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第9讲 其它常见金属及金属冶炼
【学习目标】
1.了解镁、铝、铜单质及其重要化合物的性质、用途和制备方法。
2.了解常见金属的活动性顺序。
3.了解合金的概念及金属材料的重要应用。
4.了解金属冶炼的方法。
考点一 Mg、Al及其化合物的性质
一、镁、铝单质的性质
1．镁、铝的结构和存在
镁、铝分别位于元素周期表的第三周期ⅡA族和ⅢA族，原子结构示意图为和，它们都是活泼的金属，在自然界中全部以化合态的形式存在。铝是地壳中含量最多的金属元素。
2．镁、铝单质物理性质比较
(1)相同点：均为银白色有金属光泽的固体，有良好的延展性、导电性和导热性等，密度、硬度均较小。
(2)不同点：铝的熔点比镁高，硬度比镁大。
3．对比掌握镁、铝的化学性质
铝 镁
能与非金属单质反应 ①与空气中的氧气形成致密的氧化膜
②与氯气加热反应：2Al＋3Cl22AlCl3 ①在空气中燃烧发出耀眼白光
②与氮气反应：3Mg＋N2Mg3N2
与水反应 反应很困难 与沸水反应：Mg＋2H2OMg(OH)2＋H2↑
与酸反应 ①与H＋：2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑
②在冷的浓硫酸、浓硝酸中钝化 Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑，相同条件下，反应速率比Al快
与碱反应 2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑ 不反应
与某些氧化物反应 与Fe2O3的铝热反应：2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3 能在CO2中燃烧：2Mg＋CO22MgO＋C
4.镁、铝的冶炼
Mg：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑；
Al：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。
二、镁、铝的重要化合物
1．MgO与Al2O3的比较
MgO Al2O3
物理性质 均为白色粉末，不溶于水，熔点高(MgO>Al2O3)，是优良的耐火材料
化学性质 与热水反应
MgO＋H2OMg(OH)2 与水不反应
碱性氧化物
MgO＋2H＋===Mg2＋＋H2O 两性氧化物
Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O、
Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O
2.Mg(OH)2与Al(OH)3的比较
Mg(OH)2 Al(OH)3
物理性质 白色固体，不溶于水 不溶于水的白色胶状固体，具有吸附性
化学性质 不稳定性 不稳定性：2Al(OH)3Al2O3＋3H2O
碱性，溶于强酸 两性：
①溶于强酸Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O
②溶于强碱Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O
制备 Mg2＋＋强碱：Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓
Mg2＋＋弱碱：Mg2＋＋2NH3·H2O===Mg(OH)2↓＋2NH ①Al3＋与氨水：Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH(不用强碱)
②AlO溶液中通入过量CO2：AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO(不用强酸)
③Al3＋与AlO互促水解：Al3＋＋3AlO＋6H2O===4Al(OH)3↓
3.明矾
(1)化学式为KAl(SO4)2·12H2O，它是无色晶体，可溶于水。
(2)明矾净水的原理
电离方程式为KAl(SO4)2===K＋＋Al3＋＋2SO，其中Al3＋发生水解反应，产生Al(OH)3(胶体)，能吸附水中悬浮物形成沉淀，使水澄清。
三、可溶性铝盐与NaOH溶液反应的图像与计算
1．图像
操作 可溶性铝盐溶液中逐滴加入NaOH溶液至过量 向NaOH溶液中逐滴加入可溶性铝盐溶液至过量
现象 立即产生白色沉淀→渐多→最多→渐少→消失 无沉淀(有但即溶)→出现沉淀→渐多→最多→沉淀不消失
图像

方程式 AB：Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓
BD：Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O AB：Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O
BC：Al3＋＋3AlO＋6H2O===4Al(OH)3↓
2．可溶性铝盐与强碱反应的计算规律
(1)求产物Al(OH)3的量
①当n(OH－)≤3n(Al3＋)时，n[Al(OH)3]＝n(OH－)；
②当3n(Al3＋)＜n(OH－)＜4n(Al3＋)时，n[Al(OH)3]＝4n(Al3＋)－n(OH－)；
③当n(OH－)≥4n(Al3＋)时，n[Al(OH)3]＝0，无沉淀。
(2)求反应物碱的量
①若碱不足(Al3＋未完全沉淀)：n(OH－)＝3n[Al(OH)3]；
②若碱使生成的Al(OH)3部分溶解：n(OH－)＝4n(Al3＋)－n[Al(OH)3]。
判断
(1)MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂(×)
错因：铝热反应仍是金属间的置换反应，Mg更活泼，MgO与Al不能发生铝热反应。
(2)工业上制造镁粉时，可将镁蒸气在N2中冷却(×)
错因：Mg与N2反应生成Mg3N2，故Mg不能在N2中冷却。
(3)Al2O3的熔点高，可作耐高温材料，实验室可用氧化铝坩埚熔化NaOH、Na2CO3固体等(×)
错因：Al2O3能与碱反应，所以不能用铝坩埚熔化NaOH固体。
(4)明矾可作净水剂，起到杀菌消毒的作用(×)
错因：明矾能净水，但不能杀菌消毒。
(5)AlO、HCO在水溶液中因发生双水解反应而不能大量共存(×)
错因：AlO与HCO能反应不能大量共存，但不是因为双水解。
练习
1．中学化学学习阶段接触到许多既能与酸反应又能与碱反应的物质，除了Al及其重要化合物外，你还知道哪些？
答案　①弱酸的铵盐，如：(NH4)2CO3、CH3COONH4、(NH4)2S等；②弱酸的酸式盐，如：NaHCO3、KHS、NaHSO3等；③氨基酸。
2．将相同质量的镁条分别在①氧气、②氮气、③二氧化碳中完全燃烧，燃烧后所得固体产物的质量由大到小的顺序是______________(填序号)。
答案　③>①>②
解析　Mg能发生反应：2Mg＋O22MgO、3Mg＋N2Mg3N2、2Mg＋CO22MgO＋C。若都是1molMg参加反应，①中固体产物为1molMgO，②中为molMg3N2，③中为1molMgO和1molC。
3．写出铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式，分析反应的本质，指出该反应的氧化剂和还原剂，并用双线桥法标出该反应电子转移的方向与数目。
答案　2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
铝先与强碱溶液中的水反应生成H2和Al(OH)3，Al(OH)3可溶于NaOH生成NaAlO2和H2O，反应中Al为还原剂，水为氧化剂。
题组练习
题组一　镁、铝单质的性质及应用
1．下列关于金属镁、铝的说法中正确的是(　　)
A．铝在地壳中的储量非常丰富，在古代常用来制造兵器
B．大量镁条燃烧引起的火灾不能用干冰灭火器灭火
C．镁铝合金既可完全溶于过量盐酸又可完全溶于过量NaOH溶液
D．依据铝热反应原理，能发生反应2Al＋3MgO3Mg＋Al2O3
答案　B
解析　虽然铝在地壳中的储量非常丰富，但都是以化合态的形式存在，古代没有冶炼金属铝的技术，A错误；Mg不能溶于NaOH溶液，C错误；Mg的金属性比Al强，故Al与MgO不能发生铝热反应，D错误。
2．下列关于铝单质的叙述中正确的是(　　)
A．不能用铝制的器皿来盛放酸梅汤或碱水是因为铝会和酸或碱反应
B．铝制品在空气中有很强的抗腐蚀性是因为铝的化学性质很稳定
C．铝和NaOH溶液反应：Al＋2OH－===AlO＋2H2↑
D．用坩埚钳夹住一小块用砂纸仔细打磨过的铝箔在酒精灯上加热，熔化后的液态铝会滴落下来，是因为金属铝的熔点较低
答案　A
解析　A项，无论是铝还是其氧化物都能与酸或碱反应，正确；B项，铝表面形成致密的氧化膜，错误；C项，电荷、原子均不守恒，正确的离子方程式为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑，错误；D项，打磨后的铝箔在酒精灯上灼烧表面生成Al2O3，高熔点的Al2O3兜住了熔融的液态铝，不会滴落，错误。
3．铝是中学化学学习阶段的唯一一种既能与酸(非氧化性酸)反应又能与强碱溶液反应放出H2的金属，就铝的这一特殊性质回答下列问题：
(1)等质量的两份铝分别与足量的盐酸、氢氧化钠溶液反应，所得H2的体积之比是________。
(2)足量的两份铝分别投入到等体积、等物质的量浓度的盐酸和氢氧化钠溶液中，产生H2的体积之比是__________________________________________________________________。
(3)足量的两份铝分别投入到等体积、一定物质的量浓度的HCl、NaOH溶液中，二者产生的H2相等，则HCl和NaOH的物质的量浓度之比是________。
(4)甲、乙两烧杯中各盛有100mL3mol·L－1的盐酸和NaOH溶液，向两烧杯中分别加入等质量的铝粉，反应结束后，测得生成的气体体积比为V(甲)∶V(乙)＝1∶2，则加入铝粉的质量为________(填字母)。
A．5.4g B．3.6g C．2.7g D．1.8g
答案　(1)1∶1　(2)1∶3　(3)3∶1　(4)A
解析　(1)根据化学方程式：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，得Al与H2的关系式均为2Al～3H2，故只要参加反应的Al的量相等，所得H2的量必相等。
(2)因为在反应中Al过量，产生的H2由HCl和NaOH的量决定。根据化学反应中的关系式：6HCl～3H2、2NaOH～3H2，故当HCl、NaOH物质的量相等时，二者产生H2的体积比为1∶3。
(3)因为铝足量且产生H2的量相等，根据关系式n(HCl)∶n(NaOH)＝3∶1，又因为两溶液体积相等，故物质的量浓度c(HCl)∶c(NaOH)＝n(HCl)∶n(NaOH)＝3∶1。
(4)其反应原理分别为2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。可见当参加反应的HCl和NaOH的物质的量一样多时，产生H2的体积比是1∶3，而题设条件体积比为1∶2，说明此题投入的铝粉对盐酸来说是过量的，而对于NaOH来说是不足的。
2Al＋6HCl===　2AlCl3　＋　3H2↑
6mol3mol
3mol·L－1×0.1L0.15mol
则Al与NaOH反应生成的H2为0.15mol×2＝0.3mol。
2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
2×27g　　　　　　　　　　　　3mol
5．4g　　　　　　　　　　　　0.3mol
即投入的铝粉为5.4g。
小结
铝与酸或碱反应生成H2的量的关系
2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋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。
题组二　氧化铝、氢氧化铝的特性及应用
4．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
答案　B
解析　Al(OH)3不溶于氨水，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。
5．下列说法正确的是(　　)
A．向NaAlO2溶液中滴加NaHCO3溶液，有沉淀和气体生成
B．制备Al(OH)3悬浊液：向1mol·L－1AlCl3溶液中加过量的6mol·L－1NaOH溶液
C．AlCl3溶液中加入过量稀氨水：Al3＋＋4NH3·H2O===AlO＋4NH＋2H2O
D．将AlCl3加入Ba(HCO3)2溶液中同时有气体和沉淀产生
答案　D
解析　AlO＋HCO＋H2O===Al(OH)3↓＋CO，只有沉淀生成，A错误；Al(OH)3是两性氢氧化物，可以和过量氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，故不能制备氢氧化铝悬浊液，B错误；Al(OH)3不溶于过量稀氨水，C错误；Al3＋与HCO发生相互促进的水解反应，生成Al(OH)3沉淀和CO2气体，故D正确。
6．工业上以铝土矿(主要成分是氧化铝，含氧化铁杂质)为原料冶炼铝的工艺流程如下：
下列叙述正确的是(　　)
A．反应①中试剂X是氢氧化钠溶液
B．试剂Y是HCl，它与AlO反应生成氢氧化铝
C．图中所示转化反应中包含2个氧化还原反应
D．将X与Y试剂进行对换，最终可以达到相同结果
答案　A
解析　B项，若试剂Y是HCl，过量H＋与AlO反应生成Al3＋，错误；C项，图中所示转化只有一步是氧化还原反应2Al2O34Al＋3O2↑，错误；D项，试剂X为氢氧化钠，滤渣C为氧化铁，滤液A为偏铝酸钠和氢氧化钠混合溶液，通入过量二氧化碳气体，发生反应：NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3，不能对换，错误。
小结
含铝杂质的提纯方法归类
利用Al、Al2O3、Al(OH)3可溶于强碱的特性，可除去许多物质中的含铝杂质，如：
(1)Mg(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。
题组三　涉及Al(OH)3图像的分析与计算
7．(2020·宝鸡高三检测)室温下，在0.2mol·L－1Al2(SO4)3溶液中，逐滴加入1.0mol·L－1NaOH溶液，实验测得溶液pH随NaOH溶液体积变化曲线如下图，下列有关说法正确的是(　　)
A．a点时，溶液呈酸性的原因是Al3＋水解，离子方程式为Al3＋＋3OH－??Al(OH)3
B．a～b段，溶液pH增大，Al3＋浓度不变
C．b～c段，加入的OH－主要用于生成Al(OH)3沉淀
D．d点时，Al(OH)3沉淀开始溶解
答案　C
解析　A项，Al2(SO4)3为强酸弱碱盐，Al3＋水解使溶液显酸性，离子方程式应为Al3＋＋3H2O??Al(OH)3＋3H＋，错误；B项，a～b段，加入NaOH消耗H＋，使Al3＋＋3H2O??Al(OH)3＋3H＋反应正向进行，Al3＋的浓度减小，错误；C项，b～c段，pH变化不明显，说明OH－主要用于生成Al(OH)3沉淀，正确。
8．[H＋、Al3＋、NH、Al(OH)3竞争OH－能力顺序]向HCl、MgCl2、AlCl3、NH4Cl溶液中(假设各1mol)，逐滴加入NaOH溶液，沉淀的物质的量随NaOH溶液体积变化的图像如图。(假设Mg2＋、Al3＋结合OH－能力相同)
分析图像的变化情况，回答下列问题：
(1)H＋、Al3＋、Al(OH)3、NH四种微粒与OH－反应的先后顺序依次为______________________________________________________________________________。
(2)依次写出各阶段的离子方程式：
①OA：________________________________________________________________________。
②AB：________________________________________________________________________。
③BC：________________________________________________________________________。
④CD：________________________________________________________________________。
答案　(1)H＋、Al3＋、NH、Al(OH)3
(2)①H＋＋OH－===H2O ②Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓，Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓
③NH＋OH－===NH3·H2O④Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O
有关镁、铝及其化合物的化工流程题
1．从海水中提取镁的流程
(1)流程
(2)主要化学反应
①制石灰乳：CaCO3CaO＋CO2↑、CaO＋H2O===Ca(OH)2；
②沉淀Mg2＋：Mg2＋＋Ca(OH)2===Mg(OH)2＋Ca2＋；
③制备MgCl2：Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O；
④电解MgCl2：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。
2．工业炼铝的流程
铝是地壳中含量最多的金属元素，在自然界主要以化合态的形式存在于氧化铝中。铝土矿的主要成分是Al2O3，此外还含有少量SiO2、Fe2O3等杂质，冶炼金属铝很重要的一个过程是Al2O3的提纯。由于Al2O3是两性氧化物，而杂质SiO2是酸性氧化物，Fe2O3是碱性氧化物，因而可设计出两种提纯氧化铝的方案。
方案一：碱溶法
讨论回答下列问题：
(1)写出①③两步骤中可能发生反应的离子方程式。
答案　①Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O，SiO2＋2OH－===SiO＋H2O。
③AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO，SiO＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCO。
(2)步骤③中不用盐酸(或H2SO4)酸化的理由是____________________________。
答案　因为AlO与酸反应生成的Al(OH)3具有两性，可溶于强酸，不易控制酸的量；CO2廉价而且生成的副产物NaHCO3用途广泛，经济效益好
(3)步骤④中得到较纯的Al2O3，可能含有____________杂质，在电解时它不会影响铝的纯度的原因：________________________________________________________________________。
答案　SiO2　由于SiO2的熔点很高，在加热到1000℃左右时不会熔化，因而不影响铝的纯度
方案二：酸溶法
讨论回答下列问题：
(1)写出①②中可能发生反应的离子方程式。
答案　①Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O，Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。
②Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O，Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓。
(2)步骤②中不用氨水沉淀Fe3＋的原因：____________________________________。
答案　Al(OH)3只能溶于强碱，不能溶于氨水，若用氨水则不能将Fe(OH)3和Al(OH)3分离
练习
1．工业上制备下列物质的生产流程合理的是(　　)
A．由铝土矿冶炼铝：铝土矿Al2O3AlCl3Al
B．从海水中提取镁：海水Mg(OH)2MgOMg
C．由NaCl制漂白粉：饱和食盐水Cl2漂白粉
D．由黄铁矿制硫酸：黄铁矿SO2SO3H2SO4
答案　D
2．工业从铝土矿(主要成分是Al2O3·xH2O、SiO2、Fe2O3等)提取纯Al2O3做冶炼铝的原料，提取时操作过程如图，图中操作错误的是(　　)
A．④⑤B．③④C．②⑤D．①②
答案　A
解析　铝土矿灼烧除去结晶水，灼热后的不挥发物质中加入过量的盐酸，Al2O3、Fe2O3溶解成铝盐、铁盐，过滤除去不溶的杂质二氧化硅等，溶液中含有过量的盐酸，向②的滤液中加入过量氢氧化钠使铝盐变成偏铝酸盐，而铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤除去，滤液中含有过量的氢氧化钠，向③的滤液中加入过量盐酸，溶液中偏铝酸根、氢氧化钠转化为氯化铝、氯化钠，溶液溶质为氯化铝、氯化钠，不能生成氢氧化铝沉淀，应通入二氧化碳，可得氢氧化铝沉淀，故④错误，氢氧化铝沉淀灼烧分解生成氧化铝，干燥不能使氢氧化铝分解，故⑤错误，故选A。
3．利用铝灰(主要成分为Al、Al2O3、AlN、FeO等)制备铝鞣剂[主要成分为Al(OH)2Cl]的一种工艺如下：
(1)气体A能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。铝灰在90℃时水解生成A的化学方程式为_____________________，“水解”采用90℃而不在室温下进行的原因是___________________。
(2)“酸溶”时，Al2O3发生反应的离子方程式为_____________________________________。
(3)“氧化”时，发生反应的离子方程式为_________________________________________。
(4)“废渣”的成分为____________(填化学式)。
(5)采用喷雾干燥而不用蒸发的原因是___________________________________________。
答案　(1)AlN＋3H2OAl(OH)3＋NH3↑
加快AlN的水解反应速率，降低NH3在水中的溶解度，促使NH3逸出
(2)Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O
(3)2Fe2＋＋2H＋＋ClO－===2Fe3＋＋Cl－＋H2O
(4)Fe(OH)3
(5)防止Al(OH)2Cl水解生成Al(OH)3
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