人教版高二化学 第十一章 第三节 金属的冶炼

人教版高二化学 第十一章 第三节 金属的冶炼

‎ ‎ ‎ ‎ 第三节 金属的冶炼 ‎ ‎ ‎ 新大纲要求：‎ ‎ (1)金属冶炼的一般原理(B) ‎ ‎ (2)金属回收的重要意义，资源保护意识。(A)‎ ‎ 基础知识 ‎ 一、金属的存在 ‎ 金属在自然界分布很广，无论是矿物、还是动植物体内，或多或少都含有金属元素。在人体血液中各金属元素质量分数的大小和地壳中相应元素质量分数的大小有着惊人的一致关系 (铝等少数例外)，但环境中若某元素含量超过正常值时，常会引起人体内该元素含量偏离正常值，最终损害人体健康。如：使用含铅汽油会造成大气沿污染，若进人人体的铅偏多会损伤脑及脊髓；使肾功能失调，儿童智力减退。我国金属资源较丰富，钨、钛、锑金属的含量居世界首位，稀土元素资源占世界总储量的80％。‎ ‎ 金属在自然界主要以化合态形式存在，只有少数不活泼的金属才存在的游离态。‎ ‎ 二、金属的冶炼 ‎ 从矿物中生产各种金属一般经过预处理、熔炼和精炼三个步骤。‎ ‎ 1.预处理 一般金属矿石必须先经过预处理，除去矿物中的一些杂质，提高矿石中金属元素的含量。金属预处理还包括金属矿物的转化，把金属矿物转化为便于还原成金属单质的物质。如煅烧金属碳酸盐矿物得金属氧化物：‎ ‎ MCO3=MO+CO2↑‎ ‎ 又如焙烧金属硫化物矿石，使之成为金属氧化物： ‎ ‎ 3O2+2MS=2MO+2SO2↑‎ ‎ 2.冶炼 利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原法把金属离子还原成金属单质。由于矿物中金属离子得电子能力不同，所以，将金属矿物中的金属离子还原成单质的冶炼方法也不同(见下表)‎ Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au 冶炼法 电解法 还原剂还原法 加热分解法 分离提纯法 实例 ‎ 3.精炼 ‎ ‎ - 5 -‎ ‎ 便用还原剂还原法制得的金属一般含有较多的有害杂质。如含其它金属或非金属。为了满足金属的多种用途，除去金属中的有害杂质是必要的。低沸点金属(如锌和汞)可以用蒸馏法与较不易挥发的有害杂质分离而达到提纯 电解法精炼金属是使用最广泛的金属精炼法，铜、银、金、铅等都可以用这种方法精炼。‎ ‎ 知识归纳 ‎ 1.金属活动顺序表的应用 ‎ ①氢以前的金属能置换非氧化性酸中的氢。‎ ‎ ②氢以后的金属不能跟非氧化性酸反应，只能与强氧化性酸反应。‎ ‎ ③氢以前金属与氧化性酸反应的产物与金属活泼性、酸的浓度、温度等多种因素有关。‎ ‎ 2．判断金属与盐溶液反应的产物 ‎ ①除活泼金属(K、Ca、Na、Ba等)，前面金属能将后面的金属从其盐溶液中置换出来。②后面的金属也可以和前面金属元素的高价阳离子发生非置换反应。如2Fe3++Cu=2Fe2++ Cu2+③其它情况：如3Zn+2FeCl3+6H20=2Fe(OH)3↓+3ZnCl2+3H2↑‎ ‎ 3.判断金属与H20反应的产物 ‎ ①K、Ca、Na遇冷水迅速反应生成碱和H2。‎ ‎ ②Mg在冷水中缓慢反应，在沸水中能较快反应生成碱和H2。‎ ‎ ③Al在冷水中不反应，在沸水中微弱反应生成碱和H2。‎ ‎ ④Zn、Fe、Sn、Pb能在红热条件下与水蒸气反应生成氧化物和H2。‎ 如： 3Fe+4H20(气)=Fe304+4H2。‎ ‎ ⑤氢以后金属不与H20反应。‎ ‎ 4.判断原电池的电极和电极反应 ‎ 相对活泼的金属作负极，发生氧化反应。‎ ‎ 5.判断电解时阳离子放电顺序 ‎ 与金属活动顺序相反 Ag+>Fe3+>Hg2+ >Cu2+> Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+> (H+)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+‎ ‎ 6.判断硝酸盐受热分解产物 ‎ ①K→NA．硝酸盐→亚硝酸盐+O2↑‎ ‎ ②Mg→Cu：硝酸盐→氧化物+NO2↑+O2↑‎ ‎ ③Hg→Ag：硝酸盐→金属单质+N02+O2↑‎ ‎ 7.判断金属冶炼方法 ‎ ①K→Al：电解法。②Zn→Cu：还原法。③ Hg→Ag：加热法。④Pt、Au：物理方法。‎ ‎ 8.判断不溶性碱热稳定性大小 ‎ 金属越活泼，其氢氧化物越不易分离。‎ ‎ ①KOH、NaOH、Ca(OH)2：1000℃以上分解。‎ ‎ ②Mg(OH)2→Cu(OH)2：酒精灯加热分解。‎ ‎ ③Hg(OH)2、AgOH：常温不稳定，Pt、Au无氢氧化物。‎ 例题解析 ‎ ‎ ‎ - 5 -‎ ‎ [例1]由于都具有在表面形成致密的氧化物膜这一特性，铝、锌、钛三种金属单质都具有良好的抗腐蚀能力。铝、铁、钛、铜在地壳中的含量分别列金属的第一、二、七、十七位。历史上，这四种金属大规模进人人类生产活动的时间顺序依次是____________；你认为这个排列顺序可能与四种金属及其化合物的哪些性质有密切关系?‎ ‎ [解析] 据历史，人类的工具经历了石器、青铜器、铁器阶段，可见四种金属中首先进入人类生产活动的是铜，再次才是铁。铜活动性最差，最容易被还原，较之于铁容易得多。钛进入人类生产活动是现代的事，随着航天事业的发展，钛才成为天之骄子，这与钛矿非常分散有关。四种金属中铝最活泼，矿藏也丰富，可是 Al2O3熔点太高，难以冶炼。所以时间次序是：铜、铁、铝、钛。‎ ‎ ‎ ‎ [例2] 微生物对人类有着各种各样的用途。现在生物工程学家已经利用微生物从矿石中提取金属，在铜矿石中提取铜便是一例。铜矿石中，铜往往与其他元素(特别是硫)结合在一起。有些铜矿中铜的含量很低，以致于冶炼过程十分困难，冶炼成本很高，在此，细菌能帮助我们，某些细菌能利用空气中的氧来氧化硫化亚铜矿石，将不溶性的硫化亚铜转化为可溶性的硫酸铜，同时，这些细菌还利用氧化反应所释放的化学能将CO2等无机物合成C6H12O6。因这些细菌能侵蚀铜矿石，所以被称为“吃岩石的细菌”(细菌提取铜的生产过程如上图)。‎ ‎ 在矿石堆里已经有细菌存在，喷洒稀硫酸后，通过细菌的作用使硫化亚铜矿石被氧化成为硫酸铜，低浓度的硫酸铜溶液流到矿石堆的底部，然后，再从这种溶液中提取金属铜。水则可以循环利用，再回到矿石堆中。‎ ‎ 请根据上述材料回答问题：‎ ‎ (1)这种“吃岩石细菌”的新陈代谢类型是_________，它们与绿色植物相比较，同化过程中所需能量的最初来源有何不同? ____________________________________。‎ ‎ (2)以生态学的观点看，该种细菌能否称为“分解者”? __________________，为什么? ____________________________________。‎ ‎ (3)举出由硫酸铜制得金属铜的两种方法 (用文字叙述) __________________。 ‎ ‎ (4)在细菌作用下硫化亚铜被氧化的离子方程式为___________________________。‎ ‎ (5)普通生产铜的方法其中一步是在空气中煅烧硫化亚铜，写出该反应的化学方程式：_____________________________________________‎ ‎ (6)为了防止污染环境并得副产品亚硫酸钠，常用氢氧化钠溶液吸收煅烧硫化亚铜时产生的气体。请计算煅烧1t含硫化亚铜8％的矿石时，用1m3 0.8mol·L-1的氢氧化钠溶液来吸收反应产生的气体，能得到亚硫酸钠多少t?(列式计算)‎ ‎ - 5 -‎ ‎ 答案 (1)自氧需氧型 前者来自体外物质氧化所释放化学能，后者来自光能 ‎ (2)不能 该细菌能将无机物直接生成有机物，而分解者是异养型的。‎ ‎ (3)①电解法 ②用Fe置换法 ‎(4)2Cu2S+502+4H+=4Cu2++2SO42- +2H20‎ ‎ (5)Cu2S+2O2=2CuO十SO2‎ ‎ (6)0.0378T ‎ ‎[课堂针对性训练]‎ ‎1．实验室欲使1.6gFe203完全被还原，事先应准备的CO在标准状况下的体积为 （ ）‎ ‎ A．336mL B．672mL C．大于672mL D．小于336mL ‎ ‎2．很活泼的金属，如Na、Mg等，必须用电解法冶炼的原因是 （ ）‎ ‎ A．它们在地壳里含量少 ‎ B．它们的单质容易与H2、C、CO等还原剂发生化学反应 ‎ C．它们的单质熔点太高 ‎ D．它们的离子很难得电子 ‎ ‎3．用铝热法冶炼难熔金属的原理是 （ ）‎ ‎ A．铝有很强还原性，在高温下可将难熔金属从其氧化物中还原出来 ‎ B．氧化铝熔点低，容易与难熔金属分离 ‎ C．氧化铝熔点高，可与难熔金属一起熔化 ‎ D．反应放出大量的热，使还原出来的金属熔化，因而易于与渣分离 ‎ 先阅读以下内容，再回答4---6题。冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法；②水煤气 (或H2，或CO)法；③活泼金属置换法；④电解法。四种方法各有优缺点，在工业上均有应用。 ‎ ‎4．上述4种方法可分为两大类，其中有1种方法独自成一类，该方法是 （ ）‎ ‎ A．焦炭法 B．水煤气法 C．活泼金属置换法 D．电解法 ‎ ‎5．从反应的实质分析，高炉炼铁主要是用反应为Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2 （ ）‎ ‎ A．焦炭法 B．电解法 C．水煤气法 D．活泼金属置换法 ‎6．古代有：(I)火烧孔雀石Cu2(OH)2C03炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜，现代有：(Ⅲ)铝热法炼铁；‎ ‎ (Ⅳ)光卤石法炼镁。对这些冶炼方法分析不正确的是 （ ）‎ ‎ A．(1)① B．(Ⅱ)② C．(Ⅲ)③ D．(Ⅳ)④ ‎ ‎7．充分还原16g氧化铁 （ ）‎ ‎ A．至少需要2.8g CO ‎ B．反应中有0.6mole-转移 ‎ C．使用H2和CO均可，而且消耗二者的物质的量相等 ‎ D．氧化产物有11.2g 能力与STS ‎ ‎8．金属钾 ‎ - 5 -‎ 与金属钠的金属性相近，但钾比钠略强。当利用钠与KCl共融，制金属钾时，钠与钾的共熔体难以分离，如调整温度到一定程度，则可利用Na与KCl反应制K。下表是4种物质的熔、沸点。根据平衡移动原理，温度应调整为 （ ）‎ K Na KCl NaCl 熔点 ‎63.6‎ ‎97.8‎ ‎77o ‎801‎ 沸点 ‎774‎ ‎882.9‎ ‎1500‎ ‎1413‎ ‎ A．低于774℃ B．850℃ C．>882．9℃ D．1413～1500℃‎ ‎9．在新生代的海水里有一种铁细菌，它们摄取海水中的亚铁离子并转变成它们的皮鞘(用Fe203表示)，后来便沉积下来形成铁矿，这个用酶为催化的反应的另一反应物是CO2，反应后转变成有机物，可用HCHO表示。试写出离子反应方程式______________________‎ 实验专栏 ‎1．如右栏图所示，密闭容器的A端盛有2．3g钠，B端盛有x(g) HgO，当同时加热容器的A,B两支管时，钠着火燃烧，冷却后测得容器中的空气成分并未发生变化，则x为（ ）‎ ‎ A．21．7g B．24g ‎ C．43.4g D．10．85g ‎2．如下图所示装置持续通入X气体,并在管口P处点燃，‎ ‎ 实验结果使澄清的石灰水变浑，则X、Y可以是（ ）‎ ‎ A．H2和NaHCO3 ‎ ‎ B．CO和Na2CO3 ‎ ‎ C．CO和CuO ‎ ‎ D．H2和Fe2O3 ‎ ‎3．从含Cu2S的铜矿石中炼铜有多种方法，其中一种方法是：‎ ‎ ①先给矿石通人空气、高温焙烧，生成两种氧化物；‎ ‎ ②将焙烧过的矿石加上比它质量少一半的未经焙烧的矿石，‎ 混匀后隔绝空气再进行高温煅烧，结果得到金属铜和一种刺激性气体味的气体。‎ ‎ (1)①中反应的化学方程式是_______________。这一步反应中被氧化的元素是____________________，电子转移总数是________________‎ ‎ (2)②中反应的化学方程式是_____________________________ ‎ ‎ (3)上述方法所得铜不纯，称为粗铜，限制了它的用途，欲炼得纯度高的铜，还应该采取 的炼制方法是___________________________________‎ ‎ - 5 -‎