高中化学第一单元 金属的冶炼方法学案

第一单元　金属的冶炼方法

基础课时20　金属的冶炼方法

知识点一　金属的物理性质

1．金属材料的优异性能

有良好的可塑性，坚固耐用，具有导电、导热性能。

2．金属的存在形式

(1)在自然界中，只有少量的金属元素以游离态形式存在于地壳中，如自然金和自然银等。通过熔铸的方法即可对金属进行加工和锻造。

(2)地壳中的大部分金属元素都是以化合态形式存在的。例如，铁元素存在于赤铁矿(主要成分是Fe2O3)中，铝元素存在于铝土矿(主要成分是Al2O3)中。

微点拨：金属的存在形式与其活动性有关。一般而言，活动性较强的金属，在自然界以各种各样的化合态存在；活动性较弱的金属，可能以游离态存在。有的金属元素还能以游离态和化合态两种形式存在。

　判断下列说法是否正确。(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)由于铁性质比较活泼，所以自然界中没有游离态的铁单质。 (×)

(2)金属元素主要存在于地壳的矿石中，海洋中几乎没有金属元素。 (×)

(3)由于银活动性较弱，在自然界中只有游离态的自然银没有化合态的银矿石。                            (×)

(4)铝的活动性较强，所以铝被人类开发利用年限较早。 (×)

(5)金属铜是人类使用和开发比较早的金属之一。 (√)

知识点二　金属的冶炼

1．金属冶炼

利用化学反应使金属元素从化合态变为游离态的过程称为金属冶炼。工业上常用的金属冶炼方法有热分解法、高温还原法和电解法等。

2．常用金属冶炼方法

(1)金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系

(2)冶炼方法的应用实例

(3)铝热反应实验

微点拨：(1)铝热反应的引燃剂为镁带，助燃剂为氯酸钾。

(2)铝热剂为混合物，是由铝粉和某些难熔的金属氧化物(Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5、MnO2等)粉末按一定比例组成的。

(3)镁带要打磨除去表面的氧化膜，否则难以点燃；氧化铁粉末与铝粉要选择干燥的；铝粉要用没有被氧化的，否则反应难以进行。

(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。

　判断下列说法是否正确。(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)赤铁矿的主要成分为Fe3O4。  (×)

(2)MgO与Al粉的混合物也可称为铝热剂。 (×)

(3)活泼的金属如Na、Mg、Al可采用电解法冶炼。 (√)

(4)高炉炼铁中加入的石灰石只会产生炉渣，无其他作用。 (×)

(5)高炉炼铁中其实还原氧化铁的还原剂是CO。 (√)

　当铁轨有缝隙时，维修工人常将铝粉与氧化铁的混合物引燃，使熔融的铁水流入铁轨的裂缝，冷却后就将铁轨牢牢地黏结在一起。你知道其工作原理吗？

提示：高温条件下，铝粉与氧化铁发生铝热反应：Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3。

化学科学的发展是人类文明进步的重要推动力。金属冶炼技术的进步，是人类文明进步的一个体现。

[问题1]　自然界中绝大多数的金属是以化合态的形式存在，怎样将它们转变为金属单质呢？金属冶炼的实质是什么？

提示：在化合物中，金属元素都显正价态。将金属从其化合物中还原出来，用于生产和制造各种金属材料，这一过程在工业上称为金属冶炼。金属冶炼的实质是Mn＋＋ne－===M。

[问题2]　如图是我国古代和现代冶金的两张图片，那么人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系？

提示：金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现的时间越晚；金属越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以有青铜、铁器等时代的发展历程。

[问题3]　根据上述图片，分析从自然界中获得金属单质是否都必须发生氧化还原反应。

提示：否。有些金属单质化学性质稳定，如金、铂等，在自然界中主要以游离态形式存在，获得这些金属就不需要发生氧化还原反应，用富集的方法就可以，如淘金。

常见几种金属的冶炼误区

(1)工业上冶炼Al时用Al2O3而不用AlCl3，因为AlCl3为共价化合物，熔化后不导电。此外，冶炼Al时需加入冰晶石(Na3AlF6)，以降低熔化温度。

(2)工业上冶炼Mg时用MgCl2而不用MgO，因为MgO的熔点很高，耗能大。

(3)Au、Pt一般用物理法提取。

(4)利用铝热反应不能冶炼还原性比Al强的金属，如Mg、Na等。

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

B　[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泼性。

(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。]

2．如图所示，将两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，并套在一起，使四周都有四层。把内层纸漏斗取出，在底部剪一个孔，用水润湿，再跟另一个纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置盛沙的蒸发皿。把5 g干燥的氧化铁粉末和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________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？

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

_______________________________________________________________。

[解析]　铝粉和某些难熔的金属氧化物(如Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物叫铝热剂，在高温下发生铝热反应，可用来冶炼难熔的相对较不活泼的金属(如V、Cr、Mn等)、焊接钢轨等。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。

[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　引燃剂，引发铝热反应，并引起氯酸钾分解　助燃剂，为镁条继续燃烧提供氧气　(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．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．金属的活泼性强弱

D　[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．下列说法中正确的是(　　)

A．金属的冶炼是把金属单质从其矿物中分离出来

B．金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被氧化

C．金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被还原

D．金属冶炼过程中，被冶炼的金属既可被氧化，也可被还原

C　[金属冶炼的原理是利用氧化还原反应，把金属矿物中的金属阳离子还原成金属单质。在金属的冶炼过程中，被冶炼的金属只能得到电子被还原。]

3．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

A　[汞用加热HgO制取；金属钠是活泼金属，用电解法制取；A项中加热Al2O3难以分解；D项中铝粉和Fe2O3组成铝热剂，可将Fe2O3中的铁还原成单质。]

4．金属锂是密度最小的金属，与等质量的其他金属相比，锂可以释放出更多的电子，故常用来制造高性能电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则冶炼金属锂应采用的方法是(　　)

A．电解法　 B．热还原法

C．热分解法 D．铝热法

A　[金属冶炼方法与金属活动性顺序的关系：

金属锂的活动性介于钠与镁之间，应采用电解法冶炼金属锂。]

5．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，实验装置如图：

(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为_________________________________________

_______________________________________________________________。

实验结束时，应该先停止加热还是先停止通入CO并说明原因

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________。

[解析]　检验是否生成单质，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(合理即可)；反应结束后，得到的铁还是赤热的，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。

[答案]　(1)Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

(2)取少量黑色粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单质铁(合理即可)

(3)收集未反应的CO，防止污染空气　先停止加热，防止生成的铁再次被氧化