高中化学苏教版 (2019)必修 第二册第一单元 金属的冶炼方法精品课时训练

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专题9 金属与人类文明
第一单元 金属的冶炼方法
第1课时 金属的冶炼方法
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课程标准
课标解读
1．以金属矿物的开发利用为例，认识化学方法在实现物质间转化的作用，体会保护金属资源的重要性。
2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。
3．掌握铝热反应原理及实验步骤。
1．具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。能对化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断，能参与有关化学问题的实验活动。（科学态度与社会责任）
2．从金属活动性规律出发研究金属的冶炼方法，找出它们之间的关系，形成“结构决定性质”的观念，并能运用此思想解决实际问题。（宏观辨识与微观探析）
3．能从简述冶炼以及回收再利用的问题出发，进行实验探究。能选择合适的实验试剂和仪器装置，控制实验条件、安全、顺利完成实验。（科学探究与创新意识）

知识精讲


知识点01 金属的存在形式
1．金属的存在
（1）在自然界中，只有少量金属以游离态形式存在于地壳中，地壳中的大多数金属以化合态形式存在。一些金属以离子或矿石的形式分布于海洋中。
（2）金属的存在形式与金属的活动性有关。活动性较强的金属，以各种化合态存在；活动性较弱的金属，有可能以游离态形式存在。
2．常见金属的存在形式
（1）铁的单质主要存在于陨石中，铁的化合态有赤铁矿（主要成分Fe2O3）、黄铁矿（主要成分FeS2）等。
（2）铝元素存在于铝土矿（主要成分Al2O3）中。
（3）银元素有自然银、辉银矿（Ag2S）、碲银矿（Ag2Te）。
【即学即练1】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
答案：A
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。

知识点02 金属的冶炼
1．金属的冶炼
（1）利用化学反应使金属元素从化合态变为游离态的过程称为金属的冶炼。
（2）工业上常用的金属冶炼方法有热分解法、高温还原法、电解法等。
2．电解熔融法
活泼金属如Na、Mg、Al等一般通过电解法冶炼。
工业上冶炼金属钠的方程式为2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。
工业上冶炼金属镁的方程式为MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。
3．高温还原法
高温还原法可以冶炼大部分金属，常用的还原剂有CO、H2、C和活泼金属。
CuO与CO反应的化学方程式为CuO+H2Cu+H2O。
ZnO与焦炭反应的化学方程式为2ZnO+C2Zn+CO2↑。
4．热分解法
不活泼的金属，可以采用热分解法进行冶炼
热分解Ag2O制取Ag：2Ag2O4Ag+O2↑。
热分解HgO制取Hg：2HgO2Hg+O2↑。
5．铁的冶炼——高炉炼铁
（1）原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石。
（2）设备：炼铁高炉。
（3）冶炼过程（以赤铁矿为原料）：
①焦炭与空气反应，提供热量C＋O2CO2（写化学方程式）。
②制取CO C＋CO22CO（写化学方程式）。
③CO还原Fe2O3 Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2（写化学方程式）。
（4）焦炭的作用：
提供热量、制取还原剂CO、作为生铁的成分。
（5）石灰石的作用是将铁矿石中的SiO2形成炉渣除去，反应方程式为：
CaCO3CaO＋CO2↑、CaO＋SiO2CaSiO3。
【即学即练2】在冶金工业上，均能用化学还原剂制得的一组金属是(　　)
A．Na、Mg、Al　　　　　　　 B．Na、Zn、Fe
C．Zn、Fe、Cu D．Mg、Al、Zn、Fe
答案：C
解析：Na、Mg、Al的冶炼方法为电解法；Zn、Fe、Cu的冶炼方法为化学还原剂还原法。
【即学即练3】请写出冶炼下列金属的化学方程式。
（1）加热氧化汞可以得到单质汞，同时生成氧气。

（2）在高温下，一氧化碳与氧化铁反应可以制得金属铁。

（3）湿法炼铜（将铁加入硫酸铜溶液中）。

（4）电解熔融氧化铝制得金属铝。

（5）电解熔融氯化钠制得金属钠。
答案：（1）2HgO2Hg+O2↑
（2）③Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
（3）CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4
（4）2Al2O34Al+3O2↑

知识点03 铝热反应
1．铝热反应
（1）铝热反应
铝粉与某些金属氧化物混合，在高温条件下发生反应，放出大量的热量，该反应叫铝热反应。
（2）铝热剂
铝粉与某些金属氧化物以一定比例形成的混合物叫铝热剂。
（3）应用
工业上常用铝热反应冶炼熔点较高的金属。
工业上常用铝与Fe2O3的反应来焊接钢轨。
2．铝与Fe2O3的反应
（1）反应条件：高温，反应通过点燃镁条，镁条与KClO3反应产生高温引发。
（2）反应方程式：2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3。
3．其他铝热反应
某些金属氧化物如V2O5、Cr2O3、MnO2等也能发生铝热反应。
写出Al与V2O5反应的化学方程式：10Al＋3V2O56V＋5Al2O3。
【即学即练4】下列关于铝热反应2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe的说法不正确的是(　　)
A．该反应中Al作还原剂
B．该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2
C．该反应中冶炼1 mol Fe转移2 mol电子
D．该反应可用于焊接钢轨
答案：C
解析：由题中化学方程式可知，反应中Fe元素的化合价由＋3价降为0价，则冶炼1 mol Fe应转移3 mol电子。

知识点04 铝的冶炼
1．从铝土矿中提取铝的工艺流程
（1）碱溶：Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O。
（2）酸化：NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3↓+NaHCO3。
（3）灼烧：2Al(OH)3Al2O3+3H2O。
（4）电解：2Al2O34Al+3O2↑。
2．电解铝
电解氧化铝时需要加入冰晶石(Na3AlF6)，其作用是作助熔剂，降低氧化物的熔化温度。
【即学即练5】从铝土矿制备铝所涉及的下列有关反应中，属于氧化还原反应的是(　　)
A．铝土矿溶于NaOH溶液中
B．偏铝酸钠溶液的酸化
C．灼烧氢氧化铝固体
D．电解熔融的氧化铝
答案：D
能力拓展

考法01 金属的冶炼方法
1．金属冶炼的一般方法
（1）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)Mg＋Cl2↑
（2）高温还原剂法：用还原剂(CO、C、H2、Al等)还原金属氧化物，适合冶炼金属活动性顺序表中Zn到Cu之间的大多数金属。
例如：2Al＋Cr2O32Cr＋Al2O3
（3）热分解法：适合于冶炼金属活动性较差的金属。
例如：2Ag2O4Ag＋O2↑
在工业上还有一种冶炼方法叫做湿法冶炼。它是利用在溶液中发生的化学反应提取和分离金属的过程。
例如：CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4
2．铁的冶炼
（1）原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。
（2）设备：炼铁高炉。
（3）反应原理：用还原剂将铁从其化合物中还原出来。
（4）工艺流程：从高炉下方鼓入空气与C反应产生CO2并放出大量的热量；CO2再与灼热的C反应，生成CO；CO在高温下将氧化铁还原为铁。
（5）铁矿石中含有SiO2需除去：石灰石在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙与铁矿石中的二氧化硅等反应生成炉渣，炉渣的密度比铁水小，故浮在铁水上面，从而分离得到铁水。
（6）炼铁的主要化学反应
还原剂的形成：C＋O2CO2，C＋CO22CO。
铁的还原：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。
炉渣的形成：CaCO3CaO＋CO2↑，CaO＋SiO2CaSiO3。
（7）主要产品：用这种方法炼出来的铁是含碳2%～4.5%的生铁。将生铁进一步炼制，就可以得用途更广泛的钢(含碳0.03%～2%)。
【典例1】下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是(　　)
A．2HgO2Hg＋O2↑
B．4Al＋3MnO23Mn＋2Al2O3
C．2MgO2Mg＋O2↑
D．4CO＋Fe3O43Fe＋4CO2
答案：C
解析：工业上通过电解熔融氯化镁冶炼金属镁。
考法02 铝热反应
1．铝热反应的本质
利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来：
2mAl＋3MnOmmAl2O3＋3nM。
2．反应特点
在高温下进行，反应迅速，放出大量的热。新生成的金属单质呈液态且易与Al2O3分离。
3．铝热剂
（1）在铝热反应中，反应混合物(铝粉、金属氧化物)称为铝热剂。
（2）能与Al组成铝热剂的金属氧化物常见的有Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、MnO2、V2O5等。
4．镁条、KClO3的作用是引燃、助燃作用。
5．应用
(1)在生产上，可用于焊接钢轨等。
(2)在冶金工业上用于冶炼难熔金属。
【典例2】铝热反应常被用来制取某些金属。
（1）将铝粉和氧化铁的混合物点燃，反应放出大量的热，生成的液态铁可焊接钢轨。请写出反应的化学方程式。___________________________________。
（2）用铝与二氧化锰（MnO2）反应可以制取金属锰。请写出反应的化学方程式。
___________________________________。
答案：（1）2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3
（2）4Al＋3MnO23Mn＋2Al2O3


分层提分


题组A 基础过关练
1．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．金属的导电性强弱 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
答案：D
解析：铝、铁、铜在自然界中主要以化合态形式存在，它们的金属活动性依次减弱，金属阳离子的氧化性逐渐增强，三种金属中铜较易冶炼，铝最难还原。
2．下列物质中，属于纯净物的是（ ）
A．赤铁矿 B．铝热剂 C．漂粉精 D．胆矾
答案：D
3．工业上由含钒、铬和锰的矿物冶炼难熔的金属钒、铬和锰，通常采用的方法是(　　)
A．碳还原法 B．铝热法还原
C．直接加热法 D．盐的水溶液与活泼金属置换法
答案：B
解析：金属钒、铬和锰难溶，可以采取铝热法还原。
4．硅在自然界只以化合态形式存在，如铁矿石中的硅主要以脉石(SiO2)的形式存在。炼铁时为了除去脉石，向炼铁高炉中加入石灰石。该过程不可能涉及的化学反应是(　　)
A．CaCO3CaO＋CO2↑ B．2FeO＋Si2Fe＋SiO2
C．SiO2＋3CSiC＋2CO↑ D．CaO＋SiO2CaSiO3
答案：B
解析：高温下石灰石首先分解产生CaO和CO2，生成的生石灰(碱性氧化物)可与SiO2(酸性氧化物)反应实现高炉造渣；生成的CO2可与碳反应提供一部分还原剂CO。因无单质硅，所以没有B项所给的反应发生。
5．高炉炼铁过程中既被氧化又被还原的元素是(　　)
A．铁 B．氮 C．氧 D．碳
答案：D
解析：高炉炼铁过程中，碳与氧气反应生成二氧化碳，碳元素被氧化，二氧化碳在高温下与碳反应生成一氧化碳，二氧化碳中的碳元素被还原。
6．生物炼铜实际上是微生物帮助我们从矿石中提取铜。这些“吃岩石的细菌”能利用空气中的氧气将不溶性的CuS转化成可溶性铜的化合物，该化合物是(　　)
A．碳酸铜 B．硝酸铜 C．硫酸铜 D．氢氧化铜
答案：C
解析：从元素守恒与氧化还原的角度来分析，CuS和氧气反应，硫元素被氧化，且转化为可溶性的铜盐，所以该化合物为硫酸铜。
7．下列关于金属的说法不正确的是(　　)
A．工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al涉及氧化还原反应
B．工业上金属Mg、Cu都是用高温还原法制得的
C．金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子
D．越活泼的金属越难冶炼
答案：B
解析：在工业上Mg用电解法冶炼，Cu用高温还原法冶炼，B项错误。
8．炼铁时，加入石灰石的作用是(　　)
A．石灰石能降低氧化铁的熔点
B．石灰石能改变生铁的性能
C．石灰石能促进氧化铁的还原
D．石灰石用于除去铁矿石中的二氧化硅
答案：D
9．下列说法不正确的是(　　)
A．有些活泼金属如铝可作还原剂法的还原剂
B．可用电解熔融的NaCl的方法来冶炼金属钠
C．可用焦炭或一氧化碳还原氯化铝的方法来冶炼铝
D．回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物
答案：C
解析：铝可以作还原剂冶炼一些高熔点的金属；金属钠用电解熔融的NaCl的方法制取；铝是活泼金属，很难用还原剂把它还原出来；回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物。
10．工业上冶炼金属一般用热分解法、高温还原法和电解法。选用不同方法冶炼不同金属的主要依据是(　　)
A．金属在自然界中的存在形式
B．金属元素在地壳中的含量
C．金属阳离子得电子的能力
D．金属熔点的高低
答案：C
11．我国古代曾用火烧孔雀石和焦炭混合物的方法炼铜。孔雀石的主要成分是CuCO3·Cu(OH)2，这种冶炼铜的方法是(　　)
A．焦炭还原法 B．湿法炼铜
C．铝热还原法 D．电解法
答案：A
解析：CuCO3·Cu(OH)22CuO＋CO2↑＋H2O，生成的CuO被焦炭与CO2反应生成的CO还原生成Cu。
12．金属冶炼和处理常涉及氧化还原反应。
(1)由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是________。
a．Fe2O3 b．NaCl c．Cu2S d．Al2O3
(2)辉铜矿(Cu2S)可用于火法炼铜：Cu2S＋O22Cu＋SO2，该反应的氧化剂是________，当1 mol O2发生反应时，还原剂所失电子的物质的量为________mol。
(3)用铝粉和Fe2O3做铝热反应实验，需要的试剂还有________。
a．KCl b．KClO3 c．MnO2 d．Mg
书写出铝热反应的化学方程式：_______________________________。
(4)反应TiCl4＋2Mg2MgCl2＋Ti在氩气中进行的理由是________________________。
答案：(1)bd　(2)Cu2S和O2　6　(3)bd　2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe　(4)防止高温下Mg和Ti与空气中的氧气(或氮气、二氧化碳)作用
解析：(1)活泼金属采用电解法冶炼，钠、铝都是活泼金属，采用电解熔融态NaCl、Al2O3的方法冶炼。(2)在该反应中，Cu元素化合价由＋1降低到0，S元素由－2升高到＋4，O元素化合价由0降低到－2，所以Cu2S既作还原剂又作氧化剂，O2为氧化剂；氧化还原反应中得失电子数相等，所以当有1 mol O2参与反应时得到4 mol电子，同时Cu2S也得到2 mol电子，则还原剂所失电子的物质的量为6 mol。(3)铝热反应需要引发剂引发高温反应，镁条在空气中可以燃烧，氧气是氧化剂。但插入混合物中的部分镁条燃烧时，氯酸钾则是氧化剂，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，铝热反应的方程式为2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe。(4)Mg和Ti都有较强还原性，在高温下都易被空气中的O2氧化，镁和二氧化碳反应生成氧化镁和碳，镁和氮气反应生成氮化镁，所以反应TiCl4＋2Mg===2MgCl2＋Ti需在氩气中进行。

题组B 能力提升练
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
答案：C
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。
2．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属锂能释放出更多的电子，故常用来制造高能量电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是(　　)
A．热分解法　　　 B．热还原法 C．电解法 D．铝热法
答案：C
解析：锂的金属性介于钠和镁之间，应该与钠、镁的冶炼方法相同，故冶炼锂应选用电解法，选C项。
3．下列化学反应在金属冶炼工业中还没有得到应用的是(　　)
A．2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
B．Al2O3＋3C2Al＋3CO↑
C．Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
D．2Ag2O4Ag＋O2↑
答案：B
解析：目前金属铝的制备方法是电解氧化铝，其他选项中所涉及的内容均符合理论和生产实际。
4．某地产孔雀石的主要成分是Cu2(OH)2CO3。
（1）试写出该孔雀石高温分解的化学方程式：__________________________。
（2）试以（1）中所得金属氧化物为原料，分别采用湿法冶炼和高温冶炼的方式制取金属铜。供选择的试剂有：①木炭，②铁屑，③生石灰，④稀硫酸，不得另选其他试剂，写出反应的化学方程式。
A．湿法冶炼：__________________________________(可不填满，也可补充，下同)。
B．高温冶炼：________________________________。
答案：(1)Cu2(OH)2CO32CuO＋H2O↑＋CO2↑
(2)A：CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O　Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu
B：2CuO＋C2Cu＋CO2↑
解析：孔雀石受热发生分解反应[实际上为Cu(OH)2、CuCO3的分解反应]：Cu2(OH)2CO32CuO＋H2O↑＋CO2↑。由CuO炼铜，可用焦炭还原法：C＋2CuO2Cu＋CO2↑；也可用铝热还原法；Cu2(OH)2CO2和CuO都不溶于水，但溶于硫酸，可以采用湿法炼铜。
5．古代的“药金”外观与金相似，常被误认为是金子，冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜(Cu2O)、木炭混合加热到800℃，得金光闪闪的“药金”。药金的主要成分是Cu和Zn的合金。
（1）“药金”的主要成分是____________。
（2）写出有关冶炼的化学方程式。
________________________________________________________________。
解析：木炭是还原剂，能将金属氧化物中的的金属还原出来。
答案：（1）Zn、Cu
（2）ZnCO3ZnO+CO2↑ 2ZnO+CZn+CO2↑ 2Cu2O+C4Cu+CO2↑

题组C 培优拔尖练
1．高铁钢轨全部为无缝钢轨，钢轨焊接可以采用铝热法，其原理如图所示。下列关于铝热法炼铁的叙述错误的是(　　)

A．铝热法炼铁的原理是Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3
B．该实验需要关注的安全事项是纸漏斗与盛沙子的蒸发皿的距离不要太高，否则熔融的铁水易溅出伤人
C．点燃镁条，镁条剧烈燃烧，放出大量的热，使氧化铁粉末和铝粉在较高的温度下发生剧烈的反应
D．Fe2O3和Al粉的质量比要控制在2∶1左右，且要混合均匀，以保证Fe2O3和Al都能完全反应
答案：D
解析：铝热法炼铁的原理是高温下铝把三氧化二铁中的铁置换出来，A项正确；高温熔融物遇到常温下的沙子容易溅出，B项正确；镁条燃烧是剧烈的放热反应，产生的高温可以引发铝热反应，C项正确；由化学方程式可以计算出Fe2O3和Al粉的质量比约为3∶1，D项错误。
2．用足量的CO还原32.0 g某种氧化物，将生成的气体通入足量澄清石灰水中，得到60 g沉淀，则该氧化物是(　　)
A．FeO B．Fe2O3 C．CuO D．Cu2O
答案：B
解析：n(CaCO3)＝＝0.6 mol，由于1 mol CO与氧化物反应后变成1 mol CO2，夺取了氧化物中的1 mol O，故可知32.0 g氧化物中含氧原子0.6 mol，氧元素的质量为9.6 g，则氧化物中金属元素的质量为22.4 g，两元素的物质的量之比为＝，故B正确。
3．某些金属氧化物粉末和Al粉在镁条的引燃下可以发生铝热反应，它可用于某些金属的冶炼。下列反应速率(v)和温度(T)的关系示意图中与铝热反应最接近的是(　　)

答案：B
解析：镁条燃烧放出的热量使金属氧化物粉末和Al粉的温度升高到一定值时，铝热反应开始，铝热反应放出大量的热，又使金属氧化物粉末和Al粉的温度迅速升高，铝热反应速率大幅度增大。
4．钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。工业上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用来冶炼钛，主要有以下五个反应：
①FeTiO3＋2H2SO4===TiOSO4＋FeSO4＋2H2O
②TiOSO4＋2H2O===H2TiO3↓＋H2SO4
③H2TiO3TiO2＋H2O
④TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4＋2CO
⑤TiCl4＋2Mg2MgCl2＋Ti
针对以上五个反应，下列叙述错误的是(　　)
A．反应①是非氧化还原反应
B．反应②生成了两种酸
C．反应④中的TiO2是氧化剂
D．反应⑤表现了金属镁比金属钛的还原性强
答案：C
解析：在反应①中没有元素化合价的变化，反应②中，化学式H2TiO3符合酸的一般化学式，它是钛酸的化学式。反应④中，钛元素的化合价保持不变，氯气是氧化剂，碳是还原剂，反应⑤中，镁是还原剂，钛是还原产物，所以镁的还原性强于钛。
5．铜在自然界多以＋1价矿石存在，在固态特别是高温下，＋1价铜的化合物比＋2价稳定。用辉铜矿(Cu2S)炼铜的方法之一是①将一定量的矿石高温通空气焙烧，生成两种氧化物。②将焙烧过的矿石加上比原矿石的质量少一半的未经焙烧过的矿石，混合后隔绝空气再进行高温煅烧，结果得到金属铜和一种具有刺激性气味的气体。写出这两个反应的化学方程式。
①_________________________________；
②_________________________________。
答案：①2Cu2S＋3O22Cu2O＋2SO2
②2Cu2O＋Cu2S6Cu＋SO2↑
解析：由题意知：高温下＋1价比＋2价稳定。写第一个化学方程式时，要注意到这一点。从①可知焙烧过的矿石是Cu2O，且与原Cu2S的物质的量相同。据②步再加上比①步矿石质量少一半的矿石(Cu2S)反应，得出Cu2O和Cu2S的物质的量的比为2∶1。再根据生成铜和一种具有刺激性气味的气体(SO2)可写出第二个化学方程式。