培优专题讲解《金属的冶炼与利用》

培优专题讲解《金属的冶炼与利用》
金属的化学性质
【考点图解】
盐：是指组成中含金属离子和酸根离子的化合物
【学法透析】
1．几种活泼金属的特殊反应
(1)K、Ca、Na、Mg等金属不但能在空气（或氧气）中燃烧，还能在CO2和N2中燃烧。如：4Na＋3CO22Na2CO3＋C　2Mg＋CO22MgO＋C
　3Mg＋N2Mg3N2。
故贮存活泼金属的仓库发生火灾，不可以用CO2灭火器来灭火。
(2)K、Ca、Na三种金属化学性质非常活泼，它们在常温下能与水发生剧烈的反应，生成氢氧化物和氢气。如：2Na＋2H2O＝2NaOH＋H2↑
Ca＋2H2O＝Ca(OH)2＋H2↑
故保存这三种活泼金属时需隔氧隔水，一般保存于煤油中。
(3)Al等熔点较低的活泼金属能在高温时还原某些金属氧化物，可用于冶炼高熔点金属。如：8Al＋3Fe3O49Fe＋4Al2O3（此反应常用于铁路上焊接钢轨）
2．金属与酸的反应
(1)Mg与稀盐酸或稀硫酸的反应很剧烈，容器壁发烫，是一个典型的放热反应。
(2)盐酸易挥发出HCl气体，故盐酸一般不用于实验室制H2，以免制得的H2中混有HCl而不纯。
(3)浓硫酸和硝酸有强氧化性，它们和活泼金属反应不能生成H2。另外，Fe、Al等金属在冷的浓硫酸中会被迅速氧化而使其表面形成一层致密的氧化膜，从而阻止内层的金属进一步反应，这种现象叫“钝化”现象。工业上常用铁槽车运输大量的浓硫酸就运用了这一原理。
3．判断金属活动性顺序的方法
(1)根据金属能否与氧气反应以及反应的难易和剧烈程度可判断金属活动性强弱。例如常温下铝就能被空气中的氧气氧化，而金即使在高温下也不与氧气反应，故金属活动性Al>Au。
(2)根据一种金属能否从另一种金属的盐溶液中将其置换出来可判断这两种金属的活动性强弱。例如铁能从硫酸铜溶液中置换出铜，铜能从硝酸银溶液中置换出银，而银不能从硫酸铜溶液中置换出铜，铜不能从硫酸亚铁溶液中置换出铁，则这三种金属的活动性强弱为Fe>Cu>Ag．
(3)根据几种形状和颗粒大小相近的金属与
相同浓度的同种酸能否反应及反应产生H2的速
率可判断这几种金属的活动性强弱。例如将外形
大致相同的镁片、锌片、铁片和铜片投入到相同
浓度的稀盐酸中，镁表面迅速冒出大量的气泡且
很快反应完，锌表面有较多的气泡持续而均匀地冒出，铁表面有细小的气泡冒出，而铜表面无气泡冒出，如右图所示，则这四种金属的活动性强弱为Mg>Zn>Fe>Cu。
(4)根据金属在自然界的主要存在形式可判断其活动性强弱。如铁在自然界主要以化合物的形式存在（即化合态），而金和银在自然界主要以单质形式存在（即游离态），则金属活动性强弱为Fe>Au(或Ag)。
(5)根据金属氧化物是否溶于水或是否能与水反应可判断其活动性强弱。如氧化钙易与水反应：CaO＋H2O＝Ca(OH)2，而氧化铁不溶于水，不与水反应，则钙与铁金属活动性强弱为Ca>Fe。
4．几种有色溶液
(1)含MnO4－的溶液呈紫红色，含MnO42－的溶液呈绿色。
(2)含Cu2＋的溶液一般呈蓝色，含Fe2＋的溶液一般呈浅绿色，含Fe3＋的溶液一般呈黄色，其它金属离子的溶液一般呈无色。
(3)铁与稀酸或某些盐溶液发生置换反应时，一律生成含Fe2＋的浅绿色溶液。如Fe＋H2SO4＝FeSO4＋H2↑
Fe＋2AgNO3＝Fe(NO3)2＋2Ag
【名题精讲】
考点1
金属的化学性质及其应用
例1
　下列有关金属的描述或判断错误的是
A．常温下，在空气中金属镁比铁容易氧化
B．在氧气中灼烧时，铁丝比铜丝反应剧烈
C．和同种盐酸反应时，锌片比铁片反应剧烈
D．铜的活动性不强，故铜不能与AgNO2溶液反应
【切题技巧】　解答本题应充分利用金属活动性顺序来进行判断。镁的化学性质较为活泼，在常温下就能被空气中的氧气氧化。铁丝不能在空气中燃烧，但能在纯氧中燃烧，而铜丝即使在纯氧中也不能燃烧。因为锌比铁活泼，故与稀盐酸反应时，锌比铁剧烈。在金属活动顺序中，铜排在银的前面，故铜能从硝酸银溶液中置换出银。
【规范解答】　Ｄ
【借题发挥】　镁、铝、锌这三种金属在常温下就能被空气中的氧气迅速氧化而使其表面覆盖一层致密的氧化物保护膜，从而阻止内部的金属被进一步氧化。与稀硫酸反应制氢气时，镁的速率太快，铁的速率太慢，锌的速率适中，故常用锌粒和稀硫酸反应来制取氢气。
【同类拓展】　1．铜比铁早被发现、利用，考古学家常在出土的古文物中发现许多铜制的饰物与器具，却很少发现铁制的器物，主要原因为何？
(
)
A．铜呈红棕色，外观较铁好看，所以被保存的很好
B．铜比铁便宜，可大量制造
C．铜的金属活动性比铁小，保存下来的比较多
D．铜表面会生成致密的氧化物，保护内部的金属
考点2
金属与酸反应的图象问题
例2
　质量相等的锌和铁分别和质量相等、溶质质量分数也相等的稀盐酸反应，反应情况如右图所示。则下列叙述中正确的是
(
)
A．图线a、b分别表示锌、铁的反应情况
B．锌、铁均反应完，盐酸有剩余
C．盐酸均反应完，一定有锌剩余
D．盐酸均反应完，一定有铁剩余
【切题技巧】　锌的金属活动性比铁强，和等质量分数的稀盐酸反应时，在单位时间内生成氢气比铁多，故在H2时间的关系曲线中，锌的斜率比铁大。若盐酸过量，则生成氢气的质量决定于金属锌和铁，等质量的锌和铁完全反应后生成H2质量铁比锌大，与图象不符合，故选项B错误。既然生成等质量的氢气，就表明消耗了等质量的稀盐酸，即盐酸一定消耗完，而生成等质量的氢气时，消耗铁的质量比锌小，故铁一定有剩余，锌有可能有剩余、也可能与稀盐酸恰好完全反应。
【规范解答】　AD
【借题发挥】　将质量相同的x、y两种金属投入到质量相等、溶质质量分数也相等的稀盐酸或稀硫酸中，反应的情况有两种：
(1)若金属足量，则生成氢气的质量由全部参与反应的酸溶液来决
定，由于酸液质量相等，浓度相同，故生成氢气的质量相等。生成H2
的质量随反应时间的变化关系如右图所示。
在此图像中，倾斜线的斜率越大，表明反应速率就越快，该金属的活动
性就越强，即金属活动性：x>y。
(2)若酸液足量，则生成氢气的质量由金属x和y各自来决定，则它
们生成H2的质量必定不相等，可绘成如右图所示的关系曲线。
图中水平线表示金属与酸的反应已完成，水平线越高，表示生成的
氢气越多。要是x和y在化合物中的化合价相同，则生成氢气越多的金
属，其相对原子质量越小，即Ar(x)【同类拓展】　2．一定量的镁和一定量的锌分别与同浓度的稀硫酸完全反应，产生的氢气体积和时间的关系如图所示，下列结论不正确的是
(
)
A．甲物质为锌、乙物质为镁
B．反应所消耗的硫酸质量相等
C．和锌反应的稀硫酸质量比和镁反应的稀硫酸质量大
D．反应速度是甲（锌）慢，乙（镁）快
考点3　有关金属与酸反应的天平问题
例3
　在天平的两边分别放有质量相等的烧杯，烧杯中各盛100g
9.8%的硫酸溶液，此时天平平衡。同时向左、右两烧杯中分别加入X、Y，指针先向左偏转，反应完毕后，指针偏右的一组选项是
(
)
【切题技巧】　向烧杯中加入金属后，金属与硫酸反应生成H2使两边烧杯中物质的质量不断减小。指针先向左偏转，说明右边生成H2的速率比左边快，即金属Y比X活泼，可排除选项A和D。反应完毕后，指针偏向右边说明最终两个烧杯中生成H2的质量不相等，且左边生成H2的质量比右边大。由题知两个烧杯中H2SO4的质量均为9.8g，能反应消耗掉锌6.5g，铁5.6g，故选项B中的铁和锌均过量，生成H2的质量由H2SO4决定，则两边的9.8gH2SO4，生成氢气的质量应是相等的，均为0.2g，这与题目不符。
【规范解答】　Ｃ
【借题发挥】　当等质量的不同种金属与相同浓度的同种酸溶液反应时，利用天平可准确地指示金属与酸溶液的反应速率，从而帮我们判断金属的活动性强弱。我们还可以根据最终天平的偏转情况来判断金属与酸溶液反应生成H2总量的多少。
【同类拓展】　3．将盛有等质量、等溶质质量分数的稀盐酸的两只烧杯放在托盘天平的左右两盘上，调节天平至平衡状态。再向两只烧杯中分别放入质量相等的镁和铁，待反应停止后，请判断：
(1)若天平仍保持平衡，烧杯中一定没有剩余的物质是_______，_______一定有剩余，_______可能有剩余。
(2)若天平失去平衡，则指针一定偏向放金属_______的那一边。
考点4　金属与盐溶液的反应
例4　已知Fe、Cu都能与FeCl3发生反应：2FeCl3＋Fe＝3FeCl2、2FeCl3＋Cu＝2FeCl2＋CuCl2。向CuCl2和FeCl3的混合溶液中，加入一定量的铁屑，充分搅拌使之反应，下列对反应后物质的判断错误的是
(
)
A．若反应后溶液中含有FeCl3，则一定还含有FeCl2、CuCl2，且无固体物质剩余
B．若反应后溶液中含有FeCl2、CuCl2，则无固体物质剩余或剩余固体中只含有Cu
C．若反应后溶液中含有FeCl2，则剩余固体中只含Fe
D．若反应后溶液中只含FeCl2，则剩余固体中只有Cu或Fe、Cu都有
【切题技巧】　本题中，铁屑在溶液中发生反应的次序为：
①铁屑量较少，铁只和FeCl3发生了反应：2FeCl3＋Fe＝3FeCl2；
②铁屑量稍多，铁先发生了①中的反应后，剩余的铁与CuCl2发生了反应生成了部分Cu；
③铁屑量充足，发生了②中的两个反应后还有剩余，此时溶液中只有FeCl2，固体中既有生成的Cu，也有反应剩余的铁。
另外需指出的是，在第①种情况中，即使有部分铁和CuCl2发生了置换反应，生成的铜接着会发生下述反应而被溶解于溶液中：2FeCl3＋Cu＝2FeCl2＋CuCl2。
【规范解答】　C
金属原子和金属离子得失电子能力的比较：
当我们将一种较为活泼的金属投入到含多种可被该金属置换的金属离子的溶液中时，得电子能力最强的金属离子最先被置换出来。如将锌粉投入到含Ag＋、Cu2＋、Fe2＋的混合溶液中时，由于Ag＋得电子能力最强，故只有当Ag＋被置换完以后，才可能有Cu被置换出来。
【同类拓展】　4．往AgNO3、Cu(NO3)2、Zn(NO3)2的混合溶液中加入一些铁粉，待反应完成后再过滤，可能存在的情况是
(
)
A．滤纸上有Ag，滤液中有Ag＋、Cu2＋、Zn2＋
B．滤纸上有Ag、Cu，滤液中有Ag＋、Zn2＋、Fe2＋
C．滤纸上有Ag、Cu、Fe，滤液中有Zn2＋、Fe2＋
D．滤纸上有Ag、Cu、Fe、Zn，滤液中有Zn2＋、Fe2＋
【参考答案】
1．C
　2．B　
3．(1)稀盐酸　镁　铁　(2)铁　4．C
金属资源的利用和保护
【考点图解】
【学法透析】
　　１．金属的冶炼方法
金属材料被人类大规模利用的历史顺序直接决定于冶炼该金属的难易程度，而金属冶炼的难易程度又直接决定于金属的活动性强弱，越是活泼的金属，其冶炼的难度就越大。下面介绍几种常见的冶金方法：
(1)Ag、Pt、Au等金属的化学性质特别稳定，在自然界主要以单质形式存在，一般无需冶炼；
(2)加热分解法：少数较不活泼的金属可加热其化合物使之分解而制得，如2HgO2Hg＋O2↑
(3)加热还原法：用H2、C、CO或Al等作还原剂，从金属氧化物中将金属还原出来，Cu、Pb、Sn、Fe、Zn等金属均可用此法制得。
如：C＋2ZnO2Zn＋CO2↑
2CO＋PbO2Pb＋2CO2
　　H2＋CuOCu＋H2O
　　8Al＋3Fe3O49Fe＋4Al2O3
(4)熔融物电解法：一些活泼金属（如K、Ca、Na、Mg、Al等）只能通过此法制得。具体方法是：先将它们的盐或氧化物加热至熔融态，再通电使其分解。
如2Al2O34Al＋3O2↑
MgCl2Mg＋Cl2↑
2．生铁炼钢
(1)生铁和钢在组成上的区别：生铁的含碳量为2%－4.3%，还含有少量的S、P、Si、Mn等元素；钢的含碳量为0.03%－2%．其他元素很少。由于生铁的含碳量比钢高，故生铁比钢硬度大，但生铁的韧性却大大不如钢。俗话说：“恨铁不成钢”，这句话常用来形容父母望子成龙、望女成风的心情。从化学角度看，这里的“铁”指的是生铁。与生铁相比，钢有着更加优良的性能，因而钢有着更广泛的应用，故人们需要将从高炉炼出的生铁进一步冶炼成钢。
(2)炼钢：
①古代：勤劳智慧的中国人民早在战国时期就掌握了炼钢的方法。成语“百炼成钢”描述的就是这一方法：即把生铁放在炉中烧红后取出反复锤打，然后再次烧红，再次锤打，如此多次的烧红、锤打后，生铁中的碳元素在烧红的过程中就转变为CO2而被除掉了，如此生铁就被炼成钢了。
②现代：在高温条件下，用氧气或铁的氧化物将生铁中过量的碳和杂质转化为气体和炉渣而除去。主要包括降碳、凋硅锰、除硫磷等过程。
【名题精讲】
考点1　金属的性质和用途
例1
　请根据下表回答问题：
说明：导电性以银的导电性为100作标准，硬度以金刚石的硬度为10作标准。
(1)铜钱在历史上是一种广泛流通的货币，你认为用铜制而不用铁来铸造货币的主要原因有（答两点）___________________________________；
(2)菜刀用铁而不用铝做的主要原因是____________________________；
(3)表中导电性较强的金属是_______，一般不用导电性最强的金属——银作导线的原因是____________________________；
(4)①中形成薄膜的化学方程式为_____________________；
(5)金属的冶炼体现了人类文明的发展水平，其冶炼年代的先后主要取决于_______。
【切题技巧】　物质的性质决定其用途：金属的铸造与其熔点有关；金属的导电性决定其是否可用于制导线，但还需考虑价格等因素；金属的硬度决定其是否可制作刀、剪、锤等。
【规范解答】　(1)①铜熔点比铁低，易铸造；②与铜相比，铁更易锈蚀　(2)铝的硬度太小
(3)铜　银的价格太贵
(4)4Al＋3O2＝2Al2O3
(5)金属的活动性强弱
【借题发挥】　物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但这不是唯一的决定因素，在考虑物质的用途时，还需要考虑其价格是否便宜、资源是否广泛、是否美观、使用是否便利，以及废料是否易于回收和对环境的影响等诸多因素。
【同类拓展】　1．青少年看书、写字一定要爱护眼睛，
台灯是在光线不足时需用的照明用具。
(1)图中标示的物质属于金属材料的有_______（填序号）
(2)灯管后面的反光片为铝箔。铝块能制成铝箔是利用了铝的_______性。
(3)铝比铁活泼，但铝箔比铁螺丝钉耐腐蚀。铝制品耐腐蚀的原因是_________________________。
(4)插头用铜制而不用铁制的原因是____________________________。
(5)若要验证铜、铁、铝的活动性顺序，某同学已经选择了打磨过的铁丝，你认为他还需要的另外两种溶液是_______溶液和_______溶液。
考点2　一氧化碳还原氧化铁的实验
例2
　利用如右图所示的装置可进行一氧化碳还原氧化铁的实验。其中，氮气可用作本实验的保护气，更环保；盛放氧化铁的是一支带有支管的试管，其支管可用于导出试管内的气体；酒精灯带网罩；整套装置的气密性良好。
实验前，弹簧夹a、b均处于关闭状态；开始实验时，打开a，
通入氨气一段时间后点燃酒精灯，再关闭a，打开b。
请联系所学知识回答下列问题：
(1)试管内一氧化碳与氧化铁反应的化学方程式为______________。
(2)结束实验时，应先打开a，再_______，然后_______。继续通入氮气直到试管冷却。
(3)请从两个不同角度评价该实验的优点：____________________________。
【切题技巧】　给试管加热前一定要排尽其中的空气，否则可能会因为加热CO和空气的混合气体而引起爆炸的发生。本实验中先通入N2就是起这个作用。实验结束时，为了防止一氧化碳散逸于空气中造成污染，应先关闭b停通CO，后熄灭酒精灯，此时还需继续通入N2直至试管冷却，以免生成的灼热的铁接触到空气中的O2而被再次氧化，尾气中含有CO，用导管将其导人酒精灯的火焰中，即环保又节能。
【规范解答】　(1)3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
(2)关闭b（或填停止通入一氧化碳）熄灭酒精灯（或填停止加热）
(3)①用N2代替CO作保护气，更环保；②将尾气中的CO导入到酒精灯的火焰中，更节能。
【借题发挥】　在用CO还原金属氧化物时，要特别注意两点：
(1)实验开始时，一定要确保反应容器中无空气（即无O2）时，才能开始加热，否则可能会引起CO在容器中发生急速燃烧而导致爆炸；
(2)因为受气流的影响，通入容器中的CO不可能100%的参加了反应，故实验的尾气中往往含有未参加反应的CO，因此在实验中必须设计尾气的收集（如可用瘪气球收集）或尾气的处理（如放一只燃着的酒精灯）装置。
【同类拓展】　2．物质的性质决定着物质在生产和生活中的用途。木炭和一氧化碳都具有还原性，可用于冶炼金属。请根据右图回答：
(1)请写出下列反应的化学方程式：
①木炭还原氧化铜：_____________________
②一氧化碳还原氧化铁：_____________________
(2)A、B装置中澄清石灰水的作用是________________________________________。
(3)B装置最右端酒精灯的作用是________________________________________。
(4)在A装置中．当观察到_____________________现象时，证明木炭粉末和氧化铜粉末已经完全反应。
考点3　含杂质物质的相关计算
例3
铁是我们生活中常见的金属。在高温下，利用一氧化碳可把铁从铁矿石里还原出来。某炼铁厂现用1000t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量是_______t。（计算结果精确到0.1）
【切题技巧】　矿石中除含有氧化铁外，还含有杂质，杂质并不能用于炼铁，另外，最终炼出的是含杂质的生铁，而我们通过化学式或化学方程式计算出的产物铁的质量是纯铁的质量，即纯氧化铁的质量＝矿石的质量×80%＝1000t·80%＝800t；生铁的质量＝纯铁的质量÷96%＝800t·÷96
%
≈583.3t。
【规范解答】　583.3t
【借题发挥】　化学方程式中反应物和生成物均有一个固定的质量比，这是我们利用化学方程式进行计算的依据。需要注意的是，上述物质之间的质量比是纯物质的质量比，因此当参与反应的物质不是纯净物时，先要把含杂质物质的质量换算成纯净物的质量，再进行计算。
纯净物的质量＝不纯物质的质量×该纯净物在不纯物质中的质量分数
【同类拓展】　3．工业上火法炼铜的一个主要反应是Cu2S＋O22Cu＋SO2。Cu2S中铜元素的质量分数为_______，其中铜元素的化合价为_______，用500吨含Cu2S
80%的铜矿石，理论上可以炼出_______吨含杂质1%的铜。
考点4　金属的锈蚀和防护
例4
小明对铁的锈蚀进行如下探究：室温时，将包
有样品的滤纸包用大头针固定在橡胶塞上，迅速塞紧，装
置如图所示。观察到量筒内水沿导管慢慢进入广口瓶(净容
积为146mL)。当温度恢复至室温读数（此时瓶内氧气含量
近似为零）。记录起始和最终量筒的读数以及所需时间如下表：
(1)实验①和②说明NaCl可以_______（填“加快”或“减慢”）铁锈蚀的速率。
(2)实验开始后，广口瓶内温度有所上升，说明铁的锈蚀过程是_______（填“放热”或“吸热”）过程。
(3)实验结束后取出滤纸包，观察到有红棕色物质生成，该物质的化学式是_______。
(4)实验①和③是探究碳对铁锈蚀速率的影响，请在表格空白处填写实验③的样品组成。
(5)该装置还可用于测量空气中氧气的含量，根据上述数据计算氧气的体积含量是_______%（保留3位有效数字）。
(6)现仅提供：量筒、大烧杯、玻璃棒、水、滤纸包（内含1g铁粉、0.2g碳、10滴水和少量NaCl），请你帮助小明再设计一个测量空气中氧气体积含量的实验方案，
在右框中画出实验装置示意图即可（注明滤纸包的位置）。
【切题技巧】　实验②比实验①所需的时间短说明NaCl能加
快铁锈蚀的速率；铁的锈蚀是缓慢氧化，氧化反应均有热量放出，
从而使温度计示数上升；要探究碳对铁锈蚀速率的影响，则只能
改变碳的用量，而铁粉和水的滴数不变；在不用导管的情况下，
量筒口朝下倒扣于烧杯里的水中，根据量筒中液面上升的高度即可确定空气中氧气的体积分数。
【规范解答】　(1)加快
(2)放热　(3)
Fe2O3(或Fe2O3·xH2O)
(4)1g铁粉、10滴水
(5)20.5　(6)见图（画图时须注意：①画出量筒倒扣于烧杯中，且量筒口在水面以下；②须标出滤纸包位于量筒的底部）
【借题发挥】　设计对比实验是进行科学探究的常用方法，控制变量法是设计对比实验的首要原则。在设计对比实验时，首先要设计对照实验，其它实验设计时一定要保证每个实验控制一个变量，即改变一个条件，其它条件必须保持和对照实验相同。
【同类拓展】　4．铜制品是应用广泛的金属材料。某校化学兴趣小组的同学探究金属腐蚀的原因，设计如下实验：
一同学联想到家里铜制餐具上有一层绿色物质，认为铜在空气中也会生锈。他们上网查阅资料，知道这种绿色物质的化学成分为Cu2(OH)2CO3（铜绿）。他们根据铜绿组成和空气的成分大胆猜测，铜生锈的条件是铜与空气中的O2、_______和_______共同作用。为了验证猜想，同学们设计了如下对比实验（如图，图中所有蒸馏水都是经煮沸处理的）。则A、B、C、D四个实验中，实验_______的设计是不合理的，应去掉，因为_______，还需要补充一个实验，请在下图中的虚线框图示该实验方案。实验结果显示同学们的猜想是正确的。请写出铜在空气中生成铜绿的化学方程式_____________________。
【参考答案】
1．(1)①②④　(2)延展性
(3)铝在常温下能与空气中的氧气反应，其表面生成一层致密的氧化铝薄膜，从而阻止铝进一步氧化
(4)铜的导电能力比铁强　(5)Al2(SO4)3和CuSO4（其它答案合理均可）
2．(1)①C＋2CuO2Cu＋CO2↑
　
②3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
(2)证明反应后有CO2生成
(3)处理尾气，避免其中的CO排入大气，造成污染。
(4)澄清的石灰水中不再有气泡冒出时
3．80%
＋1
323.23
4．H2O
　CO2
B
该实验只考虑了水这个单一因素，
违反了控制变量法的实验设计原则，补充实验方案如
右图所示。2Cu＋O2＋H2O＋CO2＝Cu2(OH)2CO3
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