【鲁科版】高考化学一轮复习第11讲金属材料及金属矿物的开发利用教案

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考点一 铜及其化合物
1．金属铜
(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，不能被磁铁吸引。
(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，反应的化学方程式为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＋O2eq \(=====,\s\up7(△))2CuO；
铜丝在硫蒸气中反应：2Cu＋Seq \(=====,\s\up7(△))Cu2S。
2．铜的重要化合物
(1)氧化铜和氧化亚铜
(2)氢氧化铜
①物理性质：蓝色不溶于水的固体。
②化学性质及应用
eq \x(CuO)eq \(――→,\s\up7(不稳定性),\s\d5(①))eq \x(CuOH2)——eq \b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\c1(\(――→,\s\up7(②弱碱性，加H＋))\x(Cu2＋),③\(――→,\s\up7(弱氧化性))\x(检验醛基)))
反应①的化学方程式：Cu(OH)2eq \(=====,\s\up7(△))CuO＋H2O
反应②的离子方程式：Cu(OH)2＋2H＋===Cu2＋＋2H2O
(3)铜盐
①Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜，是铜绿、孔雀石的主要成分，是铜在潮湿空气中被腐蚀的结果，其受热分解的化学方程式为 Cu2(OH)2CO3eq \(=====,\s\up7(△))2CuO＋H2O＋CO2↑。
②CuSO4·5H2O为蓝色晶体，俗称蓝矾、胆矾，其受热分解的化学方程式为CuSO4·5H2Oeq \(=====,\s\up7(△))CuSO4＋5H2O，蓝色晶体受热转化为白色粉末。无水CuSO4遇水变蓝色(生成CuSO4·5H2O)，据此可用来检验水的存在。
(1)铜为变价金属，与Cl2反应生成CuCl2，与S反应生成Cu2S。
(2)通常利用灼热的铜丝网除去混合气体中的少量O2。
(3)Cu与稀H2SO4不反应，但在通入O2的条件下，Cu可在稀H2SO4中逐渐溶解：2Cu＋O2＋2H2SO4eq \(=====,\s\up7(△))2CuSO4＋2H2O。
(4)无水CuSO4只能作为检验水的试剂，不能作为水蒸气的吸收试剂。
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)铜锈是铜被空气中的氧气缓慢氧化生成的氧化物(×)
(3)无水硫酸铜可用于检验酒精中是否含有水(√)
(4)将铜片置于干燥的空气中，不易被腐蚀(√)
(5)CuSO4·5H2O失去结晶水属于物理变化(×)
2．将表中物质的颜色填入对应空格中：
答案： 紫红 白 黑 蓝 砖红 绿 黑 蓝
3．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)Cueq \(――→,\s\up7(浓H2SO4),\s\d5(加热))CuSO4eq \(――→,\s\up7(加水),\s\d5(稀释))硫酸铜溶液eq \(――→,\s\up7(蒸发),\s\d5(结晶))
CuSO4·5H2O。
(2)Cueq \(――→,\s\up7(O2),\s\d5(灼烧))CuOeq \(――→,\s\up7(稀H2SO4))硫酸铜溶液eq \(――→,\s\up7(蒸发),\s\d5(结晶))CuSO4·5H2O。
(3)eq \b\lc\ \rc\](\a\vs4\al\c1(Cu,热空气))eq \(――→,\s\up7(稀硫酸))硫酸铜溶液eq \(――→,\s\up7(蒸发结晶))CuSO4·5H2O。
对三个方案进行评价，你认为最好的是哪个方案？
答案： 方案(1)：产生污染性气体，且消耗硫酸较多。
方案(2)：消耗能量较多，且步骤复杂。
方案(3)：不产生污染性气体，原料利用率高，节约能源。
因而方案(3)更经济合理。
题组一 含铜化合物的性质探究
1．新制氢氧化铜存在平衡：Cu(OH)2＋2OH－⇌[Cu(OH)4]2－(深蓝色)。某同学进行下列实验：
下列说法不正确的是( )
A．①中出现蓝色沉淀
B．③中现象是Cu(OH)2＋2OH－⇌[Cu(OH)4]2－正向移动的结果
C．④中现象证明葡萄糖具有还原性
D．对比②和④可知Cu(OH)2氧化性强于[Cu(OH)4]2－
D [CuSO4溶液与NaOH溶液反应可生成蓝色沉淀Cu(OH)2，A正确；新制Cu(OH)2存在平衡：Cu(OH)2＋2OH－⇌[Cu(OH)4]2－，加入NaOH，氢氧根离子的浓度增大，平衡正向移动，B正确；③中加入葡萄糖溶液有砖红色的沉淀生成，说明葡萄糖中含有醛基，所以葡萄糖具有还原性，C正确；④中氧化葡萄糖的是[Cu(OH)4]2－，而②中未生成砖红色沉淀，可知氧化性：Cu(OH)2<[Cu(OH)4]2－，D错。]
2．(2019·山东济南外国语学校月考)根据框图分析，下列说法不正确的是( )
A．我国是世界上最早使用反应②冶炼金属M的国家
B．M2＋的氧化性比E2＋的氧化性强
C．在反应③中若不加稀硫酸 ，可能观察到红褐色沉淀
D．在反应①中稀硫酸既表现出氧化性又表现出酸性
D [由框图可知，红色金属M为Cu，蓝色溶液中的MSO4为CuSO4，E为Fe，X为FeSO4，Y为Fe2(SO4)3，Z为Fe(OH)3，W为Fe(SCN)3。我国是世界上最早利用Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu制取铜的国家，A项正确；Cu2＋的氧化性比Fe2＋强，B项正确；H2O2具有强氧化性，能将Fe2＋氧化成Fe3＋，反应③中若不加稀硫酸，Fe3＋可能水解生成Fe(OH)3红褐色沉淀，C项正确；反应①为Cu＋H2O2＋H2SO4===CuSO4＋2H2O，稀硫酸只表现出酸性，D项错误。]
题组二 含铜化合物的制取
3．孔雀石的主要成分为Cu2(OH)2CO3。某同学设计的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
________________________________________________________________________。
解析： (1)孔雀石中加入稀硫酸可看到孔雀石逐渐溶解，溶液由无色变为蓝色，且有气泡产生；反应的化学方程式为Cu2(OH)2CO3＋2H2SO4===2CuSO4＋CO2↑＋3H2O。
(2)经过滤除去难溶于水和稀硫酸的杂质，则滤液中主要含有CuSO4，加入的金属粉末能将Cu2＋从溶液中置换出来即可，故金属可能是Fe或Zn等。
答案： (1)固体逐渐消失，溶液由无色变成蓝色，有气泡产生
Cu2(OH)2CO3＋2H2SO4===2CuSO4＋CO2↑＋3H2O
(2)铁粉(答案合理即可) Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu
4．CuSO4用途广泛，以Cu为原料制CuSO4有多种方法。
(1)实验室可用Cu与浓硫酸反应制CuSO4。
①Cu与浓硫酸反应的化学方程式是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②该方法制CuSO4存在的不足是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________(写出任意一条)。
(2)实验小组采取如下方法制CuSO4。
实验表明，Fe3＋能加快生成CuSO4的反应速率，加快原理可表述为
ⅰ.2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
ⅱ.……
ⅱ的离子方程式是
________________________________________________________________________。
解析： (1)①Cu与浓硫酸反应的化学方程式为Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O；②该方法反应产生SO2，对环境有污染，浓硫酸浓度减小后，反应停止，浓硫酸利用率不高。(2)生成的Fe2＋被氧气氧化，4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O。
答案： (1)①Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O
②反应产生SO2，对环境有污染或氧化剂浓硫酸利用率不高(其他合理答案正确均可)
(2)4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O
考点二 金属材料与金属矿物的开发利用
1．合金
2．常见金属材料
(1)黑色金属材料——钢铁
①钢是用量最大，用途最广的合金。
(2)有色金属材料——铜和铝
①我国使用最早的合金是青铜，常见的铜合金有黄铜和白铜。
②铝合金。
铜及铜合金eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(铜\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(性能：良好的导电性和导热性,用途：主要用于电器和电子工业、建筑业)),铜合金：青铜是我国使用最早的合金，常见的还有, 黄铜和白铜))
3．金属矿物的开发利用
(1)金属在自然界中存在的形式
(2)金属冶炼的一般步骤
(3)金属冶炼的实质：把金属从化合态还原为游离态。
(4)金属冶炼的方法(用化学方程式表示)
(5)铝热反应
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)所有的金属氧化物都能和铝发生铝热反应(×)
(3)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(√)
(4)电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液时，阴极上依次析出Cu、Fe、Al(×)
(5)人类历史上使用铝的时间比铁晚，原因是铝的冶炼成本高(×)
(6)镧镍合金能大量吸收H2形成金属氢化物，可作储氢材料(√)
2．下表中是四种金属的熔、沸点数据：
(1)根据表中数据，归纳出两种金属不能形成合金的有哪些组合？
(2)概括出能形成合金的两种金属应具备的条件。
答案： (1)Na—Cu，Na—Fe
(2)要形成合金，各成分都要有共同的液态温度范围，即合金中一种金属的熔点要高于另一种金属的熔点而低于它的沸点。
题组一 金属冶炼方法的选择
1．(2019·山东济宁一中调研)《淮南万毕术》中记载“曾青得铁，则化为铜，外化而内不化”，下列说法中正确的是( )
A．“化为铜”表明发生了氧化还原反应
B．“外化”时化学能转化为电能
C．“内不化”是因为内部的铁活泼性较差
D．反应中溶液由蓝色转化为黄色
A [“曾青得铁，则化为铜”，反应的化学方程式是Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，有元素化合价发生变化，属于氧化还原反应，故A正确；反应过程中没有形成原电池，化学能没有转化为电能，故B错误；“内不化”是因为析出的铜覆盖在铁表面，内部的铁与硫酸铜不接触而不反应，不是因为内部的铁活泼性较差，故C错误；若硫酸铜完全反应，溶液由蓝色转化为浅绿色，故D错误。]
2．(2019·江西九江质检)下列说法正确的是( )
A．工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气
B．钢铁厂用热还原法冶炼铁
C．工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al不涉及氧化还原反应
D．MgCl2(aq)eq \(――→,\s\up7(石灰乳))Mg(OH)2eq \(――→,\s\up7(煅烧))MgOeq \(――→,\s\up7(电解))Mg
B [电解NaCl溶液生成NaOH、H2和Cl2，得不到单质钠，A错误；电解熔融Al2O3发生的是氧化还原反应，C错误；工业上冶炼镁是电解熔融MgCl2而不是MgO，D错误。]
3．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。如：
2Al＋4BaOeq \(=====,\s\up7(高温))3Ba↑＋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
________________________________________________________________________。
a．高温时Al的活泼性大于Ba
b．高温有利于BaO分解
c．高温时BaO·Al2O3比Al2O3稳定
d．Ba的沸点比Al的低
答案： 弱 d
(1)金属活动性与冶炼方法的关系
(2)有些很活泼的金属也可以用还原法来冶炼，如Na＋KCleq \(=====,\s\up7(850 ℃))K↑＋NaCl
2RbCl＋Mgeq \(=====,\s\up7(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，气化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方向进行。
题组二 铝热反应及应用
4．铝热反应的本质是利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来，关于铝热反应解答下列问题：
(1)用铝粉和Fe2O3做铝热反应实验，需要的试剂还有
________________________________________________________________________。
A．KCl B．KClO3
C．MnO2 D．Mg
(2)用等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物在一定条件下与铝粉进行铝热反应。
①引发铝热反应的操作是
________________________________________________________________________。
②产物中单质是________(写名称)。
(3)取少量(1)中铝热反应所得的固体混合物，将其溶于足量稀H2SO4，滴加KSCN溶液无明显现象，________(填“能”或“不能”)说明固体混合物中无Fe2O3，理由是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(用离子方程式说明)。
答案： (1)BD (2)①加少量KClO3，插上镁条并将其点燃 ②铁 (3)不能 Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、
Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋
定量测定合金组成的两种方法
1．定量集气法
定量集气法是指收集合金中某种物质溶于酸或碱溶液时所产生的气体的量，应用化学方程式或关系式来判断合金的组成。其原理的关键点是某组分具有特殊性质(特别是与酸或碱反应能产生气体)。其操作要点和注意事项有：保证装置的气密性良好，注意收集气体的读数方法。
2．沉淀法
沉淀法测定物质含量是常用的一种方法，采用沉淀法时涉及的基本实验操作和主要问题有：称量、溶解(溶解试剂)、沉淀(重点是沉淀试剂的选择)、过滤、沉淀洗涤、沉淀的干燥、称量及数据的处理(包括测定结果的误差分析)。
[集训1] 某同学设计了如下实验测量m g铜银合金样品中铜的质量分数：
下列说法中不正确的是( )
A．合金的熔点比其成分金属低，通常比成分金属具有更优良的金属特性
B．铜银都能与稀硝酸反应，收集到的V L气体可能全为NO
C．操作Ⅰ是过滤，操作Ⅱ是洗涤，操作Ⅲ应是烘干
D．根据反应收集到的气体体积可以计算铜和银的质量分数
C
[集训2] 航母螺旋桨主要由铜铝合金制造。80.0 g Cu—Al合金用盐酸完全溶解后，在溶液中加入过量氨水，过滤后得到白色沉淀39.0 g，则合金中Cu的质量分数为__________。
答案： 83.1%
[集训3] 有三种镁铝合金样品①、②、③(组分比例不一定相同)。三位同学各取一种样品，对合金中镁的质量分数进行下列实验探究：
(1)第一位同学取样品①m1 g和过量的氢氧化钠溶液反应，然后过滤；再往滤液中通入过量的二氧化碳气体，将所得沉淀过滤、洗涤、烘干、灼烧，得到固体质量仍为m1 g。则合金中镁的质量分数为__________(小数点后保留2位)。
(2)第二位同学取样品②m2g和足量的稀硫酸反应，发现固体完全溶解，标准状况下得到气体体积为V L，则m2的取值范围是__________(结果化为最简分数)。
(3)第三位同学取不同质量的样品③分别和30 mL同浓度的盐酸反应，所取合金质量与产生气体的体积(标准状况下测定)如表所示：
Ⅰ.盐酸的物质的量浓度为
________________________________________________________________________。
Ⅱ.合金中镁的质量分数为
________________________________________________________________________。
Ⅲ.要使c组实验后剩余合金中的铝恰好完全溶解，还需向容器中加入1.0 ml·L－1的氢氧化钠溶液________mL。
解析： (1)加入NaOH溶液，再通入二氧化碳得到Al(OH)3沉淀，灼烧得到Al2O3，合金的质量与Al2O3的质量相同，故Al2O3中O的质量分数就是合金中镁的质量分数，即eq \f(48,102)×100%≈47.06%。(2)若该氢气完全由Al生成，则m(Al)＝eq \f(2,3)×eq \f(V L,22.4 L·ml－1)×27 g·ml－1＝eq \f(45V,56) g；若该氢气完全由Mg生成，则m(Mg)＝eq \f(V L,22.4 L·ml－1)×24 g·ml－1＝eq \f(15V,14) g。
(3)Ⅰ.c中盐酸反应完全，n(H2)＝0.03 ml，则c(HCl)＝eq \f(0.03 ml×2,0.03 L)＝2.0 ml·L－1。Ⅱ.用a组数据列方程式，求得n(Mg)＝n(Al)＝0.01 ml，w(Mg)＝eq \f(0.01 ml×24 g·ml－1,0.51 g)≈47.06%。Ⅲ.由HCl～NaCl知，n(NaCl)＝n(HCl)＝0.06 ml，由关系式Al～Na[Al(OH)4]可知，n{Na[Al(OH)4]}＝n(Al)＝eq \f(0.918,0.51)×0.01 ml＝0.018 ml。根据Na元素守恒得：n(NaOH)＝0.06 ml＋0.018 ml＝0.078 ml，所以V(NaOH)＝eq \f(0.078 ml,1.0 ml·L－1)＝0.078 L＝78 mL。
答案： (1)47.06% (2)eq \f(45V,56)(3)Ⅰ.2.0 ml·L－1 Ⅱ% Ⅲ.78
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)铝合金大量用于高铁建设(2019·全国卷Ⅲ)(√)
(2)商代后期铸造出工艺精湛的后(司)母戊鼎，该鼎属于铜合金制品(2018·天津)(√)
(3)MgCO3eq \(――→,\s\up7(HClaq))MgCl2(aq)eq \(――→,\s\up7(电解))Mg(2016·江苏)(×)
(4)除去Cu粉中混有CuO的方法是加入稀硝酸溶解、过滤、洗涤、干燥(2016·全国卷Ⅱ)(×)
(5)将铜粉加入1.0 ml·L－1Fe2(SO4)3溶液中，现象是溶液变蓝，有黑色固体出现(2015·全国卷Ⅰ)(×)
2．(2018·海南，24)铜是人类发现最早并广泛使用的一种金属。回答下列问题：
(1)实验室使用稀硫酸和H2O2溶解铜片，该反应的化学方程式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)电子工业使用FeCl3溶液刻蚀印刷电路板铜箔，写出该过程的离子方程式
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________，
配制的FeCl3溶液应保持________(填“酸性”“碱性”或“中性”)，原因是
________________________________________________________________________。
(3)溶液中Cu2＋的浓度可采用碘量法测得：
①2Cu2＋＋5I－===2CuI↓＋Ieq \\al(－,3)
②Ieq \\al(－,3)＋2S2Oeq \\al(2－,3)===S4Oeq \\al(2－,6)＋3I－
反应①中的氧化剂为________。现取20.00 mL含有Cu2＋的溶液，加入足量的KI充分反应后，用0.100 0 ml·L－1的Na2S2O3标准溶液滴定至终点，消耗Na2S2O3溶液25.00 mL，此溶液中Cu2＋的浓度为________ml·L－1。
答案： (1)Cu＋H2O2＋H2SO4===CuSO4＋2H2O
(2)Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋ 酸性 防止Fe3＋水解生成Fe(OH)3
(3)Cu2＋ 0.125 0
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＋H2eq \(=====,\s\up7(△))Cu＋H2O
Cu2O＋H2eq \(=====,\s\up7(△))2Cu＋H2O
转化关系
4CuOeq \(=====,\s\up7(高温))2Cu2O＋O2↑
物质
颜色
物质
颜色
Cu
______色
CuSO4
____色
CuO
____色
CuSO4·5H2O
____色
Cu2O
____色
Cu2(OH)2CO3
____色
Cu2S
____色
Cu(OH)2
____色
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，反应的化学方程式为2Al＋Fe2O3eq \(=====,\s\up7(高温))2Fe＋Al2O3
原理应用
①制取熔点较高、活泼性弱于Al的金属铬、锰、钨等；
②金属焊接，如野外焊接钢轨等
金属
Na
Al
Cu
Fe
熔点/℃
97.81
660
1 038
1 535
沸点/℃
883
2 467
2 567
2 750
实验序号
a
b
c
合金质量(g)
0.51
0.765
0.918
气体体积(L)
560
672
672