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第11 讲 金属材料及金属矿物的开发和利用(原卷板)
知识主线:
概念及性能
几种常见合金
新型合金
合金
金属在自然界中存在形式
金属的冶炼方法
金属矿物的开发和利用
金属材料
1.合金
(1)概念:由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)性质:具有金属的性质
(3)性能:合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能
①熔点:多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点低
②硬度:合金的硬度一般它的比各成分金属的硬度大
【注意】
①构成合金的成分不一定是两种或两种以上的金属,也可以是金属与非金属,合金
中一定含金属元素
②合金的性质不是各成分金属的性质之和。合金具有许多良好的物理、化学和机械
性能,在许多方面不同于各成分金属,不是简单加合;但在化学性质上,一般认
为合金体现的是各成分金属的化学性质
③并非所有的金属都能形成合金,两种金属形成合金,其前提是两种金属在同一温
度范围内都能熔化,若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点,则二者不能形成
合金
④合金一定是混合物,没有固定的熔点
⑤常温下,多数合金是固体,但钠钾合金是液体
2.常见的金属材料
(1)金属材料的分类
黑色金属材料:铁、铬、锰以及它们的合金
有色金属材料:除黑色金属以外的其他金属及其合金
金属材料
(2)几种常见的合金
j
低碳钢:韧性、焊接性好,强度低
中碳钢:强度高,韧性及加工性好
高碳钢:硬而脆,热处理后弹性好
碳素钢
合金钢:具有各种不同的优良性能,用于制不锈钢及各种特种钢
钢铁
【注意】钢是用量最大,用途最广的合金
k
种类:硅铝合金、镁铝合金、硬铝
(
)
特性:密度小、强度高、塑造性好、易于加工
用途:建筑业、容器包装业、交通运输业等
铝合金
l
(
Cu
Sn
Pb)
青铜主要含
、
、
,青铜是我国使用最早的合金
(
Cu
Zn
)
黄铜主要含
、
等
(
Cu
Ni
Zn
)
白铜主要含
、
、
等
铜合金
3.新型合金
(1)储氢合金:一类能够大量吸收H2,并与H2结合成金属氢化物的材料。如Ti-Fe 合
金、La-Ni 合金,为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用
(2)其他新型合金:钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、
生物工程和电子工业等领域
1
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(3)用途广泛的稀土金属
①稀土元素
a.镧系元素(57~71 号元素)及钇和钪,共17 种元素为稀土元素
b.我国拥有丰富的稀土资源,现已查明的世界稀土资源中,80%分布在我国,并
且品种齐全
②用途
a.稀土金属有着广泛的用途,它既可以单独使用,也可用于生产合金。在合金中
加入适量稀土金属,能大大改善合金的性能。因而,稀土元素又被称为冶金工
业的维生素
b.稀土金属可用于制造引火合金、永磁材料、超导材料和发光材料等。稀土金属
除广泛应用在冶金、石油化工、材料工业、医药及农业领域外,还逐渐深入到
许多现代科技领域
3.金属矿物的开发利用
(1)金属在自然界中的存在形式
①游离态:化学性质不活泼的金属,在自然界中能以游离态的形式存在,如:Au、
Ag、Pt、Cu
②化合态:化学性质比较活泼的金属,在自然界中能以化合态的形式存在,如:
Al、Na
【注意】少数金属在自然界中能以游离态的形式存在;而大多数的金属在自然界中
能以化合态的形式存在
(2)金属冶炼的实质:金属的冶炼过程就是把金属从化合态还原为游离态的过程,即:
Mn++ne-===M
(3)金属冶炼的一般步骤
(4)金属冶炼方法——根据金属的活泼性
①物理提取法:Au、Pt 在自然界中主要以游离态存在
②热分解法:适于冶炼金属活动性顺序表中位置靠后的不活泼的金属;像汞、银等
不活泼金属,它们在金属活动性顺序表中位于氢的后面,其阳离子得到电子的能
力很强,所以其还原条件也较容易达到。它们的氧化物受热就能分解得到单质。
适用范围是不活泼的金属Hg 和Ag
2HgO=====2Hg+O2↑、2Ag2O=====4Ag+O2↑
③热还原法:适用于冶炼位于金属活动性顺序表中部的金属;常用的还原剂有焦炭、
一氧化碳、氢气、活泼金属(如:铝)等,多数金属的冶炼过程属于热还原法。适用
范围是较活泼的金属 Zn~Cu
a.焦炭还原法:2PbO+C=====2Pb+CO2↑、C+2ZnO=====2Zn+CO2↑
b.一氧化碳还原法:3CO+Fe2O3=====2Fe+3CO2 (高炉炼铁)
c.氢气还原法:WO3+3H2=====W+3H2O
d.活泼金属还原法(铝热反应):2Al+Cr2O3=====Al2O3+2Cr 10Al+
3V2O5=====6V+5Al2O3
④电解法:位于金属活动性顺序表中氢前面的钾、钠、钙、镁、铝等几种金属的还
原性很强,这些金属单质都很容易失去电子,而其对应的阳离子则氧化性很弱,
很难得到电子,因此用一般的方法和一般的还原剂很难使其从化合物中还原出来,
而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。适用范围是活泼的金属 K
~Al
2NaCl( 熔融)=====2Na +Cl2↑、MgCl2( 熔融)=====Mg +Cl2↑ 、2Al2O3( 熔
2
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融)=====4Al+3O2↑
【注意】
①工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO 的原因是MgO 的熔点比MgCl2的高
②冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物,熔融状态不导电。
加入冰晶石(Na3AlF6)的
目的是降低Al2O3的熔化温度
③
金
属
的
活
泼
性
与
冶
炼
方
法
的
关
系
:
④金属活动性顺序中,金属的位置越靠后,其阳离子越容易被还原,金属的位置越
靠前,其阳离子越难被还原
铍及其化合物
1.铍(Be)
(1)物理性质:铍金属为钢灰色或灰白色,熔点1283℃,沸点2570℃,密度1.848g/
cm³。天然铍有三种同位素:4
7
4Be、4
8
Be、4
10
Be,4
9
Be 是铍唯一稳定的核素。铍在
地壳中含量为0.001%,含铍矿石约有30 多种,具有经济价值的主要有绿柱石
(3BeO•Al2O3•6SiO2)、硅铍石(2BeO•SiO2)、金绿宝石(BeO•Al2O3)等几种
(2)化学性质:铍的化学性质活泼,具有活泼金属通性,容易被氧化剂氧化,常见化合
价为+2 价。铍表面易形成氧化层,减小了金属本身的活性。根据对角线规则,Be
与Al 的性质相似,能与酸和碱反应
①与非金属反应:与O2,N2,S 反应,生成BeO,Be3N2和BeS。它与碳反应生成
Be2C 碳化物(与Al4C3同类,类似的还有BeCl2和AlCl3均为共价化合物,易升华,
易溶于有机溶剂),而其他碱土金属的碳化物都是MC2型
2Be+O2
△
2BeO,3Be+N2
△
Be3N2,Be+S
△
BeS
②既能与酸又能与碱反应:不仅能溶于酸溶液,也能溶于碱溶液,放出H2,但铍和
铝相似,与冷的浓硝酸接触,发生“钝化”现象
与酸反应:Be+2HCl===BeCl2+H2↑
与碱反应:Be+2NaOH+2H2O===Na2[Be(OH)4]+H2↑或Be+2NaOH===Na2BeO2
+H2↑
(3)制备
①还原BeF2,用此法制备存在许多困难,该反应强烈放热甚至会导致爆炸。且最终
体系内物质沸点结晶,导致Be 与MgF2分离比较困难。BeF2+Mg===MgF2+Be
②电解熔融盐。由于熔融的铍盐几乎不导电或导电性很弱,必须加离子型的盐,如
电解NaCl-BeCl2或者LiCl-KCl-BeCl2熔盐。用镍坩埚作电解槽及阴极,阳极
是石墨棒
2.氧化铍(BeO)——两性氧化物
与酸反应:BeO+2HCl===BeCl2+H2O
与碱反应:BeO+2NaOH+H2O===Na2[Be(OH)4]或BeO+2NaOH===Na2BeO2+H2O
3.氢氧化铍(Be(OH)2)——两性氢氧化物
与酸反应:Be(OH)2+2HCl===BeCl2+2H2O
与碱反应:Be(OH)2+2NaOH===Na2[Be(OH)4]或Be(OH)2+2NaOH===Na2BeO2+
2H2O
【注意】
BeCl
①
2和AlCl3均为共价化合物,易升华,易溶于有机溶剂
②铍、铝与冷的浓硝酸接触,发生“钝化”现象
③铍、铝的盐都易水解
3
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硼及其化合物
1.硼(B)
硼单质有晶体硼和无定形硼两种,晶体硼相当稳定(惰性较大),无定形和粉末状硼比
较活泼
(1)与非金属反应
无定形硼在室温下与F2反应得到BF3,加热(或高温)时也能与O2 、Cl2、Br2、S 和N2
反应,分别得到BCl3、 BBr3、
B2S3和BN(在1473K 以上),但不与H2作用
2B+3F2===2BF3 4B+3O2 =====2B2O3 2B+N2=====2BN
(2)与酸的反应:不与盐酸作用,能与热的浓硫酸或浓硝酸反应
2B+3H2SO4(浓)=====2H3BO3+3SO2↑ B+3HNO3(浓)=====H3BO3+3NO2↑
(3)与强碱反应:无定形硼与NaOH 有类似硅那样的反应;有强氧化剂存在时与强碱共
熔可得偏硼酸盐
①硼和NaOH 溶液反应生成NaBO2(或Na[B(OH)4])和H2
2B+2NaOH+2H2O===2NaBO2+3H2↑或2B+2NaOH+6H2O===2Na[B(OH)4]+
3H2↑
②强氧化剂(KNO3)时:2B+2NaOH+3KNO3
2NaBO2+3KNO2+H2O
(4)与水蒸气反应:2B+6H2O(g)=====2B(OH)3+3H2
(5)高温下同金属反应生成金属硼化物
2.氧化硼(B2O3)
易溶于水,形成硼酸: B2O3+3H2O===2H3BO3
遇热的水蒸气可生成易挥发的偏硼酸:B2O3+H2O(g)===2HBO2(g)
3.硼酸(H3BO3)
(1)物理性质:白色片状晶体,微溶于水,在热水中溶解度明显增大。
(2)化学性质
①一元弱酸:H3BO3+H2O
H++[B(OH)4]-
②与碱反应
a.在碱性较弱的条件下则得到四硼酸盐:4H3BO3+2NaOH===Na2B4O7+7H2O
b.碱过量时,Na2B4O7转化为偏硼酸钠(NaBO2):Na2B4O7+2NaOH===4NaBO2+
H2O
【注意】与碱反应而得不到单个BO3
3-离子的盐,但反过来,在任何一种硼酸盐的溶
液中加酸时,总是得到硼酸,因为硼酸的溶解度较小,它容易从溶液中析
出。
③H3BO3受热时会逐渐脱水,首先生成偏硼酸(HBO2),继续升温可进一步脱水生成
四硼酸(H2B4O7),更高温度时则转变为硼酸的酸酐(B2O3)
4.乙硼烷(B2H6)
(1)乙硼烷B2H6受热容易分解,它的热分解产物很复杂,有B4H10、B5H9、B5H11和
B10H14等,控制不同条件,可得到不同的主产物,如:2B2H6
B4H10+H2
(2)遇水立即发生水解:B2H6+6H2O===2H3BO3↓+6H2↑
(3)乙硼烷制取万能还原剂:B2H6+2NaH===2NaBH4
5.硼氢化钠(NaBH4)
(1)电子式:
(2)硼氢化钠中的氢元素为-1 价,具有还原性,故其可用作醛类、酮类和酰氯类的还
原剂
4
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―――→
。
6.硼砂(Na2B4O7·10H2O)
(1)制备:将偏硼酸钠溶于水形成较浓溶液,然后通入CO2调节pH,浓缩结晶分离出硼
砂
4NaBO2+CO2+10H2O===Na2B4O7·10H2O+Na2CO3
(2)将硼砂溶于水,用硫酸溶液调节pH,可析出溶解度小的硼酸晶体
Na2B4O7+H2SO4+5H2O===4H3BO3↓+Na2SO4
7.工业制取硼及其化合物的转化关系
(1)转化关系
(2)相应步骤涉及的反应
①硼镁矿与烧碱溶液反应生成可溶于水的偏硼酸钠(NaBO2)和Mg(OH)2:
2MgO·B2O3+2NaOH+H2O===2NaBO2+2Mg(OH)2↓
向偏硼酸钠溶液中通入CO2 使NaBO2 转化成硼砂:4NaBO2 +CO2 +
10H2O===Na2B4O5(OH)4·8H2O+Na2CO3
②将硼砂与硫酸反应,得到硼酸:Na2B4O5(OH)4·8H2O+H2SO4===4H3BO3+Na2SO4
+5H2O
③硼酸加热分解得到氧化硼:2H3BO3=====B2O3+3H2O
④用镁或铝还原B2O3制得硼:B2O3+3Mg=====3MgO+2B
⑤硼和NaOH 溶液反应生成NaBO2(或Na[B(OH)4])和H2:
2B+2NaOH+2H2O===2NaBO2+3H2↑或2B+2NaOH+6H2O===2Na[B(OH)4]+
3H2↑
【注意】用硫酸和硼镁矿一步制得硼酸:Mg2B2O5·5H2O+2H2SO4=====2MgSO4+
2H3BO3
铅及其化合物
1.铅(Pb)
(1)物理性质:银灰色有光泽的重金属,在空气中易氧化而失去光泽,变灰暗,质柔软,
延性弱,展性强。密度11.34 g/cm3,熔点327.5℃,沸点1740℃ 。有较强的抗放射
穿透的性能
(2)化学性质
①与非金属反应
a.常温时Pb 在空气中稳定存在,但表面易形成PbO 和Pb2(OH)2CO3保护膜而不
易被腐蚀
2Pb+O2+CO2===Pb2(OH)2CO3
b.与O2反应:熔融的铅空气反应生成一氧化铅,将铅在纯氧中加热可得二氧化
铅
c.易和卤素、硫化合,生成PbCl4、PbI2、PbS
②与酸反应
a.Pb 与稀盐酸可以缓慢反应,但因生成难溶的PbCl2覆盖反应物而使反应终止:
Pb +2HCl===PbCl2↓+H2↑;b .加热条件下与浓盐酸反应生成氢气Pb +
4HCl(浓)=====H2[PbCl4]+H2↑
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c.在氧气存在时可以溶于醋酸,生成弱电解质Pb(CH3COO)2
2Pb+4CH3COOH+O2===2Pb(CH3COO)2+2H2O
d.与浓、稀硝酸反应——硝酸不能将Pb 氧化到+ 4 价态
Pb+4HNO3(浓)===Pb(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Pb+8HNO3(稀)===3Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O
③与碱反应:Pb+2OH-===PbO+H2↑
2.铅的含氧化合物——PbO、PbO2、Pb3O4
(1)PbO:黄丹,又名密陀僧,药材。溶于HNO3或CH3COOH 中成可溶性Pb(II)盐
PbO 为两性氧化物,既能溶于酸又能溶于碱
PbO+2HCl===PbCl2+H2O
PbO+2NaOH+H2O===Na2[Pb(OH)4]
(2)PbO2:棕黑色,有强氧化性,是常用的强氧化剂
①与H2O2反应:PbO2+H2O2+2 H+===Pb2++O2↑+2H2O)
②与浓盐酸反应:PbO2+4HCl=====PbCl2+Cl2↑+2H2O
③可以将Mn2+氧化为MnO:5PbO2+2Mn2++4H+===5Pb2++2MnO===2H2O
④PbO2 制备[要在碱性条件下制备,用浓硝酸不能制得Pb(IV)]:Pb(OH)+ClO -
=PbO2+Cl-+OH-+H2O
(3)Pb3O4:红丹,又名铅丹。可以认为是Pb(II))2Pb(IV))O4可看作2 PbO•PbO2 ,高温下
分解,不溶于水,溶于热碱溶液,溶于酸时表现出氧化性
Pb3O4+8HCl===3PbCl2+Cl2↑+4H2O
3.醋酸铅[(CH3COO)2Pb]
实验室里用醋酸铅试纸检验H2S:H2S+(CH3COO)2Pb===PbS↓(黑色)+2CH3COOH
钛及其化合物
1.钛
(1)钛是活泼的金属,在高温下能直接与绝大多数非金属元素反应。在室温下,钛不与
无机酸反应,但能溶于浓、热的盐酸和硫酸中
2Ti+6HCl(浓)===2TiCl3+3H2↑
2Ti+3H2SO4(浓)===2Ti2(SO4)3+3H2↑
(2)钛易溶于氢氟酸或含有氟离子的酸中:Ti+6HF===TiF6
2-+2H++2H2↑
2.二氧化钛:二氧化钛在自然界以金红石为最重要,不溶于水也不溶于稀酸,但能溶
于氢氟酸和热的浓硫酸中
TiO2+6HF===H2[TiF6]+2H2O
TiO2+2H2SO4===2Ti (SO4)2+2H2O
TiO2+H2SO4===2Ti OSO4+H2O
3.四氯化钛:四氯化钛是钛的一种重要卤化物,以它为原料,可以制备一系列钛化合
物和金属钛。它在水中或潮湿空气中都极易水解将它暴露在空气中会发烟:TiCl4+
2H2O===TiO2+4HCl
4.钛(Ⅳ)的配位化合物
钛(Ⅳ)能够与许多配合剂形成配合物,如[TiF6]2-、[TiCl6]2-、[TiO(H2O2)]2+ 等,其中
与H2O2的配合物较重要。利用这个反应可进行钛的比色分析,加入氨水则生成黄色
的过氧钛酸H4TiO6沉淀,这是定性检出钛的灵敏方法
铬及其化合物
1.铬
(1)物理性质:银白色金属,由于单电子多,金属键强,故硬度及熔点均高,是硬度最
高的过渡金属。由于铬的机械强度好,且有抗腐蚀性能,被用于钢铁合金中。不锈
钢中含铬量最高,可达20%左右。许多金属表面镀铬,防锈,光亮
(2)铬的存在和制取
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①存在:铬在自然界中以铬铁矿存在,化学式为Fe(CrO2)2
②制取:金属铬可以通过铬铁矿FeCr2O4制取,用焦炭还原就可制得铬铁合金。该合
金可用作制取不锈钢的原料。FeCr2O4+4C
高温
Fe+2Cr+4CO。如果要制取不
含铁的铬单质,可将铬铁矿与碳酸钠强热而成为水溶性的铬酸盐(其中铁转换为不
溶性的Fe2O3),进一步用水浸取、酸化使重铬酸盐析出。接着加热还原而变为
Cr2O3,再用铝等还原就可得到金属铬
(3)化学性质
①室温下化学性质稳定,潮湿空气中也不会被腐蚀,因此常被用于制作不锈钢和镀
铬
②铬比较活泼,能溶于稀HCl、H2SO4,起初生成蓝色Cr2+溶液,而后为空气所氧化
成绿色的Cr3+溶液
铬缓慢地溶于稀盐酸和稀硫酸中,先有铬(II)生成:Cr+2HCl===CrCl2(蓝色)+H2↑
铬(II)在空气中迅速被氧化成铬(III):4CrCl2+4HCl+O2===4CrCl3(绿色)+2H2O
③铬在冷、浓HNO3中钝化
2.铬的化合物
铬元素的常见价态有+6、+3、+2 价。在酸性介质中,Cr2+具有强的还原性,Cr3+
的还原性较弱,只有用强氧化剂才能将Cr3+氧化成Cr2O,+6 价铬在酸性条件下以
Cr2O 存在,具有强氧化性,在碱性介质中以CrO 存在
(1)铬(III)的氧化物——Cr2O3:绿色,两性氧化物,既溶于酸,也溶于碱
①与酸反应:Cr2O3+3H2SO4===Cr2(SO4)3+3H2O [Cr2(SO4)3为无水盐为玫瑰色粉
末]
②与碱反应:Cr2O3+2NaOH===2NaCrO2(绿色)+H2O
(2)铬(III)的氢氧化物——Cr(OH)3:灰蓝色,两性氧化物,既溶于酸,也溶于碱
①与酸反应:Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O
②与碱反应:Cr(OH)3+OH-===CrO+2H2O 或Cr(OH)3+OH-===Cr(OH)(绿色)
Cr2O3和Cr(OH)3显两性,其转化关:Cr3+(紫色)
Cr(OH)3(灰蓝色)
[Cr(OH)4]-
(绿色)
反应的离子方程式
Cr
①
3++3OH-===Cr(OH)3↓
Cr(OH)
②
3+OH-===[Cr(OH)4]-,Cr3++4OH-===[Cr(OH)4]-
[Cr(OH)
③
4]-+H+===Cr(OH)3↓+H2O
Cr(OH)
④
3+3H +===Cr3 ++3H2O,[Cr(OH)4] -+4H +===Cr3 ++
4H2O
(3)Cr(Ⅲ)的还原性
①Cr3+在酸性条件下是稳定的,但在碱性条件下能氧化成CrO:2Cr3++3H2O2+
10OH-===2CrO+8H2O
②在碱性溶液中,亚铬酸盐(CrO)可以被H2O2或Na2O2氧化成铬酸盐
2CrO+3H2O2+2OH-===2CrO+4H2O,2CrO+3Na2O2+2H2O===2CrO+6Na++
4OH-
(3)铬(VI)化合物
①存在形式与转化
CrO
Cr2O
CrO3
CrO2
2+
黄色
橙色
红、针状
深红
a.碱中单聚酸根CrO4
2-,酸中二聚Cr2O7
2-:2CrO+2H+ ===Cr2O+H2O K =
1.0×1014
b.强酸中以CrO3形式存在。例如,配制洗液时 H2SO4 (浓)与 K2Cr2O7混合,就
有CrO3红色针状晶体析出
K2Cr2O7+2H2SO4 (浓)===2 KHSO4+2CrO3+H2O
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c.酸性过强时铬(VI)以CrO2
2+离子形式存在。CrO2
2+称为铬氧基,或铬酰基 。
CrO2Cl2是深红色液体,其形
态象溴,易挥发。K2Cr2O7 和KCl 粉末相混合,滴加浓H2SO4,加热则有
CrO2Cl2挥发出来
K2Cr2O7+4KCl+3H2SO4===2CrO2Cl2↑+3K2SO4+3H2O
②铬(Ⅵ)最重要的化合物是K2Cr2O7,在水溶液中Cr2O 和CrO 存在下列平衡
2CrO(黄色)+2H+
Cr2O(橙红色)+H2O
在酸性条件下,主要以Cr2O 形式存在,在碱性条件下,上述平衡逆向移动,主要
以CrO 形式存在
③Cr(Ⅵ)的氧化性:K2Cr2O7及K2CrO4均为+6 价铬的化合物,具有强氧化性,在酸
性溶液中,Cr2O 具有强氧化性,在酸性条件下的还原产物均为Cr3+;但在碱性溶
液中CrO 的氧化性要弱的多
Cr2O+3SO+8H+===2Cr3++3SO+4H2O
Cr2O+6I-+14H+===2Cr3++3I2+7H2O,
Cr2O+6Cl-+14H+===2Cr3++3Cl2↑+7H2O
Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
2CrO+3SO+10H+===2Cr3++3SO+5H2O
锰及其化合物
1.锰(Mn)
锰是活泼金属,在空气中表面生成一层氧化物保护膜。锰在水中,因表面生成氢氧
化锰沉淀而阻止反应继续进行。锰和强酸反应生成Mn(II)盐和氢气。但和冷浓
H2SO4反应很慢(钝化)
2.锰的其化合物
锰元素的常见价态有+7、+6、+4、+3、+2 价,Mn2+在酸性溶液中的稳定性强
于在碱性溶液中的稳定性
(1)锰(II)化合物的性质
①酸性介质:酸性介质中Mn2+稳定,只有很强的氧化剂(NaBiO3、PbO2、(NH4)2S2O8)
才能氧化Mn2+到MnO
2Mn2++5NaBiO3+14H+===5Na++5Bi3++2MnO+7H2O、
2Mn2++5PbO2+4H+===2MnO+5Pb2++2H2O
2Mn2+ + 5S2O8
2-+8H2O===2MnO+10SO+16H+
【注意】①介质不能用盐酸,因为Cl-有还原性,能与MnO 反应
②Mn2+的量不能太多,否则:2MnO+3Mn2++2H2O===5MnO2↓+4H+
②碱性介质:碱性Mn(II)极易氧化成Mn(IV)化合物
a.在碱性条件下Mn2+容易被氧化:ClO-+Mn2++2OH-===Cl-+MnO2↓+H2O
b.Mn(OH)2为白色难溶物,Ksp=4.0×10-14,极易被空气氧化,水中少量氧气能
将其氧化成褐色MnO(OH)2沉淀:2Mn(OH)2+O2===2MnO(OH)2
(2)锰(IV)化合物的性质
①最重要的Mn(IV)化合物是MnO2,二氧化锰在中性介质中很稳定,在碱性介质中
倾向于转化成锰(Ⅵ)酸盐;在酸性介质中是一种强氧化剂,倾向于转化成Mn2+
MnO2+4HCl(浓)
MnCl2+Cl2↑+2H2O
2MnO2+2H2SO4(浓)===2MnSO4+O2↑+2H2O
②简单的Mn(IV)盐在水溶液中极不稳定,或水解生成水合二氧化锰MnO(OH)2,或
在浓强酸中和水生成氧气和Mn(II)
(3)Mn(Ⅵ)化合物的生成与性质
①最重要的Mn(VI)化合物是锰酸钾K2MnO4。在熔融碱中MnO2 被空气氧化生成
K2MnO4
8
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2MnO2+O2+4KOH
2K2MnO4 (深绿色)+2H2O
②MnO 存在于强碱性溶液中,在酸性、中性环境中均发生歧化反应
3MnO+2H2O===2MnO+MnO2↓+4OH-
3MnO+4H+===2MnO+MnO2↓+2H2O
③锰酸钾是制备高锰酸钾(KMnO4)的中间体:2MnO+2H2O===2MnO+2OH-+H2↑
(4)KMnO4的性质
①热稳定性差,通常保存在棕色试剂瓶中:4KMnO4+2H2O=====4MnO2↓+3O2↑+
4KOH
②在酸性介质中,MnO 具有强氧化性,本身被还原为Mn2+:可以氧化Fe2+、Cl-、
H2C2O4、H2O2等
MnO+5Fe2++8H+===Mn2++5Fe3++4H2O
2MnO+16H++10Cl-===2Mn2++5Cl2↑+8H2O
2MnO+6H++5H2C2O4===2Mn2++10CO2↑+8H2O
2MnO+6H++5H2O2===2Mn2++5O2↑+8H2O
③在碱性、中性或微弱酸性溶液中,MnO 仍旧是氧化剂,本身被还原为MnO2
2MnO+I-+H2O===2MnO2↓+IO+2OH-
④在强碱性溶液中,当MnO 过量时,还原产物是MnO
2MnO+SO+2OH-===2MnO+SO+H2O。
例1.钛酸亚铁(
)在高温下经氯化得到四氯化钛,再制取金属钛的流程如图所示
(已知电负性Ti:1.54,F:3.98,Cl:3.16):
下列说法正确的是
A.氯化过程中,每消耗6 mol 碳单质,转移电子14 mol
B.氯化过程中,
既是氧化剂也是还原剂
C.相对分子质量:
,熔点:
D.制取金属钛时也可以选用
隔绝空气
例2.某工厂采用如下工艺制备
,已知焙烧后Cr 元素以
价形式存在,下列
说法错误的是
9
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已知:
A.“焙烧”中产生
B.滤渣的主要成分为
C.滤液①中Cr 元素的主要存在形式为
D.淀粉水解液中的葡萄糖起还原作用
例3.中国“天向一号”探测器用于火星探测,搭载全球最先进的三结砷化镓太阳能
电池阵为其提供动力,一种从砷化镓废料(主要成分为
,含
、
、
等杂质)中回收单质镓和砷的化合物的工艺流程如图所示:
已知:①“碱当”时
中Ga 以
的形式进入溶液。
Ga
②
与Al 位于同一主族,性质相似,向
溶液中通入
,有
沉淀析
出。
③离子完全沉淀时的pH:
为8,
为5.6。
下列说法正确的是
A.“碱浸”时,
发生的离子方程式为
B.“滤渣①”的成分为
,
,“滤渣③”的成分为
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C.“调pH
”
①时,为使得杂质离子沉淀完全,可通入过量的
D.“系列操作”为蒸发结晶、过滤、洗涤、干燥
例4.发展改变生活。下列说法不正确的是
A.T-碳(
)是一种碳的三维结构晶体,其与
互为同位素
B.“天问一号”中
形状记忆合金的两种金属都属于过渡金属
C.“祝融号”火星探测器上使用的钛合金具有密度小、强度高、耐高温的特性
D.清华大学打造的世界首款异构融合类脑芯片——天机芯的主要材料是硅单质
例5.利用反应
,制备三
氯化六氨合钴的流程如图所示:
已知:①钴元素常见价态有+2、+3 价,
和
在水溶液中稳定存在,
和
不能在水溶液中稳定存在;②常温时
。
下列说法错误的是
A.加入的氯化铵可以抑制氨水电离,防止生成
B.加入浓氨水与过氧化氢的顺序可以调换
C.趁热过滤并冷却后加入10mL 浓盐酸,是为了提高产率
D.测得所得产品中氮元素质量分数为31.0%,可能原因是产品中混有
例6.四氟硼酸锂(
)化学性质稳定,可用作锂电(心脏起搏器电池等)或二次锂离子
电池电解液导电盐。其制备流程如图所示,下列说法错误的是
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A.“不溶颗粒”主要成分为
B.实验室中模拟工艺流程时反应器3 不能选用三颈圆底烧瓶
C.反应器2 中反应为
D.粗产品经过负压下浓缩、冷却结晶即可得到纯净的四氟硼酸锂
例7.草酸钴晶体是制备钴的氧化物的重要原料。18.3g 草酸钴晶体(CoC2O4·2H2O)在隔
绝空气受热时的质量变化曲线如图所示,240℃及以上所得固体均为钴氧化物(其中Co
的化合价为+2 或+3)。下列说法正确的是
A.到A 点时草酸钴晶体失去2 个H2O
B.C 点剩余固体的化学成分为Co3O4
C.若B 点时通入氧气,则会发生反应3CoC2O4+2O2
Co3O4+6CO2
D.C 点到D 点发生反应的化学方程式为CoCO3
CoO+CO2↑
例8.工业上利用含铅废渣(主要成分为
)制备碱式硫酸铅(
)的
简易流程如图所示。下列说法错误的是
A.“转化”过程生成的气体为
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B.由流程可推测,
C.该工艺中滤液2 可循环利用
D.该流程发生了氧化还原反应
例9.“太空金属”钛广泛应用于新型功能材料等方面,工业上用钛铁矿(主要成分是
TiO2,含少量FeO 和Fe2O3)冶炼金属钛的工艺流程如图所示,下列说法正确的是
A.基态钛原子核外有4 个未成对电子
B.金属Mg 与TiCl4可在氮气气氛条件下进行反应
C.步骤II 加热可促进TiO2+的水解
D.步骤III 中可能发生的反应为TiO2+2Cl2+C
TiCl4+CO
例10.化学与生产生活密切相关,下列说法不正确的是
A.在室外大雪的时候
可以用作融雪剂,原因是因为其溶解的时候可以放热
B.铬是硬度最高的金属,常在不锈钢中添加
C.
为半导体,可做新型太阳能电池主要材料
D.氧化镁在工业生产中常用作耐火材料
1.铬元素是一种重金属元素,工业上处理含铬废水并将其资源化的工艺有多种,其中
两种工艺如下图所示:
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已知:①含铬废水中铬元素主要有
和
两种价态,
价铬在酸性环境中氧化性更
强。
②
。
回答下列问题:
(1)“还原”时,先加入
酸化,再加入
固体,其发生反应的离子方程式为
,若不加
酸化,可能造成的后果是 。
(2)“中和”过程中,有大量气泡生成,写出中和时产生
的离子方程式: 。
(3)“过滤洗涤”时,证明沉淀已洗涤干净的操作为: 。
(4)“冶炼”时,该反应的能量主要转化形式为 。
(5)“氧化”时,发生反应的化学方程式为: 。
(6)已知
,利用氧化法除铬时,欲使废液中铬元素的含量不高
于
,则此滤液中
的范围为 。
(7)与还原法相比,氧化法的优点为 。
2.废旧锂离子电池的正极材料主要成分是
,还含有少量金属Al、Fe 以及其他
不溶性物质,采用如下工艺流程回收其中的钴制备Co 单质:溶液中金属离子开始沉淀
和完全沉淀的pH 如下表所示:
金属离子
开始沉淀时(
)的pH
7.8
3.7
2.2
7.5
沉淀完全时(
)的pH
9.3
4.7
3.2
9.0
回答下列问题:
(1)“滤液1”中主要存在的阴离子有 。
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(2)“酸浸”中
发生反应的化学方程式为 。“酸浸”时需要控制温度在80
~85℃,温度不宜过高的原因是 。
(3)如果“酸浸”后的溶液中
浓度为1.0
,则“调
”应控制的pH 范围
是 。
(4)“滤液2”中可回收利用的物质主要是 (填化学式)。
(5)“酸溶”中发生反应的离子方程式为 。
(6)“电解”时装置如图所示,阴极电极反应式为 ,电解后a 室中的电解质溶液可
以返回 工序循环使用。
3.氧化铈(CeO2)是一种应用非常广泛的稀土氧化物。现以氟碳铈矿(含CeFCO3、
BaO、SiO2等)为原料制备氧化铈,其工艺流程如图所示:
已知:①稀土离子易与
形成复盐沉淀,Ce3+和
发生反应:
Ce2(SO4)3+Na2SO4+nH2O=Ce2(SO4)3·Na2SO4·nH2O↓;
②硫脲:
具有还原性,酸性条件下易被氧化为(SCN2H3)2;
Ce
③
3+在空气中易被氧化为Ce4+,两者均能形成氢氧化物沉淀;
Ce
④
2(CO3)3为白色粉末,难溶于水。
回答下列问题:
(1)滤渣A 的主要成分是 (填写化学式)。
(2)在另一种生产工艺中,在氟碳铈矿矿石粉中加入碳酸氢钠同时通入氧气焙烧,焙烧
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得到NaF 和CeO2两种固体以及两种高温下的气态物质,请写出焙烧过程中相应的化学
方程式 。
(3)加入硫脲的目的是将
还原为Ce3+,反应的离子方程式为 。
(4)步骤③加入盐酸后,通常还需加入另一种化学试剂X,根据题中信息推测,加入X
的作用为 。
(5)下列关于步骤④的说法正确的是_____(填字母)。
A.过滤后的滤液中仍含有较多Ce3+,需要将滤液循环以提高产率
B.可以用Na2CO3溶液代替NH4HCO3溶液,不影响产品纯度
C.过滤时选择减压过滤能够大大提高过滤效率
D.该步骤发生的反应是2Ce3++6
=Ce2(CO3)3↓+3CO2↑+3H2O
(6)若常温下,Ka2(H2CO3)=5.0×10−11,Ksp[Ce2(CO3)3]=1.0×10−28,Ce3+恰好沉淀完全
c(Ce3+)=1.0×10−5mol∙L−1,此时测得溶液的pH=5,则溶液中c(
)= mol∙L−1。
4.以含钛高炉渣(主要成分为
,还含有少量CaO、Fe2O3、
)为原料生产
的工艺流程如下:
已知:
①浸出液的pH 小于0.5
②相关金属离子
时,形成氢氧化物沉淀的pH 范围如下:
金属离子
开始沉淀的pH
0.5
6.3
1.5
沉淀完全的pH
2.5
8.3
2.8
请回答以下问题:
(1)“浸渣”的主要成分为 (填化学式)。
(2)为了提高“酸浸”的浸取率,可采取的措施为 (任写一条)。
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(3)加入
时所发生氧化还原反应的离子方程式为 。
(4)过滤得到
需要经过洗涤、减压烘干。实验室里洗涤沉淀的一般
方法是 。
(5)隔绝空气条件下,
在800℃灼烧得到
。
①在实验室里灼烧晶体时,应把晶体放在 (陶瓷仪器)中灼烧。
②灼烧时的化学方程式为 。
5.一种以转炉钒渣(主要成分为V2O3、FeO、SiO2及少量MgO、CaO、Al2O3)为原料实
现低成本回收钒资源的生产工艺如下:
表一:相关金属离子[c0(Mn+) = 0.01 mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH 范围如下:
金属离子
Fe2+
Fe3+
Al3+
Mg2+
开始沉淀的pH
7.5
2.2
3.7
9.4
沉淀完全的pH
9.0
3.2
4.7
10.9
表二:部分含钒物质在水溶液中主要存在形式如下:
pH
<1
1 ~ 4
6 ~ 8.5
>13
主要形式
VO
V2O5
VO
VO
备注
多钒酸盐在水中溶解度较小
已知:①“焙烧”的主要反应之一为:CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g);
②在焙烧过程中产生Ca2V2O7;其中,Ca2V2O7在水中的溶解度小,易溶于稀硫酸和碱
溶液。
(1)Ca2V2O7中V 的化合价为 ,写出在焙烧过程中产生Ca2V2O7的化学方程式
。
(2)“稀H2SO4调pH”后钒元素主要以VO 存在,生成VO 的离子方程式为 。
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(3)“滤渣2”的主要成分是 。利用上述表格数据,计算Fe(OH)3的Ksp= 。
(4)“调pH 值至6~8.5”时控制温度不超过40℃,原因是 。
(5)已知“沉钒”得到NH4VO3,该环节通常需要加入过量 (NH4)2SO4,其原因是
。
(6)有机卤化铅晶体具有独特的光电性能,下图为其晶胞结构示意图。
① 原子坐标参数A1为(0,0,0);B 为(
,
,
),则X2为 。若该晶胞的边
长为a nm,则最近的两个Cl-中心间的距离是 。
② 在该晶胞的另一种表达方式中,若图中Pb2+处于顶点位置,则Cl-处于 位置。
A.顶点 B.面心 C.体心 D.棱心
6.铋及其化合物广泛应用于电子材料、医药等领域。一种以氧化铋渣(主要成分是
、
、
、
和
等)为原料,制取高纯
的工业流程如图所示:
已知:①该工艺条件下,相关金属离子形成氢氧化物沉淀的
范围如下:
离子
开始沉淀的
1.5
3.6
4.5
沉淀完全的
3.2
4.7
6.7
②
不溶于稀硫酸
③常温下,
,
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④硫代乙酰胺(
)在酸性溶液中会水解为乙酰胺(
)
和
回答下列问题:
(1)
与
同族,
原子处于基态时电子占据最高能级的电子云轮廓图为 形。
(2)“滤渣1”的主要成分为 (填化学式)。
(3)“沉铋”时,
转化为
沉淀。往“滤液1”中加入铁粉,可回收其中的
金属。
(4)“洗涤”时先用水洗,再用稀硫酸洗涤。用稀硫酸洗涤的目的是 。
(5)“转化”分两步进行:
第一步,用
溶液将
转化为
。常温下,当该过程达到平衡状态时,
测得溶液的
,则此时溶液中
;
第二步
受热分解为
。
(6)“酸溶”工序通常会加入过量的盐酸,其作用为:①充分溶出
;② 。
(7)从“滤液3”中分离出乙酰胺以后,可返回“酸溶”或“酸浸”工序中循环使用,则
“硫化”过程的化学方程式为 。
7.利用软锰矿(主要成分是MnO2,还含少量CaO、MgO、SiO2、Al2O3等杂质)制取高
纯硫酸锰的工艺流程如图所示。
已知:常温下,一些金属氢氧化物沉淀的pH 如表:
氢氧化物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Mn(OH)2
Al(OH)3
开始沉淀pH
1.5
6.5
7.7
3.8
沉淀完全pH
3.7
9.7
9.8
5.2
常温下,一些难溶电解质的溶度积常数如表:
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难溶电解
质
MnF2
CaF2
MgF2
Ksp
5.3×10-3
1.5×10-10
7.4×10-11
回答下列问题:
(1)滤渣1 的主要成分是 (填化学式);将软锰矿、铁屑和硫酸按一定比例放入反
应装置中,搅拌、加热反应一定时间,其中搅拌、加热的目的是 ;从“深度除
杂”后的溶液中得到MnSO4固体的操作为 、降温结晶、过滤、洗涤和干燥。
(2)“浸取”时,溶液中的Fe2+与MnO2反应生成Fe3+的离子方程式为 ,“浸出
液”需要鼓入一段时间空气后,再进行“沉铁”的原因是 。
(3)“沉铁、铝”时,加CaCO3控制溶液pH 范围是 ;常温下,Ksp[Al(OH)3]=
。
(4)“深度除杂”中加入MnF2可以除去 离子和 离子,原因是 。
8.钒的用途十分广泛,有金属“维生素”之称。以含钒石煤(主要成分为
、
,
杂质有
、
及
、
、
等化合物)制备单质钒的工艺流程如图所示。
已知:
①该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀时和完全沉淀时的
如下表所示:
金属离子
开始沉淀时
1.9
7.0
3.0
8.1
完全沉底时
3.2
9.0
4.7
10.1
②
,
,
远大于
。
回答下列问题:
(1)为了提高“焙烧”效率,可采取的措施有 、
(2)“焙烧”时,
、
都转化为
,写出
转化为
的化学
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方程式为
(3)“水浸”加入
调节溶液的
为8.5,可完全除去的金属离子有 ,
部分除去的金属离子有 。“水浸”加入过量
不能使
完全转
化为
,原因是 。
(4)“离子交换”与“洗脱”可表示为
(
为强碱
性阴离子交换树脂,
为
在水溶液中的实际存在形式),则“洗脱”过程中
“淋洗液”最好选用
(5)“沉钒”过程析出
晶体,需要加入过量
,目的是 。
(6)钒的某种氧化物的晶胞结构如图所示,晶胞的长、宽、高分别是apm、bpm、cpm,
阿伏加德罗常数的值为
,则该晶体的密度为
(用含a、b、c、
的代数式表示)。
9.钯(Pd)是一种贵金属,活性炭载钯催化剂广泛应用于石油化工、制药等工业,但使
用过程中因生成难溶于酸的PdO 而失活。一种从废钯催化剂(杂质主要含有机物、活性
炭、
及少量Fe、Cu 等元素)中回收海绵钯的工艺流程如图:
已知:I.阴、阳离子交换树脂的基本工作原理分别为
、
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(
表示树脂的有机成分)。
Ⅱ.“沉钯”时得到氯钯酸铵
固体,不溶于冷水,可溶于稀盐酸。
请回答下列问题:
(1)进行“焙烧”的目的是 。
(2)“浸取”时,加入
有利于Pd 的溶解,生成的四氯合钯(Ⅱ)酸(
)为二元
强酸。加入浓盐酸和
后主要反应的离子方程式: 。
(3)“离子交换除杂”应使用 (填“阳离子”或“阴离子”)树脂。
(4)“还原”过程
转化为
,在反应器出口处器壁内侧有白色晶体生成,该过程发
生的化学方程式为 ,且该反应的副产物可循环利用至 环节(填环节名称)。
(5)研究表明有些过渡金属型氢化物能高效的储存和输送氢能源,如LaH2.76、TiH1.73,
已知标准状况下,1 体积的钯粉大约可吸附896 体积的氢气(钯粉的密度为
10.64g·cm-3,相对原子质量为106.4),试写出钯(Pd)的氢化物的化学式 。在第
二步还原过程中,也可用
代替N2H4进行热还原,但消耗的H2质量比理论值略高,
其原因是 。
10.从水钴矿”(主要含Co2O3及少量Fe2O3、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、MnO2、CaO
等杂质)中制备CoC2O4•2H2O 的工艺如图:
已知:①电极电势的大小反映了氧化剂的氧化能力相对大小。见表:
电极电
势
Co3+/Co2+
H2O2/H2O
ClO-/Cl-
Cl2/Cl-
O2/H2O
Fe3+/Fe2+
I2/I-
E0/V
1.84
1.78
1.49
1.36
1.23
0.77
0.53
②浸出液中主要含有的阳离子有Co2+、Fe2+、Al3+、Mg2+、Mn2+、Ca2+。
③该工艺条件下,金属离子浓度对数lgc 随pH 变化情况如图示(浓度≤10-5mol•L-1时,
该金属离子沉淀完全)。
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回答下列问题:
(1)写出MnO2被还原浸出的离子方程式 。Na2SO3除了还原某些金属氧化物外,
还有 作用。
(2)“氧化”步骤为了除去Fe2+,不合适的氧化剂有 (填字母标号)。
A.I2
B.O2
C.ClO-
D.H2O2
(3)“调pH”的范围是 ,滤渣1 主要有、 。
(4)磷酸二异辛酯的作用是 。
(5)加入(NH4)2C2O4沉钴时,初始n[(NH4)2C2O4]/n(Co2+)=1.15,沉淀时间10min,钴的沉
淀率随温度升高先增大后减小的原因是 。
(6)如图为CoC2O4•2H2O 在空气中受热的质量变化曲线,曲线中300℃及以上所得固体
均为钴氧化物。通过计算,写出B→C 的化学方程式 。
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