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第3讲 金属与金属材料
考点1 金属材料与金属资源
1.如图为一种自热火锅的构件图。该自热火锅的发热包内有铁粉、铝粉、炭粉、生石灰等物质,将发热包放到水中,会放出大量的热。有关该自热火锅的说法不合理的是 ( )
A.生石灰与水反应,会放出大量的热
B.设计出气孔的目的是避免使用时盒内气压过高
C.遇水能放出热量的物质都能作为发热包的内容物
D.使用过的发热包即使干燥后也不能重复使用
答案 C
解析 A项,生石灰与水反应生成了熟石灰,会放出大量的热,合理;B项,设计出气孔,能排出部分水蒸气,目的是避免使用时盒内气压过高,合理;C项,有毒、有腐蚀性物质不宜用作发热包的内容物,不合理;D项,使用过的发热包内的物质,已发生了化学变化,性质发生了变化,即使干燥后也不能重复使用,合理。
2.小明将纸条分别紧紧卷在木棒和铁棒上,加热纸条(如图),木棒上的纸条立即燃烧,而铁棒上的纸条不会立即燃烧。据此推测木棒和铁棒具有不同的 ( )
A.密度 B.导热性 C.硬度 D.延展性
答案 B
解析 用相同的酒精灯加热,铁棒上的纸比木棒上的纸先燃烧,说明铁棒具有良好的导热性。故选B。
3.在5.6 g铁粉中,先逐滴加入一定量的Cu(NO3)2溶液,充分反应后再逐滴加入AgNO3溶液,剩余固体质量与所加溶液总质量的关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.所加溶液质量为M1 g时,生成Cu的质量为m1 g
B.bc段发生的是Cu和AgNO3溶液的反应
C.m3的值为21.6
D.e点溶液中不含Cu(NO3)2
答案 C
解析 分析题图中曲线可知ab段发生反应:Fe+Cu(NO3)2Fe(NO3)2+Cu,bc段发生反应:Fe+2AgNO3Fe(NO3)2+2Ag,cd段发生反应:Cu+2AgNO3Cu(NO3)2+2Ag。
加M1 g溶液时,Fe没有完全反应,所以m1 g为铜和剩余铁的质量,A、B错误;e点硝酸银过量,铜单质全部变成硝酸铜,D错误;根据质量守恒定律,设生成Ag的质量为x,则
Fe~2Ag
56 216
5.6 g x
56/5.6 g=216/x x=21.6 g,C正确。
4.小金利用图示装置进行“一氧化碳还原氧化铁”及产物检验的实验。实验步骤如下:
步骤1:连接装置并检查装置的气密性,在确保装置气密性良好的基础上,按图示在各装置中添加药品;
步骤2:缓慢推注射器活塞,利用甲酸(一种无色溶液,溶质为HCOOH)与浓硫酸在80 ℃水浴的条件下制备一氧化碳(反应原理:HCOOH CO↑+H2O);
步骤3:待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下后再点燃酒精灯,当W形管右侧弯管处的氧化铁全部变为黑色时,继续加热2分钟后熄灭酒精灯;
步骤4:撤去酒精灯和盛热水的烧杯,用磁铁吸引黑色物质至W形管左侧弯管处进行固体产物的检验。
(1)进行气密性检查时,可在万用瓶中盛适量水,然后推注射器活塞,当观察到 (填写现象),说明装置气密性良好。
(2)点燃酒精灯前,需要“待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下”的原因是 。
(3)步骤3后,W形管左侧弯管处为反应后得到的稀硫酸,若固体产物全部是铁,步骤4中能观察到的现象是 。
答案 (1)万用瓶中的水会进入导管并形成一段稳定的水柱
(2)排尽W形管内的空气,防止点燃酒精灯进行加热时发生爆炸
(3)有气泡产生,固体有溶解,且溶液呈浅绿色(写出有气泡产生即可)
解析 (1)可利用装置内外的压强差检验装置气密性;(2)一氧化碳具有可燃性,若一氧化碳和空气混合,加热时可能发生爆炸,所以点燃酒精灯前,需要排尽W形管内的空气;(3)铁和稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气,所以步骤4中能观察到的现象是有气泡产生,固体溶解,溶液变成浅绿色。
5.小金利用图示装置进行甲、乙对比实验,探究温度对CO和Fe2O3反应的影响(固定装置略)。
(1)从实验安全角度考虑,图示装置还应采取的改进措施是 。
(2)完全反应后,两组的生成物均为黑色粉末(纯净物),分别用两组生成物进行以下实验:
步骤 操作 甲组现象 乙组现象
1 称量黑色粉末质量/g m1 m2
2 取黑色粉末,用磁铁吸引 能被吸引 能被吸引
3 取黑色粉末,加入稀盐酸 全部溶解,有大量气泡 无明显现象
4 取黑色粉末,加入足量CuSO4溶液 有红色物质生成 无明显现象
①甲组的黑色粉末与稀盐酸反应的化学方程式是 。
②小金查阅资料后发现Fe3O4在常温下不与稀盐酸、CuSO4溶液反应,故猜想乙组的生成物为Fe3O4。他又发现m2恰好为 g,这可成为支持上述猜想的新证据。
(3)甲、乙两组实验说明温度对CO和Fe2O3反应有影响,且均体现出CO的 (填写化学性质)。
答案 (1)在装置末端尖嘴导管处,放置一盏燃着的酒精灯(合理即可)
(2)①Fe+2HCl FeCl2+H2↑ ②4.64
(3)还原性和可燃性(写出还原性即可)
解析 (1)一氧化碳有毒,从实验安全角度考虑,应添加尾气处理装置。(2)①甲组的黑色粉末为铁粉,与稀盐酸反应的化学方程式是Fe+2HCl FeCl2+H2↑;②若乙组的生成物为Fe3O4,则反应的化学方程式为CO+3Fe2O3 2Fe3O4+CO2,依据Fe2O3的质量可计算出Fe3O4的质量为4.64 g。(3)甲、乙两组实验说明温度对CO和Fe2O3的反应有影响,且均体现出CO的可燃性和还原性。
考点2 金属的性质和用途
6.下列科学实验设计方案正确的是 ( )
A.①区分铁和硫化亚铁
B.②验证铁钉生锈需要氧气
C.③干燥并收集一瓶氧气
D.④测定空气中氧气的体积分数
答案 A
解析 ①铁能被磁铁吸引,硫化亚铁不能,A正确;②是探究铁生锈需要水分,B错误;③收集氧气应用向上排空气法,气体从长管进入,C错误;④木炭燃烧消耗氧气,但是生成了二氧化碳气体,无法测定空气中氧气的体积分数,D错误。
7.通过实验可以比较铁、铜、银三种金属的活动性强弱。下列装置能够达到实验目的的是 ( )
答案 D
解析 设计方案既要能判断铁和铜的金属活动性,又要能判断铜和银的金属活动性。只有D项能达到实验目的。
8.人类对科学规律的认识常需经历漫长的探索过程,对金属活动性规律的认识也是如此。
(1)1625年格劳贝尔发现将金属放入稀盐酸中会“消失”,这为发现金属活动性顺序奠定了基础。小嘉选用锡、铜、锌三种金属重温实验,则会“消失”的金属有 。
(2)1766年卡文迪许用金属与酸反应制取了一种可燃性气体,他称之为“可燃空气”,其实该气体就是 。从此为探索金属活动性打开了新思路。
(3)1865年贝开托夫经过大量的实验得出了金属活动性规律。小嘉运用该规律开展实验,向硝酸铜和硝酸银的混合溶液中逐渐加入铁粉,溶液质量变化如图所示,则B点时溶液中所含的金属阳离子有 。
答案 (1)锡、锌 (2)氢气 (3)Fe2+、C
解析 (1)金属活动性顺序中,锡、锌排在氢前,所以锡和锌会与稀盐酸反应“消失”掉。(3)由题图可知,到达B点时Fe正好与Ag+反应完全,溶液中的Cu2+未反应,所以B点时溶液中含有Cu2+和Fe2+。
9.钢丝棉是一种由低碳钢制成的细丝,直径约0.125~0.189毫米。小科利用钢丝棉探究铁制品锈蚀的条件,实验如下:
步骤一:取3个50 mL活塞润滑性良好的注射器,检查气密性后备用。
步骤二:称取3团等质量的钢丝棉(每团体积约为6 cm3),A保持干燥,B用少量蒸馏水润湿,C用少量食盐水润湿,分别放入甲、乙、丙注射器中。
步骤三:移动活塞,使它们均处于46 mL刻度处,再用橡皮帽封住注射孔(如图所示)。
步骤四:每隔一定时间,观察到的实验现象如下表。
5分钟 20分钟 1小时 5小时
甲 无现象 无现象 无现象 无现象
乙 出现少许锈斑,活塞未明显移动 出现明显锈斑,活塞移动少许 锈斑增多,活塞移动明显 锈蚀严重,活塞处于39 mL刻度处
丙 出现明显锈斑,活塞移动少许 锈斑增多,活塞移动明显 锈蚀严重,活塞处于39 mL刻度处 锈蚀严重,活塞处于39 mL刻度处
(1)检查注射器气密性:先用橡皮帽封住注射孔,用手向外拉动活塞,放手后观察到 ,则气密性良好。
(2)比较乙、丙实验现象得到的结论: 。
(3)钢铁生锈还需要氧气,请你利用本实验数据计算出空气中氧气的体积分数为 。
答案 (1)活塞恢复原位(2分,回答活塞向上运动或向内运动给1分)
(2)氯化钠(食盐、盐水)能加快钢铁的生锈(2分,回答氯化钠、食盐、盐水能加快金属锈蚀或盐能加快钢铁锈蚀给1分)
(3)17.5%或7/40或0.175(2分)
解析 (1)注射器气密性良好的表现为拉活塞,放手后活塞恢复原位。(2)丙生锈的速率比乙快,说明氯化钠能加快钢铁的生锈。(3)氧气的体积分数为(40 mL-33 mL)/40 mL=17.5%。
10.科学学习小组同学在完成盐酸除铁锈实验时,发现生锈的铁钉表面有气泡生成。同学们对此现象感到很好奇,针对“气体是由什么反应生成的”这一问题,设计实验进行探究。
【设计实验】小组同学经过认真分析思考,提出了自己的假设,并设计了图甲所示的实验A和B进行探究。实验时,观察到试管A中有气泡,试管B中没有气泡,从而验证了自己的假设是成立的。
(1)小组同学设计图甲所示实验基于的假设是 ;
(2)小金同学认为图甲实验A和B对照设置不够严谨,溶液中的水可能会对气体生成产生影响。于是在图甲实验基础上补充设计了如图乙对照实验C和D。但小科同学认为对照实验D的设置没有必要,他提出这一观点的理由是 ;
【反思提高】设置对照实验首要问题是找准找全影响因素,通过控制变量,来进行对照实验的设置,实现对照实验组设置的有效性和完整性。
【迁移应用】一次课外实验的意外现象:镁条放入Na2CO3溶液中,快速产生气泡。
请结合设置对照实验的思想,完成“气体是由什么反应生成的”问题探究。
【实验探究】查阅资料:①镁能与水缓慢反应生成氢气;②Na2CO3溶液呈碱性,其溶液中除了Na+、C、水分子外,还有OH-。
小组同学设计了如图丙对照实验E、F和G。
丙
(3)往镁条中分别加入等量的水、Na2CO3溶液、X溶液进行实验。一段时间后,观察到试管E、G中有气体产生,但缓慢且少,试管F中产生气体既快又多。从对照实验设置的角度分析,实验G所加“X溶液”应该是 ;
(4)分析图丙实验可知,镁条放入Na2CO3溶液中,气体是由镁与水反应生成的。试管F中快速产生气体,是因为Na2CO3溶液中存在能促进镁与水反应的离子,该离子是 。
答案 (1)气体是铁和稀盐酸反应生成的 (2)稀盐酸中含有水,铁锈在稀盐酸中无气泡 (3)NaOH溶液 (4)C
解析 (3)碳酸钠水溶液呈碱性,Mg在碱性环境中会生成气体,所以X溶液为NaOH溶液。(4)F、G中有相同的钠离子,但是反应的速率不同,说明起到作用的是阴离子。
11.小金为了探究氧化铜与氢气的反应和反应产物,用如图所示装置进行实验。注射器内装满氢气,并将注射器针头扎入橡皮塞中。将少许氧化铜粉末送入长柄U形石英玻璃管内并平铺于管底。将少量白色的无水硫酸铜粉末送入长柄U形石英玻璃管中并平铺于直管中部。然后将一个气球套在长柄U形石英玻璃管的直管出口处,连接好整个实验装置并检查装置气密性……
(1)为确保实验安全,在点燃酒精灯加热前的操作是 。
(2)装置末端连接的气球的作用是 。
(3)实验过程中,当观察到 现象时可判断一定有产物水生成。
(4)实验开始时加入a克纯氧化铜粉末,实验结束后取出U形管底的固体称量为b克,当b为 (用含有a式子表示)时,可判断氧化铜已完全转化为铜。
答案 (1)通入氢气
(2)收集尾气(或防止空气中的水蒸气进入)
(3)长柄U形石英玻璃管的直管中部白色粉末变蓝
(4)0.8a
解析 (1)加热前应向下推注射器活塞,通入一部分氢气,以排出长柄U形石英玻璃管内的空气。(2)末端连接的气球可收集气体,同时使装置内部与外界隔绝。(3)白色无水硫酸铜粉末变蓝,证明产物中有水。(4)a g氧化铜全部转化为铜单质的质量为a g×=0.8a g。
12.金属与酸反应属于放热反应,其反应速率除受反应物的性质影响外,还受温度、酸的质量分数、固体表面积大小等因素影响。现探究酸质量分数对反应速率的影响,实验室提供秒表、图甲器材和颗粒均匀的锌粒、铁片、铜片、2%稀盐酸、4%稀盐酸、2%稀硫酸、碎冰、水等药品。
(1)请选择合适器材和药品,设计实验写出步骤(可配图说明)。
甲
(2)实验结论:其他条件都相同时,酸的质量分数越大,反应越快。图乙是某资料中铁与2%稀硫酸在恒温条件下,生成氢气体积随时间变化的图像。请根据实验结论,对曲线进行适当的修改,使其更合理。
乙
答案 (1)答题要点:①检查装置气密性;②控制反应恒温进行;③药品的选择能体现控制变量;④测量因变量的方法正确;⑤能体现避免实验偶然性;⑥操作步骤顺序合理。
满分示例:
①检查气密性;连接试管和广口瓶,往漏斗中加水,液面不持续下降;(只回答“检查装置气密性”也可)。
②装药品:在烧杯中加入碎冰和一定量的水,往试管中装入锌粒,把试管放入烧杯内的冰水中,用铁架台固定,连接好其他装置。
③开始反应和测量:打开止水夹,往漏斗中倒入一定量的2%稀盐酸,记录一定时间内量筒中的水量(或“记录量筒中的水达到一定体积时所需的时间”等合理均可)。
④取等量的锌粒与4%稀盐酸进行反应,重复上述实验。
⑤用铁片代替锌粒,重复上述实验(或“多次实验”等能体现避免实验偶然性的均可)
(如把第③④步骤改为一次实验,通过比较每隔一定时间量筒中水的体积,以判断产生气体的速度等合理均可)
(2)如图(画图要求:能体现氢气产生的速率是先快后慢,最后不变且与虚线相平)。
解析 (2)随着酸浓度的减小,产生氢气的速率会逐渐变慢,直至不变。
A组 基础题组
1.钯、镍、铜在电子工业中有广泛应用。小明想比较这三种金属的活动性强弱,做了如图所示实验,只有实验④有明显的现象。则这三种金属的活动性顺序排列正确的是 ( )
A.铜>镍>钯 B.铜>钯>镍 C.镍>钯>铜 D.镍>铜>钯
答案 D
解析 ①铜与稀盐酸不反应,活动性:铜<氢;②钯与稀盐酸不反应,活动性:钯<氢;③钯与硝酸铜溶液不反应,活动性:钯<铜;④镍和稀盐酸反应生成氢气,活动性:氢<镍;则三种金属的活动性强弱:镍>铜>钯。故选D。
2.兴趣小组按如图流程进行实验(每步均充分反应),反应结束后,将烧杯内物质进行过滤,向滤液中加入少量铁粉,无明显现象。下列说法不正确的是 ( )
A.由此实验可知金属的活动性顺序:Zn>Fe>Cu
B.滤液中的溶质一定有FeCl2、ZnCl2,一定没有CuCl2
C.滤渣中一定有铜,可能有铁
D.混合后,固体总质量一定增加
答案 D
解析 铁粉和氯化锌不反应,活动性:Zn>Fe;铁粉和氯化铜反应,生成氯化亚铁和铜单质,活动性:Fe>Cu,则活动性:Zn>Fe>Cu。向反应后的滤液中加入铁粉,无明显现象,说明滤液中肯定没有氯化铜;氯化锌没有反应,而铁和氯化铜反应生成了氯化亚铁,因此滤液中溶质肯定有FeCl2、ZnCl2。铁和氯化铜反应生成了氯化亚铁和铜,因此滤渣中肯定有铜;如果铁过量,则滤渣中含有铁,否则没有铁。若在混合前CuCl2全部反应,则混合后固体总质量不变,故选D。
3.小柯用图甲所示的实验比较Mg、Fe、Cu三种金属的活动性强弱,实验后他把试管中的物质倒入烧杯中(如图乙),发现烧杯内的红色固体明显增多,充分反应后,过滤所得溶液中含有金属离子的可能组成为 ( )
①Mg2+ ②Mg2+和Fe2+ ③Mg2+和Cu2+ ④Mg2+、Fe2+和Cu2+
A.①② B.②④ C.①③ D.③④
答案 B
解析 镁的活动性强于铁,铁不能与硫酸镁反应;铁的活动性强于铜,铁能将铜从CuSO4溶液中置换出来。由题意可知,实验后把两试管中的物质倒入烧杯中(如题图乙),发现烧杯内的红色固体明显增多,说明b中的铁已经完全反应,a中的铁又与硫酸铜发生了反应。若硫酸铜完全反应了,过滤所得溶液中的金属阳离子是Mg2+和Fe2+;若硫酸铜没有完全反应,过滤所得溶液中的金属阳离子是Mg2+、Fe2+和Cu2+,故选B。
4.实验室制取氢气所用的粗锌中含有杂质铜,小金通过图示装置和如下实验步骤测定粗锌中锌的质量分数。
①组装仪器,并检查装置的气密性;
②在仪器中加入药品,其中粗锌的质量为m1 ;
③用电子天平称量出整套装置(含药品)的总质量为m2;
④关闭a处止水夹,打开b处止水夹,然后打开分液漏斗的活塞,向锥形瓶中注入全部的稀硫酸(足量)随即关闭分液漏斗的活塞;
⑤充分反应后,打开a处止水夹,向装置中持续缓慢地鼓入空气,将产生的氢气从装置中排出;
⑥第二次称量整套装置(含反应后物质)的质量为m3。
(1)小乐在检查A装置的气密性时,先在分液漏斗中注入适量水,然后关闭a处和b处的止水夹,最后打开分液漏斗的活塞。若A装置的气密性良好,可观察到 。
(2)若去除B装置,测得的粗锌中锌的质量分数会 。(选填“偏大”“偏小”或“不变”)
(3)根据上述实验,粗锌中锌的质量分数为 。(用m1、m2、m3等表示)
答案 (1)分液漏斗中的水不持续下流
(2)偏大
(3)%
解析 (2)(m2-m3)是反应生成氢气的质量,若除去B装置,会导致排出的氢气中含有水蒸气,导致(m2-m3)偏大,即氢气质量偏大,从而导致计算得到的锌的质量偏大,粗锌中锌的质量分数偏大。
(3)设锌的质量为x。
Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑
65 2
x m2-m3
= x=
则粗锌中锌的质量分数为×100%。
B组 提升题组
5.向等质量的锌粉和铁粉中分别加入足量稀硫酸,下列图像能正确表示产生的氢气质量与反应时间之间关系的是 ( )
答案 B
解析 向等质量的锌粉和铁粉中分别加入足量稀硫酸,由于金属的活动性:Zn>Fe,故反应速率:Zn>Fe,反应所需时间:Zn6.小金完成了如图实验①②③,下列判断正确的是 ( )
A.实验①最终一定有锌固体剩余
B.实验②最终可能有氧化铜剩余
C.实验③所得溶液一定为无色
D.实验③所得溶液一定含有硫酸锌和硫酸铜
答案 A
解析 由于最终烧杯内固体只有铜,所以①中锌过量,②中氧化铜无剩余,故A正确,B错误;实验③所得溶液中一定有硫酸锌,可能有硫酸铜,故C、D错误。
7.铁在自然界中以铁矿石形式分布很广,资料显示:在炼铁过程中,Fe2O3是在一定温度下逐步失去其中的氧,依次生成Fe3O4、FeO和Fe,小金在实验室找到一些铁锈样品进行实验探究,他所用的实验装置如图甲所示。
图甲
(1)实验时先点燃的酒精灯是 。(选“A”或“B”)
(2)待反应完成后,将所得黑色固体物质放入足量的稀硫酸中,小金认为该物质中并不含铁,他的依据是 。
(3)为了解释这一反常现象,他查到某炼铁厂对氧化铁和一氧化碳进行的热反应分析,根据相关的数据绘制图像(如图乙),通过分析确定实验没有得到铁的主要原因是 。
图乙
答案 (1)B (2)不产生气泡 (3)使用酒精灯加热时,达不到氧化铁完全反应所需的温度800 ℃
解析 (1)因为需先通CO,排尽装置中的空气,而一氧化碳有毒,所以在实验时先点燃处理尾气的酒精灯,故选B;(3)酒精灯火焰的温度达不到800 ℃,即达不到氧化铁完全反应所需的温度。
8.还原性铁粉中含有少量FexCy,小科同学在老师的指导下进行以下实验。
资料:①Fe、FexCy在加热时与O2反应能生成相应氧化物。
②FexCy不与酸反应。
实验1:取29.52 g样品,加入足量稀H2SO4,充分反应后生成1.00 g H2。
实验2:另取29.52 g样品,按下图进行实验(碱石灰的成分为NaOH与CaO的混合物)。
实验后A中固体全部变为红棕色,装置A、B的质量变化如下表。
装置 A B
反应前 300.00 400.00
反应后 m 400.44
(1)组装好装置后,实验前先要 。
(2)装置C的作用是 。
(3)FexCy中,x∶y= ,表中m的值是 。
答案 (1)检查装置的气密性
(2)阻止空气中的水和二氧化碳进入装置B,避免影响实验准确性
(3)5∶2 312.48
解析 (1)组装好装置后,实验前先要检查装置的气密性。(2)装置C的作用是防止空气中的水蒸气和二氧化碳进入装置B。
(3)设铁的质量为a,
Fe+H2SO4 FeSO4+H2↑
56 2
a 1.00 g
=, a=28 g
反应生成二氧化碳的质量为400.44 g-400.00 g=0.44 g,碳元素的质量为0.44 g×=0.12 g,样品中FexCy中铁元素的质量为29.52 g-28 g-0.12 g=1.40 g,FexCy中,x∶y=∶=5∶2。
设装置A增加的质量为b,样品中铁元素的质量为29.52 g-0.12 g=29.4 g,由关系式2Fe~Fe2O3可知,
2Fe~Fe2O3 增加的质量
112 160 160-112=48
29.4 g b
=,b=12.6 g
表中m的值是300.00+12.6-0.12=312.48。
关键点拨 (1)有气体参加的反应,实验前应先检查装置气密性。(2)加热条件下铁、FexCy中的铁元素完全转化为氧化铁,碳元素完全转化为二氧化碳,根据反应的化学方程式及题中数据可以进行相关计算。
思维亮剑
1.实验研究铁锈蚀影响因素,记录如下。下列分析不正确的是 ( )
实验装置 序号 其他试剂 200 s时O2的含量
① 干燥剂 21%
② 10滴水 15%
③ 10滴水和1.0 g食盐 8%
A.②③中O2含量减少表明铁已锈蚀
B.①②证明水对铁锈蚀有影响
C.②③证明食盐能加快铁锈蚀
D.①②③证明炭粉对铁锈蚀有影响
答案 D
解析 铁锈蚀是常温下铁与氧气和水共同作用的结果。A项,实验②③中氧气含量分别由21%降低到15%和8%,说明在有水存在的情况下,氧气也参与了铁锈蚀的反应,正确;B项,由实验①可知没有水,氧气未被消耗,铁不会锈蚀,由实验②可知,有水参与时,氧气含量减少,铁锈蚀,故说明水对铁锈蚀有影响,正确;C项,分析实验②③,自变量为食盐,因变量是相同时间内氧气含量,氧气消耗的速率快则铁锈蚀的速率快,故可证明食盐能加快铁锈蚀速率,正确;D项,3个实验中均含有相同质量的炭粉,故不能证明炭粉对铁锈蚀有影响,不正确。
2.钢铁是应用广泛的金属材料。
(1)英国学者R·坦普尔论证了我国古代冶铁技术世界第一。早在公元前4世纪,中国已广泛利用铁矿石与木炭生产生铁,并加入“黑土”以降低生铁的熔化温度;公元前2世纪,中国人发明了“充氧”等炼钢法。
①“黑土”含有磷酸铁(FePO4),其中磷元素的化合价为 。
②生铁生产过程中,一氧化碳与氧化铁在高温下反应的化学方程式为 。
③炼钢中“充氧”的目的是降低生铁中的 ,获得性能更好的钢。
(2)对钢铁制品进行“发蓝”处理,使其表面生成一层致密的氧化膜,能有效防止钢铁锈蚀。
①“发蓝”过程发生了 (填“物理变化”或“化学变化”)。
②致密氧化膜能防止钢铁锈蚀的原因是 。
答案 (1)①+5 ②Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
③含碳量
(2)①化学变化 ②隔绝水和氧气
解析 (1)①磷酸铁中铁元素为+3价,氧元素为-2价,故磷元素的化合价为+5。②一氧化碳和氧化铁在高温下反应生成铁和二氧化碳,即3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2。③炼钢过程中充入的氧气可与生铁中的碳反应生成二氧化碳,以此来降低生铁中的含碳量,获得含碳量更低、性能更好的钢。(2)①对钢铁制品进行“发蓝”处理,使钢铁制品表面生成一层致密的氧化膜,即单质铁变成铁的氧化物,发生化学变化。②钢铁生锈是铁和空气中的氧气、水作用的结果,若在钢铁表面形成一层致密的氧化膜,可以使钢铁与空气中的水和氧气隔绝而达到防止钢铁锈蚀的目的。
3.金属的发现与使用历史体现了人们对其性质的认识和科技发展的水平。
(1)2021年3月,三星堆遗址再次出土的文物中,黄金面具残片最为引人瞩目,其历经三千年依旧金光灿灿,这是因为金的化学性质非常 。
(2)唐宋时期流行的“湿法炼铜”的原理是铁和硫酸铜溶液的反应,该反应的化学方程式为 。
(3)《周礼·考工记》中有关于将铜、锡以不同比例熔合制成功能各异的青铜器的记载。将铜片和锡片分别伸入稀盐酸中,锡片表面有气泡生成而铜片没有,说明金属活动性锡 (填“>”或“<”)铜。
答案 (1)稳定 (2)Fe+CuSO4FeSO4+Cu(化学式错误扣2分) (3)>
解析 (1)金的化学性质稳定,故黄金面具残片依然金光灿灿。(2)Fe和硫酸铜溶液反应生成铜和硫酸亚铁,化学方程式为Fe+CuSO4FeSO4+Cu。(3)锡片放入稀盐酸中,表面有气泡生成,说明在金属活动性顺序中,锡排在氢前;铜放入稀盐酸中,无气泡生成,说明铜排在氢后,故金属活动性锡>铜。
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第3讲 金属与金属材料
考点1 金属材料与金属资源
1.如图为一种自热火锅的构件图。该自热火锅的发热包内有铁粉、铝粉、炭粉、生石灰等物质,将发热包放到水中,会放出大量的热。有关该自热火锅的说法不合理的是 ( )
A.生石灰与水反应,会放出大量的热
B.设计出气孔的目的是避免使用时盒内气压过高
C.遇水能放出热量的物质都能作为发热包的内容物
D.使用过的发热包即使干燥后也不能重复使用
2.小明将纸条分别紧紧卷在木棒和铁棒上,加热纸条(如图),木棒上的纸条立即燃烧,而铁棒上的纸条不会立即燃烧。据此推测木棒和铁棒具有不同的 ( )
A.密度 B.导热性 C.硬度 D.延展性
3.在5.6 g铁粉中,先逐滴加入一定量的Cu(NO3)2溶液,充分反应后再逐滴加入AgNO3溶液,剩余固体质量与所加溶液总质量的关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.所加溶液质量为M1 g时,生成Cu的质量为m1 g
B.bc段发生的是Cu和AgNO3溶液的反应
C.m3的值为21.6
D.e点溶液中不含Cu(NO3)2
4.小金利用图示装置进行“一氧化碳还原氧化铁”及产物检验的实验。实验步骤如下:
步骤1:连接装置并检查装置的气密性,在确保装置气密性良好的基础上,按图示在各装置中添加药品;
步骤2:缓慢推注射器活塞,利用甲酸(一种无色溶液,溶质为HCOOH)与浓硫酸在80 ℃水浴的条件下制备一氧化碳(反应原理:HCOOH CO↑+H2O);
步骤3:待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下后再点燃酒精灯,当W形管右侧弯管处的氧化铁全部变为黑色时,继续加热2分钟后熄灭酒精灯;
步骤4:撤去酒精灯和盛热水的烧杯,用磁铁吸引黑色物质至W形管左侧弯管处进行固体产物的检验。
(1)进行气密性检查时,可在万用瓶中盛适量水,然后推注射器活塞,当观察到 (填写现象),说明装置气密性良好。
(2)点燃酒精灯前,需要“待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下”的原因是 。
(3)步骤3后,W形管左侧弯管处为反应后得到的稀硫酸,若固体产物全部是铁,步骤4中能观察到的现象是 。
5.小金利用图示装置进行甲、乙对比实验,探究温度对CO和Fe2O3反应的影响(固定装置略)。
(1)从实验安全角度考虑,图示装置还应采取的改进措施是 。
(2)完全反应后,两组的生成物均为黑色粉末(纯净物),分别用两组生成物进行以下实验:
步骤 操作 甲组现象 乙组现象
1 称量黑色粉末质量/g m1 m2
2 取黑色粉末,用磁铁吸引 能被吸引 能被吸引
3 取黑色粉末,加入稀盐酸 全部溶解,有大量气泡 无明显现象
4 取黑色粉末,加入足量CuSO4溶液 有红色物质生成 无明显现象
①甲组的黑色粉末与稀盐酸反应的化学方程式是 。
②小金查阅资料后发现Fe3O4在常温下不与稀盐酸、CuSO4溶液反应,故猜想乙组的生成物为Fe3O4。他又发现m2恰好为 g,这可成为支持上述猜想的新证据。
(3)甲、乙两组实验说明温度对CO和Fe2O3反应有影响,且均体现出CO的 (填写化学性质)。
考点2 金属的性质和用途
6.下列科学实验设计方案正确的是 ( )
A.①区分铁和硫化亚铁
B.②验证铁钉生锈需要氧气
C.③干燥并收集一瓶氧气
D.④测定空气中氧气的体积分数
7.通过实验可以比较铁、铜、银三种金属的活动性强弱。下列装置能够达到实验目的的是 ( )
8.人类对科学规律的认识常需经历漫长的探索过程,对金属活动性规律的认识也是如此。
(1)1625年格劳贝尔发现将金属放入稀盐酸中会“消失”,这为发现金属活动性顺序奠定了基础。小嘉选用锡、铜、锌三种金属重温实验,则会“消失”的金属有 。
(2)1766年卡文迪许用金属与酸反应制取了一种可燃性气体,他称之为“可燃空气”,其实该气体就是 。从此为探索金属活动性打开了新思路。
(3)1865年贝开托夫经过大量的实验得出了金属活动性规律。小嘉运用该规律开展实验,向硝酸铜和硝酸银的混合溶液中逐渐加入铁粉,溶液质量变化如图所示,则B点时溶液中所含的金属阳离子有 。
9.钢丝棉是一种由低碳钢制成的细丝,直径约0.125~0.189毫米。小科利用钢丝棉探究铁制品锈蚀的条件,实验如下:
步骤一:取3个50 mL活塞润滑性良好的注射器,检查气密性后备用。
步骤二:称取3团等质量的钢丝棉(每团体积约为6 cm3),A保持干燥,B用少量蒸馏水润湿,C用少量食盐水润湿,分别放入甲、乙、丙注射器中。
步骤三:移动活塞,使它们均处于46 mL刻度处,再用橡皮帽封住注射孔(如图所示)。
步骤四:每隔一定时间,观察到的实验现象如下表。
5分钟 20分钟 1小时 5小时
甲 无现象 无现象 无现象 无现象
乙 出现少许锈斑,活塞未明显移动 出现明显锈斑,活塞移动少许 锈斑增多,活塞移动明显 锈蚀严重,活塞处于39 mL刻度处
丙 出现明显锈斑,活塞移动少许 锈斑增多,活塞移动明显 锈蚀严重,活塞处于39 mL刻度处 锈蚀严重,活塞处于39 mL刻度处
(1)检查注射器气密性:先用橡皮帽封住注射孔,用手向外拉动活塞,放手后观察到 ,则气密性良好。
(2)比较乙、丙实验现象得到的结论: 。
(3)钢铁生锈还需要氧气,请你利用本实验数据计算出空气中氧气的体积分数为 。
10.科学学习小组同学在完成盐酸除铁锈实验时,发现生锈的铁钉表面有气泡生成。同学们对此现象感到很好奇,针对“气体是由什么反应生成的”这一问题,设计实验进行探究。
【设计实验】小组同学经过认真分析思考,提出了自己的假设,并设计了图甲所示的实验A和B进行探究。实验时,观察到试管A中有气泡,试管B中没有气泡,从而验证了自己的假设是成立的。
(1)小组同学设计图甲所示实验基于的假设是 ;
(2)小金同学认为图甲实验A和B对照设置不够严谨,溶液中的水可能会对气体生成产生影响。于是在图甲实验基础上补充设计了如图乙对照实验C和D。但小科同学认为对照实验D的设置没有必要,他提出这一观点的理由是 ;
【反思提高】设置对照实验首要问题是找准找全影响因素,通过控制变量,来进行对照实验的设置,实现对照实验组设置的有效性和完整性。
【迁移应用】一次课外实验的意外现象:镁条放入Na2CO3溶液中,快速产生气泡。
请结合设置对照实验的思想,完成“气体是由什么反应生成的”问题探究。
【实验探究】查阅资料:①镁能与水缓慢反应生成氢气;②Na2CO3溶液呈碱性,其溶液中除了Na+、C、水分子外,还有OH-。
小组同学设计了如图丙对照实验E、F和G。
丙
(3)往镁条中分别加入等量的水、Na2CO3溶液、X溶液进行实验。一段时间后,观察到试管E、G中有气体产生,但缓慢且少,试管F中产生气体既快又多。从对照实验设置的角度分析,实验G所加“X溶液”应该是 ;
(4)分析图丙实验可知,镁条放入Na2CO3溶液中,气体是由镁与水反应生成的。试管F中快速产生气体,是因为Na2CO3溶液中存在能促进镁与水反应的离子,该离子是 。
11.小金为了探究氧化铜与氢气的反应和反应产物,用如图所示装置进行实验。注射器内装满氢气,并将注射器针头扎入橡皮塞中。将少许氧化铜粉末送入长柄U形石英玻璃管内并平铺于管底。将少量白色的无水硫酸铜粉末送入长柄U形石英玻璃管中并平铺于直管中部。然后将一个气球套在长柄U形石英玻璃管的直管出口处,连接好整个实验装置并检查装置气密性……
(1)为确保实验安全,在点燃酒精灯加热前的操作是 。
(2)装置末端连接的气球的作用是 。
(3)实验过程中,当观察到 现象时可判断一定有产物水生成。
(4)实验开始时加入a克纯氧化铜粉末,实验结束后取出U形管底的固体称量为b克,当b为 (用含有a式子表示)时,可判断氧化铜已完全转化为铜。
12.金属与酸反应属于放热反应,其反应速率除受反应物的性质影响外,还受温度、酸的质量分数、固体表面积大小等因素影响。现探究酸质量分数对反应速率的影响,实验室提供秒表、图甲器材和颗粒均匀的锌粒、铁片、铜片、2%稀盐酸、4%稀盐酸、2%稀硫酸、碎冰、水等药品。
(1)请选择合适器材和药品,设计实验写出步骤(可配图说明)。
甲
(2)实验结论:其他条件都相同时,酸的质量分数越大,反应越快。图乙是某资料中铁与2%稀硫酸在恒温条件下,生成氢气体积随时间变化的图像。请根据实验结论,对曲线进行适当的修改,使其更合理。
乙
A组 基础题组
1.钯、镍、铜在电子工业中有广泛应用。小明想比较这三种金属的活动性强弱,做了如图所示实验,只有实验④有明显的现象。则这三种金属的活动性顺序排列正确的是 ( )
A.铜>镍>钯 B.铜>钯>镍 C.镍>钯>铜 D.镍>铜>钯
2.兴趣小组按如图流程进行实验(每步均充分反应),反应结束后,将烧杯内物质进行过滤,向滤液中加入少量铁粉,无明显现象。下列说法不正确的是 ( )
A.由此实验可知金属的活动性顺序:Zn>Fe>Cu
B.滤液中的溶质一定有FeCl2、ZnCl2,一定没有CuCl2
C.滤渣中一定有铜,可能有铁
D.混合后,固体总质量一定增加
3.小柯用图甲所示的实验比较Mg、Fe、Cu三种金属的活动性强弱,实验后他把试管中的物质倒入烧杯中(如图乙),发现烧杯内的红色固体明显增多,充分反应后,过滤所得溶液中含有金属离子的可能组成为 ( )
①Mg2+ ②Mg2+和Fe2+ ③Mg2+和Cu2+ ④Mg2+、Fe2+和Cu2+
A.①② B.②④ C.①③ D.③④
4.实验室制取氢气所用的粗锌中含有杂质铜,小金通过图示装置和如下实验步骤测定粗锌中锌的质量分数。
①组装仪器,并检查装置的气密性;
②在仪器中加入药品,其中粗锌的质量为m1 ;
③用电子天平称量出整套装置(含药品)的总质量为m2;
④关闭a处止水夹,打开b处止水夹,然后打开分液漏斗的活塞,向锥形瓶中注入全部的稀硫酸(足量)随即关闭分液漏斗的活塞;
⑤充分反应后,打开a处止水夹,向装置中持续缓慢地鼓入空气,将产生的氢气从装置中排出;
⑥第二次称量整套装置(含反应后物质)的质量为m3。
(1)小乐在检查A装置的气密性时,先在分液漏斗中注入适量水,然后关闭a处和b处的止水夹,最后打开分液漏斗的活塞。若A装置的气密性良好,可观察到 。
(2)若去除B装置,测得的粗锌中锌的质量分数会 。(选填“偏大”“偏小”或“不变”)
(3)根据上述实验,粗锌中锌的质量分数为 。(用m1、m2、m3等表示)
B组 提升题组
5.向等质量的锌粉和铁粉中分别加入足量稀硫酸,下列图像能正确表示产生的氢气质量与反应时间之间关系的是 ( )
6.小金完成了如图实验①②③,下列判断正确的是 ( )
A.实验①最终一定有锌固体剩余
B.实验②最终可能有氧化铜剩余
C.实验③所得溶液一定为无色
D.实验③所得溶液一定含有硫酸锌和硫酸铜
7.铁在自然界中以铁矿石形式分布很广,资料显示:在炼铁过程中,Fe2O3是在一定温度下逐步失去其中的氧,依次生成Fe3O4、FeO和Fe,小金在实验室找到一些铁锈样品进行实验探究,他所用的实验装置如图甲所示。
图甲
(1)实验时先点燃的酒精灯是 。(选“A”或“B”)
(2)待反应完成后,将所得黑色固体物质放入足量的稀硫酸中,小金认为该物质中并不含铁,他的依据是 。
(3)为了解释这一反常现象,他查到某炼铁厂对氧化铁和一氧化碳进行的热反应分析,根据相关的数据绘制图像(如图乙),通过分析确定实验没有得到铁的主要原因是 。
图乙
8.还原性铁粉中含有少量FexCy,小科同学在老师的指导下进行以下实验。
资料:①Fe、FexCy在加热时与O2反应能生成相应氧化物。
②FexCy不与酸反应。
实验1:取29.52 g样品,加入足量稀H2SO4,充分反应后生成1.00 g H2。
实验2:另取29.52 g样品,按下图进行实验(碱石灰的成分为NaOH与CaO的混合物)。
实验后A中固体全部变为红棕色,装置A、B的质量变化如下表。
装置 A B
反应前 300.00 400.00
反应后 m 400.44
(1)组装好装置后,实验前先要 。
(2)装置C的作用是 。
(3)FexCy中,x∶y= ,表中m的值是 。
思维亮剑
1.实验研究铁锈蚀影响因素,记录如下。下列分析不正确的是 ( )
实验装置 序号 其他试剂 200 s时O2的含量
① 干燥剂 21%
② 10滴水 15%
③ 10滴水和1.0 g食盐 8%
A.②③中O2含量减少表明铁已锈蚀
B.①②证明水对铁锈蚀有影响
C.②③证明食盐能加快铁锈蚀
D.①②③证明炭粉对铁锈蚀有影响
2.钢铁是应用广泛的金属材料。
(1)英国学者R·坦普尔论证了我国古代冶铁技术世界第一。早在公元前4世纪,中国已广泛利用铁矿石与木炭生产生铁,并加入“黑土”以降低生铁的熔化温度;公元前2世纪,中国人发明了“充氧”等炼钢法。
①“黑土”含有磷酸铁(FePO4),其中磷元素的化合价为 。
②生铁生产过程中,一氧化碳与氧化铁在高温下反应的化学方程式为 。
③炼钢中“充氧”的目的是降低生铁中的 ,获得性能更好的钢。
(2)对钢铁制品进行“发蓝”处理,使其表面生成一层致密的氧化膜,能有效防止钢铁锈蚀。
①“发蓝”过程发生了 (填“物理变化”或“化学变化”)。
②致密氧化膜能防止钢铁锈蚀的原因是 。
3.金属的发现与使用历史体现了人们对其性质的认识和科技发展的水平。
(1)2021年3月,三星堆遗址再次出土的文物中,黄金面具残片最为引人瞩目,其历经三千年依旧金光灿灿,这是因为金的化学性质非常 。
(2)唐宋时期流行的“湿法炼铜”的原理是铁和硫酸铜溶液的反应,该反应的化学方程式为 。
(3)《周礼·考工记》中有关于将铜、锡以不同比例熔合制成功能各异的青铜器的记载。将铜片和锡片分别伸入稀盐酸中,锡片表面有气泡生成而铜片没有,说明金属活动性锡 (填“>”或“<”)铜。
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