2022河北新高考化学(苏教版) ·一轮复习 优化设计·专题三金属及其化合物第3讲　铜的获取及应用学案

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专题三　金属及其化合物
第3讲　铜的获取及应用

备考要点
素养要求
1.能说明常见金属及其化合物的应用(如金属冶炼等)、对社会的价值、对环境的影响。
2.了解铜及其重要化合物的性质及应用。
3.了解常见金属的活泼性顺序和常见金属的制备方法。
1.证据推理与模型认知:具有证据意识,能基于证据对金属材料性质提出可能的假设,通过分析推理加以证实,能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。
2.科学探究与创新意识:能对金属的性质提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发,确定探究目的,设计探究方案,进行实验探究。


考点一　铜及其重要化合物
必备知识自主预诊　
知识梳理
1.单质铜
(1)铜的物理性质:
铜是一种有金属光泽的　　　　　　　色固体,有良好的导电、导热性(仅次于银,可用于制电缆),有良好的延展性。 
(2)铜的化学性质:

与Cu反应的物质
化学方程式
非金属
O2
　　　　　　　　　　　　　　(产物为　　　　色固体) 
Cl2
　　　　　　　　　　　　　　(产生棕黄色烟) 


续　表
与Cu反应的物质
化学方程式
氧化性酸
浓硫酸
　　　　　　　　　　　　 
浓硝酸
　　　　　　　　　　　　 
稀硝酸
　　　　　　　　　　　　 
盐溶液
AgNO3
溶液
　　　　　　　　　　　　 
FeCl3溶液
　　　　　　　　　　　　 


微点拨(1)通常利用反应2Cu+O22CuO除去某些混合气体中的少量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+2H2SO42CuSO4+2H2O。
2.铜的重要化合物
(1)黑色氧化铜在高温下分解为砖红色的Cu2O,化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　;砖红色的Cu2O与稀硫酸反应,溶液变蓝,同时生成红色的单质铜,离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)氢氧化铜,　　色　　　　　　水的固体。其化学性质及应用如下: 

反应①的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　; 
反应②的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　。 
(3)Cu2(OH)2CO3的名称为　　　　　　,是铜绿、孔雀石的主要成分,受热分解可生成黑色的氧化铜,化学方程式为Cu2(OH)2CO32CuO+CO2↑+H2O,可溶于稀硫酸,离子方程式为Cu2(OH)2CO3+4H+2Cu2++CO2↑+3H2O。 
(4)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。
微点拨(1)无水CuSO4可作为检验水的试剂,但不能作为水蒸气的吸收试剂而用于除杂。
(2)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,因此人们利用了它的这一性质用胆矾、熟石灰、水配成了波尔多液,用来杀灭植物病毒而减少病虫害。
3.铜的冶炼
(1)湿法炼铜:Fe+CuSO4FeSO4+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↑
电解精炼铜的原理是用粗铜为阳极,铜在阳极上失电子变为Cu2+,用纯铜棒为阴极,Cu2+在阴极上得电子生成铜。
自我诊断
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)CuO是黑色固体,与水反应生成Cu(OH)2。(　　)
(2)将气体通过无水硫酸铜,粉末变蓝,证明原气体中含有水蒸气。(　　)
(3)CuSO4·5H2O失去结晶水属于物理变化。(　　)
(4)Cu2(OH)2CO3是铜锈的主要成分,在干燥的空气中铜不易生锈。(　　)
(5)1 mol Cu和足量热浓硫酸反应可生成NA个SO3分子。(　　)
(6)中国古代利用明矾溶液的酸性清除铜镜表面的铜锈。(　　)
(7)将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干,可制得无水CuCl2固体。(　　)
2.孔雀石的主要成分为Cu2(OH)2CO3。某同学设计从孔雀石中冶炼铜的方案如下(假设孔雀石中杂质不溶于水和稀硫酸):

(1)反应①能观察到的现象是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,有关反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)反应②加入的金属可能是　　　　　　　　,有关反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　。 
(3)操作a可能的方法是　　　　　　　　,欲除掉的杂质为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;要从操作a所得到的溶液中得到溶质的晶体,需要进行的操作是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
关键能力考向突破　
考向1　铜及其化合物的性质和应用
【典例1】 (2020黑龙江牡丹江第一高级中学期末)为了探究铁、铜及其化合物的性质,某同学设计并进行了下列实验。下列说法错误的是(　　)

A.高温加热装置中发生的反应为3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)
B.虚线框处宜选择的装置是甲
C.实验时将螺旋状铜丝加热变黑后再趁热迅速伸入试管中,可观察到铜丝由黑色变为红色
D.实验后,可用铝粉在高温下还原玻璃管中的固体获得铁单质
对点演练1(2020全国3,7)宋代《千里江山图》描绘了山清水秀的美丽景色,历经千年色彩依然,其中绿色来自孔雀石颜料[主要成分为Cu(OH)2·CuCO3],青色来自蓝铜矿颜料[主要成分为Cu(OH)2·2CuCO3]。下列说法错误的是(　　)
A.保存《千里江山图》需控制温度和湿度
B.孔雀石、蓝铜矿颜料不易被空气氧化
C.孔雀石、蓝铜矿颜料耐酸耐碱
D.Cu(OH)2·CuCO3中铜的质量分数高于Cu(OH)2·2CuCO3
深度指津铜及其化合物的颜色、状态及溶解性
物质
颜色
状态及溶解性
物质
颜色
状态及溶解性
Cu
紫红
色,有
金属
光泽
固态,难溶于非氧化性酸,易溶于强氧化性酸
CuSO4
白色
粉末,易溶于水,水溶液呈蓝色
CuO
黑色
粉末,可溶于酸溶液
CuSO4·5H2O
蓝色
晶体
Cu2O
砖红
色
固体,难溶于水,可溶于酸溶液(生成Cu和Cu2+)
Cu2(OH)2CO3
绿色
粉末,难溶于水,可溶于酸溶液
CuCl
CuI
白色
粉末,难溶于水
Cu(OH)2
蓝色
难溶于水,可溶于酸溶液
CuS
黑色
粉末,难溶于水及非氧化性强酸
[Cu(NH3)4]2+
深蓝
色
络合离子,溶于水

提醒:反应CuSO4+H2SCuS+H2SO4可说明CuS难溶于非氧化性强酸。
考向2　铜及其化合物的制备
【典例2】 工业上由黄铜矿(主要成分为CuFeS2)冶炼铜的主要流程如下:

(1)气体A中的大气污染物可选用下列试剂中的　　　　吸收。 
a.浓硫酸　 b.浓硝酸　 c.NaOH溶液　 d.氨水
(2)用稀硫酸浸泡熔渣B,取少量所得溶液,滴加KSCN溶液后呈红色,说明溶液中存在　　　(填离子符号),检验溶液中还存在Fe2+的方法是　　　　　　　(注明试剂、现象)。 
(3)由泡铜冶炼粗铜的化学反应方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(4)以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼,下列说法正确的是　　　。 
a.电能全部转化为化学能
b.粗铜接电源正极,发生氧化反应
c.溶液中Cu2+向阳极移动
d.利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属
(5)利用化学反应2Cu+O2+2H2SO42CuSO4+2H2O可以制备CuSO4,若将该反应设计为原电池,其正极电极反应式为　。 
对点演练2(2020江西抚州南城一中期末)CuSO4是一种重要的化工原料,其制备途径及性质如图所示(假设恰好完全反应)。下列说法正确的是(　　)

A.途径①所用混酸中,H2SO4与HNO3的物质的量之比为2∶3
B.1 mol CuSO4在1 100 ℃反应所得混合气体中O2为0.75 mol
C.Z只能是葡萄糖
D.相对于途径①③,途径②更好地体现了绿色化学思想
考点二　金属材料与金属矿物的开发和利用
必备知识自主预诊　
知识梳理
1.合金

微点拨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
(1)分类。

(2)常见的合金材料。


③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。
3.金属矿物的开发利用
(1)金属在自然界中的存在。

(2)金属冶炼的实质。
金属的冶炼过程就是把金属从　　　　态还原为　　　　态的过程。即　　　　　　　　　　　　　(写反应通式,用M表示金属)。 
(3)金属冶炼的方法(用化学方程式表示)。


微点拨①金属冶炼与金属活泼性的关系:

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。
(4)铝热反应。
实验
原理
Al和某些金属氧化物在高温下进行,反应迅速并放出大量的热,新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离


续　表
实验
装置

实验
现象
①镁带剧烈燃烧,放出大量的热,并发出耀眼的白光,氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应
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,化学方程式为　　　　　　　　　　　 
原理
应用
①可制取熔点较高、活泼性弱于Al的金属,如铁、铬、锰、钨等
②常用于金属焊接,如野外焊接钢轨等

自我诊断
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)合金中至少含有两种金属元素,不含非金属元素。(　　)
(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)电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液时,阴极上依次析出Cu、Fe、Al。(　　)
(5)可以用金属钠置换四氯化钛(TiCl4)溶液中的钛来制取单质钛。(　　)
(6)人类历史上使用铝的时间比铁晚,原因是铝不如铁活泼。(　　)
2.冶炼金属常用以下几种方法:
①热分解法　②以活泼金属Na、Mg等作为还原剂　③以C、CO或H2作为还原剂　④电解法　⑤利用铝热反应原理还原
下列金属各采用哪种方法冶炼最佳(用上述方法的序号填空)。
(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属　　　　　　　　。 
(2)Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属　　　　　　　。 
(3)Hg、Ag等不活泼金属　　　　　　　　。 
(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属　　　　　　　　。 

关键能力考向突破　
考向1　合金的性质及应用
【典例1】 (2020福建莆田第七中学期中)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

对点演练1下列说法中正确的是(　　)
A.铁是人类最早使用的金属,钢铁属于铁碳合金
B.黑色金属材料及它们的合金是应用最广泛的金属材料
C.金属镁有“国防金属”的美誉,也被誉为“21世纪的金属”
D.铜绿的主要成分是碱式碳酸铜,这是铜在潮湿空气中发生电化学腐蚀的结果
考向2　金属矿物的开发与利用
【典例2】 (2020河北邢台月考)古代炼丹的五金通常是指金、银、铜、铁、锡。下列说法错误的是(　　)
A.用焦炭热还原SnO2可得到Sn
B.用H2还原Fe2O3可得到Fe
C.Cu2S与过量O2共热产物中只含Cu
D.Ag2O直接热分解可得到Ag

特别提醒(1)电解法冶炼活泼金属使用的是熔融的金属盐或金属氧化物,而不是盐溶液。
(2)铜除了用热还原法冶炼外,还可以用湿法炼铜或电解法进行冶炼。
对点演练2《五金·铁》中记载:“若造熟铁,则生铁流出时,相连数尺内,低下数寸,筑一方塘,短墙抵之。其铁流入塘内,数人执柳木排立墙上……众人柳棍疾搅,即时炒成熟铁。”以下说法不正确的是(　　)
A.金属冶炼方法由金属活泼性决定
B.熟铁比生铁质地更硬,延展性稍差
C.炒铁是为了降低铁水中的含碳量
D.该法与近代往生铁水中吹空气炼钢异曲同工




网络构建
核心速记

1.金属的制法
(1)电解法(K、Ca、Na、Mg、Al等活泼金属)
(2)热还原法(Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等较活泼金属)
(3)热分解法(Hg、Ag等不活泼金属)
2.必记五反应
(1)工业上冶炼Mg:MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
(2)工业上冶炼Al:2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
(3)工业上冶炼Fe:3CO+Fe2O32Fe+3CO2
(4)铝热反应:Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe
(5)铜绿的生成:2Cu+O2+CO2+H2OCu2(OH)2CO3



03
学科素养提升

无机化工流程解题指导
素养解读
1.无机化工流程题要求学生能认识化学现象与模型之间的联系,能运用多种模型来描述和解释化学现象,预测物质及其变化的可能结果;能依据物质及其变化的信息建构模型,建立解决复杂化学问题的思维框架,考查学生的证据推理与模型认知能力。
2.无机化工流程题涉及的问题包括:原料的预处理、反应条件的控制、化学反应原理、绿色化学问题、化工生产安全等。上述问题要求学生具有终身学习的意识和严谨求实的科学态度;崇尚真理,形成真理面前人人平等的意识;关注与化学有关的社会热点问题,认识环境保护和资源合理开发的重要性,具有可持续发展意识和绿色化学观念;深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系,赞赏化学对社会发展的重大贡献,能运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响,权衡利弊,勇于承担责任,积极参与有关化学问题的社会决策。培养学生的科学态度与社会责任。
案例探究
情境:新型负载镍催化剂的应用是近年来加氢工艺技术革新的开始,负载镍催化剂在空气中安全稳定,投料好称量,操作安全性高。最重要的是新型负载镍催化剂具有平稳的活性释放特性,在生产制作的过程中比骨架镍要均匀,且单位质量或体积的活性中心差别不大,但骨架镍会有比较大的区别。新型负载催化剂是一种非常适合未来连续化大生产的催化剂,目前多采用无定形硅藻土为载体,其比表面积大,结合力强,能让镍分散得很均匀,有效地降低了反应“热点”,使活性释放缓慢。
【典例】 (2020全国3,27)某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物,还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O ):

溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:

金属离子
Ni2+
Al3+
Fe3+
Fe2+
开始沉淀时(c=0.01 mol·L-1)的pH
7.2
3.7
2.2
7.5
沉淀完全时(c=1.0×10-5 mol·L-1)的pH
8.7
4.7
3.2
9.0

回答下列问题:
(1)“碱浸”中NaOH的两个作用分别是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。为回收金属,用稀硫酸将“滤液①”调为中性,生成沉淀。写出该反应的离子方程式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)“滤液②”中含有的金属离子是　　　　　　　　。 
(3)“转化” 中可替代H2O2的物质是　　　　　　　。若工艺流程改为先“调pH”后“转化”,即,“滤液③”中可能含有的杂质离子为　　　　。 
(4)利用上述表格数据,计算Ni(OH)2的Ksp=　　　　　　　　　　　　　　(列出计算式) 。如果“转化”后的溶液中Ni2+ 浓度为1.0 mol·L-1,则“调pH”应控制的pH范围是　　　　。 
(5)硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化,可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH。写出该反应的离子方程式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(6)将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用,其意义是　　　　　　　　　　　。 
解析(1)废镍催化剂中能与NaOH溶液反应的有油脂、铝及其氧化物。滤液①中的溶质为NaAlO2、高级脂肪酸钠和甘油,当向该滤液中滴加稀硫酸将溶液调为中性时,其中的NaAlO2可与稀硫酸反应得到Al(OH)3沉淀。
(2)滤饼①的成分为Ni、Fe及其氧化物等,用稀硫酸酸浸时可得到NiSO4、FeSO4、Fe2(SO4)3等,则滤液②中的金属阳离子有Ni2+、Fe2+、Fe3+。
(3)加H2O2溶液“转化”的目的是将Fe2+氧化为Fe3+,替代起氧化作用的H2O2溶液的可以为O2或空气,这样既能将Fe2+氧化,又不引进新杂质。由于Fe2+开始沉淀、沉淀完全时的pH与Ni2+的相近,所以若工艺流程改为先“调pH”后“转化”,则“调pH”得到Fe(OH)3沉淀,Fe2+与Ni2+一起存在于溶液中,通过“转化”(氧化)使Fe2+转变为Fe3+而被沉淀出来,则滤液③中可能的杂质离子为氧化得到的Fe3+。
(4)根据Ni2+开始沉淀时的pH为7.2,可得Ni(OH)2的Ksp=c(Ni2+)·c2(OH-)=0.01×(107.2-14)2;根据Ni2+完全沉淀时的pH为8.7,也可得Ni(OH)2的Ksp=c(Ni2+)· c2(OH-)=10-5×(108.7-14)2。“调pH”是为了使Fe3+沉淀完全,根据Fe3+完全沉淀时的pH为3.2可知,pH应大于3.2;同时不能使Ni2+沉淀,则c(Ni2+)·c2(OH-)