高中化学苏教版 (2019)必修 第二册第一单元 金属的冶炼方法学案

专题9金属与人类文明

第一单元　金属的冶炼方法

新课程标准

1．掌握金属冶炼的一般原理，了解不同金属的冶炼方法。

2．掌握铝热反应原理及实验步骤。

学业质量水平

合格性要求

1.具有节约资源，保护环境的可持续发展意识，有效使用金属材料，强化金属资源的回收和再利用。(水平1)

2．从金属活动性规律研究金属的冶炼方法，并加以利用解决实际问题。(水平2)

等级性要求

能说明金属冶炼对社会发展的价值，对环境的影响。(水平3)

图说考点

基础知识——自学·思记·尝试

[新知预习]

一、金属的存在形式

1．使用：

地壳中含量最高的金属元素是________，人类最早使用的金属是________，使用最广泛的金属是________。

2．存在形式：

3．金属活动性顺序：(从强到弱)

4．金属的存在形式与其活动性有关：活动性较强的金属，在自然界中以________态形式存在；活动性较弱的金属，有可能以________态形式存在。有的金属元素的存在形式既有________态又有________态，如铁元素、银元素。

二、金属的冶炼

1．金属冶炼的原理和实质：

2．冶炼方法：

(1)热分解法：

适用于________金属的冶炼。如

a．HgO：_________________________________________________________________

(写化学方程式，下同)。

b．Ag2O：________________________________________________________________。

(2)电解法：

适用于非常活泼金属的冶炼。如

a．NaCl：________________________________________________________________。

b．MgCl2：_______________________________________________________________。

c．Al2O3：________________________________________________________________。

(3)热还原法：

适用于大多数中等活泼金属的冶炼，常用的还原剂有C、H2、CO等。如

a．高炉炼铁：____________________________________________________________。

b．铝热法炼铁：__________________________________________________________。

c．用氢气还原氧化铜：____________________________________________________。

3．原则：

金属冶炼过程中，必须坚持________、________、节约成本等原则。

三、铝热反应

1．实验探究：

2.注意事项：

(1)镁条要除去表面的氧化膜，否则难以点燃；氧化铁粉末与铝粉要干燥；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。

【学而思】

(1)工业上冶炼铝的原理是什么？可否电解熔融AlCl3制取铝，为什么？

(2)(情境思考)我国高炉炼铁各方面取得了显著进步，但在资源和能源利用率、高炉大型化、提高产业集中度以及环保等方面还跟国际存在很大差距，有待进一步提高，努力向钢铁强国迈进。

①写出高炉炼铁的主要化学方程式。

②CO是怎么形成的？

③原料中用到了石灰石，其作用是什么？

(3)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？

[即时自测]

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”

(1)自然界中不存在游离态的金属单质。(　　)

(2)金属活动性不同，冶炼方法也有所不同。(　　)

(3)地球上金属矿物资源是有限的，因此，应提高金属矿物的利用率。(　　)

(4)废旧金属的回收利用，有利于环境保护。(　　)

(5)电解法适用于不活泼金属。(　　)

(6)热还原法常用的还原剂是C、H2、CO、Al。(　　)

(7)水溶液置换法适用于活泼金属制备不活泼金属。(　　)

2．连线。

　金属　　　　 冶炼方法

(1)Na、Mg     A．热分解法

(2)Fe      B．高温还原法

(3)Hg、Ag     C．电解法

3．冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法　②水煤气(或氢气、一氧化碳)法　③活泼金属置换法　④电解法。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

4．我国古代炼丹家魏伯阳所著《周易参同契》是世界上现存最早的一部炼丹专著。书中描写到：“金入于猛火，色不夺精光。”这句话的意思是指黄金的性质在强热条件下(　　)

A．活泼      B．稳定

C．易氧化     D．易还原

5．从金属被利用的历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近几百年的事。下列跟这个先后顺序有关的是(　　)

①地壳中金属元素的含量　②金属活动性顺序　③金属的导电性　④金属冶炼的难易程度　⑤金属的延展性

A．①③    B．②⑤

C．③⑤    D．②④

6．如图为铝热反应的实验装置，请回答有关问题：

(1)纸漏斗中铺在氧化铁和铝粉混合物上面的物质为________。

(2)引发该铝热反应的操作为_________________________________________________。

(3)若将氧化铁换成氧化镁，该反应能否发生？________(填“能”或“不能”)，理由是________________________________________________________________________。

(4)铝热反应的用途有哪些(列举两条)?

7．从铝土矿中提取铝的工艺流程如下：

请写出流程中发生反应的化学方程式。

技能素养——合作·探究·分享

例1 现代工业生产中冶炼金属常用以下几种方法：①以C、H2或CO作还原剂的还原法；②热分解法；③电解法；④铝热法。试标明冶炼下列金属：Al、Mg、Cu、Hg、Mn适宜的冶炼方法。Al：________，Mg：________，Cu：________，Hg：________，Mn：__________；其中以C、H2或CO作还原剂冶炼金属哪一种还原剂更好？谈谈此还原剂在工业生产中的优缺点________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

例2 如图所示，用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起，使四周都有四层。把内层漏斗取出，在底部剪一个孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置盛沙的蒸发皿。把5 g炒干的氧化铁粉末和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：_________________________________________________________________。

关键能力　归纳提升

1.金属冶炼步骤：

(1)金属冶炼的三个步骤及目的：

(2)金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系：

状元随笔　常见热还原法的优缺点

2.铝热反应

状元随笔　(1)铝热反应是利用铝的强还原性，在高温下将相对不活泼且熔点高的金属从其氧化物中还原出来，因此只有Al和比Al活动性弱的金属形成的氧化物组成的混合物才能称为铝热剂，如Al和MgO组成的混合物不能称之为铝热剂。

(2)铝热反应可以用铝还原氧化铁焊接钢轨，但是工业上并不用这种方法炼铁。

课堂检测——夯实·测控·演练

1．《天工开物》中如下描述“共煅五个时辰，其中砂末尽化成汞，布于满釜。”下列金属的冶炼方法与此相同的是   (　　)

A．钠       B．铝

C．银      D．铁

2．高炉炼铁工艺简单、效率高、能耗低。炼铁高炉中加入石灰石的目的是(　　)

A．作氧化剂   

B．作熔剂造渣

C．作还原剂   

D．作为合金成分形成铁合金

3．下列关于金属在自然界中存在形态的说法不正确的是(　　)

A．地壳中含量最高的金属是铁，其次是铝

B．铝在自然界中主要存在于铝土矿(主要成分是氧化铝)中

C．铁主要存在于铁矿石(磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿等)中

D．金、铂等不活泼的金属以游离态形式存在

4．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．金属的活动性强弱

5．日常生活中的许多现象与化学反应有关，下列现象与氧化还原反应无关的是(　　)

6．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．电解熔融氯化钠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

7．用铝热法还原下列化合物，若获得金属各1 mol，消耗铝最少的是(　　)

A．MnO2 B．Cr2O3

C．WO3  D．CuO

8．如图是铝热反应的实验装置，有关该反应的下列说法中一定正确的是(　　)

A．a为镁条

B．b为氧化铁与铝粉的混合物

C．2 mol氧化剂参与反应则转移电子6NA个(设NA为阿伏加德罗常数)

D．还原剂与氧化产物的物质的量之比为1∶2

9．由于各种金属的化学活动性不同，所以对不同的金属必须采取不同的冶炼方法。

(1)下列说法中错误的是________(填字母)。

A．对废旧金属最好的处理方法是回收再利用

B．地球上的金属矿物资源是有限的，必须合理开发和利用

C．活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液制得

D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气或活泼金属等

(2)金属铜的冶炼在古代有湿法炼铜——曾青(硫酸铜)得铁则化为铜，在现代有焦炭法——焦炭还原氧化铜。分别写出这两个反应的化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是________(填字母)，简要说明其原因：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

A．2HgO2Hg＋O2↑

B．8Al＋3Fe3O49Fe＋4Al2O3

C．2MgO2Mg＋O2↑

D．2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑

(4)写出用电解法冶炼金属铝的化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

10．钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注。常温下钛不和非金属、强酸反应，红热时，却可与常见的非金属单质反应。钛是航空、军工、电力等方面的必需原料。地壳中含钛矿石之一是金红石(TiO2)，目前大规模生产钛的方法是：

第一步：金红石、碳粉混合，在高温条件下通入Cl2制得TiCl4和一种可燃性气体。该反应的化学方程式为_____________________________________________________________

________________________________________________________________________，

该反应的还原剂是________。

第二步：在氩气的气氛中，用过量的镁在加热条件下与TiCl4反应制得金属钛。

(1)写出此反应的化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

(2)简述从上述所得产物中获取金属钛的步骤。

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

专题9　金属与人类文明

第一单元　金属的冶炼方法

基础知识

新知预习

一、

1．铝　铜　铁

2．游离　化合

4．化合　游离　游离　化合

二、

2．(1)不活泼

a．2HgO2Hg＋O2↑

b．2Ag2O4Ag＋O2↑

(2)a.2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑

b．MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑

c．2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑

(3)a.Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

b．Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3

c．CuO＋H2Cu＋H2O

3．绿色环保　循环利用

学而思

提示：(1)2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。AlCl3属于共价化合物，熔融状态不导电，故工业上冶炼Al是电解熔融Al2O3而不是AlCl3。

(2)①C＋O2(足量)CO2，

C＋CO22CO，

Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。

②炭与氧气反应生成二氧化碳，并放出大量的热，二氧化碳再与灼热的焦炭反应生成CO。

③石灰石的主要作用是将矿石中的二氧化硅(SiO2)转化成炉渣。

(3)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。

即时自测

1．答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√　(7)√

2．答案：(1)—C　(2)—B　(3)—A

3．解析：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动性。

(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MgCl2：

MgCl2(熔融)电解Mg＋Cl2↑，符合④。

答案：B

4．解析：金的性质稳定，在强热条件下也不反应。

答案：B

5．解析：金属的活动性决定了金属冶炼的难易程度。

答案：D

6．解析：做铝热反应的实验时，要有引燃剂(镁带)、助燃剂(KClO3分解提供氧气)和反应物，反应物应该是铝粉与相对不活泼金属的氧化物。

答案：(1)氯酸钾(或KClO3)

(2)在混合物中间插一根镁带，并用燃着的小木条点燃镁带

(3)不能　镁比铝活泼，铝不能置换镁

(4)用于焊接钢轨、冶炼某些熔点高的金属。

7．答案：(1)Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O

(2)NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3

(3)2Al(OH)3Al2O3＋3H2O

(4)2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑

技能素养

例1　解析：在金属活动性顺序表中，对于Hg及其以后很不活泼的金属，用热分解法冶炼；对于Zn、Cu之间的金属，用热还原法冶炼，常用的还原剂有焦炭、CO、H2、活泼金属；对于Al及其以前的金属，用电解法冶炼。

答案：③　③　①　②　④　用氢气作还原剂更好；冶炼制出的金属纯度高，冶炼过程不会给环境造成污染，但是生产成本高

例2　解析：(1)铝热反应为2Al＋Fe2O3,　2Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3作氧化剂，Al作还原剂。(2)①②③④全为铝热反应的现象。(3)铝热反应实验中为使熔融物易落下，通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；反应中镁条提供热量使氯酸钾分解；氯酸钾分解引发铝热反应。

答案：(1)2Al＋Fe2O3,　2Fe＋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，同时防止溅落物迸溅过远对周围人造成伤害　引燃剂，引起氯酸钾分解　助燃剂，为镁条继续燃烧提供氧气，引发铝热反应

课堂检测

1．解析：“共煅五个时辰，其中砂末尽化成汞，布于满釜。”方法是加热HgO，使之分解成Hg和O2；工业上冶炼金属钠，常采用的方法是电解熔融氯化钠，故A不符合题意；工业上冶炼铝，采用电解熔融的氧化铝，故B不符合题意；工业上冶炼银，采用加热氧化银，故C符合题意；工业冶炼铁，采用热还原法，故D不符合题意。

答案：C

2．答案：B

3．解析：地壳中含量最高的金属是铝，其次是铁。金属在自然界中的存在形态与其化学活动性有关，化学性质比较活泼的金属铝、铁等在自然界中以化合态存在，金、铂等化学性质不活泼的金属在自然界中以游离态存在。

答案：A

4．解析：分析图表知，Al、Fe、Cu三种金属活动性逐渐减弱，而三种金属开发利用的时间由晚到早，由此可判断金属活动性越强，冶炼越困难，开发利用的时间越晚。

答案：D

5．答案：D

6．解析：Fe3O4＋4CO3Fe＋4CO2，1 mol Fe3O4―→3Fe，转移8 mol e－，选项C错误。

答案：C

7．解析：制备1 mol金属，根据氧化还原反应中得失电子数相等的原理，金属离子得电子数越多，该金属在化合物中化合价越高，则消耗铝越多，反之则越少。在这四种化合物中只有D项中Cu的化合价最低，故选D。

答案：D

8．解析：铝与氧化铁的铝热反应2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe。a为镁条，起引燃作用，A项正确；b为氯酸钾，作氧化剂，以保证镁条的继续燃烧，同时放出足够的热量引发氧化铁和铝粉的反应，其中c为氧化铁与铝粉的混合物，故B项错误；2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe，该反应中氧化剂是氧化铁，2 mol氧化剂参与反应则转移12NA个电子，故C项错误；该反应中还原剂是铝，氧化产物是氧化铝，还原剂和氧化产物的物质的量之比为2∶1，故D项错误。

答案：A

9．答案：(1)C

(2)Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4、C＋2CuO2Cu＋CO2↑

(3)C　MgO熔点高，电解前熔化需耗费大量的能量，不符合工业实际

(4)2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑

10．解析：因为钛在常温时不与非金属、强酸反应，在红热时可与常见非金属单质反应，类比一般不活泼金属氧化物，选用碳作还原剂制得金属，金属与Cl2生成氯化物。两反应合并的化学方程式为TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4＋2CO。

第二步：(1)Mg为活泼金属，在氩气作为保护气的环境中还原TiCl4：2Mg＋TiCl42MgCl2＋Ti；

(2)还原出的Ti与Mg混合，分离时用强酸，因钛不与强酸反应，所以可将上述产物溶于过量的盐酸中，然后过滤洗涤，即可得到纯净的钛。

答案：TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4＋2CO　C

(1)2Mg＋TiCl42MgCl2＋Ti

(2)可将还原后的产物溶于过量的盐酸中，过滤、洗涤，即可得到纯净的钛