專題05 金屬和金屬材料（原卷版）

專題05金屬和金屬材料

知識01金屬材料知識02合金知識03金屬的化學(xué)性質(zhì)知識04置換反應(yīng)知識05金屬活動性知識06鐵的冶煉知識07金屬冶煉和金屬的保護方法01金屬活動性的判斷實驗設(shè)計方法02濾渣、濾液成分的判斷及溶液質(zhì)量變化方法03金屬與酸反應(yīng)數(shù)據(jù)和圖像分析知識01金屬材料1.金屬材料：包括純金屬（純凈物）和合金（混合物）。2.金屬的物理性質(zhì)及用途共性①導(dǎo)電性→用銅絲制作導(dǎo)線②導(dǎo)熱性→用鐵鍋做飯

③延展性→鋁能制作鋁箔④有金屬光澤→制作各種裝飾品個性顏色：大多數(shù)金屬是銀白色，而銅呈紫紅色，金呈金黃色，鐵粉呈黑色

狀態(tài)：常溫下，大多數(shù)金屬為固體，而汞為液體【歸納總結(jié)】（1）生活中應(yīng)用的金屬：干電池外皮→鋅/錳；“銀粉”→鋁；水銀溫度計→汞；“錫箔”紙→鋁或錫；保溫瓶內(nèi)膽→銀。（2）物質(zhì)的性質(zhì)在很大程度上決定了物質(zhì)的用途，另外還需要考慮價格、資源、是否美觀、使用是否便利以及是否容易回收和對環(huán)境的影響等多種因素。3.金屬之最（1）地殼中含量最多的金屬元素鋁（6）熔點最高的金屬鎢（2）人體中含量最多的金屬元素鈣（7）熔點最低的金屬汞（3）目前世界年產(chǎn)量最多的金屬（鐵>鋁>銅）鐵（8）密度最大的金屬鋨（4）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最好的金屬（銀>銅>金>鋁）銀（9）密度最小的金屬鋰（5）硬度最高的金屬鉻【例1】（2023·湖南湘潭·統(tǒng)考中考真題）2023年5月28日，國產(chǎn)大型客機C919首次商業(yè)載客飛行成功，C919在制造過程中使用了鋁鋰合金、鈦合金、超高強度鋼等大量金屬材料。下列有關(guān)金屬材料的說法錯誤的是（）A．合金中一定只含金屬元素 B．金屬材料包括純金屬和合金C．鈦合金的硬度比純鈦更大 D．超高強度鋼屬于一種鐵合金知識2合金概念在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬制得的具有金屬特征的物質(zhì)性能與組成他們的純金屬相比，強度和硬度更高、熔點更低、抗腐蝕性更強常見的合金鐵合金：生鐵——含碳量2%~4.3%；鋼——含碳量0.03~2%（二者物理性質(zhì)不同的原因是：含碳量不同）鈦合金：抗腐蝕性能好，用于火箭、導(dǎo)彈、船舶、化工和通信設(shè)備等，與人體有很好的“相容性”，常用于制造人造骨其他合金：不銹鋼、錳鋼、黃銅、、青銅、白銅焊錫、硬鋁、18K黃金等補充可以用相互刻畫的方式比較金屬與合金的硬度，如圖【例2】（2023·江蘇無錫·統(tǒng)考中考真題）北京冬奧會使用了多種新型材料。（1）鋁合金屬于(填序號)。a．金屬材料

b．合成材料

c．復(fù)合材料（2）“飛揚”火炬的外殼使用碳纖維樹脂。碳纖維的硬度是鋼的7倍，密度只有鋼的1/4，能承受1200℃的高溫；樹脂選用高溫阻燃型。你認為作為火炬外殼的材料應(yīng)具備的性能是(寫出一點即可)，其理由是。知識3金屬的化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)舉例與氧氣反應(yīng)通式：金屬+氧氣→金屬氧化物（化合反應(yīng)）鋁：4Al+3O2===2Al2O3（鋁具有很好的抗腐蝕性的原因：鋁在空氣中表面會生成一層致密的氧化鋁薄膜阻止內(nèi)部的鋁進一步反應(yīng)）銅：2Cu+O2eq\o(=,\s\up7(△))2CuO現(xiàn)象：銅絲表面變黑金：很穩(wěn)定，在高溫下也不與氧氣反應(yīng)，即“真金不怕火煉”與酸反應(yīng)通式：活潑金屬+酸（稀鹽酸、稀硫酸）→鹽+氫氣（置換反應(yīng)）條件：金屬活動性順序排在氫之前鐵和稀鹽酸：Fe+2HCl===H2↑+FeCl2現(xiàn)象：有少量氣泡產(chǎn)生，溶液由無色變?yōu)闇\綠色鋅和稀硫酸：Zn+H2SO4===H2↑+ZnSO4現(xiàn)象：反應(yīng)較劇烈有較多氣泡產(chǎn)生與鹽反應(yīng)通式：金屬+鹽→新金屬+新鹽（置換反應(yīng)）鐵和硫酸銅：Fe＋CuSO4=Cu＋FeSO4現(xiàn)象：鐵表面有紅色固體析出，溶液由藍色變?yōu)榫G色銅和硝酸銀：Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag現(xiàn)象：銅表面有銀白色固體析出，溶液由無色變?yōu)樗{色【特別提醒】（1）鐵與稀硫酸、稀鹽酸及鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)時只能生成+2價的亞鐵離子（含F(xiàn)e2+的溶液顯淺綠色），不能生成+3價的鐵離子（含F(xiàn)e3+的溶液顯黃色）（2）金屬和鹽反應(yīng)的條件：a.反應(yīng)物中金屬單質(zhì)的活動性強于金屬鹽溶液中的金屬(K、Ca、Na除外)；b.必須在溶液中進行【例3】（湖南張家界·中考真題）金和黃銅（銅鋅合金）是生活中常見的物質(zhì)，下列試劑或方法不能將其區(qū)分的是（）A．稀硫酸 B．硝酸銀溶液 C．觀察顏色 D．灼燒知識4置換反應(yīng)1.定義：由一種單質(zhì)與一種化合物反應(yīng)，生成另一種單質(zhì)與另一種化合物的反應(yīng)。表達式：A+BC→AC+B2.置換反應(yīng)類型（1）金屬+酸→金屬化合物+H2（2）金屬+金屬化合物→另一金屬+另一金屬化合物（3）C+金屬氧化物→金屬單質(zhì)+CO2（4）H2+金屬氧化物→金屬單質(zhì)+H2O【易錯警示】CO+金屬氧化物→金屬單質(zhì)+CO2不屬于基本反應(yīng)類型。3.化學(xué)反應(yīng)基本類型反應(yīng)基本類型形式舉例化合反應(yīng)多變一CO2+H2O=H2CO3分解反應(yīng)一變多CaCO3CO2↑+CaO置換反應(yīng)單換單Fe＋CuSO4=Cu＋FeSO4【例4】（2023·廣東汕頭·?？既＃┣迦A大學(xué)研究人員成功研制出一種納米纖維催化劑，可將二氧化碳轉(zhuǎn)化成液體燃料甲醇，其微觀示意圖如圖(圖中的微粒恰好完全反應(yīng))所示。下列說法正確的是

A．乙是由離子構(gòu)成的B．該反應(yīng)屬于置換反應(yīng)C．甲是單質(zhì)，乙、丙、丁均為化合物D．該納米纖維在反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變知識5金屬活動性1.金屬活動性順序鉀鈣鈉鎂鋁鋅鐵錫鉛(氫)銅汞銀鉑金KCaNaMgAlZnFeSnPb（H）CuHgAgPtAu2.判斷依據(jù)（1）在自然界中的存在形式：以化合物形式存在的比以單質(zhì)形式存在的金屬活動性強（2）人類開發(fā)利用的時間：金屬活動性越強的金屬開發(fā)利用的越晚（3）金屬活動性順序：金屬的位置越靠前，它的活動性就越強；（4）與酸反應(yīng)：能與酸反應(yīng)的金屬比不能與酸反應(yīng)的金屬活動性強，位于氫前面的金屬能置換出稀鹽酸硫酸中的氫；（5）與鹽溶液反應(yīng)：若置換反應(yīng)能發(fā)生，則該金屬單質(zhì)的活動性強于鹽中的金屬；若置換反應(yīng)不能發(fā)生，則該金屬單質(zhì)的活動性弱于鹽中金屬；位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們的鹽溶液中置換出來(K、Ca、Na除外)3.應(yīng)用（1）判斷金屬被開發(fā)利用的先后。（2）判斷某些置換反應(yīng)能否發(fā)生。（3）判斷金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液、濾渣的成分及質(zhì)量分析?！纠?】（2023·安徽蚌埠·統(tǒng)考三模）金屬材料的使用作為一個時代的標志，見證了人類文明發(fā)展的過程。歷史上人類冶煉不同金屬的大致年代如下圖，下列有關(guān)說法不正確的是（）

A．通過敲打?qū)⑶嚆~制成不同形狀，是利用金屬的延展性B．煉鐵的原料主要有鐵礦石、焦炭和石灰石C．金屬鋁的利用比鎂、鈉晚，是因為鋁的金屬活動性強D．濕法煉銅工藝就是利用鐵和硫酸銅溶液反應(yīng)制取銅知識6鐵的冶煉一、工業(yè)煉鐵1.原料：鐵礦石、焦炭、空氣、石灰石2.原理：C+O2eq\o(=,\s\up7(點燃))CO2（提供熱量）C+CO2eq\o(=====,\s\up7(高溫))2CO（提供還原劑）3CO+Fe2O3eq\o(=====,\s\up7(高溫))2Fe+3CO24CO+Fe3O4eq\o(=====,\s\up7(高溫))3Fe+4CO23.設(shè)備：高爐煉鐵高爐及爐內(nèi)化學(xué)變化過程示意圖二、實驗室煉鐵1.煉鐵的原理利用一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)，化學(xué)方程式為3CO+Fe2O3eq\o(=====,\s\up7(高溫))2Fe+3CO2，實驗裝置如圖所示。2.操作步驟（1）檢查裝置的氣密性；（2）將氧化鐵粉末裝入玻璃管后固定在鐵架臺上；（3）點燃右端酒精燈；（4）給玻璃管通入一氧化碳；（5）加熱裝有氧化鐵的玻璃管；（6）結(jié)束時先熄滅酒精噴燈；（7）停止通入一氧化碳；（8）熄滅右端酒精燈。3.涉及的反應(yīng)方程式3CO+Fe2O3eq\o(=====,\s\up7(高溫))2Fe+3CO2（硬質(zhì)玻璃管中）CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O（試管中）2CO+O2eq\o(=,\s\up7(點燃))2CO2（右側(cè)導(dǎo)管口）4.實驗注意事項（1）實驗開始先通一氧化碳排盡玻璃管中的空氣，以免加熱時發(fā)生爆炸。（2）實驗結(jié)束時先停止加熱，繼續(xù)通入一氧化碳至溫度降低到室溫，防止生成的鐵在高溫時被氧化，同時防止試管中的石灰水倒吸進入灼熱的玻璃管。（3）一氧化碳有毒，實驗裝置中必須有尾氣處理裝置。5.實驗現(xiàn)象：玻璃管中紅色粉末變?yōu)楹谏?；試管中澄清石灰水變渾濁；玻璃?dǎo)管尖嘴處有藍色火焰?！纠?】（2023·河南安陽·統(tǒng)考三模）利用如圖所示實驗裝置模擬工業(yè)煉鐵(加特儀器未畫出)，下列說法正確的是（）

A．實驗開始時，應(yīng)先點燃酒精燈，再通入純凈的一氧化碳B．反應(yīng)過程中可觀察到a處固體由黑色逐漸變?yōu)榧t色C．實驗結(jié)束時，應(yīng)該停止加熱之后繼續(xù)通一氧化碳，直到玻璃管冷卻D．一氧化碳有毒，可用氫氧化鈉溶液吸收尾氣中的一氧化碳，防止污染空氣知識7金屬冶煉和金屬資源的保護一、銅的冶煉1.反應(yīng)原理用木炭還原氧化銅，化學(xué)方程式為C+2CuO2Cu+CO2↑。2.實驗裝置（1）金屬網(wǎng)罩的作用：聚集火焰，提高加熱溫度；為了使實驗效果更明顯，最好使用酒精燈。（2）實驗結(jié)束后，應(yīng)先從澄清石灰水撤出導(dǎo)管，再熄滅酒精燈的原因是：防止澄清石灰水倒吸入灼熱的試管使試管炸裂。（3）實驗結(jié)束后，待試管冷卻至室溫再倒出固體的目的：防止生成的銅再次被空氣中的氧氣氧化。3.實驗現(xiàn)象試管中的黑色粉末逐漸變?yōu)榧t色，澄清石灰水變渾濁。4.實驗拓展（1）出來用木炭還原氧化銅，還可選用H2、CO還原劑煉銅，分別寫出發(fā)生的化學(xué)方程式：H2+CuOeq\o(=,\s\up11(△))H2O+Cu；CO+CuOeq\o(=,\s\up11(△))CO2+Cu（2）濕法煉銅原理：Fe＋CuSO4=Cu＋FeSO4二、金屬資源的保護1.鐵生銹（1）鐵生銹的條件：Fe與H2O、O2同時接觸，鐵在潮濕的空氣中易生銹（2）鐵銹：Fe2O3?H2O（鐵銹疏松多孔、易吸水，如不及時除去可以加速鐵制品的生銹）（3）除銹：①物理方法：砂紙打磨②化學(xué)方法：鹽酸、稀硫酸除鐵銹2.銅生銹（1）銅生銹的條件：銅與氧氣，二氧化碳、水同時接觸，2Cu+CO2+H2O+O2===Cu2(OH)2CO3。（2）銅銹：Cu2(OH)2CO3。3.防止金屬生銹的措施（1）保持金屬表面清潔干燥；（2）涂一層保護膜(如：刷漆、涂油、鍍不活潑金屬或致密的氧化物薄膜)。（3）金屬的回收利用。（4）有計劃、合理地開采。（5）尋找金屬的代替品?！纠?】（2023·河南南陽·統(tǒng)考三模）某同學(xué)用光亮的細鐵絲和潔凈無銹的鐵釘分別做了如下圖所示的實驗。下列說法不正確的是（）

A．甲實驗中預(yù)先在集氣瓶中放入一些水的作用是防止高溫熔融物濺落炸裂瓶底B．根據(jù)乙、丙兩個實驗可得出鐵生銹只與氧氣有關(guān)C．根據(jù)乙、丙、丁三個實驗可得出鐵生銹需要有氧氣和水參與D．根據(jù)乙、丙、丁三個實驗可得出涂油或保持干燥均可以防止鐵制品生銹方法1金屬與酸反應(yīng)的曲線圖題1、氫氣質(zhì)量-時間圖像等質(zhì)量的金屬（等化合價）與足量的酸反應(yīng)等質(zhì)量的酸與足量的金屬反應(yīng)說明：①酸是足量的，說明金屬完全反應(yīng)，所以最終生成氫氣的質(zhì)量要依據(jù)金屬的質(zhì)量來計算。②金屬越活潑，圖示反應(yīng)物的曲線越陡，如Mg線比Zn線陡，Zn線比Fe線陡；③比值越大能力越強④當金屬在化合物中化合價相同時，金屬的相對原子質(zhì)量越小，與酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣越多，曲線的拐點越高?？珊唵胃爬椋骸霸蕉冈交?，越高越小”說明：金屬是足量的，說明酸完全反應(yīng)，最終生成氫氣的質(zhì)量要依據(jù)酸的質(zhì)量來計算，酸相等所以最終生成氫氣的質(zhì)量相等。如上圖所示所示。最終結(jié)論：Al>Mg>Fe>Zn最終結(jié)論：Al=Mg=Fe=Zn2、氫氣質(zhì)量-金屬（酸）質(zhì)量圖像等質(zhì)量的酸與等質(zhì)量的金屬反應(yīng)等質(zhì)量的酸與足量的金屬反應(yīng)說明：①開始時金屬質(zhì)量較少，酸過量，產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量由金屬的質(zhì)量決定，金屬產(chǎn)氫能力越強，生成氫氣越多（產(chǎn)氫能力：Al>Mg>Fe>Zn）②隨著金屬質(zhì)量不斷增加，最終金屬過量，故最終生成氫氣的質(zhì)量由酸的質(zhì)量決定，酸質(zhì)量相等，所以最終氫氣質(zhì)量相等說明：①a點前酸不足，產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量由酸的質(zhì)量決定，酸的質(zhì)量相等故四種金屬產(chǎn)生氫氣相等②b點后，酸足量產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量由金屬的質(zhì)量決定，最終產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量為Al>Mg>Fe>Zn③橫坐標不是時間，故該曲線無法表示反應(yīng)速率，無法判斷金屬活動性強弱最終結(jié)論：Al>Mg>Fe>Zn最終結(jié)論：Al=Mg=Fe=Zn【例8】（2023·河北滄州·統(tǒng)考模擬預(yù)測）分別向兩份100g濃度為9.8%的稀硫酸中加入足量且等量的鋅粉、鐵粉。繪制如圖所示的橫坐標為時間t或橫坐標為金屬質(zhì)量m的圖像，其中不正確的是（）A．

B．

C．

D．

方法2金屬活動性的判斷實驗設(shè)計1.實驗方案設(shè)計（1）兩種金屬活動性判斷實驗思路金屬和鹽溶液反應(yīng)金屬和酸反應(yīng)實驗方案現(xiàn)象鐵絲表面有紫紅色固體析出，溶液由藍色變?yōu)闇\綠色鐵絲表面有氣泡產(chǎn)生，銅絲表面無明顯現(xiàn)象結(jié)論金屬活動性：Fe>Cu（2）三種金屬活動性判斷實驗思路兩金夾一鹽兩鹽夾一金實驗方案現(xiàn)象鐵絲表面附著一層紫紅色固體，溶液由藍色變?yōu)闇\綠色，銀絲表面無明顯現(xiàn)象Fe(NO3)2溶液中無明顯現(xiàn)象，AgNO3溶液中銅絲表面有銀白色固體析出，溶液由無色變?yōu)樗{色結(jié)論金屬活動性：Fe>Cu>Ag2.實驗注意事項（1）實驗前，需先將金屬進行打磨的目的是：除去金屬表面的氧化膜及污物。（2）做金屬與酸反應(yīng)的實驗時，一般用稀鹽酸或稀硫酸，不用硝酸或濃硫酸。（3）金屬與鹽的反應(yīng)，鹽必須能（“能”或“不能”）溶于水。（5）在比較金屬活動性時需要注意控制變量法的應(yīng)用，如酸溶液或鹽溶液的溫度、濃度、體積需保持一致，金屬的形狀、表面積保持一致?！纠?】（2023·寧夏銀川·銀川唐徠回民中學(xué)?？级＃轵炞C三種金屬的活動性順序，現(xiàn)提供、稀硫酸、溶液、溶液、溶液等七種物質(zhì)，下列說法正確的是（）A．溶液是不可或缺的物質(zhì)B．為達到實驗?zāi)康?，最少要選擇三種物質(zhì)C．選擇和稀硫酸四種物質(zhì)可達到實驗?zāi)康腄．用Cu和溶液不能驗證Fe和Cu的金屬活動性順序方法3濾渣、濾液成分的判斷1.一種金屬與一種溶質(zhì)金屬鹽溶液反應(yīng)【例】將鋅粉加入一定量的硝酸鎂和硝酸銅的混合溶液中：第一步：將題目中涉及的金屬，按照金屬活動性由強到弱的順序排列：鎂>鋅>銅，判斷哪些反應(yīng)能發(fā)生。第二步：寫出發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：Zn+Cu(NO3)2=Cu+Zn(NO3)2。第三步：根據(jù)反應(yīng)程度判斷反應(yīng)后濾液、濾渣的成分及溶液、固體質(zhì)量的變化。①鋅與Cu(NO3)2反應(yīng)：濾液成分為Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Cu。②鋅與Cu(NO3)2恰好完全反應(yīng)：濾液成分為Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Cu。③Cu(NO3)2完全反應(yīng)，鋅有剩余：濾液成分為Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Zn、Cu。溶液質(zhì)量的變化及其原因：溶液質(zhì)量增大，因為參加反應(yīng)的Cu(NO3)2的質(zhì)量小于生成的Zn(NO3)2質(zhì)量。固體質(zhì)量的變化及其原因：固體質(zhì)量減小，因為參加反應(yīng)的Zn的質(zhì)量大于生成的Cu的質(zhì)量。2.一種金屬與兩種溶質(zhì)金屬鹽溶液反應(yīng)【例】將鋅粉加入一定量的硝酸鎂、硝酸銅和硝酸銀的混合溶液中：第一步：將題目中涉及的金屬，按照金屬活動性由強到弱的順序排列：鎂>鋅>銅>銀，判斷哪些反應(yīng)能發(fā)生。第二步：根據(jù)遠距離先置換，即金屬活動性相差越大（或位置距離越遠），反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生，判斷發(fā)生的先后順序，寫出化學(xué)方程式。先：Zn+2AgNO3=Zn(NO3)2+Ag。后：Zn+Cu(NO3)2=Cu+Zn(NO3)2。第三步：根據(jù)反應(yīng)程度判斷反應(yīng)后濾液、濾渣的成分及溶液、固體質(zhì)量的變化。①鋅與部分AgNO3反應(yīng)：濾液成分為Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、AgNO3、Mg(NO3)2，濾渣成分為Ag。②鋅與AgNO3恰好完全反應(yīng)：濾液成分為Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Ag。③鋅與全部AgNO3反應(yīng)且與部分Cu(NO3)2反應(yīng)：濾液成分為Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Ag、Cu。④鋅與AgNO3和Cu(NO3)2恰好完全反應(yīng)：濾液成分為Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Ag、Cu。⑤AgNO3、Cu(NO3)2完全反應(yīng)且鋅有剩余：濾液成分為Zn(NO3)2、Mg(NO3)2，濾渣成分為Ag、Cu、Zn。溶液質(zhì)量變化：溶液質(zhì)量可能增大、相等或減小。相等的原因是——Zn與Cu(NO3)2反應(yīng)使溶液質(zhì)量增大，Zn與AgNO3反應(yīng)使溶液質(zhì)量減小，當增大的質(zhì)量等于減小的質(zhì)量時溶液質(zhì)量相等。固體質(zhì)量變化：固體質(zhì)量可能增大、相等或減小。相等的原因是——Zn與AgNO3反應(yīng)使固體質(zhì)量增大，Zn與Cu(NO3)