9.1 金属的冶炼方法（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（苏教版2019）

第一单元　金属的冶炼方法 课程标准 核心素养目标 1.熟知铁、铝的冶炼原理和方法。 2．知道金属在自然界中的存在形态和金属冶炼的一般方法，会写相关的化学方程式。 3．认识我国古代文明与金属冶炼的关系，感受物质制备中丰富的化学思想。 1.(科学态度与社会责任)以金属矿物开发利用为例，认识化学方法在实现物质间转化中的作用，体会保护金属资源的重要性。 2．(宏观辨识与微观探析)掌握金属冶炼的一般原理，了解适用于不同金属的冶炼方法。掌握铝热反应的原理及实验步骤。 [对应学生用书P93] 一、金属的存在形式 1．金属的存在形式 (1)金属材料既有良好的可塑性，坚固耐用，而且还有导电、导热等诸多优良性能。 (2)大量的金属元素存在于地壳的矿石中，地壳中的大部分金属元素都是以化合态形式存在的。如铁元素存在于赤铁矿(主要成分为Fe2O3)中，铝元素存在于铝土矿(主要成分为Al2O3)中。 (3)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。 (4)除了地壳外，还有一些金属以离子或矿石的形式分布于海洋中，如钠、镁、锰等。 2．金属的存在形式与其活动性的关系 (1)活动性较强的金属，在自然界以各种各样的化合态存在。 (2)活动性较弱的金属，有可能以游离态形式存在。 3．铁、银元素的存在形式 (1)铁元素在自然界中存在形式既有游离态也有化合态，主要以化合态的形式存在。铁元素有单质(主要存在于陨石中)、氧化物和硫酸盐等存在形式。 (2)银元素有自然银、辉银矿(Ag2S)、碲银矿(Ag2Te)等存在形式。 二、金属的冶炼 1．金属冶炼 (1)定义：利用化学反应使金属元素从化合态变为游离态的过程。 (2)金属冶炼的实质 金属离子金属单质， 即Mn＋＋ne－===M。 (3)金属的冶炼方法 ①热分解法：适合冶炼不活泼的金属。 例如：2Ag2O4Ag＋O2↑、2HgO2Hg＋O2↑。 ②高温还原法：用还原剂(CO、C、H2和活泼金属等)还原金属化合物，适合冶炼金属活动性顺序表中锌到铜之间的大多数金属。 例如：2Al＋Cr2O32Cr＋Al2O3。 ③电解法：适合冶炼较活泼的金属(一般为金属活动性顺序表中铝及铝前面的金属)。 例如：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑，2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑， 2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。 2．铁的冶炼(高炉炼铁) (1)原料：铁矿石、焦炭、石灰石等。 (2)设备：炼铁高炉。 (3)原理：高温下用还原剂将铁从其化合物中还原出来。 (4)冶炼过程(写化学方程式) 3．铝热反应 (1)概念 ①铝热反应是指工业上用铝粉来还原一些金属氧化物(如V2O5、Cr2O3、MnO2等)得到金属单质的一类反应。 ②铝热剂：铝粉与某些难熔的金属氧化物(如Fe2O3等)以一定比例形成的混合物。 (2)实验探究 实验装置 实验现象 镁条剧烈燃烧，放出大量的热，并发出耀眼的白光，氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应；纸漏斗下部被烧穿，有熔融物落入沙中 实验结论 高温下，铝与氧化铁发生反应，放出大量的热，反应的化学方程式：Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3 原理应用 ①冶炼熔点较高、活动性弱于Al的金属，如钒、铬、锰、钨等； ②金属焊接，如焊接钢轨等 [微点拨]铝热反应实验注意事项： (1)镁条要打磨净表面的氧化膜，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。 (2)氧化铁粉末与铝粉两者要混合均匀，以保证氧化铁与铝都完全反应。 (3)内层滤纸要用水润湿，以防止纸漏斗燃烧。 (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。 (5)镁条的作用为铝热反应提供高温条件，氯酸钾的作用为产生氧气、引发反应。 4．冶炼铝的两种工艺流程 (1) 有关反应的化学方程式： ①碱溶：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O； ②酸化：NaAlO2＋CO2(过量)＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3； ③灼烧：2Al(OH)3Al2O3＋3H2O； ④电解：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。 (2) 有关反应的化学方程式： ①酸溶：Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O； ②碱化：AlCl3＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH4Cl； ③灼烧：2Al(OH)3Al2O3＋3H2O； ④电解：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。 微诊断(判断正误) (1) 化合态的金属元素被还原时，一定得到相应的金属单质(　　×　　) (2)Na、K等活泼金属可用CO还原法冶炼(　　×　　) (3) Al与MgO也能发生铝热反应(　　×　　) (4) 铝的活动性较强，所以铝被人类开发利用的年限较早(　　×　　) (5)金属铜是人类使用和开发比较早的金属之一(　　√　　) [对应学生用书P95] 探究__金属的冶炼方法 工业炼铁高炉 [问题探究] (1)高炉炼铁中焦炭的作用是什么？ 提示：燃烧提供热量和生成还原剂，①焦炭与空气反应：C＋O2CO2，②制取CO：C＋CO22CO。 (2)原料中的石灰石起什么作用？ 提示：石灰石的作用是将铁矿石中的SiO2形成炉渣除去，化学方程式为CaCO3CaO＋CO2↑、CaO＋SiO2CaSiO3。 (3)可以用铝热法冶炼铁吗？ 提示：不能，不仅成本高，而且冶炼铝比铁更难。 (4)冶炼金属常考虑的角度有哪些？ 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动性。金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现相对晚一些。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。 1．金属冶炼的步骤及目的 步骤 目的 矿石富集 除去杂质、提高矿石中有效成分的含量 冶炼 根据目标产物选择合适的化学反应，用适当还原剂把矿石中的化合态金属还原，得到粗金属单质 精炼 加入试剂除杂或电解精炼，得到纯金属 2.金属冶炼方法的选择 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 高温还原法 热分解法 物理方法 ①热还原法中常用的还原剂有C、CO、H2、Al。 ②MgCl2、MgO都是离子化合物，在熔融时都可电离，通电时都可电解生成Mg，但MgCl2的熔点比MgO的低，故冶炼镁时用电解熔融MgCl2的方法。 ③AlCl3为共价化合物，熔融时不电离，故冶炼Al时应用电解熔融Al2O3的方法。 3．各类高温还原法的比较 类别 优点 缺点 H2还原法 金属纯度高 工业成本高 CO和C还原法 工业成本低 金属纯度低，产生污染性气体CO 铝热法 可以冶炼熔点高、难以冶炼的金属 工业成本较高 下图表示金属活动性顺序中铜、锡、铁和铝元素被人类大规模开发利用的大致年限。 (1)新石器中期，在我国的河北和甘肃等地就已用自然铜来打制铜器，俄罗斯和意大利都有自然铜的矿产地。但很少听闻自然铁，这是因为铁的金属活动性较铜强，自然铁主要存在于陨石中。 (2)根据以上金属的活动性和人类开发利用这些金属时间的数据，可以发现金属的活动性越弱，人类开发、利用它的时间越早；金属的活动性越强，人类开发、利用它的时间越迟。 【例】 下列关于金属冶炼方法叙述不正确的是(　　) A．用电解熔融AlCl3的方法来冶炼铝 B．一些不活泼的金属，如Hg、Ag，可以用加热分解它们氧化物的方法来冶炼 C.在高温下C、CO、Al等还原剂可以将Fe2O3还原为Fe D．火法炼铜(Cu2S＋O22Cu＋SO2)中，得到1 mol Cu转移3 mol电子 A　解析：应用电解熔融氧化铝的方法来冶炼铝，A错误。 下列金属的冶炼方法不正确的是(　　) A．2NaCl2Na＋Cl2↑ B．MgO＋H2Mg＋H2O C．Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2 D．2HgO2Hg＋O2↑ B　解析：金属Mg的活动性较强，应采用电解法制得。 [对应学生用书P96] 1．铝能用于冶炼难熔的金属(如Cr、V、Mn等)，这不是因为(　　) A．铝具有还原性 B．铝具有导电性 C．铝较Cr、V、Mn等价格便宜 D．冶炼时能放出大量的热 B　解析：铝具有导电性与铝热反应无关。 2．下列元素在自然界中既有游离态又有化合态存在的是(　　) ①N　②O　③Fe　④C　⑤Na　⑥Ca A．①②③④ B．①②④ C．①③④⑥ D．全部 A　解析：N在自然界中既有游离态又有化合态存在，如N2、硝酸盐，①符合题意；O在自然界中既有游离态又有化合态存在，如O2、氧化物，②符合题意；Fe在自然界中既有游离态又有化合态存在，如陨铁、铁的氧化物，③符合题意；C在自然界中既有游离态又有化合态存在，如金刚石、CO2，④符合题意；Na非常活泼，在自然界中都以化合态存在，无游离态的Na，⑤不符合题意；Ca非常活泼，在自然界中都以化合态存在，无游离态的Ca，⑥不符合题意，故选A。 3．中华文化博大精深，蕴含了很多化学原理和规律，下列文中描述的变化过程与金属冶炼原理无关的是(　　) A．《浪淘沙》：“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金” B．《天工开物》：“炉甘石(ZnCO3)与煤饼混合，密封加热” C.《梦溪笔谈》：“熬胆矾铁釜，久之亦化为铜” D．《抱朴子》：“丹砂(HgS)烧之成水银” A　解析：沙里淘金是利用了沙子和黄金的密度不同，不涉及化学变化，与金属冶炼原理无关，A正确；“炉甘石(ZnCO3)与煤饼混合，密封加热”，炉甘石分解生成氧化锌被木炭还原，有锌生成，是高温还原法冶炼锌，B错误；铁与硫酸铜反应生成硫酸亚铁和铜，是湿法炼铜，与金属冶炼原理有关，C错误；“丹砂(HgS)烧之成水银”，即HgS发生分解反应生成水银，此过程为热分解法冶炼汞，与金属冶炼原理有关，D错误。 4．我国很早就有冶炼铜的历史。《抱朴子内篇·黄白》中记载“曾青涂铁，铁赤色如铜”，其反应的化学方程式为Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu。此反应为古代湿法炼铜的主要反应。 (1)以上反应中，作还原剂的物质是______，铜元素的化合价________(填“升高”或“降低”)。 (2)反应中每生成1 mol Cu，消耗CuSO4的物质的量是________mol，转移电子的物质的量是________mol。 答案：(1)铁　降低　(2) 1　2 解析：(1)该反应中铁的化合价从0变成＋2，所以铁作还原剂，铜元素的化合价从＋2变成0，化合价降低。 (2)根据化学方程式中化学计量数之间的关系，每生成1 mol Cu，消耗CuSO4的物质的量是1 mol，根据化合价变化的关系，每生成1 mol Cu，转移电子的物质的量为2 mol。 [课时梯级训练(16)见P187] 学科网（北京）股份有限公司 $$