（新課改省份專用）2020版高考化學一輪復習 第三章 第四節(jié) 金屬材料與礦物開發(fā)學案（含解析）.doc

第四節(jié)金屬材料與礦物開發(fā)考點(一)金屬材料與金屬礦物的開發(fā) 【精講精練快沖關】知能學通1合金(1)概念：合金是指兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。(2)特性：合金具有不同于各成分金屬的物理性能、化學性能或機械性能。熔點：一般比它的各成分金屬的低；硬度和強度：一般比它的各成分金屬的大。注意常溫下，多數(shù)合金是固體，但鈉鉀合金是液體。合金的物理性質(zhì)相比于成分金屬有所改變，但合金中各成分金屬的化學性質(zhì)仍然不變。2常見的金屬材料(1)金屬材料黑色金屬材料有色金屬材料鐵、鉻、錳以及它們的合金除黑色金屬以外的其他金屬及其合金(2)重要的黑色金屬材料鋼碳素鋼低碳鋼：韌性、焊接性好，強度低中碳鋼：強度高，韌性及加工性好高碳鋼：硬而脆，熱處理后彈性好合金鋼具有各種不同的優(yōu)良性能，用于制不銹鋼及各種特種鋼(3)幾種有色金屬材料鋁及鋁合金鋁性能：良好的延展性和導電性用途：制導線鋁合金性能：密度小、強度高、塑性好、易于成型、制造工藝簡單、成本低廉用途：主要用于建筑業(yè)、容器和包裝業(yè)、交通運輸業(yè)、電子行業(yè)等銅及銅合金銅性能：良好的導電性和導熱性用途：主要用于電器和電子工業(yè)、建筑業(yè)銅合金青銅是我國使用最早的合金，常見的還有黃銅和白銅3.金屬礦物的開發(fā)利用(1)金屬在自然界中的存在形式(2)金屬冶煉的實質(zhì)金屬冶煉的過程就是把金屬從化合態(tài)還原為游離態(tài)的過程，即：Mnne=M。(3)金屬冶煉的方法(用化學方程式表示)電解法Na：2NaCl(熔融)2NaCl2；Mg：MgCl2(熔融)MgCl2；Al：2Al2O3(熔融)4Al3O2。熱還原法高爐煉鐵：Fe2O33CO2Fe3CO2；鋁熱反應制鉻：2AlCr2O3Al2O32Cr；焦炭還原銅：C2CuO2CuCO2。熱分解法Hg：2HgO2HgO2；Ag：2Ag2O4AgO2。金屬活動性與冶煉方法的關系：注意冶煉Mg時只能電解MgCl2不能電解MgO，原因是MgO的熔點高，熔融時耗費更多能源，增加生產(chǎn)成本。冶煉Al時只能電解Al2O3不能電解AlCl3，原因是AlCl3是共價化合物，熔融態(tài)難導電。加入冰晶石(Na3AlF6)的目的是降低Al2O3的熔化溫度。用熱還原法得到的銅還要經(jīng)過電解精煉才能得到精銅。(4)鋁熱反應實驗裝置實驗現(xiàn)象鎂帶劇烈燃燒，放出一定的熱，并發(fā)出耀眼的白光，氧化鐵和鋁粉在較高溫度下發(fā)生劇烈的反應；紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中實驗結論高溫下，鋁與氧化鐵發(fā)生反應，放出大量的熱，反應的化學方程式為2AlFe2O32FeAl2O3原理應用制取熔點較高、活潑性弱于Al的金屬鉻、錳、鎢等；金屬焊接，如野外焊接鋼軌等題點練通1.(2019番禺區(qū)模擬)下列關于金屬及其合金的說法正確的是()A工業(yè)上用量最大的合金是鋁合金B(yǎng)古代出土的銅制品表面覆蓋著銅綠，其主要成分是CuOC裝修門窗使用的鋁合金材料硬度比鋁單質(zhì)小，熔點比鋁單質(zhì)低D生鐵和鋼都是合金，且鋼的含碳量比生鐵低解析：選D目前用途最廣、用量最大的合金是鋼，故A錯誤；銅綠的主要成分是堿式碳酸銅，不是氧化銅，故B錯誤；鋁合金材料的硬度比鋁大，熔點比鋁低，各種性能比純鋁優(yōu)越，故C錯誤；生鐵和鋼都是鐵的合金，主要通過含碳量的高低來區(qū)分，含量在0.21.7%的叫鋼，含量在1.7%以上的叫生鐵，故D正確。2.五金鐵中記載：“若造熟鐵，則生鐵流出時，相連數(shù)尺內(nèi)，低下數(shù)寸，筑一方塘，短墻抵之。其鐵流入塘內(nèi)，數(shù)人執(zhí)柳木排立墻上眾人柳棍疾攪，即時炒成熟鐵?！币韵抡f法不正確的是()A金屬冶煉方法由金屬活動性決定B熟鐵比生鐵質(zhì)地更硬，延展性稍差C炒鐵是為了降低鐵水中的碳含量D該法與近代往生鐵水吹空氣煉鋼異曲同工解析：選B活潑性不同的金屬，其冶煉方法不同，即金屬冶煉方法由金屬活動性決定，故A正確；熟鐵比生鐵質(zhì)地更軟，且延展性好，故B錯誤；炒鐵過程中降低了鐵水中的碳含量，從而將生鐵轉化成熟鐵，故C正確；該冶煉方法和近代往生鐵水吹空氣煉鋼，都是利用空氣中氧氣氧化C元素，其原理基本相同，故D正確。3.利用如圖裝置做鋁熱反應實驗，下列說法不正確的是()A該反應的化學方程式是2AlFe2O32FeAl2O3B該反應會產(chǎn)生高溫，發(fā)出強光C根據(jù)鋁熱反應的原理，可以冶煉某些金屬D若反應中轉移3 mol電子，消耗氧化劑的物質(zhì)的量是 1 mol解析：選DA項，鋁是活潑金屬，高溫條件下可置換出氧化鐵中的鐵，正確；B項，鋁熱反應放出大量的熱，產(chǎn)生高溫、發(fā)出強光，正確；C項，高熔點的金屬可采用鋁熱法冶煉，正確；D項，鐵元素的化合價從3價降低到0價，因此1 mol Fe2O3在反應中得到6 mol電子，則若反應中轉移3 mol電子，消耗氧化劑的物質(zhì)的量是0.5 mol，錯誤。4(2019田家庵區(qū)模擬)下列有關金屬的工業(yè)制法中不正確的是()A制鈉：用海水為原料制得精鹽，再電解純凈的NaCl溶液B制鎂：用海水為原料，經(jīng)一系列過程制得氯化鎂固體，電解熔融的氯化鎂得鎂C制鐵：以鐵礦石為原料，CO還原得鐵D制鋁：從鋁土礦中獲得氧化鋁，提純后電解熔融的氧化鋁得到鋁解析：選A鈉性質(zhì)活潑，用電解熔融的氯化鈉方法制取，電解氯化鈉溶液不能得到金屬鈉，故A錯誤；鎂性質(zhì)活潑，用電解熔融的氯化鎂的方法制取，故B正確；鐵性質(zhì)較活潑，用熱還原反應制取，故C正確；氯化鋁為共價化合物，熔融狀態(tài)不能電離，鋁性質(zhì)活潑，工業(yè)上用電解氧化鋁的方法制取，故D正確。(1)選擇金屬冶煉的方法要依據(jù)金屬在自然界中的存在形態(tài)和金屬的活動性。金屬活動性順序中，金屬的位置越靠后，越容易被還原；金屬的位置越靠前，越難被還原。(2)化學性質(zhì)很穩(wěn)定的金屬如Au、Pt等，在自然界中呈游離態(tài)，用物理方法即可得到。(3)有些活動性很強的金屬也可以用還原法來冶煉，如NaKClKNaCl、2RbClMgMgCl22Rb等，在此主要運用了化學平衡移動原理，利用K、Rb沸點低，汽化離開反應體系，使化學平衡得以向正反應方向移動。 考點(二)生產(chǎn)、生活中的化學工藝 【多角探明無盲點】將化工生產(chǎn)中的生產(chǎn)流程用框圖形式表示出來，并根據(jù)生產(chǎn)流程中有關的化學知識進行設問，是最近幾年的高考?？嫉念}型。通常以含金屬元素（Fe、Cu、Ti、Cr、Mn、W、V、Co等）的陌生物質(zhì)為載體，考查物質(zhì)的制備和分離提純等基本實驗原理及操作、陌生化學方程式的書寫、產(chǎn)品純度或產(chǎn)率的化學計算、化工生產(chǎn)適宜條件的選擇等。這類試題具有較強的實用性和綜合性，充分考查考生分析問題和解決問題的能力。其工藝流程見圖。1.原料處理階段的常見考查點(1)加快反應速率。(2)溶解：通常用酸溶。如用稀硫酸、鹽酸、濃硫酸等。(3)灼燒、焙燒、煅燒：改變結構，使一些物質(zhì)能溶解，并使一些雜質(zhì)高溫下氧化、分解。2分離提純階段的常見考查點(1)調(diào)pH除雜控制溶液的酸堿性使其中的某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。如若要除去Al3、Mn2溶液中含有的Fe2，先用氧化劑把Fe2氧化為Fe3，再調(diào)溶液的pH。調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)一般應滿足兩點：能與H反應，使溶液pH增大；不引入新雜質(zhì)。例如：若要除去Cu2溶液中混有的Fe3，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物質(zhì)來調(diào)節(jié)溶液的pH。(2)加熱：加快反應速率或促進平衡向某個方向移動。如果在制備過程中出現(xiàn)一些受熱易分解的物質(zhì)或產(chǎn)物，則要注意對溫度的控制。如侯氏制堿法中的NaHCO3；還有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(濃)等物質(zhì)。(3)降溫：防止某物質(zhì)在高溫時會溶解(或分解)；使化學平衡向著題目要求的方向移動。3獲得產(chǎn)品階段的常見考查點(1)洗滌(冰水、熱水)：如乙醇洗滌既可洗去晶體表面的雜質(zhì)，又可減少晶體溶解的損耗。(2)蒸發(fā)時的氣體氛圍抑制水解：如從溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶質(zhì)時，應在HCl的氣流中加熱，以防其水解。(3)蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若將混合溶液加熱蒸發(fā)后再降溫，則析出的固體主要是K2Cr2O7，這樣就可分離出大部分K2Cr2O7；同樣原理可除去KNO3中的少量NaCl。(4)蒸發(fā)結晶、趁熱過濾：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若將混合溶液蒸發(fā)一段時間，析出的固體主要是NaCl，同樣原理可除去NaCl中的少量KNO3。典例1(2017全國卷)重鉻酸鉀是一種重要的化工原料，一般由鉻鐵礦制備，鉻鐵礦的主要成分為FeOCr2O3，還含有硅、鋁等雜質(zhì)。制備流程如圖所示：回答下列問題：(1)步驟的主要反應：FeOCr2O3Na2CO3NaNO3Na2CrO4Fe2O3CO2NaNO2上述反應配平后FeOCr2O3與NaNO3的系數(shù)比為_。該步驟不能使用陶瓷容器，原因是_。(2)濾渣1中含量最多的金屬元素是_，濾渣2的主要成分是_及含硅雜質(zhì)。(3)步驟調(diào)濾液2的pH使之變_(填“大”或“小”)，原因是_(用離子方程式表示)。(4)有關物質(zhì)的溶解度如圖所示。向“濾液3”中加入適量KCl，蒸發(fā)濃縮，冷卻結晶，過濾得到K2Cr2O7固體。冷卻到_(填標號)得到的K2Cr2O7固體產(chǎn)品最多。a80 b60 c40 d10 步驟的反應類型是_。(5)某工廠用m1 kg鉻鐵礦粉(含Cr2O3 40%)制備K2Cr2O7，最終得到產(chǎn)品m2 kg，產(chǎn)率為_。解題流程第一步：化整為零流程分段明目的第二步：找破題點細審每段抓關鍵第三步：析題解題前后關照慎推理(1)1 mol FeOCr2O3參與反應共失去7 mol電子，而1 mol NaNO3 參與反應得到2 mol電子，根據(jù)得失電子守恒，二者的系數(shù)比為27。由于高溫下碳酸鈉能與陶瓷中的二氧化硅發(fā)生反應，所以該步驟不能使用陶瓷容器。(2)步驟中生成的氧化鐵因不溶于水而進入濾渣1，所以濾渣1中含量最多的金屬元素是Fe。結合流程圖可知，濾渣2的主要成分是Al(OH)3及含硅雜質(zhì)。(3)濾液2中存在平衡：2CrO2HCr2OH2O，H濃度越大(pH越小)，越有利于平衡正向移動，所以步驟應調(diào)節(jié)濾液2的pH使之變小。(4)根據(jù)題圖，可知溫度越低，K2Cr2O7的溶解度越小，析出的K2Cr2O7固體越多，即在10 左右時得到的K2Cr2O7固體最多。故d項正確。步驟中發(fā)生的反應為Na2Cr2O72KCl=K2Cr2O72NaCl，其屬于復分解反應。(5)該鉻鐵礦粉中Cr2O3的物質(zhì)的量為，根據(jù)Cr元素守恒可求得K2Cr2O7的理論質(zhì)量m0294 gmol1103 kgg1 kg，所以產(chǎn)品的產(chǎn)率為100%100%。答案(1)27陶瓷在高溫下會與Na2CO3反應(2)FeAl(OH)3(3)小2CrO2HCr2OH2O(4)d復分解反應(5)100%對點練1硒(Se)及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有許多用途，以銅陽極泥(主要成分為Ag2Se、Cu2Se和銀、金、鉑等)為原料制備純硒的工藝流程如圖所示：回答下列問題：(1)“焙燒”時的硫酸濃度最好為_(填標號)。A濃硫酸B20%硫酸C50%硫酸(2)“焙燒”過程中Cu2Se參與反應時，該反應的氧化產(chǎn)物是_。(3)“水吸收”所發(fā)生反應的化學方程式為_。(4)“過濾”所得粗硒可采用真空蒸餾的方法進行提純，獲得純硒。真空蒸餾的揮發(fā)物中硒含量與溫度的關系如圖所示：蒸餾操作中控制的最佳溫度是_(填標號)。A455 B462 C475 D515 (5)“水浸出”中的爐渣需粉碎，且加入溫水進行浸泡，目的是_，“浸渣”中含有的金屬單質(zhì)是_。(6)若“浸出液”中c(Ag)3.0102 molL1，則溶液中c(SO)最大為_。已知：Ksp(Ag2SO4)1.4105，計算結果保留2位有效數(shù)字解析：(1)根據(jù)銅陽極泥的主要成分知，加硫酸并焙燒的產(chǎn)物有SeO2、SO2、CuSO4、Ag2SO4等 ，Se元素由2價升為4價，S元素由6價變?yōu)?價，說明焙燒時發(fā)生氧化還原反應，硫酸除了作酸外，還作氧化劑，因此選用濃硫酸。(2)Cu2Se與濃硫酸反應生成CuSO4、SeO2、SO2與H2O，該反應中Cu、Se元素化合價升高，因此該反應的氧化產(chǎn)物是CuSO4、SeO2。(3)“水吸收”時，SeO2轉化為Se，Se元素的化合價降低，則S元素的化合價升高，SO2轉化為H2SO4，配平該化學方程式為SeO22SO22H2O=2H2SO4Se。(4)由題圖可知，在475 時，真空蒸餾的揮發(fā)物中硒含量最大，故最好選擇475 。(5)“水浸出”中的爐渣需粉碎，且加入溫水進行浸泡，目的是加快浸出速率，“浸渣”中含有與濃硫酸不反應的Au、Pt。(6)根據(jù)Ksp(Ag2SO4)c2(Ag)c(SO)，“浸出液”中c(SO) molL11.6102 molL1。答案：(1)A(2)CuSO4、SeO2(3)SeO22SO22H2O=2H2SO4Se(4)C(5)加快浸出速率金、鉑(或Au、Pt)(6)1.6102 molL11.物質(zhì)分離提純的原則(1)不增：不引入新的雜質(zhì)。(2)不減：不減少被提純的物質(zhì)。(3)易分離：被提純物與雜質(zhì)易于分離。(4)易復原：被提純的物質(zhì)易恢復原來的組成、狀態(tài)。2常用的提純方法水溶法除去可溶性雜質(zhì)酸溶法除去堿性雜質(zhì)堿溶法除去酸性雜質(zhì)氧化劑或還原劑法除去還原性或氧化性雜質(zhì)加熱灼燒法除去受熱易分解或易揮發(fā)的雜質(zhì)調(diào)節(jié)溶液的pH法如除去酸性Cu2溶液中的Fe3等3.常用的分離方法過濾分離難溶物和易溶物，根據(jù)特殊需要采用趁熱過濾或者抽濾等方法萃取和分液利用溶質(zhì)在互不相溶的溶劑里的溶解度不同提取分離物質(zhì)，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴蒸發(fā)結晶提取溶解度隨溫度變化不大的溶質(zhì)，如NaCl冷卻結晶提取溶解度隨溫度變化較大的溶質(zhì)、易水解的溶質(zhì)或結晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO45H2O、FeSO47H2O等蒸餾或分餾分離沸點不同且互溶的液體混合物，如分離乙醇和甘油冷卻法利用氣體液化的特點分離氣體，如合成氨工業(yè)采用冷卻法分離平衡混合氣體中的氨氣典例2(2016全國卷)以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生產(chǎn)硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為：物質(zhì)V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3質(zhì)量分數(shù)/%2.22.92.83.122286065121以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線：回答下列問題：(1)“酸浸”時V2O5轉化為VO，反應的離子方程式為_，同時V2O4轉化成VO2?！皬U渣1”的主要成分是_。(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2變?yōu)閂O，則需要氧化劑KClO3至少為_ mol。(3)“中和”作用之一是使釩以V4O形式存在于溶液中?！皬U渣2”中含有_。(4)“離子交換”和“洗脫”可簡單表示為4ROHV4OR4V4O124OH(ROH為強堿性陰離子交換樹脂)。為了提高洗脫效率，淋洗液應該呈_性(填“酸”“堿”或“中”)。(5)“流出液”中陽離子最多的是_。(6)“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀，寫出“煅燒”中發(fā)生反應的化學方程式_。解題流程第一步：化整為零流程分段明目的第二步：找破題點細審每段抓關鍵第三步：析題解題前后關照慎推理(1)“酸浸”時V2O5轉化為VO，V2O5、VO中V元素均顯5價，V元素化合價不變，則該反應是非氧化還原反應，結合溶液的酸堿性及元素守恒寫出離子方程式：V2O52H=2VOH2O。廢釩催化劑中除SiO2外，其余物質(zhì)均與稀硫酸反應生成易溶于水的鹽，則“廢渣1”的主要成分是二氧化硅。(2)“氧化”中使3 mol的VO2變?yōu)閂O，轉移電子的物質(zhì)的量為3 mol(54)3 mol；氧化劑KClO3被還原為KCl，Cl元素由5價降低到1價，根據(jù)電子守恒可知，需要KClO3的物質(zhì)的量至少0.5 mol。(3)由圖可知，加入KOH中和后產(chǎn)生廢渣2，而“中和”作用之一是使釩以V4O形式存在于溶液中，后續(xù)操作中未進行除雜操作，顯然該過程中還生成Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀，從而除去Fe3、Al3，故“廢渣2”中含有Fe(OH)3和Al(OH)3。(4)“離子交換”和“洗脫”可簡單表示為4ROHV4OR4V4O124OH(ROH為強堿性陰離子交換樹脂)。為了提高洗脫效率，應增加溶液中c(OH)，使平衡逆向移動，故淋洗液應該呈堿性。(5)“氧化”和“中和”操作中分別加入KClO3、KOH，而“離子交換”過程中，消耗V4O同時生成OH，而陽離子未參與離子交換，故“流出液”中陽離子最多的是K。(6)“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀，“煅燒”過程中生成V2O5，考慮銨鹽的不穩(wěn)定性，還應生成NH3和H2O，結合元素守恒寫出化學方程式：2NH4VO3V2O5H2O2NH3。答案(1)V2O52H=2VOH2OSiO2(2)0.5(3)Fe(OH)3和Al(OH)3(4)堿(5)K(6)2NH4VO3V2O5H2O2NH3對點練2平板電視顯示屏生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢玻璃(含SiO2、Fe2O3、CeO2、FeO等物質(zhì))。某小組以此廢玻璃為原料，設計如圖工藝流程對資源進行回收，得到Ce(OH)4。已知：CeO2不溶于強酸或強堿；Ce3易水解，酸性條件下，Ce4有強氧化性。(1)廢玻璃在NaOH溶液浸洗前往往要進行的操作是_，反應的離子方程式是_。(2)反應的離子方程式是_。(3)為了得到較純的Ce3溶液，反應之前要進行的操作是_。(4)反應需要加入的試劑X可以是_。(5)用滴定法測定制得的Ce(OH)4產(chǎn)品純度。用FeSO4溶液滴定選_作指示劑，滴定終點的現(xiàn)象是_；若所用FeSO4溶液在空氣中露置一段時間后再進行滴定，則測得該Ce(OH)4產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)_(填“偏大”“偏小”或“無影響”)。解析：(1)為了提高浸洗效率，廢玻璃在NaOH溶液浸洗前要進行粉碎。廢玻璃中只有SiO2能與NaOH溶液反應，離子方程式為SiO22OH=SiOH2O。(2)根據(jù)提供的信息及流程圖，可知濾渣B為CeO2，酸性條件下CeO2與H2O2發(fā)生氧化還原反應：2CeO2H2O26H=2Ce3O24H2O。(3)為了得到較純凈的Ce3溶液，反應之前要對濾渣B進行洗滌。(4)反應是將Ce(OH)3氧化為Ce(OH)4，為了不引起雜質(zhì)，加入的試劑X可以是O2。(5)K3Fe(CN)6能與Fe2反應得到藍色沉淀，用FeSO4溶液滴定 ，可以選K3Fe(CN)6溶液作指示劑，滴定終點的現(xiàn)象為滴入最后一滴溶液時，生成藍色沉淀，且振蕩也不再消失。若所用FeSO4溶液在空氣中露置一段時間，則部分Fe2會被空氣中的氧氣氧化為Fe3，消耗的FeSO4溶液的體積偏大，測定結果偏大。答案：(1)粉碎SiO22OH=SiOH2O(2)2CeO2H2O26H=2Ce3O24H2O(3)洗滌(4)O2(5)K3Fe(CN)6滴入最后一滴溶液時，生成藍色沉淀，且振蕩也不再消失偏大