足量铁粉，由于Fe3＋的氧化性最强，所以Fe先与Fe3＋反应，再置换出Cu，最后和酸反应，因为铁粉足量，相当于铁和原来的Fe3＋、H＋反应，与加入的Cu的量无关，n(Fe3＋)＝0.5 L×0.3 mol·L－1×2＝0.3 mol，n(H＋)＝0.1 mol·L－1×0.5 L×2＝0.1 mol，发生反应Fe＋2Fe3＋===2Fe2＋，消耗Fe的物质的量为0.15 mol，发生Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，消耗Fe 0.05 mol，共消耗Fe的物质的量为0.15 mol＋0.05 mol＝0.20 mol，充分反应后，Fe粉减少0.2 mol×56 g·mol－1＝11.2 g，故C正确；铜完全溶解时，溶液中可能存在的Fe2＋、Cu2＋、H＋三种离子，或者是可能存在Fe3＋、Fe2＋、Cu2＋、H＋，沉淀完全后，溶液的溶质为硫酸钠，n(SO)＝0.5 L×0.3 mol·L－1×3＋0.5 L×0.1 mol·L－1＝0.5 mol，即n(Na＋)＝1 mol，所以需要NaOH 1 mol，若加入0.18 L 5 mol·L－1 NaOH溶液，NaOH的物质的量为0.18 L×5 mol·L－1＝0.9 mol，所以NaOH的量不足，故D错误。
(2)(2021·经典习题选萃)CuSO4是一种重要的化工原料，其有关制备途径及性质如图所示，其中混合气体X中的一种组分为空气质量报告中的重要指标。下列说法不正确的是(　B　)

A．对于途径①、②、③，途径②更好地体现了绿色化学思想
B．途径①所用混酸中H2SO4与HNO3的物质的量之比最好为2︰3
C．Y具有还原性
D．1 mol CuSO4在1 100 ℃完全反应所得混合气体X中SO3可为0.5 mol
[解析]　途径①涉及的反应为3Cu＋2NO＋8H＋===3Cu2＋＋4H2O＋2NO↑；途径②涉及反应为2Cu＋2H2SO4＋O22CuSO4＋2H2O；途径③涉及反应Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O；相对于途径①、③，途径②无污染性气体产生，途径①有NO产生，途径③有SO2产生，所以途径②更好地体现了绿色化学思想，故A项正确，不符合题意；途径①涉及反应3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，NO由硝酸提供，H＋由硝酸和硫酸共同提供，所以若硝酸为2 mol，则硫酸为＝3 mol，所以混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为3︰2，故B项错误，符合题意；Y与氢氧化铜的悬浊液反应生成氧化亚铜，铜元素由＋2价降低到＋1价；被还原，则Y具有还原性，故C项正确，不符合题意；据图可知，CuSO4在1 100 ℃分解产生Cu2O和混合气体X，Cu2O为化合价降低的产物，则混合气体X中一定有化合价升高的产物，则一定含有O2，混合气体X中的一种组分为空气质量报告中的重要指标，可知混合气体中有SO2，根据原子守恒，CuSO4在1 100 ℃分解的方程式可能为2CuSO4Cu2O＋SO2↑＋SO3↑＋O2↑，则1 mol CuSO4在1 100 ℃完全分解，所得混合气体X中SO3为0.5 mol，故D项正确，不符合题意。
(3)(2021·经典习题选萃)铜是人类发现最早并广泛使用的一种金属。回答下列问题：
①实验室使用稀硫酸和H2O2溶解铜片，该反应的化学方程式为_Cu＋H2O2＋H2SO4===CuSO4＋2H2O__。
②电子工业使用FeCl3溶液刻蚀印刷电路板铜箔，写出该过程的离子方程式_Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋__。配制的FeCl3溶液应保持_酸性__(填“酸性”“碱性”或“中性”)，原因是_抑制Fe3＋水解生成Fe(OH)3__。
③溶液中Cu2＋的浓度可采用碘量法测得：
A．2Cu2＋＋5I－===2CuI↓＋I；
B．I＋2S2O===S4O＋3I－
反应A中的氧化剂为_Cu2＋__。现取20.00 mL含Cu2＋的溶液，加入足量的KI充分反应后，用0.100 0 mol·L－1的Na2S2O3标准溶液滴定至终点，消耗Na2S2O3溶液25.00 mL，此溶液中Cu2＋的浓度为_0.125__mol·L－1。
[解析]　①实验室使用稀硫酸和H2O2溶解铜片，反应中Cu被氧化为CuSO4，则发生反应的化学方程式为Cu＋H2O2＋H2SO4===CuSO4＋2H2O。
②电子工业使用FeCl3溶液刻蚀印刷电路板铜箔，即Fe3＋将Cu氧化为Cu2＋，自身被还原为Fe2＋，所以该过程中发生的反应为Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，FeCl3溶液中存在水解平衡：Fe3＋＋3H2OFe(OH)3＋3H＋，因此配制的FeCl3溶液应保持溶液酸性，抑制Fe3＋水解。
③根据反应A.2Cu2＋＋5I－===2CuI↓＋I，Cu的化合价由＋2价降低到＋1价，可知氧化剂为Cu2＋。取20.00 mL含Cu2＋的溶液，加入足量KI充分反应后，用0.100 0 mol·L－1Na2S2O3标准溶液滴定至终点，消耗Na2S2O3溶液25.00 mL，发生反应：I＋2S2O===S4O＋3I－，则消耗n(I)＝×0.100 0 mol·L－1×25.00×10－3L＝1.25×10－3mol，根据碘元素守恒和化学计量关系，则20.00 mL溶液中c(Cu2＋)＝ mol·L－1＝0.125 mol·L－1。
萃取精华：
铜及其化合物的颜色及转化关系

考点二　铝及其化合物的主要性质
核心知识梳理
1．铝
(1)铝的结构和存在
铝位于元素周期表_第3周期ⅢA族__，原子结构示意图为___。铝是地壳中含量最多的金属元素。自然界中的铝全部以_化合态__的形式存在。
(2)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_传热__性等，密度较_小__，质地_柔软__。
(3)铝的化学性质

(4)工业上电解熔融Al2O3制备Al：___

特别提醒
(1)镁、铝的特殊化学性质
①铝是活泼金属，但抗腐蚀性能强，原因是常温下Al与O2反应生成一层致密的氧化物薄膜而防止内部金属进一步被氧化。铝能与酸(H＋)反应，是属于活泼金属的通性；铝能与碱溶液反应，是铝表现出来的特殊性。
②铝与某些金属氧化物可发生铝热反应，铝热反应可用于焊接金属、冶炼高熔点的贵重金属，但Al与MgO不能发生铝热反应，原因是Mg的活泼性强于Al。
③镁在空气中燃烧除了与O2反应产生MgO外，还与N2反应产生Mg3N2，与CO2反应生成C和MgO。
④由于Mg能够在CO2中燃烧，所以镁着火时不能用干冰灭火器和泡沫灭火器灭火。
(2)铝与酸、碱反应生成氢气的量的关系
①等物质的量的Al分别与足量的非氧化性酸(H＋)和碱(OH－)反应，生成H2的物质的量之比为1︰1，消耗H＋和OH－的物质的量之比为3︰1。
②足量的Al分别与含等物质的量的H＋和OH－的溶液反应，生成H2的物质的量之比为1︰3。
③等质量的铝分别与等物质的量的强酸和强碱溶液反应，若两种反应产生H2的体积之比为