2024届高考化学一轮复习专题3第14讲金属材料与金属矿物的开发利用基础学案

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金属材料与金属矿物的开发利用
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：合金具有许多优良的物理、化学或机械性能。
①熔点：一般比它的各成分金属的低；
②硬度和强度：一般比它的各成分金属的大。
①合金是混合物，合金的物理性质相比于成分金属有所改变，但合金中各成分金属的化学性质不变。
②并非所有的金属都能相互熔合形成合金，若一种金属的熔点高于另一种金属的沸点，则二者不能形成合金。
2．常见金属材料——黑色金属材料与有色金属材料
(2)铝合金：密度小，强度高，塑性好，易于加工，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。
(3)新型合金
①储氢合金eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(概念：吸收大量H2，并与H2结合成金属氢, 化物的材料,特点：储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍, 加热又容易分解，室温下吸、放氢的, 速率快,示例：Ti­Fe合金和La­Ni合金))
②其他：钛合金、耐热合金、形状记忆合金等。
合金钢也叫特种钢，是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种特殊性能。如超级钢就是含Mn 10%、C 0.47%、Al 2%、V 0.7%的合金钢，强度很大。
3．金属矿物的开发利用
(1)金属在自然界中的存在形式
(2)金属冶炼的实质
Mn＋＋ne－===M
①使金属化合物中的金属离子得电子还原为金属单质。
②化合态转化为游离态。
(3)金属的常见冶炼方法
①电解法
Na：2NaCl(熔融)eq \(=====,\s\up9(通电))2Na＋Cl2↑；
Mg：MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up9(通电))Mg＋Cl2↑；
Al：2Al2O3(熔融)eq \(======,\s\up9(通电),\s\d8(冰晶石))4Al＋3O2↑。
②热还原法：常用还原剂有焦炭、CO、H2、Al等
高炉炼铁：3CO＋Fe2O3eq \(=====,\s\up9(△))2Fe＋3CO2；
铝热反应制铬：2Al＋Cr2O3eq \(=====,\s\up9(高温))2Cr＋Al2O3；
焦炭还原铜：C＋2CuOeq \(=====,\s\up9(高温))2Cu＋CO2↑。
③热分解法
Hg：2HgOeq \(=====,\s\up9(△))2Hg＋O2↑；
Ag：2Ag2Oeq \(=====,\s\up9(△))4Ag＋O2↑。
(4)合理开发利用金属矿物的主要途径
①提高金属矿物的利用率，②开发环保高效的金属冶炼方法，③防止金属的腐蚀，④加强废旧金属的回收和再利用，⑤使用其他材料代替金属材料，等等。
①金属冶炼与金属活动性的关系：
②冶炼Mg时电解熔融MgCl2而不电解熔融MgO，原因是MgO的熔点高，熔融时会耗费更多能源，增加生产成本。
③冶炼Al时只能电解熔融Al2O3而不能电解熔融AlCl3，原因是AlCl3是共价化合物，熔融态不导电；加入冰晶石(Na3AlF6)的目的是降低Al2O3的熔化温度。
1．用于火箭发动机、航天飞机制动闸的金属，要有良好的热学性能，如熔点高、比热高、热导率高、适宜的热膨胀率等优异性能。根据下表数据，用于制造制动闸的最佳金属材料为( )
D [根据表中数据可知熔点最高的金属是D，比热最高的也是D，热导率和热膨胀率D不是最高，但相对比较适宜。综合考虑对所需金属的性能要求，D金属是用于制造制动闸的最佳金属材料。]
2．不同的金属在冶炼方法上也有所不同，下列说法正确的是( )
A．钒、铬、锰、铁等难熔金属通常采用铝热反应法炼制
B．铝及其合金是生产、生活中广泛使用的材料，因为铝的冶炼方法比较简单
C．由于钠、镁、铝等金属化学性质太活泼，人们通常采用电解熔融状态下的氯化物的方式来获取它们的单质
D．炼铁时加入的焦炭除了提供热量外，还用来制还原剂一氧化碳
D [A项，铁通常用CO还原法炼制，错误；B项，是因为Al有良好的性能，才被广泛使用，错误；C项，氯化铝是共价化合物，熔融时不导电，工业上用电解氧化铝方法制取铝，错误；D项，高炉炼铁中焦炭的作用为与氧气反应产生热量和制还原剂一氧化碳，正确。]
3．放在手心就能熔化的稀有金属镓，其沸点为2 403 ℃，更奇妙的是镓熔化后在－120 ℃仍不易凝固；在常温下几乎不与氧气和水反应，但能溶于强酸和强碱；与其他金属熔合可改善合金性能；与硫、硒等非金属化合可生成优质的半导体材料。下列有关镓的性质和用途的叙述错误的是( )
A．镓的熔点高
B．镓的性质与铝类似
C．镓能够与盐酸反应生成气体
D．镓可与多种金属形成合金
A [从题给信息可知镓的熔点低但沸点很高，这说明它很易与其他金属熔合在一起形成合金。]
4．明末科学家宋应星出版的《天工开物》中记载了有关“五金”的内容：“……黄金美者，其值去黑铁(生铁)一万六千倍，然使釜、鬵(xín，一种炊具)、斤(这里指菜刀、镰刀、锄头等)、斧不呈效于日用之间……贸迁有无，……”，下列解释正确的是( )
A．明代使用的釜、鬵一类的炊具都属于青铜合金
B．添加了铬、镍的不锈钢菜刀和农具使用后即使不保养，也不会生锈
C．金属的另一个用途就是铸成钱币作为贸易交往中的流通手段
D．黑铁在空气中发生的腐蚀主要是化学腐蚀
C [明代使用的釜、鬵一类的炊具都属于铁合金，故A错误；不锈钢制作就是在普通钢中添加铬、镍等元素改变了钢铁内部结构，不锈钢不容易生锈，家里用的农具是铁合金，如果没及时洗干净后晾干，铁能与氧气、水同时接触，容易发生电化学腐蚀，容易生锈，故B错误；金属可以用来铸成钱币作为贸易交往中的流通手段，故C正确；生铁的腐蚀主要是析氢腐蚀和吸氧腐蚀，属于电化学腐蚀，故D错误。]
有些活动性很强的金属也可以用还原法来冶炼，如Na＋KCleq \(=======,\s\up9(850 ℃))K↑＋NaCl、2RbCl＋Mgeq \(===========,\s\up9(700～800 ℃))MgCl2＋2Rb↑等，主要运用了化学平衡移动原理，利用K、Rb沸点低，汽化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方向进行。
铝、镁及其化合物
一、铝及其化合物
1．铝的存在与主要性质
(1)铝的结构和存在
铝位于元素周期表第三周期第ⅢA族，原子结构示意图为 。铝元素在地壳中含量丰富，仅次于氧、硅。自然界中的铝全部以化合态存在。
(2)铝的主要化学性质
③Al与碱液(NaOH)：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。
④Al与CuSO4溶液：2Al＋3CuSO4===3Cu＋Al2(SO4)3。
⑤铝热反应
a．原理：利用Al的还原性较强，高温下把金属氧化物中的金属置换出来。
b．应用：冶炼难熔金属，如Cr、Mn、V、W、Cu、Fe等；金属焊接，如野外焊接钢轨等。
2．铝的重要化合物
(1)铝的氧化物(Al2O3)——两性氧化物
①两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。
②Al2O3的两性表现
(2)铝的氢氧化物[Al(OH)3]——两性氢氧化物
①两性氢氧化物：与酸或强碱均能反应生成盐和水的氢氧化物。
②Al(OH)3的两性表现
③Al(OH)3受热分解：2Al(OH)3eq \(=====,\s\up9(△))Al2O3＋3H2O。
(3)铝盐——明矾
①化学式为KAl(SO4)2·12H2O，为复盐。
②电离方程式为KAl(SO4)2===K＋＋Al3＋＋2SOeq \\al(2－,4)。
③应用：净水，净水原理为明矾电离出的Al3＋在水中水解生成Al(OH)3胶体，吸附水中悬浮物而沉淀，使水净化，其离子方程式为Al3＋＋3H2OAl(OH)3(胶体)＋3H＋。
(4)偏铝酸盐——偏铝酸钠
①向NaAlO2溶液中滴加盐酸至过量，反应现象为先生成白色沉淀，然后沉淀又逐渐溶解至消失，反应的有关离子方程式为AlOeq \\al(－,2)＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓，Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O。
②向NaAlO2溶液中通入少量CO2，反应的离子方程式为2AlOeq \\al(－,2)＋CO2＋3H2O===2Al(OH)3↓＋COeq \\al(2－,3)。
二、镁及其化合物
1．镁的性质
(1)物理性质：具有银白色金属光泽的固体，密度、硬度均较小，熔点较低，有良好的导电、传热和延展性。
(2)化学性质(写出有关反应的化学方程式或离子方程式)
②2Mg＋CO2eq \(=====,\s\up9(点燃))2MgO＋C
③Mg＋2H2Oeq \(=====,\s\up9(△))Mg(OH)2＋H2↑
④Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑
2．镁的重要化合物[MgO和Mg(OH)2]
MgO和Mg(OH)2均难溶于水，不与水反应，均与H＋反应，常用于除去含Mg2＋溶液中的杂质Fe3＋。
3MgO＋3H2O＋2Fe3＋===2Fe(OH)3＋3Mg2＋
3Mg(OH)2＋2Fe3＋===2Fe(OH)3＋3Mg2＋
1．(2022·宿迁一模)菱镁矿(主要成分为MgCO3，还含有少量SiO2、Al2O3)制备MgO的流程如图。下列说法正确的是( )
A．步骤(Ⅰ)得到的滤渣主要成分为SiO2
B．步骤(Ⅱ)发生的反应有2个
C．步骤(Ⅲ)操作可在蒸发皿中进行
D．滤液Y中加入足量氨水可得到白色沉淀
A [菱镁矿中加入盐酸，SiO2不与盐酸反应，则滤渣为SiO2，滤液X中加入足量NaOH溶液，生成氢氧化镁沉淀和偏铝酸钠，滤液Y为偏铝酸钠溶液，氢氧化镁灼烧生成氧化镁。A.菱镁矿主要成分为MgCO3，还含有少量SiO2、Al2O3等，加入足量盐酸，过滤，滤渣是SiO2，A正确；B.滤液X中含有的阳离子主要有Mg2＋、Al3＋、H＋，加入足量NaOH溶液后，发生的反应至少有3个，B错误；C.步骤(Ⅲ)灼烧在坩埚中进行，C错误；D.滤液Y主要成分为NaAlO2，加入足量氨水无法生成白色沉淀，D错误。]
2．(2022·南京模拟)Ti具备优良的抗腐蚀性，被称为未来金属，工业上可以采用铁热还原法高温制备，工艺流程如图，已知：MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up9(通电))Mg＋Cl2↑，下列说法错误的是( )
A．Mg的循环使用可以提高原料利用率，降低成本
B．热还原的化学方程式为TiCl4＋2Mgeq \(=====,\s\up9(高温))Ti＋2MgCl2
C．Ti和Mg高温下化学性质非常活泼，镁还原需在惰性气体中进行
D．整个工艺流程中，Cl元素化合价始终不变
D [由流程可知，热还原反应为四氯化钛和镁高温生成钛和氯化镁，真空蒸馏分离出氯化镁、镁得到海绵钛，氯化镁电解可以生成镁单质和氯气。A.Mg的循环使用可以提高原料利用率，降低化工生成的成本，A正确；B.由流程可知，热还原反应为四氯化钛和镁高温生成钛和氯化镁，化学方程式为TiCl4＋2Mgeq \(=====,\s\up9(高温))Ti＋2MgCl2，B正确；C.Ti和Mg高温下化学性质非常活泼，容易和空气中氧气反应，故镁还原需在惰性气体中进行，C正确；D.电解氯化镁生成镁和氯气，Cl元素化合价由－1价变为0价，D错误。]
3．明矾[KAl(SO4)2·12H2O]是一种复盐，在造纸等方面应用广泛。采用废易拉罐制备明矾的过程如图所示。下列叙述错误的是( )
A．合理处理易拉罐有利于环境保护和资源再利用
B．从易拉罐中可回收的金属元素有Al、Fe
C．“沉淀”反应的金属离子为Fe3＋
D．上述流程中可用NaHSO4代替NaHCO3
D [NaHSO4电离出的H＋能溶解Al(OH)3，不能得到Al(OH)3，D错误。]
4．铝具有外观漂亮，不易被腐蚀，质轻等优点，目前在国际市场上的应用越来越广泛。
(1)可以用电镀法在钢制品上电镀铝，为测定镀层厚度，用NaOH溶液溶解钢制品表面的铝镀层。
①Al在元素周期表中的位置是________。
②写出NaOH溶液溶解钢制品表面的铝镀层的离子方程式为___________________________________________________________________。
③钢制品上电镀铝的电镀装置中钢制品位于电镀池的________极。
(2)如图是实验室模拟铝厂从铝土矿(主要成分为Al2O3，还含有少量SiO2、Fe2O3等杂质)中提取Al2O3并制取Al的流程：
①用NaOH溶解过程中，通常将铝土矿粉碎，其目的是___________________________________________________________________。
②“溶解”时，SiO2与NaOH溶液反应生成的硅酸钠与溶液中偏铝酸钠发生反应：2Na2SiO3＋2NaAlO2＋2H2O===Na2Al2Si2O8↓＋4NaOH，“赤泥”的主要成分为________________(写出化学式)。
③“酸化”时，通入过量CO2与NaAlO2反应，写出该反应化学方程式为___________________________________________________________________。
④过滤需要的玻璃仪器有_________________________________________。
(3)电解是电解熔融的Al2O3，电解过程中阴极的电极反应式为____________________________________________________________________。
[解析] 铝土矿主要成分为Al2O3，还含有少量SiO2 、Fe2O3等杂质，加入氢氧化钠溶液，Al2O3转化为偏铝酸盐、二氧化硅转化为Na2Al2Si2O8沉淀、氧化铁不反应，过滤去除固体得到滤液通入二氧化碳得到氢氧化铝沉淀，灼烧生成氧化铝，电解得到铝和氧气。(1)①Al为13号元素，在元素周期表中的位置是第三周期ⅢA族。②NaOH溶液溶解钢制品表面的铝镀层的反应为铝和氢氧根离子生成偏铝酸根离子和氢气，离子方程式：2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑。③钢制品上电镀铝的电镀装置中钢制品位于电镀池的阴极，发生还原反应生成铝镀层。(2)①用NaOH溶液溶解过程中，通常将铝土矿粉碎，其目的是增加接触面积，加快反应速率。②铝土矿主要成分为Al2O3，还含有少量SiO2 、Fe2O3等杂质，已知“溶解”时，SiO2与NaOH溶液反应生成的硅酸钠与溶液中偏铝酸钠发生反应：2Na2SiO3＋2NaAlO2＋2H2O===Na2Al2Si2O8↓＋4NaOH，则“赤泥”的主要成分为生成的Na2Al2Si2O8沉淀和不反应的Fe2O3。③“酸化”时，通入过量CO2与NaAlO2反应生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，化学方程式为AlOeq \\al(－,2)＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCOeq \\al(－,3)。④过滤需要的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒。(3)电解熔融的Al2O3，电解过程中阴极发生还原反应，电极反应式为Al3＋＋3e－===Al。
[答案] (1)第三周期ⅢA族 2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑ 阴
(2)增加接触面积，加快反应速率 Na2Al2Si2O8、Fe2O3 AlOeq \\al(－,2)＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCOeq \\al(－,3) 烧杯、漏斗、玻璃棒
(3)Al3＋＋3e－===Al
铝矿石提铝与海水提镁
1．铝矿石提铝的化工流程
铝土矿的主要成分是Al2O3，含有的杂质是Fe2O3、MgO和SiO2，由于Al2O3具有两性，而杂质SiO2是酸性氧化物，Fe2O3、MgO是碱性氧化物，因而可设计出两种提纯Al2O3的方案。
主要反应：
①Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O
②Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O
③AlOeq \\al(－,2)＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCOeq \\al(－,3)
④Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NHeq \\al(＋,4)
⑤2Al2O3(熔融)eq \(=======,\s\up9(电解),\s\d8(冰晶石))4Al＋3O2↑
2．从海水中提取镁的流程
主要化学反应：
①制石灰乳：CaCO3eq \(=====,\s\up9(高温))CaO＋CO2↑、CaO＋H2O===Ca(OH)2；
②沉淀Mg2＋：Mg2＋＋Ca(OH)2===Mg(OH)2＋Ca2＋；
③制备MgCl2：Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O；
④电解MgCl2：MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up9(电解))Mg＋Cl2↑。
1．(2022·镇江一模)铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3，含杂质Fe2O3)为原料制备铝的一种工艺流程如下：
下列叙述不正确的是( )
A．“碱溶”时生成偏铝酸钠的离子方程式为Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O
B．向“过滤Ⅰ”所得滤液中加入NaHCO3溶液，溶液的pH增大
C．“电解Ⅰ”过程中石墨电极被阳极上产生的O2氧化
D．“电解Ⅱ”阳极的电极反应式为4COeq \\al(2－,3)＋2H2O－4e－===4HCOeq \\al(－,3)＋O2↑
B [A.“碱溶”时氧化铝和氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，反应的离子方程式为Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O，故A正确；B.“过滤Ⅰ”所得滤液中含有氢氧化钠、偏铝酸钠，向“过滤Ⅰ”所得滤液中加入NaHCO3溶液，氢氧化钠和碳酸氢钠反应生成碳酸钠，碳酸氢钠和偏铝酸钠反应生成碳酸钠和氢氧化铝沉淀，溶液的pH减小，故B错误；C.“电解Ⅰ”是电解熔融氧化铝，阳极生成氧气，石墨电极被阳极上产生的O2氧化，故C正确；D.“电解Ⅱ”是电解碳酸钠溶液，由图可知，阳极的电极反应式为4COeq \\al(2－,3)＋2H2O－4e－===4HCOeq \\al(－,3)＋O2↑，故D正确。]
2．从海水中提取镁的工艺流程如图所示：
下列说法错误的是( )
A．用此法提取镁的优点之一是原料来源丰富
B．步骤⑥电解MgCl2熔融时阴极产生氯气
C．步骤⑤可将晶体置于HCl气体氛围中脱水
D．上述工艺流程中涉及化合、分解和复分解反应
B [电解MgCl2(熔融)时阳极产生Cl2，B错误。]
3．(2022·盐城二模)工业上制备下列物质的生产流程合理的是( )
A．由铝土矿冶炼铝：铝土矿eq \(――→,\s\up9(提纯))Al2O3eq \(――→,\s\up9(HCl))AlCl3eq \(――→,\s\up9(电解))Al
B．从海水中提取镁：海水eq \(―――→,\s\up9(石灰乳))Mg(OH)2eq \(――→,\s\up9(△))MgOeq \(――→,\s\up9(电解))Mg
C．由NaCl制漂白粉：饱和食盐水eq \(――→,\s\up9(电解))Cl2eq \(―――――→,\s\up9(NaOH溶液))漂白粉
D．由黄铁矿制硫酸：黄铁矿eq \(――→,\s\up9(煅烧))SO2eq \(――――→,\s\up9(催化氧化))SO3eq \(――――――――→,\s\up9(98%浓硫酸吸收))H2SO4溶液
D [A.氯化铝是共价化合物，熔融氯化铝不导电，不能电解氯化铝制备金属铝，工业上一般电解氧化铝制取金属铝，故A不合理；B.工业上一般用电解熔融氯化镁的方法制取金属镁，故B不合理；C.工业上用氯气和石灰乳反应制备漂白粉，故C不合理；D.工业上灼烧黄铁矿生成二氧化硫，二氧化硫发生催化氧化生成三氧化硫，三氧化硫用浓硫酸吸收生成硫酸，故D合理。]
铜及其化合物
1．铜的主要性质(写出有关反应的化学方程式或离子方程式)
①2Cu＋O2＋H2O＋CO2===Cu2(OH)2CO3。
②2Cu＋Seq \(=====,\s\up9(△))Cu2S。
③与氧化性酸反应
a．与浓硫酸共热：Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up9(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O；
b．与稀硝酸反应：3Cu＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O；
c．与浓硝酸反应：Cu＋4H＋＋2NOeq \\al(－,3)===Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O。
④与某些盐溶液反应
a．与硝酸银溶液反应：Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋；
b．与FeCl3溶液反应：Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋。
2．铜的重要化合物的性质及应用
(1)氧化物
①CuO：黑色难溶于水的固体，可以与酸反应，可以用H2、CO、Al还原出Cu。
②Cu2O：砖红色难溶于水的固体，与一般酸反应为Cu2O＋2H＋===Cu＋
Cu2＋＋H2O，遇到HNO3发生氧化反应生成Cu2＋。
③转化：4CuOeq \(=====,\s\up9(高温))2Cu2O＋O2↑，高温条件下Cu2O稳定。
(2)氢氧化铜——蓝色难溶物，是一种弱碱。
(3)铜盐
①Cu2(OH)2CO3
Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜，呈绿色，是铜锈的主要成分，受热易分解的方程式为
Cu2(OH)2CO3eq \(=====,\s\up9(△))2CuO＋H2O＋CO2↑。
②CuSO4
a．CuSO4·5H2O为蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾。
受热或遇浓硫酸，蓝色晶体变为白色粉末。
b．无水CuSO4遇水变蓝色(生成CuSO4·5H2O)，可作为水或水蒸气的检验试剂。
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，用来杀灭植物的病菌。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)铁、铜在潮湿的空气中均易形成金属氧化物。( )
(2)无水CuSO4既可检验水蒸气的存在又可作干燥剂。( )
(3)Cu2O在高温下比CuO稳定的原因是Cu2O中Cu＋的3d轨道电子全充满。
( )
(4)Cu2O在一般酸中可发生自身氧化还原反应。( )
(5)Cu与Fe3＋反应说明Cu的还原性比Fe的强。( )
(6)Cu2O溶于稀HNO3反应为3Cu2O＋2NOeq \\al(－,3)＋14H＋===6Cu2＋＋2NO↑＋7H2O。( )
(7)Cu(OH)2溶于氨水生成[Cu(NH3)4]2＋。( )
(8)CuSO4·5H2O呈蓝色是因为存在[Cu(H2O)4]2＋。( )
[答案] (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)√ (7)√ (8)√
探究铜及其化合物的性质
1．(2022·常州一模)氯化铜(CuCl2)是一种重要的化工产品，将Cu粉加入稀盐酸中，并持续通入空气，在Fe3＋的催化作用下，可生成CuCl2(过程如图所示)，下列说法错误的是( )
A．过程Ⅰ的反应为Cu＋Fe3＋ ===Cu2＋ ＋ Fe2＋
B．过程Ⅱ的反应为4Fe2＋ ＋ O2 ＋4H＋ ===4Fe3＋ ＋2H2O
C．Fe3＋作为催化剂，其实质是参加反应又重新生成
D．该过程的总反应是2Cu＋O2 ＋4H＋ ===2Cu2＋＋2H2O
A [A.由图可知，过程Ⅰ的反应为Cu＋2Fe3＋ === Cu2＋ ＋ 2Fe2＋，故A错误；B.由图可知，过程Ⅱ的反应为4Fe2＋ ＋O2＋4H＋ ===4Fe3＋ ＋2H2O，故B正确；C.由图可看出，Fe3＋是先参加反应又重新生成，是催化剂，故C正确；D.由过程Ⅰ和过程Ⅱ的反应可得该过程的总反应是2Cu＋O2 ＋4H＋ ===2Cu2＋＋2H2O，故D正确。]
涉及铜及其化合物的化工流程
2．(2022·泰州模拟)科学小组设计利用空气中持续煅烧的铜矿石粉末(主要成分是CuO、SiO2、Fe3O4，其他难溶物不与酸反应)制取CuSO4·5H2O和铁红的流程图如下：
下列有关说法正确的是( )
A．试剂a是氯气，目的是将地Fe2＋氧化为Fe3＋
B．滤渣A中包含二氧化硅分子
C．一系列操作为蒸发浓缩到有晶膜出现后冷却结晶、过滤
D．试剂b可选用Cu2O
C [A.试剂a是过氧化氢溶液，目的是将Fe2＋氧化为Fe3＋，不能是氯气，会引入新的杂质，故A错误；B.滤渣A中含二氧化硅，但不是分子，二氧化硅是由硅原子和氧原子形成的原子晶体，不存在分子，故B错误；C.滤液E经过一系列操作，蒸发浓缩到有晶膜出现后冷却结晶、过滤可得硫酸铜晶体，故C正确；D.试剂b可选用CuO等，不能用Cu2O，否则会发生氧化还原反应，还原Fe3＋，故D错误。]
3．(2022·常州检测)胆矾(CuSO4·5H2O)是一种重要化工原料，可先制备硫酸铜溶液再通过蒸发浓缩、冷却结晶获得晶体。
Ⅰ. CuSO4溶液的制备
方案ⅰ：铜与浓硫酸加热制备。
方案ⅱ：将铜粉在空气中充分加热至完全变黑，再加稀硫酸。
(1)请写出方案ⅰ反应的化学方程式为______________________________
______________________________________________________________，
此方法硫酸的利用率较低的原因是________________________________
______________________________________________________________。
(2)方案ⅱ除了可提高硫酸的利用率外，还有的优点是________________。
(3)将上述制备的CuSO4溶液按如图所示进行操作，
转化生成深蓝色晶体[Cu(NH3)4]SO4；写出总反应方程式为___________________________________________________________________。
Ⅱ.某研究小组以生锈的铜屑为原料[主要成分是Cu，含有少量的油污、CuO、CuCO3、Cu(OH)2]制备胆矾。流程如下。
已知：CuSO4＋Na2S===CuS↓＋Na2SO4。回答问题：
(4)步骤②中，若仅用浓H2SO4溶解固体B，将生成________(填化学式)污染环境。
(5)步骤②中，在H2O2存在下Cu溶于稀H2SO4，反应的化学方程式为___________________________________________________________________。
(6)经步骤④得到的胆矾，不能用水洗涤的主要原因是_________________
_______________________________________________________________。
(7)实验证明，滤液D能将I－氧化为I2。
①甲同学认为不可能是步骤②中过量H2O2将I－氧化为I2，理由是___________________________________________________________________。
②乙同学通过实验证实，只能是Cu2＋将I－氧化为I2，写出乙同学的实验方案及结果________(不要求写具体操作过程)。
[解析] (1)方案ⅰ是铜与浓硫酸加热反应生成CuSO4、H2O、SO2，化学方程式为Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up9(△))CuSO4＋2H2O＋SO2↑，此方法硫酸的利用率较低的原因是该反应随着反应的进行，浓硫酸被稀释为稀硫酸，稀硫酸不与Cu反应，且浓硫酸反应生成SO2，使得硫酸利用率降低。(2)方案ⅱ是铜和氧气加热反应生成氧化铜，氧化铜和稀硫酸反应生成硫酸铜和水，该反应没有二氧化硫气体生成，不会污染环境，因此除了可提高硫酸的利用率外，还有的优点是没有生成污染性的气体。(3)CuSO4和NH3·H2O最终转化生成深蓝色晶体[Cu(NH3)4]SO4，反应的方程式为CuSO4＋4NH3·H2O===[Cu(NH3)4]SO4＋4H2O。(4)在加热的条件下，铜可以与浓硫酸发生反应生成CuSO4、SO2和H2O，二氧化硫是一种大气污染物，步骤②中，若仅用浓H2SO4溶解固体B，将生成SO2污染环境。(5)步骤②中，在H2O2存在下Cu溶于稀H2SO4，生成CuSO4和H2O，该反应的化学方程式为Cu＋H2O2＋H2SO4===CuSO4＋2H2O。(6)胆矾是一种易溶于水的晶体，用水洗涤会导致胆矾的产率降低。(7)①H2O2在加热的条件下，发生分解，因此，甲同学认为不可能是步骤②中过量H2O2将I－氧化为I2；②I－氧化为I2时溶液的颜色会发生变化，滤液D中含有CuSO4和H2SO4，乙同学通过实验证实，只能是Cu2＋将I－氧化为I2，较简单的方案是除去溶液中的Cu2＋，然后再向其中加入含有I－的溶液，观察溶液是否变色，除去溶液中的Cu2＋的方法有多种，可以加入适当的沉淀剂将其转化为难溶物，如加入Na2S将其转化为CuS沉淀，因此，乙同学的实验方案为取少量滤液D，向其中加入适量Na2S溶液，直至不再有沉淀生成，静置后向上层清液中加入少量KI溶液，实验结果为上层清液不变色，证明I－不能被除去Cu2＋的溶液氧化，故只能是
Cu2＋将I－氧化为I2。
[答案] (1)Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up9(△))CuSO4＋2H2O＋SO2↑ 该反应随着反应的进行，浓硫酸被稀释为稀硫酸，稀硫酸不与Cu反应，且浓硫酸反应生成二氧化硫，使得硫酸利用率降低
(2)没有生成污染性的气体，不会污染环境
(3)CuSO4＋4NH3·H2O===[Cu(NH3)4]SO4＋4H2O
(4)SO2
(5)Cu＋H2O2＋H2SO4===CuSO4＋2H2O
(6)胆矾晶体易溶于水
(7)溶液C经步骤③加热浓缩后双氧水已完全分解 取滤液D，向其中加入适量硫化钠，使铜离子恰好完全沉淀，再加入I－，不能被氧化(其他答案合理即可)
废铜利用的一般流程模板
1．下列说法正确的是________(填序号)。
①(2022·广东选择性考试)技术人员开发高端耐腐蚀镀铝钢板涉及的化学知识为铝能形成致密氧化膜
②(2022·辽宁选择性考试)冬奥会“同心”金属奖牌属于合金材料
③(2022·海南等级考)MgCl2溶液中滴加NaOH溶液至过量，产生白色沉淀后沉淀消失
④(2022·全国乙卷)青铜和黄铜是不同结构的单质铜
[答案] ①②
2．(2021·河北选择性考试，T1)“灌钢法”是我国古代劳动人民对钢铁冶炼技术的重大贡献，陶弘景在其《本草经集注》中提到“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”。“灌钢法”主要是将生铁和熟铁(含碳量约0.1%)混合加热，生铁熔化灌入熟铁，再锻打成钢。下列说法错误的是( )
A．钢是以铁为主的含碳合金
B．钢的含碳量越高，硬度和脆性越大
C．生铁由于含碳量高，熔点比熟铁高
D．冶炼铁的原料之一赤铁矿的主要成分为Fe2O3
C [A.钢是含碳量低的铁合金，正确；B.钢的硬度和脆性与含碳量有关，随着含碳量的增大而增大，正确；C.由题意可知，生铁熔化灌入熟铁，再锻打成钢，说明生铁的熔点低于熟铁，错误；D.赤铁矿的主要成分是Fe2O3，可用于冶炼铁，正确。]
3．(2021·湖北选择性考试，T2)“乌铜走银”是我国非物质文化遗产之一。该工艺将部分氧化的银丝镶嵌于铜器表面，艺人用手边捂边揉搓铜器，铜表面逐渐变黑，银丝变得银光闪闪。下列叙述错误的是( )
A．铜的金属活动性大于银
B．通过揉搓可提供电解质溶液
C．银丝可长时间保持光亮
D．用铝丝代替银丝铜也会变黑
D [铜的活动性比铝弱，氧化铝不能被铜还原为单质铝，因此铜不会变黑，D项错误。]
4．(2020·江苏高考，T3)下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是( )
A．铝的金属活泼性强，可用于制作铝金属制品
B．氧化铝熔点高，可用作电解冶炼铝的原料
C．氢氧化铝受热分解，可用于中和过多的胃酸
D．明矾溶于水并水解形成胶体，可用于净水
D [铝的金属活泼性强与可用于制作铝金属制品无对应关系，A项错误；氧化铝熔点高，可用作耐高温材料；铝是活泼金属，用电解法冶炼，选择氧化铝作原料，是因为氧化铝是离子化合物，B项错误；氢氧化铝具有弱碱性，可以中和过多的胃酸，C项错误；明矾的化学式为KAl(SO4)2·12H2O，Al3＋发生水解生成Al(OH)3胶体，可以吸附水中悬浮的颗粒物，从而起到净水的作用，D项正确。]
5．(2020·江苏高考，T6)下列有关化学反应的叙述正确的是( )
A．室温下，Na在空气中反应生成Na2O2
B．室温下，Al与4.0 ml·L－1 NaOH溶液反应生成NaAlO2
C．室温下，Cu与浓HNO3反应放出NO气体
D．室温下，Fe与浓H2SO4反应生成FeSO4
B [室温下，Na在空气中反应生成Na2O，A项错误；2Al＋2H2O＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑，B项正确；室温下，铜与浓硝酸反应生成NO2，C项错误；室温下，铁遇浓硫酸发生钝化，D项错误。]
课时分层作业(十四)
金属材料与金属矿物的开发利用
1．《天工开物》中记载：凡铜供世用，出山与出炉，止有赤铜。以炉甘石或倭铅参和，转色为黄铜，以砒霜等药制炼为白铜，矾、硝等药制炼为青铜。其中涉及的物质中熔点最高的是( )
A．青铜 B．黄铜
C．赤铜 D．白铜
C [赤铜是纯度较高的铜，熔点比其合金高，青铜是铜锡合金，黄铜是铜锌合金，白铜是铜镍合金，C项正确。]
2．(2022·徐州一模)已知NH4CuSO3与足量的10 ml/L硫酸混合微热，产生下列现象：
①有红色金属生成；②产生刺激性气味的气体；③溶液呈现蓝色。据此判断下列说法正确的是( )
A．反应中只有铜元素化合价发生变化
B．1 ml NH4CuSO3完全反应转移1 ml电子
C．刺激性气味的气体可能是硫酸的还原产物
D．刺激性气味的气体可能是氨气
A [NH4CuSO3与足量的10 ml/L硫酸混合微热，产生下列现象：①有红色金属生成，表明生成Cu，离子反应为2Cu＋===Cu↓＋Cu2＋；②产生刺激性气味的气体，离子反应为SOeq \\al(2－,3)＋2H＋===H2O＋SO2↑；③溶液呈现蓝色，则表明生成Cu2＋。A.由分析可知，反应中，发生的氧化还原反应为2Cu＋===Cu↓＋Cu2＋，则只有铜元素化合价发生变化，A正确；B.由反应2Cu＋===Cu↓＋Cu2＋可得，2Cu＋～e－，则1 ml NH4 CuSO3完全反应转移0.5 ml电子，B不正确；C.刺激性气味的气体是SO2，由反应SOeq \\al(2－,3)＋2H＋===H2O＋SO2↑产生，硫酸只表现出酸性，不可能是硫酸的还原产物，C不正确；D.在酸性溶液中，不可能生成碱性气体，所以刺激性气味的气体不可能是氨气，D不正确。]
3．中国银行发行的中国航天普通纪念币，面额为10元，直径为27毫米，材质为双色铜合金。下列关于合金的叙述不正确的是( )
A．铜合金和单质铜一样，具有良好的导电性、导热性和延展性
B．铜合金的硬度比单质铜大
C．铜合金的熔点比单质铜低
D．该纪念币能完全溶解于稀硫酸中
D [合金有别于成分金属的特性是熔点低、硬度大，共性是具有金属的物理通性，但是化学性质没有改变，故D项错误。]
4．(2022·淮安二模)以菱镁矿(主要成分为MgCO3，含少量SiO2、Fe2O3和Al2O3)为原料制备高纯镁砂的工艺流程如图：
下列说法不正确的是( )
A．煅烧时将菱镁矿粉碎，有利于加快反应速率
B．浸出镁的反应为MgO＋2NH4Cl===MgCl2＋2NH3↑＋H2O
C．浸出时产生废渣的主要成分是SiO2、Fe(OH)3和Al(OH)3
D．将反应温度调控在高温条件下进行浸出和沉镁操作，均有利于提高镁元素的转化率
D [A.煅烧时将菱镁矿粉碎增大接触面积，有利于加快反应速率，A正确；B.铵根离子水解显酸性，和氧化镁反应生成氯化镁和氨气，浸出镁的反应为MgO＋2NH4Cl===MgCl2＋2NH3↑＋H2O，B正确；C.由题分析可知，浸出时产生废渣的主要成分是SiO2、Fe(OH)3和Al(OH)3，C正确；D.浸出操作，升高温度可以加快反应速率且利于氨气逸出，但是沉镁操作温度过高会导致氨气逸出反而不利于氢氧化镁沉淀的生成，D错误。]
5．(2022·盐城二模)碱式碳酸铜是一种用途广泛的化工原料。实验室中以废铜屑为原料，制取碱式碳酸铜的流程如下。下列说法错误的是( )
A．酸浸产生的气体可用NaOH溶液吸收
B．加热时，可选用水浴加热
C．可用盐酸和Ba(OH)2溶液检验滤液中是否有COeq \\al(2－,3)
D．温度和pH是影响产品纯度的主要因素
C [A.酸浸产生的气体为氮氧化物，可用 NaOH 溶液吸收，A正确；B.加热的温度为70C，可选用水浴加热，B正确；C.若溶液中含HCOeq \\al(－,3)，与酸反应液能产生气体，且气体能与氢氧化钡溶液产生沉淀，C错误；D.温度过高，pH过高，得到氢氧化铜沉淀，影响产品纯度，故温度和 pH 是影响产品纯度的主要因素，D正确。]
6．以混有SiO2的MgCO3为原料制备氧化镁的实验流程如图：
下列说法错误的是 ( )
A．酸浸的离子方程式为COeq \\al(2－,3)＋2H＋===CO2↑＋H2O
B．浸出渣的成分是SiO2
C．母液的主要溶质是NH4Cl
D．固体X是Mg(OH)2
A [MgCO3是微溶物，不可拆成离子，故A错误；SiO2不溶于盐酸，浸出渣为SiO2，故B正确；加入氨水沉镁的化学方程式为MgCl2＋2NH3·H2O=== Mg(OH)2↓＋2NH4Cl，母液主要溶质是NH4Cl，故C、D正确。]
7．(2022·扬州一模)从海水的母液中提取金属镁的一种工艺流程如下：
下列说法不正确的是( )
A．步骤①沉镁可加入石灰乳
B．设计步骤①、②、③的主要目的是富集镁元素
C．步骤④中镁在阴极生成
D．步骤③脱水时，在空气中加热MgCl2·6H2O得到MgCl2
D [海水蒸发后，得到粗盐和MgCl2溶液，加入石灰乳后，Mg2＋转化为Mg(OH)2沉淀；先加盐酸溶解，再蒸发浓缩、冷却结晶、过滤，得到六水合氯化镁晶体；在HCl气流中加热晶体，可得到无水氯化镁；熔融电解便可获得镁。A.步骤①中，将Mg2＋转化为Mg(OH)2沉淀，需加入碱，为降低成本及便于分离提纯，常加入石灰乳，A正确；B.母液中含有Mg2＋，经过步骤①、②、③后，仍得到含Mg2＋的溶液，只是Mg2＋的浓度增大，所以步骤①、②、③的主要目的是富集镁元素，B正确；C.步骤④为电解熔融的氯化镁，Mg2＋得电子生成Mg，所以镁在阴极生成，C正确；D.MgCl2为挥发性酸的弱碱盐，步骤③脱水时，应设法抑制Mg2＋水解反应的发生，所以应在HCl气流中加热MgCl2·6H2O，D不正确。]
8．某同学通过如下流程制备氧化亚铜：
已知：CuCl难溶于水和稀硫酸；Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O。
下列说法不正确的是 ( )
A．步骤②中的SO2可用Na2SO3替换
B．步骤③中为防止CuCl被氧化，可用SO2水溶液洗涤
C．步骤④发生反应的离子方程式为2CuCl＋2OH－eq \(=====,\s\up9(△))Cu2O＋2Cl－＋H2O
D．如果Cu2O试样中混有CuCl和CuO杂质，用足量稀硫酸与Cu2O试样充分反应，根据反应前、后固体质量可计算试样纯度
D [CuCl不溶于稀硫酸，Cu2O与稀硫酸反应生成Cu，故反应后的固体为CuCl与Cu的混合物，无法确定Cu的量，无法计算试样纯度，D错误。]
9．工业上用铝土矿(主要成分是Al2O3，还含有Fe2O3、SiO2)提取氧化铝作冶炼铝的原料。其中一种提取方法的操作过程如下：
请回答下列问题：
(1)铝土矿中加NaOH溶液，反应的离子方程式有
________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
(2)沉淀乙是________。
(3)甲溶液中通入CO2得到的沉淀是否只有Al(OH)3？________(填“是”或“否”)，若否，从甲溶液中如何得到纯净Al(OH)3？写出流程图：___________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(4)请写出甲溶液中通入过量CO2的离子方程式：
________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
[答案] (1)Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O、
SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O
(2)Fe2O3
(3)否
(4)AlOeq \\al(－,2)＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCOeq \\al(－,3)、
SiOeq \\al(2－,3)＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCOeq \\al(－,3)
10．镁及其合金是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁是从海水中提取的。某学校课外兴趣小组从海水晒盐后的盐卤(主要含Na＋、Mg2＋、
Cl－、Br－等)中模拟工业生产来提取镁，主要过程如下：
回答下列问题：
(1)工业上从盐卤中获取Mg(OH)2用石灰乳而不用NaOH溶液的原因是___________________________________________________________________。
(2)从过程①得到的Mg(OH)2沉淀中混有少量的Ca(OH)2，除去少量Ca(OH)2的方法是先将沉淀加入盛有________溶液的烧杯中，充分搅拌后经______、______(填操作方法)可得纯净的Mg(OH)2。
(3)如图是该兴趣小组设计进行过程③的实验装置图：
其中装置A的作用是____________________________________________。
(4)写出过程④中发生反应的化学方程式：__________________________
______________________________________________________________。
(5)工业制造镁粉是将镁蒸气在气体中冷却，下列①Ar，②空气，③CO2，④N2，可作为冷却气的是______。
[解析] 盐卤主要含Na＋、Mg2＋、Cl－、Br－等，加石灰乳，发生反应生成氢氧化镁沉淀，过滤分离出Mg(OH)2，然后将氢氧化镁溶于盐酸，发生反应Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O，过程②为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤分离出晶体，过程③在氯化氢气流中加热得到无水氯化镁，过程④为电解熔融氯化镁的方法制取镁，发生反应MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up9(通电))Mg＋Cl2↑。(1)工业上从盐卤中获取Mg(OH)2用石灰乳而不用NaOH溶液的原因是石灰乳原料丰富、成本低。(2)从过程①得到的Mg(OH)2沉淀中混有少量的Ca(OH)2，除去少量Ca(OH)2的方法是先将沉淀加入盛有MgCl2溶液的烧杯中，充分搅拌后经过滤、洗涤可得纯净的Mg(OH)2。(3)浓盐酸易挥发，浓硫酸稀释放出大量的热，且具有吸水性，可知装置A可制备干燥的HCl气体。(4)过程④为电解熔融氯化镁来制取镁，反应的化学方程式为MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up9(通电))Mg＋Cl2↑。(5)工业制造镁粉是将镁蒸气在气体中冷却，气体不能和镁反应，镁在高温下能与N2、CO2、O2等反应，与稀有气体不反应。
[答案] (1)石灰乳原料丰富，成本低
(2) MgCl2(或氯化镁) 过滤 洗涤
(3)制备干燥的HCl气体 (4)MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up9(通电))Mg＋Cl2↑ (5)①选项
熔点
/℃
比热/(J·
g－1·K－1)
热导率/
(W·m－1·K－1)
热膨胀率
(25 ℃)/(×106)
A
418
0.106
75.37
11.76
B
923
0.243
153.66
24.3
C
933
0.215
221.91
23.6
D
1 550
0.436
146.5
11.6