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重难点15 金属的冶炼方法-2019-2020学年高一化学重难点探究(人教版2019必修第二册) 试卷
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重难点15 金属的冶炼方法
方法探究
金属的冶炼方法
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 |
(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↑
易错总结
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。
典例剖析
例1 下列有关金属冶炼的说法正确的是
A.工业上常用电解NaCl水溶液可制取金属钠
B.工业上常用电解MgO熔融可制取金属镁
C.工业上常用CO高温条件下还原Fe2O3可制取Fe
D.工业上常用金属钠和TiCl4溶液反应制取金属Ti
答案 C
解析 A.电解NaCl水溶液获得氢氧化钠溶液和氢气、氯气,不会得到金属钠,工业上常用电解熔融状态的氯化钠制取金属钠,故A项错误;B. MgO熔点较高,不适宜通过电解法制备镁,工业上常采用电解熔融MgCl2制备金属镁,其电解方程式为:MgCl2Mg+Cl2↑,故B项错误;C. 工业上在高温下用CO还原含Fe2O3的铁矿石炼铁,其化学方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2,故C项正确;D. 钠与溶液中的水反应生成氢氧化钠与氢气,所以不能用钠与TiCl4溶液反应制取金属Ti,工业上利用钠的强还原性,采用钠和熔融的TiCl4反应的方法制取金属Ti,故D项错误;答案选C。
精选习题
1.氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼。下列说法不正确的是
A.电解熔融NaCl制取金属钠的反应中,钠离子被还原,氯离子被氧化
B.湿法炼铜与火法炼铜的反应中,铜元素都发生还原反应
C.用磁铁矿炼铁的反应中,1 mol Fe3O4被CO还原成Fe,转移9 mol e−
D.铝热法还原铁的反应中,放出的热量能使铁熔化
【答案】C
【解析】Fe3O4中3个Fe原子共显+8价,故1 mol Fe3O4被CO还原成Fe,转移8 mol e−,C项错误。
2.下列化学方程式,能用于工业上冶炼金属镁的是( )
A.2Na+MgCl2=2NaCl+Mg
B.MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑
C.2MgO2Mg+O2↑
D.MgO+H2Mg+H2O
【答案】B
【解析】A.钠的金属性强于镁,但钠比镁贵重,工业操作要求经济价值较高,所以工业上不通过反应2Na+MgCl2=2NaCl+Mg冶炼金属镁,A选项错误;
B.镁是活泼的金属,工业上通过电解熔融的氯化镁冶炼:MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑,B选项正确;
C.氧化镁很稳定,高温很难分解,C选项错误;
D.氢气不能从氧化镁中置换出单质镁,D选项错误;
答案选B。
3.下列说法中不正确的是
A.金属的冶炼原理,就是运用氧化还原反应原理,在一定条件下将金属从其化合物中还原出来
B.冶炼金属时,必须加入一种物质作还原剂
C.金属由化合态变为游离态,一定是被还原
D.金属单质被发现和应用得越早,其活动性越弱
【答案】B
【解析】A、金属的冶炼是将金属化合物转化为金属单质,A项正确;
B、有的金属化合物在发生氧化还原反应冶炼金属的时候,自身既作氧化剂又作还原剂,不需要另加还原剂,如HgO,B项错误;
C、金属元素在化合物中一定显正价,当变成金属单质后,化合价就变为0,所以是被还原,C项正确;
D、金属被发现和应用得早,说明该金属容易被还原,从而也说明这些金属的活动性一般是较弱的,D项正确。
答案选B。
4.下列有关金属的工业制法中正确的是( )
A.制钛:用金属钠置换氯化钛(TiCl4)溶液中的钛
B.炼铁:用焦炭和空气反应产生的CO在高温下还原铁矿石中铁的氧化物
C.制钠:用海水为原料制得精盐,再电解纯净的NaCl溶液
D.炼铜:用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜
【答案】B
【解析】A.将金属钠投入到氯化钛溶液中,钠先与水反应,故应用金属钠与熔融的氯化钛反应来制取金属钛,故A错误;
B.工业制铁是CO还原铁矿石:3CO+Fe2O32Fe+3CO2,故B正确;
C.工业制钠是电解熔融NaCl:2NaCl2Na+Cl2↑,而电解纯净的NaCl溶液:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,得不到钠,故C错误;
D.黄铜矿(主要成分为CuFeS2)经过冶炼后得到粗铜,粗铜进行电解得到99.9%的铜,故D错误;
故选B。
5.在冶金工业上,均不能用通常化学还原剂制得的金属组是
A.Na、Mg 、Al B.Na、K 、Zn
C.Fe、Cu、Ag D.Na、Ca、K
【答案】AD
【解析】A.Na、Mg、Al都是非常活泼的金属,工业上采用电解熔融盐或氧化物的方法冶炼,均不能用通常化学还原剂制得,故A选;
B.Zn是中等活泼金属,通常采用化学还原剂制得,故B不选;
C.Fe、Cu是中等活泼金属,通常采用化学还原剂制得,Ag是不活泼金属,通常采用热分解法冶炼,故C不选;
D.Na、Ca、K都是非常活泼的金属,工业上采用电解熔融盐的方法冶炼,均不能用通常化学还原剂制得,故D选;
故选AD。
6.下列关于物质制备原理错误的是
A.工业制备金属钠:2NaCl2Na+Cl2↑
B.工业生产铁:Fe2O3+3COFe+3CO2
C.湿法炼铜:Fe+CuSO4===Cu+FeSO4
D.以S为原料,工业生产硫酸在沸腾炉中的反应:2S+3O22SO3
【答案】D
【解析】A项、工业制备金属钠的原理为:2NaCl2Na+Cl2↑,A正确;B项、工业生产铁的原理为:Fe2O3+3COFe+3CO2,B正确;C项、湿法炼铜的原理为:Fe+CuSO4===Cu+FeSO4,C正确;D项、以S为原料,工业生产硫酸在沸腾炉中的反应为:S+O2SO2,S不能直接转化为SO3,D错误;故本题选D。
7.地球上的金属矿物资源是有限的,应合理开发利用。
(1)金属冶炼的实质是金属离子被______(填“氧化”或“还原”)生成金属单质。
(2)铜在自然界存在于多种矿石中,如:
矿石名称 | 黄铜矿 | 辉铜矿 | 孔雀石 |
主要成分 | CuFeS2 | Cu2S | Cu2(OH)2 CO3 |
请回答下列问题:
① 上表所列铜化合物中,推断铜的质量百分含量最高的是______。
② CuFeS2其中 Cu 为+1 价、Fe 为+3 价,高温焙烧时发生的反应是CuFeS2 + O2SO2 +FeS +Cu,焙烧过程中被还原的元素有______。
③ 工业上以黄铜矿为原料,采用火法熔炼工艺生产铜,火法炼铜的反应为:Cu2S+O22Cu+SO2,该反应中氧化剂是______。
④ Cu2(OH)2 CO3 与稀硫酸反应的离子方程式为______。
【答案】(1)还原
(2)Cu2S O、Cu、Fe Cu2S和O2 Cu2(OH)2CO3+4H+=2Cu2++CO2↑+3H2O
【解析】【分析】(1)金属冶炼的实质是金属阳离子转变为单质,根据氧化还原反应规律判断;
(2)①铜化合物中,铜的质量百分含量=,据此计算;
②根据化合物化合价之和为0,判断S元素的化合价,再根据氧化还原规律分析判断;
③反应Cu2S+O22Cu+SO2中Cu元素化合价降低,S元素化合价升高,结合元素化合价变化判断;
④Cu2(OH)2CO3与稀硫酸反应生成硫酸铜、二氧化碳和水。
【详解】(1)金属冶炼的实质是金属阳离子转变为单质,金属元素的化合价降低,得电子,被还原,则金属离子被还原生成金属单质;
(2)①铜化合物中,铜的质量百分含量=,黄铜矿中铜的含量=×100%=35%;辉铜矿中铜的含量=×100%=80%;孔雀石中铜的含量=×100%=58%,所以铜的质量百分含量最高的是Cu2S;
②CuFeS2其中 Cu 为+1 价、Fe 为+3 价,根据化合物化合价之和为0,可得S元素的化合价为-2价,则反应CuFeS2 + O2SO2 +FeS +Cu中,S元素由-2价变为+4价,被氧化;O元素的化合价由0价变为-2价,被还原;Cu元素的化合价由+1价变为0价,被还原,Fe元素的化合价由+3价变为+2价,被还原,则焙烧过程中被还原的元素有O、Cu、Fe;
③反应Cu2S+O22Cu+SO2中,Cu元素化合价由+1价降低到0价,S元素化合价由-2价升高到+4价,O元素的化合价由0价降低到-2价,反应中Cu2S和O2为氧化剂,Cu2S为还原剂;
④Cu2(OH)2CO3与稀硫酸反应生成硫酸铜、二氧化碳和水,离子方程式为:Cu2(OH)2CO3+4H+=2Cu2++CO2↑+3H2O。
8.除金、铂等极少数金属外,绝大多数金属元素以化合物形式存在于自然界中,将金属元素从其化合物中还原出来的工业工程称为金属的冶炼。下列材料描述了部分常见金属的冶炼方法。
①工业上冶炼镁的方法有两种,电解法和皮江法。电解法是电解熔融的氯化镁;皮江法是硅在高温下还原氧化镁。
②霍尔−埃鲁铝电解法是以氧化铝为原料、冰晶石(Na3AlF6)为熔剂组成的电解质,在950~970℃的条件下通过电解的方法使电解质熔体中的氧化铝分解为铝和氧气。
③冶炼锰一般用铝热法,即在高温下用铝还原二氧化锰。
④相关各物质熔点见下表:
物质 | Al2O3 | AlCl3 | MgO | MgCl2 | Al | Mn | Mg |
熔点/℃ | 2303 | 190 | 2800 | 712 | 660 | 1244 | 649 |
Ⅰ.根据上述信息回答下列问题:
(1)冶炼镁时电解熔融MgCl2而不电解熔融MgO,冶炼铝时电解熔融Al2O3而不电解熔融AlCl3的原因是________________________________。
(2)写出铝热法冶炼锰的化学方程式_____________________,一般使用铝热法冶炼的金属具有哪些性质_____________________________。
(3)将铝和镁作电极分别插入稀硫酸、氢氧化钠溶液中,镁、铝分别作______极、_____极;写出介质是稀硫酸溶液时的正极电极反应式:______。
Ⅱ.下面是皮江法冶炼镁的工业流程示意图:
(1)气体a是_______。
(2)还原炉需控制温度为1200℃左右,并抽空气到近似真空。还原炉中发生的主要反应有____________________________、_______________________。
(3)还原炉中抽空气到近似真空的原因是__________________________。
【答案】Ⅰ.(1) MgO的熔点比MgCl2.更高,电解时需要更多的能量,故选用MgCl2;AlCl3属于共价化合物,熔融状态下不导电,故不能电解AlCl3
(2)4Al+3MnO22Al2O3+3Mn 熔点高且比铝不活泼的金属 (3)正 负 2H+ +2e−===H2
Ⅱ.(1)CO2 (2)2MgO+Si 2Mg↑+SiO2 SiO2+CaOCaSiO3
(3)防止已还原的Mg在高温条件下再次被氧化
【解析】Ⅰ.(1)氧化镁熔点比氯化镁熔点高,熔融离子晶体要消耗能源,从而增加成本,为减少成本,所以用熔融氯化镁冶炼镁,氯化铝是共价化合物,熔融状态下不导电,以分子存在,所以冶炼铝用熔融氧化铝;(2)铝热法冶炼锰的化学方程式:4Al+2Al2O3+3Mn,一般使用铝热法冶炼的金属具有的性质为:熔点高且比铝不活泼的金属;(3)将铝和镁作电极分别插入稀硫酸、氢氧化钠溶液中,由于铝能与氢氧化钠溶液反应,所以铝作负极、镁作正极;介质是稀硫酸溶液时由于镁的金属性强于铝,所以镁是负极,铝是正极,正极电极反应式为2H++2e−===H2↑。
Ⅱ.(1)白云石煅烧分解生成氧化钙、氧化镁和二氧化碳,气体为二氧化碳;(2)还原炉需控制温度为1200℃左右,并抽空气到近似真空,还原炉中发生的主要反应有硅还原氧化镁生成镁和二氧化硅,二氧化硅和氧化钙形成炉渣硅酸钙,反应的化学方程式为:2MgO+Si2Mg↑+SiO2、SiO2+CaOCaSiO3;(3)还原炉中抽空气到近似真空的原因是防止已还原的Mg在高温条件下再次被氧化。