金属材料和资源优化方案

1937年,意大利物理学家卡洛·佩里埃和埃米洛·塞格雷证实了锝(原子序数43)的存在．他们用氘(重氢)轰击钼从而获得了锝的同位素,随后从铀的裂变产物中得到锝的许多同位素．科学家如今已发现质量数为90～110的全部锝同位素．锝是银灰色金属,锝-99是核医学临床诊断中应用最广的医用核素,自然界仅发现极少量的锝-99．左图显示的是最早的锝生成器．

知能概述

金属元素在自然界中的分布很广,其中大部分以化合物形式存在(除Pt,Au,Ag外),这些化合物以矿物形式存在于自然界里,含有矿物的岩石称为矿石,含有铁元素的矿物的岩石称为铁矿石．

由一种金属与其他金属(或非金属)熔合形成的具有金属特性的物质叫合金．与纯金属比较,合金的性能更特殊、更优良．

问题解决

例1　将一定量的生铁投入盛有足量稀盐酸的烧杯中,完全反应后,发现烧杯底部留有黑色残渣,其主要成分是(　)．

A．纯铁　B．碳的单质　C．氯化亚铁　D．氧化铁

(吉林省竞赛题)

解题思路　生铁是铁碳合金,其中含碳量为2%～4．3%,铁能与盐酸反应生成FeCl2(可溶)和H2,在足量的稀盐酸中不可能有Fe剩余．但碳却不能与稀盐酸反应,且不溶于水．

例2　钛和钛的合金被认为是21世纪的重要材料,它们具有很多优良的性能,如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工,钛合金与人体有很好的“相容性”．根据它们的主要性能,下列用途不切合实际的是(　)．

A．作保险丝　B．制造航天飞机

C．制造人造骨　D．制造船舶

(甘肃省兰州市竞赛题)

通常说的金属材料,既包括各种纯金属,又包括各种合金．如金属材料钢为铁碳合金；青铜为铜锡合金；黄铜为铜锌合金．

解题思路　钛和钛的合金与其他金属、合金相比较有很多优良的性能,如具有极好的抗腐蚀性、熔点高等,所以可以作为制造航天飞机、船舶的材料,作为保险丝的材料应具有能导电,熔点低的性质,只有如此,才能在电流过大、超负荷、温度升高时熔化,导致断电,从而保护用电器．

例3　下列关于金属的说法正确的是(　)．

A．铝元素在地壳中含量最多,使用也最早

B．不锈钢的抗腐蚀性强于纯铁,硬度小于纯铁

C．灯泡里的灯丝常用钨制成

D．地球上金属矿物资源储量有限,可再生

(广东省广州市中考题)

解题思路　铝是地壳中含量最多的金属元素,由于冶炼难度大,所以到近代才被广泛应用,最先使用的是铜,出土文物中多为青铜器．纯铁的硬度小,是很软的金属,既不能制刀枪,也不能铸铁锅和农具,钨是熔点最高的金属,所以是做电灯泡灯丝的首选材料．

例4　根据你的生活经验和下表所提供的信息,分析并回答下列问题．

(1)为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铅制?

(2)银的导电性比铜好,为什么导线一般用铜制而不用银制?

(3)为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制?

解题思路　物质的物理性质和化学性质决定了物质的用途,或者说任何一种物质的用途实为其性质的具体表现．

锡的熔点低,灯泡通电后会放出大量热,使其温度高于锡的熔点．

银的导电性虽然最佳,但由于地壳里含量少、价格不菲,故不经济．

例5　为了验证铁与氧气在不同条件下的反应情况,设计了如下图所示(部分铁架台已略去)的实验,D装置是O2发生装置,A为铁在有水存在的条件下与O2的反应装置,B为无锈铁片在加热条件下与O2的反应装置,C是验证在干燥条件下O2与铁的反应装置(C装置事先干燥过)．

例5图

请回答下列问题:

(1)为了确保C装置按题干所述条件进行反应,还应在D,C之间加装_________．

(2)各装置安装及铁片放置完毕后,开始实验,先打开C中的弹簧夹,其余操作步骤为_________．

(3)一段时间后,停止反应,A,B,C中的铁片各有何现象?__________．

解题思路　A,B,C是对铁生锈的条件论证的对比实验的三个装置,其中:

例6　钢铁是人类广泛使用的金属材料,每年因锈蚀而损失的钢铁占世界年产量的四分之一．请完成下列填空:

(1)车轮的钢圈在潮湿的空气中会锈蚀,这是因为铁与空气中的氧气和__________等物质发生了化学反应．铁锈的主要成分是氧化铁,其铁元素与氧元素的质量比是__________(最简比),铁元素的质量分数为__________．

(2)新型食品保鲜剂“纳米α铁粉”被称为“双吸剂”,其实质就是利用了铁生锈的原理．用化学方法检验使用一段时间的“纳米α铁粉”是否完全失效,可选用_________检验,若出现_________的现象,说明该双吸剂仍可使用．

(3)用磁铁矿冶炼铁的原理可用表示,检验产物CO2常用的试剂是______,化学反应方程式为:__________________．

(新疆维吾尔自治区、新疆生产建设兵团中考卷)

解题思路　铁制品在潮湿的空气中容易锈蚀,因此铁生锈是与O2,H2O共同作用的结果,食品保鲜剂中的“双吸剂”,就是吸收食品袋中的氧气和水蒸气,根据金属的化学性质,铁可与酸反应产生H2,取样品加入稀盐酸产生气泡说明还有“纳米α铁粉”,即未失效,可继续使用．

实验条件不同时,会有不同的现象,产物也会有所不同．

1．下列有关金属及合金的说法错误的是(　)．

A．常温下所有的金属都是固体　B．铁制品在潮湿的空气中易生锈

C．生铁和不锈钢都是金属材料　D．铝片表面易生成致密的氧化膜

(2019年河北省中考题)

2．铜在自然界中的含量比铝少,但是,人类最早使用的是铜——古老的金属,而铝却是近二百年才被大量使用——年轻的金属．从化学角度分析,其主要原因是(　)．

A．铜的硬度大　B．铜的化学性质比较稳定

C．铜的密度大　D．铜有比较漂亮的色泽

(海南省竞赛题)

3．垃圾是“放错了位置的资源”,应该分类回收．生活中废弃的铁锅、铝制易拉罐、铜导线可以归为一类加以回收,因为它们属于(　)．

A．氧化物　B．化合物

C．混合物　D．金属或合金

(广东省竞赛题)

4．镁铝合金因坚硬、质轻、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料,主要用于制作窗框、卷帘门、防护栏等．下列与这些用途无关的性质是(　)．

A．不易生锈　B．导电性好　C．密度小　D．强度高

(湖北省竞赛题)

5．所谓合金,就是不同种金属(或金属与非金属)在熔化状态下形成的一种熔合物．根据下列四种金属的熔沸点判断,其中不能形成合金的是(　)．

A．Cu和Al　B．Fe和Cu

C．Fe和Na　D．Al和Na

(山西省竞赛题)

6．1989年世界卫生组织把铝确定为食品污染源之一,铝在下列应用中,应加以控制的是(　)．

①制铝合金　②制电线　③制炊具　④银色漆颜料　⑤明矾净水　⑥明矾与苏打制食品膨松剂　⑦制易拉罐　⑧用氢氧化铝凝胶制胃舒平　⑨包装糖果和小食品

金属的使用与金属的化学活动性及金属冶炼的难易程度有关．

A．③⑤⑧⑨　B．⑥⑧⑨　C．③⑤⑨　D．③⑤⑥⑦⑧⑨

(山东省竞赛题)

7．实验室用如图装置模拟炼铁．下列说法正确的是(　)．

第7题图

A．磁铁矿的主要成分是Fe2O3

B．应先加热Fe2O3,再通入CO

C．红棕色的Fe2O3逐渐变黑

D．气体通过澄清石灰水后可直接排放

(2019年重庆市中考题)

8．科学家发明了一种“碳纳米管温度计”,这种温度计被认定为世界上最小的温度计．研究人员在长约10－6m、直径为10－7m的碳纳米管中充入液态的金属镓．当温度升高时,管中的镓就会膨胀,通过电子显微镜就能读取温度值．这种温度计测量的范围为18℃～490℃,精确度较高,所以它可用于检查电子线路是否异常、测定毛细血管的温度等许多方面．根据以上信息判断下列推测中错误的是(　)．

A．碳纳米管的体积在10℃～500℃之间随温度变化很小,可忽略不计

B．金属镓的熔点很低,沸点很高

C．金属镓的体积在10℃～500℃之间随温度变化比较均匀

D．金属镓的体积在10℃～500℃之间随温度变化很小

(上海市竞赛题)(www.xing528.com)

9．(双选)继黄金、白金之后,钯金(Pd)首饰在市场上悄然兴起．为了获得钯金,取17．7%的PdCl2溶液100g,加入10．0g铁粉使其充分反应得到钯金和铁的氯化物．经分析所得钯金的质量为10．6g,未反应的铁粉质量为4．4g．下列说法不正确的是(　)．

A．生成铁的氯化物质量为12．7g　B．生成铁的氯化物为FeCl2

C．生成铁的氯化物质量为95．0g　D．生成铁的氯化物为FeCl3

(吉林省竞赛题)

10．我国是最早生产和使用钢铁的国家．在古代,人们把烧红的生铁放在铁砧上反复捶打,最终使生铁转化为钢,这就是“千锤百炼”“百炼成钢”的来历．这样做的目的是降低生铁中_________元素的含量,请写出上述过程中最关键反应的化学方程式____________________________________．

(山东省德州市竞赛题)

11．铁合金在生产、生活中应用广泛．

(1)地球上的铁元素以___________(“单质”或“化合物”)的形式存在．可用于炼铁的一种矿石是___________________．

铁粉有剩余(Fe过量),则PdCl2完全反应,根据反应物的质量可求得生成物的质量,根据反应时各元素的质量比,可推断生成物是什么．

(2)用生铁制防盗门而不用纯铁的主要原因是___________．在防盗门表面喷漆,其防锈原理是___________,喷漆前用稀盐酸除铁锈的化学方程式为_________________．

(辽宁省大连市中考题)

12．汉代海昏侯国遗址考古发掘出大量珍贵文物．

(1)下图是首都博物馆展出的3件文物,其中由金属材料制成的是____(填序号)．

第12题图

(2)出土的铁质编磬锈蚀严重,金饼却依然金光灿灿,从物质性质的角度解释其原因是:________________________________________________．

(北京市中考题)

13．2019年1月3日“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面,并通过“鹊桥”中继星传回了近距离拍摄的月背影像图,揭开了月背的神秘面纱．“鹊桥”号上伞状通信天线是用表面镀金的钼丝编织而成的金属网．这种镀金钼丝纤维只有头发丝四分之一细,其性能稳定．“编”出来的金属网既强韧,受得住发射飞行外力“折腾”,又能在太空中收放自如,可以说是“刚柔并济”．

(1)钼能制成细丝,是利用了钼的________性．

(2)钼丝表面镀金,原因之一是利用了金的化学性质_________．

(3)我国的钼矿储量非常丰富,用辉钼矿(MoS2)制备钼的过程如下:

①完成过程Ⅰ中反应的化学方程式:4________．

②过程Ⅱ分两个阶段:

第一阶段

第二阶段

第一阶段反应中反应物与生成物的化学计量数之比为1∶1∶1∶1．

写出下列化学方程式:

第一阶段____________________________．

第二阶段______________________________,该反应的基本反应类型为_____________．

(2019年江苏省南京市中考题)

14．少年强则国强,科技兴则国兴．北斗组网、嫦娥探月、蚊龙潜海、磁浮(高铁)纵横……中国科技的迅猛发展一次又一次让世界见证“中国速度”!

(1)火箭、卫星、船舶等制造业常使用玻璃钢、塑料、钛合金等材料,其中玻璃钢属于________(填字母)．A．金属材料　B．复合材料　C．有机高分子材料

(2)钛和钛合金是21世纪重要的金属材料,有很多优良的性能,如_________(填字母)．A．熔点低、易加工　B．密度大、强度好　C．机械性能好、抗腐蚀性好

(3)潜水器中的微型电子仪器常用银锌电池作电源,在放电时可把氧化银转化成银,则放电时银元素的化合价变化是__________________,放电时的能量转化是_________能转化为_________能．

(2019年黑龙江省哈尔滨市中考题)

15．李同学在探究铁生锈的条件时,将铁钉(生铁铸造)浸没在试管里的食盐水中,一段时间后,发现试管底部出现了黑色粉末．李同学对此黑色粉末的组成做了如下几种猜测:①Fe;②Fe2O3;③Fe3O4;④FeCl3;⑤数种物质的混合物．

请回答下列问题:

(1)你认为李同学的上述猜测中,不做实验就可以排除的是________和_________(填序号),理由是_____________________________________,你认为黑色粉末还可能是_________,理由是_____________________;

(2)设计一个实验方案,用化学方法验证黑色粉末是否为Fe粉:__________________________________________________________________;

(3)李同学将黑色粉末干燥后,用磁铁靠近,发现粉末能被磁铁吸引,于是得出结论:黑色粉末一定是Fe粉,你认为李同学的结论对吗?________,理由是____________________________________________．

(广东省竞赛题)

16．我国古代将炉甘石(主要成分:ZnCO3)、赤铜矿(主要成分:Cu2O)和木炭粉为原料制得黄铜(铜和锌的合金,外观似黄金),其生产流程如下:

第16题图

请回答下列问题:

(1)赤铜中铜元素的化合价是__________．

(2)黄铜的硬度比铜和锌都___________(填“大”或“小”)．

(3)操作X的名称是__________．

(4)加热时,发生的主要反应化学方程式为:①CO2↑;②;③___________(赤铜和木炭粉反应)

(5)气体A中,除二氧化碳外还有另一种气体生成,它的化学式是_________________,该气体的用途是_________________(写一条)．

(6)鉴别黄铜和黄金有多种方法,用灼烧法鉴别产生的现象及结论是_________________________．

(四川省成都市中考题)

17．小黄用右图装置测定铜锌合金中锌的质量分数和锌的相对原子质量．主要实验步骤如下(必要的固定装置已略去):

①连接装置并检查装置气密性;

②加入药品和水;

③记录C中液面刻度(C为带有刻度的玻璃管);

④由A向B中滴加试剂至过量;

⑤待B中不再有气体产生并恢复至室温后,记录C中液面刻度,计算得到气体的体积为VmL(经查,该气体密度为ρg/L);

第17题图

⑥将B中剩余固体过滤、洗涤、干燥并称重,称得剩余固体质量为Wg．

(1)A仪器的名称为_________;

(2)B中发生的反应的化学方程式为:______________________________;

(3)小黄在实验前将块状的铜锌合金磨成粉末状,其目的是:_________;

(4)如何检验该装置的气密性:___________________________________;

(5)为使测得的气体体积更精确,记录C中液面刻度时,除使视线与凹液面的最低处相平外,还应_______________________________________;

(6)小黄发现实验中由于缺少某一步骤导致数据缺乏而无法计算,该步骤是:______________________________________________________;

(7)通常实验前须估算药品用量,如果实验过程中,发现硫酸的量不足,应中途加酸还是重新实验?___________________________________．

例1　B　例2　A　例3　C

例4　(1)因为铁的硬度比铅大,且铅有毒,故常用铁而不用铅做菜刀、锤子．　(2)银和铜导电性相近,但银比铜贵得多且电线用量大．　(3)因为钨的熔点高(3410℃),而锡的熔点(232℃)太低,通电时锡很快就熔化了．

例5　(1)盛装浓H2SO4的洗气瓶(或盛装碱石灰的干燥管)　(2)点燃D处酒精灯,一会儿再点燃B处酒精灯　(3)A中铁片出现红褐色锈斑,B中铁片变成黑色固体,C中无明显现象

例6　(1)水　7∶3　70%　(2)稀盐酸　产生气泡　(3)澄清石灰水

1．A　2．B　3．D　4．B　5．C　6．D　7．C　8．D　9．CD

10．碳

11．(1)化合物　赤铁矿(或磁铁矿等)　(2)纯铁很软,生铁比纯铁的硬度大　隔绝空气中的氧气和水Fe2O3＋6HCl2FeCl3＋3H2O

12．(1)AC　(2)铁的化学性质比金活泼,容易生锈

13．(1)延展　(2)不活泼　(3)①SO2　②2H2O　置换反应

14．(1)B　(2)C　(3)由＋1价变为0价　化学　电

15．(1)②④　Fe2O3是红棕色的,FeCl3可溶于水　炭粉　制造铁钉的铁是铁碳合金　(2)取少量黑色粉末与稀盐酸反应,观察有无气泡产生　(3)不对　四氧化三铁也能被磁铁吸引

16．(1)＋1　(2)大　(3)加热　(4)(5)CO　做燃料　(6)将样品灼烧,表面变黑色的是黄铜,不变色的是黄金

17．(1)分液漏斗　(2)(3)增大反应物的面积,加快反应的速率(4)提高D管,静止片刻后,C,D液面仍存在高度差,则气密性良好　(5)使D,C中的液面相平　(6)称量铜锌合金样品的质量　(7)重新实验,中途加酸会改变系统压强,使产生的气体逸出,导致实验失败