第四讲用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物一、选择题1．2022年日本地震，导致福岛第一核电站引发的核危机。核反应堆的第一层护罩是锆锡合金外壳，第二层护罩是压力仓，第三层护罩用最坚固的钢和混凝土制成的非常厚的球体。下列叙述错误的( )A．锆锡合金、钢、混凝土都属于混合物B．钢的硬度和熔沸点都高于纯铁C．锆锡合金和钢属于金属材料，混凝土属于传统的硅酸盐材料D．在高温下，钢和水蒸气可发生反应产生氢气解析 钢是铁碳合金，其硬度大于纯铁，但熔点低于纯铁。答案 B2．自然界地表层原生铜的硫化物经氧化、淋滤作用后变成CuSO4溶液，向地下深层渗透，遇到难溶的ZnS或PbS，慢慢转变为铜蓝(CuS)。下列分析正确的是( )A．CuS的溶解度大于PbS的溶解度B．原生铜的硫化物具有还原性，而铜蓝没有还原性C．CuSO4与ZnS反应的离子方程式是Cu2＋＋S2－===CuS↓D．整个过程涉及的反应类型有氧化还原反应和复分解反应解析 CuSO4与PbS反应可以生成CuS，所以CuS的溶解度小于PbS的，A错误；硫化物中硫的化合价为－2，均具有还原性，B错误；ZnS难溶于水，不能写成离子形式，C错误；铜的硫化物首先被氧化成CuSO4，然后硫酸铜与ZnS、PbS发生复分解反应生成更难溶的CuS，D正确。答案 D3．下列叙述正确的是( )A．将CO2通入BaCl2溶液中至饱和，无沉淀产生；再通入SO2，产生沉淀B．在稀硫酸中加入铜粉，铜粉不溶解；再加入Cu(NO3)2固体，铜粉仍不溶解C．向AlCl3溶液中滴加氨水，产生白色沉淀；再加入过量NaHSO4溶液，沉淀消失D．纯锌与稀硫酸反应产生氢气的速率较慢；再加入少量CuSO4固体，速率不改变解析 A项，BaCO3、BaSO3都与H＋反应，不可能存在于强酸性环境中；B项，加Cu(NO3)28\n固体后会发生：3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O的离子反应，铜粉会溶解；C项，发生的反应依次为Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH，Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O；D项，Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，生成的少量Cu附着在Zn粒上，形成CuZn原电池，会加速产生H2的速率。答案 C4．氢化亚铜(CuH)是一难溶物质，用CuSO4溶液和另一种“反应物”在40℃～50℃时反应可生成它。CuH不稳定，易分解；CuH在氯气中能燃烧，跟盐酸反应能产生气体。下列有关推断中错误的是( )A．这里的另一种“反应物”具有还原性B．CuH可作氧化剂、还原剂C．CuH＋Cl2―→CuCl＋HCl(燃烧)D．CuH＋HCl―→CuCl＋H2↑(常温)解析 C项中Cl2具有强氧化性，产物应为CuCl2和HCl。答案 C5．以氮化硅(Si3N4)和氧化铝(Al2O3)为原料，采用常压烧结或热压工艺制备赛伦(Sialan)。赛伦的化学通式为Si6－xAlxOxN8－x，以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等性能为主要特征，因此，在冶金、机械、光学、医学等领域有重要应用。它属于( )A．金属材料B．有机高分子材料C．新型无机非金属材料D．无机高分子材料解析 赛伦是Si、Al、O、N形成的化合物，不属于金属材料，A项错；由赛伦的化学式可知，其分子中氮原子数不超过8，故B、D项均错。答案 C6．已知酸性条件下有如下反应：2Cu＋===Cu2＋＋Cu↓。由于反应温度不同，用氢气还原氧化铜时，可能产生Cu或Cu2O，两者都是红色固体。一同学对某次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体产物作了验证，实验操作和实验现象记录如下：8\n加入试剂稀硫酸浓硫酸、加热稀硝酸浓硝酸实验现象有红色固体剩余和溶液变为蓝色产生无色气体产生无色气体和溶液变为蓝色产生红棕色气体和溶液变为绿色由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物是( )A．CuB．Cu2OC．一定有Cu，可能有Cu2OD．一定有Cu2O，可能有Cu解析 此题是通过实验现象推测反应的本质。H2还原CuO生成红色固体，可能是Cu和Cu2O中的一种或两种，加入稀H2SO4溶液变蓝色和得到红色固体，证明原固体中一定含有Cu2O而Cu不能证明其有无。答案 D7．钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、耐腐蚀等，尤其是钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”。根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是( )A．用来做保险丝B．用于制造航天飞机C．用来制造人造骨D．用于家庭装修，做钛合金装饰门解析 由于钛和钛的合金密度小、可塑性好，因此可用于航天领域，B正确；由于钛和钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”，可与人体的组织相容，不引起排异反应，因此可以用来制造人造骨，C正确；由于其密度小、可塑性好、易于加工，因此可用于家庭装修，做钛合金装饰门，D正确；只有A错误，由于其熔点高，不适合做保险丝。答案 A8．某合金(仅含铜、铁)中铜和铁的物质的量之和为ymol，其中Cu的物质的量分数为a，将其全部投入50mLbmol·L－1的硝酸溶液中，加热使其充分反应(假设NO是唯一的还原产物)。下列说法正确的是( )A．若金属有剩余，在溶液中再滴入硫酸后，金属又开始溶解B．若金属全部溶解，则溶液中一定含有Fe3＋8\nC．若金属全部溶解，且产生336mL气体(标准状况)，则b＝0.3D．当溶液中金属离子只有Fe3＋、Cu2＋时，则a与b的关系为：b<80y解析 A项中铁铜合金与硝酸反应除生成NO外，还要生成相应的硝酸铁、硝酸铜等盐，即溶液中存在NO，当在其中加入H2SO4时，H＋和NO可继续氧化剩余的金属，A正确；B项中，因Fe3＋也可以氧化Cu而被还原为Fe2＋，因此当金属全部溶解时也可能只有Fe2＋、Cu2＋，B错；C项中，因没有告诉溶液中所含的铁离子是Fe2＋、Fe3＋，还是两者都有，故无法计算b；D项中，根据题设条件，n(Cu)＝ay，n(Fe)＝(1－a)y，所以当溶液中只有Cu2＋和Fe3＋时它们对应的n(NO)＝2ay＋3(1－a)y＝(3－a)y，因此根据硝酸中的N守恒，硝酸的浓度b至少应等于＝80y，故D错。答案 A二、非选择题9．0.80gCuSO4·5H2O样品受热脱水过程的热重曲线(样品质量随温度变化的曲线)如下图所示。请回答下列问题：(1)试确定200℃时固体物质的化学式_______________________________________8\n_________________________________________________________(要求写出推断过程)；(2)取270℃所得样品，于570℃灼烧得到的主要产物是黑色粉末和一种氧化性气体，该反应的化学方程式为__________________________。把该黑色粉末溶解于稀硫酸中，经浓缩、冷却，有晶体析出，该晶体的化学式为________，其存在的最高温度是________；(3)上述氧化性气体与水反应生成一种化合物，该化合物的浓溶液与Cu在加热时发生反应的化学方程式为__________________________________________________________；(4)在0.10mol·L－1硫酸铜溶液中加入氢氧化钠稀溶液充分搅拌，有浅蓝色氢氧化铜沉淀生成，当溶液的pH＝8时，c(Cu2＋)＝________mol·L－1(Ksp[Cu(OH)2]＝2.2×10－20)。若在0.1mol·L－1硫酸铜溶液中通入过量H2S气体，使Cu2＋完全沉淀为CuS，此时溶液中的H＋浓度是________mol·L－1。解析 该题考查铜及其化合物的性质及其相关化学方程式的书写。(1)由图像可知：200℃时，0.80gCuSO4·5H2O分解后剩余固体为0.57g，可分析出结晶水未完全失去。由CuSO4·5H2OCuSO4·(5－n)H2O＋nH2O可求出n等于4。(2)由图像可看出270℃时固体质量为0.51g，经过计算分析该固体为CuSO4，当加热到102℃时CuSO4·5H2O质量减少，说明该温度时晶体已开始分解，其存在的最高温度是102℃。(4)由pH＝8知c(OH－)＝mol·L－1＝10－6mol·L－1，再根据Ksp[Cu(OH)2]＝2.2×10－20＝c(Cu2＋)·c2(OH－)可求出c(Cu2＋)；H2S＋CuSO4===CuS↓＋H2SO4，由题给数据可求出c(H＋)＝0.2mol·L－1。答案 (1)CuSO4·5H2OCuSO4·(5－n)H2O＋nH2O 250 18n 0.80g 0.80g－0.57 g＝0.23gn＝4200℃时该固体物质的化学式为CuSO4·H2O(2)CuSO4CuO＋SO3↑8\nCuSO4·5H2O 102℃(3)2H2SO4(浓)＋CuCuSO4＋SO2↑＋2H2O(4)2.2×10－8 0.210．物质A～G有下图所示转化关系(部分反应物、生成物没有列出)。其中A为某金属矿的主要成分，经过一系列反应可得到B和C。单质C可与E的浓溶液发生反应，G为红色沉淀。请回答下列问题：(1)写出下列物质的化学式：B________、E________、G________；(2)利用电解可提纯C物质，在该电解反应中阳极物质是________，阴极物质是________，电解质溶液是________；(3)反应②的化学方程式是___________________________________________________。解析 (1)由G为红色沉淀及F转化为G的条件可知，G为Cu2O，则C为Cu，E为浓硫酸或者硝酸，结合题中所给的信息可知，矿物A应为Cu2S，则B为SO2，D为SO3，E为浓硫酸而不是硝酸，F为CuSO4。(2)用电解法提纯金属铜的方法是将粗铜作为电解池的阳极，精铜作为电解池的阴极，一般用CuSO4溶液作电解质溶液。(3)反应②的化学方程式：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。答案 (1)SO2 H2SO4 Cu2O(2)粗铜 精铜 CuSO4溶液(3)Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O11．铜合金是人类使用最早的金属材料，铜在化合物中的常见化合价为＋1、＋2。已知Cu2O与稀硫酸反应，溶液呈蓝色。现向Cu、Cu2O和CuO组成的混合物中，加入1L0.6mol·L－1HNO3溶液恰好使混合物溶解，同时收集到2240mLNO气体(标准状况)。请回答下列问题：(1)写出Cu2O跟稀硝酸反应的离子方程式_______________________________________。(2)若将上述混合物用足量的H2加热还原，所得到固体的质量为________。8\n(3)若混合物中含0.1molCu，将该混合物与稀硫酸充分反应，至少消耗H2SO4的物质的为________。解析 (1)Cu2O被稀HNO3氧化为Cu2＋，NO被还原为NO，同时生成H2O，其反应的离子方程式为：3Cu2O＋14H＋＋2NO===6Cu2＋＋2NO↑＋7H2O。(2)Cu、Cu2O、CuO与0.6molHNO3恰好完全反应时生成Cu(NO3)2、NO和H2O，根据N原子守恒可知：n[Cu(NO3)2]＝＝0.25mol，混合物中所含的Cu元素共有0.25mol，用H2还原Cu、Cu2O、CuO混合物后应得到0.25molCu，其质量为16g。(3)根据3Cu～2NO,3Cu2O～2NO，n(Cu)＝0.1mol，n(NO)＝0.1mol，可得混合物中Cu2O为0.05mol，故CuO为0.05mol。混合物中，0.1molCu不与稀H2SO4反应，0.05molCu2O、0.05molCuO与稀H2SO4反应，根据Cu2O、CuO与H2SO4反应结合H＋生成H2O，可得n(H2SO4)＝0.05mol＋0.05mol＝0.1mol。答案 (1)3Cu2O＋14H＋＋2NO===6Cu2＋＋2NO↑＋7H2O (2)16g (3)0.1mol12．由短周期元素组成的化合物X是某抗酸药的有效成分。甲同学欲探究X的组成。查阅资料：①由短周期元素组成的抗酸药的有效成分有碳酸氢钠、碳酸镁、氢氧化铝、硅酸镁铝、磷酸铝、碱式碳酸镁铝。②Al3＋在pH＝5.0时沉淀完全；Mg2＋在pH＝8.8时开始沉淀，在pH＝11.4时沉淀完全。实验过程：Ⅰ.向化合物X粉末中加入过量盐酸，产生气体A，得到无色溶液。Ⅱ.用铂丝蘸取少量I中所得的溶液，在火焰上灼烧，无黄色火焰。Ⅲ.向Ⅰ中所得的溶液中滴加氨水，调节pH至5～6，产生白色沉淀B，过滤。Ⅳ.向沉淀B中加过量NaOH溶液，沉淀全部溶解。Ⅴ.向Ⅲ中得到的滤液中滴加NaOH溶液，调节pH至12，得到白色沉淀C。(1)Ⅰ中气体A可使澄清石灰水变浑浊，A的化学式是_______________________________________________________________________________________________________。(2)由Ⅰ、Ⅱ判断X一定不含有的元素是磷、_______________________________________________________________________________________________________________。(3)Ⅲ中生成B的离子方程式是________________________________________________________________________________________________________________________。8\n(4)Ⅳ中B溶解的离子方程式是_________________________________________________________________________________________________________________________。(5)沉淀C的化学式是________。(6)若上述n(A)∶n(B)∶n(C)＝1∶1∶3，则X的化学式是________。解析 实验过程分析：由Ⅰ知，X中的阴离子有CO或HCO，无SiO，因SiO＋2H＋===H2SiO3↓，而题述是得到无色溶液；由Ⅱ知无Na＋，即X不是NaHCO3；由Ⅲ知，X中一定有铝元素，但不能确定是否有镁元素；由Ⅳ进一步明确铝元素的存在；由Ⅴ知X中有镁元素，X是化合物，由此推知X是碱式碳酸镁铝。(6)n(CO2)∶n[Al(OH)3]∶n[Mg(OH)2]＝1∶1∶3，根据电荷守恒可知X的组成为Mg3Al(OH)7CO3。答案 (1)CO2 (2)钠、硅(3)Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH(4)Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O(5)Mg(OH)2(6)Mg3Al(OH)7CO8
