2021新高考化学鲁科版一轮复习学案：第3章第5讲　金属材料　复合材料


第5讲　金属材料　复合材料
【2021·备考】
最新考纲
素养落地
1.了解铜及其重要化合物的主要性质及应用。
2.了解铝及其重要化合物的主要性质及应用。
3.能列举合金材料的重要应用。
从宏观与微观相结合的视角多方面、多层次认识金属材料的多样性；以实验为手段探究金属材料的性能及组成，结合金属的性质认识金属冶炼的方法与规律。


『知识梳理』
1.铜
(1)物理性质
紫红色固体，具有良好的延展性、导热性和导电性。
(2)化学性质

①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。有关化学方程式：2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2(OH)2CO3。
②写出下列化学方程式：
铜在空气中加热：2Cu＋O22CuO；
铜丝在硫蒸气中反应：2Cu＋SCu2S。

2.氧化铜和氧化亚铜
名称
氧化铜
氧化亚铜
颜色
黑色
砖红色
与酸反应(H＋)
CuO＋2H＋===Cu2＋＋H2O
Cu2O＋2H＋===Cu2＋＋Cu＋H2O
与H2反应
CuO＋H2Cu＋H2O
Cu2O＋H22Cu＋H2O
转化关系
4CuO2Cu2O＋O2↑
3.氢氧化铜
(1)物理性质：蓝色沉淀
(2)化学性质及应用

反应①的化学方程式：Cu(OH)2CuO＋H2O
反应②的化学方程式：Cu(OH)2＋2H＋===Cu2＋＋2H2O
4.铜盐
(1)Cu2(OH)2CO3：名称为碱式碳酸铜，是铜绿、孔雀石的主要成分。

(2)CuSO4·5H2O俗称蓝矾、胆矾。可发生
＋5H2O，无水CuSO4遇水变蓝色，可用于检验水的存在。
(3)铜盐溶液有毒，主要是因为Cu2＋作为一种重金属离子能与蛋白质作用，使蛋白质变性失去生理活性，因此可将胆矾、熟石灰、水配成波尔多液，用来杀灭植物的病毒。
『考向突破』
考向一　铜及其化合物的性质及应用

[题目设计]
1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)除去铜粉中混有的CuO，加入稀硝酸，过滤、洗涤、干燥(×)
(2)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(×)
(3)铜锈是铜被空气中的氧气缓慢氧化生成的氧化物(×)
(4)无水硫酸铜可用于检验酒精中是否含有水(√)
(5)CuSO4·5H2O失去结晶水属于物理变化(×)

[题目设计]
2.铜及其化合物反应过程中常伴有颜色变化，回答相关问题。
(1)向胆矾晶体中滴加一滴浓硫酸，固体颜色变化为________。
(2)将红热的铜丝伸入盛有氯气的集气瓶中，生成________的烟。
(3)将铜丝在酒精灯火焰上灼烧后伸入盛乙醇的试管中，铜丝颜色变化为________。
(4)向CuSO4溶液中滴加过量NaOH溶液，充分反应后加热煮沸，固体颜色变化为________。
提示　(1)蓝色出现白斑　(2)棕黄色　(3)红色→黑色→红色　(4)蓝色变为黑色
考向二　铜的冶炼
[命题素材]
铜的冶炼“三方法”
(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。
(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。
生物炼铜的优点：a.成本低；b.污染小；c.反应条件简单；d.含量(品位)很低的矿石也可以被利用。
[题目设计]
3.工业上由黄铜矿(主要成分为CuFeS2)冶炼铜的主要流程如下：

问题讨论：
(1)冰铜焙烧过程中变化分两步：
Cu2SCu2O
第二步变化中每生成1 mol Cu转移电子数为________。
(2)由泡铜冶炼粗铜，反应的化学方程式为_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)对粗铜进行电解精炼，粗铜连接电源的________极，电解质溶液可选用________溶液。
提示　(1)NA　(2)3Cu2O＋2AlAl2O3＋6Cu　(3)正　CuSO4
考向三　含铜化合物的制备
[命题素材]
实验方案的优劣比较一般考虑以下几个方面
(1)方案可行，能达成目的
(2)原料的利用率高，原料价格低廉
(3)产物、原料对环境无污染
(4)能耗低、步骤少
[题目设计]
4.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)Cu硫酸铜溶液CuSO4·5H2O
(2)CuCuO硫酸铜溶液CuSO4·5H2O

问题讨论：
(1)方案(1)中硫酸与硝酸的物质的量的最佳配比为________。
(2)方案(3)中常加入少量FeSO4以加快反应速率，FeSO4的作用为____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)方案(3)与方案(1)、方案(2)比较，优点为_______________________________
___________________________________________________________________。
提示　(1)3∶2　(2)催化作用　(3)原料利用率高，不产生污染性气体，耗能低(步骤少)等

『知识梳理』
1.铝的原子结构与物理性质

2.铝的化学性质

写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：
①
②2Al＋3Cl22AlCl3
③
④2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
⑤2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe(铝热反应)

(1)铝制品在空气中形成一层致密的氧化膜，保护内层金属而不生锈。
(2)铝热反应为置换反应，活泼金属置换不活泼金属，可用于焊接钢轨、冶炼难熔贵重金属。
3.铝的制备及用途
(1)制备原理
电解熔融Al2O3：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。
(2)用途
①纯铝用作导线；②铝合金用于制造汽车、飞机、生活用品等。

工业上冶炼铝用电解熔融Al2O3而不用AlCl3，原因是AlCl3为共价化合物，液态不导电。
4.氧化铝
(1)物理性质：难溶于水，熔点高，硬度大。
(2)化学性质(用离子方程式表示)

(3)用途：①制造耐火坩埚；②冶炼铝。
5.从铝土矿(主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)提取Al2O3的两大工艺流程：

6.氢氧化铝
(1)物理性质
白色胶状不溶于水的固体，有较强的吸附性。
(2)化学性质
Al(OH)3的电离方程式为


写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：
①Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O；
②Al(OH)3＋OH－===[Al(OH)4]－；
③2Al(OH)3Al2O3＋3H2O。
(3)制备
①向铝盐中加入氨水，离子方程式为
Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH。
②Na[Al(OH)4]溶液中通入足量CO2，离子方程式为
[Al(OH)4]－＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO。
③Na[Al(OH)4]溶液与AlCl3溶液混合：离子方程式为
3[Al(OH)4]－＋Al3＋===4Al(OH)3↓。
7.常见的铝盐
(1)复盐：两种不同的金属离子(或金属离子和铵根离子)和一种酸根离子组成的盐。
(2)明矾净水
①明矾的化学式：KAl(SO4)2·12H2O。
②净水原理：Al3＋＋3H2OAl(OH)3(胶体)＋3H＋，Al(OH)3胶体吸附水中的色素与杂质形成沉淀而净水。
『考向突破』
考向一　铝及其化合物的性质及应用

[题目设计]
1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)铝在空气中耐腐蚀，所以铝是不活泼金属(×)
(2)冶炼铝时常用焦炭作还原剂(×)
(3)铝制餐具不能长时间存放酸性、碱性食物(√)
(4)MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂(×)
(5)铝条用砂纸打磨后插入浓硝酸中产生红棕色气体(×)
(6)强酸性溶液中铝元素以Al3＋形式存在，强碱性溶液中铝元素以[Al(OH)4]－形式存在(√)
(7)氢氧化铝具有弱碱性，可用于制胃酸中和剂(√)
(8) Al2O3熔点高，可用作耐高温材料(√)
(9)向Al2(SO4)3溶液中加入过量氨水的离子方程式：
Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH(√)
(10)氯化铝溶液滴入浓NaOH溶液中，产生大量白色沉淀(×)

[题目设计]
2.铝是一种日常生活中应用广泛的金属，回答下列问题。
(1)铝制品在空气中具有较强的抗腐蚀性，原因是__________________________
___________________________________________________________________。
(2)铝可溶于烧碱溶液，反应的离子方程式为_____________________________
___________________________________________________________________，
反应中的氧化剂为________。
(3)Al与Fe2O3可发生铝热反应置换出Fe，但工业上却不用此法冶铁，原因是___________________________________________________________________。
提示　(1)铝在空气中形成一层致密的氧化膜，把金属铝与空气隔开，对内部金属起到保护作用
(2)2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑　H2O
(3)Al价格较贵、生产成本高
3.现有下列四种试剂：a.浓盐酸　b.浓硝酸　c.浓硫酸　d.浓氢氧化钠溶液
回答下列问题：
(1)除去铁粉中少量铝粉，可选用上述试剂中的________(填字母，下同)。
(2)除去铜粉中少量铝粉，可选用上述试剂中的________。
提示　(1)d　(2)ad
考向二　铝的化合物的性质及应用

[题目设计]
4.Al2O3、Al(OH)3为常见的两性氧化物、两性氢氧化物。
回答下列问题：
(1)探究二者的两性，可选用的试剂为________。
(2)用化学方法去除铝表面的氧化物可选用的试剂为________。
答案　(1)NaOH溶液、稀盐酸(其它合理答案也可)
(2)NaOH溶液、稀盐酸(其它合理答案也可)
5.设计实验除去下列物质中的杂质(括号内为杂质)
(1)Mg(OH)2[Al(OH)3]____________________________________________；
(2)Al(OH)3[Mg(OH)2]____________________________________________；
(3)MgSO4溶液[Al2(SO4)3]___________________________________________；
(4)Al2(SO4)3溶液(MgSO4)___________________________________________。
提示　(1)向混合物中加入过量NaOH溶液，过滤(其它答案合理也可)
(2)向混合物中加入过量NH4Cl溶液，过滤(其它答案合理也可)
(3)向溶液中加入过量MgO，过滤(向溶液中加入过量NaOH溶液后过滤，向所得沉淀中加入稀硫酸溶解即可)
(4)向溶液中加入过量NaOH溶液，过滤，向滤液中通入过量CO2，过滤，再向过滤所得沉淀中加入稀硫酸溶解即可。
考向三　铝盐性质及应用
[题目设计]
6.铝盐是工农业生产中的重要原料，回答下列相关问题：
(1)AlCl3溶液的配制方法：取AlCl3固体少许，_____________________________
____________________________________________________________________。
(2)由AlCl3溶液制取AlCl3·6H2O的方法：_______________________________
________________________________________________________________。
(3)泡沫灭火器工作时反应的离子方程式为____________________________
________________________________________________________________。
外筒(铁筒)中所盛试剂为________。
(4)[Al(OH)4]－与HCO在溶液中不能共存，二者反应的离子方程式为____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(5)明矾的净水原理为_________________________________________________
(用离子方程式表示)。如果溶液pH过低，净水效果________(填“提高”或“降低”)。
提示　(1)溶于盛有浓盐酸的烧杯中
(2)加入盐酸后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
(3)Al3＋＋3HCO===Al(OH)3↓＋3CO2↑　NaHCO3溶液
(4)[Al(OH)4]－＋HCO===Al(OH)3↓＋CO＋H2O
(5)Al3＋＋3H2OAl(OH)3(胶体)＋3H＋　降低

『知识梳理』
1.合金


(1)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。
(2)形成合金的条件：组分金属能形成共熔体。
2.金属冶炼的一般方法
(1)金属在自然界中的存在

(2)金属冶炼的一般步骤

(3)金属冶炼的实质
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：Mn＋＋ne－===M(写反应通式，用M表示金属)。
(4)金属冶炼的方法(用化学方程式表示)


(1)用H2还原法冶炼得到的金属，纯度高，但成本也高；用CO和C还原法冶炼得到的金属，纯度低，冶炼成本也低。
(2)用热还原法制得的铜须用电解精炼法进行提纯。
(3)金属冶炼与金属活动性的关系：

3.铝热反应
实验装置

实验现象
①镁带剧烈燃烧，放出一定的热，并发出耀眼的白光，氧化铁和铝粉在较高温度下发生剧烈反应；
②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，反应的化学方程式为2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe
原理应用
①制取熔点较高、活泼性弱于Al的金属，如铬、锰、钨等；
②金属焊接，如野外焊接钢轨等。
[链接新教材]
(新教材RJ第二册P128 9习题变式练)
以金红石(主要成分为TiO2)为原料生产金属钛(Ti)的步骤如下：
ⅰ.高温下，向金红石与焦炭的混合物中通入Cl2，得到TiCl4和一种可燃性气体；
ⅱ.在稀有气体(如Ar)氛围中加热，用镁与TiCl4反应可得到钛。
请回答下列有关问题：
①写出上述两步反应的化学方程式______________________________________
___________________________________________________________________。
②步骤ⅱ中稀有气体氛围的作用为____________________________________。
③如步骤ⅱ中有水蒸汽进入则会生成TiOCl2，试写出该反应的化学方程式为___________________________________________________________________。
④制得钛中常含有少量镁，可加入盐酸后________(填一种分离方法)得到钛。
答案　(1)TiO2＋2Cl2＋2CTiCl4＋2CO、TiCl4＋2Mg2MgCl2＋Ti
(2)隔绝空气(保护气)
(3)TiCl4＋H2O===TiOCl2＋2HCl
(4)过滤
『考向突破』
考向一　合金的成分与性能

[题目设计]
1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)合金材料中不可能含有非金属元素(×)
(2)合金中各种元素的含量一定，所以合金是纯净物(×)
(3)合金的硬度一般大于成分金属，而熔点一般低于成分金属(√)
(4)镧镍合金能大量吸收H2形成金属氢化物，可作储氢材料(√)
(5)Na(Hg)俗称钠汞剂，其中Hg元素化合价为－1价(×)

[题目设计]
2.所谓合金，就是不同种金属(也包括一些非金属)在熔化状态下形成的一种熔合物，根据下列四种金属的熔沸点：

Na
Cu
Al
Fe
熔点
97.5 ℃
1 083 ℃
660 ℃
1 535 ℃
沸点
883 ℃
2 595 ℃
2 200 ℃
3 000 ℃
其中能与Na形成合金的是________。
提示　Al
考向二　金属矿物的开发利用

[题目设计]
3.黄铜(铜、锌合金)因外观与黄金相似又俗称“药金”。
回答相关问题。
(1)鉴别黄金与“药金”可采用________________方法。
(2)古代“药金”冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜(Cu2O)，木炭混合加热至800 ℃，得到金光闪闪的“药金”。
该冶炼方法属于________法，冶炼过程中Cu2O反应的化学方程式为___________________________________________________________________。
提示　(1)灼烧、加盐酸等　(2)热还原　2Cu2O＋C4Cu＋CO2↑

[题目设计]
4.用铝和金属氧化物反应制备金属单质是工业上较常用的方法。例如：
2Al＋4BaO3Ba↑＋BaO·Al2O3
常温下Al的金属性比Ba的金属性________(填“强”或“弱”)。利用上述方法可制取Ba的主要原因是__________________________________________。
提示　弱　Ba的沸点比Al低，高温变成Ba蒸气，促进反应向右进行


素养说明：化学工艺流程题是近几年高考的热点题型。试题以工农业生产为背景，与产品提纯、环境保护、生产成本等相融合，依托生产流程，考查物质的制备、分离、提纯、检验等。通过识图联题培养学生“宏观辨识与微观探析”素养，结合流程中的初始原料与目的产物分析物质的去向及相关化工措施、化学试剂的选择，培养学生信息提取、加工、整合、运用能力，借助建模手段突破解题的关键，同时帮助学生树立绿色环保的化学理念。
1.工艺流程题过程解读

(1)读流程图
①箭头：箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。
②三线：出线和进线均表示物料流向或操作流程，可逆线表示物质循环。
(2)解题要点
①审题要点：a.了解生产目的、原料及产品；b.了解题目提供的信息；c.分析各步的反应条件、原理及物质成分；d.理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。
②答题切入点：a.原料及产品的分离提纯，b.生产目的及反应原理；c.生产要求及反应条件；d.有关产率、产量及组成的计算；e.绿色化学。
2.工艺流程题常见答题方向
工艺操作(结果)
目的评价(或操作名称)
方法措施
研磨(粉碎)
增大接触面积，加快反应(溶解)速率
煅烧(焙烧)
矿物分解、燃烧，转化为易溶于酸、碱的物质
水浸
利用水溶性把物质进行分离
酸浸(碱浸)
利用物质与酸(碱)反应除掉杂质或把目标物质转化为可溶性离子
控制条件
调节溶液pH
某些金属离子的沉淀，控制物质的溶解
控制温度
加快反应速率，促进平衡移动；物质的溶解、析出、挥发等
增大某反应物用量
增大另一反应物的转化率(产率)
某种试剂的选择
是否带入杂质、是否影响产品的纯度
分离提纯
不相溶液体
分液
相溶性液体
蒸馏
难溶性固体
过滤
易溶性固体
蒸发浓缩、冷却结晶
趁热过滤
防止温度降低，某物质析出
冰水洗涤
减少晶体的溶解损失
乙醇、有机溶剂洗涤
减少晶体的水溶性损失
3.分离提纯中的各种答题规范
判断沉淀剂过量的答题规范
沉淀剂过量的目的是使杂质离子沉淀完全。判断沉淀剂已过量的一般操作规范是把反应后的混合物静置一段时间，吸取少量上层清液，置于一洁净的试管中，再滴加少量的沉淀剂，若没有沉淀生成，则证明沉淀剂已过量。
洗涤沉淀时的答题规范
由于沉淀生成时，表面吸附一定量的离子，因此，过滤后要进行沉淀的洗涤。洗涤规范是向过滤得到的沉淀上慢慢注入适量蒸馏水至刚好浸没沉淀，然后静置，让其自然流下，重复以上操作2～3次，直至洗涤干净。为了减少沉淀的溶解，可用冰水或有机溶剂洗涤。
检验沉淀洗涤干净的答题规范
检验沉淀是否洗涤干净，主要是检验洗涤液中是否还含有在溶液中吸附的离子。一般的检验规范是取少量最后一次的洗涤液，置于一洁净的试管中，再滴加少量的检验试剂，若没有特征现象出现，则证明沉淀已洗涤干净。
溶液结晶答题规范
从溶液中得到带结晶水的晶体的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。
除杂答题规范
在书写某一步骤是为了除杂时，应该规范回答，“是为了除去××杂质”，“除杂”等一类万能式的回答是不能得分的。
题型一　以物质制备为目的的化学工艺流程
【典例1】　(2019·课标全国Ⅰ，26)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：

回答下列问题：
(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉，产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为____________________________________________________________________。
(2)“滤渣1”的主要成分有________。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3＋离子，可选用的化学试剂是________。
(3)根据H3BO3的解离反应：H3BO3＋H2OH＋＋B(OH)，Ka＝5.81×10－10，可判断H3BO3是________酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为____________________________________________________________________，
母液经加热后可返回________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是______________________________________________________________。
解析　(1)硫酸铵溶液中存在平衡：NH＋H2ONH3·H2O＋H＋，硼酸镁能与水解出的H＋反应，促进平衡向右移动，生成的一水合氨浓度增大，因溶液中存在平衡NH3·H2ONH3＋H2O，一水合氨浓度增大，促进NH3·H2O分解产生NH3。用NH4HCO3溶液吸收氨气，发生的反应为NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3。(2)二氧化硅、氧化铁、氧化铝不溶于硫酸铵溶液，滤渣1的主要成分是二氧化硅、氧化铁、氧化铝。检验Fe3＋的试剂可选用KSCN。(3)由题给硼酸的解离反应方程式知，硼酸是一元弱酸。“过滤2”之前，调节pH≈3.5目的是将硼元素转化为硼酸，促进硼酸析出。(4)“沉镁”中，碳酸铵溶液与硫酸镁溶液发生双水解反应生成碱式碳酸镁：2MgSO4＋2(NH4)2CO3＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2(NH4)2SO4＋CO2↑，或者反应生成碱式碳酸镁和碳酸氢盐。母液含硫酸铵，可以将母液返回“溶浸”工序循环使用，体现绿色化学理念和环境保护思想。碱式碳酸镁转化成轻质氧化镁，联系碳酸镁、氢氧化镁受热都能分解生成氧化镁，也可以联系碱式碳酸铜分解生成氧化铜、水和二氧化碳，可知采用的方法是高温焙烧法，MgCO3·Mg(OH)22MgO＋H2O＋CO2↑。
答案　(1)NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3
(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN
(3)一元弱　将硼元素转化为H3BO3，促进析出
(4)2Mg2＋＋3CO＋2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2HCO[或2Mg2＋＋2CO＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑]　溶浸　高温焙烧
题型二　以物质分离提纯为目的的化学工艺流程
【典例2】　(2016·课标全国Ⅲ，28)以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。从废矾催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为：
物质
V2O5
V2O4
K2SO4
SiO2
Fe2O3
Al2O3
质量分数/%
2.2～2.9
2.8～3.1
22～28
60～65
1～2