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(共60张PPT)
第8讲 金属材料　金属矿物的开发和利用
2027高考化学一轮总复习
考点综述
1.镁、铝、铜及其重要化合物的存在、性质和用途,工业提取铝、镁的一般方法。
2.合金的概念及金属材料的重要应用,可持续发展意识和绿色化学观念。
考情分析
2025浙江6月选考第19题 涉及制备金属有机框架材料的一种前驱体的探究,属于结合物质制备的考查
2024浙江6月选考第5题 涉及金属的冶炼,属于通过联系社会和新科技的考查
2024浙江1月选考第7题 涉及合金的性质,属于通过联系社会和新科技的考查
2023浙江6月选考第20题 涉及用铝土矿为原料制备絮凝剂聚合氯化铝,属于结合物质的转化考查
2023浙江1月选考第12题 涉及共价化合物Al2Cl6的探究,属于结合物质的转化考查
知识点一　铝及其化合物
必备知识 全方位凝练
1.铝的原子结构与物理性质
2.金属铝的化学性质
写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式:
④2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑
3.氧化铝、氢氧化铝的两性
按要求完成下列反应的离子方程式。
(1)氧化铝分别溶于盐酸、NaOH溶液:Al2O3+6H+===2Al3++3H2O、Al2O3+2OH-+3H2O===2[Al(OH)4]-。
(2)氢氧化铝分别溶于盐酸、NaOH溶液:Al(OH)3+3H+===Al3++3H2O、Al(OH)3+OH-=== [Al(OH)4]-。
4.Al(OH)3的制备
写出下列反应的离子方程式。
(1)Al3+与氨水反应(不用强碱):
(2)向含[Al(OH)4]-的溶液中通入过量的CO2:
(3)Al3+与[Al(OH)4]-发生相互促进的水解反应:
Al3++3[Al(OH)4]- ===4Al(OH)3↓。
[练一练]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)铝制品在空气中能稳定存在是因为铝不活泼。(　　)
(2)实验室可用氧化铝坩埚熔化NaOH、Na2CO3固体等。(　　)
(3)MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂。(　　)
(4)明矾作为水处理剂,与ClO2作用相同。(　　)
(5)铝与少量NaOH溶液反应得到铝盐。(　　)
×
×
×
×
×
2.下列关于铝及其化合物的说法不正确的是(　　)
A.Al既可用于食品包装,也可用作建筑材料
B.Al2O3既可用来冶炼金属Al,也可用作耐火材料
C.明矾[KAl(SO4)2·12H2O]既可用作净水剂,也可用作消毒剂
D.Al(OH)3既可用作治疗胃酸过多的药物,也可用来制备一些铝盐
C
关键能力 多维度提升
角度一　铝及其化合物的性质
1.某溶液中含有H+、Mg2+、Al3+三种阳离子,逐滴加入0.1 mol·L-1NaOH溶液,消耗NaOH溶液体积和生成沉淀的关系如图,则下列说法正确的是(　　)
A.横坐标为0~50 mL时,所有反应为Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓、
Al3++3OH-===Al(OH)3↓
B.B点生成沉淀的总物质的量为0.02 mol
C.若往C点的溶液中加入足量盐酸,沉淀将全部溶解
D.H+、Mg2+、Al3+三种阳离子物质的量浓度之比为
2∶2∶1
C
解析 横坐标为0~10 mL时,H++OH-===H2O,10~50 mL时,Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓、Al3++3OH-===Al(OH)3↓,A项错误;50~60 mL,反应为Al(OH)3+OH-=== [Al(OH)4]-,则n(Al3+)=n[Al(OH)3]=10-3 mol,结合Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓、Al3++3OH-===Al(OH)3↓可知,
Mg(OH)2、Al(OH)3的总物质的量为n[Al(OH)3]+n[Mg(OH)2]=0.001 mol+0.000 5 mol=0.001 5 mol,B项错误;若往C点的溶液中加入足量盐酸,Mg(OH)2+2HCl===MgCl2+2H2O、Na[Al(OH)4]+4HCl===NaCl+AlCl3 +4H2O,沉淀将全部溶解,C项正确;经计算,溶液中H+、Mg2+、Al3+三种阳离子物质的量浓度之比为0.001 mol∶0.000 5 mol∶0.001 mol,即2∶1∶2,D项错误。
2.向NaOH、Na2CO3、Na[Al(OH)4]的混合溶液中(假设各1 mol)逐滴加入盐酸,产生沉淀的物质的量随盐酸体积变化的图像如下:
分析图像的变化情况,回答下列问题:
(1)OH-、 、[Al(OH)4]-、Al(OH)3这五种微粒与H+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: 　。
OH-+H+===H2O
[Al(OH)4]-+H+===Al(OH)3↓+H2O
Al(OH)3+3H+===Al3++3H2O
归纳总结
(1)含Al3+的溶液与碱反应的先后顺序
角度二　有关铝的工艺流程
1.工业从铝土矿(主要成分是Al2O3·xH2O、SiO2、Fe2O3等)提取纯Al2O3作冶炼铝的原料,提取时操作过程如图,图中操作错误的是(　　)
A.④⑤　　　　　　　B.③④ C.②⑤ D.①②
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Al3+变成[Al(OH)4]-,而Fe3+转化为Fe(OH)3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[Al(OH)4]-、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。
2.(教材必修第二册第八章复习与提高改编)工业上用铝土矿(主要成分为Al2O3,含Fe2O3杂质)为原料冶炼铝的工艺流程如下:
下列叙述正确的是(　　)
A.按上述流程,试剂X可以是氢氧化钠溶液,也可以是盐酸
B.反应①过滤后所得沉淀为氧化铁
C.图中所有的转化反应都不是氧化还原反应
B　
解析 由溶液乙中通入过量的Y生成氢氧化铝沉淀可知,溶液乙中含有[Al(OH)4]-、气体Y为二氧化碳,故试剂X为氢氧化钠溶液,不可以为盐酸,故A错误;Al2O3溶于氢氧化钠溶液得到Na[Al(OH)4]溶液,Fe2O3与氢氧化钠溶液不反应,则过滤后所得沉淀为Fe2O3,故B正确;电解熔融Al2O3冶炼金属铝属于氧化还原反应,故C错误;反应①过滤后所得溶液乙为Na[Al(OH)4]溶液,向Na[Al(OH)4]溶液中通入过量CO2生成Al(OH)3沉淀和碳酸氢钠,反应的离子方程式为[Al(OH)4]-+CO2===Al(OH)3↓+ ,故D错误。
知识拓展
工业冶炼铝的流程
方案一:碱溶法
方案二:酸溶法
知识点二　镁与海水提镁　铜及其化合物
必备知识 全方位凝练
1.从海水中提取镁
(1)工艺流程
(2)基本步骤及主要反应
制石灰乳 CaCO3 CaO+CO2↑,CaO+H2O===Ca(OH)2
沉淀 Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓
酸化 Mg(OH)2+2HCl===MgCl2+2H2O
蒸发浓缩、 冷却结晶 析出MgCl2·6H2O
脱水 在氯化氢气流中使MgCl2·6H2O
脱水制得无水氯化镁
电解 电解熔融氯化镁制得镁
2.镁的重要化合物
(1)氧化镁:白色粉末状固体,难溶于水,属于碱性氧化物,与盐酸反应的离子方程式为MgO+2H+===Mg2++H2O。
(2)氢氧化镁:白色固体,难溶于水,中强碱,与盐酸反应的离子方程式为Mg(OH)2+2H+===Mg2++2H2O。
特别提醒
氢氧化镁的溶解度小于碳酸镁,能发生反应MgCO3+H2O Mg(OH)2+CO2↑,镁元素在水垢中的存在形式是Mg(OH)2。
3.铜及其重要化合物的性质及应用
(1)铜在潮湿的空气中生成铜锈
[Cu2(OH)2CO3]:2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3。
(2)常用灼热的铜粉除去N2中的O2,用灼热的CuO除去CO2中的CO。
(3)新制的Cu(OH)2常用来检验醛基。
(4)CuSO4遇水蒸气变为蓝色晶体(CuSO4·5H2O),可用于检验H2O。
(6)过量的Cu和浓硝酸反应,得到NO2和NO的混合气体,再加入稀硫酸,Cu
继续溶解。
(7)Cu+2H2SO4(浓) CuSO4+SO2↑+2H2O,此反应中当Cu过量时,H2SO4也不能完全反应。此反应不适用于制备CuSO4,因为会产生污染性气体SO2且H2SO4的利用率低。
[练一练]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)铜锈是铜被空气中的氧气缓慢氧化生成的氧化物。(　　)
(2)过量铜与浓硫酸反应,产生的气体中有SO2和H2。(　　)
(3)CuO是碱性氧化物,与水反应生成Cu(OH)2。(　　)
(4)用稀硝酸清除铜制品上的铜锈。(　　)
(5)工业上制取镁粉时,可将镁蒸气在N2中冷却。(　　)
×
×
×
×
×
2.下列关于钠和镁的叙述中,不正确的是(　　)
A.钠和镁都是银白色金属,都能与稀硫酸反应生成H2
B.将金属钠放在石棉网上,用酒精灯加热熔化后,金属钠剧烈燃烧,产生黄色火焰,生成淡黄色的过氧化钠
C.金属镁在空气中燃烧生成黑色的烟
D.钠的还原性比镁的还原性强
C
关键能力 多维度提升
角度一　化工流程中的“镁”
1.以混有SiO2的MgCO3为原料制备氧化镁的实验流程如图:
下列说法错误的是(　　)
A.酸浸的离子方程式为 +2H+===CO2↑+H2O
B.浸出渣的成分是SiO2
C.母液的主要溶质是NH4Cl
D.固体X是Mg(OH)2
A　
解析 MgCO3是微溶物,不可拆成离子,故A错误;SiO2不溶于盐酸,浸出渣为SiO2,故B正确;加入氨水沉镁:MgCl2+2NH3·H2O===Mg(OH)2↓+2NH4Cl,母液的主要溶质是NH4Cl,故C、D正确。
2.蛇纹石主要成分为Mg6Si4O10(OH)8(含少量NiO、Fe3O4等杂质),利用蛇纹石制备阻燃剂氢氧化镁的工艺流程如图所示:
已知:KMnO4被还原为MnO2。
下列说法错误的是(　　)
A.滤渣1的主要成分是H2SiO3
B.反应Ⅰ中有置换反应和化合反应
C.滤渣3溶于足量稀盐酸得到澄清溶液
D.Mg(OH)2分解吸热生成高熔点MgO和水蒸气是其阻燃的主要原因
C
解析 蛇纹石的主要成分为Mg6Si4O10(OH)8,可用氧化物形式表示为6MgO·4SiO2·4H2O,还含有少量的NiO、Fe3O4,粉碎后加入稀硫酸酸溶,金属氧化物可溶于稀硫酸,形成相应的金属阳离子,滤渣1的成分为H2SiO3,滤
Mg2+与Ca(OH)2反应生成Mg(OH)2沉淀,以此解答该题。根据上述分析可知滤渣1的主要成分是H2SiO3,A正确;滤液1中有Ni2+、Fe3+、H+,加入Fe粉,发生反应:Fe+2Fe3+===3Fe2+(属于化合反应),Fe+Ni2+===Fe2++Ni、Fe+2H+===Fe2++H2↑都属于置换反应,B正确;滤渣3的成分是Fe(OH)3和MnO2,向其中加入足量稀盐酸,MnO2不溶于稀盐酸,因此不能得到澄清溶液,C错误;Mg(OH)2受热分解为MgO和H2O,分解过程吸收热量可起到降温作用,同时分解产生的MgO是离子化合物,熔点高,耐高温,且分解产生的水蒸气能够隔绝空气,因此Mg(OH)2可作为阻燃材料,D正确。
归纳总结
易忘知识盲点
(1)Mg在空气中燃烧生成三种产物:MgO、Mg3N2、C。
(2)水垢是CaCO3和Mg(OH)2的混合物,而不是CaCO3和MgCO3,因为MgCO3+H2O Mg(OH)2+CO2↑。
(3)加热蒸干MgCl2溶液得不到MgCl2晶体,若要得到MgCl2晶体,应在HCl的气氛中加热蒸干,目的是抑制Mg2+的水解。
(4)金属镁不仅可置换酸中的氢,也可与水解呈酸性的盐溶液反应产生H2,如将Mg条置于NH4Cl溶液中可产生H2和NH3。
(5)MgO的熔点高,可作耐高温材料;MgCl2的熔点较MgO的熔点低,工业上电解熔融的MgCl2制取金属镁。
角度二　铜及其化合物的性质与制备
1.采用高压氢还原法可以从溶液中直接提取金属粉末。以黄铜矿(含CuFeS2、FeS2、少量的SiO2等)为原料制备铜粉的流程如图:
以下说法错误的是(　　)
A.废气成分中含SO2
B.沉铁时加入CuO的目的是调节pH
C.滤液中含有硫酸,可循环使用提高原料的利用率
D.还原时,增大溶液酸度有利于Cu的生成
D
解析 黄铜矿(含CuFeS2、FeS2、少量的SiO2等)在空气中灼烧,硫元素被氧化,故得到废气含二氧化硫,灼烧后固体加硫酸酸浸,得到的溶液中含Fe2+、Fe3+、Cu2+等,二氧化硅不反应,被过滤即为浸渣,滤液中加过氧化氢,将Fe2+转变为Fe3+,加氧化铜调pH使铁离子完全沉淀除去且不引入杂质离子,还原过程为高压氢气将Cu2+转变为Cu,反应为Cu2++H2===Cu+2H+。据分析,废气成分中含SO2,A项正确;铁离子水解生成氢氧化铁和H+,氧化铜能消耗H+促进铁离子水解,故沉铁时加入CuO的目的是调节pH以使铁离子沉淀完全,B项正确;还原过程将Cu2+转变为Cu,反应为Cu2++H2===Cu+2H+,则滤液中含有硫酸,硫酸可用于酸浸,故硫酸可循环使用提高原料的利用率,C项正确;从还原反应看,还原时生成硫酸和铜,增大溶液酸度,c(H+)增大,不利于H2失电子,因此不利于Cu的生成,D项错误。
2.CuSO4在电镀、印染、颜料、农药等方面应用广泛。某实验小组用28.8 g红色固体a(只含Cu或Cu2O中的一种)制备胆矾的路线如下:
下列推断正确的是(　　)
A.红色固体a可能是Cu
B.反应Ⅰ中参与反应的H2SO4的物质的量为0.2 mol
C.试剂X一般选择稀盐酸和稀硝酸的混合物
D.步骤Ⅲ一般在坩埚中加热并灼烧
B
解析 若红色固体a是铜,铜不与稀硫酸反应,步骤Ⅰ不能得到蓝色溶液,A项错误;Cu2O的物质的量为=0.2 mol,反应Ⅰ为Cu2O+H2SO4===Cu+CuSO4+H2O,则参与反应的H2SO4的物质的量为0.2 mol,故B项正确;如果用稀硝酸和稀盐酸的混合物溶解铜,会引入杂质,C项错误;在坩埚中加热并灼烧,会失去结晶水,得不到胆矾,D项错误。
3.碱式碳酸铜又名孔雀石,主要成分为Cu2(OH)2CO3,呈绿色,是一种具有广泛用途的化工产品。某化学小组探究制备碱式碳酸铜的反应条件并制备少量碱式碳酸铜。
试剂:0.25 mol·L-1 Na2CO3溶液、0.5 mol·L-1 NaOH溶液、0.5 mol·L-1Cu(NO3)2溶液各100 mL。
实验1:探究Cu(NO3)2与NaOH和Na2CO3溶液配比
取三种反应溶液,以表中的比例混合,在60 ℃条件下进行实验,并观察现象。
注:“+”越多表示沉淀的相对量越多。
实验2:探究反应温度
按上述实验得到的合适反应液用量,在不同温度下进行实验,并观察现象。
反应温度/ ℃ 沉淀数量 沉淀颜色
室温 ++++ 蓝色
40 ++++ 蓝色
60 + 浅绿色
75 ++ 绿色
80 +++ 绿色(少量黑色)
实验3:制备碱式碳酸铜
按最佳物料比取50 mL 0.5 mol·L-1Cu(NO3)2溶液、50 mL 0.5 mol·L-1NaOH溶液和相应体积的0.25 mol·L-1Na2CO3溶液,在最佳反应温度下进行实验,待反应完全后,静置、过滤、洗涤、干燥后,得到2.5 g产品。
请回答下列问题:
(1)本实验配制溶液时用到的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒以外还有　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)制备碱式碳酸铜时,Cu(NO3)2、NaOH和Na2CO3的最佳物质的量之比为　　　　　,最佳反应温度为　　　　　,本实验的加热方式为　　　　　　　　　　。
100 mL容量瓶、胶头滴管
2∶2∶1　
75 ℃
水浴加热
(3)请写出本实验制备碱式碳酸铜的化学方程式:
　。
(4)实验2中在80 ℃反应生成的沉淀中有少量黑色的物质,产生该物质的原因可能是 　。
(5)简述实验3中洗涤沉淀的操作:___________________________________
　。
(6)本实验的产率约为　　　　　%(保留三位有效数字)。
2NaOH+Na2CO3+2Cu(NO3)2===Cu2(OH)2CO3↓+4NaNO3
碱式碳酸铜受热分解生成黑色的氧化铜
向过滤器中加入蒸馏水没过沉淀,待蒸馏水自然流下后,重复操作2~3次
90.1
解析 (2)由实验1表格数据可知,当Cu(NO3)2、NaOH和Na2CO3溶液的体积均为2 mL时,生成的碱式碳酸铜最多,Cu(NO3)2、NaOH和Na2CO3溶液的浓度分别为0.5 mol·L-1、0.5 mol·L-1、0.25 mol·L-1,则制备碱式碳酸铜时,Cu(NO3)2、NaOH和Na2CO3的最佳物质的量之比为2∶2∶1;由实验2表格数据可知,当温度为75 ℃时,生成的碱式碳酸铜最多,则最佳反应温度为75 ℃,故本实验的加热方式为水浴加热。(6)由反应方程式可知,理论上生
知识点三　金属材料与金属冶炼
必备知识 全方位凝练
1.合金
(1)概念:合金是指两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。
(2)性能:合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能。
①熔点:一般比它的各成分金属的低。
②硬度和强度:一般比它的各成分金属的大。
名师点拨
(1)常温下,多数合金是固体,但钠钾合金是液体。
(2)合金的物理性质相比于成分金属有所改变,但合金中各成分金属的化学性质仍然不变。
2.常见金属材料
(1)分类
(2)常见的合金材料
3.金属矿物的开发和利用
(1)金属在自然界中的存在
(2)金属冶炼的一般步骤
(3)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:
+ne-===M。
(4)金属冶炼的方法
[练一练]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)合金中的金属元素都以化合态形式存在。(　　)
(2)合金材料中不可能含有非金属元素。(　　)
(3)镁铝合金的熔点比纯铝的低。(　　)
(4)人类历史上使用铝的时间比铁晚,原因是铝的冶炼成本高。(　　)
(5)电解氯化镁溶液制取金属镁。(　　)
×
×
√
×
×
2.下列说法正确的是(　　)
A.铝、铁、铜相比较,铜元素在自然界中的含量最低、铁元素含量最高
B.Al2O3、MgO可用作耐高温材料,二氧化硅是生产光纤制品的基本原料
C.工业上采用电解熔融态Al2O3、MgO的方法冶炼Al、Mg
D.用钨作灯丝是因为其易导电
B
关键能力 多维度提升
角度一　金属冶炼方法的选择
1.冶炼金属一般有下列四种方法:①焦炭法;②水煤气法;③活泼金属置换法;④电解法。四种方法在工业上均有应用,古代有:(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜;(Ⅱ)湿法炼铜。现代有:(Ⅲ)铝热法炼铬;(Ⅳ)从光卤石中炼镁。对它们的冶炼对应方法的分析不正确的是(　　)
A.(Ⅰ)—①　　　　　B.(Ⅱ)—②
C.(Ⅲ)—③ D.(Ⅳ)—④
B
解析 (Ⅰ)火烧孔雀石炼铜是采用焦炭法冶炼金属铜,对应方法①,故A正确;(Ⅱ)湿法炼铜是采用活泼金属置换法冶炼金属铜,对应方法③,故B错误;(Ⅲ)铝热反应是采用活泼金属置换法冶炼金属,对应方法③,故C正确;(Ⅳ)从光卤石中冶炼金属镁是采用电解熔融氯化镁的方法,对应方法④,故D正确。
2.下列有关说法正确的是(　　)
A.电解法只能制备金属单质
B.工业上铁的冶炼用电解法
C.电解法得到的金属可能含杂质
D.电解法可得到硬铝
C
解析 工业上用电解饱和食盐水制Cl2,A错误;工业上铁的冶炼用还原法,B错误;电解法不能得到硬铝,D错误。
名师点拨
(1)金属活动性顺序与冶炼方法的关系
(2)冶炼Mg时电解熔融MgCl2而不电解MgO,原因是MgO的熔点高,熔融时耗费更多能源,增加生产成本。
(3)冶炼Al时只能电解熔融Al2O3而不能电解AlCl3,原因是AlCl3是共价化合物,熔融态不导电;加入冰晶石(Na3AlF6)的目的是降低Al2O3的熔化温度。
角度二　合金的性质及应用
1.我国“蛟龙”号载人潜水器已成功下潜至海中7 062.68米处。“蛟龙”号载人潜水器的外壳是耐超高压的钛合金,下面有关合金的说法正确的是(　　)
A.钛合金是一种新型金属单质
B.钛合金熔点比钛金属高
C.钛合金的硬度与钛单质相同
D.青铜、合金钢和硬铝都是合金
D　
解析 合金含有两种或者两种以上元素,不是单质,故A错误;合金熔点一般比其组分中任一金属的熔点低,故B错误;合金硬度一般比其组分中任一金属的硬度大,故C错误;青铜、合金钢和硬铝都是合金,故D正确。
2.下列关于新型合金材料说法不正确的是(　　)
A.La-Ni合金能大量吸收H2形成金属氢化物,可作储氢材料
B.钛合金生物相容性好,强度大,可作人造骨骼
C.形状记忆合金可在使合金发生形变的作用力消失后恢复原状
D.利用合金的熔点低于成分金属这一特点可制得耐热合金
D　
解析 储氢材料是一类能可逆地吸收和释放氢气的材料,La-Ni合金能大量吸收H2形成金属氢化物,是目前解决氢气的储存和运输问题的材料,故A正确;钛合金与人体有很好的相容性,且性质稳定,抗腐蚀性强,所以可用来制造人造骨骼,故B正确;形状记忆合金可在使合金发生形变的作用力消失后恢复原状,故C正确;耐热合金的熔点很高,与合金的特性无关,故D错误。
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