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- 2021-08-06 发布
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第三单元 铁、铜的获取及应用 金属矿物的开发和利用
[考点分布]
知识内容
考试要求
2016年
2017年
2018年
2019年
2020年
4月
10月
4月
11月
4月
11月
4月
1月
(1)自然界铁、铜的存在形式,铁、铜的物理性质
a
(2)工业炼铁的反应原理
b
(3)铁、铜的化学性质(跟某些非金属、酸、盐的反应)
b
T27
T27、T31
T6、T27
T28
T9、T10、T29
T28
T13、T25
(4)Fe2+、Fe3+的性质及转化
c
T32(3)
T6、T24
T12
T29
T29
T24
T13、T27
(5)检验Fe2+、Fe3+的常用方法
c
T28
(6)不锈钢的主要组成元素及其用途
a
(7)化学理论的建立和发展与人类认识世界的关系
a
(8)化学科学的研究内容和发展前景
a
(9)化学在合成新物质、提高人类生活质量方面的重要作用
a
(10)金属活动性与金属冶炼方法的关系
a
T8
T9、T12
用物质分类思想认识铁及其重要化合物
1.铁的存在
2.铁的性质
(1)物理性质
纯铁具有金属的共性,如具有银白色金属光泽和良好的延展性,是电和热的良导体,具有能被磁铁吸引的特性,纯铁有很强的抗腐蚀能力。
(2)化学性质
铁是较活泼的金属,发生化学反应时可生成+2、+3两种价态的化合物。
常见反应如下:
Fe+
Fe
3.铁的氧化物和氢氧化物
(1)铁的氧化物
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
俗名
—
铁红
磁性氧化铁
颜色状态
黑色粉末
红棕色粉末
黑色晶体
(有磁性)
溶解性
难溶于水
难溶于水
难溶于水
铁的
化合价
+2
+3
+2,+3
稳定性
不稳定
稳定
稳定
与H+反
应的离子
FeO+2H+===Fe2++H2O
Fe2O3+6H+
===2Fe3++3H2O
Fe3O4+8H+
===Fe2++2Fe3++4H2O
方程式
(2)铁的氢氧化物
化学式
Fe(OH)2
Fe(OH)3
色态
白色固体
红褐色固体
与盐酸
反应
Fe(OH)2+2H+===
Fe2++2H2O
Fe(OH)3+3H+===
Fe3++3H2O
受热
分解
—
2Fe(OH)3
Fe2O3+3H2O
制法
可溶性亚铁盐与碱溶液反应:Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓
可溶性铁盐与碱溶液反应:Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
二者的
关系
在空气中,Fe(OH)2能够非常迅速地被氧气氧化成Fe(OH)3,现象是白色絮状沉淀迅速变成灰绿色,最后变成红褐色,反应方程式为4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
4.亚铁盐和铁盐
(1)亚铁盐
含有Fe2+的溶液呈浅绿色,Fe2+既有氧化性,又有还原性,Fe2+与Zn、Cl2反应的离子方程式分别为Zn+Fe2+===Zn2++Fe、2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-。
(2)铁盐
①氧化性:含有Fe3+的溶液呈棕黄色,Fe3+具有氧化性,Fe3+与Fe、Cu反应的离子方程式分别为2Fe3++Fe===3Fe2+、2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。
②特性:含有Fe3+的盐溶液遇到KSCN时变成血红色。
③易水解:FeCl3滴入沸水中的离子方程式为Fe3++3H2OFe(OH)3(胶体)+3H+。
题组一铁及其化合物的反应产物判断
1.(2020·平湖中学高一期末)下列物质不能通过化合反应直接制取的是( )
A.Cu(OH)2 B.Fe(OH)3
C.FeCl2 D.FeCl3
答案:A
2.铁屑溶于过量稀硫酸,过滤后向滤液中加入过量氨水,有白色沉淀生成,过滤,在空气中加热沉淀至质量不再发生变化为止,得到红棕色残渣,上述沉淀和残渣分别是( )
A.Fe(OH)3 Fe2O3 B.Fe(OH)2 Fe2O3
C.Fe(OH)2 Fe(OH)3 D.Fe(OH)2 Fe3O4
解析:选B。铁与稀硫酸反应生成FeSO4,再与过量氨水反应生成白色沉淀Fe(OH)2,在空气中加热Fe(OH)2,铁元素被氧化为+3价,最后所得红棕色残渣为Fe2O3。
3.(2020·杭州高一期末)下列叙述正确的是( )
A.Fe与稀HNO3、稀H2SO4反应均有气泡产生,说明Fe与两种酸均发生置换反应
B.足量的Fe在Cl2中燃烧生成FeCl2和FeCl3
C.Fe和Fe2O3等物质的量混合物溶于稀盐酸时无气体放出
D.Fe2O3FeCl3(aq)无水FeCl3,在给定的条件下能实现转化
解析:选C。稀HNO3具有强氧化性,与Fe反应产生的气体为NO,A项错;铁与Cl2反应无论量的多少产物都是FeCl3,B项错;C项中Fe2O3溶解产生Fe3+恰好将铁单质氧化,因而不能置换出H2,正确;FeCl3溶液加热时易水解,D项错。
4.在一定量的稀HNO3中慢慢加入铁粉,得到的Fe2+的物质的量(纵坐标)与所加铁粉的物质的量(横坐标)的关系如图所示。请将正确答案的序号填在相应的横线上。
①Fe3+ ②Fe2+ ③Fe、Fe2+ ④Fe2+、Fe3+
(1)AB段铁元素以________形式存在。
(2)BC段铁元素以________形式存在。
(3)CD段铁元素以________形式存在。
解析:向稀HNO3中加入铁粉,开始时稀HNO3过量应生成Fe3+,随加入铁粉量的增加,HNO3反应完全后,发生反应2Fe3++Fe===3Fe2+,最后Fe3+全部转化为Fe2+,CD段中还有过量的铁粉。
答案:(1)① (2)④ (3)③
(1)铁元素有+2、+3等多种价态,反应环境不同,可能反应产物不同,铁与非氧化性酸生成Fe2+。少量的Fe与氧化性酸反应生成Fe3+,过量的Fe与氧化性酸反应生成Fe2+。
(2)许多题目将Fe+2Fe3+===3Fe2+设置为隐含反应,如Fe与Fe2O3的混合物溶于盐酸时,需要注意生成的Fe3+还能氧化单质铁。
题组二Fe2+、Fe3+的检验
5.(2020·丽水选考模拟)下列离子的检验方法合理的是( )
A.向某溶液中滴入KSCN溶液呈血红色,说明不含Fe2+
B.用酸性KMnO4溶液检验FeCl3溶液中是否含有FeCl2
C.向某溶液中加入NaOH溶液,得红褐色沉淀,说明溶液中含有Fe3+
D.向某溶液中加入NaOH溶液得白色沉淀,又观察到颜色逐渐变为红褐色,说明该溶液中只含有Fe2+,不含有Mg2+
解析:选C。A项中只能说明含有Fe3+,不能说明不含Fe2+,不合理;B项中Cl-也能使KMnO4溶液褪色,不合理;D项中氧化后生成的红褐色沉淀Fe(OH)3也可能掩盖了白色沉淀Mg(OH)2,不合理。
检验Fe2+、Fe3+的常用方法
1.根据溶液颜色
含有Fe2+的溶液显浅绿色;含有Fe3+的溶液显棕黄色。
2.用KSCN溶液和氯水
(1)流程
溶液
(2)有关反应
Fe3++3SCN-Fe(SCN)3(血红色);
2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-。
3.用NaOH溶液
(1)流程
溶液
(2)有关反应
Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓(红褐色沉淀);
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓(白色沉淀),
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3。
题组三有关铁及其化合物的实验探究
6.(2019·浙江4月选考,T28)某同学设计如图装置(气密性已检查)制备 Fe(OH)2白色沉淀。
请回答:
(1)仪器1的名称为________。装置5的作用是________
________________________。
(2)实验开始时,关闭K2,打开K1,反应一段时间后,再打开K2,关闭K1,发现3中溶液不能进入4中。请为装置做一处改进,使溶液能进入4中:______________________。
(3)装置改进后,将3中反应后溶液压入4中,在4中析出了灰绿色沉淀。从实验操作过程分析没有产生白色沉淀的原因:___________________________________________。
答案:(1)滴液漏斗(或分液漏斗) 液封,防止空气进入装置4
(2)在装置2、3之间添加控制开关
(3)装置4内的空气没有排尽
成功制备Fe(OH)2的关键
由于Fe(OH)2具有很强的还原性,易被氧化为Fe(OH)3,在实验室中制备Fe(OH)2,并使Fe(OH)2长时间保持白色沉淀状态,成为物质制备实验探究的热点。
制备原理:Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓。
成功关键:(1)溶液中不含Fe3+和O2等氧化性物质;
(2)制备过程中,保证生成的Fe(OH)2在密闭的隔绝空气的体系中。
7.FeCl3在现代工业生产中应用广泛。某化学研究性学习小组模拟工业流程制备无水FeCl3,再用副产品FeCl3溶液吸收有毒的H2S。
经查阅资料得知:无水FeCl3在空气中易潮解,加热易升华。他们设计了制备无水FeCl3的实验方案,装置示意图(加热及夹持装置略去)及操作步骤如下:
①检验装置的气密性;
②通入干燥的Cl2,赶尽装置中的空气;
③用酒精灯在铁屑下方加热至反应完成;
④……
⑤体系冷却后,停止通入Cl2,并用干燥的N2赶尽Cl2,将收集器密封。
请回答下列问题:
(1)第③步加热后,生成的烟状FeCl3大部分进入收集器,少量沉积在反应管A右端。要使沉积的FeCl3进入收集器,第④步操作是___________________________________。
(2)操作步骤中,为防止FeCl3潮解所采取的措施有________(填步骤序号)。
(3)装置B中冷水浴的作用为__________________________________________;
装置C的名称为________;装置D中FeCl2全部反应后,因失去吸收Cl2的作用而失效,写出检验FeCl2是否失效的试剂:________________。
解析:根据FeCl3的性质及物质制备的相关知识解答。
(1)根据FeCl3加热易升华的性质,可以对反应管中沉积FeCl3的部位加热,使其升华。(2)为了防止FeCl3潮解,②赶尽装置中的空气,防止水蒸气存在;⑤冷却时要在Cl2中冷却,冷却后,用干燥的N2赶尽Cl2。(3)装置B中冷水浴的作用是将FeCl3蒸气冷却为FeCl3固体。装置C为干燥管。检验FeCl2是否失效就是检验D中是否存在Fe2+,可以用K3[Fe(CN)6]溶液检验,现象:若存在Fe2+,溶液中有蓝色沉淀生成。
答案:(1)在沉积的FeCl3固体下方加热
(2)②⑤
(3)冷却,使FeCl3沉积,便于收集产品 干燥管
K3[Fe(CN)6]溶液
8.(2020·舟山高三选考模拟)Fe3O4是重要的化学试剂,铁粉在氧气中燃烧是制取Fe3O4最为常见和快捷的方法。图1是制取四氧化三铁的系列装置,A装置用于制取二氧化碳气体,并要求气流稳定,流速可控,反应随关随停。
请回答下列问题:
(1)根据题目要求,在图2中最好选择________(填序号)作为A装置。
(2)在B装置中发生的主要反应的化学方程式是___________________________
________________________________________________________________________。
(3)当产生的气体与事先预热的铁粉接触时,在硬质玻璃管中将观察到的明显现象是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)图2中三个装置只有③可以达到随关随停的目的。(2)B装置中Na2O2与CO2反应生成Na2CO3和O2。(3)在硬质玻璃管中铁粉与O2剧烈反应,并有火星产生。
答案:(1)③ (2)2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2 (3)铁粉燃烧,火星四射
“铁三角”及其转化
“铁三角”的转化关系
题组一Fe2+与Fe3+的转化及应用
1.下列试剂中,不能使Fe2+转化为Fe3+的是( )
①氯气 ②NaCl溶液 ③KMnO4溶液 ④稀硝酸
⑤盐酸 ⑥NaNO3溶液
A.①②③ B.①③④
C.②④⑤ D.②⑤⑥
解析:选D。要实现Fe2+转化为Fe3+,必须加强氧化性物质,②NaCl、⑤HCl均没有强氧化性,⑥NO在酸性条件下才表现强氧化性。
2.(2020·宁波高三选考模拟)在FeCl3溶液蚀刻铜箔制造电路板的工艺中,废液处理和资源回收的过程简述如下:
Ⅰ.向废液中投入过量铁屑,充分反应分离出固体和滤液;
Ⅱ.向滤液中加入一定量石灰水,调节溶液pH,同时鼓入足量的空气。
(1)FeCl3蚀刻铜箔反应的离子方程式为_________________________________。
(2)过程Ⅰ加入铁屑的主要作用是______________________________________,
分离得到的固体主要成分是________________,从固体中分离出铜需采用的方法是________________________________________________________________________。
(3)过程Ⅱ中发生反应的化学方程式为_____________________________________
________________________________________________________________________。
解析:FeCl3溶液蚀刻铜箔的离子方程式为2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,得到的废液中含有FeCl3、CuCl2、FeCl2。
答案:(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+ (2)反应掉FeCl3、CuCl2 Fe、Cu 加入足量稀盐酸后过滤 (3)4FeCl2+4Ca(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3+4CaCl2
题组二铁及其化合物转化中的离子反应
3.下列各离子组能大量共存的是( )
A.Fe3+、NH、H+、SO
B.Fe3+、Br-、Na+、I-
C.Fe2+、AlO、Na+、NO
D.Fe3+、HCO、NH、NO
解析:选A。B项中Fe3+与I-易发生氧化还原反应不能大量共存;C项中Fe2+与AlO发生相互促进的水解反应不能大量共存;D项中Fe3+与HCO发生相互促进的水解反应不能大量共存。
4.(2020·嘉兴一中期末)下列离子在指定溶液中能大量共存的是( )
A.1.0 mol·L-1的KNO3溶液:H+、Fe2+、Cl-、SO
B.1.0 mol·L-1的FeCl2溶液:SO、Na+、K+、ClO-
C.使酚酞变红的溶液中:Na+、Cl-、SO、Fe3+
D.酸性溶液中:NO、SO、Fe3+、Mg2+
解析:选D。A项中KNO3在酸性条件下能氧化Fe2+;B项中ClO-能氧化Fe2+;C项中Fe3+在碱性条件下易生成Fe(OH)3沉淀,只能存在于酸性溶液中。
5.下列离子方程式书写正确的是( )
A.FeO固体放入稀硝酸中:
FeO+2H+===Fe2++H2O
B.过量的铁粉与稀硝酸反应:
Fe+4H++NO===Fe3++NO↑+2H2O
C.向氢氧化亚铁中加入足量的稀硝酸:
Fe(OH)2+2H+===Fe2++2H2O
D.向Fe(OH)3中加入氢碘酸:
2Fe(OH)3+6H++2I-===2Fe2++I2+6H2O
解析:选D。稀硝酸为氧化性酸,FeO、Fe(OH)2中+2价的Fe被氧化为Fe3+,A、C错误;铁粉过量时,生成的Fe3+与Fe继续反应生成Fe2+,B错误;I-具有较强的还原性,因而氢碘酸可把Fe(OH)3还原为Fe2+,D正确。
Fe2+、Fe3+性质的常见考查形式
1.+2价为铁元素的中间价态,Fe2+既有氧化性,又有还原性,但以还原性为主,常见的考查形式:
(1)酸性条件下,MnO、ClO-、NO等氧化性离子与Fe2+不能大量共存。
(2)Fe(OH)2的制备。
(3)亚铁盐在空气中易变质及其溶液的保存(加入铁粉)。
2.(1)Fe3+具有较强的氧化性,常见的考查形式:
①I-、S2-、SO等还原性离子与Fe3+不能大量共存;
②Fe3+与Fe、Cu、H2S等发生反应。
(2)Fe3+易水解,常涉及以下几种考查形式:
①Fe3+与HCO、AlO等易水解离子的共存问题;②FeCl3、Fe2(SO4)3溶液蒸干产物的判定;
③MgCl2溶液中Fe2+、Fe3+的除杂[用H2O2或Cl2氧化Fe2+,MgO或Mg(OH)2调pH,使Fe3+水解生成Fe(OH)3沉淀]。
题组三守恒思想在铁及其化合物计算中的应用
6.等质量的下列物质与足量稀硝酸反应,放出NO物质的量最多的是( )
A.FeO B.Fe2O3
C.FeSO4 D.Fe3O4
解析:选A。根据得失电子守恒,还原剂提供的电子越多,氧化剂硝酸生成的NO的物质的量就越多。
1 g题述四种物质能提供的电子的物质的量为
A.×1 mol;B.0 mol;C.×1 mol;D.×1 mol(Fe3O4也可以写为Fe2O3·FeO),提供电子的物质的量最多的为FeO。
7.(2020·宁波高一质检)有一块铁的“氧化物”样品,用140 mL 5.0 mol·L-1盐酸恰好将之完全溶解,所得溶液还能吸收0.025 mol Cl2,恰好使其中的Fe2+全部转变为Fe3+,则该样品可能的化学式为( )
A.Fe2O3 B.Fe3O4
C.Fe4O5 D.Fe5O7
解析:选D。根据2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-,可知铁的“氧化物”样品用盐酸溶解后所得溶液中n(Fe2+)=0.025 mol×2=0.05 mol,根据电荷守恒得2n(Fe2+)+3n(Fe3+)=n(Cl-)=0.14 L×5.0 mol·L-1=0.7 mol,则n(Fe3+)=0.2 mol,故n(Fe2+)∶n(Fe3+)=0.05∶0.2=1∶4,故该氧化物可表示为FeO·2Fe2O3,即Fe5O7。
8.向一定量的Fe、FeO、Fe2O3、Fe3O4的混合物中加入150 mL 4 mol·L-1
的稀硝酸恰好使混合物完全溶解,放出2.24 L NO(标准状况),往所得溶液中加入KSCN溶液,无血红色出现。若用足量的H2在加热条件下还原相同质量的混合物,所得到的铁的物质的量为( )
A.0.21 mol B.0.25 mol
C.0.3 mol D.0.35 mol
解析:选B。
n(HNO3)=0.6 mol,n(NO)=0.1 mol,反应后铁元素的存在形式为Fe(NO3)2,根据元素守恒,可知反应后溶液中的n(NO)=0.5 mol,n(Fe2+)=0.25 mol,即n(Fe)=0.25 mol。
9.(1)要确定铁的某氯化物FeClx的化学式,可用离子交换和滴定的方法。实验中称取0.54 g的FeClx样品,溶解后先进行阳离子交换预处理,再通过含有饱和OH-的阴离子交换柱,使Cl-和OH-发生交换。交换完成后,流出溶液的OH-用0.40 mol·L-1的盐酸滴定,滴至终点
时消耗盐酸25.0 mL。计算该样品中氯的物质的量,并求出FeClx中x的值。(列出计算过程)
(2)现有一含有FeCl2和FeCl3的混合物样品,采用上述方法测得n(Fe)∶n(Cl)=1∶2.1,则该样品中FeCl3的物质的量分数为______。在实验室中,FeCl2可用铁粉和________反应制备,FeCl3可用铁粉和______反应制备。
解析:(1)首先明确阳离子交换柱和阴离子交换柱的作用,根据离子等量交换,溶液中OH-的物质的量等于FeClx中Cl-的物质的量。通过中和滴定知n(OH-)=n(H+)=0.40 mol·L-1×25.0×10-3 L=0.010 mol,故n(Cl-)=0.010 mol。
FeClx中Fe元素的质量为0.54 g-35.5 g·mol-1×0.010 mol=0.185 g,FeClx中Fe元素与Cl元素的物质的量之比为∶0.010 mol≈1∶3,故x=3。
(2)根据题意可设该混合物的组成为FeCl2.1,利用十字交叉法可得样品中FeCl3的物质的量分数为10%。注意制备FeCl2选用弱氧化剂,制备FeCl3选用强氧化剂。
答案:(1)n(Cl)=0.025 0 L×0.40 mol·L-1=0.010 mol,
m(Fe)=0.54 g-0.010 mol×35.5 g·mol-1=0.185 g,
n(Fe)=0.185 g/56 g·mol-1≈0.003 3 mol,
n(Fe)∶n(Cl)=0.003 3∶0.010≈1∶3,故x=3。
(2)10% 盐酸 氯气
铜及其化合物
1.单质铜
(1)物理性质:紫红色固体,具有良好的延展性、导热性和导电性。
(2)化学性质
写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式:
①化学方程式:2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3(绿色固体)。
②化学方程式:2Cu+SCu2S。
③与氧化性酸反应
a.与浓硫酸共热的化学方程式:Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O;
b.与稀硝酸反应的离子方程式:3Cu+8H++2NO===3Cu2++2NO↑+4H2O。
④与盐溶液反应(写离子方程式)
a.与硝酸银溶液:Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+;
b.与FeCl3溶液:Cu+2Fe3+===2Fe2++Cu2+。
2.氧化铜和氧化亚铜
名称
氧化铜
氧化亚铜
颜色
黑色
砖红色
与酸反
应(H+)
CuO+2H+===
Cu2++H2O
Cu2O+2H+===
Cu2++Cu+H2O
与H2
反应
CuO+H2
Cu+H2O
Cu2O+H2
2Cu+H2O
转化关系
4CuO2Cu2O+O2↑
3.氢氧化铜
(1)物理性质:蓝色不溶于水的固体。
(2)化学性质及应用
4.CuSO4·5H2O
CuSO4·5H2O为蓝色晶体,俗称蓝矾、胆矾。无水CuSO4为白色粉末,遇水变蓝色(生成CuSO4·5H2O),可作为水的检验依据。
题组一铜及其化合物的性质
1.(2020·温州高一期末)下列有关铜的化合物的性质的叙述中正确的是( )
A.CuSO4变成CuSO4·5H2O是物理变化
B.一定条件下,新制的Cu(OH)2悬浊液能与乙醛反应但不能与乙酸反应
C.CuO是黑色固体,与水反应可生成Cu(OH)2
D.Cu2O遇硝酸可能会被氧化成Cu2+
解析:选D。CuSO4变成CuSO4·5H2O属于化学变化,A错;Cu(OH)2是碱,能与酸反应,B错;CuO不能与水反应,C错;Cu2O中铜处于低价态,能被强氧化剂硝酸氧化,D对。
2.下表中,对陈述Ⅰ、Ⅱ的正确性及其有无因果关系的判断都正确的是( )
选项
陈述Ⅰ
陈述Ⅱ
判断
A
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
Ⅰ对;
Ⅱ对;无
B
铜表面易形成致密的氧化膜
铜制容器可以盛放浓硫酸
Ⅰ对;
Ⅱ对;有
C
向硫酸铜溶液中通入氨气,有深蓝色沉淀产生,过滤后灼烧滤渣,最后变成黑色固体
把铜丝放在酒精灯火焰上灼烧,铜丝表面变黑
Ⅰ对;
Ⅱ对;有
D
蓝色硫酸铜晶体受热转化为白色硫酸铜粉末是化学变化
硫酸铜溶液可用作游泳池的消毒剂
Ⅰ对;
Ⅱ对;无
解析:选D。稀盐酸可以与Cu2(OH)2CO3反应,而且稀盐酸不能与Cu反应,所以可用稀盐酸除铜器表面的铜绿Cu2(OH)2CO3,Ⅰ、Ⅱ有因果关系,A错误;铜表面不能形成致密的氧化膜,铜与浓硫酸在一定温度下能发生反应,所以不能用铜制容器盛装浓硫酸,B错误;硫酸铜与氨水生成Cu(OH)2,Cu(OH)2受热分解生成黑色CuO,Ⅰ、Ⅱ均正确,但没有因果关系,C错误;蓝色硫酸铜晶体受热转化为白色硫酸铜粉末有新物质生成,属于化学变化,CuSO4可用作消毒剂,但与前者没有因果关系,D正确。
3.某研究小组通过实验探究Cu及其化合物的性质,操作正确且能达到实验目的的是( )
A.将铜丝插入浓硫酸中并加热,反应后再加入水,观察硫酸铜溶液的颜色
B.常温下将铜丝伸入盛满氯气的集气瓶中,观察CuCl2的生成
C.将CuCl2溶液在蒸发皿中加热蒸干,得到无水CuCl2固体
D.将表面有铜绿[Cu2(OH)2CO3]的铜器放入盐酸中浸泡,除去铜绿
解析:选D。A项浓硫酸溶于水时放热,应该是把反应后的溶液倒入水中,故该项错误;B项需要先加热铜才能与氯气发生反应,故该项错误;C项氯化铜溶液中存在水解平衡,加热蒸干过程中生成Cu(OH)2,Cu(OH)2受热分解最终得到CuO,故该项错误;D项铜和盐酸不反应,只有铜绿[Cu2(OH)2CO3]与盐酸反应,故该项正确。
铜及其化合物的颜色
物质
颜色
物质
颜色
Cu
紫红色
CuSO4
白色
CuO
黑色
CuSO4·5H2O
蓝色
Cu2O
砖红色
Cu2(OH)2CO3
绿色
Cu2S
黑色
Cu(OH)2
蓝色
题组二铜及其化合物转化关系的应用
4.(2020·湖州高三选考模拟)在FeCl3、CuCl2混合溶液中,加入一定量的铁屑,反应完全后将固体滤出,下列说法中正确的是( )
A.若滤出的固体中只有铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe2+,一定不含Cu2+
B.若滤出的固体中只有铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe2+,可能含Cu2+和Fe3+
C.若滤出的固体中只有铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe3+和Fe2+,一定不含Cu2+
D.若滤出的固体中含有铁和铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe2+,一定不含Cu2+和Fe3+
解析:选D。氧化性:Fe3+>Cu2+>Fe2+,加入铁屑后有固体剩余,Fe3+一定不存在;若剩余固体全部都是Cu,溶液中还可能有Cu2+,也可能恰好被完全置换;若剩余固体是Cu和Fe,则溶液中不可能有Cu2+。
5.为探究某固体化合物X(仅含四种元素)的组成和性质,某同学设计并完成如下实验。
请回答:
(1)蓝色溶液中的金属阳离子是________。
(2)黑色化合物→砖红色化合物的化学方程式是___________________________
________________________________________________________________________。
(3)X的化学式是________。
答案:(1)Cu2+(或铜离子)
(2)4CuO2Cu2O+O2↑
(3)Cu3(OH)2(CO3)2[或Cu(OH)2·2CuCO3、Cu3C2H2O8等]
从自然界获取铁和铜 金属矿物的开发和利用
一、从自然界获取铁和铜
1.铁、铜在自然界中的存在
铁和铜在自然界中主要以化合态的形式存在。常见的铁矿有磁铁矿(主要成分为Fe3O4)、赤铁矿(主要成分为Fe2O3)等;常见的铜矿有黄铜矿(主要成分为CuFeS2)、孔雀石[主要成分为CuCO3·Cu(OH)2]等。此外铁在自然界中还以游离态的形式存在于陨铁中。自然界中也存在少量的单质铜。
2.铁的冶炼
(1)原料:铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。
(2)设备:炼铁高炉。
(3)反应原理:用还原剂将铁从其化合物中还原出来。
(4)工艺流程:从高炉下方鼓入空气与焦炭反应产生CO2并放出大量的热量;CO2再与灼热的焦炭反应,生成CO;CO在高温下将氧化铁还原为铁。有关反应化学方程式:C+O2CO2;C+CO22CO;3CO+Fe2O32Fe+3CO2。
铁矿石中含有SiO2需除去:石灰石在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳,氧化钙与铁矿石中的二氧化硅等反应生成炉渣,有关反应化学方程式:CaCO3CaO+CO2↑;CaO+SiO2CaSiO3(炉渣)。炉渣的密度比铁水小,故浮在铁水上面,从而分离出去。
3.铜的制备与精炼
工业上主要采用高温冶炼黄铜矿(主要成分是CuFeS2)的方法获得铜。用这种方法冶炼得到的铜,含铜量为 99.5%~99.7%,还含有Ag、Au、Fe、Zn等杂质。要达到电气工业生产用铜的要求,这种由黄铜矿高温冶炼得到的铜还必须经过电解精炼,电解精炼得到的铜,含铜量高达 99.95%~99.98%。
二、金属矿物的开发和利用
1.合金
(1)概念:合金是指两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。
(2)性能
①多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点低。
②合金的硬度一般比它的各成分金属的硬度大。
③常见的合金——铝合金
成分金属
主要特性
主要用途
Al、Mg、Cu、S等
密度小、强度高
用于汽车、飞机、火箭、船舶制造
2.金属的冶炼方法
(1)热分解法(适用于Hg、Ag等不活泼金属)
反应方程式:2HgO2Hg+O2↑、2Ag2O4Ag+O2↑。
(2)热还原法(适用于Zn~Cu等中等活泼金属)
①焦炭还原法:如C还原CuO,化学方程式为C+2CuO2Cu+CO2↑。
②一氧化碳还原法:如CO还原Fe2O3,化学方程式为3CO+Fe2O32Fe+3CO2。
③氢气还原法:如H2还原Fe3O4,化学方程式为4H2+Fe3O43Fe+4H2O。
④活泼金属还原法(铝热反应):如Al还原Cr2O3,化学方程式为2Al+Cr2O3Al2O3+2Cr。
(3)电解法:如电解熔融Al2O3,化学方程式为2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑。
题组一铁的冶炼及应用
1.铁的氧化物有多种用途。请解答下面有关问题:
(1)赤铁矿的主要成分是Fe2O3,是工业炼铁的主要原料之一。写出由Fe2O3制得单质铁的化学方程式:__________________________________________________________
________________________________________________________________________。某赤铁矿除了含Fe2O3之外,还含有
少量的SiO2和Al2O3。将试样溶于NaOH溶液,充分反应后过滤,即可得到较纯净的Fe2O3。该过程中发生反应的离子方程式是________________________________________。
(2)Fe2O3可以与铝粉组成铝热剂用于焊接钢轨或定向爆破。某同学猜测,该反应所得熔融物中含有Fe2O3。他设计如下实验来验证自己的猜想:取少量试样,加入足量稀盐酸,然后滴加KSCN溶液,若出现血红色,证明含有Fe2O3。否则,不含有Fe2O3。你认为该方案合理吗?为什么?________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)工业冶炼铁是用CO作还原剂。SiO2、Al2O3能与NaOH溶液发生反应。(2)由于2Fe3++Fe===3Fe2+的干扰,该种方案不合理。
答案:(1)Fe2O3+3CO2Fe+3CO2(合理即可)
SiO2+2OH-===SiO+H2O、Al2O3+2OH-===2AlO+H2O
(2)不合理。因为Fe3+能跟铝热反应生成的Fe反应生成Fe2+,Fe2+遇SCN-不会出现血红色(答案合理即可)
题组二铜的冶炼及应用
2.铜在自然界存在于多种矿石中,如:
矿石
名称
黄铜矿
斑铜矿
辉铜矿
孔雀石
主要
成分
CuFeS2
Cu5FeS4
Cu2S
CuCO3·Cu(OH)2
请回答下列问题:
(1)工业上以黄铜矿为原料,采用火法熔炼工艺生产铜。该工艺的中间过程会发生反应:2Cu2O+Cu2S6Cu+SO2↑,反应的氧化剂是______________________。
(2)SO2尾气直接排放到大气中造成环境污染的后果是________________;处理该尾气可得到有价值的化学品,写出其中一种酸和一种盐的名称:________________________________________________________________________。
(3)黄铜矿熔炼后得到的粗铜含少量Fe、Ag、Au等金属杂质,需进一步采用电解法精制。请简述粗铜电解得到精铜的原理:___________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)Cu2O、Cu2S中的Cu由+1价被还原为0价,均作氧化剂;Cu2S中的S由-2价被氧化为+4价,作还原剂。
(2)处理SO2尾气一般为循环制备硫酸,或用氨水吸收,最后可得到(NH4)2SO4等化学品。
答案:(1)Cu2O和Cu2S
(2)形成酸雨 硫酸、硫酸铵
(3)电解池中,粗铜作阳极,纯铜作阴极,电解质为硫酸铜溶液。阳极上发生氧化反应,Cu、Fe失去电子,使Cu、Fe单质变为Cu2+、Fe2+进入溶液中:Cu-2e-===Cu2+、Fe-2e-===Fe2+;阴极上发生还原反应,Cu2+得到电子在阴极上析出Cu单质:Cu2++2e-===Cu,Ag、Au形成阳极泥,从而达到精制Cu的目的
课后达标检测
一、选择题
1.下列关于铁及其化合物的说法中,不正确的是( )
A.金属铁可以被磁铁吸引
B.铁元素有可变化合价
C.铁丝在氯气中燃烧生成FeCl2
D.常温下铁片遇浓硫酸会发生钝化
答案:C
2.(2020·金华十校第一次联考)下列说法中不正确的是( )
A.氟化银可用于人工降雨
B.从海水中获取食盐不需要化学变化
C.FeCl3溶液可用于制作印刷电路板
D.绿矾可用来生产铁系列净水剂
解析:选A。碘化银可用于人工降雨,故A错误;海水蒸发可获得食盐,故B正确;FeCl3溶液与铜反应生成氯化亚铁和氯化铜,可用于制作印刷电路板,故C正确;绿矾是硫酸亚铁,可用来生产铁系列净水剂,故D正确。
3.(2020·浙江“超级全能生”选考科目联考)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:
加入
试剂
稀硫酸
浓硫酸、
加热
稀硝酸
浓硝酸
实验
现象
红色固体
和蓝色
溶液
无色气体
无色气体
和蓝色
溶液
红棕色
气体和
蓝色
溶液
由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物是( )
A.Cu
B.Cu2O
C.一定有Cu,可能有Cu2O
D.一定有Cu2O,可能有Cu
解析:选D。本题考查铜及其化合物的主要性质。若产物只有Cu,与稀H2SO4作用不会得到蓝色溶液;若只有Cu2O符合各实验现象,若Cu2O中含有Cu也符合各现象。
4.(2020·浙江9+1联盟联考)下列叙述正确的是( )
A.铜的化学性质活泼,不宜用铜制作盛食品的器皿
B.盛放NaOH溶液的玻璃试剂瓶不能用玻璃塞
C.只用KSCN溶液就可检验FeCl3溶液中的少量Fe2+
D.普通玻璃的组成可用Na2O·CaO·6SiO2表示,是纯净物
解析:选B。A项中Cu的化学性质不活泼;C项中只用KSCN溶液不能检验Fe2+;D项中普通玻璃是混合物。
5.(2020·金华一中高一期末)下列说法不正确的是( )
A.通过加热分解HgO可制得单质Hg
B.炼铁时,还原剂CO将铁从铁矿石中还原出来
C.活泼金属Na、Al的冶炼都是通过电解其氯化物水溶液制得的
D.沙里淘金是利用金和沙子的密度不同,从而将金粒分离出来
解析:选C。C项,活泼金属Na、Al的冶炼分别通过电解熔融的氯化钠和氧化铝制得的。
6.(2019·浙江4月选考,T24)聚合硫酸铁[Fe(OH)SO4]n能用作净水剂(絮凝剂),可由绿矾(FeSO4·7H2O)和KClO3在水溶液中反应得到。下列说法不正确的是( )
A.KClO3作氧化剂,每生成1 mol [Fe(OH)SO4]n消耗6/n mol KClO3
B.生成聚合硫酸铁后,水溶液的pH增大
C.聚合硫酸铁可在水中形成氢氧化铁胶体而净水
D.在相同条件下,Fe3+比[Fe(OH)]2+的水解能力更强
答案:A
7.(2020·金华东阳二中选考模拟)如图所示的实验,发现烧杯中酸性KMnO4溶液褪色。若将烧杯中的溶液换成含有少量KSCN的FeSO4溶液,溶液呈血
红色。判断下列说法中不正确的是( )
A.该条件下H2燃烧生成了既具有氧化性又具有还原性的物质
B.该条件下H2燃烧的产物中可能含有一定量的H2O2
C.酸性FeSO4溶液中加入双氧水的离子反应为2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O
D.将烧杯中溶液换成KI淀粉溶液也能验证生成物具有还原性
解析:选D。酸性KMnO4溶液褪色说明H2燃烧生成了还原性的物质;将烧杯中的溶液换成含有少量KSCN的FeSO4溶液,溶液呈血红色,说明生成了具有氧化性的物质,故A、B项正确;将烧杯中的溶液换成KI淀粉溶液,只能体现I-的还原性,故不能证明生成物具有还原性,只能证明生成物具有氧化性,故D项错误。
8.为确定Fe2O3和Cu混合物的组成(假设混合均匀),某兴趣小组称取五份不同质量的样品,分别投入30.0 mL某浓度的稀硫酸中。充分反应后,
每组样品剩余固体的质量与原样品质量的关系如图所示。下列说法不正确的是( )
A.各组样品均发生反应:Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O、2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
B.1.76 g样品充分反应后,溶液中一定存在Fe2+和Cu2+,一定不存在Fe3+
C.该混合物中n(Fe2O3)∶n(Cu)=1∶3
D.稀硫酸的浓度为3.00 mol·L-1
答案:D
9.在Fe(NO3)3和Cu(NO3)2的混合液中逐渐加入铁粉,溶液中Fe2+的物质的量浓度和加入铁粉的物质的量之间关系如图所示,则该溶液中Fe(NO3)3与Cu(NO3)2的物质的量浓度之比为( )
A.3∶1 B.1∶2
C.2∶1 D.1∶1
解析:选C。注意纵坐标是 c(Fe2+)。由化学方程式:2Fe3++Fe===3Fe2+、Fe+Cu2+===Fe2++Cu,结合图像可知,c(Fe2+)的大小在0~3变化快,3是拐点,此前发生2Fe3++Fe===3Fe2+,在3~4范围内变化时发生Fe+Cu2+===Fe2++Cu。设溶液的体积为V L,由化学方程式2Fe3++Fe===3Fe2+可得,n(Fe3+)=n(Fe2+)=×V L×3 mol·L-1=2V mol,由化学方程式Fe+Cu2+===Fe2++Cu可得,n(Cu2+)=n(Fe2+)=V L×(4-3) mol·L-1=V mol,故c(Fe3+)∶c(Cu2+)=n(Fe3+)∶n(Cu2+)=2∶1。
10.(2020·绍兴一中高一期中)将三种黑色粉末组成的混合物加入到足量的某热浓酸中,充分反应后得到蓝绿色溶液和两种气体,将从蓝绿色溶液中分离得到的盐与0.15 mol还原铁粉恰好反应完全,可得浅绿色溶液和6.4 g红色沉淀;将上述生成的两种气体通入足量饱和NaHCO3溶液中,仍然收集到两种气体,据此推断黑色粉末可能为( )
A.物质的量 FeS∶CuO∶Fe=1∶1∶1
B.物质的量 C∶CuO∶Fe=3∶2∶2
C.质量 MnO2∶CuO∶C=5.5∶8∶12
D.质量 Fe∶C∶CuO=7∶5∶3
解析:选B。6.4 g红色沉淀为Cu,其物质的量为=0.1 mol,根据反应Fe+Cu2+===Fe2++Cu可知,生成0.1 mol铜需要消耗0.1 mol还原铁粉,而实际上消耗了0.15 mol铁粉,则反应后的溶液中除了含有Cu2+,还含有能够与铁反应的离子,结合选项可知应该为Fe3+;根据反应Fe+2Fe3+===3Fe2+可知,0.05 mol铁粉会消耗0.1 mol Fe3+,所以混合物中Cu2+与Fe3+的物质的量之比为1∶1;将上述生成的两种气体通入足量饱和NaHCO3溶液中,仍然收集到两种气体,该浓酸应该为浓硝酸,生成的气体为二氧化碳和二氧化氮气体,根据分析可知,满足条件的只有B。
11.为将含有FeCl3、FeCl2、CuCl2的废液中的Cu2+还原回收,某同学在含有a g铁粉的容器中加入废液,探究了加入废液体积与完全反应后体系中固体质量的关系,部分实验数据如下表所示。已知:废液中c(Cu2+)=0.7 mol·L-1;废液体积大于0.5 L,充分反应后才能检测出Cu2+。
废液体积/L
≤0.5
1
2
3
≥4
固体质量/g
a
a
a
a
0
下列说法不正确的是( )
A.当铁粉与0.25 L废液反应完全后,固体成分为Fe与Cu
B.当铁粉与1 L废液反应完全后,再加入废液时发生的离子反应为Fe+2Fe3+===3Fe2+
C.废液中c(Fe3+)=0.2 mol·L-1
D.要将1 L废液中的Cu2+全部还原,则至少需要铁粉44.8 g
答案:B
二、非选择题
12.(2017·浙江11月选考,T28)为了探究铁、铜及其化合物的性质,某同学设计并进行了下列实验。
已知:3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)。
请回答:
(1)虚线框处宜选择的装置是________(填“甲”或“乙”)
;实验时应先将螺旋状铜丝加热,变黑后再趁热迅速伸入所制得的纯净氢气中,观察到的实验现象是__________________________。
(2)实验后,取硬质玻璃管中适量的固体,用一定浓度的盐酸溶解,滴加KSCN溶液,没有出现血红色,说明该固体中没有+3价的铁。判断结论是否正确并说明理由:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案:(1)乙 铜丝由黑变红
(2)不正确,因为铁过量时:Fe+2Fe3+===3Fe2+
13.(2018·浙江4月选考,T29)称取4.00 g氧化铜和氧化铁固体混合物,加入50.0 mL 2.00 mol·L-1的硫酸充分溶解,往所得溶液中加入5.60 g铁粉,充分反应后,得固体的质量为3.04 g。请计算:
(1)加入铁粉充分反应后,溶液中溶质的物质的量:________。
(2)固体混合物中氧化铜的质量:________。
解析:向4.00 g氧化铜和氧化铁固体混合物中加入50.0 mL 2.00 mol·L-1硫酸充分反应,往所得溶液中再加入铁粉,充分反应后剩余固体有两种可能:第1种为单质铜,第2种为铁和铜的混合物,所得溶液中不含Fe3+。根据溶液中硫酸根离子守恒,所得溶质的物质的量为50.0×10-3×2.00 mol=0.100 mol,而加入溶液体系中的铁元素(氧化铁、铁粉)总物质的量大于0.100 mol,故可以判断加入的铁粉有剩余,剩余固体为铁和铜的混合物,所得溶液中的溶质为硫酸亚铁。(1)根据溶液中的硫酸根离子守恒,所得溶液中溶质的物质的量为n(FeSO4)=n(H2SO4)=0.100 mol。(2)设固体混合物中Fe2O3为x mol,CuO为y mol,根据质量守恒得:160x+80y=4.00,根据整个体系中金属元素守恒得:56×2x+64y+5.6=0.100×56+3.04,解得x=0.010 0,y=0.030 0,故固体混合物中CuO的质量为2.40 g。
答案:(1)0.100 mol (2)2.40 g
14.(2018·浙江11月选考,T29)某红色固体粉末可能是Fe2O3、Cu2O或二者混合物,为探究其组成,称取m g该固体粉末样品,用足量的稀H2SO4充分反应后,称得固体质量为a g。
已知:Cu2O+2H+===Cu2++Cu+H2O。
(1)若a=________(用含m的最简式表示),则红色固体粉末为纯净物。
(2)若a=m,则红色固体粉末中Fe2O3的物质的量为________mol(用含m的最简式表示)。
解析:固体粉末样品加入足量的稀H2SO4充分反应后,有固体剩余,所以该固体粉末中一定有Cu2O,不一定有Fe2O3。
(1)若红色固体粉末为纯净物,则该固体粉末中只有Cu2O。m g Cu2O的物质的量为
mol,根据离子方程式:Cu2O+2H+===Cu+Cu2++H2O,产生Cu的物质的量是 mol,则其质量为g。
(2)固体粉末样品加入足量的稀H2SO4充分反应后,称得固体质量为a g。设原样品中Fe2O3为x mol,Cu2O为y mol,则
Cu2O+2H+===Cu+Cu2++H2O
y mol y mol
Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O
x mol 2x mol
2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
2x mol x mol
反应后剩余的a g固体是Cu,则
160x+144y=m①
64(y-x)=m②
联立①②解得x=,y=。
答案:(1) (2)
15.(2017·浙江4月选考,T27)为探究黑色固体X(仅含两种元素)的组成和性质,设计并完成如下实验:
请回答:
(1)X的化学式是________。
(2)固体甲与稀硫酸反应的离子方程式是_________________________________
________________________________________________________________________。
(3)加热条件下氨被固体X氧化成一种气体单质,写出该反应的化学方程式:________________________________________________________________________。
解析:由X隔绝空气高温加热产生的气体能使带火星的木条复燃可知X中一定含有氧元素,再由固体甲(28.8 g)+稀硫酸溶液(蓝色)+固体乙(12.8 g,紫红色)可知X中一定含有铜元素,甲中也含有铜和氧两种元素,最后通过给出的质量关系可推出X为CuO,甲为Cu2O。
答案:(1)CuO (2)Cu2O+2H+===Cu2++Cu+H2O
(3)3CuO+2NH33Cu+N2+3H2O