2.5　物质的转化

第1课时 单质及其化合物之间的转化  金属的冶炼

一、非金属单质及其化合物之间的转化

1.非金属单质与氧气反应

(1)实验：硫黄的燃烧

【注意】生成物二氧化硫是一种有毒、有刺激性气味的气体，不能直接排放到空气中。

实验结论：有的非金属在氧气中燃烧可以生成非金属氧化物。

(2) 非金属单质与氧气反应

S+O2===点燃SO2(硫黄是一种淡黄色粉末，在空气中燃烧发出淡蓝色火焰，在氧气中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰，产生有刺激性气味的气体。)

C+O2===点燃CO2

4P+5O2===点燃2P5O2 (白色固体)

N+O2===放电2NO

2NO+O2===2NO2

2.非金属氧化物与水反应

(1)实验：二氧化碳与碳酸的转化实验

实验分析：液体变红的原因是CO2溶于水生成碳酸，使烧杯中的溶液显酸性。红色液体变为紫色的原因是碳酸不稳定，加热后会分解为水和二氧化碳。

实验结论：大部分非金属氧化物与水反应生成对应的酸，不稳定的酸受热分解后又重新生成非金属氧化物。

思考与讨论：怎样用化学方程式表示下列物质间的转化：C→CO2→H2CO3→CO2

C+O2===点燃CO2    CO2+H2O==H2CO3   H2CO3===H2O+CO2↑

(2)非金属氧化物与水反应

SO2+H2O===H2SO3(形成酸雨的原因)

SO3+H2O===H2SO4

3NO2+H2O===2HNO3+NO

CO2、SO2、SO3与水化合生成H2CO3、H2SO3、H2SO4，CO2、SO2、SO3分别叫做H2CO3、H2SO3、H2SO4的酸酐。

【归纳】①非金属单质在一定的条件下可转化为相应的化合物。

②非金属单质在氧气中燃烧可生成非金属氧化物；大部分非金属氧化物可溶于水，生成对应的酸。不稳定的酸受热分解后又重新生成非金属氧化物。如：H2CO3===H2O＋CO2↑。

③非金属单质及其化合物转化的一般规律：非金属单质非金属氧化物酸。

二、金属单质及其化合物之间的转化

1.实验：铁粉和硫黄的实验

实验分析：铁粉与硫黄发生化学反应，生成了新物质硫化亚铁(FeS)，不具有铁的性质。反应的化学方程式S＋Fe===ΔFeS。

实验结论：有些金属能与非金属反应生成盐。

2.金属与非金属的反应

2Mg+O2===点燃2MgO(耀眼白光)

3Fe+2O2===点燃Fe3O4(火星四射)

Fe+S===点燃FeS(铁粉与硫粉混合点燃后即可反应，放出大量的热，生成黑色固体。)

金属单质和非金属单质在一定条件下可以相互反应，生成相应的盐：

Fe+3Cl2===点燃2FeCl3

Cu+Cl===点燃CuCl2

3.金属与水的反应

实验：生石灰与水反应

实验分析：氧化钙与水反应生成了氢氧化钙。

实验结论：有些金属氧化物可以与水反应生成相应的碱。

活泼金属的氧化物与水反应生成相应的碱。氧化钡、氧化钾、氧化钙、氧化钠与反应水都生成相应的碱。

CaO＋H2O===Ca(OH)2 (放出大量的热)

Na2O+H2O===2NaOH

K2O+H2O===2KOH

BaO+H2O===Ba(OH)2

MgO、FeO、Fe2O3、CuO等氧化物不溶于水，也不与水反应。

4.金属与化合物反应

2Mg+CO2===点燃2MgO+C   8A1+3Fe3O4===高温9Fe+4Al2O3

三、金属的冶炼

1.金属在自然界的存在：仅有少数金属是以游离态(即单质)的形式存在的，大多数金属是以化合态的形式存在的。

2.金属的冶炼原理与方法

(1)原理：金属氧化物与还原剂(C、CO、H2等)在高温(或加热)下反应，还原剂夺取金属氧化物中的氧，使其还原成金属单质。

(2)方法

常用的金属冶炼方法是用C、CO (炽热的碳能在高温条件下与二氧化碳反应生成一氧化碳：C＋CO2===2CO)或H2等具有还原性的物质与金属氧化物在高温下反应，夺取金属氧化物中的氧，从而得到金属单质。例如：

C＋2CuO2Cu＋CO2↑

C＋CO22CO

CO＋CuO===△Cu＋CO2

H2+CuO===△Cu+H2O

3.还原反应：含氧化合物里的氧被夺取的反应，叫作还原反应。能从含氧化合物中夺取氧的性质叫作还原性。有还原性的物质可作还原剂。

上述反应都是还原反应。

4.氢气还原氧化铜的实验

5.铁的冶炼原理：在高温下，用还原剂(主要是一氧化碳)从铁矿石中把铁还原出来。

如图是“一氧化碳还原氧化铁”的实验装置图。

上述实验是实验室模拟铁的冶炼过程，即在高温下，用还原剂(主要是一氧化碳)从铁矿石中把铁还原出来。实验中红色粉末逐渐变成黑色，澄清石灰水变浑浊，生成了铁和二氧化碳，化学方程式为：Fe2O3＋3CO===高温2Fe＋3CO2。注意处理尾气CO的酒精灯要先点燃，最后熄灭。以防止有毒的CO逸散到空气中污染空气。

【注意】(1)可燃性气体在不纯时点燃或加热有可能发生爆炸，因此，在点燃或加热前应进行纯度检验；在做实验时要先通气体后加热，以免混合气体点燃时发生爆炸。

(2)含氧化合物里的氧被夺取的反应，叫作还原反应。能从氧化物中夺取氧的性质叫作还原性，具有还原性的物质可作还原剂。

1.有关纯度问题的计算

(1)纯净物质量=混合物质量×纯度

(2)某纯净物中组成元素的质量分数=某组成元素的质量/纯净物质量×100%

(3)混合物质量=纯净物质量/纯度

举例：测定某地石灰石样品中碳酸钙的纯度，实验测得的相关数据如下所示：

10g石灰石样品＋100g稀盐酸(足量)106.04g剩余的混合物

石灰石样品的主要成分是碳酸钙，碳酸钙会跟稀盐酸反应而杂质不反应，反应的产物是氯化钙、二氧化碳和水，其中二氧化碳以气体形式逸散到空气中，使溶液质量减少，即减少的质量就是二氧化碳的质量。

计算石灰石样品的纯度：

CaCO3+2HCl===CaCl2+CO2↑+H2O

100                  44

x              10g+100g-106.04g

得x=9g

石灰石样品的纯度为9g/10g×100%=90%

【注意】在实际生产时，所用的原料或产物一般含有杂质，在计算用料和产量时，应考虑到杂质问题。如果题目给出不纯物质的质量，必须先换算成纯净物质的质量。纯物质的质量＝不纯物质的质量×纯物质的质量分数。

2.氢气还原氧化铜实验

(1)步骤：①氢(检验氢气的纯度后先通一会儿氢气)；

②灯(点燃酒精灯给氧化铜加热)；

③灯(实验完毕后，先熄灭酒精灯)；

④氢(继续通氢气，直到试管完全冷却)。先通入氢气是为了排尽装置中的空气，否则具有可燃性的氢气与空气混合加热，容易发生爆炸。实验结束后先熄灭酒精灯，继续通氢气，直至试管冷却，是防止生成的铜在温度较高时再次被氧气氧化成氧化铜，使实验失败。

(2)实验注意事项

①盛放CuO的试管口要略向下倾斜，防止生成的水流入试管底部，使试管炸裂。

②实验应先通H2，再加热，防止氢气与空气混合加热时发生爆炸。

③实验停止后，继续通H2，直至试管冷却，防止灼热的铜被空气中的氧气氧化成CuO。

【常考1】掌握非金属单质与其化合物的转化规律。

例1 在燃烧正旺的煤炉上滴水，炉火不仅不会熄灭，反而燃烧得更旺，原因是炽热的煤炭和水蒸气反应生成水煤气(主要成分是氢气和一氧化碳)，水煤气又会燃烧，所以燃烧得更旺。请写出这一过程中涉及的所有反应的化学方程式：

(1)_________________________；

(2)_________________________；

(3)_________________________ 。

【常考2】掌握金属单质与其化合物的转化规律。

例2  课外，小科约老师继续探究铁粉和硫粉反应的实验：他们各自取一定量的铁粉和硫粉均匀混合后堆放在石棉网上，在其中插入烧红的玻璃棒，反应立即发生。拿掉玻璃棒后，反应继续剧烈进行，反应过程中有少量刺激性气味的气体X产生。反应结束后，都得到了黑色固体。老师得到的黑色固体不会被磁铁吸引，而小科的却会被磁铁吸引。

(1)铁和硫的反应是 _______(填“放热”或“吸热”)反应。

(2)气体X的化学式为 ________。

(3)对比老师的实验结果，小科猜想自己得到的黑色固体可能是有剩余的铁或有生成的四氧化三铁。小科想验证是否有铁剩余。

老师启发小科：硫化亚铁能与稀硫酸反应，产生硫化氢气体，该气体能被氢氧化钠溶液吸收。于是，小科认为正确连接如图所示的三个装置并进行实验，如果a处有水压出，就能验证有铁剩余。

①小科依次连接各装置的导管口：e→ _______ →b→a。(填“c→d”或“d→c”)

②老师指出设计不够合理，不能就此验证猜想。请你说出不够合理的原因：______________________。

于是小科改进了实验设计，继续进行探究……

【方法归纳】学习过程中应注意对知识进行系统化的归纳。如金属单质及其化合物之间转化的一般规律可归纳为：(1)有的金属和氧气可以反应生成金属氧化物；(2)有的金属和非金属(除氧气外)反应可以生成盐；(3)某些金属氧化物(只有 BaO、K2O、CaO、Na2O 四种)和水反应生成碱。

1.下列物质燃烧后的产物不会污染环境的是(   )

A.硫在空气中燃烧         B.氢气在氯气中燃烧

C.碳在空气中不完全燃烧   D.氢气在氧气中燃烧

2.氯气和氧气一样，都是活泼的非金属单质。在一定条件下甲烷和充足的氯气反应，预测其产物是 (    )

A.C和HCl       B.CCl4和HCl    C.CCl3和HCl    D.CCl4和H2

3.通常条件下，下列转化不能由一步反应实现的是(   )

A.Cu→CuO           B.CuO→CuCl2       C.CuCl→Cu(OH)2     D.Cu→Cu(OH)2

4.下列实验现象的描述正确的是(     )

A.铁丝在空气中燃烧，火星四射，并生成黑色固体

B.把燃着的硫黄放进盛满氧气的集气瓶内，观察到微弱的淡蓝色火焰，放热，生成有刺激性气味的气体

C.取少量铁粉放在白纸上，再将少量硫黄与铁粉混合，把混合物放入试管内，用酒精灯加热，现象是生成黑色固体，同时放出大量的热

D.白磷在氧气中燃烧，可观察到集气瓶中充满白雾

5.下列关于碳和碳的氧化物知识网络图(图中“→”表示转化关系，“……表示相互能反应)的说法正确的是(      )

A.“C……CO2”的反应是放热反应

B. “CO→CO2”的反应类型为置换反应

C.“CO2→CaCO3”的反应有可能用于检验二氧化碳

D.“CO2H2CO3”的反应可用酚酞试液验证

6.在酒精灯上点燃硫黄，可观察到的现象是               ，把燃着的硫黄放进盛满氧气的集气瓶内，可观察到的现象是                    ；当集气瓶冷却后倒入少量水，振荡，再滴入几滴紫色石蕊试液，溶液呈现的颜色是          。前者发生反应的化学方程式为                       。后者发生反应的化学方程式为                          。

7.碳和碳的化合物间的部分转化关系如图所示：

(1)物质X的化学式为      ，它的相对分子质量为     。

(2)在物质的分类中，CaCO3属于         (填字母)。

A.氧化物  B.化合物  C.混合物  D.单质

(3)写出H2CO3转化成X的化学方程式                    ，其基本反应类型为             。

8.甲、乙、丙是三种单质，A、B是两种化合物，它们之间有如图所示的转化关系。三种单质中有两种金属，其中只有一种金属能与稀硫酸发生置换反应。据此回答：

(1)不能与稀硫酸发生置换反应的金属单质是           (填“甲”“乙”或“丙”)。

(2)写出物质的化学式：乙          ；B          

(3)写出反应的化学方程式：①                          ；②                          。

9.实验室用铝与氢氧化钠溶液反应也能制得氢气，反应的化学方程式为2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2 +3H2↑。

(1)20g氢氧化钠固体溶于水，可配制溶质质量分数为10%的氢氧化钠溶液           g。若要配制300g溶质质量分数为15%的氢氧化钠溶液需取溶质质量分数为45%的氢氧化钠溶液           g。

(2)用足量的氢氧化钠溶液和18g铝反应，可以制取氢气的质量是多少?

1.点燃铝热剂(铝粉和氧化铁粉末的混合物)能释放出大量的热量，生成高温熔融的铁，铁可以用来修补铁轨，反应如下：Fe2O3+2Al===高温2Fe+Al2O3。其中还原剂是 (  )

A. Fe2O3    B.Al    C.Fe    D. Al2O3

2.用氢气还原氧化铜的实验有如下操作：①加热；②停止加热；③通入氢气；④停止通入氢气。正确的操作顺序是(  A  )

A.③①②④    B.①③②④    C.③①④②   D.①③④②

3.欲除去CuO粉末中混有的少量炭粉， 可采用的方法是(      )

A.将混合物隔绝空气加强热

B.先用水溶解后过滤混合物

C.将H2不断通过灼热的混合物

D.将O2不断通过灼热的混合物

4.下列关于氢气和一氧化碳性质的说法中，错误的是(    )

5.氢气、木炭、一氧化碳分别与灼热的氧化铜反应，下列叙述正确的是    (    )

A.反应后都生成二氧化碳  B.反应后都有红色固体生成

C.都发生置换反应        D.以上说法都对

6.炼铁的原理是利用一氧化碳还原氧化铁，化学方程式为Fe2O3＋3CO===高温2Fe＋3CO2。该反应中表现氧化性的物质是(   )

A. Fe2O3   B.CO   C.Fe   D. CO2

7.金属冶炼主要是指将              转化为         的过程。在           中加入      剂，夺取金属氧化物中的氧，从而使其还原成         。可以做还原剂的物质主要有       、       和

          等。

8.月球的沙土中含有丰富的钛铁矿， 主要成分为TiO2、Fe2O3等，若用CO还原这种矿石，其中生成铁的化学方程式为                           ；用稀盐酸清洗铁钉表面的铁锈(主要成分是Fe2O3) ， 其化学方程式为                          。

9.用如图所示的玻璃管进行碳还原氧化铜实验。

(1)当A处的黑色固体变红时，可观察到B处的现象是                    。

(2)查阅资料发现：反应生成的红色固体除了铜以外还可能含有氧化亚铜(Cu2O)，氧化亚铜可以与硫酸发生如下反应：Cu2O +H2SO4===ΔCu+CuSO4+X， 该反应中X的化学式为              。

10.在学习“金属的冶炼”时，某学习小组用如图所示的装置测量氧化铜样品中氧化铜的质量分数，实验所取氧化铜样品质量为10克。(所含杂质不参加反应)

(1)该实验利用了一氧化碳的          性，玻璃管内观察到的现象是                。

(2)甲同学的方法：先测出氢氧化钠浓溶液的质量为50克，待反应完全后再次称量，质量为54.4克。请你计算样品中氧化铜的质量分数。(一氧化碳不与氢氧化钠溶液反应)

(3)乙同学的方法：先称量出玻璃管及样品的总质量为m1，待反应完全后再次称量，质量为m2，利用m1-m2的值，求出样品中氧化铜的质量分数。其中m1-m2的值是指               的质量。

(4)同学们查阅到CO除了具有可燃性、难溶于水等性质外，还具有毒性。因此，本实验中还需对尾气进行处理。请你提出一种处理方法：                           。