2021高三全国统考化学（经典版）一轮学案：第3章第4节用途广泛的金属材料开发利用金属矿物

第4节　用途广泛的金属材料　开发利用金属矿物[考试说明]　1.了解合金的概念及重要应用。2.了解常见金属的活动性顺序及金属冶炼的一般方法。3.了解化学科学发展对自然资源开发利用的作用。[命题规律]　化学与自然资源的综合利用，关乎社会可持续发展，考查形式一般为以某种矿石(或工业废渣)为素材设计工艺流程图，结合新信息考查金属的冶炼、方程式书写、实验操作、电化学知识及溶度积和化学计算等。考点1　合金、金属材料及其应用知识梳理1.合金(1)概念：合金是指由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，在许多方面不同于各成分金属。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。2．常见金属材料—　　　　　　　　 其合金(1)重要的黑色金属材料——钢铁钢铁是用量最大、用途最广的合金。钢(2)有色金属材料——铜和铝(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。(2)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仍然不变。(3)黑色金属材料和有色金属材料不是从材料的颜色上分的，铁、铬、锰及其合金材料不是黑色的，仍为银白色，而有色金属中除金为黄色，铜为红色外，其他绝大多数是银白色的。(4)金属活动性顺序中存在“一强一弱”规律。金属单质的还原性越弱，对应阳离子的氧化性越强，即常见离子的氧化性由强到弱的顺序是Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Sn2＋>Fe2＋>Zn2＋。(注意Fe3＋、Fe2＋的位置)1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，错误的指明错因。(1)下列物质或材料都属于合金：钢、青铜、铝镁合金、水银、硅钢。(×)错因：水银是金属汞，属单质。(2)合金中的金属元素以化合物的形式存在。(×)错因：在合金中，金属或非金属都是以单质的形式存在。(3)合金的硬度低于成分金属，合金的熔点一般高于其成分金属。(×)错因：合金的硬度高于成分金属，合金的熔点一般低于它的成分金属。(4)合金比纯金属的导电性更强。(×)错因：合金的导电性不一定比纯金属更强，如铝合金的导电性比纯铝要差。(5)合金不如纯金属的应用范围广。(×)错因：合金比纯金属的应用范围更广。2．金属单质具有的通性是(　　)A．硬度大B．熔、沸点较低C．质软D．具有金属光泽、导电、导热、有延展性答案　D　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　题组训练1.中国自主研发的C919大型飞机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．铝锂合金的熔点比铝低D．铝锂合金耐酸碱腐蚀答案　D2．某合金与铁的物理性质的比较如下表所示： 熔点/℃密度(g/cm3)硬度(金刚石为10)导电性(银为100)某合金25003.007.42.3铁15357.864.517 还知该合金耐腐蚀、强度大，从以上性能看，该合金不适合做(　　)A．导线  B．门窗框C．炉具  D．飞机外壳答案　A考点2　金属矿物的开发利用知识梳理1.金属在自然界中存在的形态除了金、铂等极少数金属外，绝大多数金属以化合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．金属冶炼的实质使金属化合物中的金属离子得电子被还原为金属单质的过程：Mn＋＋ne－===M。3．金属冶炼的一般步骤(1)富集：除去杂质，提高矿石中有用成分的含量。(2)冶炼：利用氧化还原反应，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质。    (3)精炼：提纯金属。4．金属冶炼方法(1)金属冶炼方法与金属活动性的关系(2)金属冶炼的方法(用化学方程式表示) (1)冶炼Mg时只能电解MgCl2，不能电解MgO，原因是MgO的熔点高，熔融时耗费更多能源，增加生产成本。(2)冶炼Al时只能电解Al2O3，不能电解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。(3)有些活动性很强的金属也可以用还原法来冶炼，如Na＋KCl850 ℃,K↑＋NaCl、2RbCl＋MgMgCl2＋2Rb↑等，利用K、Rb沸点低，汽化离开反应体系，使反应得以进行。(4)铜的冶炼“三方法”①火法炼铜(还原法炼铜)：Cu2S＋O22Cu＋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。②湿法炼铜：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu。③生物炼铜：“吃岩石的细菌”能耐受铜盐的毒性，并能利用空气中的氧气氧化硫化铜矿石，然后把不溶性的硫化铜转化为可溶性的硫酸铜。1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，错误的指明错因。(1)用金属钠置换氯化钛(TiCl4)溶液中的钛。(×)错因：应用金属钠与熔融的氯化钛反应制金属钛。(2)用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液制取金属钠。(×)错因：制钠：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。(3)用黄铜矿经电解精炼得到精铜。(×)错因：黄铜矿冶炼后得到粗铜，粗铜电解精炼得到精铜。(4)在给定条件下制取金属镁MgCl2(aq)Mg(OH)2MgOMg。(×)错因：MgO熔点高，电解耗能大。2．下列是部分矿物资源的利用及产品流程，有关说法不正确的是(　　)A．粗铜电解精炼时，粗铜作阳极B．生产铝、铜、高纯硅及玻璃过程中都涉及氧化还原反应C．黄铜矿冶炼铜时，副产物SO2可用于生产硫酸，FeO可用作冶炼铁的原料D．粗硅制高纯硅时，提纯四氯化硅可用多次分馏的方法答案　B　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　题组训练1.下列金属冶炼的反应原理中错误的是(　　)A．MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑B．Al2O3＋3H22Al＋3H2OC．Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2D．2Ag2O4Ag＋O2↑答案　B2．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．将金属钠加入TiCl4溶液中制得金属钛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)的唯一方法答案　A高考真题实战 1．(2019·江苏高考)下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是(　　)A．NH4HCO3受热易分解，可用作化肥B．稀硫酸具有酸性，可用于除去铁锈C．SO2具有氧化性，可用于纸浆漂白D．Al2O3具有两性，可用于电解冶炼铝答案　B解析　利用碳酸氢铵溶解后的铵根离子易被植物吸收作氮肥，不是利用其受热易分解的性质，A错误；铁锈的主要成分是Fe2O3·xH2O，可用稀硫酸除去，B正确；漂白纸张是利用二氧化硫的漂白性，不是利用其氧化性，C错误；Al2O3熔融状态下能导电，可以电解冶炼铝，与其两性无关，D错误。2．(2018·全国卷Ⅰ)磷酸亚铁锂(LiFePO4)电池是新能源汽车的动力电池之一。采用湿法冶金工艺回收废旧磷酸亚铁锂电池正极片中的金属，其流程如下：下列叙述错误的是(　　)A．合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用B．从“正极片”中可回收的金属元素有Al、Fe、LiC．“沉淀”反应的金属离子为Fe3＋D．上述流程中可用硫酸钠代替碳酸钠答案　D解析　废旧电池中含有重金属，随意丢弃容易污染环境，因此合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用，A正确；根据流程的转化可知从正极片中可回收的金属元素有Al、Fe、Li，B正确；HNO3可以将磷酸亚铁锂滤渣中的Fe2＋氧化为Fe3＋，得到含Li、P、Fe等的滤液，加入碱液生成氢氧化铁沉淀，因此“沉淀”反应的金属离子是Fe3＋，C正确；硫酸锂能溶于水，因此上述流程中不能用硫酸钠代替碳酸钠，D错误。3．(2019·全国卷Ⅱ)立德粉ZnS·BaSO4(也称锌钡白)，是一种常用白色颜料。回答下列问题：(1)利用焰色反应的原理既可制作五彩缤纷的节日烟花，亦可定性鉴别某些金属盐。灼烧立德粉样品时，钡的焰色为        (填标号)。A．黄色  B．红色 C．紫色  D．绿色(2)以重晶石(BaSO4)为原料，可按如下工艺生产立德粉：①在回转炉中重晶石被过量焦炭还原为可溶性硫化钡，该过程的化学方程式为                      。回转炉尾气中含有有毒气体，生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为CO2和一种清洁能源气体，该反应的化学方程式为                                        。②在潮湿空气中长期放置的“还原料”，会逸出臭鸡蛋气味的气体，且水溶性变差，其原因是“还原料”表面生成了难溶于水的        (填化学式)。③沉淀器中反应的离子方程式为                                 。(3)成品中S2－的含量可以用“碘量法”测得。称取m g样品，置于碘量瓶中，移取25.00 mL 0.1000 mol·L－1的I2­KI溶液于其中，并加入乙酸溶液，密闭，置暗处反应5 min，有单质硫析出。以淀粉为指示剂，过量的I2用0.1000 mol·L－1 Na2S2O3溶液滴定，反应式为I2＋2S2O===2I－＋S4O。测定时消耗Na2S2O3溶液体积V mL。终点颜色变化为                    ，样品中S2－的含量为                            (写出表达式)。答案　(1)D　(2)①BaSO4＋4CBaS＋4CO↑　CO＋H2O===CO2＋H2　②BaCO3　③S2－＋Ba2＋＋Zn2＋＋SO===ZnS·BaSO4↓(3)浅蓝色至无色且半分钟内不恢复原色　×100%解析　(1)根据常见元素的焰色反应，可知钡元素的焰色为绿色。(2)①由流程图中的原料为重晶石和过量焦炭粉经回转炉、浸出槽后得到净化的BaS溶液，可判断重晶石(BaSO4)与焦炭粉反应生成BaS和有毒气体CO，根据得失电子守恒法可配平氧化还原反应方程式BaSO4＋4CBaS＋4CO↑；CO与水蒸气反应得到的清洁能源气体为H2，另一种产物为CO2，则CO与水蒸气反应的化学方程式为CO＋H2O===CO2＋H2。②潮湿空气中的CO2和水蒸气跟“还原料”中的硫化钡反应生成的臭鸡蛋气味的气体为H2S，水溶性变差是因为发生了反应BaS＋CO2＋H2O===H2S＋BaCO3↓，由此可知难溶于水的物质为BaCO3。③硫化钡溶液与硫酸锌反应生成难溶于水的立德粉(ZnS·BaSO4)，因此离子反应方程式为S2－＋Ba2＋＋Zn2＋＋SO===ZnS·BaSO4↓。(3)淀粉溶液遇到I2溶液变蓝，当Na2S2O3将I2消耗完后，溶液由浅蓝色变至无色，即滴定终点时，溶液会由浅蓝色变至无色且半分钟内不恢复原色。设Na2S2O3消耗的I2的物质的量为n1。由化学方程式可得：I2　　＋　　2S2O　===　2I－＋S4O1 mol       2 moln1          0.1000 mol·L－1×V×10－3 L则n1＝V× 0.1000×10－3 mol设样品中S2－的含量为w，则由反应I2＋S2－　　　　　===　　　　　　2I－＋S↓可得：I2　　　　　　　　～            S2－1 mol　　　                     32 g25．00×10－3 L×0.1000 mol·L－1－V×0.1000×10－3 mol  m g×w由此可得：w＝×100%。4．(2017·江苏高考)铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3，含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下：注：SiO2在“碱溶”时转化为铝硅酸钠沉淀。(1)“碱溶”时生成偏铝酸钠的离子方程式为                                                                                                      。(2)向“过滤Ⅰ”所得滤液中加入NaHCO3溶液，溶液的pH        (填“增大”“不变”或“减小”)。(3)“电解Ⅰ”是电解熔融Al2O3，电解过程中作阳极的石墨易消耗，原因是                                                               。(4)铝粉在1000 ℃时可与N2反应制备AlN。在铝粉中添加少量NH4Cl固体并充分混合，有利于AlN的制备，其主要原因是                              。答案　(1)Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O　(2)减小(3)石墨电极被阳极上产生的O2氧化(4)NH4Cl分解产生的HCl能够破坏Al表面的Al2O3薄膜解析　(2)“过滤Ⅰ”所得滤液的主要成分是NaAlO2，显强碱性，加入NaHCO3后，NaAlO2可与NaHCO3发生反应：AlO＋HCO＋H2O===Al(OH)3↓＋CO，溶液碱性减弱，pH减小。5．(2015·天津高考)废旧印刷电路板是一种电子废弃物，其中铜的含量达到矿石中的几十倍。湿法技术是将粉碎的印刷电路板经溶解、萃取、电解等操作得到纯铜等产品。某化学小组模拟该方法回收铜和制取胆矾，流程简图如下：回答下列问题：(1)反应Ⅰ是将Cu转化为Cu(NH3)，反应中H2O2的作用是        。写出操作①的名称：        。(2)反应Ⅱ是铜氨溶液中的Cu(NH3)与有机物RH反应，写出该反应的离子方程式：                                          。操作②用到的主要仪器名称为        ，其目的是        (填序号)。a．富集铜元素b．使铜元素与水溶液中的物质分离c．增加Cu2＋在水中的溶解度(3)反应Ⅲ是有机溶液中的CuR2与稀硫酸反应生成CuSO4和        。若操作③使用如图装置，图中存在的错误是                                  。答案　(1)作氧化剂　过滤　(2)Cu(NH3)＋2RH===2NH＋2NH3＋CuR2　分液漏斗　ab　(3)RH　分液漏斗尖端未紧靠烧杯内壁、液体过多解析　(1)反应Ⅰ中Cu元素被氧化，是还原剂，则H2O2是氧化剂。由于操作①得到溶液和残渣(难溶物)，所以操作①是过滤。(2)反应Ⅱ得到CuR2，则Cu(NH3)中2个NH3与RH产生的H＋结合为NH，另外2个则仍以NH3的形式存在，据此即可写出反应的离子方程式。操作②得到水层和有机层，所以操作②是分液，主要仪器是分液漏斗。该操作的主要目的是将铜氨溶液中的铜元素转化为有机物CuR2，并通过萃取得以富集。(3)CuR2与稀硫酸发生复分解反应，生成CuSO4和有机物RH。萃取时，分液漏斗尖端要紧靠烧杯内壁以防止液体溅出，并且所盛液体不能过多，否则无法进行振荡、放气等操作。6．(2015·重庆高考)我国古代青铜器工艺精湛，有很高的艺术价值和历史价值。但出土的青铜器大多受到环境腐蚀，故对其进行修复和防护具有重要意义。(1)原子序数为29的铜元素位于元素周期表中第        周期。(2)某青铜器中Sn、Pb的质量分别为119 g、20.7 g，则该青铜器中Sn和Pb原子的数目之比为        。(3)采用“局部封闭法”可以防止青铜器进一步被腐蚀。如将糊状Ag2O涂在被腐蚀部位，Ag2O与有害组分CuCl发生复分解反应，该化学方程式为                    。答案　(1)四　(2)10∶1　(3)Ag2O＋2CuCl===2AgCl＋Cu2O