第2讲 常见金属元素单质及其重要化合物
真题试做
1.(2011广东高考,10)某同学通过系列实验探究Mg及其化合物的性质,操作正确且能达到目的的是( )。
A.将水加入浓硫酸中得到稀硫酸,置镁片于其中探究Mg的活泼性
B.将NaOH溶液缓慢滴入MgSO4溶液中,观察Mg(OH)2沉淀的生成
C.将Mg(OH)2浊液直接倒入已装好滤纸的漏斗中过滤,洗涤并收集沉淀
D.将Mg(OH)2沉淀转入表面皿中,加足量稀盐酸,加热蒸干得无水MgCl2固体
2.(2011山东高考,12)Al、Fe、Cu都是重要的金属元素。下列说法正确的是( )。
A.三者对应的氧化物均为碱性氧化物
B.三者的单质放置在空气中均只生成氧化物
C.制备AlCl3、FeCl3、CuCl2均不能采用将溶液直接蒸干的方法
D.电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液在阴极上依次析出Cu、Fe、Al
3.(2010课标全国理综,26部分)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为砖红色沉淀。
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________________________________。
考向分析
近几年考查的热点:钠及其化合物(Na2O2、NaHCO3、Na2CO3)的性质;Al及其化合物的两性;Fe2+与Fe3+之间的转换关系及鉴别;铜的冶炼及铜的化合物[铜绿、CuO、Cu(OH)2]的性质。
热点例析
热点一、金属单质及其冶炼
【例1】为了确定一批合金废料的成分并加以回收利用,某同学拟定了以下实验方案:
(已知Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑)请回答下列问题:
(1)从上述信息可确定该合金中一定含有Fe和______(填化学式)。
(2)“试剂a”是一种不引入杂质的绿色氧化剂,该氧化剂的化学式为______;滤渣D、稀硫酸和试剂a总反应的化学方程式为______________________________________。
(3)若反应①产生的气体是H2,则验证滤液A只含NaAlO2不含Na2SiO3的方法是:取少量滤液A于试管中,____________________;如果滤液A只含NaAlO2而不含Na2SiO3,则反应①的离子方程式为____________________________。
思路点拨 金属单质及其化合物的基础知识
金属活动性顺序表
K Ca Na
Mg Al
Zn
Fe Sn Pb
(H)
Cu Hg Ag
Pt Au
性质变化规律
和水的反应
与冷水剧烈反应
与沸水缓慢反应
与高温水蒸气反应
—
不跟水反应
生成碱和氢气
生成氧化物和氢气
和酸的反应
剧烈反应
反应逐渐减缓
—
不能置换稀酸中的氢
与非氧化性酸反应放出H2;与浓硫酸、浓硝酸及稀硝酸反应,不放出H2,一般产物为:盐+水+成酸元素的低价化合物
与氧化性酸反应(但不放出H2)
只溶于王水
和盐溶液的反应
金属先与水反应生成碱,碱再与盐反应
排在前面的金属可将后面的金属从其盐溶液中置换出来
和氧气的反应
易被氧化
常温生成氧化膜
加热能被氧化
—
加热能被氧化
不能被氧化
金属活动
性顺序表
K Ca Na
Mg Al
Zn
Fe Sn Pb
(H)
Cu Hg Ag
Pt Au
金属氧化物对应的水化物及碱的热稳定性
氧化物跟水剧烈反应,生成碱,碱受热不易分解
氧化物不溶于水,也不跟水反应,对应碱的热稳定性逐渐减弱
金属的冶炼
电解法
热还原法
煅烧法
—
电解熔融盐
或氧化物
高温下用CO(或Al)从其氧化物中还原出来
—
—
自然界中存在的形式
只以化合态(盐、氧化物)存在
多以化合态存在,但有极少的游离态
只以游离态存在
我们除了应用上述金属活动顺序表进行记忆外,还要注意特性,如Al既与酸反应,也可以与碱反应;Fe、Al在冷浓硫酸或冷浓硝酸的条件下钝化;活泼性很强的金属(如钠、钾)不能把活泼性弱的金属从其盐溶液中置换出来。
即时训练1 (原创组合)下列叙述正确的是____________。
①铜具有良好的导电性,常用来制作印刷电路板,但在潮湿空气中长期保存表面会有铜绿生成
②称取等质量的两份铝粉,分别加入过量的稀盐酸和过量的NaOH溶液,充分反应后,放出氢气的体积(同温同压下)相等
③向FeCl3溶液中加入过量铁粉,溶液由棕黄色变为浅绿色
④铝合金的大量使用归功于人们能使用焦炭等还原剂从氧化铝中获得铝
⑤Na可以把硫酸铜溶液中的Cu置换出来
⑥铝箔在空气中受热可以熔化,由于氧化膜的存在,熔化的铝并不滴落
⑦镁条在空气中燃烧生成的氧化物是MgO,可知钠在空气中燃烧生成的氧化物是Na2O
⑧钠在空气中燃烧,发出黄色的火焰,生成淡黄色固体
⑨目前我国流通的硬币是由合金材料制造的
⑩铁不与水反应,所以铁锅可以烧水做饭
热点二、常见金属氧化物和氢氧化物
【例2】某混合物X由Cu、SiO2、Al2O3、Fe2O3中的一种或几种物质组成,进行如下实验。
请回答下列问题:
(1)经Ⅰ得到蓝色溶液,该过程中一定发生的化学反应是(用离子方程式表示)________、__________________。
(2)X中一定含有的物质是________。反应Ⅱ的化学方程式是_____________________。
(3)为进一步确定上述混合物X的成分,另取9.08 g X进行如下实验。
①加入足量的NaOH溶液,过滤,将滤渣在氮气气流中干燥得固体m g。
②向滤渣中加入过量盐酸,过滤,将滤渣在氮气气流中干燥得固体n g。
上述①②由于缺少________步骤(填操作名称),使得测定的质量m、n均________。
③按正确步骤重新进行实验后得到m=6.08 g、n=1.6 g。计算原混合物中各成分的质量之比是________。(不必化简)
思路点拨 1.物理性质:
Na2O(白色)、Na2O2(淡黄色)、MgO(白色粉末、熔点高)、Al2O3(白色、熔点高)、Fe2O3(红棕色)、FeO(黑色)、Fe3O4(黑色、具有磁性)、CuO(黑色)、Cu(OH)2(蓝色)、Fe(OH)2(白色)、Fe(OH)3(红褐色)。
2.化学性质:
(1)规律:
①金属氧化物
②碱的稳定性,四大强碱[NaOH、KOH、Ba(OH)2、Ca(OH)2]均溶于水,受热均不分解,对应的氧化物(Na2O、Na2O2、K2O、BaO、CaO)也与水剧烈反应,生成碱;其他金属氢氧化物一般不溶于水、受热分解,对应的氧化物一般也不与水反应,如Cu(OH)2、Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3等。
(2)特性:
①金属氧化物:Na2O2可分别与水、CO2反应生成氧气;Al2O3与强碱反应生成偏铝酸盐;FeO、Fe3O4与强氧化性酸反应被氧化生成三价铁。
②碱:Al(OH)3既与酸反应又与强碱反应;Fe(OH)2极易被氧化,在空气中白色沉淀迅速变成灰绿色,最后变成红褐色。
即时训练2 下列说法正确的是( )。
A.Al(OH)3能与NaOH溶液反应,则Al(OH)3也能与氨水反应
B.过氧化钠能与二氧化碳反应产生氧气,可用作高空飞行或潜水的供氧剂
C.Fe(OH)3溶于氢碘酸的离子方程式为Fe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O
D.等质量的NaHCO3和Na2CO3分别与足量盐酸反应,在同温同压下,生成的CO2体积相同
热点三、金属阳离子的检验
【例3】下列说法正确的是( )。
A.用氨水鉴别Al3+、Mg2+、Ag+
B.向某溶液中加入2滴KSCN溶液,溶液不显红色。再向溶液中加入几滴新制的氯水,溶液变为红色,该溶液中不一定含有Fe2+
C.NaCl、FeCl2、FeCl3、MgCl2、AlCl3五种溶液,用烧碱溶液就可把它们鉴别开来
D.要证明Fe3+溶液中含有Fe2+可以用NH4SCN溶液和氯水
方法规律常见金属阳离子的鉴别方法
鉴别方法
离子
试剂
现象
沉淀法
Al3+
NaOH溶液
白色沉淀→消失
Cu2+
蓝色沉淀
Fe2+
白色沉淀→灰绿色→红褐色
Fe3+
红褐色沉淀
显色法
Fe3+
KSCN
溶液变为红色
淀粉KI
变蓝
Fe2+
酸性高锰酸钾
紫色褪去
KSCN、氯水
无现象→红色
Na+
铂丝和稀盐酸
火焰为黄色
K+
火焰为紫色(透过蓝色钴玻璃)
注意:阳离子的检验除了一些特殊的方法外,我们一般用NaOH溶液即可鉴别。
即时训练3 有一瓶无色溶液,可能含有Na+、K+、Al3+、Mg2+、NH、Cl-、SO、HCO、MnO离子中的几种。为确定其成分,进行如下实验:
①取少许溶液,逐渐加入过量的Na2O2固体,产生无色无味的气体和白色沉淀且白色沉淀逐渐增多后又部分溶解;
②另取部分溶液,加入HNO3酸化的Ba(NO3)2溶液,有白色沉淀产生;
③用洁净的铂丝蘸取原溶液在酒精灯火焰上灼烧,观察到黄色火焰。
下列推断正确的是( )。
A.肯定有Na+、Al3+、Mg2+、SO
B.肯定有Na+、Mg2+、Al3+、HCO
C.肯定没有K+、HCO、MnO
D.肯定没有K+、NH、Cl-
误区警示
1.忽视金属单质与溶液中的水反应
如把Na投入到硫酸铜溶液中的现象,常错解为有红色沉淀生成,正确解答:Na熔化成小球,在液面上不断游动,并发出“嘶嘶”的响声,最后消失,溶液中有蓝色沉淀生成。
2.混淆Fe与HNO3反应产物与反应物量的关系
Fe少量生成Fe3+,如果Fe过量,HNO3反应完后,过量的Fe会与Fe3+反应最后生成Fe2+。
3.错误认为Na在氧气中燃烧产物与氧气的量有关
Na与氧气反应,产物与反应条件有关,Na暴露在空气中首先被O2氧化生成Na2O,而在空气中或氧气中燃烧,不论氧气是否足量均生成Na2O2。
4.正确理解焰色反应
焰色反应是物理变化,是元素的物理性质,如钠,不论是单质钠,还是化合态的钠,焰色反应均是黄色;观察钾的焰色反应时要透过蓝色钴玻璃。
5.混淆碱性强弱
Al(OH)3可溶于强碱,但不与弱碱(如氨水)反应。
跟踪练习 判断正误:(正确的打“√”号,错误的打“×”号)
1.过量Fe在少量氯气中燃烧生成FeCl2。
2.Fe2(SO4)3溶液加热蒸干后得到的固体仍为Fe2(SO4)3。
3.用铂丝蘸取少许溶液,并在酒精灯火焰上灼烧,焰色反应为黄色,一定含有钠元素,一定无钾元素。
4.向AlCl3溶液中滴加氨水至过量,看到的现象为先有白色沉淀,最后白色沉淀消失。
5.向NaOH溶液中逐滴滴加AlCl3溶液至过量,看到的现象为先有白色沉淀,最后白色沉淀消失。
6.金属钠放入FeCl3溶液中,先把Fe3+还原成Fe2+,最后再还原为Fe单质。
1.下列实验的前后,铜的质量一定发生变化的是( )。
A.铜丝在空气中灼烧后立即插入乙醇
B.铜片放入酸化的硝酸钠溶液
C.铜和铁的混合物放入稀硝酸
D.铜、锌、稀硫酸构成的原电池放电
2.已知A、B为单质,C为化合物。能实现上述转化关系的是( )。
A+BCCA+B
①若C溶于水后得到强碱溶液,则A可能是Na
②若C溶液遇Na2CO3放出CO2气体,则A可能是H2
③若C溶液中滴加KSCN溶液显血红色,则B可能为Fe
④若C溶液中滴加NaOH溶液有蓝色沉淀生成,则B可能为Cu
A.①② B.③④ C.①③ D.②④
3.(2012浙江浙南、浙北部分学校联考,13)根据下列框图,下列说法正确的是( )。
A.M、E都是第四周期中的过渡元素,E的金属活动性比M的金属活动性强,E3+的氧化性比M2+的氧化性弱
B.反应①、②、③、④、⑤都属于氧化还原反应,且在反应①和③中硫酸都是既表现了酸性、又表现了氧化性
C.反应④、⑥的离子方程式分别可表示为:E3++SCN-===E(SCN)2+、3NH3·H2O+E3+===E(OH)3↓+3NH
D.用K2EO4、Zn可制成一种高能电池,该电池中负极的电极反应式为:EO+4H2O+3e-===E(OH)3+5OH-
4.下列各组物质混合后,不能同时产生无色气体和白色沉淀的是( )。
A.少量过氧化钠投入AlCl3溶液
B.Ba(OH)2溶液与(NH4)2SO4溶液
C.FeCl3溶液与NaHCO3溶液混合加热
D.明矾溶液与小苏打溶液混合
5.(2012绍兴部分重点中学模拟,12)将0.4 g NaOH和1.06 g Na2CO3混合并配成溶液,向溶液中滴加0.1 mol·L-1稀盐酸。下列图像能正确表示加入盐酸的体积和生成CO2的物质的量的关系的是( )。
6.(2012温州十校联考,28)0.80 g CuSO4·5H2O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________(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0.10 mol·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0.1 mol·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。
参考答案
命题调研·明晰考向
真题试做
1.B 解析:本题考查镁及其化合物的性质、常见的基本实验操作。稀释浓硫酸时,应将浓硫酸沿着器壁慢慢加入水中,并及时搅拌,A是错误的;过滤时将浊液倒入过滤器需要用玻璃棒引流,因此C不正确;蒸发溶液时应该用蒸发皿而不是表面皿,由于MgCl2水解,所以加热时必须在HCl的气氛中加热才能得到MgCl2固体,所以D不正确,因此只有选项B是正确的。
2.C 解析:铝对应的氧化物Al2O3属于两性氧化物,A不正确;铝属于活泼金属其表面易被空气中氧气氧化形成一层致密的氧化膜而使铝不易被腐蚀;铁放置在空气中可以直接发生化学腐蚀,例如铁与氯气直接反应而被腐蚀;铜放置在空气中会和空气中氧气、二氧化碳和水缓慢反应生成碱式碳酸铜即铜绿,方程式为2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3,因此选项B不正确;AlCl3、FeCl3、CuCl2均属于强酸弱碱盐,在溶液中会水解生成相应的氢氧化物和HCl,溶液在加热时会促进水解,同时生成的HCl挥发,进一步促进水解,当溶液蒸干后将得不到相应的物质,所以选项C正确;铝属于活泼的金属元素,在水溶液中Al3+不会放电生成铝单质,Fe3+在水溶液中会放电但产物是Fe2+,而不是单质铁,只有Cu2+在阴极上得到电子生成单质铜,所以选项D也不正确。
3.答案:(1)SO2 H2SO4 Cu2O
(2)粗铜 精铜 CuSO4溶液
(3)Cu+2H2SO4(浓) CuSO4+SO2↑+2H2O
解析:本题突破口为“G为砖红色沉淀”,所以F含有Cu2+,单质C为铜,E为浓硫酸、B为SO2、D为SO3、A为Cu2S。
精要例析·聚焦热点
热点例析
【例1】 答案:(1)Cu (2)H2O2 Cu+H2O2+H2SO4===CuSO4+2H2O
(3)逐滴滴加稀盐酸(或稀硫酸)至过量,先产生白色沉淀,然后沉淀完全溶解 2Al+2OH-+2H2O===2AlO+3H2↑
解析:(3)如果含有Na2SiO3,则Na2SiO3与酸反应生成H2SiO3沉淀,此沉淀不与过量的酸反应,所以最终白色沉淀不消失。
【即时训练1】 答案:①②③⑥⑧⑨
解析:依2Al+2OH-+2H2O===2AlO+3H2↑、2Al+6H+===2Al3++3H2↑可知②正确;由Fe+2Fe3+===3Fe2+可知③正确;铝的冶炼是电解熔融的Al2O3,④错误;⑤Na先与溶液中的水反应,不能置换出Cu,错误;⑥铝箔表面的氧化膜(Al2O3)的熔点很高,正确;⑦应该生成Na2O2,错误;⑩铁可以与灼热的水蒸气反应,生成Fe3O4和H2,错误。
【例2】 答案:(1)Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O Cu+2Fe3+===2Fe2++Cu2+
(2)Cu、Fe2O3、SiO2 SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
(3)洗涤 偏高 m(Fe2O3)∶m(Cu)∶m(SiO2)=3.2∶2.88∶3.0
解析:(1)Cu不与盐酸反应,但经Ⅰ得到的蓝色溶液中一定含有Cu2+,所以上述混合物中一定含有Cu和Fe2O3,Fe2O3与盐酸反应生成的Fe3+把Cu氧化为Cu2+。(2)因为SiO2完全溶于过量的NaOH溶液,所以1.6 g固体C为Cu,B中含有3.0 g SiO2。(3)①后的滤渣为Cu和Fe2O3,质量为6.08 g,质量减轻3.0 g是SiO2的质量,所以X中无Al2O3;设6.08 g中含Cu物质的量为x、Fe2O3物质的量为y,依Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O、2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+可知参加反应②的n(Fe2O3)=n(Cu),所以y=x-、6.08 g=64 g·mol-1 x+160 g·mol-1 y,解方程组x=0.045 mol、y=0.02 mol,m(Fe2O3)=160 g·mol-1×0.02 mol=3.2 g、m(Cu)=64 g·mol-1×0.045 mol=2.88 g。
【即时训练2】 B 解析:Al(OH)3不能与弱碱反应,A错误;Fe3+具有氧化性、I-具有还原性,所以产物含有Fe2+、I2,C错误;生成1 mol CO2分别需要84 g NaHCO3、106 g Na2CO3,D错误。
【例3】 C 解析:氨水无法鉴别Al3+、Mg2+,A错误;该溶液中一定含有Fe2+,B错误;分别向NaCl、FeCl2、FeCl3、MgCl2、AlCl3溶液中滴加NaOH溶液的现象分别为无明显现象、先有白色沉淀后变为灰绿色最后变成红褐色、红褐色沉淀生成、白色沉淀生成且不消失、先有白色沉淀生成,然后消失,C正确;不论有没有Fe2+,溶液均变成红色,D错误。
【即时训练3】 A 解析:无色排除MnO,①2Na2O2+2H2O===4NaOH+O2↑,由生成无色无味的气体可知一定无NH,白色沉淀逐渐增多后又部分溶解可知一定含有Al3+、Mg2+;由②可知一定含有SO;由③可知一定含有Na+,因为没有透过蓝色钴玻璃,所以不能确定K+是否存在。
误区警示
【跟踪练习】 答案:× √ × × × ×
解析:1.不是在水溶液中进行的反应,所以过量的铁也不会与FeCl3反应,最终只生成FeCl3,错误;2.H2SO4是难挥发性酸,水解不会进行到底,正确;3.应该透过蓝色钴玻璃观察是否有紫色火焰才能确认是否含有K元素,错误;4.氨水是弱碱,错误;5.一开始NaOH过量应该生成可溶性NaAlO2,随着AlCl3溶液的增多,当NaOH反应完后,过量的Al3+会与AlO反应生成白色沉淀Al(OH)3,错误;6.金属钠先与水反应,错误。
创新模拟·预测演练
1.B 解析:A、D中铜的质量一定不变;C选项中如果铁过量则铜的质量不变;B选项中Cu会与H+、NO反应,质量一定减少。
2.D 解析:电解水溶液一定不会生成金属钠及金属铁,①③错误;②盐酸与Na2CO3反应生成CO2,A、B、C分别为H2、Cl2、HCl,正确;④A、B、C分别为Cl2、Cu、CuCl2,正确。
3.C
4.C 解析:A中过氧化钠与水反应生成氧气和氢氧化钠,NaOH与AlCl3反应生成氢氧化铝白色沉淀;B中生成了NH3和硫酸钡白色沉淀;C中Fe3+与HCO可发生相互促进的水解反应,有Fe(OH)3红褐色沉淀和CO2气体产生;D中生成的是CO2和氢氧化铝沉淀。
5.C 解析:此题考查了元素化合物、图像数据的处理知识。向NaOH和Na2CO3混合溶液中滴加盐酸时,首先和NaOH反应生成水和氯化钠,当滴入0.1 L时,两者恰好反应完全;继续滴加时,盐酸和Na2CO3开始反应,首先发生:HCl+Na2CO3===NaHCO3+NaCl,不放出气体,当再加入0.1 L时,此步反应进行完全;继续滴加时,发生反应:NaHCO3+HCl===NaCl+H2O+CO2↑,此时开始放出气体,分析图像,可知选C。
6.答案:(1)CuSO4·H2O
CuSO4·5H2OCuSO4·(5-n)H2O+nH2O↑
250 18n
0.80 g 0.80 g-0.57 g
=0.23 g
n=4
(2)CuSO4CuO+SO3↑ CuSO4·5H2O 102 ℃
(3)2H2SO4(浓)+CuCuSO4+SO2↑+2H2O
(4)2.2×10-8 0.2
解析:(1)读题图可知,在200 ℃时,样品的质量是0.57 g,故可判断失去的水是(0.80-0.57) g=0.23 g,设此时固体是CuSO4·(5-n)H2O,则可写出分解方程式CuSO4·5H2OCuSO4·(5-n)H2O+nH2O↑,根据该方程式列关系式可求得n=4。
(2)若晶体完全失水即变为硫酸铜,则硫酸铜的质量是0.80 g×160/250=0.512 g,由题图可知当温度在258 ℃时,硫酸铜已经完全失去了结晶水,故在570 ℃时是硫酸铜受热分解,根据得到的黑色粉末能溶于稀硫酸可判断黑色粉末是氧化铜,则氧化性的气体是SO3,故可写出硫酸铜分解的方程式;氧化铜与稀硫酸反应经浓缩、冷却后析出的晶体是CuSO4·5H2O,根据图像可知,该晶体存在的最高温度是102 ℃。
(3)SO3与水反应生成了硫酸,浓硫酸与铜在加热时发生反应。
(4)因为pH=8时,c(OH-)=10-6 mol·L-1,又因Ksp=c(Cu2+)·c2(OH-),故c(Cu2+)=Ksp/c2(OH-),代入数据得c(Cu2+)=2.2×10-8mol·L-1;由Cu2++H2S===CuS↓+2H+可判断此时溶液中的氢离子浓度是0.2 mol·L-1。
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