1、第16课时 金属的冶炼学案【学习目标】1.了解金属在自然界中的存在形态。2.掌握金属的冶炼原理和冶炼方法。3.了解钢铁的冶炼及铝的冶炼的主要设备和有关原理。【重点难点】 高炉炼铁及电解法炼铝的原理、生产过程和主要设备。课前预习【情景材料】不同金属的化学活动性不同，它们在自然界中存在形式也各不相同。少数化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态存在，如金、铂、铜、银；化学性质比较活泼的金属，在自然界中以化合态存在。大多数金属在自然界中是以化合态存在的，如铝以铝土矿形式存在，铁以铁矿石形式存在。人们日常应用的金属材料，多为合金或纯金属，这就要求人闪必须把金属从从矿物中提炼出来，也就是金属的冶炼，我
2、们这节课介绍几种金属的冶炼方法。【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：一、从矿石中获得金属的基本问题1获得金属材料的过程获得金属材料首先要通过 方法把 中提取出来，一般要经过 和 (主要包括 、 、 等工序)及 阶段。2金属冶炼的基本原理金属冶炼的基本原理是 。3金属冶炼的方法(1)火法冶金：是指 的冶金方法。(2)湿法冶金：是指 的冶金过程。二、钢铁的冶炼1生铁的冶炼(1)几种矿石的主要成分：磁铁矿 ，赤铁矿 ，褐铁矿 黄铁矿 。(2)原理：在高温下用 。以赤铁矿为例，用方程式表示为：3COFe2O32Fe3CO2。(3)原料： 、 、 、 。(4)石灰石的作用： ，有关方程式为： 。(
3、5)设备： 。2钢的冶炼(1)原理：在高温下用 ，再添加硅、锰、铝等其他合金作为 ，调整钢水的成分。(2)原料： 。(3)主要的反应： ； ； ； 。3铝的冶炼(1)原料： 。(2)提纯Al2O3，用化学反应方程式表示为： ； ； 。(3)电解Al2O3电解质是 ，加入少量降低熔点的物质是 ，阳极和阴极的材料是 ，在电解槽中进行。电解原理：总反应式： 。电极反应：阳极： ；阴极： 。预习内容答案一、1.化学 金属从矿石 开采 初步加工 探矿 采矿 选矿 冶炼2利用氧化还原反应将金属从其化合物中还原出来3.利用高温从矿石中提取金属或其他化合物 在水溶液或非水溶液中进行包括氧化还原反应、中和反应、
4、水解反应等，对原料(矿石、精矿等)，中间产物或再生资源中的金属进行提取和分离二、1Fe3O4 Fe2O3 2Fe2O33H2O FeS2 还原剂将铁从其氧化物中还原出来铁矿石 焦炭 石灰石 空气 除去脉石 CaCO3CaOCO2，CaOSiO2CaSiO3 炼铁高炉2.氧化剂将生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去 脱氧剂 炼铁厂的铁水或废钢铁 2CO22CO 2FeO22FeO FeOCCOFe(脱碳) FeSCaOCaSFeO(脱硫)3.铝土矿 Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO32Al(OH)3Al2O33H2O 冰晶石
5、(Na3AlF6)和氧化铝的熔融液 氟化钙 碳素材料2Al2O34Al3O26O212e=3O24Al312e= 4Al堂中互动【问题探究1】从氧化物、碳酸盐、硫化物中冶炼金属有哪些不同？为什么？【教师点拨】关键从冶炼的实质出发，结合物质的性质把握其区别。由于金属的活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也就不同，因此，对于不同活性的金属离子就必须采取不同的还原方法进行冶炼。分析解答:以氧化物形式存在的金属矿石可直接用还原剂还原，如生铁的冶炼；以碳酸盐形式存在的金属矿则可通过煅烧(在缺少空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)分解生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原；以硫化物形式存
6、在的金属矿，由于低价硫的存在，所以先要焙烧(在有空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原。【即学即练1】在冶金工业上，均不能用通常化学还原剂制得的金属组是()ANa，Ba，Mg，Al BNa，K，Zn，FeCZn，Fe，Cu，Ag DMg，Al，Zn，Fe1.A【解析】金属的冶炼方法，根据金属的活动性归纳如下：方法名称冶炼的金属 举例电解法： KAl； 2Al2O3 4Al3O2还原剂法： ZnCu； 2AlFe2O32FeAl2O3加热法：Hg、Ag；HgSO2HgSO2因为活泼金属的阳离子氧化性很弱，一般还原剂难以将它还原为金属，所以采用电解法，不活
7、泼金属的阳离子氧化性强，加热时可从化合物内部得电子被还原成单质，所以可用加热法。【问题探究2】高炉炼铁产生的废气、废渣的成分是什么？炼铁和炼钢的主要反应原理有何异同？【教师点拨】阅读教材P58P59找到其答案。分析解答：高炉炼铁中产生的废气、废渣的主要成分：废气有CO、CO2、SO2、NO2，炉渣有CaSiO3、少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2等。炼铁和炼钢的主要反应原理的比较：相同点：都是利用氧化还原反应。不同点；炼铁主要是用还原剂把铁从铁矿石中还原出来(侧重还原)，而炼钢主要是用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化而除去(侧重氧化)。【即学即练2】钢铁工业对促进经济和社会发展
8、起了重要作用。(1)炼铁高炉分为五部分，铁矿石与高温煤气主要在_ 部分发生反应，在_ 部分开始生成生铁和炉渣。(2)炼钢时，除磷的化学方程式为_ _ _ _ ；加入硅、锰和铝的目的是_ _ _ _ 。(3)不锈钢含有的Cr元素是在炼钢过程的氧吹_(填“前”或“后”)加入，原因是_ _ _ _ 。(4)炼铁和炼钢生产中，尾气均含有的主要污染物是_。从环保和经济角度考虑，上述尾气经处理可用作_。2.(1)炉身 炉腰(2)2P+5FeO+3CaOCa3(PO4)2+5Fe 脱氧和调整钢的成分(3)后 避免Cr被氧化(或“氧吹前加入，Cr会形成炉渣被除去”)(4)CO 燃料(或还原剂)【解析】熟练掌握
9、教科书中有关钢铁生产的原理。高炉分为炉身、炉腰、炉腹，铁矿石被CO在炉身中还原，发生反应：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。炼铁中加入硅、锰和铝的目的是为了调节硫、磷的含量，降低碳的含量。【问题探究3】铝土矿的主要成分是Al2O3，另外含有Fe2O3SiO2等，怎样从铝土矿中获得纯净的氧化铝？为何用电解法冶炼金属铝？其电解过程如何？【教师点拨】阅读教材P60P61和预习内容就可以回答。分析解答：因铝金属活泼性较强，还原性强，用常见的还原剂C、H2、CO等无法还原，故采用电解法。其他见预习内容。【即学即练3】金属铝的生产是以Al2O3为原料，在熔融状态下进行电解：2Al2O34Al+3O2请回
10、答下列问题：(1)冰晶石(Na3AlF6)的作用是_。(2)电解生成的金属铝是在熔融液的_(填“上层”或“下层”)。(3)阴极和阳极均由材料做成_；电解时不断消耗的电极是_(填“阳极”或“阴极”)。(4)铝是高耗能产品，废旧铝材的回收利用十分重要。在工业上，最能体现节能减排思想的是将回收铝做成_(填代号)。a.冰晶石 b.氧化铝 c.铝锭 d.硫酸铝 3.(1)降低Al2O3的熔化温度 (2)下层 (3)碳素(或石墨)阳极 (4)c【解析】在冶炼铝时为了降低氧化铝的熔点，加入冰晶石。Al2O3的熔点很高，但电解必须在熔融状态下进行，故用冰晶石降低Al2O3的熔化温度；阴极、阳极材料，选用石墨；
11、电解时，阳极发生氧化反应，生成的O2与石墨反应而不断消耗；最能体现节能减排思想的是通过物理变化的方式将废旧铝材回收利用。练案A组（课堂反馈 满分50分）一、选择题（每小题5分，共35分）1.铝的活泼性较强，直到十八世纪人类才开始将Al从它的化合物中冶炼出来当时铝价格十分昂贵，拿破仑的头盔就是用Al制作的，现在还保存在大英博物馆中下列冶炼铝的方法正确的是（ ）AAl2O3(熔融)Al BAl2O3AlCl3(熔融)AlCAl(OH)3Al DAl2O3Al1.A【解析】H2、CO、C等皆不能将Al2O3或Al(OH)3还原为Al，C、D不正确AlCl3是分子晶体，熔融后不导电，B不正确2.高炉炼
12、铁过程中既被氧化又被还原的元素是（ ） A. 铁 B. 氮 C. 氧 D. 碳 2. D【解析】本题考查高炉炼铁的原理。高炉炼铁中涉及C与O2 生成CO，CO与Fe2O3生成CO2，CO2与C生成CO。过程中C的化合价有升有降，故既被氧化又被还原。3.金属K与Na金属性相近，用K与钠盐共熔时，很难将Na从混合物中分离若调整温度到一定程度，则可用Na与KCl反应制取金属K.已知四种物质的熔、沸点如下：KNaKClNaCl熔点()63.6597.8770801沸点()774882.91500(升华)1431根据平衡移动原理，可推知用Na与KCl反应制K的适宜温度是()A.97.8770 B.770
13、774C.774882.9 D.141315003.C【解析】该反应原理为NaKClNaClK(g)，因此需保证只有K为蒸气，而其他物质为液态，所以适宜温度为774882.9，故选C.4.下列有关化工生产的主要设备及尾气的主要成分完全正确的是()A炼铁电炉CO、CO2、N2B氨气氧化炉N2、H2C炼钢转炉Fe2O3、COD硫酸合成塔SO2、SO34.C【解析】炼铁高炉CO、CO2、N2 氨气合成塔N2、H2、NH3硫酸(SO2SO3)接触室SO2，SO3。5.以下金属的冶炼(“”前为原料，“”后为所得的金属)，其中最适宜用热还原法冶炼的是()MgCl2MgMnO2MnZnOZnHgOHg磁铁矿
14、FeKClKA. B. C. D.5.C【解析】热还原法是多数金属冶炼的方法，主要适用于金属活动性顺序表中处于中部或金属活动性与之相当的金属以及极少数活泼金属(如钾常用钠还原法制得)，符合题意的有，故答案为C。6.下列可被工业上采用的冶金方法是()A.电解熔融的氯化铝制铝B.电解熔融的氯化镁制镁C.电解氯化钠溶液制钠D.高温下用H2还原氧化镁制镁6.D【解析】氯化铝是共价化合物，熔融状态下以分子形式存在，其中缺少自由移动的离子，基本不导电，故不能用电解熔融氯化铝的方法制铝。A不可选。Na、Mg2、Al3在水溶液中电解时，电子被H得到，因而电解比氢活泼的金属阳离子的水溶液是得不到金属单质的。C不
15、可选。比Al活泼的金属很难用一般的还原剂(如H2、CO、C等)把它们从化合物中还原出来。况且，MgO熔点很高。工业上制取镁是采用电解熔融MgCl2的方法。D不可选。7.下列有关说法正确的是( ) A.高温加热氧化镁和碳的混合物可以制单质镁 B.铁的冶炼过程是通过置换反应得到单质铁 C.海水提溴的过程中不发生氧化还原反应 D.利用电解的方法可以从海水中获取淡水 7.A【解析】高温加热氧化镁和碳的混合物时，生成的CO2(或CO)能不断脱离反应体系，促使反应不断进行，因此碳可置换出镁；工业上冶炼铁用的还原剂是CO，有关反应不是置换反应；海水提溴是使Br-变成Br2，主要发生氧化还原反应；从海水中获取
16、淡水可用蒸馏等方法，这是物理变化，电解是使水分解的化学变化。二、填空题（共15分）8.(6分) 冶炼金属一般有下列方法：焦炭法；水煤气(或氢气或一氧化碳)法；活泼金属置换法；电解法。四种方法在工业中均有运用。(1)请对下表中的金属冶炼方法进行分析，从上述四种方法中选择相应的序号填入表中空格。火烧孔雀石炼铜湿法炼铜铅热法炼铬从光卤石中炼镁火烧孔雀石炼铜所发生反应的化学方程式为(写主要的两个)_、_。(2)请再举出使用上述方法冶炼金属的例子各一个(用化学方程式表示)：_；_；_；_。8.(1) Cu2(OH)2CO32CuOCO2H2OC2CuO2CuCO2(2)Fe2O33CO2Fe3CO2 3
17、H2WO3W3H2O 4Al3MnO23Mn2Al2O3 2NaCl2NaCl29.(9分)钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注常温下钛不能与非金属、强酸反应，红热时，却可与常见的非金属单质反应钛是航空、军工、电力等方面的必需原料地壳中含钛矿石之一称金红石(主要成分是TiO2)目前大规模生产钛的方法是：(1)第一步：金红石、炭粉混合，在高温条件下通入氯气制得TiCl4和一种可燃性气体，该反应的化学方程式为_，该反应的还原剂是_(2)第二步：在氩气的气氛中，用过量的镁在加热条件与TiCl4反应制得金属钛写出此反应的化学方程式_简述由上述所得产物中获得金属钛的步骤：_.9.(1)TiO
18、22C2Cl2TiCl42COC(2)2MgTiCl42MgCl2Ti将还原后的产物溶于过量的盐酸中，过滤、洗涤，即可得到纯净的钛【解析】第一步中：反应物为TiO2、C和Cl2，产物为TiCl4和CO(可燃性气体)，据得失电子守恒配平方程式：TiO22C2Cl2TiCl42CO，还原剂为C.第二步中：反应物为Mg与TiCl4，产物为Ti和MgCl2，配平即得.2MgTiCl42MgCl2Ti.因Ti不与强酸反应，而制取Ti时Mg过量，因此可将还原后的产物溶于过量的盐酸中，过滤、洗涤，即得纯净的Ti。B组（课后拓展）1.我国是氧化铝生产大国，工业上每生产1 t氧化铝将排出12 t赤泥，赤泥大量堆
19、积会对环境造成严重污染。赤泥中主要成分及含量：CaO约占46%、SiO2约占22%、Al2O3约占7%、Fe2O3约占11%、TiO2约占5%及少量其他物质。一种利用废弃赤泥的方法是将赤泥配成一定的液固比，作为一种吸收剂，吸收热电厂排放的含SO2的烟气，写出吸收SO2时可能发生的化学反应方程式_。为综合利用赤泥中的各种成分，某科研小组设计了如下工艺流程：已知：TiO2不溶于稀盐酸、稀硫酸，能溶于浓硫酸生成TiOSO4(硫酸氧钛，易水解)。氧化物D的化学式是_，原料A最好是下列物质中的_。A氨水 B氢氧化钠 C生石灰 D双氧水写出上述工艺中投入氢氧化钠时反应的离子方程式_。写出上述工艺中稀释时发
20、生水解反应的化学方程式_1.CaOSO2CaSO3 或Ca(OH)2SO2CaSO3H2OFe2O3 COHAl(OH)3AlO22 H2OTiOSO42H2OTiO(OH)2H2SO4或TiOSO42H2OTiO2H2OH2SO4 【解析】(1)CaO可以与SO2反应(2) Fe(OH)3受热分解可得到Fe2O3；过滤后得到CaCl2溶液。Fe(OH)3不溶于NaOH溶液，Al(OH)3可溶于NaOH溶液生成NaAlO2水解时元素的化合价不发生变化，TiO2-结合水中的OH-2.赤铁矿是炼铁的主要原料之一。它的主要成分在一定条件下有下列反应：Fe2O3+CO2FeO+CO2在反应形成的固体混
21、合物(Fe2O3、FeO)中，元素铁和氧的质量比用m(Fe)m(O)表示。(1)根据上述反应，固体质量每减轻1.6 g，将产生CO2_L(标准状况)。(2)上述反应形成的固体混合物中，m(Fe)m(O)不可能是_(多选扣分)。A.219 B.217.5 C.215 D.218(3)Fe2O3被CO还原的百分率为50%，则m(Fe)m(O)=_。2.(1)2.24 (2)AC (3)145【解析】根据反应：Fe2O3+CO2FeO+CO2，反应前后固体的质量差：m=16g，若质量减轻1.6g，则产生0.1molCO2，标况下体积为：2.24L。(2)所得固体是Fe2O3和FeO的混合物，按极值法
22、求得73m(Fe)m(O)72,即2.3m(Fe)m(O)3.5。219即73，A项不可能。215即4.02，大于3.5，C项不可能。(3)若Fe2O3被还原的百分率是50%，则固体混合物中Fe2O3和FeO的物质的量之比为12，m(Fe)m(O)=(456)(516)=145。3.从铝土矿(主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)中提取氧化铝的两种工艺流程如下：请回答下列问题：(1)流程甲加入盐酸后生成Al3的离子方程式为_。(2)流程乙加入烧碱后生成SiO32的离子方程式为_。(3)验证滤液B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
23、是_(填化学式)，写出该溶质的一种用途_。(5)已知298 K时，Mg(OH)2的溶度积常数Ksp5.61012。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pH13.00，则此温度下残留在溶液中的c(Mg2)_。3.(1)Al2O36H=2Al33H2O(2)SiO22OH=SiO32H2O(3)硫氰化钾(或硫氰酸钾、苯酚溶液等合理答案)(4)NaHCO3制纯碱(或作发酵粉等合理答案)(5)5.61010 molL1【解析】则滤液E、K中溶质的主要成分是NaHCO3，该物质可用于作发酵粉、制纯碱等。(5)由Mg(OH)2的溶度积常数Ksp5.61012c2(OH)c(Mg2)可推知：c(Mg2) molL15.61010 molL1。
