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第6讲　金属与金属矿物
【基础作业】
1.以下是3D打印常用的材料,其中属于金属材料的是 (　　)
A.铝合金 B.炭粉
C.陶瓷 D.塑料
2.(2024·福州模拟)铜球加热前能通过铜环,加热后却不能通过铜环,冷却后又能通过铜环(如图)。下列说法正确的是 (　　)
A.加热后铜原子的体积变大了
B.加热后铜原子之间的间隔变大了
C.加热后铜生成氧化铜,铜球的体积变大了
D.铜球冷却后,铜原子体积恢复到原来大小
3.(2024·福州模拟)某化学小组同学进行铁生锈趣味实验。将用蒸馏水浸湿过的铁丝网固定在罐头瓶底部,塞紧带导管的单孔橡胶塞,固定在铁架台上,导管末端插入彩色水中,装置如图。
下列说法错误的是 (　　)
A.一段时间后可观察到铁丝网生锈
B.瓶内压强减小导致彩色水沿导管流入罐头瓶
C.该实验可说明铁生锈同时需要氧气和水
D.若改用食盐水浸湿铁丝网,则相同时间进入瓶中的水更多
4.(2024·泉州模拟·优秀传统文化)古文献记载的大鉴炉炼铁:“黑砂(主要成分为铁的氧化物)为本……时时旋下,用炭火以煅炼之。”如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.该黑砂中可能含有Fe3O4
B.木炭仅作为燃料提供热量
C.往通风道中鼓风能提高炉温
D.增加大鉴炉高度能提高铁的产量
5.(2024·南平模拟)将打磨后的镁条放入盛有50 mL热水(pH约为6.4)的烧杯中,用pH传感器和浊度传感器监测溶液的pH和浊度(浊度是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度。通常浊度越高,溶液越浑浊)随时间的变化如图。下列有关描述正确的是 (　　)
A.该实验中反应的化学方程式为Mg+H2OMg(OH)2+H2↑
B.实线表示溶液浊度随时间的变化
C.50 s时向溶液中滴入石蕊试液,溶液变红
D.150 s后溶液浊度下降是因为生成的Mg(OH)2沉降了
6.为了探究铜的化学性质,某同学借助氧气传感器在密闭装置中进行下图所示的实验,观察实验现象并分析氧气含量随时间变化的曲线图。其中终点D(203,6.15%)表示时间为203秒时,装置中氧气含量为6.15%。结合图示判断下列说法错误的是 (　　)
A.加热前的空气样品中氧气含量为20.99%
B.铜在加热条件下能与氧气发生化学反应
C.拐点C至终点D所对应的时间范围内,装置内物质的总质量逐渐减少
D.通过现象证据和数据证据,可以从定性和定量的角度分析得出合理解释
7.老师在课上演示了两个趣味实验。
(1)“火焰分割”。先将加热至红热的铁丝网a平伸到火焰上部,如图甲所示。再将常温的铁丝网b平伸到火焰下部,两张铁丝网中间的火焰熄灭,如图乙所示。
①铁块能拉成铁丝是利用了铁的　　　性。
②“两张铁丝网中间的火焰熄灭”的主要原因:铁丝网b吸收热量,　　　(填字母)。
A.使酒精的着火点降低
B.使温度降低到酒精的着火点以下
(2)“铁花飞溅”。将铁粉抖撒到酒精灯火焰上方,铁粉剧烈燃烧,火星四射,宛如美丽的“铁花”。铁燃烧生成四氧化三铁的化学方程式为　 　。
8.(2024·福州模拟·优秀传统文化)不平凡的“矾”。
【资料】:绿矾(FeSO4·7H2O);明矾[KAl(SO4)2·12H2O];蓝矾(CuSO4·5H2O)。
(1)明朝《本草纲目》记载了绿矾可入药疗病。少量绿矾配药食用,用于治疗缺　　 (填元素名称)性贫血。
(2)清朝《景德镇陶录》记载:“矾红釉,用青矾炼红加铅粉、广胶合成”。“青矾炼红”指绿矾在加热过程产生“赤色”物质,该物质是　　　　　(选填“Fe2O3”或“Fe3O4”)。
(3)唐朝《千金翼方》记载古人用明矾水写密信:“其字水干无迹,湿时方显”。说明明矾水呈　(选填“无色”或“黑色”);密信放入水中,纸上无字与有字之处吸水的速率　　　　(选填“相同”或“不同”),字迹便可呈现。
(4)古代“炼石胆取精华”法制取硫酸的场景如图:“炉中以炭烧石胆(主要含蓝矾),使作烟,以物扇之,其精华尽入铜盘……”。
①“烧石胆”过程,加热蓝矾生成氧化铜、三氧化硫和水蒸气,该反应属于　　　　　　(填基本反应类型)。
②“精华”即为硫酸,不可“入铁盘”的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　(用化学方程式表示)。
9.(2024·安溪模拟)灵神星是太阳系最大的金属小行星,具备潜在的矿产资源价值,其金属成分可能由铁和镍组成。请和小组同学一起研究。
(1)镍在元素周期表中的信息如图所示。写出关于镍的一条信息:　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)将铁丝放入NiSO4溶液中,观察到铁丝表面有固体析出,说明铁的金属活动性比镍　　　(选填“强”或“弱”),反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　,该反应属于　　　　　　(填基本反应类型)。
(3)学习小组同学查得实验室制取高纯镍的资料如下:
资料ⅰ:Ni(CO)4的沸点为43 ℃,60 ℃以上与空气混合易爆炸;
资料ⅱ:不纯的镍与CO在50 ℃~80 ℃时反应,生成Ni(CO)4;在180 ℃~200 ℃时,Ni(CO)4分解成Ni与CO;
资料ⅲ:用石英玻璃封管制取高纯镍的装置如图所示。
①石英玻璃封管中生成的Ni(CO)4是　　　　(选填“固体”“液体”或“气体”),生成的镍在　(选填“50”或“190”) ℃区域端。
②该实验必须在密封管中进行的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写一点)。
10.应用广泛的金属。
(1)国宝中的金属
国宝“鎏金铁芯铜龙”是以铁铸造内芯,铁上包铜,外层鎏金(鎏金是一种金属加工工艺,经过鎏金处理后,金属表面会覆盖一层金)。整个龙身飞扬舒展,反映了唐代高超的铸造工艺。
①国宝历经千年,出土后表面仍金光灿灿,原因是　。
②工业上以赤铁矿为原料炼铁,原理是　　　　　　　　　　　　　　　　　(用化学方程式表示)。
③《淮南万毕术》中记载“曾青得铁则化为铜,外化而内不化”,“曾青”即硫酸铜溶液,该炼铜反应的原理是　　　　　　　　　　　　　　　　　(用化学方程式表示),“外化而内不化”的原因是　　 　。
(2)生活中的金属
铝制易拉罐主要由铝合金制成,除铝外,还含有锌、铜、硅等。
①请用化学方法证明:罐体的金属材料是铝合金而不是纯铝(提供试剂:已打磨的罐体金属片,其他仪器、试剂自选)。
你的方案及预期现象是　 　。
②合金与纯金属相比较,性质存在差异。对比分析图1,从微观角度解释原因:　　　　　　　　　　　　　　　　
　　 (答两条)。
图1
③合金中元素的配比不同会导致性能有差异。根据实际需求,罐盖硬度应大于罐体硬度。结合图2分析,生产易拉罐时,罐盖中铜元素的含量应　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)罐体中铜元素的含量。
图2　铝合金硬度与其中Cu含量关系图
④为比较铝、铜、锌的金属活动性,进行下图实验,则a、b、c可以选用的物质是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)航天中的金属
中国航天事业的成就令世界瞩目,火箭是航天飞行器的运载工具。
①运载火箭外壳材料也为铝合金。铝合金做作外壳材料,具备的优良性能是　　　　　　　　　　　(答一条)。
②运载火箭固体推进剂的主要组分为高氯酸铵和铝粉。其中高氯酸铵(NH4ClO4)是供氧剂,氯元素的化合价是　　　　。铝粉燃烧的化学方程式为　　　　　　　,反应过程中能量转化形式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【素养作业】
11.(2024·宁德模拟)某兴趣小组将打磨光亮的铁钉放入30 mL 4%硫酸铜溶液中,将pH传感器和氧气传感器插入密闭容器中,所得数据如下,下列说法错误的是 (　　)
图1
图2
A.该实验可以看到有气泡产生
B.体系中氧气含量降低,可能是因为氧气能与硫酸亚铁反应
C.实验过程至少涉及三个化学反应
D.10 000 s以后,pH可能继续减小
12.(2024·厦门模拟)某同学为了探究铁锈蚀速率的影响因素进行下图实验。每组加入铁和木炭总质量为24 g,食盐水体积7.5 mL。“示数差3 cm”指U形管左侧液面上升3 cm。下列说法错误的是 (　　)
实验 序号 铁炭质 量比 食盐水 浓度/% 示数差3 cm 所用时间/s 10分钟时 升温值/℃
① 2∶1 26 90 7.8
② 4∶1 26 170 4.2
③ 2∶1 13 140 6
A.铁炭质量比、食盐水的浓度都会影响铁锈蚀的速率
B.三组实验都选择左侧液面上升3 cm,是为了控制相同的耗氧量
C.U形管左侧液面上升是因为铁锈蚀放出热量
D.带止水夹的竖直导管可以防止液体进入集气瓶影响实验结果
13.(优秀传统文化)我国是世界上锌冶炼最早的国家。明代宋应星所著的《天工开物》中有关“火法”炼锌的工艺记载:“每炉甘石(主要成分是碳酸锌)十斤装载入一泥罐内……然后逐层用煤炭饼(反应后生成一氧化碳)垫盛,其底铺薪,发火煅红……冷定毁罐取出……即倭铅(锌)也。”此工艺过程分解模拟如图。(已知:Zn的冶炼温度为904 ℃,Zn的沸点为906 ℃。)请结合图文信息,分析思考,解决问题:
(1)装入原料器之前,将炉甘石敲碎的目的是　 　。
(2)高温炉内,碳酸锌(ZnCO3)在高温条件下与煤的主要成分发生反应生成Zn和CO,反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　。该反应生成物中碳元素的化合价为　　　　。
(3)冷凝器中发生的变化属于　　　　　　(选填“物理变化”或“化学变化”)。
(4)我国古代冶锌晚于铁和铜,结合已知信息,分析说明其中的原因是　 　。
14.在日常生活中能看到很多精美的金属蚀刻画。某兴趣小组利用废弃的金属片进行制作金属蚀刻画的项目活动,请你一起参与下列任务。
【任务一】到垃圾回收站筛选金属底板
(1)区分铝片和铁片的物理方法是　　　　　　　　　　　　　(写1种)。
【任务二】预处理金属底板
(2)用砂纸打磨掉铝片表面的氧化膜。用化学方法除去铁片表面的铁锈,可以用　　　　
　　　(写1种物质名称)。
【任务三】选择蚀刻液进行蚀刻
(3)首先将有镂空图案的不干胶保护膜(能隔绝蚀刻液与金属底板接触)分别贴到处理好的铝片和铁片上,然后将铝片浸入足量的甲蚀刻液中,将铁片浸入足量的乙蚀刻液中,一段时间后取出。小组同学看到铝片上有凹陷图案,没有附着物;铁片上出现红色附着物图案。则他们选择的甲蚀刻液、乙蚀刻液分别是下列中的　　　　　(填序号)。
①硫酸铜溶液　②硝酸银溶液　③稀盐酸　④氯化亚铁溶液　⑤氯化钠溶液
【任务四】金属蚀刻画的后处理
(4)将蚀刻好的金属片清洗掉废液,去掉不干胶保护膜,进行装饰。为防止铁片蚀刻画生锈,可采取的措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写1种合理的方法)。
【任务五】废液回收利用
(5)铝片蚀刻废液处理,可加入足量铝片,得到　　　　　溶液,回收保存。
(6)铁片蚀刻废液处理,如图所示:
过程①中加入的物质X是　　　　,过程②加入稀硫酸后,发生的反应的化学方程式为　　 　。
答案
1.A　【解析】铝合金属于金属材料;炭粉是一种固态非金属单质,不属于金属材料;陶瓷属于无机非金属材料;塑料属于有机合成材料。
2.B　【解析】A.加热后铜原子的间隔变大了,而原子体积不变,错误;B.加热后铜原子之间的间隔变大了,正确;C.加热后铜生成氧化铜,铜球的体积不一定变大,错误;D.铜球冷却后,铜原子之间的间隔恢复到原来大小,错误。
3.C　【解析】A.铁丝网同时接触氧气和水,一段时间后可观察到铁丝网生锈,正确;B.铁丝网生锈消耗瓶内氧气,瓶内气体减少,则压强减小,导致彩色水沿导管流入罐头瓶,正确;C.该实验没有设计对比实验,不能说明铁生锈同时需要氧气和水,错误;D.食盐水能加快铁的锈蚀速率,若改用食盐水浸湿铁丝网进行实验,则相同时间进入瓶中的水更多,正确。
4.B　【解析】A.黑砂的主要成分为铁的氧化物,四氧化三铁为黑色固体,则该黑砂中可能含有Fe3O4,正确;B.木炭不是仅作为燃料提供热量,木炭具有还原性,能与铁的氧化物反应生成铁和二氧化碳,错误;C.往通风道中鼓风,利于木炭充分燃烧,提高炉温,正确;D.木炭具有还原性,在高温条件下能与铁的氧化物反应生成铁和二氧化碳,增加大鉴炉高度,能使铁的氧化物依次和木炭充分接触,充分反应,能提高铁的产量,正确。
5.D　【解析】A.该实验中发生的反应是镁与热水反应生成氢氧化镁沉淀和氢气,化学方程式为Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑,错误;B.热水初始pH约为6.4,则实线表示溶液的pH随时间的变化,错误;C.由图可知,50 s时溶液pH大于7,说明溶液显碱性,石蕊溶液遇碱变为蓝色,故50 s时向溶液中滴入石蕊溶液,溶液变蓝,错误;D.150 s后溶液浊度下降是因为生成的Mg(OH)2沉淀沉降到了容器底部,正确。
6.C　【解析】A.由图像信息可知,加热前的空气样品中氧气含量为20.99%,正确;B.铜在加热条件下能与氧气发生化学反应,正确;C.在加热的条件下,铜与空气中的氧气反应生成氧化铜,由质量守恒定律可知,装置内物质的总质量不变,错误;D.通过现象证据和数据证据,可以从定性和定量的角度分析得出合理解释,正确。
7.(1)①延展　②B
(2)3Fe+2O2Fe3O4
8.(1)铁
(2)Fe2O3
(3)无色　不同
(4)①分解反应　②Fe+H2SO4FeSO4+H2↑
9.(1)元素符号为Ni(合理即可)
(2)强　Fe+NiSO4FeSO4+Ni　置换反应
(3)①气体　190　②Ni(CO)4在60 ℃以上与空气混合易爆炸
【解析】(1)由图可知,镍的元素符号为Ni(合理即可)。
(2)将铁丝放入NiSO4溶液中,观察到铁丝表面有固体析出,说明铁的金属活动性比镍强,反应的化学方程式为Fe+NiSO4FeSO4+Ni,该反应是置换反应。
(3)①Ni(CO)4的沸点为43 ℃,石英玻璃封管中的温度均高于其沸点,故生成的Ni(CO)4是气体;在180 ℃~200 ℃时,Ni(CO)4分解成Ni与CO,故生成的镍在190 ℃区域端。②该实验必须在密封管中进行的原因是Ni(CO)4在60 ℃以上与空气混合易爆炸(合理即可)。
10.(1)①金的化学性质稳定　②Fe2O3+3CO2Fe+3CO2　③Fe+CuSO4FeSO4+Cu　铁和硫酸铜反应生成的铜覆盖在铁的表面,阻止内部的铁继续反应
(2)①将已打磨的罐体金属片剪成小碎片,取少量小碎片于试管中,加入足量稀盐酸并加热,使之充分反应,最终在试管底部残留少量固体物质　②原子的排列方式不同,物质的原子构成种类不同　③大于　④铝、铜、硫酸锌溶液(合理即可)
(3)①强度高(合理即可)　②+7　4Al+3O22Al2O3　化学能转化为动能
【解析】(1)①国宝历经千年,出土后表面仍金光灿灿,是因为金的化学性质稳定。②赤铁矿的主要成分氧化铁和一氧化碳在高温条件下反应生成铁和二氧化碳,反应的化学方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。③铁和硫酸铜反应生成硫酸亚铁和铜,反应的化学方程式为Fe+CuSO4FeSO4+Cu;“外化而内不化”,是因为铁和硫酸铜反应生成的铜覆盖在铁的表面,阻止内部的铁继续反应。
(2)①铝制易拉罐主要由铝合金制成,除铝外,还含有锌、铜、硅等,铜和硅都不与稀盐酸反应,将已打磨的罐体金属片,剪成小碎片,取少量小碎片于试管中,加入足量稀盐酸并加热,使之充分反应,最终在试管底部残留少于固体物质,说明罐体的金属材料是铝合金而不是纯铝。②合金与纯金属相比较,性质存在差异,是因为原子的排列方式不同,物质的原子构成种类不同。③由图2可知,铜的含量越高,铝合金硬度越大,则生产易拉罐时,罐盖中铜元素的含量应大于罐体中铜元素的含量。④铝和硫酸锌反应生成硫酸铝和锌,说明铝的金属活动性强于锌,铜和硫酸铝不反应,说明铝的金属活动性强于铜,所以比较铝、铜、锌的金属活动性,a、b、c可以选用的物质是铝、铜、硫酸锌溶液。
(3)①铝合金作外壳材料,具备的优良性能是强度高、密度小、耐腐蚀。②高氯酸铵中氮元素的化合价为-3,氢元素的化合价为+1,氧元素的化合价为-2,设氯元素的化合价为x,在化合物中各元素正负化合价代数和为零,则(-3)+(+1)×4+x+(-2)×4=0,解得x=+7,所以氯元素的化合价是+7;铝和氧气在点燃的条件下生成氧化铝,反应的化学方程式为4Al+3O22Al2O3;反应过程中能量转化形式是化学能转化为动能。
11.D　【解析】A.该实验可以看到有气泡产生,是因为随着反应进行,酸性增强,酸能和铁反应生成氢气,正确;B.体系中氧气含量降低,可能是因为氧气能与硫酸亚铁反应,正确;C.实验过程至少涉及3个化学反应,即铁和硫酸铜、酸反应、氧气与某物质反应,正确;D.10 000 s以后,反应结束,pH不会继续减小,错误。
12.C　【解析】A.由①②、①③对比可知,铁炭质量比、食盐水的浓度都会影响铁锈蚀的速率,正确;B.三组实验都选择左侧液面上升3 cm,是为了控制相同的耗氧量,正确;C.U形管左侧液面上升是因为铁锈蚀消耗氧气和水蒸气,错误;D.带止水夹的竖直导管可以防止液体进入集气瓶影响实验结果,正确。
13.(1)增大反应物间的接触面积,加快反应速率
(2)2C+ZnCO3Zn+3CO↑　+2
(3)物理变化
(4)锌的化学性质比较活泼,易被空气中的氧气氧化(合理即可)
【解析】(1)装入原料器之前,将炉甘石敲碎的目的是增大反应物间的接触面积,加快反应速率。
(2)碳酸锌(ZnCO3)在高温条件下与煤的主要成分发生反应生成Zn和CO,反应的化学方程式为2C+ZnCO3Zn+3CO↑,该反应生成物一氧化碳中,氧元素显-2价,由化合物中各元素正负化合价的代数和为零可知,碳元素的化合价为+2。
(3)冷凝器中,锌蒸气冷凝成固态锌,没有新物质生成,发生的变化属于物理变化。
(4)我国古代冶锌晚于铁和铜,其中的原因是锌的化学性质比较活泼,易被空气中的氧气氧化。
14.(1)用磁铁吸引(合理即可)
(2)稀硫酸(或稀盐酸)
(3)③、①
(4)保持铁片蚀刻画表面清洁干燥(合理即可)
(5)氯化铝
(6)铁粉　Fe+H2SO4FeSO4+H2↑
【解析】(1)磁铁能吸引铁片,不能吸引铝片,所以可用磁铁吸引的方法区分铝片和铁片。
(2)稀硫酸或稀盐酸能与主要成分为氧化铁的铁锈反应生成硫酸铁和水,所以用化学方法除去铁片表面的铁锈,可以用稀硫酸或稀盐酸。
(3)铝片上有凹陷图案,没有附着物,说明铝与甲蚀刻液反应没有生成新的金属,铝与稀盐酸反应生成氯化铝和氢气,所以甲蚀刻液只能是稀盐酸。由于铁片上出现红色附着物图案,说明铁与硫酸铜溶液反应生成红色的铜。所以乙蚀刻液是硫酸铜溶液。
(4)防止铁制品生锈的原理是破坏铁锈蚀的条件,即隔绝氧气或水。所以为防止铁片蚀刻画生锈,可采取的措施是保持铁片蚀刻画表面清洁干燥等。
(5)铝片蚀刻废液是铝与盐酸反应生成的氯化铝和剩余的稀盐酸的混合溶液,所以铝片蚀刻废液处理,可加入足量铝片,与稀盐酸完全反应,得到氯化铝溶液,回收保存。
(6)铁片蚀刻废液是铁与硫酸铜反应生成的硫酸亚铁与剩余的硫酸铜的混合溶液,所以过程①中加入的物质X是铁粉,铁粉与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁,滤渣中的铁粉与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气,所以过程②加入稀硫酸反应的化学方程式是Fe+H2SO4FeSO4+H2↑。

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