1、第一节开发利用金属矿物和海水资源第 1 课时 金属矿物的开发利用目标导航 1.知道根据金属的活动性不同,可分别采用加热、电解、热还原等方法冶炼金属。2.能从能量的角度选择金属的冶炼方法。3.能够书写相关的化学方程式。1.在掌握金属冶炼原理的基础上,了解不同金属的冶炼方法。2.化学方法在金属矿物开发中的作用。激趣诱思“百炼成钢”讲述了古代人们冶炼钢铁的秘密,现在人们又是如何冶炼各种金属的呢?预习导引1.金属的存在金属在自然界中的存在形式通常有两种。(1)游离态:如金、铂等不活泼金属;(2)化合态:绝大多数金属,如:Na、K、Ca、Mg 等。2.金属冶炼原理金属冶炼的基本原理是用还原法把化合态的金
2、属还原成游离态的金属:M+ne-M。3.金属冶炼的一般方法(1)分解法。不活泼金属仅用加热的方法就可使其从化合物中还原出来。例如 HgO:2HgO2Hg+O2Ag2O:2Ag2O4Ag+O2(2)热还原法。高温条件下,用适当的还原剂可以将大多数金属从其化合物中还原出来。常用的还原剂有 C、CO、H2 等。例如 CO 还原 Fe2O3:Fe2O3+3CO2Fe+3CO2C 还原氧化铜:2CuO+C2Cu+CO2H2 还原 WO3:WO3+3H2W+3H2O一些较为活泼的金属也可以作还原剂,将相对不活泼的金属从其化合物中置换出来。例如:铝热反应:Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3。(3)电解法。
3、一些极为活泼的金属(如钾、钙、钠等),其单质还原性很强,采用一般还原剂很难将它们还原出来,工业上常用电解法冶炼。电解 Al2O3 制取金属铝:2Al2O3(熔融)4Al+3O2电解熔融的 NaCl 制取金属钠:2NaCl(熔融)2Na+Cl2总结金属冶炼方法的一般规律:K、Ca、Na、Mg、Al 等金属一般用电解法冶炼;Zn、Fe、Sn、Pb、Cu 等金属一般用热还原法冶炼;Hg、Ag 等金属一般用热分解法冶炼。预习交流金属冶炼方法与金属活动性有何关系?答案:在金属活动性顺序中,金属的位置越靠后,越容易被还原,用一般的还原方法就能使金属还原;金属的位置越靠前,越难被还原,最活泼的金属只能用最强
4、的还原手段还原。4.金属的回收和资源保护(1)有效地使用金属产品、材料;(2)提高矿物利用率;(3)用其他材料代替金属材料;(4)加强金属资源的回收和再利用。一、金属的冶炼知识精要1.金属的冶炼2.金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系 规律 金属越活泼,其对应离子越难得电子,越难被还原成单质,冶炼方法越复杂困难,条件要求越高,人类历史上出现和应用越晚 冶炼方法 3.常用的热还原法各种热还原法的优缺点:优点 缺点 H2 还原法 金属纯度高 工业成本高 CO 和 C 还原法 工业成本低 金属纯度低,产生污染性气体 CO 铝热法 可以冶炼高熔点、难以冶炼的金属 工业成本较高 典题例解【例 1】下列金属
5、冶炼的反应原理错误的是()A.2NaCl(熔融)2Na+Cl2B.Al2O3+3H22Al+3H2OC.Fe3O4+4CO3Fe+4CO2D.2HgO2Hg+O2解析:活泼的金属用电解法(如 K、Al);较活泼的金属用热还原法(如 Zn、Cu),此法要求在较高温时还原剂的还原性大于被冶炼的金属;不活泼的金属用热分解法(Hg、Ag)。由于铝的还原性大于H2,故 B 项错误。答案:B迁移应用冶炼金属一般有下列 4 种方法:焦炭法水煤气(或氢气、一氧化碳)法 活泼金属置换法电解法。这 4 种方法在工业上均有应用。古代有:.火烧孔雀石Cu2(OH)2CO3炼铜.湿法炼铜。现代有:.铝热法炼铬.从光卤石
6、(MgCl26H2O)中炼镁。对它们的冶炼方法的分类,不正确的是()A.,B.,C.,D.,解析:金属冶炼方法的选择与金属在自然界中存在的状态、金属活动性等有关,需要在理解的基础上加以记忆。、发生的反应分别是:.Cu2(OH)2CO32CuO+CO2+H2OC+2CuO2Cu+CO2.Fe+CuSO4FeSO4+Cu.2Al+Cr2O3Al2O3+2Cr.先从光卤石中提取 MgCl2,再电解熔融的 MgCl2:MgCl2(熔融)Mg+Cl2。则属于方法,属于方法,属于方法,属于方法。综上分析,B 选项不正确。答案:B二、铝热反应知识精要 1.铝热反应的原理及应用 定义 铝和金属氧化物在高温下发
7、生剧烈反应并放出大量热的化学反应 原理 Al 作还原剂,另一种氧化物作氧化剂,用铝将氧化物中的金属置换出来 铝热剂 铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5 等)组成的混合物 反应特点 在高温下进行,反应迅速并放出大量的热,新生成的金属单质呈熔融态且易与 Al2O3 分离 应用 冶炼难熔的相对较不活泼的金属(V、Cr、Mn 等)、焊接钢轨等 2.铝热反应实验 实验装置 实验现象(1)镁带剧烈燃烧(2)氧化铁粉末和铝粉剧烈反应,放出大量的热,并发出耀眼的白光(3)纸漏斗的下部被烧穿,有熔融物落入沙中,液珠冷却后变为黑色固体 原理分析 镁带燃烧,放出大量的热;KClO3 发生分解作为
8、引燃剂,使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应:2Al+Fe2O32Fe+Al2O3,生成的铁在高温下呈熔融状态 注意事项(1)镁带需要打磨净表面氧化膜有利点燃;氧化铁粉末要干燥(2)氯酸钾的作用是分解提供氧气,使镁带快速充分燃烧,要放在混合物的上面(3)要保证纸漏斗重叠时四周均为四层,且内层纸漏斗一定要用水润湿,以防高温物质从四周溅出,同时损坏纸漏斗(4)蒸发皿中的细沙要适量,既要防止蒸发皿炸裂,又要防止熔融的液体溅出伤人 典题例解【例 2】粉末状试样 A 是由等物质的量的 MgO 和 Fe2O3 组成的混合物。现进行如下实验:取适量 A 进行铝热反应,产物中有单质 B 生成;另取 20 g
9、 A 全部溶于 0.15 L 6.0 molL-1 盐酸中,得溶液 C;将中得到的单质 B 和溶液 C 反应,放出 1.12 L(标准状况)气体,同时生成溶液 D,还残留有固体物质 B;用 KSCN 溶液检验时,溶液 D 不变色。请填空:(1)中引发铝热反应的实验操作是 。产物中的单质 B 是 (填化学式)。(2)中所发生反应的化学方程式是 。(3)中所发生的各反应的离子方程式是 。(4)若溶液 D 的体积仍视为 0.15 L,则该溶液中 c(Mg2+)为 ,c(Fe2+)为 。解析:MgO 不能与铝发生置换反应,所以中发生的反应是Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3。中加入 KSCN 溶液不
10、变色,说明 Fe3+完全被还原为 Fe2+,溶液 D 为 MgCl2、FeCl2 的混合液。根据题意假设 20 g A 中 MgO 和 Fe2O3 的物质的量均为 x,则 40 gmol-1x+160 gmol-1 x=20 g,解得 x=0.1 mol。溶液中 Mg2+的物质的量等于MgO 的物质的量,c(Mg2+)0.67 molL-1,反应后原加入的盐酸中的Cl-全部转移到 FeCl2 和 MgCl2 中,Cl-守恒,所以溶液 D中:n(Cl-)=n(Mg2+)2+n(Fe2+)2=6.0 molL-10.15 L=0.9mol,n(Fe2+)=0.35 mol,所以 c(Fe2+)2.
11、3 molL-1。答案:(1)加少量 KClO3,插上镁条并将其点燃 Fe(2)Fe2O3+6HCl2FeCl3+3H2O,MgO+2HClMgCl2+H2O(3)Fe+2H+Fe2+H2,Fe+2Fe3+3Fe2+(4)0.67 molL-1 2.3 molL-1迁移应用用铝热法还原下列化合物,制得金属各 1 mol 时,消耗铝最少的是()A.MnO2B.WO3C.Co3O4D.CrO3解析:根据得失电子守恒有如下关系:Mn+443 Al+3 W+62Al+3 Co+8389 Al+3 Cr+62Al+3,所以 C 消耗铝最少。答案:C铝热反应试题分析案例探究下图中,A、B、C、D、E 是单
12、质,G、H、I、F 是 B、C、D、E分别和 A 形成的二元化合物。已知:反应 C+GB+H 能放出大量的热,该反应曾应用于铁轨的焊接;I 是一种常见的温室气体,它和 E 可以发生反应:2E+I2F+D,F 中 E 元素的质量分数为 60%。回答问题:(1)中反应的化学方程式为。(2)化合物 I 的电子式为。(3)1.6 g G 溶于盐酸,得到的溶液与铜粉完全反应,计算至少需铜粉的质量(写出离子方程式和计算过程)。(4)C 与过量 NaOH 溶液反应的离子方程式为 ,反应后溶液与过量 I 反应的离子方程式为 。(5)E 在 I 中燃烧观察到的现象是 。答案:(1)2Al+Fe2O32Fe+Al
13、2O3(2)OCO(3)Fe2O3+6H+2Fe3+3H2O 2Fe3+Cu2Fe2+Cu2+n(Cu)=n(Fe2O3)=1.6 g160 gmol-1=0.010 mol 铜粉的质量=64 gmol-10.010 mol=0.64 g(4)2Al+2OH-+2H2O2AlO2-+3H2 AlO2-+CO2+2H2OAl(OH)3+HCO3-(注:不要求写 OH-+CO2HCO3-)(5)镁条剧烈燃烧,生成白色粉末,反应器内壁附着有黑色的碳解析:作为典型的推断题,本题的突破口较为明显而且众多,最突出的譬如信息所述的“C+GB+H”,表示的是铝热反应,即2Al+Fe2O32Fe+Al2O3;信
14、息中温室气体为 CO2,易联想到2Mg+CO22MgO+C。这样即可确定 A、B、C、D、E 分别是O、Fe、Al、C、Mg;G、H、I、F 则分别是 Fe2O3、Al2O3、CO2、MgO。思悟升华1.在无机框图推断中常出现的反应模式:,且 A、C 为单质,B、D 是化合物。分析该反应的特点:该反应是置换反应且条件是高温,可初步确定是铝热反应,且 A 是铝。再结合其他的条件确定其他物质。2.有关铝热反应的两个易错点:(1)铝热反应可以用于焊接钢轨,但工业上不用该方法炼铁,因为铝比铁的冶炼成本更高。(2)由于铝只能冶炼活泼性比其弱的金属,所以并不是铝与所有金属氧化物的混合物都叫铝热剂,如 Al 和 Na2O 的混合物不能叫铝热剂。
