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专题 05 金属和金属材料
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知识01 金属材料 方法01 金属活动性的判断实验设计
知识02 合金 方法02 滤渣、滤液成分的判断及溶液质量变化
知识03 金属的化学性质 方法03 金属与酸反应数据和图像分析
知识04 置换反应
知识05 金属活动性
知识06 铁的冶炼
知识07 金属冶炼和金属的保护
知识 01 金属材料
1.金属材料：包括纯金属（纯净物）和合金（混合物）。
2.金属的物理性质及用途
①导电性→用铜丝制作导线 ②导热性→用铁锅做饭
共性
③延展性→铝能制作铝箔 ④有金属光泽→制作各种装饰品
颜色：大多数金属是银白色，而铜呈紫红色，金呈金黄色，铁粉呈黑色
个性
状态：常温下，大多数金属为固体，而汞为液体
【归纳总结】
（1）生活中应用的金属：干电池外皮→ 锌 / 锰 ；“银粉”→铝；水银温度计→汞；“锡箔”纸→铝或锡；
保温瓶内胆→银。
（2）物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，另外还需要考虑价格、资源、是否美观、使用是否便
利以及是否容易回收和对环境的影响等多种因素。
3.金属之最
（1）地壳中含量最多的金属元素 铝 （6）熔点最高的金属 钨
（2）人体中含量最多的金属元素 钙 （7）熔点最低的金属 汞
（3）目前世界年产量最多的金属（铁>铝>铜） 铁 （8）密度最大的金属 锇
（4）导电、导热性最好的金属（银>铜>金>铝） 银 （9）密度最小的金属 锂
（5）硬度最高的金属 铬
【例1】（2023·湖南湘潭·统考中考真题）2023年5月28日，国产大型客机C919首次商业载客飞行成功，
C919在制造过程中使用了铝锂合金、钛合金、超高强度钢等大量金属材料。下列有关金属材料的说法错误
的是（ ）
A．合金中一定只含金属元素 B．金属材料包括纯金属和合金
C．钛合金的硬度比纯钛更大 D．超高强度钢属于一种铁合金
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知识 2 合金
概念 在金属中加热熔合某些金属或非金属制得的具有金属特征的物质
性能 与组成他们的纯金属相比，强度和硬度更高、熔点更低、抗腐蚀性更强
铁合金：生铁——含碳量2%~4.3%；钢——含碳量0.03~2%
（二者物理性质不同的原因是：含碳量不同）
常见的合金 钛合金：抗腐蚀性能好，用于火箭、导弹、船舶、化工和通信设备等，与人体有很好的
“相容性”，常用于制造人造骨
其他合金：不锈钢、锰钢、黄铜、、青铜、白铜焊锡、硬铝、18K黄金等
补充
可以用相互刻画的方式比较金属与合金的硬度，如图
【例2】（2023·江苏无锡·统考中考真题）北京冬奥会使用了多种新型材料。
（1）铝合金属于 (填序号)。
a．金属材料 b．合成材料 c．复合材料
（2）“飞扬”火炬的外壳使用碳纤维树脂。碳纤维的硬度是钢的7倍，密度只有钢的1/4，能承受1200℃
的高温；树脂选用高温阻燃型。你认为作为火炬外壳的材料应具备的性能是 (写出一点即可)，其理由
是 。
知识 3 金属的化学性质
化学性质 举例
通式：金属+氧气→金属氧化物（化合反应）
铝：4Al+3O ===2Al O （铝具有很好的抗腐蚀性的原因：铝在空气中表面会生成一层致
2 2 3
与氧气反应 密的氧化铝薄膜阻止内部的铝进一步反应）
铜：2Cu+O ===== 2CuO 现象：铜丝表面变黑
2
金：很稳定，在高温下也不与氧气反应，即“真金不怕火炼”
通式：活泼金属+酸（稀盐酸、稀硫酸）→盐+氢气（置换反应）
条件：金属活动性顺序排在氢之前
铁和稀盐酸：Fe+2HCl===H ↑+FeCl
与酸反应 2 2
现象：有少量气泡产生，溶液由无色变为浅绿色
锌和稀硫酸：Zn+H SO ===H ↑+ZnSO
2 4 2 4
现象：反应较剧烈有较多气泡产生
通式：金属+盐→新金属+新盐（置换反应）
与盐反应
铁和硫酸铜： Fe ＋ CuSO == =Cu ＋ FeSO
4 4
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现象：铁表面有红色固体析出，溶液由蓝色变为绿色
铜和硝酸银： Cu ＋ 2AgNO == =Cu(NO ) ＋ 2A g
3 3 2
现象：铜表面有银白色固体析出，溶液由无色变为蓝色
【特别提醒】
（1）铁与稀硫酸、稀盐酸及盐溶液发生置换反应时只能生成+2价的亚铁离子（含Fe2+的溶液显浅绿色），
不能生成+3价的铁离子（含Fe3+的溶液显黄色）
（2）金属和盐反应的条件：a.反应物中金属单质的活动性强于金属盐溶液中的金属(K、Ca、Na除外)；b.
必须在溶液中进行
【例3】（湖南张家界·中考真题）金和黄铜（铜锌合金）是生活中常见的物质，下列试剂或方法不能将其
区分的是（ ）
A．稀硫酸 B．硝酸银溶液 C．观察颜色 D．灼烧
知识 4 置换反应
1.定义：
由一种单质与一种化合物反应，生成另一种单质与另一种化合物的反应。
表达式：A+BC→AC+B
2.置换反应类型
（1）金属+酸→金属化合物+H
2
（2）金属+金属化合物→另一金属+另一金属化合物
（3）C+金属氧化物→金属单质+CO
2
（4）H+金属氧化物→金属单质+H O
2 2
【易错警示】
CO+金属氧化物→金属单质+CO 不属于基本反应类型。
2
3.化学反应基本类型
反应基本类型 形式 举例
化合反应 多变一 CO+H O = HCO
2 2 2 3
分解反应 一变多
CaCO CO↑+CaO
3 2
置换反应 单换单 Fe＋CuSO ===Cu＋FeSO
4 4
【例4】（2023·广东汕头·校考三模）清华大学研究人员成功研制出一种纳米纤维催化剂，可将二氧化碳转
化成液体燃料甲醇，其微观示意图如图(图中的微粒恰好完全反应)所示。下列说法正确的是
A．乙是由离子构成的
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B．该反应属于置换反应
C．甲是单质，乙、丙、丁均为化合物
D．该纳米纤维在反应前后化学性质发生了改变
知识 5 金属活动性
1.金属活动性顺序
钾 钙 钠 镁 铝 锌 铁 锡 铅 (氢) 铜 汞 银 铂 金
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb （H） Cu Hg Ag Pt Au
2.判断依据
（1）在自然界中的存在形式：以化合物形式存在的比以单质形式存在的金属活动性强
（2）人类开发利用的时间：金属活动性越强的金属开发利用的越晚
（3）金属活动性顺序：金属的位置越靠前，它的活动性就越强；
（4）与酸反应：能与酸反应的金属比不能与酸反应的金属活动性强，位于氢前面的金属能置换出稀盐酸
硫酸中的氢；
（5）与盐溶液反应：若置换反应能发生，则该金属单质的活动性强于盐中的金属；若置换反应不能发生，
则该金属单质的活动性弱于盐中金属；位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的盐溶液中置换出来
(K、Ca、Na除外)
3.应用
（1）判断金属被开发利用的先后。
（2）判断某些置换反应能否发生。
（3）判断金属与盐溶液反应后滤液、滤渣的成分及质量分析。
【例5】（2023·安徽蚌埠·统考三模）金属材料的使用作为一个时代的标志，见证了人类文明发展的过程。
历史上人类冶炼不同金属的大致年代如下图，下列有关说法不正确的是（ ）
A．通过敲打将青铜制成不同形状，是利用金属的延展性
B．炼铁的原料主要有铁矿石、焦炭和石灰石
C．金属铝的利用比镁、钠晚，是因为铝的金属活动性强
D．湿法炼铜工艺就是利用铁和硫酸铜溶液反应制取铜
知识 6 铁的冶炼
一、工业炼铁
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1.原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石
2.原理：C+O =====CO（提供热量）
2 2
C+CO =====2CO（提供还原剂）
2
3CO+Fe O=====2Fe+3CO
2 3 2
4CO+Fe O=====3Fe+4CO
3 4 2
3.设备：高炉
炼铁高炉及炉内化学变化过程示意图
二、实验室炼铁
1.炼铁的原理
利用一氧化碳与氧化铁的反应，化学方程式为3CO+Fe O=====2Fe+3CO ，实验装置如图所示。
2 3 2
2.操作步骤
（1）检查装置的气密性；
（2）将氧化铁粉末装入玻璃管后固定在铁架台上；
（3）点燃右端酒精灯；
（4）给玻璃管通入一氧化碳；
（5）加热装有氧化铁的玻璃管；
（6）结束时先熄灭酒精喷灯；
（7）停止通入一氧化碳；
（8）熄灭右端酒精灯。
3.涉及的反应方程式
3CO+Fe O=====2Fe+3CO （硬质玻璃管中）
2 3 2
CO+Ca(OH) =CaCO ↓+H O（试管中）
2 2 3 2
2CO+O=====2CO（右侧导管口）
2 2
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4.实验注意事项
（1）实验开始先通一氧化碳排尽玻璃管中的空气，以免加热时发生爆炸。
（2）实验结束时先停止加热，继续通入一氧化碳至温度降低到室温，防止生成的铁在高温时被氧化，同
时防止试管中的石灰水倒吸进入灼热的玻璃管。
（3）一氧化碳有毒，实验装置中必须有尾气处理装置。
5.实验现象：玻璃管中红色粉末变为黑色；试管中澄清石灰水变浑浊；玻璃导管尖嘴处有蓝色火焰。
【例6】（2023·河南安阳·统考三模）利用如图所示实验装置模拟工业炼铁(加特仪器未画出)，下列说法正
确的是（ ）
A．实验开始时，应先点燃酒精灯，再通入纯净的一氧化碳
B．反应过程中可观察到a处固体由黑色逐渐变为红色
C．实验结束时，应该停止加热之后继续通一氧化碳，直到玻璃管冷却
D．一氧化碳有毒，可用氢氧化钠溶液吸收尾气中的一氧化碳，防止污染空气
知识 7 金属冶炼和金属资源的保护
一、铜的冶炼
1.反应原理
用木炭还原氧化铜，化学方程式为C+2CuO 2Cu+CO ↑。
2
2.实验装置
（1）金属网罩的作用：聚集火焰，提高加热温度；为了使实验效果更明显，最好使用酒精灯。
（2）实验结束后，应先从澄清石灰水撤出导管，再熄灭酒精灯的原因是：防止澄清石灰水倒吸入灼热的
试管使试管炸裂。
（3）实验结束后，待试管冷却至室温再倒出固体的目的：防止生成的铜再次被空气中的氧气氧化。
3.实验现象
试管中的黑色粉末逐渐变为红色，澄清石灰水变浑浊。
4.实验拓展
（1）出来用木炭还原氧化铜，还可选用H、CO还原剂炼铜，分别写出发生的化学方程式：
2
H +CuO ===== H O +Cu ； CO+CuO ===== CO +Cu
2 2 2
（2）湿法炼铜原理： Fe ＋ CuSO == =Cu ＋ FeSO
4 4
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二、金属资源的保护
1.铁生锈
（1）铁生锈的条件：Fe与HO、O 同时接触，铁在潮湿的空气中易生锈
2 2
（2）铁锈：Fe O• HO（铁锈疏松多孔、易吸水，如不及时除去可以加速铁制品的生锈）
2 3 2
（3）除锈：
①物理方法：砂纸打磨
②化学方法：盐酸、稀硫酸除铁锈
2.铜生锈
（1）铜生锈的条件：铜与氧气，二氧化碳、水同时接触，2Cu+CO +H O+O===Cu (OH) CO。
2 2 2 2 2 3
（2）铜锈：Cu (OH) CO。
2 2 3
3.防止金属生锈的措施
（1）保持金属表面清洁干燥；
（2）涂一层保护膜(如：刷漆、涂油、镀不活泼金属或致密的氧化物薄膜)。
（3）金属的回收利用。
（4）有计划、合理地开采。
（5）寻找金属的代替品。
【例7】（2023·河南南阳·统考三模）某同学用光亮的细铁丝和洁净无锈的铁钉分别做了如下图所示的实验。
下列说法不正确的是（ ）
A．甲实验中预先在集气瓶中放入一些水的作用是防止高温熔融物溅落炸裂瓶底
B．根据乙、丙两个实验可得出铁生锈只与氧气有关
C．根据乙、丙、丁三个实验可得出铁生锈需要有氧气和水参与
D．根据乙、丙、丁三个实验可得出涂油或保持干燥均可以防止铁制品生锈
方法 1 金属与酸反应的曲线图题
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1、氢气质量-时间图像
等质量的金属（等化合价）与足量的酸反应 等质量的酸与足量的金属反应
说明：①酸是足量的，说明金属完全反应，所以最
终生成氢气的质量要依据金属的质量来计算。
②金属越活泼，图示反应物的曲线越陡，如 Mg线
比Zn线陡，Zn线比Fe线陡；
③ 说明：金属是足量的，说明酸完全反应，最终生成
氢气的质量要依据酸的质量来计算，酸相等所以最
金属的化合价
比值越大能力越强 终生成氢气的质量相等。如上图所示所示。
金属的相对原子质量
④当金属在化合物中化合价相同时，金属的相对原
子质量越小，与酸反应产生的氢气越多，曲线的拐
点越高。可简单概括为：“越陡越活，越高越小”
最终结论：Al>Mg>Fe>Zn 最终结论：Al=Mg=Fe=Zn
2、氢气质量-金属（酸）质量图像
等质量的酸与等质量的金属反应 等质量的酸与足量的金属反应
说明：①开始时金属质量较少，酸过量，产生氢气 说明：①a点前酸不足，产生氢气的质量由酸的质量
的质量由金属的质量决定，金属产氢能力越强，生 决定，酸的质量相等故四种金属产生氢气相等
成氢气越多（产氢能力：Al>Mg>Fe>Zn）
②b点后，酸足量产生氢气的质量由金属的质量决
②随着金属质量不断增加，最终金属过量，故最终 定，最终产生氢气的质量为Al>Mg>Fe>Zn
生成氢气的质量由酸的质量决定，酸质量相等，所 ③横坐标不是时间，故该曲线无法表示反应速率，
以最终氢气质量相等 无法判断金属活动性强弱
最终结论：Al>Mg>Fe>Zn 最终结论：Al=Mg=Fe=Zn
【例8】（2023·河北沧州·统考模拟预测）分别向两份100g浓度为9.8%的稀硫酸中加入足量且等量的锌粉、
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铁粉。绘制如图所示的横坐标为时间t或横坐标为金属质量m的图像，其中不正确的是（ ）
A． B． C． D．
方法 2 金属活动性的判断实验设计
1.实验方案设计
（1）两种金属活动性判断
实验思路 金属和盐溶液反应 金属和酸反应
实验方案
铁丝表面有紫红色固体析 铁丝表面有气泡产生，铜丝
现象
出，溶液由蓝色变为浅绿色 表面无明显现象
结论 金属活动性：Fe>Cu
（2）三种金属活动性判断
实验思路 两金夹一盐 两盐夹一金
实验方案
铁丝表面附着一层紫红色固体，溶液由 Fe(NO ) 溶液中无明显现象，AgNO 溶
现象 3 2 3
蓝色变为浅绿色，银丝表面无明显现象 液中铜丝表面有银白色固体析出，溶液
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由无色变为蓝色
结论 金属活动性：Fe>Cu>Ag
2.实验注意事项
（1）实验前，需先将金属进行打磨的目的是：除去金属表面的氧化膜及污物。
（2）做金属与酸反应的实验时，一般用稀盐酸或稀硫酸，不用硝酸或浓硫酸。
（3）金属与盐的反应，盐必须能（“能”或“不能”）溶于水。
（5）在比较金属活动性时需要注意控制变量法的应用，如酸溶液或盐溶液的温度、浓度、体积需保持一
致，金属的形状、表面积保持一致。
【例9】（2023·宁夏银川·银川唐徕回民中学校考二模）为验证 三种金属的活动性顺序，现提
供 、稀硫酸、 溶液、 溶液、 溶液等七种物质，下列说法正确的是
（ ）
A． 溶液是不可或缺的物质
B．为达到实验目的，最少要选择三种物质
C．选择 和稀硫酸四种物质可达到实验目的
D．用Cu和 溶液不能验证Fe和Cu的金属活动性顺序
方法 3 滤渣、滤液成分的判断
1.一种金属与一种溶质金属盐溶液反应
【例】将锌粉加入一定量的硝酸镁和硝酸铜的混合溶液中：
第一步：将题目中涉及的金属，按照金属活动性由强到弱的顺序排列： 镁 > 锌 > 铜 ，判断哪些反应能发生。
第二步：写出发生反应的化学方程式：Zn+Cu(NO ) == =Cu+ Zn(NO )。
3 2 3 2
第三步：根据反应程度判断反应后滤液、滤渣的成分及溶液、固体质量的变化。
①锌与Cu(NO ) 反应：滤液成分为Cu(NO ) 、 Zn(NO ) 、 Mg(NO )，滤渣成分为Cu。
3 2 3 2 3 2 3 2
②锌与Cu(NO ) 恰好完全反应：滤液成分为Zn(NO ) 、 Mg(NO )，滤渣成分为Cu。
3 2 3 2 3 2
③Cu(NO ) 完全反应，锌有剩余：滤液成分为Zn(NO ) 、 Mg(NO )，滤渣成分为 Zn 、 Cu 。
3 2 3 2 3 2
溶液质量的变化及其原因： 溶液质量增大，因为参加反应的 Cu(NO ) 的质量小于生成的 Zn(NO ) 质量。
3 2 3 2
固体质量的变化及其原因： 固体质量减小，因为参加反应的 Zn 的质量大于生成的 Cu 的质量 。
2.一种金属与两种溶质金属盐溶液反应
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【例】将锌粉加入一定量的硝酸镁、硝酸铜和硝酸银的混合溶液中：
第一步：将题目中涉及的金属，按照金属活动性由强到弱的顺序排列： 镁 > 锌 > 铜 > 银 ，判断哪些反应能发
生。
第二步：根据远距离先置换，即金属活动性相差越大（或位置距离越远），反应优先发生，判断发生的先
后顺序，写出化学方程式。
先：Zn+2AgNO == = Zn(NO )+Ag。
3 3 2
后：Zn+Cu(NO ) == =Cu+ Zn(NO )。
3 2 3 2
第三步：根据反应程度判断反应后滤液、滤渣的成分及溶液、固体质量的变化。
①锌与部分AgNO 反应：滤液成分为Cu(NO ) 、 Zn(NO ) 、 AgNO 、 Mg(NO )，滤渣成分为Ag。
3 3 2 3 2 3 3 2
②锌与AgNO 恰好完全反应：滤液成分为Cu(NO ) 、 Zn(NO ) 、 Mg(NO )，滤渣成分为Ag。
3 3 2 3 2 3 2
③锌与全部AgNO 反应且与部分Cu(NO ) 反应：滤液成分为Cu(NO ) 、 Zn(NO ) 、 Mg(NO ) ，滤渣成分
3 3 2 3 2 3 2 3 2
为 Ag 、 Cu 。
④锌与AgNO 和Cu(NO ) 恰好完全反应：滤液成分为Zn(NO ) 、 Mg(NO )，滤渣成分为 Ag 、 Cu 。
3 3 2 3 2 3 2
⑤AgNO 、Cu(NO ) 完全反应且锌有剩余：滤液成分为Zn(NO ) 、 Mg(NO )，滤渣成分为 Ag 、 Cu 、 Zn 。
3 3 2 3 2 3 2
溶液质量变化：溶液质量可能增大、相等或减小。相等的原因是—— Zn 与 Cu(NO ) 反应使溶液质量增大 ，
3 2
Zn 与 AgNO 反应使溶液质量减小，当增大的质量等于减小的质量时溶液质量相等。
3
固体质量变化：固体质量可能增大、相等或减小。相等的原因是—— Zn 与 AgNO 反应使固体质量增大，
3
Zn 与 Cu(NO ) 反应使固体质量减小，当增大的质量等于减小的质量时固体质量相等。
3 2
3.两种金属与一种溶质金属盐溶液反应
【例】将硝酸铜和硝酸铝混合溶液加入一定量的锌和铁的混合物中：
第一步：将题目中涉及的金属，按照金属活动性由强到弱的顺序排列： 铝 > 锌 > 铁 > 铜 ，判断哪些反应能发
生。
第二步：根据远距离先置换，即金属活动性相差越大（或位置距离越远），反应优先发生，判断反应发生
的先后顺序，写出化学方程式：
先：Zn+Cu(NO ) == =Cu+ Zn(NO )。
3 2 3 2
后：Fe+Cu(NO ) == =Cu+ Fe(NO )。
3 2 3 2
第三步：根据反应程度判断反应后滤液、滤渣的成分及溶液、固体质量的变化。
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①Cu(NO ) 与部分Zn反应：滤液成分为Zn(NO ) 、 Al(NO )、滤渣成分为 Cu 、 Zn 、 Fe 。
3 2 3 2 3 3
②Cu(NO ) 与Zn恰好完全反应：滤液成分为Zn(NO ) 、 Al(NO )、滤渣成分为 Cu 、 Fe 。
3 2 3 2 3 3
③Cu(NO
3
)
2
与全部 Zn反应且与部分 Fe反应：滤液成分为 Zn(NO
3
)
2
、 Al(NO
3
)
3、
Fe(NO
3
)
2
、滤渣成分为
Cu 、 Fe 。
④Cu(NO
3
)
2
与Zn和Fe恰好完全反应：滤液成分为Zn(NO
3
)
2
、 Al(NO
3
)
3、
Fe(NO
3
)
2
、滤渣成分为Cu。
⑤Cu(NO ) 与 Zn 和 Fe 全部反应且 Cu(NO ) 有剩余：滤液成分为 Zn(NO ) 、 Al(NO ) 、 Fe(NO ) 、
3 2 3 2 3 2 3 3 3 2
Cu(NO )、滤渣成分为Cu。
3 2
【例10】（2023·安徽蚌埠·统考一模）向一定质量AgNO 和Cu(NO ) 的混合溶液中加入过量的Zn粉，溶
3 2 2
液质量随反应时间变化的情况如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．a点溶液中不含AgNO
3
B．bc段溶液质量增加的原因是Zn与Cu(NO ) 溶液反应
2 2
C．c点和d点溶质种类不同，金属单质的种类也不同
D．b点时溶液中的金属离子有Zn2+、Cu2+，金属单质有Zn、Cu、Ag
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