高中化学人教版必修2（练习）4_1_1 金属矿物的开发利用含解析

高中化学人教版必修2（练习）4_1_1 金属矿物的开发利用含解析

第1课时　金属矿物的开发利用 目标导航]　1.了解金属在自然界中的存在形式，掌握金属冶炼的一般方法和原理。2.掌握铝热反应原理及实验步骤。3.了解金属回收和资源保护的意义。4.认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。‎ 一、金属的冶炼 ‎1．金属在自然界中存在的形态 除了金、铂等极少数金属以外，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界。在这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。‎ ‎2．金属冶炼的原理 金属的冶炼是利用氧化还原反应原理，在一定条件下，使金属离子得到电子被还原成金属原子，从而获得金属单质。即：Mn＋＋ne－===M。‎ ‎3．金属的冶炼方法 ‎(1)热分解法：适用于金属活动性顺序表中Hg及其以后的金属。‎ ‎2HgO2Hg＋O2↑；2Ag2O4Ag＋O2↑。‎ ‎(2)热还原法：适用于金属活动性顺序表中Zn、Cu之间的金属。‎ Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2；‎ WO3＋3H2W＋3H2O；‎ Cr2O3＋2AlAl2O3＋2Cr。‎ ‎(3)电解法：适用于金属活动性顺序表中Al及其以前的金属。‎ ‎2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑；‎ ‎2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。‎ 提醒　(1)电解熔融的NaCl和电解NaCl溶液的产物不同。‎ ‎(2)工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO的原因是MgO的熔点比MgCl2的高，冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物，熔融状态不导电。‎ 议一议 ‎1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎(1)黄金的冶炼可用热分解法(　　)‎ ‎(2)金属阳离子被还原，一定会得到金属单质(　　)‎ ‎(3)工业上电解MgCl2溶液制取Mg(　　)‎ 答案　(1)×　(2)×　(3)×‎ ‎2．利用CO冶炼铁的反应是置换反应吗？‎ 答案　3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，不是置换反应 二、金属矿物的开发利用 ‎1．合理开发利用金属资源 金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源，还会造成环境污染，地球上的金属资源是有限的，是不可再生的，因此金属资源应合理地开发利用。‎ ‎2．有效利用金属资源的途径 ‎(1)提高金属的利用率，减少金属的使用量；‎ ‎(2)加强金属资源的回收和再利用；‎ ‎(3)使用其他材料代替金属材料。‎ 议一议 请你列举身边常见的金属制品的成分，并讨论它们被人类使用的历史。‎ 答案　(1)铜：使用历史悠久；‎ ‎(2)铁：比铜的使用稍晚；‎ ‎(3)铝：近代才开始广泛使用；‎ ‎(4)镁合金、锂电池：现代才开始使用。‎ 一、金属冶炼的原理与方法 例1　下列金属冶炼原理错误的是(　　)‎ A．2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑‎ B．MgO＋H2Mg＋H2O C．Fe3O4＋4CO3Fe＋4CO2‎ D．2HgO2Hg＋O2↑‎ 解析　Na、Mg通常用电解法制取，Fe用还原剂法制取，Hg可用加热其化合物的方法制取。Mg的活动性比H2强，H2不能置换出Mg，B项错。‎ 答案　B 归纳总结 ‎1．金属的冶炼原理 金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的过程，即：Mn＋＋ne－===M。‎ ‎2．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系 金属的活动性顺序 K、Ca、Na、Mg、Al Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu Hg、Ag Pt、Au 金属原子失电子能力 强→弱 金属离子得电子能力 弱→强 主要冶炼方法 电解法 热还原法 热分解法 物理方法 ‎3.常用的热还原法 变式训练1　冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法　②水煤气(或氢气，或一氧化碳)法　③活泼金属置换法　④电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜；现代有(Ⅲ)铝热法炼铬；(Ⅳ)从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是(　　)‎ A．(Ⅰ)用① B．(Ⅱ)用②‎ C．(Ⅲ)用③ D．(Ⅳ)用④‎ 答案　B 解析　选择金属的冶炼方法要考虑金属在自然界中存在的状态及金属的活动性。‎ ‎(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)发生的反应分别是 ‎(Ⅰ)：Cu2(OH)2CO32CuO＋CO2↑＋H2O，C＋2CuO2Cu＋CO2↑，符合①；‎ ‎(Ⅱ)：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，符合③；‎ ‎(Ⅲ)：2Al＋Cr2O3Al2O3＋2Cr，符合③；‎ ‎(Ⅳ)：先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑，符合④。‎ 二、铝热反应 例2　如图为铝热反应的实验装置，请回答下列问题：‎ ‎(1)该实验装置中还缺________。引发铝热反应的操作为________________________。‎ ‎(2)若将氧化铁换成氧化镁，该反应________(填“能”或“不能”)发生，理由是________________________________________________________________________。‎ ‎(3)铝热反应的用途有哪些_____________________________________________。‎ 解析　(1)利用镁条燃烧放热从而引发铝热反应，同时促使KClO3分解产生O2，使镁条快速燃烧。‎ ‎(2)Mg比Al活泼，Al不能从MgO中置换出Mg。‎ 答案　(1)镁条和氯酸钾　在混合物中间插一根镁条，将氯酸钾放在混合物上镁条的周围，点燃镁条 ‎(2)不能　镁比铝活泼，铝不能置换镁 ‎(3)用于焊接钢轨；冶炼某些熔点高的金属(答案合理即可)‎ 归纳总结 ‎1．铝热反应 ‎(1)概念：铝和金属氧化物在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应。‎ ‎(2)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。‎ ‎(3)铝热剂：铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。‎ ‎(4)反应特点：‎ ‎①在高温下进行。‎ ‎②反应迅速并放出大量的热。‎ ‎③新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离。‎ ‎(5)应用：冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等。‎ ‎2．铝热反应实验 实验操作 实验现象 ‎(1)镁条剧烈燃烧；(2)氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应；(3)反应放出大量的热，并发出耀眼的白光；(4)‎ 纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中 实验结论 在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热 变式训练2　如图所示，用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起，使四周都有四层。把内层漏斗取出，在底部剪一个孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置盛沙的蒸发皿。把5 g炒干的氧化铁粉末加2 g铝粉混合均匀，放在纸漏斗中，上面加少量氯酸钾并在混合物中间插一根镁条，用小木条点燃镁条。‎ 观察发生的现象。通过以上实验信息，回答下列问题。‎ ‎(1)写出该反应的化学方程式：____________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________；‎ 在该反应中，______________(填化学式，下同)是氧化剂，________是还原剂，该反应称为________反应。‎ ‎(2)选出该实验的实验现象：________(填写在横线上)。‎ ‎①镁条剧烈燃烧；②放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射；③纸漏斗的下部被烧穿；④有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上，液珠冷却后变为黑色固体。‎ ‎(3)写出下列操作或物质的作用：内层纸漏斗底部剪一个孔：_________________________；‎ 蒸发皿盛沙：_________________________________________；‎ 镁条：________________________________________________________________________；‎ 氯酸钾：________________________________________________________________________。‎ ‎(4)如何用简单的方法证明生成物中有金属铁？‎ 答案　(1)2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3　Fe2O3　Al　铝热　(2)①②③④　(3)使熔融物易于落下　防止溅落物炸裂蒸发皿，同时防止溅落物迸溅过远对周围人造成伤害　引燃剂，引起氯酸钾分解　助燃剂，为镁条继续燃烧提供氧气，引发铝热反应　(4)用磁铁吸引生成物，磁铁上有黑色物质被吸附，则证明生成物中有金属铁。‎ ‎1．下列金属元素在自然界中可以以游离态形式存在的是(　　)‎ A．K B．Na C．Ca D．Au 答案　D ‎2．下列说法错误的是(　　)‎ A．对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用 B．提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步 C．活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液 D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等 答案　C 解析　活泼金属的冶炼是电解其熔融盐(如MgCl2、NaCl等)或熔融氧化物(如Al2O3等)制得的，电解其盐溶液得不到金属单质，C错误。‎ ‎3．用铝热法还原下列化合物，若获得金属各1 mol，消耗铝最少的是(　　)‎ A．MnO2 B．Cr2O3‎ C．WO3 D．CuO 答案　D 解析　制备1 mol金属，根据氧化还原反应中得失电子数相等的原理，金属离子得电子数越多，需要铝的质量越大。而生成1 mol金属，该金属在化合物中化合价越高，则消耗铝越多；反之则越少。在这四种化合物中只有D项中Cu的化合价最低，故选D。‎ ‎4．以辉铜矿(Cu2S)为原料冶炼铜，其反应原理可表示为Cu2S＋O22Cu＋SO2。下列说法不正确的是(　　)‎ A．化合价发生变化的元素有3种 B．Cu2S在该反应中既是氧化剂又是还原剂 C．1 mol O2参加反应时，上述反应转移电子总物质的量为4 mol D．SO2被分离、回收后氧化生成SO3，作为制取硫酸的原料 答案　C 解析　分析反应中化合价的变化：2＋22＋2，反应过程中Cu、S、O三种元素的化合价均发生改变；Cu2S中Cu元素化合价降低，S元素化合价升高，因此Cu2S既是氧化剂又是还原剂；根据S元素化合价的改变可知，当1 mol O2参加反应时，共转移电子6 mol；SO2催化氧化可得SO3，SO3被水吸收可得H2SO4。‎ ‎5．(1)Al与Fe3O4发生铝热反应的化学方程式为______________________________‎ ‎________________________________________________________________________，‎ 该反应中氧化剂是____________，还原剂是_________________________________。‎ ‎(2)工业上电解冶炼铝的化学方程式为______________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 若电路中通过1 mol电子，可以得到Al________g。‎ 答案　(1)8Al＋3Fe3O44Al2O3＋9Fe　Fe3O4　Al ‎(2)2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑　9‎ 基础过关]‎ 题组1　金属及其冶炼方法的选择 ‎1．从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。如图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后，主要取决于(　　)‎ A．金属的导电性强弱 B．金属在地壳中的含量多少 C．金属的化合价高低 D．金属的活动性强弱 答案　D 解析　由于人类掌握科学知识的局限性，越活泼的金属越难以冶炼，故发现年代越晚。‎ ‎2．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是(　　)‎ 选项 冶炼原理 方法 A ‎2HgO2Hg＋O2↑‎ 热分解法 B ‎2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑‎ 电解法 C Cu2S＋O22Cu＋SO2‎ 热分解法 D Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3‎ 热还原法 答案　C 解析　活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼，中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用热还原法冶炼，不活泼金属Hg、Ag利用热分解法冶炼，故A、B、D正确，C错误。‎ ‎3．已知酸性条件下有如下反应：2Cu＋===Cu2＋＋Cu↓。由于反应温度不同，用氢气还原氧化铜时，可能产生Cu或Cu2O，两者都是红色固体。一同学对某次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体产物作了验证，实验操作和实验现象记录如下：‎ 加入试剂 稀硫酸 浓硫酸、加热 稀硝酸 浓硝酸 实验现象 有红色固体剩余和溶液变为蓝色 产生无色气体 产生无色气体、溶液变为蓝色 产生红棕色气体、溶液变为绿色 由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物(　　)‎ A．是Cu B．是Cu2O C．一定有Cu，一定有Cu2O D．一定有Cu2O，可能有Cu 答案　D 解析　浓H2SO4(加热)、硝酸均能氧化Cu或Cu2O；而稀H2SO4与Cu不反应，与Cu2O反应。‎ ‎4．下列冶炼方法中，不能将化合物中的金属元素还原为金属单质的是(　　)‎ A．加热Al2O3 B．加热HgO C．电解熔融NaCl D．铝粉和Fe2O3共热 答案　A 解析　金属钠是活泼金属，用电解法制取；汞用加热HgO制取；加热Al2O3难以分解；铝粉和Fe2O3组成铝热剂，可将Fe2O3中的铁还原成单质。‎ ‎5．下列化工生产原理错误的是(　　)‎ ‎①可以电解熔融的氯化钠来制取金属钠　②可以将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁　③用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝　④炼铁时高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热 A．②③ B．①③ C．①②③ D．②③④‎ 答案　D 解析　钠特别活泼，加入氯化镁溶液时钠先与水反应生成NaOH和H2，Mg2＋和OH－反应生成Mg(OH)2沉淀，②错；冶炼铝使用的是Al2O3，③错；高炉炼铁中所发生的反应是放热反应，但仍需要高温，④错。‎ ‎6．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：‎ K Na KCl NaCl 熔点(℃)‎ ‎63.65‎ ‎97.8‎ ‎770‎ ‎801‎ 沸点(℃)‎ ‎774‎ ‎882.9‎ ‎1 500(升华)‎ ‎1 431‎ 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．97.8～770 ℃ B．770～774 ℃‎ C．774～882.9 ℃ D．1 413～1 500 ℃‎ 答案　C 解析　在金属活动性顺序表中，Na排在K的后面，似乎不能从K的熔融盐中置换出K。但将Na与KCl共熔，其共熔体中Na＋、K＋、Cl－和e－自由移动，如果继续加热，则Na、K、NaCl和KCl首先沸腾者先逸出。工业上，就是采用这种原理用Na还原K的，因为K的沸点比Na、NaCl、KCl的沸点都低，且低于NaCl的熔点。‎ 题组2　铁的冶炼 ‎7．实验室欲使1.6 g氧化铁完全还原，事先应准备的CO在标况下的体积为(　　)‎ A．672 mL B．336 mL C．大于672 mL D．小于336 mL 答案　C 解析　由3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2可知消耗CO 672 mL，但气体与固体反应不充分，反应前要先通入一会儿CO赶尽空气，Fe冷却要在CO的气氛中，故CO实际用量应大于672 mL。‎ ‎8．铁是地壳中含量很丰富的元素， 金属铁是在高炉中冶炼的，在冶金工业中，常用焦炭来冶炼铁。‎ ‎(1)写出焦炭在高炉中所参与的两个反应的化学方程式：‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)写出赤铁矿被CO还原成铁的化学方程式：_________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)实验室中可用CO还原Fe2O3，在加热Fe2O3前应________，直到无________现象时才能点燃酒精灯加热，否则可能发生________现象，未反应完全的CO________(填“能”或“不能”)排放到大气中，应做________处理。‎ 答案　(1)C＋O2CO2，C＋CO22CO ‎(2)3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2‎ ‎(3)验纯　爆鸣　爆炸　不能　点燃 解析　(1)在冶炼铁的过程中，为提高C的利用率，先发生反应C＋O2CO2，再发生反应：CO2＋C2CO，用CO还原Fe2O3，接触更充分，效果更好。‎ ‎(3)加热Fe2O3之前应先检验CO的纯度，否则会发生爆炸，由于CO有毒，故未完全反应的CO应点燃，以防污染环境。‎ 题组3　稀有金属的冶炼 ‎9．诺贝尔化学奖获得者施罗克等人发现金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。工业上冶炼钼的化学反应过程为 ‎①2MoS2＋7O22MoO3＋4SO2　②MoO3＋2NH3·H2O===(NH4)2MoO4＋H2O　③(NH4)2MoO4＋2HCl===H2MoO4↓＋2NH4Cl　④H2MoO4MoO3＋H2O　⑤用还原剂将MoO3还原成金属钼。则下列说法正确的是(　　)‎ A．MoS2煅烧产生的尾气可直接排放 B．MoO3是金属氧化物，也是碱性氧化物 C．H2MoO4是一种强酸 D．利用H2、CO和Al分别还原等量的MoO3，所消耗还原剂的物质的量之比为3∶3∶2‎ 答案　D 解析　A项明显错误，生成物SO2对环境污染严重；B项，根据②中生成物(NH4)2MoO4可知，该化合物属于盐，对应的酸是H2MoO4，故MoO3不属于碱性氧化物，B项错；C项，根据反应③H2MoO4是一种不溶性酸，溶液中c(H＋)‎ 不可能很大，故H2MoO4不可能是强酸；D项，1 mol H2、1 mol CO和1 mol Al作还原剂时，失去的电子数分别为2 mol、2 mol和3 mol，还原等量的MoO3转移电子相同，此时n(H2)∶n(CO)∶n(Al)＝3∶3∶2。‎ ‎10．钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。工业上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用以冶炼钛，主要有以下五个反应：‎ ‎①FeTiO3＋2H2SO4===TiOSO4＋FeSO4＋2H2O ‎②TiOSO4＋2H2O===H2TiO3↓＋H2SO4‎ ‎③H2TiO3TiO2＋H2O ‎④TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4↑＋2CO↑‎ ‎⑤TiCl4＋2Mg2MgCl2＋Ti ‎(1)针对以上五个反应，下列叙述错误的是________。‎ A．反应①是非氧化还原反应 B．反应②生成了两种酸 C．反应④中的TiO2是氧化剂 D．反应⑤表现了金属镁比金属钛的还原性强 ‎(2)钛具有很强的耐腐蚀性，以下对其原因的分析正确的是________。‎ A．钛是像金、铂一样的不活泼金属 B．金属钛的表面易形成致密的氧化膜 C．钛与氧气、酸等腐蚀剂不反应 D．钛有很高的强度 答案　(1)C　(2)B 解析　(1)在反应①中没有化合价的变化，反应②中，化学式H2TiO3符合酸的一般化学式，它是钛酸的化学式；反应④中，钛元素的化合价保持不变，氯气是氧化剂，碳是还原剂；反应⑤，镁是还原剂，钛是还原产物，所以镁的还原性强于钛。‎ ‎(2)题目中一开始就指出：钛是一种活泼的金属，但是钛耐腐蚀性强，联系金属铝的性质，铝表面易形成致密的保护膜，阻止反应继续进行，以此类推钛，很容易选择B。‎ 能力提升]‎ ‎11．铁是应用最广泛的金属，自远古时代人类就学会了炼铁，到目前为止，人类研制出了很多炼铁的方法。某研究性学习小组同学在实验室中模拟工业炼铁的过程，实验装置如下：‎ ‎(1)写出得到单质铁的化学方程式：_____________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑，请设计一个实验来验证生成了单质铁：________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)装置末端气球的作用：____________________________________________。‎ 实验结束时，应该先停止加热还是先停止通入CO？原因是什么？________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2‎ ‎(2)取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单质铁(答案合理即可)‎ ‎(3)收集CO，防止污染空气　先停止加热，防止生成的铁再次被氧化 解析　(2)检验是否生成铁单质，在反应结束后，待玻璃管内的固体冷却，取少量放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体(H2)，则证明生成了单质铁。(3)反应结束后，得到的铁还是炽热的，若先停止通入CO，会导致铁又被氧化，所以，应该先停止加热，待玻璃管内的固体冷却后，再停止通入CO。‎ 拓展探究]‎ ‎12．钛(Ti)被称为继铁、铝之后的第三金属，钛白(TiO2)是目前最好的白色颜料。制备TiO2和Ti的原料是钛铁矿，我国的钛铁储量居世界首位。含Fe2O3的钛铁矿(主要成分为FeTiO3)制备TiO2流程如下：‎ ‎ ‎ ‎(1)步骤①加Fe的目的是______________________________________________________；‎ 步骤②冷却的目的是_____________________________________________________。‎ ‎(2)上述制备TiO2的过程中，可以利用的副产物是__________；考虑成本和废物综合利用因素，水浸后废液中应加入______处理。‎ ‎(3)由金红石(TiO2)制取单质钛(Ti)，涉及到的步骤为 反应TiCl4＋2Mg===2MgCl2＋Ti在Ar气氛中进行的理由是________________________。‎ 答案　(1)将Fe3＋还原为Fe2＋　析出绿矾(FeSO4·7H2O)‎ ‎(2)绿矾(FeSO4·7H2O)　生石灰(或碳酸钙、废碱)‎ ‎(3)防止高温下镁或钛与O2、N2等反应 解析　(1)分析框图知，铁最终转化成副产品绿矾，所以要将＋3价Fe转化为＋2价Fe，降温减小FeSO4·7H2O的溶解度，有利于绿矾结晶。‎ ‎(2)水浸后发生的离子反应为TiO2＋＋2H2O===H2TiO3↓＋2H＋，废液主要呈酸性，所以应加入CaO、CaCO3或碱。‎ ‎(3)Ti和Mg易与空气中O2、N2等反应，故应在Ar气氛中进行。 ‎