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(共85张PPT)
第3节　金属材料
第4章
课标要求
1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解常见金属材料的主要性质,了解其在生产、生活中的应用。
2.结合实例认识金属性质的多样性,了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质的转化,认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要作用。
备考指导
1.本节内容重点考查:(1)合金的物理性质与其成分金属的物理性质比较;(2)铝、铜及其重要化合物的主要性质。题型较多,有选择题、流程图题、综合推断题及实验探究题。流程图题、实验探究题难度较大。
2.复习备考过程中,多注重铁、铜、铝与其他金属材料相结合的流程图题和实验探究题。
内容索引
01
02
03
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第三环节　核心素养提升
第一环节　必备知识落实
知识点1
铝及其化合物的性质
知识筛查
1.铝的性质和应用
(1)铝的原子结构与物理性质。
(2)金属铝的化学性质。
特别提醒常温下,能用铝制容器盛放浓硫酸、浓硝酸的原因是两者能使铝发生钝化,而不是铝与浓硫酸、浓硝酸不反应。能与铝反应产生氢气的溶液可能呈酸性也可能呈强碱性。
(3)铝的制备及用途。
①制备:2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑。
②用途:
a.纯铝用作导线。
b.铝合金制备汽车、飞机、生活用品等。
2.铝的重要化合物
名称 氧化铝(Al2O3) 氢氧化铝[Al(OH)3]
物理性质 白色固体,熔点很高 白色胶状物质,难溶于水
化学性质 与酸 反应 Al2O3+6H+══2Al3++3H2O Al(OH)3+3H+══Al3++3H2O
与碱 反应 Al2O3+2OH-+3H2O══ 2[Al(OH)4]- Al(OH)3+OH-══[Al(OH)4]-
加热 不分解 2Al(OH)3 Al2O3+3H2O
名称 氧化铝(Al2O3) 氢氧化铝[Al(OH)3]
制备 方法 Al(OH)3加热分解 ①Al3+与氨水反应
②向[Al(OH)4]-溶液中通入CO2
③可溶性铝盐溶液与四羟基合铝酸盐溶液混合
主要 用途 ①作耐火材料 ②冶炼铝的原料 ①制药
②净水作用
知识巩固
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)铝在空气中耐腐蚀,所以铝是不活泼金属。(　　)
(2)铝箔插入稀硝酸中无明显现象,是因为铝箔表面被HNO3氧化,形成致密的氧化膜。(　　)
(3)工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al。(　　)
(4)1 mol Al与足量的硫酸或足量的氢氧化钠溶液反应转移电子数相同。(　　)
(5)MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂。(　　)
(6)AlCl3与过量NaOH溶液反应生成Na[Al(OH)4],但与过量氨水反应却生成Al(OH)3。(　　)
×
×
√
√
×
√
(7)Al(OH)3、NaHCO3、Na2CO3均可作胃酸的中和剂。(　　)
(8)下列物质的转化在给定条件下能够实现:
(9)MgCl2、AlCl3溶液分别加热蒸发、灼烧,最终所得固体产物分别是MgO和Al2O3。(　　)
×
√
√
2.下列除去杂质的方法不正确的是(　　)。
A.镁粉中混有少量铝粉:加入过量烧碱溶液充分反应,过滤、洗涤、干燥
B.用过量氨水除去Fe3+溶液中的少量Al3+
C.Al(OH)3中混有少量Mg(OH)2:加入足量烧碱溶液,充分反应,过滤,向滤液中通入过量CO2后过滤
D.MgO中混有少量Al2O3:加入足量烧碱溶液,充分反应,过滤、洗涤、干燥得到MgO
B
解析:Al(OH)3难溶于氨水,故向含少量Al3+的Fe3+溶液中加入过量氨水时,Fe3+、Al3+均转化为氢氧化物沉淀,达不到除杂的目的。
3.用含少量镁粉的铝粉制取纯净的氢氧化铝,下列操作步骤中最恰当的组合是(　　)。
①加盐酸溶解　②加过量烧碱溶液溶解　③过滤 ④通入过量CO2生成Al(OH)3沉淀　⑤加入盐酸生成Al(OH)3沉淀
A.①②⑤③ B.②③④③
C.②③⑤③ D.①③⑤③
B
解析:若先用盐酸溶解,Mg、Al均溶解,制取Al(OH)3的步骤较多;由NaAlO2制备Al(OH)3,加盐酸不容易控制用量,故B项操作步骤为最佳顺序。
知识点2
铜及其化合物
知识筛查
1.铜的性质
(1)物理性质:铜是红色金属,具有良好的导电性、导热性和延展性。
(2)化学性质。
③与氧化性酸反应。
a.与浓硫酸共热的化学方程式:Cu+2H2SO4(浓) CuSO4+SO2↑+2H2O;
b.与稀硝酸反应的离子方程式:
2.铜的重要化合物
(1)氧化铜和氧化亚铜。
(2)氢氧化铜。
物理性质:蓝色难溶于水的固体。
化学性质及应用:
(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)2CO3 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CuSO4·5H2O 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。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(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.已知CuO经高温灼烧生成Cu2O,Cu2O与H+发生反应:Cu2O+2H+══ Cu+Cu2++H2O。
将经高温灼烧后的CuO样品投入足量的热的稀硝酸中,下列有关说法中正确的是(　　)。
A.如果溶液变为蓝色,同时有紫红色固体出现,说明样品全部生成Cu2O
B.溶液中最终可能有紫红色固体出现
C.该实验的结果无法说明CuO分解的程度
D.如果溶液中出现蓝色,最终没有紫红色固体出现,说明CuO没有分解
C
解析:解答此题的关键是明确稀硝酸具有酸性和强氧化性,能溶解CuO、Cu2O和单质Cu,因而该实验结果无法说明CuO分解的程度。
3.(2024山东卷)(双选)钧瓷是宋代五大名瓷之一,其中红色钧瓷的发色剂为Cu2O。为探究Cu2O的性质,取等量少许Cu2O分别加入甲、乙两支试管,进行如下实验。
实验 实验操作及现象
试管甲 滴加过量0.3 mol·L-1 HNO3溶液并充分振荡,砖红色沉淀转化为另一颜色沉淀,溶液显浅蓝色;倾掉溶液,滴加浓硝酸,沉淀逐渐消失
试管乙 滴加过量6 mol·L-1氨水并充分振荡,沉淀逐渐溶解,溶液颜色为无色;静置一段时间后,溶液颜色变为深蓝色
下列说法正确的是(　　)。
A.试管甲中新生成的沉淀为金属Cu
B.试管甲中沉淀的变化均体现了HNO3的氧化性
C.试管乙实验可证明Cu(Ⅰ)与NH3形成无色配合物
D.上述两个实验表明Cu2O为两性氧化物
AC
解析:试管甲中,Cu2O与稀硝酸反应得到另一沉淀,溶液显浅蓝色,反应的离子方程式为Cu2O+2H+══Cu+Cu2++H2O,反应中硝酸体现酸性,滴加浓硝酸后,沉淀Cu溶解,硝酸体现氧化性和酸性,A项正确,B项错误;试管乙中,沉淀溶解,先得到无色溶液,后得到深蓝色溶液,说明反应后期有[Cu(NH3)4]2+生成,类比可知Cu(Ⅰ)能与NH3形成无色配合物,C项正确;由反应Cu2O+2H+══Cu+Cu2++H2O可知,Cu2O不是碱性氧化物,也不是两性氧化物,D项错误。
知识点3
金属材料、合金
知识筛查
1.几种常见的合金
2.新型合金
(1)储氢合金。
①能够大量吸收H2,并与H2结合成金属氢化物。
②具有实用价值的储氢合金要求储氢量大,金属氢化物既容易形成,稍稍加热又容易分解,室温下吸、放氢快。
(2)其他新型合金。
钛合金、耐热合金和形状记忆合金等广泛用于航空航天、生物工程、电子工业等领域。
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化合态还原为游离态的过程。即Mn++ne-══M。
(3)金属冶炼的方法。
4.铝热反应实验中的有关问题
知识巩固
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)金属元素的单质只有还原性,其离子只有氧化性。(　　)
(2)金属元素的单质在常温下均为固体。(　　)
(3)合金材料中不可能含有非金属元素。(　　)
(4)铁是人类在生产、生活中最早使用的金属。(　　)
(5)合金的硬度一般大于成分金属,而熔点一般低于成分金属。(　　)
(6)金属氧化物与铝粉的混合物都是铝热剂。(　　)
(7)电解氯化镁溶液制取金属镁。(　　)
×
×
×
×
√
×
×
2.下列关于金属制取方法的叙述不正确的是(　　)。
D
解析:钠能与水反应,电解饱和NaCl溶液无法得到金属钠。
第二环节　关键能力形成
能力点1
掌握铝及其化合物相互转化的能力
整合建构
1.Al3+、Al(OH)3、[Al(OH)4]-之间的转化关系
②Al3++3[Al(OH)4]-══4Al(OH)3↓
③Al3++3OH-══Al(OH)3↓
(2)Al(OH)3+3H+══Al3++3H2O
(3)Al3++4OH-══[Al(OH)4]-
(4)[Al(OH)4]-+4H+══Al3++4H2O
②[Al(OH)4]-+H+══Al(OH)3↓+H2O
(6)Al(OH)3+OH-══[Al(OH)4]-
2.铝与酸或碱反应生成H2的量的关系
2Al+6HCl══2AlCl3+3H2↑
2Al+2NaOH+6H2O══2Na[Al(OH)4]+3H2↑
(1)等质量的铝与足量的盐酸、氢氧化钠溶液分别反应:
①产生H2的物质的量相等;
②消耗H+、OH-的物质的量之比为n(H+)∶n(OH-)=3∶1。
(2)足量的铝分别与等物质的量的HCl和NaOH反应:
①消耗Al的物质的量之比为1∶3;
②生成H2的物质的量之比为1∶3。
(3)一定量的铝分别与一定量的盐酸、氢氧化钠溶液反应:
若产生氢气的体积比为<1,则必定
①铝与盐酸反应时,铝过量而HCl不足;
②铝与氢氧化钠溶液反应时,铝不足而NaOH过量。
问题引领
怎样利用铝及其化合物的性质进行除杂
点拨利用Al、Al2O3、Al(OH)3可溶于强碱溶液的特性,可除去许多物质中的铝及铝的化合物。
(1)Mg、Fe(Al):加足量NaOH溶液;
(2)Fe2O3(Al2O3):加足量NaOH溶液;
(3)Mg(OH)2[Al(OH)3]:加足量NaOH溶液;
(4)Mg2+(Al3+):加过量NaOH溶液,过滤,再加酸充分溶解。
训练突破
1.下列各组物质,不能按下图所示关系转化的是(　　)。(“→”表示反应一步完成)
C
选项 a b c
A Al2O3 Na[Al(OH)4] Al(OH)3
B AlCl3 Al(OH)3 Na[Al(OH)4]
C Al Al(OH)3 Al2O3
D MgCl2 Mg(OH)2 MgO
2.将等物质的量的镁和铝混合,取等质量该混合物四份,分别加到足量的下列溶液中,充分反应后,放出氢气最多的是(　　)。
A.3 mol·L-1 盐酸
B.4 mol·L-1 HNO3溶液
C.8 mol·L-1 NaOH溶液
D.18 mol·L-1 H2SO4溶液
A
解析:将镁、铝混合物加入HNO3和浓硫酸中都不产生H2;加入NaOH溶液中,只有Al与之反应生成H2,而镁不反应;加入盐酸中,镁、铝都与盐酸反应生成H2,所以放出H2的量最多的是A项。
3.铝土矿的主要成分为氧化铝、氧化铁和二氧化硅,工业上经过下列工艺可以冶炼金属铝:
下列说法中错误的是(　　)。
A.①②中除加试剂外,还需要进行过滤操作
B.a、b中铝元素的化合价相同
C.③中需要通入过量的NH3
D.④进行的操作是加热,而且d一定是氧化铝
C
解析:反应①后的体系中含有固体二氧化硅,需要过滤除去,反应②后的体系中含有氢氧化铁沉淀,需要过滤除去,A项正确。a、b中铝元素分别以AlCl3和Na[Al(OH)4]形式存在,其中铝的化合价都是+3价,B项正确。由Na[Al(OH)4]制备氢氧化铝需要通入过量二氧化碳,C项错误。由氢氧化铝制备氧化铝,加热即可,D项正确。
能力点2
根据金属的性质选择合适的方法冶炼金属的能力
整合建构
1.金属冶炼的一般步骤
2.金属活动性与冶炼方法的关系
3.铜的冶炼
(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)。
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。
电解精炼铜的原理是用粗铜作阳极,失电子变为Cu2+,用纯铜棒作阴极即可得精铜。
问题引领
如何利用废铜制备铜
点拨废铜综合利用的常见流程框图模式
训练突破
1.(2024吉林卷)某工厂利用铜屑脱除锌浸出液中的Cl-并制备Zn,流程如下。“脱氯”步骤仅Cu元素化合价发生改变。
锌浸出液中相关成分(其他成分无干扰)
离子 Zn2+ Cu2+ Cl-
浓度/(g·L-1) 145 0.03 1
下列说法正确的是(　　)。
A.“浸铜”时应加入足量H2O2,确保铜屑溶解完全
B.“浸铜”反应:2Cu+4H++H2O2══2Cu2++H2↑+2H2O
C.“脱氯”反应:Cu+Cu2++2Cl-══2CuCl
D.脱氯液净化后电解,可在阳极得到Zn
解析:“脱氯”步骤仅Cu元素化合价发生改变。“浸铜”时,酸性条件下H2O2氧化Cu:Cu+2H++H2O2══Cu2++2H2O,应使铜单质过量,过量的Cu用于“脱氯”过程生成CuCl:Cu+Cu2++2Cl-══2CuCl,A、B项错误,C项正确;电解冶炼Zn时,Zn在阴极析出,D项错误。
C
2.利用废旧镀锌铁皮可制备磁性Fe3O4胶体粒子及副产物ZnO。制备流程图如下:
已知:Zn及其化合物的性质与Al及其化合物的性质相似。下列相关说法错误的是(　　)。
A.用NaOH溶液处理废旧镀锌铁皮的作用是去除油污、溶解镀锌层
B.调节溶液A的pH产生Zn(OH)2沉淀,经抽滤、洗涤、灼烧即可制得ZnO
C.由溶液B制得Fe3O4胶体粒子的过程中,需持续通N2,其原因是防止Fe2+被氧化
D.Fe3O4胶体粒子能用减压过滤法实现固液分离
D
解析:NaOH溶液可以除去油污、与锌发生反应,A项正确。调节溶液A的pH产生Zn(OH)2沉淀,经抽滤、洗涤、灼烧,氢氧化锌分解得到ZnO,B项正确。Fe2+易被氧气氧化,C项正确。Fe3O4胶体粒子能透过滤纸,无法用减压过滤法实现固液分离,D项错误。
3.(2023湖北卷改编)学习小组探究了铜的氧化过程及铜的氧化物的组成。回答下列问题:
(1)铜与浓硝酸反应的装置如下图,仪器A的名称为　　　　　,装置B的作用为　 　。
(2)铜与过量H2O2溶液反应的探究如下:
实验②中Cu溶解的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　;产生的气体为　　　　　。比较实验①和②,从氧化还原角度说明H+的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)用足量NaOH处理实验②新制的溶液得到沉淀X,元素分析表明X为铜的氧化物,提纯干燥后的X在惰性氛围下加热,m g X完全分解为n g黑色氧化物Y, 。X的化学式为　 。
答案:(1)具支试管　防止倒吸
(2)Cu+H2O2+2H+══Cu2++2H2O　O2　增强H2O2的氧化性
(3)CuO2
解析:(1)仪器A为具支试管,装置B可以起到防倒吸作用。
(2)铜片溶解,溶液变蓝,说明Cu被氧化为Cu2+:Cu+H2O2+2H+══Cu2++2H2O。H2O2少量分解产生无色气体O2。比较实验①和②,说明H+增强了H2O2的氧化性。
(3)铜的黑色氧化物Y应为CuO,
解得x∶y=1∶2,则X的化学式为CuO2。
第三环节　核心素养提升
【学科思想方法】
无机工艺流程解题指导
1.常用方法
常用首尾分析法:首先对比分析生产流程示意图中的第一种原材料与最后一种产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂分离提纯产品的化工工艺,再结合题设问题,逐一推敲解答。
2.基本步骤
(1)审题。
①从题干中获取有用信息,了解生产的产品,并在流程图上标出原料中的成分,找出原料中的杂质。
②审流程图:看箭头,进入的是原料(即反应物)、出去的是生成物(包括主产物和副产物);找三线,物料进出线、操作流程线、循环线。
(2)析题。
分析流程中的每一步骤,知道“四个什么”。①反应物是什么、②发生了什么反应、③该反应造成了什么后果、④对制造产品有什么作用。抓住一个关键点,即一切反应或操作都是为获得产品而服务。
(3)技巧。
从问题中获取信息,帮助解题。题目中所提出的问题,有时对我们分析流程中某一步的作用有很大帮助,所以我们在做题时,不仅要审读题中所给信息及流程图,还要把题中所提问题浏览一遍。
3.思维方向
制备类工艺流程题目在流程上一般分为3个过程:
原料处理→分离提纯→获得产品
(1)原料处理阶段的常见考点。
①采取一定措施,增大反应速率(升高温度、增大固体反应物接触面积等)。
②溶解:通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等。
水浸:与水接触,反应或溶解的物质留在水中,既不反应也不溶解的物质通过过滤除去。
酸浸:与酸溶液反应,可溶物进入溶液,不溶物通过过滤除去。
③灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些杂质在高温下氧化、分解。
(2)分离提纯阶段的常见考点。
①调pH除杂。
a.控制溶液的酸碱性使其中的某些金属离子形成氢氧化物沉淀。如若要除去Al3+、Mn2+溶液中含有的Fe2+,先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调溶液的pH以生成Fe(OH)3沉淀。
b.调节溶液pH所需的物质一般应满足两点:能与H+反应,使溶液pH增大;不引入新杂质。例如:若要除去含Cu2+的溶液中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH,使Fe3+形成Fe(OH)3沉淀而除去。
②加热:增大反应速率或促进平衡向某个方向移动。
如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质,则要注意对温度的控制。如侯德榜制碱过程中NaHCO3的生成,再如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质的使用或生成。
③降温:使化学平衡向着对生成产品有利的方向移动,防止某物质在高温时分解(或溶解)。
(3)获得产品阶段的常见考点。
①洗涤(冰水或热水):洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗;用乙醇洗涤既可洗去晶体表面的杂质,又可减少晶体溶解的损耗。
②制备无水盐时的气体氛围:如加热结晶水合物制备FeCl3、AlCl3、MgCl2等无水盐时,应在HCl气流中加热,以抑制金属离子的水解。
③蒸发浓缩、冷却结晶:如从NaCl(少量)和KNO3混合物中分离出KNO3,首先加水溶解,再将混合溶液加热蒸发,然后降温,则析出的固体是KNO3。
④蒸发结晶、趁热过滤:如从NaCl和少量KNO3的混合物中提纯NaCl,首先加水溶解,再将混合溶液蒸发一段时间,析出固体NaCl,趁热过滤可得不含KNO3的NaCl。
4.规范答题
文字叙述类题目要规范答题,防止因叙述不严谨导致失分。
(1)洗涤沉淀:往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次。
(2)从溶液中得到晶体:蒸发浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤、烘干或干燥)。
(3)趁热过滤(或冰水洗涤)的目的:防止某些物质降温时析出(或升温时溶解)而带入新的杂质。
(4)反应中采取加热措施的目的:一般是为了增大反应速率或加速某固体的溶解。
【高考真题剖析】
【例题】 (2023全国甲)BaTiO3是一种压电材料。以BaSO4为原料,采用下列路线可制备粉状BaTiO3。
回答下列问题:
(1)“焙烧”步骤中碳粉的主要作用是 　。
(2)“焙烧”后固体产物有BaCl2、易溶于水的BaS和微溶于水的CaS。“浸取”时主要反应的离子方程式为 　。
(3)“酸化”步骤应选用的酸是　　　　　(填字母)。
a.稀硫酸 b.浓硫酸
c.盐酸 d.磷酸
(4)如果焙烧后的产物直接用酸浸取,是否可行 其原因是 　。
(5)“沉淀”步骤中生成BaTiO(C2O4)2的化学方程式为 　。
(6)“热分解”生成粉状钛酸钡,产生的∶nCO=　　　　　。
答案:【答案及评分细则】(1)还原硫酸钡(答案合理即可得分)
(2)Ca2++S2-══CaS↓(没配平,化学式有错不得分,写成化学方程式不得分)
(3)c
(4)不可行,会产生大量硫化氢气体,且溶液中含有较多的钙离子,浓缩得不到较纯的钡盐(答案合理即可得分)
(5)BaCl2+TiCl4+2(NH4)2C2O4+H2O══BaTiO(C2O4)2↓+4NH4Cl+2HCl(没配平,化学式有错不得分)
(6)1∶1
解析:(1)“焙烧”步骤中碳粉的主要作用是作还原剂,将硫酸钡中+6价硫元素还原为-2价,便于用水“浸取”后的分离。
(2)“浸取”的主要目的是将不溶于水的硫化钙和易溶于水的硫化钡分离,使钡离子进入溶液。主要反应的离子方程式为Ca2++S2-══CaS↓。
(3)“酸化”步骤不能用硫酸(包括浓硫酸、稀硫酸),防止又生成不溶于水的硫酸钡;也不宜用磷酸,一方面是因为磷酸钡不溶于水,另一方面是因为会引入新的杂质离子。
(4)根据流程,焙烧后的体系中除了有BaCl2、BaS外,还有较大量的CaS、未反应的BaSO4和碳粉等组分。若不经水浸直接加酸,大量的CaS会发生反应:CaS+2H+══Ca2++H2S↑,不仅有较多H2S气体逸出,还导致大量Ca2+进入溶液中,在“浓缩结晶”步骤中,BaCl2、CaCl2可能同时析出,最终得不到纯净的BaCl2。因此直接加酸是不可行的。
(5)依据题给流程信息,“沉淀”反应中反应物有BaCl2、TiCl4、(NH4)2C2O4,还有水,产物是BaTiO(C2O4)2,该反应属于非氧化还原反应。故“沉淀”步骤中生成BaTiO(C2O4)2的化学方程式为BaCl2+TiCl4+2(NH4)2C2O4+H2O══ BaTiO(C2O4)2↓+4NH4Cl+2HCl。
(6)“热分解”生成粉状钛酸钡,分解过程中钡元素、钛元素的化合价均未改变,则草酸根发生歧化反应生成CO2和CO;依据草酸根中碳元素为+3价,则产物中nCO∶=1∶1。
【核心素养考查点剖析】本题以硫酸钡为原料制备BaTiO3的工艺流程为载体,考查流程的分析、物质的分离和提纯、反应方程式的书写等,渗透了“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”的化学学科素养。解题的关键是根据物质的流向分析每一步骤的作用和目的。
【典题训练】
1.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+,可选用的化学试剂是　　　　　。
(3)根据H3BO3的解离反应: =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　　　　　　　　。
答案:(1)NH4HCO3+NH3══(NH4)2CO3
(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN
(3)一元弱　转化为H3BO3,促进析出
解析:(1)由硼镁矿粉所含的元素及加入的硫酸铵溶液可知,该气体只能为氨气,碳酸氢铵与氨气反应的化学方程式为NH3+ NH4HCO3══(NH4)2CO3。
(2)由流程图可知,B元素最终以H3BO3的形式存在,Mg元素经沉镁后以Mg(OH)2·MgCO3的形式存在,可分析出Fe、Al在沉镁后不会存在于母液中,因此“滤渣1”的主要成分为矿石中含有的SiO2、Fe2O3、Al2O3。可用KSCN溶液检验Fe3+的存在。
2.(2024新课标卷)钴及其化合物在制造合金、磁性材料、催化剂及陶瓷釉等方面有着广泛应用。一种从湿法炼锌产生的废渣(主要含Co、Zn、Pb、Fe的单质或氧化物)中富集回收得到含锰高钴成品的工艺如下:
已知溶液中相关离子开始沉淀和沉淀完全(c≤1.0×10-5 mol·L-1)时的pH:
离子 Fe3+ Fe2+ Co3+ Co2+ Zn2+
开始沉淀的pH 1.5 6.9 — 7.4 6.2
沉淀完全的pH 2.8 8.4 1.1 9.4 8.2
回答下列问题。
(1)“酸浸”前废渣需粉碎处理,目的是　　　　　　　　　　　　;“滤渣1”中金属元素主要为　 。
(2)“过滤1”后的溶液中加入MnO2的作用是　　　　　　　　　　　。取少量反应后的溶液,加入化学试剂　　　　　检验　　　　　,若出现蓝色沉淀,需补加MnO2。
(3)“氧化沉钴”中氧化还原反应的离子方程式为　 、
　 。
(4)“除钴液”中主要的盐有　　　　　　(写化学式),残留的Co3+浓度为
　　　　　 mol·L-1。
答案:(1)增大固液接触面积,提高浸取效率　Pb
(2)将溶液中的Fe2+氧化为Fe3+　K3[Fe(CN)6]　Fe2+
(3)3Co2++Mn+7H2O══3Co(OH)3↓+MnO2↓+5H+　
3Mn2++2Mn+2H2O══5MnO2↓+4H+
(4)ZnSO4、K2SO4　10-16.7
解析:(1)“酸浸”前,粉碎废渣能增大固体与液体的接触面积,从而增大酸浸速率,提高浸取效率。
(2)由题表中数据可知,当Fe3+完全沉淀时,Co2+未开始沉淀,而当Fe2+完全沉淀时,Co2+已有一部分沉淀,因此为了除去溶液中的Fe元素且Co2+不沉淀,应先将Fe2+氧化为Fe3+,再调节pH使Fe3+完全沉淀,则MnO2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+。常用K3[Fe(CN)6]溶液检验Fe2+,若生成蓝色沉淀,则说明溶液中仍存在Fe2+,需补加MnO2。
(3)由流程分析可知,“氧化沉钴”中发生两个氧化还原反应,其中一个反应为KMnO4将Co2+氧化为Co3+,另一个反应为KMnO4将前面流程中产生的Mn2+氧化为MnO2,结合得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒可写出两个离子方程式:3Co2++Mn+7H2O══3Co(OH)3↓+MnO2↓+5H+、3Mn2++2Mn+2H2O══5MnO2↓+4H+。
(4)由流程分析可知,“除钴液”中含有的金属阳离子主要是Zn2+和K+,而阴离子主要是“酸浸”步骤引入的S,因此主要的盐有ZnSO4和K2SO4。当Co3+恰好完全沉淀时,溶液中c(Co3+)=1.0×10-5 mol·L-1,此时溶液的pH=1.1,则c(H+)=10-1.1 mol·L-1,c(OH-)==10-12.9 mol·L-1,Ksp[Co(OH)3]=1.0×10-5 ×(10-12.9)3=10-43.7。“除钴液”的pH=5,即c(H+)=10-5 mol·L-1,则c(OH-)= =10-9 mol·L-1,此时溶液中c(Co3+)= mol·L-1=10-16.7 mol·L-1。
【新情境模拟训练】
废旧印刷电路板是一种电子废弃物,其中铜的含量达到铜矿石的几十倍。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)4]2+,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)4]2+与有机化合物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　　　(填字母)。
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使用右图装置,图中存在的错误是　　　　　　　　　　　　　。
(4)操作④以石墨作电极电解CuSO4溶液。阴极析出铜,阳极产
物是　　　　　　。操作⑤由硫酸铜溶液制胆矾的主要步骤是　　　　　　　　　　　　　。
(5)流程中有三处实现了试剂的循环使用,已用虚线标出两处,第三处的试剂是　　　　　。循环使用的NH4Cl在反应Ⅰ中的主要作用是　 　。
答案:(1)做氧化剂　过滤
(2)[Cu(NH3)4]2++2RH══2 +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
(4)O2、H2SO4　加热浓缩、冷却结晶、过滤
(5)H2SO4　防止由于溶液中c(OH-)过高,生成Cu(OH)2沉淀
解析:(1)H2O2具有氧化性,可将Cu氧化为Cu2+;经操作①后固、液分开,故操作①为过滤。
(2)由提示可知发生反应:[Cu(NH3)4]2++2RH══CuR2+2NH3+2 。操作②为分液,主要用到分液漏斗。分液目的是A和B。
(3)CuR2与H2SO4反应生成CuSO4和RH。操作③对应图示中的错误有:液体过多,不利于充分萃取;分液漏斗尖端未紧贴烧杯内壁,会使液体溅出。
(4)电解CuSO4溶液时,阳极附近OH-放电,生成H2SO4和O2。由稀溶液获得晶体的实验步骤为:蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。
(5)结合流程图可知第三处可循环利用的物质为H2SO4。反应Ⅰ中利用NH4Cl溶液的酸性,控制反应环境的酸碱性。

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