第一單元金屬的冶煉方法專題9

金屬與人類文明素養目標1.了解金屬冶煉的一般原理及不同金屬的冶煉方法,能正確書寫相關化學方程式。認識化學方法在實現物質間轉化的作用,體會化學在自然資源開發和利用中的意義和作用,逐漸形成科學態度與社會責任的化學學科核心素養。2.通過實驗和問題探究,知道鋁熱反應的原理及應用,進一步提高實驗操作技能,提高實驗觀察能力、分析能力,逐漸形成科學探究與創新意識的化學學科核心素養。3.認識金屬回收和資源保護的意義,揭示化學與可持續發展的重要關系,樹立資源保護意識及合理開發意識,逐漸形成科學態度與社會責任的化學學科核心素養。基礎落實

必備知識全過關必備知識一、金屬的存在形式1.金屬材料的優異性能有良好的可塑性,堅固耐用,具有導電、導熱性能。2.金屬的存在形式(1)在自然界中,只有少量的金屬元素以游離態形式存在于地殼中,如自然金和自然銀。通過熔鑄的方法即可對金屬進行加工和鍛造。(2)地殼中的大部分金屬元素都是以化合態形式存在的。例如鐵元素存在于赤鐵礦(主要成分是

)中,鋁元素存在于鋁土礦(主要成分是

)中。

(3)有的金屬元素的存在形式既有游離態又有化合態。如鐵元素有單質(主要存在于

中)、氧化物和硫酸鹽等存在形式;銀元素有自然銀、輝銀礦(Ag2S)、碲銀礦(

)等存在形式。

紅棕色固體

Fe2O3Al2O3隕石

Ag2Te【微思考1】金屬在自然界中的存在形式與什么因素有關?提示

金屬的存在形式與其活動性有關。一般而言,活動性較強的金屬,在自然界以各種各樣的化合態存在;活動性較弱的金屬,有可能以游離態存在。有的金屬元素還能以游離態和化合態兩種形式存在。二、金屬的冶煉1.金屬冶煉利用化學反應使金屬元素從

態變為

態的過程稱為金屬冶煉。工業上常用的金屬冶煉方法有

、____________

和

等。

化合

游離熱分解法高溫還原法電解法2.常用金屬冶煉方法(1)冶煉方法的應用實例2HgO

2Hg+O2↑

2Ag2O

4Ag+O2↑Fe2O3+3CO

2Fe+3CO2

Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe

2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑

MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑

2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑(2)鋁熱反應①鋁熱反應:將鋁粉和氧化鐵混合,在高溫條件下發生反應,該反應能夠放出大量的熱,生成氧化鋁和液態鐵,該反應叫作鋁熱反應。②實驗:實驗原理Al作還原劑,金屬氧化物作氧化劑,用鋁將氧化物中的金屬置換出來實驗操作

實驗現象鋁粉與某些難熔的金屬氧化物(如Fe2O3等)以一定比例形成的混合物被稱為鋁熱劑

a.鎂條劇烈燃燒b.氧化鐵粉末和鋁粉發生劇烈的反應c.反應放出大量的熱,并發出耀眼的白光d.紙漏斗的下部被燒穿,有熔融物落入沙中實驗結論在高溫下,鋁粉與Fe2O3發生反應,放出大量的熱,化學方程式為

③用途:焊接鋼軌,冶煉熔點較高的金屬(如釩、鉻、錳等)。

2Al+Fe2O32Fe+Al2O3【微思考2】鋁粉與MgO粉末能否發生鋁熱反應?為什么?提示

不能。鋁熱反應利用金屬鋁在高溫條件下還原較不活潑的金屬,在金屬活動性順序中Mg在Al的前面,因此Al不能置換金屬Mg。自我檢測1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。(1)金屬冶煉的實質是使金屬化合物中的金屬陽離子失去電子被氧化為金屬單質的過程。(

)(2)通過電解法冶煉Na、Mg、Al,是因為Na、Mg、Al的還原性很強。(

)(3)采用熱還原法冶煉金屬時,常用的還原劑有C、CO、H2、Al等。(

)(4)由于地球上金屬礦物資源有限,因此要加強金屬資源的回收和再利用。(

)(5)通過鋁熱反應可以在野外焊接鋼軌。(

)×√√√√2.下列金屬冶煉原理錯誤的是(

)B解析

Na、Mg通常用電解法制取,Fe可用高溫還原法制取,Hg可用熱分解法制取。Mg的活動性比H強,H不能置換出Mg,B錯誤。3.用如圖所示的裝置做鋁熱反應實驗,回答下列問題:(1)寫出該反應的化學方程式:

,在該反應中

是氧化劑,

是還原劑,該反應稱為

反應。

(2)選出該實驗的實驗現象:

(填序號)。

①鎂條劇烈燃燒;②放出大量的熱,并發出耀眼的白光;③紙漏斗的下部被燒穿;④有紅熱狀態的液珠落入蒸發皿內的細沙上,液珠冷卻后變為黑色固體。Fe2O3+2Al

Al2O3+2Fe

Fe2O3Al鋁熱①②③④

解析

(1)高溫條件下Al可與Fe2O3發生置換反應生成單質鐵,反應中Fe2O3是氧化劑,Al是還原劑。(2)實驗中鎂條劇烈燃燒,產生大量的熱,引發Al與Fe2O3的反應,發出耀眼的白光,反應生成的熔融狀態的鐵會燒穿紙漏斗下部,落入細沙中。重難探究

能力素養全提升探究一正確選擇金屬冶煉的原理與方法問題探究化學科學的發展是人類文明進步的重要推動力。金屬冶煉技術的進步,是人類文明進步的體現。(1)自然界中絕大多數的金屬以化合態的形式存在,怎樣將它們轉變為金屬單質呢?金屬冶煉的實質是什么?

提示

在化合物中,金屬元素都顯正價態。將金屬從其化合物中還原出來,用于生產和制造各種金屬材料,這一過程在工業上稱為金屬冶煉。金屬冶煉的實質是Mn+

+ne-══M。(2)人類使用金屬的年代先后順序與金屬的活動性有什么關系?提示

金屬越活潑,冶煉時所需條件要求越高,在人類歷史上出現的時間越晚;金屬越不活潑,冶煉的方法越簡單,人們使用的時間越早,所以有青銅、鐵器等時代的發展歷程。(3)根據下面圖片,分析從自然界中獲得金屬單質是否都必須發生氧化還原反應。提示

否。有些金屬單質化學性質穩定,如金、鉑等,在自然界中主要以游離態形式存在,獲得這些金屬就不需要發生氧化還原反應,用富集的方法就可以,如淘金。深化拓展1.金屬活動性順序與金屬冶煉方法的關系

2.常見幾種金屬的冶煉誤區(1)工業上冶煉Al時用Al2O3而不用AlCl3,因為AlCl3為共價化合物,熔化后不導電。(2)工業上冶煉Mg時用MgCl2而不用MgO,因為MgO的熔點很高,耗能大。(3)Au、Pt一般用物理法提取。(4)利用鋁熱反應不能冶煉還原性比Al強的金屬,如Mg、Na等。微點撥

高溫還原法常用的還原劑有C、CO、H2和活潑金屬等,其中用H2作還原劑時反應制得的金屬最純凈。工業生產中用CO作還原劑時,通常CO來自C的反應,因此用C或CO作還原劑,得到的金屬中會混有少量C,像高爐煉鐵得到的鐵中含有少量C;用活潑金屬作還原劑時,得到的金屬中會混有少量活潑金屬。應用體驗【典例1】金屬鋰是密度最小的金屬,密度為0.534g·cm-3,與等質量的其他金屬相比,鋰可以釋放出更多的電子,故常用來制造高性能電池。已知金屬鋰的活動性介于鈉與鎂之間,則冶煉金屬鋰應采用的方法是(

)A.電解法 B.高溫還原法C.熱分解法 D.鋁熱法A解析

金屬鋰的活動性介于鈉與鎂之間,應采用電解法冶煉金屬鋰。

【變式設問】(1)常用電解氯化鋰—氯化鉀熔融鹽的方法制備金屬鋰,試寫出反應的化學方程式。加入KCl的目的是什么?

(2)實驗室中通常將少量金屬鈉放在煤油中保存,能否將金屬鋰放在煤油中保存?

提示

化學方程式為2LiCl2Li+Cl2↑。加入KCl可降低LiCl的熔融溫度,減少能耗。提示

不能。金屬鋰的密度比煤油的密度小,因此無法用煤油保存金屬鋰,少量金屬鋰可保存在液體石蠟中。變式訓練1(2024河北唐山高一期末)下列反應原理不符合工業冶煉金屬實際情況的是(

)C解析

Mg是活潑金屬,用電解的方法冶煉,由于氧化鎂的熔點太高,應電解熔融氯化鎂,選項C錯誤。探究二鋁的冶煉問題探究1.Al(OH)3是兩性氫氧化物,既可溶于強酸溶液,也可溶于強堿溶液。Al2O3是兩性氧化物,試寫出Al2O3與鹽酸、NaOH溶液反應的化學方程式。提示

Al2O3+6HCl══2AlCl3+3H2O,Al2O3+2NaOH══2NaAlO2+H2O。

2.Al(OH)3可溶于強酸和強堿溶液,但不溶于弱酸H2CO3和弱堿NH3·H2O溶液中,因此可利用可溶性鋁鹽與氨水反應制備Al(OH)3,或利用Na[Al(OH)4]溶液與過量CO2反應制備Al(OH)3。試寫出制備Al(OH)3的兩個離子方程式。深化拓展1.從鋁土礦中提取鋁的工藝過程

2.發生的主要反應

3.電解過程中冰晶石(Na3AlF6)的作用降低氧化鋁的熔融溫度,從而減少了冶煉過程中的能量消耗。微點撥

向Na[Al(OH)4]溶液中通入少量或過量CO2的反應向Na[Al(OH)4]溶液中通入少量CO2,反應可生成Al(OH)3和Na2CO3;繼續通入CO2,Al(OH)3不能溶解,Na2CO3可與CO2反應生成NaHCO3,因此反應的離子方程式分別為:應用體驗【典例2】某同學在實驗室用鋁土礦(含有Al2O3和SiO2,不考慮其他雜質)制取金屬鋁的流程如下:(1)Al2O3與稀硫酸反應的離子方程式為

。

(2)濾液Ⅱ中溶質的用途之一是

。

Al2O3+6H+══2Al3++3H2O用作肥料

(3)電解熔融的Al2O3除得到金屬鋁之外,還可得到的氣體產物是

(填化學式)。

(4)操作Ⅱ中氨水不能用NaOH溶液代替,原因是

(用離子方程式表示)。O2

Al3++4OH-══[Al(OH)4]-解析

鋁土礦(含有Al2O3和SiO2,不考慮其他雜質)用稀硫酸溶解,二氧化硅不反應,過濾分離,濾液主要含有硫酸鋁,向濾液中加入氨水,反應生成氫氧化鋁沉淀,過濾分離,濾液Ⅱ中主要含有硫酸銨,氫氧化鋁烘干、灼燒分解生成氧化鋁,電解熔融氧化鋁生成鋁單質與氧氣。(1)Al2O3與稀硫酸反應生成硫酸鋁和水,反應的離子方程式為Al2O3+6H+══2Al3++3H2O。(2)濾液Ⅱ中主要含有硫酸銨,可用作肥料。(3)電解熔融氧化鋁生成鋁單質與氧氣。(4)Al(OH)3能溶于NaOH溶液,所以氨水不能用NaOH溶液代替。技巧點撥

SiO2為酸性氧化物,不能與稀硫酸反應,因此若鋁土礦中含有SiO2可首先用稀硫酸酸溶提純;若鋁土礦中含有Fe2O3、MgO等堿性氧化物,則可先堿溶提純。變式訓練2工業制備鋁一般是通過鋁土礦制得純凈的Al2O3,然后得到鋁,而不是電解氯化鋁,其主要原因是(

)A.AlCl3是共價化合物,其熔融態不導電B.電解AlCl3生成的Cl2會污染大氣C.用氫氣還原氧化鋁即可得到鋁D.AlCl3不存在A解析

AlCl3是共價化合物,其熔化后不能電離出陰、陽離子,A正確;Cl2雖然會污染大氣,但電解NaCl制金屬鈉時也產生Cl2,Cl2還是重要的化工原料,B錯誤;鋁是活潑金屬只能利用電解法制取,C錯誤;固體、溶液中均存在氯化鋁,D錯誤。學以致用隨堂檢測全達標123451.(2024北京西城高一期中)下列金屬中,通常用加熱分解法冶煉的是(

)A.鈉 B.銅C.鐵 D.銀D解析

金屬鈉為活潑金屬,需要用電解法冶煉,A錯誤;金屬銅的冶煉采用熱還原法,B錯誤;金屬鐵的冶煉采用熱還原法,C錯誤;金屬銀的冶煉采用熱分解法,D正確。

123452.下列關于金屬冶煉的說法中錯誤的是(

)A.人類歷史上金屬被發現的順序與金屬的活動性有關B.電解法獲得鎂時,不可在CO2或N2中降溫冷卻C.熱還原法常用的還原劑有CO、H2、C、Al等D.金屬Na、Mg、Al均能通過電解熔融氯化物的方法獲得D解析

性質越穩定的金屬,越容易被冶煉,根據人類掌握的冶煉技術,金屬的發現與金屬的活動性有關,A正確;Mg在CO2或N2中能燃燒,所以電解法獲得鎂時,不可在CO2或N2中降溫冷卻,B正確;熱還原法冶煉金屬常用的還原劑有CO、H2、C、Al等,C正確;金屬Na、Mg均能通過電解熔融氯化物的方法獲得,但是AlCl3為共價化合物,熔融時不導電,D錯誤。123453.下列金屬在自然界中以游離態存在的是(

)A.Na B.CaC.Al D.AuD解析

金屬在自然界中的存在狀態與其活潑程度有關。絕大多數金屬在自然界中以化合態存在,只有少數化學性質不活潑的金屬在自然界中以游離態存在,如金、鉑等。123454.(2024新疆伊犁高一期末)已知高爐煉鐵涉及反應:C+O2

CO2、C+CO22CO、3CO+Fe2O3

2Fe+3CO2。下列有關高爐煉鐵的說法正確的是(

)A.生成鐵的反應是置換反應B.加高爐頂,爐內CO2可完全轉化為COC.高爐煉鐵可得到純鐵D.也可通過鋁熱反應制備鐵單質D12345解析

生成鐵的反應是鐵的氧化物與CO反應生成Fe和CO2,不屬于置換反應,A項錯誤;焦炭與CO2反應生成CO的反應是可逆反應,B項錯誤;高爐煉鐵得到的是生鐵,是鐵碳合金,C項錯誤;也可通過鋁熱反應制備鐵單質,這體現了鋁的強還原性,D項正確。123455.鋁熱反應原理可以應用在生產上,如用于焊接鋼軌等,實驗室中鋁熱反應的實驗裝置如圖所示。(1)該實驗步驟如下:用兩