专题9 第一单元 金属的冶炼方法 讲义（知识点+练习）【新教材】2020-2021学年高一下学期化学（苏教版（2019）必修二）
展开专题9 金属与人类文明第一单元 金属的冶炼方法学习导航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。知识解读知识点一 金属的存在形式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。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。重点归纳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。知识点二 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)金属的冶炼方法①热分解法：适合冶炼金属活动性较差的金属。例如：2Ag2Oeq \o(=====,\s\up7(△))4Ag＋O2↑,2HgOeq \o(=====,\s\up7(△))2Hg＋O2↑。②高温还原法：用还原剂(CO、C、H2和活泼金属等)还原金属氧化物，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＋Cr2O3eq \o(=====,\s\up7(高温))2Cr＋Al2O3。③电解法：适合冶炼金属活动性较强的金属(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)eq \o(=====,\s\up7(通电))Mg＋Cl2↑，2NaCl(熔融)eq \o(=====,\s\up7(通电))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq \o(=====,\s\up11(通电),\s\do4(冰晶石))4Al＋3O2↑。2.铁的冶炼(1)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(2)铝热法炼铁铝热反应实验中的有关问题重点归纳(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。随堂演练1.下列关于物质的制备、生产的说法正确的是（ ） A. 工业制取金属铝：电解熔融Al2O3 B. 实验室制取NH3：可用无水CaCl2干燥 C. 用镁粉和空气反应制备Mg3N2 D. NaI溶液与浓H2SO4混合制备HI 2.下列说法错误的是（ ） A. 工业上以氯气和石灰乳为原料制取漂白粉 B. 75% (体积分数)酒精溶液能使蛋白质变性，其消毒效果比无水酒精好 C. 钠是一种强还原剂，可用于制取钛、铌等金属 D. 在工业炼铁中，焦炭的作用是直接还原铁矿石 3.甲乙两烧杯中各盛有600mL相同浓度的盐酸和氢氧化钠溶液。向两烧杯中分别加入等质量的16.2g铝粉，反应结束后，测得生成的气体体积比为甲∶乙 =1:2 ，则下列说法正确的是( ) ①甲烧杯中盐酸不足 ②乙烧杯中铝过量 ③甲烧杯中生成的气体体积为10.08L ④乙烧杯中 c(NaOH)=1.5mol⋅L-1 A. ①④ B. ②④ C. ②③ D. ①③4.一小块在空气中久置的Al片置于过量NaOH溶液中，生成H2的物质的量与时间关系如图。下列叙述正确的是（ ） A. 若n=1，生成H2时被氧化的Al为0.5 mol B. N点以后溶液中的溶质仅为NaAlO2、NaOH C. O→M：发生反应的类型为氧化还原反应 D. M→N：溶液的质量逐渐减小5.由钠、镁、铝、锌四种金属单质中的两种组成的合金共24g，与足量的稀硫酸反应产生11.2L氢气(标准状况)，则合金中一定含有的金属是( ) A. Na B. Zn C. Al D. Mg6.将一定质量的镁铝合金投入一定体积10 mol·L-1的盐酸中，固体全部溶解后，向所得溶液中加入NaOH溶液，生成沉淀的质量与加入NaOH溶液的体积关系如图所示。若不考虑金属和盐酸反应时HCl的挥发，则下列说法错误的是（ ） A. 该镁铝合金中铝的质量为5.4 g B. 所用NaOH物质的量浓度为4.5 mol·L-1 C. 反应中沉淀的物质的量最多时为0.35 mol D. 溶解合金所用盐酸的体积为100 mL7.将NaOH，MgCl2 ， AlCl3三种固体组成的混合物溶于足量水， 产生1.16g白色沉淀， 再向所得浊液中逐渐加入1.00 mol/L的盐酸， 加入盐酸的体积与生成沉淀的关系如下图： 请回答:①A点溶液中溶质有________（填化学式）；②写出加入盐酸体积由10.0mL到30.0mL发生反应的离子方程式________；③原混合物中MgCl2质量是________， AlCl3物质的量是________， NaOH质量是________。④C点消耗盐酸的体积为________mL。8.已知某种治疗胃病药品的主要成分是铝碳酸镁片，化学式为AlaMgb(OH)mCO3·nH2O，假设药品中的其他成分受热不分解，不溶于水且不与稀硫酸反应。某研究性学习小组设计了如下实验探究铝碳酸镁片的组成。 （1）[实验一] 取m g该药片，研成粉末放入硬质玻璃管中，加热，充分反应后测得装置C增重2.16 g，装置D增重0.44 g。 装置C和D中盛放的药品是C________，D________。 （2）实验开始前先通入一段时间空气，其目的是________，其操作方法是________。 当B处的酒精灯点燃后以及反应结束后一段时间内仍然再通入空气的目的是________。 （3）[实验二]另取mg该药片，加入100mL1mol·L-1的稀硫酸，充分反应后滤去不溶物，向滤液中逐渐加入1mol·L-1的NaOH溶液，产生沉淀的物质的量与加入NaOH溶液体积之间的关系如图所示： 根据以上所给数据求出x=________。 （4）通过计算确定铝碳酸镁的化学式为________。 （5）有医生建议患有严重胃溃疡的患者最好慎用该药，试用你所学的知识解释这样建议的理由是________。 （6）有同学认为不需要做实验一，只需要在实验二的基础上再得知两个数据就可以求出铝碳酸镁的化学式，你认为这两个数据应该是________。 答案解析1.【答案】 A 【解析】A.工业电解熔融Al2O3制备Al单质，， A符合题意； B.CaCl2可与NH3发生络合反应，将NH3吸收，因此不能用无水CaCl2干燥NH3 ， B不符合题意；C.空气中的O2、CO2都可以与Mg反应，因此镁粉在空气中不能制备Mg3N2 ， C不符合题意；D.浓硫酸具有强氧化性，I-具有还原性，两者会发生氧化还原反应而得不到HI，D不符合题意；故答案为：A2.【答案】 D 【解析】A．2Ca(OH)2+2Cl2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O，由于Ca(OH)2在水溶液中的溶解度很小，故工业上以氯气和石灰乳为原料制取漂白粉，A不符合题意； B．75%的酒精能渗入细胞内，使蛋白质凝固变性，低于这个浓度，酒精的渗透脱水作用减弱，杀菌力不强，而高于这个浓度，则会使细菌表面蛋白质迅速脱水，凝固成膜妨碍酒精透入，削弱杀菌能力，故75% (体积分数)酒精溶液能使蛋白质变性，其消毒效果比无水酒精好，B不符合题意；C．钠是一种强还原剂，4Na+TiCl4(熔融) 高温__ 4NaCl+Ti，可用于制取钛、铌等难熔金属，C不符合题意；D．在工业炼铁中，焦炭的作用是燃烧提供热量，同时先生成CO，再将铁矿石还原，D符合题意；故答案为：D。 3.【答案】 A 【解析】发生的反应为2Al+6HCl═2AlCl3+3H2↑、2Al+2NaOH+2H2O═2NaAlO2+3H2↑，铝粉质量一定，盐酸和氢氧化钠溶液中溶质的物质的量相同，若酸、碱均足量，则生成的气体相同；若铝粉都过量，酸、碱不足，生成的气体为1∶3，而实际应结束后测得生成的气体体积比为甲∶乙=1∶2，说明在两个反应中Al不都完全反应，也不都有剩余，由方程式可知相同物质的量的Al完全反应消耗HCl的物质的量比消耗的NaOH多，故Al与盐酸反应时盐酸不足，Al与碱反应时碱过量。 ①甲烧杯中盐酸不足，故①符合题意；②乙烧杯中金属铝不足，氢氧化钠过量，故②不符合题意；③乙烧杯中Al不足，Al完全反应，Al的物质的量为 16.2g27g/mol =0.6mol，由2Al+2NaOH+2H2O═2NaAlO2+3H2↑，可知生成氢气为0.6mol × 32 =0.9mol，由于生成的气体体积比为甲∶乙=1∶2，则甲中生成气体为0.45mol，由于不一定是标况下，因此甲中氢气体积不一定是10.08L，故③不符合题意；④盐酸与氢氧化钠溶液物质的量浓度相等，甲烧杯中盐酸不足，根据2Al+6HCl═2AlCl3+3H2↑，可知n(HCl)=2n(H2)=2×0.45mol=0.9mol，故c(HCl)= 0.9mol0.6L =1.5mol/L，即NaOH的浓度为1.5mol/L，故④符合题意；故答案为：A。4.【答案】 B 【解析】A．若n=1，根据方程式2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑生成H2时被氧化的Al为 23 mol，A不符合题意； B．N点氢气的物质的量不再发生变化，则N点以后溶液中的溶质仅为NaAlO2、NaOH，B符合题意；C．O→M是氧化铝溶解，发生反应的类型不是氧化还原反应，C不符合题意；D．M→N发生反应2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑，溶液的质量逐渐增加，D不符合题意；故答案为：B。5.【答案】 B 【解析】令两种单质组成的混合物为R，且反应后R的化合价为+2价，R与稀硫酸反应R＋2H＋=R2＋＋H2↑， 24gM(R)g/mol=11.2L22.4L/mol ，解得M(R)=48g·mol－1 ， 平均摩尔质量为48g·mol－1 ， 那么其中一种金属的摩尔质量大于48g/mol，另外一种金属的摩尔质量小于48g/mol；化合物中Na的化合价为＋1价，转化成＋2价时，Na摩尔质量为46g·mol－1；Zn的摩尔质量为65g·mol－1；Al的化合物中 Al的化合价为＋3价，转化为＋2价，Al摩尔质量为18g·mol－1；Mg的价态为＋2价，摩尔质量为24g·mol－1；根据上述分析，只有Zn的摩尔质量大于48g/mol，合金中一定含有的金属是Zn，选项B符合题意； 故答案为B。6.【答案】 B 【解析】A．根据图像可知生成的氢氧化铝的质量是24.3g－8.7g＝15.6g，物质的量是15.6g÷78g/mol＝0.2mol，根据铝原子守恒可知该镁铝合金中铝的质量为0.2mol×27g/mol＝5.4 g，A不符合题意； B．溶解0.2mol氢氧化铝消耗氢氧化钠溶液是40mL，根据方程式NaOH+Al(OH)3=NaAlO2+2H2O可知消耗氢氧化钠的物质的量是0.2mol，则所用NaOH物质的量浓度为0.2mol÷0.04L＝5 mol·L-1 ， B符合题意；C．氢氧化镁的质量是8.7g，物质的量是8.7g÷58g/mol＝0.15mol，则反应中沉淀的物质的量最多时为0.15mol+0.2mol＝0.35 mol，C不符合题意；D．当开始产生沉淀时溶液中的溶质是氯化镁、氯化铝和氯化钠，溶液中氯离子的物质的量是0.15mol×2+0.2mol×3+0.02L×5mol/L＝1.0mol，则溶解合金所用盐酸的体积为1mol÷10mol/L＝0.1L＝100 mL，D不符合题意；故答案为：B。7.【答案】 NaOH，NaAlO2；AlO2-+H++H2O=Al(OH)3；1.9g；0.02mol；5.2g；130 【解析】①将NaOH，MgCl2 ， AlCl3三种固体组成的混合物溶于足量水，产生1.16g白色沉淀，沉淀中一定含有氢氧化镁，再加入盐酸时，0-A时没有沉淀生成，说明溶液中NaOH过量，则溶液中铝离子完全转化为偏铝酸根离子，溶液中存在的沉淀为Mg(OH)2 ， 因此A点溶液中溶质有NaOH和NaAlO2 ， 故答案为：NaOH和NaAlO2；②加入盐酸体积由10.0mL到30.0mL，即A-B段，盐酸和偏铝酸钠反应生成氢氧化铝沉淀，离子反应方程式为H2O+AlO2-+H+=Al(OH)3↓，故答案为：H2O+AlO2-+H+=Al(OH)3↓；③A点沉淀的是氢氧化镁，则n(Mg(OH)2)= 1.16g58g/mol =0.02mol，根据Mg原子守恒得n(MgCl2)=n(Mg(OH)2)=0.02mol，氯化镁的质量=0.02mol×95g/mol=1.9g；A-B段，盐酸和偏铝酸钠反应生成氢氧化铝沉淀，离子反应方程式为H2O+AlO2-+H+=Al(OH)3↓，根据HCl的体积知，n(AlO2-)=n(HCl)=1mol/L×(0.03-0.01)L=0.02mol；根据铝原子守恒得n(AlCl)=n(AlO2-)=0.02mol，由Na+离子和Cl-离子守恒得，原混合物中n(NaOH)=n(NaCl)=n(Cl-)=2n(MgCl2)+3n(AlCl3)+n(HCl)=0.02mol×2+0.02mol×3+0.03L×1mol/L=0.13mol氢氧化钠的质量=0.13mol×40g/mol=5.2g，故答案为：1.9g；0.02mol；5.2g； ④C点溶液为MgCl2、AlCl3和NaCl混合液，C点所加盐酸用于中和原混合物中的NaOH，此时所加盐酸物质的量n(HCl)=n(NaOH)=0.13mol；C点所表示盐酸的体积为：V= 0.13mol1mol/L =0.13L=130mL，故答案为：130。8.【答案】 （1）无水CaCl2或P2O5；碱石灰或NaOH固体 （2）排除装置B中的CO2、H2O；关闭弹簧夹b，打开弹簧夹a；赶走固体分解产生的CO2、H2O,使其被充分吸收 （3）200 （4）Al2Mg6(OH)16CO3·4H2O （5）因为胃酸和该药作用产生的CO2会刺激胃黏膜,导致胃穿孔 （6）产生CO2的物质的量；药片中主要成分的含量 【解析】(1)分析本题的实验装置可知，样品铝碳酸镁片在加热条件下分解生成铝和镁的氧化物、CO2、H2O，装置C中应放入能吸水的物质，但不能吸收二氧化碳气体，否则无法确定生成的水和二氧化碳各自的质量，所以装置C中是吸收水蒸气，利用无水CaCl2或P2O5可以吸收，装置D是吸收二氧化碳气体的装置，可以利用碱石灰吸收二氧化碳气体，故答案为：无水无水CaCl2或P2O5；碱石灰或NaOH固体；(2)实验开始前先通入一段时间空气，气目的是赶净装置B中的二氧化碳和水蒸气，确保CD两装置吸收的水蒸气、二氧化碳全部是样品分解生成的；所以通入的空气必须先除去空气中的水和二氧化碳A装置中应放入碱石灰或固体氢氧化钠，实验开始前先通入一段时间空气，其目的是排除装置B中的CO2、H2O，其操作方法是；关闭弹簧夹b，打开弹簧夹a；当B处的酒精灯点燃后以及反应结束后一段时间内仍然要通入空气的目的是排出固体分解产生的CO2、H2O，使其被充分吸收，故答案为：排除装置B中的CO2、H2O；关闭弹簧夹b，打开弹簧夹a；排出固体分解产生的CO2、H2O，使其被充分吸收；(3)图象分析沉淀0.06mol为Mg(OH)2 ， Al(OH)3物质的量为0.08mol-0.06mol=0.02mol，溶解0.02mol Al(OH)3需要1mol/L的NaOH溶液可以利用反应Al(OH)3+OH-=AlO 2- +2H2O， 需要1mol/L氢氧化钠溶液体积为20mL，则x=220mL-20mL=200mL，故答案为：200；(4)图象中可以分析得到样品中含Al3+0.02mol，Mg2+0.06mol，取mg该药片，研成粉末放入硬质玻璃管中，加热，充分反应后测得装置C增重2.16g为水，物质的量n= 2.16g18g/mol =0.12mol，装置D增重0.44g为CO2 ， 物质的量为0.01mol；反应中生成水0.12mol，生成二氧化碳0.01mol，Al3+0.02mol，Mg2+0.06mol，n(Al3+)：n(Mg2+)：n(CO 32- )=0.02：0.06：0.01=2：6：1，依据元素化合价代数和为0计算氢氧根离子数，2×(+3)+6×(+2)+1×(-2)+氢氧根离子数×(-1)=0，氢氧根离子数=16，所以含有结晶水为4个，据此推算样品的化学式Al2Mg6(OH)16CO3·4H2O，故答案为：Al2Mg6(OH)16CO3·4H2O；(5)胃酸主要成分是盐酸，和该药反应生成的二氧化碳容易使胃壁穿孔，故答案为：因为胃酸和该药作用产生CO2会刺激胃粘膜，导致胃穿孔；(6)不需要做实验一，只需要在实验二的基础上再得知两个数据就可以求出铝碳酸镁的化学式，实验二已经知道铝离子、镁离子物质的量，只需要测定二氧化碳物质的量和主要成分的含量既可以计算得到化学式，故答案为：产生CO2的物质的量； 药片中主要成份的含量． 实验装置实验现象①镁带剧烈燃烧，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；②纸漏斗的下部被烧穿，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＋2Aleq \o(=====,\s\up7(高温))2Fe＋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
