8讲金属材料与金属矿物利用

一、铜及其化合物

铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一。铜元素在元素周期表中位于第四周期第ⅠB族，原子结构示意图为：

。铜是硬度较小的紫红色金属，具有良好的延展性、导电性和导热性。铜在电气和电子工业中主要用于制造电线、通讯电缆等。这方面应用占铜的工业总用量的一半左右，半导体器件中的硅芯片上用铜代替铝线；建筑业上用铜制造水管及其它排水设施，具有独特的杀菌功能，抑制细菌生长。

1．铜及其化合物的颜色

例题1、下列说法正确的是。

①铜绿的主要成分是碱式碳酸铜，可用稀盐酸除铜器表面的铜绿

②除去Cu粉中混有CuO的方法是加入稀硝酸溶解、过滤、洗涤、干燥

③将铜粉加入10mol·L－1Fe2(SO4)3溶液中，现象是溶液变蓝，有黑色固体出现

④铁比铜活泼，铆在铜板上的铁钉在潮湿空气中不易生锈

⑤氧化铜可作为制造玻璃、搪瓷的红色颜料

⑥硫酸铜溶液可用作游泳池的消毒剂

⑦为了避免青铜器生成铜绿，在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜

⑧1molCu和足量热浓硫酸反应可生成NA个SO3分子

二、合金与金属冶炼

1．合金及新材料

（1）合金概念：两种或两种以上金属(或金属与非金属)熔化而成的具有金属特性的物质叫合金(合金为混合物)。如：钢铁为铁碳合金。

（2）合金特性：合金比它的成分金属具有良好的物理和化学等多方面性能。如合金的熔点一般比它的成分金属熔点低，合金适宜铸造；又如硬铝合金的强度和硬度都比纯铝大，几乎相当钢材，且密度小。

（3）钛合金：金属钛是一种新型的结构材料。钛的密度为g·cm-3，比钢轻，可是，钛的机械性能与钢相似。钛恰好兼有钢和铝的优点。液体钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。将钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛的表面容易形成致密的、钝性的氧化物保护膜，使得钛具有优良的抗腐蚀性，特别是对海水的抗腐蚀性很强。由于金属钛具有优良的性能，在国防和高能技术中，钛占有重点地位，在航海和航空制造业中得到广泛的应用。

2．金属的冶炼

(1)从矿石中提取金属的一般步骤有三步：①矿石的富集：除去杂质，提高矿石中有用成分的含量；②冶炼：利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原剂将金属矿石中的金属离子还原成金属单质；⑧精炼：采用一定的方法，提炼纯金属。

(2)冶炼金属的实质：用还原的方法，使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子

(3)金属冶炼的一般方法：

①加热法:适用于冶炼在金属活动顺序表中，位于氢之后的金属(如Hg、Ag等)。

④湿法冶金(又叫水法冶金)：利用在溶液中发生的化学反应(如置换、氧化还原、中和、水解等)，对原料中的金属进行提取和分离的冶金过程．湿法冶金可用于提取Zn、U(铀)及稀土金属等。

3．金属的回收：地球上的金属矿产资源是有限的，而且是不能再生的。随着人们的不断开发利用，矿产资源将会日渐减少。金属制品在使用过程中会被腐蚀或损坏，同时由于生产的发展，新的产品要不断替代旧的产品，因而每年就有大量废旧金属产生。废旧金属是一种固体废弃物，会污染环境。要解决以上两个问题，最好的方法是把废旧金属作为一种资源，加以回收利用。这样做，既减少了垃圾量，防止污染环境，又缓解了资源短缺的矛盾。回收的废旧金属，大部分可以重新制成金属或它们的化合物再用。

例题2、下列说法正确的是。

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工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气

④钒、铬、锰、铁等难熔金属通常采用铝热法炼制

⑤合金的性质与其成分金属的性质不完全相同

⑥由铁矿石炼成铁是化学变化，由生铁炼成钢是物理变化

⑦工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al不涉及氧化还原反应

⑧金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子

⑨在人类对金属材料的使用过程中，性质活泼的金属单质最早被人们冶炼和使用

⑩单质铝在空气中比较耐腐蚀，所以铝是不活泼金属

FeO投入稀H2SO4和稀HNO3中均得到浅绿色溶液

向一定量的Cu、Fe2O3的混合物中加入mL1mol·L－1的盐酸，恰好使混合物完全溶解，所得溶液中不含Fe3＋。若用过量的CO在高温下还原相同质量的原混合物，固体减少的质量为24g

（1）不同冶炼方法有不同的特点，如用气态物质还原时，气体与矿石充分接触，反应速率快，无残留，得到的金属纯度高；电解冶炼需消耗大量的电能；铝热反应适用于高熔点金属的冶炼。

（2）当一种金属可用多种方法冶炼时，工业上一般采用经济效率高的方法。即热分解法优于焦炭还原法，焦炭还原法优于铝热还原法，铝热还原法优于电解法。从环保角度考虑，H2还原法又优于C、CO还原法。

（3）用还原剂还原法制得的金属一般含有较多的有害杂质，如含其它金属或非金属。为了满足金属的多种用途，除去金属中的有害杂质是必要的。低沸点金属(如锌和汞)可以用蒸馏法与较不易挥发的有害杂质分离而达到提纯；电解法精炼金属是使用最广泛的金属精炼法，铜、银、金、铅等都可以用这种方法精炼。

1．年江西南昌“海昏侯墓”出土了一件青铜白酒蒸馏器。下列说法不正确的是（）

A．在实验室进行蒸馏时，必须使用圆底烧瓶、直形冷凝管、酒精灯、锥形瓶等仪器

B．我国古代人民常用明水矾除去铜器表面的铜绿（铜锈）

C．青铜文物和铁质文物在潮湿的土壤环境中容易发生电化学腐蚀

D．与火法冶铜（以Cu2S为原料）相比，采用湿法冶铜（以CuSO4为原料）的优点是减少了环境污染和能源的消耗

2．下列有关金属的工业制法中，正确的是

A．制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液

B．制铁：以铁矿石为原料，CO还原得铁

C．制镁：用海水为原料，经一系列过程制得氧化镁固体，H2还原得镁

D．制铝：从铝土矿中获得氧化铝再得到氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝

3．A、B、C、D、E分别是Cu、Ag、Fe、Al、Mg五种金属中的一种。已知：（1）将A、C用导线相连后放入稀H2SO4中，C的表面有气泡产生；（2）将B放入D的硝酸盐中，B的表面析出单质D；（3）将C、E放入冷浓硫酸中，均无明显现象，由此可以推断五种金属A、B、C、D、E依次可能为

A．Fe、Cu、Al、Ag、MgB．Mg、Cu、Al、Ag、Fe

C．Al、Cu、Mg、Ag、FeD．Mg、Ag、Al、Cu、Fe

4．类推的思维方法在化学学习与研究中有时会产生错误结论，因此类推的结论最终要经过实践的检验，才能决定其正确与否，下列几种类推结论中，错误的是（）

①钠与水反应生成NaOH和H2；所有金属与水反应都生成碱和H2

②铁露置在空气中一段时间后就会生锈；性质更活泼的铝不能稳定存在于空气中

③化合物KC1的焰色为紫色；K2CO3的焰色也为紫色

④生铁比纯铁的熔点低；钠钾合金的熔点也应介于Na和K熔点之间

A．①②B．①④C．①②③④D．①②④

5．《证类本草》中记载：“鸡屎矾(碱式碳酸铜)不入药用,惟堪镀作,以合熟铜；投苦酒(醋)中，涂铁皆作铜色，外虽铜色，内质不变。”下列关于该描述的说法正确的是

A．“不入药用”的主要原因是鸡屎矾溶于胃酸，产生重金属离子Cu2＋

B．“惟堪镀作，以合熟铜”指的是电镀铜技术

C．“投苦酒(醋)中，涂铁皆作铜色”涉及两个化学反应且都为氧化还原反应

D．“外虽铜色，内质不变”描述的是铁和铜的钝化过程

6．银铜合金广泛应用于航空工业。从银铜合金的切割废料中回收银和制备CuAlO2的流程

如下。

10．CuSO4是一种重要的化工原料，其有关制备途径及性质如图所示。下列说法不正确的是

②E中有明显现象，该现象是___，写出发生反应的离子方程式___。

（5）当D中铜粉完全反应时冷却至室温，停止A中反应，测得反应后D中固体粉末质量为ag，

①当a=___(用含m的代数式表示)时，铜被氧化的产物全部是CuO；

②设计最简单的实验方案，验证反应后D中固体是否含有Cu2O___（试剂选任）

14．某校化学小组同学研究Cu与H2SO4溶液反应，小伟同学实验记录如下：

(1)实验一：探究白雾的成分

①波波同学收集实验Ⅰ中白雾，加入品红溶液，溶液褪色，得出结论：白雾成分包含SO2。可能是因为局部温度过高产生，写出有关化学方程式________。

②艳艳同学认为不妥，补充实验Ⅲ：

根据实验Ⅲ，可推断白雾成分是______，而并非SO2。

(2)实验二：探究红色固体的成分。经过分析，实验Ⅰ和实验Ⅱ中的红色浑浊成分相同。

（资料）Cu2O能溶在浓氨水中形成无色Cu(NH3)2+，很容易被氧气氧化为蓝色Cu(NH3)22+；Cu2O能与一定浓度的酸溶液发生反应：Cu2O+2H+=Cu2++Cu+H2O。

①写出Cu2O溶在浓氨水中的离子方程式_______。

②对于红色浑浊的成分，谷哥设计实验并实施，证实了红色固体中只有Cu2O。他的实验是：将实验Ⅰ试管中固体过滤洗涤，得红色固体，__________。

③结合实验Ⅰ和Ⅱ，吉吉同学确定铜丝烧至红热时生成了______。

(3)实验三：探究红色固体不溶的原因。经过检验，实验Ⅰ和实验Ⅱ反应后的溶液均显酸性，对于体系中有Cu2O固体的原因：

龙校假设：在实验条件下，随着溶液酸性降低，Cu2O与酸无法反应。

乔博假设：在实验条件下，随着溶液酸性降低，Cu2O与酸反应速率变小。

邹邹同学继续实验：

①实验Ⅴ的目的是______。

②通过以上实验，臧臧同学得出的结论是______。

15．某工厂的固体废渣中主要含Cu和CuO，还含有少量Cu2O和SiO2等。利用该固体废渣制取Cu(NO3)2的部分工艺流程如图所示：

（1）Cu与稀硝酸反应的离子方程式为___。

（2）酸溶时，反应温度不宜超过70℃，其主要原因是___，若保持反应温度为70℃，欲加快反应速率可采取的措施为___（写出一种即可）。

（3）过滤后所得废渣的主要成分的化学式为___。

（4）Cu(NO3)2晶体受热易分解成CuO，同时产生NO2和O2，该反应的化学方程式为___，由Cu(NO3)2溶液制备Cu(NO3)2晶体的操作方法是：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、___、___。

16．氧化亚铜(Cu2O)是一种用途广泛的光电材料，某工厂以硫化铜矿石(含CuFeS2、Cu2S等)为原料制取Cu2O的工艺流程如下：

常温下几种物质开始形成沉淀与完全沉淀时的pH如下表：

(1)炉气中的有害气体成分是________，Cu2S与O2反应时，氧化剂与还原剂的物质的量之比为______。

(2)试剂X是H2O2溶液，当试剂X是___________时，更有利于降低生产成本。

(3)加入试剂Y调pH时，pH的调控范围是________。

(4)“还原”步骤中为提高N2H4转化率可采取的措施有_________(填序号)。

a．不断搅拌，使N2H4和溶液充分接触b．增大通入N2H4的流速

c．减少KOH的进入量d．减小通入N2H4的流速

(5)写出用N2H4制备Cu2O的化学方程式为_______________

(6)操作X包括烘干，其中烘干时要隔绝空气，其目的是____________。

参考答案

例题1、①⑥⑦⑨

铜绿主要成分是Cu2(OH)2CO3，可视为Cu(OH)2·CuCO3，所以铜绿能和盐酸反应，①正确；铜与稀硝酸会反应，应该用稀盐酸，②错误；Cu与硫酸铁发生氧化还原反应，生成硫酸铜和硫酸亚铁，无黑色固体出现，③错误；铁铜在潮湿的空气中能组成原电池，发生电化学腐蚀，铁做负极被腐蚀，④错误；氧化铜是黑色物质，不能作为红色颜料，⑤错误；因为Cu2＋是重金属离子，可使蛋白质变性，有杀菌能力，故能作游泳池的消毒剂，⑥正确；铜绿是生活中常见现象，反应原理为2Cu+O2+CO2+H2O==Cu2CO3(OH)2，故青铜器应保存在干燥的环境中或表面覆盖一层防渗的高分子膜防止被腐蚀，⑦正确；Cu和足量热浓硫酸反应生成的是SO2，不是SO3，⑧错误；若CuFeS2中Fe的化合价为+2,则Cu化合价为+2,S化合价为-2，分析化学方程式两边元素化合价的变化可知，化合价降低的元素被还原，有Cu和O元素，⑨正确；过量浓氨水反应产生[Cu(NH3)4]2+，⑩错误；Cu2＋水解，加热CuCl2溶液不能得到CuCl2固体，错误；

金属离子中的中间价态离子，比如Fe2＋，既有氧化性又有还原性，①错误；常温下金属汞呈液态，②错误；电解NaCl溶液生成NaOH、H2和Cl2，而得不到单质钠，③错误；铁用CO还原法炼制，用铝热反应成本太高，④错误；合金的熔点比它的各成分金属的熔点都低，⑤正确；铁矿石炼铁和生铁炼钢都是化学变化，⑥错误；电解熔融Al2O3制取Al的反应为2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑，该反应属于氧化还原反应，⑦错误；金属冶炼就是把金属阳离子还原为金属原子，越活泼的金属，其阳离子的氧化性越弱，越难被还原，⑧正确；性质活泼的金属很难以游离态存在，一般被人们发现使用得较晚，⑨错误；单质铝不易被腐蚀，是因为其与氧气反应在其表面形成致密的氧化膜，保护内部金属不被腐蚀，⑩错误。

1．AA．实验室进行蒸馏时，须使用蒸馏烧瓶、温度计、直形冷凝管、酒精灯、羊角管、锥形瓶等仪器，A选项错误；

B．明矾中含有铝离子，铝离子水解使溶液显酸性，Cu(OH)2CO3能与酸性溶液反应，所以可用明水矾除去铜器表面的铜绿(铜锈)，B选项正确；

C．青铜文物和铁质文物，在潮湿环境中易形成原电池发生电化学腐蚀，腐蚀速率更快，C选项正确；

D．火法冶铜(以Cu2S为原料)会产生SO2，对环境造成污染，同时高温条件下耗能较高，而湿法冶铜(以CuSO4为原料)采用电化学原理，相比火法冶铜减少了环境污染和能源的消耗，D选项正确；

答案选A。

2．BA．电解氯化钠溶液生成氢氧化钠、氢气、氯气，电解熔融的氯化钠可生成金属钠和氯气，故A错误；

B．CO还原氧化铁可以生成铁和二氧化碳，故B正确；

C．用海水为原料，经一系列过程制得氢氧化镁固体，氢氧化镁与盐酸反应生成氯化镁，电解熔融的氯化镁生成镁和氯气，故C错误；

D．从铝土矿中获得氧化铝，电解熔融的氧化铝得到铝和氧气，故D错误；

答案选B。

3．B(1)将A、C用导线相连后放入稀H2SO4中，C的表面有气泡产生，说明C电极上氢离子被还原成氢气，为正极，所以A比C活泼，且A为Fe、Al、Mg三者之一，且C不可能是Mg；

(2)将B放入D的硝酸盐中，B的表面析出单质D，说明B比D活泼；

(3)将C、E放入冷浓硫酸中，均无明显现象，有两种可能，一种是发生钝化，如Al和Fe，一种是不反应，如Cu和Ag，C、E为Cu、Fe、Al、Ag中的两种；

A．根据分析可知E不可能是Mg元素，且A比C活泼，而Fe不如Al活泼，故A错误；

B．A为Mg，可以和稀硫酸反应，与C(Al)和稀硫酸形成原电池时Al为负极，产生气泡；B为Cu比D(Ag)活泼；C(Al)和E(Fe)在浓硫酸中钝化，故B符合题意；

C．五种元素中最活泼的金属为Mg，而A比C活泼，且根据(3)也可知C不可能是Mg，故C错误；

D．根据分析可知B比D活泼，而Ag不如Cu活泼，故D错误；

故答案为B。

4．D①钠是活泼金属，与水反应生成NaOH和H2，但铁需要在高温下与水蒸气反应生成Fe3O4和H2，所以①错误；

②铁因含有杂质，露置在空气中由于发生电化学反应而生锈，但性质更活泼的铝由于易被氧化，在表面形成致密的氧化膜而得到保护，所以铝具有较好的抗腐蚀能力，可稳定存在于空气中，即②错误；

③焰色反应是用来检验某些金属元素的，所以只要含有钾元素，焰色都是紫色的，即③正确；

④合金的熔点比构成合金的成分金属熔点都低，钠钾合金的熔点也比钠和钾的低，所以④错误；

错误的为①②④；答案选D。

5．AA“不入药用”的主要原因是鸡屎矾溶于胃酸，产生重金属离子Cu2＋，能使蛋白质变性，故A正确；

B“惟堪镀作，以合熟铜”指的活泼金属置换出铜，故B错误；

C“投苦酒(醋)中，涂铁皆作铜色”涉及两个化学反应，其中，发生盐与醋酸的复分解反应，无元素的化合价变化，为非氧化还原反应，故C错误；

D“外虽铜色，内质不变”描述的是铁和铜的置换过程，铜覆盖在铁上面，故D错误；

故选A。

6．BA电解精炼时，粗银做阳极、纯银做阴极、电解液选可溶性银盐，阳极上银及比它活泼的金属溶解，阴极上电解液中银离子得到电子被还原析出银，A正确；

B流程中硫酸铜溶液中加硫酸铝和稀NaOH、未煮沸之前得Cu(OH)2和Al(OH)3，根据Al(OH)3和Cu(OH)2开始分解的温度分别为℃和80℃可知B为Al(OH)3和CuO在生成固体B的过程中，需控制NaOH的加入量，若NaOH过量，则因过量引起的反应为：Al(OH)3＋OH－=AlO2-＋2H2O,B错误；　

8．D浸取时发生CuFeS2+3CuCl2=4CuCl+FeCl2+2S，过滤分离出CuCl、S，加浓盐酸发生CuCl(s)+2Cl－(aq)[CuCl3]2－(aq)，过滤分离出S，加水使CuCl(s)+2Cl－(aq)[CuCl3]2－(aq)逆向移动，抽滤、洗涤、干燥得到CuCl。

A由图中反应物、生成物结合原子守恒可知浸取中的主要反应为CuFeS2+3CuCl2=4CuCl+FeCl2+2S，故A错误；

B浸取所得到的FeCl2溶液，与Cu不反应，不能用来腐蚀覆在绝缘板上的铜箔，故B错误；

C加水向离子浓度增大的方向移动，加水有利于CuCl(s)+2Cl－(aq)[CuCl3]2－(aq)平衡逆向移动，析出CuCl，Cl－浓度减小，故C错误；

DCuCl难溶于乙醇，在空气中易被氧化，则为提高产率和纯度，可采用乙醇洗涤、真空干燥，故D正确；

故选D。

9．BA．稀硫酸溶解铝土矿时，需要将固体与液体分离，所以应使用过滤装置，A不合题意；

B．在整个操作过程中，没有将溶液浓缩或蒸发结晶的操作，所以不需要此装置，B符合题意；

C．焙烧二氧化硅与氢氧化钠的固体混合物时，需要使用铁坩埚，C不合题意；

D．用稀硫酸溶解铝土矿时，需要使用烧杯进行溶解，D不合题意；

故选B。

10．CA．铜与硝酸根在酸性环境中反应的离子方程式为3Cu+8H++2NO=3Cu2++2NO↑+4H2O，当HNO3和H2SO4的物质的量之比为2:3时，溶液中H+和NO的物质的量之比为8:2，硝酸根恰好可以完全反应，得到全部为硫酸铜，故A正确；

B．途径①、③过程中都会有污染空气的气体产生，途径②中Cu先与氧气反应生成氧化铜，然后再和浓硫酸反应制取硫酸铜，过程中没有污染性气体产生，故B正确；

C．1molCuSO4可以生成05molCu2O，若混合气体X中O2为mol，则剩余的氧原子为4mol-mol×2-05mol=2mol，恰好与1molS组成1molSO2，但在高温条件下SO2会和O2反应生成SO3，所以混合气体X中不可能只有O2和SO2，故C错误；

D．甲酸钠为HCOONa，含有—CHO结构，可以和新制的氢氧化铜反应生成Cu2O，故D正确；

故答案为C。

11．CA取少量红色固体，加入足量的稀硫酸，若溶液无明显现象，说明红色固体中不含氧化亚铜，则假设一成立，假设二、三不成立，A错误；

B若看到溶液变成蓝色，说明红色固体中含有氧化亚铜，仍有红色固体，说明反应后还有红色固体铜存在，但不能说明原红色固体中含有铜，因为氧化亚铜和稀硫酸反应也能生成铜，则假设二或三成立，B错误；

(1)若A装置气密性较好，则装置内外的大气压相等，检验方法：在分液漏斗中注入适量水，关闭止水夹，打开分液漏斗活塞，如果滴入少量水后很快停止流下，则说明装置气密性良好；

(2)A中浓硝酸与Cu反应生成二氧化氮，C中盛放浓硫酸干燥二氧化氮，再通入D中反应，用硫酸亚铁溶液检验有NO生成，用酸性高锰酸钾溶液吸收NO，该实验装置的连接顺序为：ACDBE；C为干燥气体装置，故选用浓硫酸来干燥，答案为：ACDBE；浓硫酸；

(3)由于装置中有空气，空气中氧气在加热条件下会与Cu反应影响实验。开始实验，先引发A中反应，用生成的二氧化氮排出装置内空气，再点然D处酒精灯，故答案为：排出装置内空气，防止氧气和铜发生反应；

(4)①NO和FeSO4溶液反应使溶液呈棕色，过量的二氧化氮在溶液中会将亚铁离子氧化为铁离子使溶液呈棕色，B中浅绿色溶液变棕色，得出实验结论是：NO2的还原产物可能有NO，故答案为：c；

(2)为了防止温度过高HNO3分解，所以酸溶时，反应温度不宜超过70℃；根据影响化学反应速率的因素，若保持反应温度为70℃，欲加快反应速率可采取的措施为搅拌、将固体废渣粉碎、适当提高硝酸的浓度，故答案为：防止温度过高HNO3分解（或者挥发）；搅拌、将固体废渣粉碎、适当提高硝酸的浓度；