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金属及其化合物
<<试题调研>>杂志社
《无机化学基础基础部分》
蚌埠二中蒋红年
邮箱:
jhn19807819@
专题五金属及其化合物
高考导航
【考情分析】
本专题是元素化合物知识的重要组成部分,是高考考查的热点,此类试题一般综合度高涉及面广,难度较大。
2014年高考对这部分知识的考查侧重于结合具体生产过程进行,在考查了金属及其化合物的同时,也兼顾了氧化还原反应原理、离子方程式的书写、化学计算及化工工艺等知识的考查。
从考查内容来看,主要集中在“铁三角”“铝三角”的相互转化;铜、镁及其化合物的相互转化;铁铜及其化合物发生氧化还原反应时方程式的书写,如2014年福建卷以“用废铁皮制备铁红的部分流程”为情境考查了硝酸分解的反应方程式及计算参与反应的CO的物质的量。
预计2015年将以教材中常见的铁、铜、镁、铝及其化合物的性质为重点,以物质制备、工艺流程或性质探究的形式出现,值得注意的是2014年高考中关于滴定的实验部分有所弱化,在复习中要加以注意。
【备考指导】
1.深刻领会并灵活运用金属活动顺序表金属活动顺序表中从左到右元素金属性依次减弱,对应阳离子氧化性依次增强;金属性不同的金属冶炼方法也不同。
2.熟练掌握典型金属元素性质并会正确应用元素化合物知识归根结底还是对物质性质的应用,选择题中主要考查Na、Mg、Al、Fe单质及其化合物性质的应用,主要出现在分离、鉴别、提纯、除杂、制备方法等试题中;工业流程题中主要考查Mg、Al、Fe、Cu及其化合物性质的应用,主要出现在分离、提纯、转化、工业制备等问题中。
重难点全解
重点1钠及其化合物之间的转化
【调研1】将2.5gNa2CO3、NaHCO3和NaOH的固体混合物完全溶于水,制成稀溶液,然后向该溶液中逐滴加入1mol·L-1的盐酸,所加入盐酸的体积与产生CO2的体积(标准状况)关系如图所示:
(1)写出OA段所发生反应的离子方程式:
__________________。
(2)当加入35mL盐酸时,产生CO2的体积为________mL(标准状况)。
(3)原混合物中NaOH的质量为________g,碳酸钠的质量分数为________。
【解析】A点时开始产生CO2气体,故OA阶段发生的反应为OH-与H+作用生成水,CO
与H+作用生成HCO
。
加入35mL盐酸时,有10mL盐酸与HCO
反应生成CO2,利用HCO
+H+===CO2↑+H2O进行计算。
设混合物中Na2CO3、NaHCO3、NaOH物质的量分别为x、y、z。
A点时溶液中溶质为NaCl、NaHCO3,B点时为NaCl。
依据OA阶段的反应则有:
x+z=0.025×1,依据OB阶段的反应2x+y+z=0.045×1,依据总质量则有:
106x+84y+40z=2.5。
解得z=0.015mol,x=y=0.01mol。
则m(NaOH)=0.6g,m(Na2CO3)=1.06g,w(Na2CO3)=
×100%=42.4%。
【答案】
(1)H++OH-===H2OCO
+H+===HCO
(2)224 (3)0.6 42.4%
【解法点津】本题的难点在于反应的先后顺序的判断。
Na2CO3、NaHCO3和NaOH都可以和盐酸发生反应,这就存在一个反应的先后顺序问题即竞争反应。
如题中NaOH最先和盐酸反应,因为此反应生成难电离的水。
钠及其化合物在日常生产、生活中有重要用途:
①过氧化钠作为供氧剂,但是在判断反应中的电子转移数时,过氧化钠与CO2、H2O反应,每摩尔过氧化钠转移电子数为1mol。
②NaOH、Na2CO3溶液呈碱性,保存时应用橡皮塞。
③泡沫灭火器使用的是NaHCO3溶液和Al2(SO4)3溶液,而干粉灭火器使用的是固体NaHCO3。
④利用NaHCO3受热易分解可以除去Na2CO3固体中混有的NaHCO3;NaHCO3溶液中混有Na2CO3,可向溶液中通入CO2除去Na2CO3。
【变式1】下列方法不能用于鉴别Na2CO3和NaHCO3固体的是()
A.分别加热两种固体,将放出的气体通入澄清石灰水
B.分别取两种固体溶于水,滴加Ba(OH)2溶液,观察是否生成沉淀
C.分别取两种固体各1g,滴入几滴水振荡,用手触摸试管底部
D.分别取等质量的固体与足量稀盐酸充分反应,加热、蒸干、灼烧称重
重点2铝三角在物质转化中的应用
【调研2】从铝土矿(主要成分是Al2O3,含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)中提取Al2O3通常有两种工艺,其流程图示如下:
请回答下列问题:
(1)流程甲中加入过量CO2后生成沉淀F的离子方程式为__________________________。
(2)流程乙中加入烧碱后得到滤液Y的离子方程式为_____________________________。
(3)验证滤液B中含Fe3+,可取少量滤液并加入_______________(填试剂名称)。
(4)滤液E、K中溶质的主要成分是_______(填化学式),写出该溶质的一种用途______。
(5)已知298K时,Mg(OH)2的溶度积常数Ksp=5.6×10-12。
取适量的滤液B,加入一定量的烧碱至达到沉淀溶解平衡,测得pH=13.00,则此温度下残留在溶液中的c(Mg2+)=__________。
【解析】本题考查的是铝及其化合物的基本性质,难度不大但综合度高知识覆盖面广,包含了中学阶段所要求掌握的所有的铝及其化合物的性质及其转化的方程式。
Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgO中,Al2O3、SiO2与NaOH溶液反应,MgO、Fe2O3不与NaOH溶液反应;除SiO2不与盐酸反应外,Al2O3、Fe2O3、MgO均与盐酸反应;
(1)加入足量盐酸后,Al2O3→Al3+,在加入足量的烧碱后Al3+→[Al(OH)4],再加入足量的CO2后的反应为:
[Al(OH)4]-+CO2=====Al(OH)3↓+HCO3-
(2)加过量烧碱能够溶解的是Al2O3和SiO2,滤液Y中的溶质是Na2SiO3和Na[Al(OH)4],
发生的反应有:
Al2O3+2OH--+3H2O==2[Al(OH)4]-、SiO2+2OH-=SiO32-+H2O
(3)Fe3+遇硫氰酸钾溶液显红色、遇苯酚溶液显紫色,所以二者均可以进行鉴别
(4)滤液E和K中均发生反应:
[Al(OH)4]-+CO2=====Al(OH)3↓+HCO3-,所以溶质的主要成分是NaHCO3 ,用途之一是做发酵粉。
(5)pH=13.00时,c(OH-)=0.1mol·L-1,Ksp=c(Mg2+)·c2(OH-)=5.6×10-12,
可得c(Mg2+)=5.6×10-10 mol·L-1。
【答案】
(1)[Al(OH)4]-+CO2=====Al(OH)3↓+HCO3-
(2)Al2O3+2OH--+3H2O==2[Al(OH)4]-、SiO2+2OH-=SiO32-+H2O(3)硫氰化钾(或硫氰酸钾、苯酚溶液等合理答案)
(4)NaHCO3 制纯碱或做发酵粉等合理答案(5)5.6×10-10 mol·L-1
【解法点津】中学阶段要求考生掌握的含铝元素的物质有Al、Al(OH)3、[Al(OH)4]-、Al2O3、Al3+,其中既可以和强酸又可以和强碱反应的有Al、Al(OH)3、Al2O3,要注意的是Al、Al2O3与NaOH反应不生成Al(OH)3而是Na[Al(OH)4]-,并且Al与NaOH反应生成H2,Al2O3与NaOH反应不生成H2。
【变式2】某铝土矿中主要含有Al2O3、Al(OH)3、AlO(OH),还含有Fe2O3等杂质。
利用拜耳法生产氧化铝的流程如图所示:
⑴粉碎后的铝土矿碱浸时应在高温下进行,其目的是。
⑵AlO(OH)与NaOH反应的化学方程式为。
⑶在稀释、结晶过程中:
稀释的目的是;加Al(OH)3晶核的目的是促进Al(OH)3的析出。
上述“稀释、结晶”工艺,也可用通入足量的气体的方法来代替。
⑷浓缩所得的NaOH溶液由于吸收了空气中的CO2而含有杂质,该杂质可通过苛化反应除去,写出苛化反应的化学方程式:
。
⑸该生产流程能实现(填化学式)的循环利用。
重点3铁三角的快速突破
【调研3】下面是某化学学习小组通过实验探究来学习“铁的三种价态之间的转化”的案例。
材料及试剂:
具支试管、长颈漏斗(玻璃仪器)、U形管、多孔塑料垫板、粗(细)玻璃管、酒精灯、铁架台、止水夹、乳胶管、单孔塞、锌粒、FeO、Fe2O3、稀硫酸等。
(1)实验装置
实验前需要检查该装置的气密性,方法是。
(2)U形管中装入的药品是,其作用是。
(3)待锌粒与稀硫酸反应一段时间后,再点燃酒精灯甲和酒精灯乙,这样操作的必要性是。
(4)实验完毕,关闭止水夹,熄灭两只酒精灯,可以观察到具支试管与长颈漏斗中的现象是_____,关闭止水夹的目的是。
(5)某同学用化学方法验证Fe2O3是否被完全氧化,设计实验方案如下:
将玻璃管中的Fe2O3还原后的黑色粉末少许于试管中
向试管中加入足量的稀硫酸使其溶解
取试管中上层清液少许向其中加入几滴KSCN溶液,若溶液不变红则证明已完全还原。
该方法是否合理,请说明理由。
【解析】本题以实验方式考查金属铁以及化合物的性质,既考查了和铁及其化合物有关的物质的性质,又考查了实验方案的设计,增加了难度,综合性强,难度大。
(1)该装置中有长颈漏斗,可采用注水法检查装置气密性:
关闭止水夹,在长颈漏斗中注入水,如果漏斗中能够形成一段水柱,且水柱在短时间内高度不变,则证明该装置气密性良好。
(2)铁的氧化物的还原需要干燥的还原性气体,否则水蒸气容易与还原出的铁反应,故U形管中是干燥剂,可以选择碱石灰(或无水氯化钙)。
(3)反应前装置中有空气,若刚通入氢气时便加热,可能会导致爆炸,故采用先通入氢气排出空气然后再加热的方法排出装置体系中的空气,防止爆炸。
(4)熄灭酒精灯,玻璃管内反应结束,关闭止水夹,因为锌粒与酸仍然反应产生气体,使装置内气压升高,具支试管中的液体被压入长颈漏斗中,故具支试管中的液面下降,长颈漏斗中的液面上升;关闭止水夹可以防止被还原出的铁再被空气氧化。
(5)不合理,因为存在反应:
Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O和2Fe3++Fe=3Fe2+,所以若n(Fe2O3)/n(Fe)≤1时,Fe恰好将Fe2O3为Fe2+,也不显红色。
【答案】
(1)关闭止水夹,在长颈漏斗中注入水,如果漏斗中能够形成一段水柱,且一段时间后水柱高度不变,则证明该装置气密性良好
(2)碱石灰(或无水氯化钙)除去氢气中的水蒸气(或答“干燥氢气”)
(3)排出装置体系中的空气,防止爆炸
(4)具支试管中的液面下降,长颈漏斗中的液面上升防止被还原出的铁再被氧化
(5)不合理,Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O、2Fe3++Fe=3Fe2+,所以若n(Fe2O3)/n(Fe)≤1时,Fe恰好将Fe2O3为Fe2+,也不显红色。
【解法点津】有关基本实验操作的文字简答是常见的一种题型,这类试题要求考生用最简洁、最规范的语言描述出某一实验操作(如本题第1问)或实验现象(如本题第4问)。
实验现象类的简答:
应从视觉、听觉、触觉等角度简答出现的颜色、状态、气味、声音、光、热等具体现象,不能直接答出现象反映的结果,如氢气还原氧化铜,若答成黑色的氧化铜变为红色的铜就属于直接答出现象反映的结果。
有关装置气密性检查的简答:
答题的步骤是:
形成密闭体系→产生压强差→描述现象→得出结论。
本题中通过关闭止水夹、在长颈漏斗中注入水至浸没长颈漏斗下端形成密闭体系,通过继续向长颈漏斗中注水至形成一段水柱来形成压强差,若出现一段时间后水柱高度不变的现象,则证明气密性良好
【变式3】铁铜及其化合物与人类生活密切相关:
Ⅰ:
Fe2O3、Cu2O都是红色粉末,常用作颜料。
某校化学实验小组通过实验来探究某红色粉末是Fe2O3、Cu2O或二者混合物。
查阅资料:
Cu2O溶于稀硫酸生成Cu和CuSO4,在空气中加热生成CuO。
探究过程如下:
取少量粉末放入足量稀硫酸中,在所得溶液中再滴加KSCN溶液。
(1)若滴加KSCN试剂后溶液不变红色,则证明原固体粉末中一定不含Fe2O3。
你认为这种说法合理吗?
。
简述你的理由(用化学方程式表示)。
(2)经实验分析,确定红色粉末为Fe2O3和Cu2O的混合物,实验小组欲用加热法测定红色混合物中Cu2O的质量分数。
取ag固体粉末在空气中充分加热,待质量不再变化时,称其质量为bg(b>a),则混合物中Cu2O的质量分数为。
Ⅱ:
铁是人体必须的微量元素,治疗缺铁性贫血的常见方法是服用补铁药物。
“速力菲”(主要成分:
琥珀酸亚铁)是市场上一种常见的补铁药物。
该药品不溶于水但能溶于人体中的胃酸。
某化学实验小组同学为了检测“速力菲”药片中Fe2+的存在,设计了如下实验:
(3)试剂1是。
(4)加入KSCN溶液后,在未加新制氯水的情况下,溶液中也产生了红色,其可能的原因是。
(5)在实验中发现放置一段时间,红色溶液的颜色会逐渐褪去。
为了进一步探究溶液褪色的原因,甲、乙、丙三位同学首先进行了猜想:
编号
猜想
甲
溶液中的Fe3+又被还原为Fe2+
乙
溶液中的SCN-被过量的氯水氧化
丙
新制的氯水具有漂白性,将该溶液漂白
基于乙同学的猜想,请设计实验方案,验证乙同学的猜想是否正确。
写出有关的实验操作、预期现象和结论。
(不一定填满,也可以补充)
编号
实验操作
预期现象和结论
难点金属及其化合物之间的综合应用
【调研4】(2014届山东省潍坊高密市高三4月月考理综化学试卷)
(1)高温电解技术能高效实现CO2(g)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)+O2(g),工作原理示意图如下:
①电极b发生(填“氧化”或“还原”)反应。
②CO2在电极a放电的电极反应式是。
(2)工业上用某矿渣(含有Cu2O、Al2O3、Fe2O3、SiO2)提取铜的操作流程如下:
已知:
Cu2O+2H+=Cu+Cu2++H2O
沉淀物
Cu(OH)2
Al(OH)3
Fe(OH)3
Fe(OH)2
开始沉淀pH
5.4
4.0
1.1
5.8
沉淀
完全pH
6.7
5.2
3.2
8.8
①固体混合物A中的成分是。
②反应Ⅰ完成后,铁元素的主要存在形式为。
(填离子符号)
请写出生成该离子的离子方程式。
③x的数值范围是3.2≤pH<4.0,y对应的数值范围是。
④下列关于NaClO调pH的说法正确的是(填序号)。
a.加入NaClO可使溶液的pH降低
b.NaClO能调节pH的主要原因是由于发生反应ClO-+H+
HClO,ClO-消耗H+,从而达到调节pH的目的
c.NaClO能调节pH的主要原因是由于NaClO水解ClO-+H2O
HClO+OH-,OH-消耗H+,从而达到调节pH的目的
⑤实验室配制质量分数为20.0%的CuSO4溶液,配制该溶液所需的CuSO4·5H2O与H2O的质量之比为。
【解析】
(1)①电极b上的物质变化为O2-→O2价态升高为氧化反应
②a电极为正极,发生还原反应,电极反应式为CO2+2e-=CO+O2-
(2)
Al2O3、Fe2O3均可以溶于硫酸,SiO2不可以溶于硫酸,Cu2O和硫酸会生成Cu,所以固体混合物A中的成分是SiO2、Cu。
③调节x的数值范围3.2≤pH<4.0为除去其中的Fe3+杂质,此时溶液中还剩下Al3+杂质,所以接下来调节pH的目的是除去Al3+而Cu2+不受影响,依据表格可知y对应的数值范围是5.2≤pH<5.4。
④矿渣因为是用稀硫酸溶解的,所以溶液呈酸性,当加入NaClO时,溶液中就会有反应
ClO-+H+
HClO,ClO-消耗H+,从而达到调节pH的目的
⑤设CuSO4·5H2O的质量为x克,H2O的质量为y克,则质量分数为20.0%的CuSO4溶液中,CuSO4和H2O的质量分数可表示为为(x×160/250)/(x+y)×100%=20%,所以x∶y=5:
11
答案:
(1)①氧化②CO2+2e-=CO+O2-
(2)①SiO2、Cu②Fe2+2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+③5.2≤pH<5.4④b⑤5:
11
【解法点津】
(1)写电极反应式时,通常的方法是先“列物质,标得失”即分析总反应中的氧化反应和还原反应(及分析有关元素的化合价变化),判断出正极和负极(或阴极和阳极参与反应的物质),再“选离子,配电荷”即根据溶液的实际情况,判断介质是否参与反应,根据总反应式等于正负电极反应式相加,最终得出电池总反应式。
(2)若一个混合体系中,加入一种既可以影响平衡又可以发生化学反应的物质时,则以反应为主,如本题中酸性溶液中加入NaClO时既存在水解平衡ClO-+H2O
HClO+OH-,又存在化学反应ClO-+H+
HClO,则以反应为主;又如一定浓度的NaHCO3溶液中存在以下平衡:
HCO3-+H2O
H2CO3+OH-,当向溶液中NaOH时,既可以影响该水解平衡使其逆向移动使HCO3-浓度增大,又存在化学反应HCO3-+OH-=CO32-+H2O使HCO3-浓度减小,最终以反应为主,所以HCO3-浓度减小。
【变式4】某工厂废渣含MgCO3、SiO2、Fe2O3、FeCO3和CaCO3、Al2O3。
科研小组拟对废渣进行综合利用制取Mg(OH)2、芒硝(Na2SO4·10H2O)和Al2(SO4)3,设计如下工艺:
右表为几种沉淀的相关数据。
回答以下问题:
(1)操作1名称是,该操作中所用到的玻璃仪器有
。
(2)你认为在除铁过程中选用下列物质中的(填序号)作为试剂A是最合适的,
a.KMnO4b.Cl2c.H2O2
并用离子方程式表示往滤液I中加入试剂A的目的。
现采用滴定的方法测定废渣中FeCO3的含量,取m克该工厂废渣加足量的H2SO4溶解后配成VmL溶液,从中取出
mL倒入锥形瓶中进行滴定,用一定浓度的酸性KMnO4溶液进行滴定,则盛放KMnO4溶液的滴定管应选用(填“酸式”或“碱式”),滴定终了时消耗浓度为cmol•L-1的KMnO4溶液共bmL,则该废渣中FeCO3的质量分数为。
(3)滤液Ⅱ中加入试剂B目的是除Mg2+,根据溶度积可知pH=10.8时Mg2+已除尽,控制溶液pH=12.0的目的是,当pH=12.0时此时溶液中c(Mg2+)=。
(4)欲从滤液
中分离出Al2(SO4)3溶液,依次加入的试剂可以是
参考答案与解析
1.BA项,NaHCO3遇热分解生成CO2,能使澄清石灰水变浑浊,Na2CO3遇热稳定不分解,所以可以鉴别。
B项,Na2CO3和Ba(OH)2发生反应:
Ba2++CO32-=BaCO3↓,NaHCO3和Ba(OH)2发生反应:
Ba2++2OH-+2HCO3-=BaCO3↓+2H2O,溶液均变浑浊,所以不行。
C项,Na2CO3溶于水放热,NaHCO3溶于水吸热,所以可以鉴别。
D项,Na2CO3和NaHCO3的摩尔质量不同,等质量时物质的量不同,所以最终得到的氯化钠的质量也不同,质量大的是NaHCO3,所以可以鉴别。
2.
(1)加快反应的速率
(2)AlO(OH)+NaOH=NaAlO2+H2O
(3)促进NaAlO2的水解CO2(4)Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH(5)NaOH
【解析】本题以Al2O3的制备为载体,考查铝及其化合物性质、离子方程式的书写、对工艺流程的理解、除杂等,难度中等,关键在于对工艺流程的理解和知识的迁移运用。
(1)粉碎后的铝土矿碱浸时应在高温下进行,温度越高反应速度越快,故答案为:
加快反应的速率。
(2)AlO(OH)与NaOH反应,最后得到偏铝酸钠,钠和铝之比为1:
1,所以
AlO(OH)与NaOH是1:
1反应,即反应为AlO(OH)+NaOH=NaAlO2+H2O。
(3)此过程是利用NaAlO2的水解:
AlO2-+2H2O=Al(OH)3+OH-,依据越稀越水解,可知加水稀释是为了促进偏铝酸根离子的水解;也可以用偏铝酸盐与CO2气体反应制得即H2O+AlO2-+CO2=====Al(OH)3↓+HCO3-。
(4)浓缩所得的NaOH溶液由于吸收了空气中的CO2而含有杂质,杂质是碳酸钠,碳酸钠与氢氧化钙反应生成苛性钠,从而除去碳酸根离子,方程式为:
Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH。
(5)后续反应中生成氢氧化钠,而前阶段是用氢氧化钠溶解铝土矿,故该生产流程能实现的循环利用是NaOH。
3.
(1)不合理Cu2O+2H+=Cu+Cu2++H2O2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+,所以即使有Fe2O3也可能被还原为Fe2+
(2)
或
(3)稀盐酸(或稀硫酸)
(4)少量的Fe2+被空气中的氧气氧化;
(5)(其它合理答案给分)
编号
实验操作
预期现象和结论
①
取少量褪色后溶液,加入KSCN溶液
如果溶液变红色,说明乙同学的猜想是合理的;如果溶液不变红色,说明乙同学的猜想是不合理的
或
取少量褪色后溶液,加入FeCl3溶液
如果溶液仍不变红色,说明乙同学的猜想是合理的;如果溶液变红色,说明乙同学的猜想是不合理的
【解析】本题知识点容量大,综合度高,既考查了Fe3+的氧化性、单质铜的还原性,又考查了Fe3+和Fe2+的检验,同时还包含了化学计算。
试题以实验探究的形式呈现,增大了对考生获取信息、提取信息能力的考查,同时实验方案的设计对考生的思维能力和综合运用相关知识解决实际问题的能力的要求也较高。
(1)Cu2O和H+反应生成Cu:
Cu2O+2H+=Cu+Cu2++H2O,Cu也可以将Fe3+还原为Fe2+:
2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+,所以即使有Fe2O3也可能看不到红色。
(2)加热时发生的反应为2Cu2O+O2=4CuO,固体增加的质量就是参与反应的氧气的质量,可得关系式
=
,所以m(Cu2O)=9(b-a)g,所以样品中Cu2O的质量分数为
(3)在进行含量测定时首先应将其溶解,由于琥珀酸亚铁难溶于水,所以要加入酸,但由于硝酸具有氧化性,会将其中的Fe2+氧化为Fe3+从而影响成分测定,所以只能选择盐酸或稀硫酸。
(4)少量的Fe2+被空气中的氧气氧化
(5)若SCN-被氯气氧化则溶液中就不存在SCN-,本题实际上是检验溶液中是否存在SCN-,所以可以从两方面进行:
一是继续加入KSCN溶液看是否变红,二是继续加入FeCl3溶液溶液看是否变红。
4.
(1)过滤,烧杯、玻璃棒、漏斗
(2)c,2H++2Fe2++H2O2=2Fe3++2H2O,酸式,
%
(3)使生成的Al(OH)3尽可能的溶解,便于获得较纯净的Mg(OH)2沉淀,
5.6×10-12mol•L-1(4)CO2、H2SO4
【解析】本题为定量实验,重点考查了铁、镁、铝及其化合物的性质,同时还考查化学实验基本操作、仪器的使用、实验方案的分析、溶度积Ksp的相关计算等,同时考查考生运用
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- 金属 及其 化合物
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