2020版高考化学（经典版）一轮复习教师用书：第三章第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，因此开发利用金属矿物在历届各地高考中常考。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

(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。

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。

(6)不锈钢中碳的含量比生铁中碳的含量高。(×)

错因：不锈钢的含碳量比生铁的含碳量低。

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　D

解析　铝锂合金是铝与锂形成的混合物，A正确；合金的硬度比组成金属的硬度大，熔沸点比组成金属的熔沸点低，B、C正确；铝和锂都能与酸反应，铝还能与碱反应，D错误。

2．某合金与铁的物理性质的比较如下表所示：

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

解析　该合金与铁的性质比较可知，其导电性比Fe差很多，不适合做导线。

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。

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)炼铁：用焦炭和空气反应产生的CO在高温下还原铁矿石中铁的氧化物。(√)

错因：__________________________________________________________

(3)制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液。(×)

错因：制钠：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。

(4)用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜。(×)

错因：黄铜矿冶炼后得到粗铜，粗铜电解得到99.9%的铜。

(5)将MgO与铝粉混合发生铝热反应制备镁。(×)

错因：用电解熔融MgCl2的方法制备镁，MgO与Al不反应。

(6)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。

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＋3H2O

C．Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

D．2Ag2O4Ag＋O2↑

答案　B

解析　Al活动性比H2强，不能用H2还原法进行冶炼，而应用电解法进行冶炼。

2．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

解析　银、汞为不活泼金属，工业上可用热分解其氧化物的方法制得，A正确；Na能与溶液中的水发生反应，B错误；AlCl3为共价化合物，工业上制备金属Al是用电解熔融Al2O3的方法，C错误；工业上冶炼钾可以用钠还原法：Na＋KCl850 ℃以上,NaCl＋K(蒸气)，反应制得的钾蒸气遇冷即得到金属钾，D错误。

高考真题实战

1.(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、Li

C．“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。

2．(2015·福建高考)下列制作铅笔的材料与相应工业不对应的是(　　)

A．橡皮擦——橡胶工业

B．铝合金片——冶金工业

C．铅笔芯——电镀工业

D．铅笔漆——涂料工业

答案　C

解析　制作铅笔芯的材料是石墨与黏土的混合物，与电镀工业没有关系。

3．(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。

4．(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。

5．(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

解析　(1)Cu的核电荷数为29，大于18，小于36，所以位于第四周期。

(2)119 g Sn的物质的量＝＝1 mol,20.7 g Pb的物质的量＝＝0.1 mol，则该青铜器中Sn、Pb原子数目之比为10∶1。

(3)根据复分解反应的概念，CuCl与Ag2O反应时生成AgCl、Cu2O: Ag2O＋2CuCl===2AgCl＋Cu2O。