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课题五 金属和金属矿物
思维导图
知识清单
知识点一 金属材料 合金
一、金属材料
1.金属材料：包括纯金属（纯净物）和合金（混合物）
2.金属物理性质：
（1）常温下为固体（特殊：汞为液体），有金属光泽，密度较大，熔点较高。
（2）大多数金属呈银白色，特殊：铜呈红色，金呈金黄色，铁粉呈黑色(铁片为银白色)。
（3）大多数金属具有优良的导电性、导热性，有延展性(延：拉成丝；展：压成片)。
3.金属之最：
（1）铝：地壳中含量最多的金属元素
（2）钙：人体中含量最多的金属元素
（3）铁：目前世界年产量最多的金属（铁>铝>铜）
（4）银：导电、导热性最好的金属（银>铜>金>铝）
（5）铬：硬度最高的金属
（6）钨：熔点最高的金属
（7）汞：熔点最低的金属
（8）锇：密度最大的金属
（9）锂：密度最小的金属
4.金属的用途（性质和用途要对应）
物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，另外还需要考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利以及是否容易回收和对环境的影响等多种因素。
性质决定用途
铜、铝具有______性→电线；钨熔点______→灯丝；铬硬度大→做镀层金属；铁合金硬度_____→菜刀、镰刀、锤子等；
生活中应用的金属
干电池外皮→锌/锰；“银粉”→铝；水银温度计→汞；“锡箔”纸→铝或锡；保温瓶内胆→银
二、合金
1.概念：在金属中加热融合某些金属或非金属，制得具有________特征的合金。
（1）合金是混合物。
（2）形成合金的过程是物理变化。
（3）合金各成分的化学性质不变。
2.合金的优点：
合金和组成其的纯金属相比，硬度一般更大，熔点一般更低，抗腐蚀性更好。
合金 铁的合金 铜合金 焊锡 钛和钛合金 形状记忆合金
生铁 钢 黄铜 青铜
成分 含碳量 2%～4.3% 含碳量 0.03%～2% 铜锌 铜锡 铅锡合金 钛镍合金
备注 铁的合金主要含Fe、C， 区别主要是含碳量不同 紫铜是纯铜 熔点低 焊接金属 与人体有很好的 相容性， 可用于制造人造骨 具有形状记忆效应用于制成人造卫星天线
注意：“百炼成钢”的原理是降低含碳量，通入纯氧的目的是使生铁中的碳充分反应。C+O2CO2
知识点二 金属的化学性质
一、金属与氧气的反应
金属＋氧气→金属氧化物 (属于化合反应)
镁 铝 铁 铜
2Mg+O2 = 2MgO 4Al+3O2 = 2Al2O3 3Fe+2O2Fe3O4 2Cu+O22CuO
常温下表面形成氧化膜 常温下表面形成氧化膜 铁丝在氧气中剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体 紫红色的铜丝加热后变黑
通过＊通过金属与氧气能否反应及反应的难易判断金属的活动性。镁、铝>铁、铜>金。
铝具有很好的抗腐蚀性能原因：铝与空气中氧气反应，表面生成一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝进一步氧化。
二、金属与酸的反应
金属＋酸→盐＋H2↑(属于置换反应)
反应条件：金属活动性排在H前
注意：实验前须砂纸打磨金属，除去镁、铁等金属表面的氧化膜，便于金属与酸接触反应。
+稀盐酸 +稀硫酸 镁 锌 铁
现象 固体逐渐溶解，产生大量气泡 固体逐渐溶解，产生较多气泡 固体逐渐溶解，无色溶液变为浅绿色，产生少量气泡
方程式 Mg+2HCl = MgCl2+H2↑ Zn+2HCl = ZnCl2+H2↑ Fe+ 2HCl = FeCl2 + H2↑
Mg+H2SO4 = MgSO4+H2↑ Zn+H2SO4 = ZnSO4+H2↑ Fe+H2SO4 =FeSO4+H2↑
根据金属与酸混合时是否有氢气产生将金属分为两类：活泼金属和不活泼金属
通过金属与酸能否反应或与酸反应的剧烈程度判断金属的活动性。镁>锌>铁>铜（不反应）
铁与稀盐酸和稀硫酸反应生成的铁的化合物中，铁化合价为＋2价。含有Fe2＋的溶液为浅绿色
三、金属与金属化合物的反应
金属＋盐→新盐＋新金属 (属于置换反应)
反应条件：参加反应的金属活动性必须强于盐中金属的活动性(K、Ca、Na除外)，且盐必须是可溶。
实验 铁钉+硫酸铜溶液 铝丝+硫酸铜溶液 铜丝+硝酸银溶液
现象 铁表面有红色固体产生， 溶液由蓝色逐渐变为浅绿色 铝表面有红色固体产生， 溶液由蓝色逐渐变为无色 铜表面有银白色固体产生， 溶液由无色逐渐变为蓝色
化学方程式 Fe+CuSO4 =Cu+FeSO4 2Al+3CuSO4 =Al2(SO4)3 +3Cu Cu+2AgNO3 =2Ag+Cu(NO3)2
活动性比较 铁>铜 铝＞铜 铜＞银
现象的描述重点：金属表面生成固体的颜色，溶液颜色的变化。
通过金属与金属化合物溶液是否反应判断金属的活动性。
总结：比较金属活动性的方法：
知识点三 金属活动性顺序及其应用
一、金属活动性
常见金属在溶液中的活动性顺序：(巧记：捡个大美女；身体细纤轻；总共一百斤)
钾 钙 钠 镁 铝 锌 铁 锡 铅 (氢) 铜 汞 银 铂 金
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb （H） Cu Hg Ag Pt Au
（1）判断不同金属的活动性强弱：金属的位置越靠前，活动性越强。
（2）判断金属能否与酸反应：位于氢之前的金属能置换出稀盐酸、稀硫酸中的氢元素。
（3）判断金属能否与金属化合物溶液反应：位于前面的金属能把位于后面的金属从其化合物的溶液里置换出来。
*金属化合物必须溶于水；AgCl不溶于水，不能用于和金属发生置换反应；
*K、Ca、Na太活泼，常温下和水反应，不能置换出金属化合物中的金属。
二、金属活动性顺序的应用
类型1 金属活动性顺序的判断
分析：注意金属与酸反应时作对比实验要控制变量（如酸种类、浓度、体积；金属的形状、接触面积；温度等）
类型2 金属活动性的判断实验设计
（1）两种金属活动性判断
待比较 金属 Zn、Fe Fe、Cu Cu、Ag
活动性比较 Zn>Fe>H Fe>H>Cu H>Cu>Ag
金属+酸 将打磨过的铁和锌分别放 入等质量等浓度的同种酸 比较反应的剧烈程度 将打磨过的铁和铜分别放 入等质量等浓度的同种酸 比较能否反应 均不与酸反应， 不能证明
金属+化合物溶液 方案：前金属+后溶液，能置换 Zn+FeCl2=ZnCl2+Fe 操作：将打磨过的锌条放入氯化亚铁溶液中，观察到有银白色金属析出 方案：前金属+后溶液，能置换 Fe+CuCl2=FeCl2+Cu 操作：将打磨过的铁丝放入氯化亚铜溶液中，观察到有紫红色金属析出 方案：前金属+后溶液，能置换 Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag 操作：将铜丝放入硝酸银溶液中，观察到有银白色金属析出
方案：后金属+前溶液，不置换 Fe+ZnSO4 操作：将打磨过的锌条放入氯化亚铁溶液中，无明显现象 方案：后金属+前溶液，不置换 Cu+FeSO4 操作：将铜片放入硫酸亚铁溶液中，无明显现象 方案：后金属+前溶液，不置换 Ag+Cu(NO3)2 操作：将银丝放入硝酸铜溶液中，无明显现象
（2）三种金属活动性判断
待比较金属 Fe、Cu、Ag 活动性：Fe>H>Cu>Ag
方案1: 前金属+后溶液 方案：①证明Fe>Cu: Fe+Cu(NO3)2能置换 ②证明Cu>Ag: Cu+AgNO3能置换 药品：打磨过的铁丝、铜丝，硝酸铜溶液、硝酸银溶液（4种） 操作：将打磨过的铁丝放入硝酸铜溶液中，铁丝上有红色固体析出；将铜丝放入硝酸银溶液中，铜丝表面出现银白色固体。
方案2: 后金属+前溶液 方案：①证明Ag方案3: 两边金属+中间溶液 方案：①证明Fe>Cu: Fe+Cu(NO3)2能置换 ②证明Ag方案4: 中间金属+两边溶液 方案：①证明CuAg: Cu+AgNO3能置换 药品：打磨过的铜丝，硝酸亚铁溶液、硝酸银溶液（3种） 操作：将打磨过的铜丝放入硝酸亚铁溶液中，无明显现象；将铜丝放入硝酸银溶液中，铜丝表面出现银白色固体。
类型3 鉴别和除杂
例1 鉴别黄铜（铜锌合金）和黄金
实验方案 现象 可能涉及的化学方程式
①用火灼烧 若变黑则为黄铜；若无明显现象为黄金 2Cu+O22CuO
②加入稀盐酸 若产生气泡则为黄铜；若无明显现象为黄金 Zn+2HCl = ZnCl2+H2↑
③加入硫酸铜溶液 若出现红色固体为黄铜；若无明显现象为黄金 Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4
例2 除去金属中杂质金属或金属化合物溶液中的金属化合物
（除杂的要求：不增，不减，易分离，易恢复原状）
混合物 方法 有关化学方程式
Cu(Zn) ①加入足量稀盐酸，过滤、洗涤、干燥 Zn+2HCl = ZnCl2+H2↑
②加入足量硫酸铜溶液，过滤、洗涤、干燥 Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4
FeSO4(CuSO4) 加入足量铁粉，过滤 Fe + CuSO4 = Cu + FeSO4
类型4 滤渣、滤液成分的判断
1.一种金属和一种盐溶液反应后滤渣、滤液成分的判断
例1 金属A的活泼性强于B，将金属A投入金属B的盐溶液中，滤渣滤液成分的情况分析如下：
A不足 A恰好反应 A过量
滤渣 B B B、A
滤液 A盐、B盐 A盐 A盐
2.多种金属与一种金属的盐溶液反应
两种金属（活动性强于金属化合物中金属）同时放入某金属化合物溶液中，活动性_____的金属单质先反应。
例2 Zn和Fe同时放入CuSO4溶液中，活泼性：Zn>Fe>Cu
①Zn和CuSO4先反应：Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu
②Fe和CuSO4后反应：Fe+CuSO4 =Cu+FeSO4
充分反应后，过滤，滤渣和滤液的成分分析如下：
CuSO4的量 滤渣 滤液
①CuSO4少量，Zn有剩，Fe未反应 Cu、Zn、Fe ZnSO4
②Zn和CuSO4恰好反应，Fe未反应 Cu、Fe ZnSO4
③Zn反应完，Fe和CuSO4部分反应 Cu、Fe ZnSO4、FeSO4
④Fe和CuSO4恰好反应 Cu ZnSO4、FeSO4
⑤Zn、Fe均反应完，CuSO4有剩余 Cu ZnSO4、FeSO4、CuSO4
3.一种金属和多种金属的盐溶液反应
＊一种金属（活动性强于金属化合物中金属）放入两种金属化合物混合溶液中，活动性_____的金属化合物先反应
例3 一定量的Fe粉投入Cu(NO3)2和AgNO3混合溶液中，
活动性：Fe>Cu>Ag
①Fe和AgNO3先反应，Fe+2AgNO3=Fe(NO3)2+2Ag
②Fe和Cu(NO3)2后反应，Fe+Cu(NO3)2=Fe(NO3)2+Cu
充分反应后，过滤，滤渣和滤液的成分分析如下：
加入铁的量 滤渣 滤液
①AgNO3部分反应，Cu(NO3)2未反应 Ag Fe(NO3)2、AgNO3、Cu(NO3)2
②AgNO3恰好反应完，Cu(NO3)2未反应 Ag Fe(NO3)2、Cu(NO3)2
③AgNO3反应完，Cu(NO3)2部分反应 Ag、Cu Fe(NO3)2、Cu(NO3)2
④AgNO3反应完、Cu(NO3)2恰好反应完 Ag、Cu Fe(NO3)2
⑤AgNO3、Cu(NO3)2都反应完，Fe有剩 Ag、Cu、Fe Fe(NO3)2
类型5 金属反应后溶液质量的变化
金属+酸 金属+金属化合物溶液
金属置换出酸中的氢元素生成氢气， 溶液的溶质由酸变为金属化合物，溶液质量一定增加 金属与化合物溶液反应后溶液溶质质量的增减 根据方程式计算
类型6 金属与酸反应数据分析
例1 等质量的金属Mg、Zn、Fe、Al分别与足量的同种酸反应。（Mg-24 Zn-65 Fe-56 Al-27）
解：设等质量的金属质量为m，则生成的氢气质量x通过方程式可求得：
生成H2的速率：Mg > Al > Zn > Fe（由金属活动性决定，越活泼，产生氢气的速率越快）
生成H2的质量：Al > Mg > Fe > Zn（酸过量，按金属质量计算）
总结：（1）等质量金属与足量酸反应，同为+2价金属，相对原子质量越小，生成的H2质量越大。
(2)任意化合价的金属与足量酸反应产生氢气的质量计算公式：
【金属相对原子质量/金属化合价】值越小，产生的H2质量越多
例2 等质量等质量分数的同种酸分别与足量的金属Mg、Zn、Fe、Al反应。
解：设等质量的同种酸质量为m，则生成的氢气质量x通过方程式可求得：
生成H2的速率：Mg>Al>Zn>Fe（由金属活动性决定，越活泼，产生氢气的速率越快）
生成H2的质量：相等（金属过量，按酸质量计算，酸是等量的，全部反应完，产生的氢气质量相等）
知识点四 金属的冶炼
一、铁的冶炼
金属矿石：
（1）常见的矿石：
赤铁矿：主要成分Fe2O3；磁铁矿：主要成分Fe3O4 ；铝土矿：主要成分Al2O3；辉铜矿：主要成分Cu2S。
（2）地壳中含量最多的元素是O，最多的金属元素是Al，其次是Fe。
（3）自然界中金银以单质形式存在，而铁等以化合物形式存在，说明金银化学性质不活泼，而铁等化学性质比较活泼。
（4）商代会冶炼青铜器，春秋战国时期会冶铁炼钢，近代会冶铝，说明金属越活泼冶炼越难。
二、实验：一氧化碳还原氧化铁
1.操作步骤
（1）检查装置的气密性；
（2）将氧化铁粉末装入玻璃管后固定在铁架台上；
（3）点燃右端酒精灯；
（4）给玻璃管通入一氧化碳；
（5）加热装有氧化铁的玻璃管；
（6）结束时先熄灭酒精喷灯；
（7）停止通入一氧化碳；
（8）熄灭右端酒精灯。
2.涉及的反应方程式
3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2（硬质玻璃管中）
CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O（试管中）
2CO+O2 2CO2（右侧导管口）
3.实验注意事项
（1）先通入CO一会儿，再给氧化铁加热；原因是排尽装置中的空气，防止加热CO与空气的混合气体发生爆炸。
（2）停止加热，继续通人CO至玻璃管冷却；原因是防止生成的热的铁被空气再次氧化。（为减少CO的使用量，熄灭酒精喷灯后，可用弹簧夹将硬质玻璃管两侧的导管关闭，使铁在密闭装置中冷却）
（3）尾气处理：①点燃，使CO变成无毒的CO2；②在导管末端系一个气球或用排水法将尾气收集起来。
（4）酒精喷灯的作用是提供高温（如果用酒精灯，则加金属网罩，金属网罩可以集中火焰，提高温度）
（5）澄清石灰水的作用：检验生成的二氧化碳。
4.实验现象
A处 B处 C处
实验现象 红棕色粉末逐渐变成黑色 澄清石灰水变浑浊 产生蓝色火焰
化学方程式 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 Ca(OH)2 +CO2 = CaCO3↓ + H2O 2CO + O22CO2
5.装置改进
优点：节约药品 优点：双管集气瓶既可以检验并吸收二氧化碳，还能收集多余的一氧化碳 优点：节约能源，减少空气污染
四、工业上炼铁（设备：_______）
（1）炼铁的原料：铁矿石、 焦炭、石灰石、空气
（2）反应原理：Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
（3）焦炭的作用：
①提供热量（ C+O2CO2）；
②生成CO（C + CO22CO）
（焦炭虽具有还原性，但是CO气体具有流动性，与铁矿石接触更充分）
（4）石灰石的作用：将矿石中的二氧化硅变为炉渣。
（5）生产产物：生铁（具有较多杂质），密度大于炉渣，故出铁口在出渣口下方。
（6）高炉气体的主要成分：________________等；
处理方法：收集后集中处理，或工业生产中常用于制煤气。
知识点五 金属的锈蚀与防护
一、金属的锈蚀
1.铁生锈条件的探究
实验方案 铁生锈条件的探究
A B C 现象 分析 结论
试管A 铁钉生锈 铁与水、氧气同时接触 铁生锈的条件： 铁与水、氧气同时接触发生反应
试管B 铁钉无明显变化 铁只与水接触
试管C 铁钉无明显变化 铁只与氧气接触
注意：蒸馏水煮沸并迅速冷却的目的是除去水中溶解的氧气；
试管B中植物油的作用是隔绝氧气；试管C中氯化钙具有吸水性，作用是吸收水分。
2.铁生锈
（1）铁生锈的条件：Fe与H2O、O2同时接触，铁在潮湿的空气中易生锈。
（2）铁锈：铁生锈是缓慢氧化，铁锈呈红棕色，其主要成分是Fe2O3·xH2O ，结构疏松，易吸水，如不及时除去可以加速铁制品的生锈。
（3）除锈：①物理方法：砂纸打磨；②化学方法：盐酸、稀硫酸除铁锈。
3.铜生锈
（1）铜生锈的条件：铜与氧气，二氧化碳、水同时接触，2Cu+CO2+H2O+O2===Cu2(OH)2CO3。
（2）铜锈：Cu2(OH)2CO3。
二、防止金属生锈的措施
（1）保持金属表面清洁干燥；
（2）涂一层保护膜(如：刷漆、涂油、镀不活泼金属或致密的氧化物薄膜)。
（3）金属的回收利用。
（4）有计划、合理地开采。
（5）寻找金属的代替品。

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