第一單元+金屬的冶煉方法+高一下學(xué)期化學(xué)蘇教版（2019）必修第二冊

專題9

金屬與人類文明

第一單元

金屬的冶煉方法金屬的存在形式從青銅器時代開始，人類就開始使用金屬制作各種各樣的工具。與傳統(tǒng)的陶瓷和石器材料相比，金屬材料既有良好的可塑性，堅固耐用，而且還有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等諸多優(yōu)良性能，因而具有廣泛的應(yīng)用。大量的金屬元素存在于地殼的礦石中，必須把它們提煉出來，以滿足人類生存和發(fā)展的需要。自然金鋁土礦赤鐵礦在自然界中，只有少量的金屬元素以游離態(tài)形式存在于地殼中，如自然金和自然銀等。這些礦石中的金屬元素以單質(zhì)形式存在，表現(xiàn)出金屬的特性，通過熔鑄的方法即可對金屬進(jìn)行加工和鍛造。地殼中的大部分金屬元素都是以化合態(tài)形式存在的。例如，鐵元素存在于赤鐵礦(主要成分為Fe2O3)中，鋁元素存在于鋁土礦(主要成分為Al2O3)中。這些礦石需要通過化學(xué)方法進(jìn)行冶煉，才能獲得較為純凈的金屬。除了地殼外，還有一些金屬以離子或礦石的形式分布于海洋中，如鈉、鎂、錳等。下圖表示金屬活動性順序表中銅、錫、鐵和鋁元素被人類大規(guī)模開發(fā)利用的大致年限。在漫長的生產(chǎn)、生活實踐中，人們逐步認(rèn)識到金屬的存在形式與其活動性有關(guān)。一般而言，活動性較強(qiáng)的金屬，在自然界以各種各樣的化合態(tài)存在；活動性較弱的金屬，有可能以游離態(tài)形式存在。有的金屬元素的存在形式既有游離態(tài)又有化合態(tài)，如鐵元素有單質(zhì)(主要存在于隕石中)、氧化物和硫酸鹽等存在形式，銀元素有自然銀、輝銀礦(Ag2S)、碲銀礦(Ag2Te)等存在形式。金屬的冶煉無論原料是開采的礦石，還是從海水中獲取的物質(zhì)，利用化學(xué)反應(yīng)使金屬元素從化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)的過程稱為金屬冶煉。金屬冶煉和其他物質(zhì)的制備一樣，需要選擇合適的金屬化合物為原料，利用特定的設(shè)備，在一定條件下通過化學(xué)方法將原料轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)，并將其分離出來。工業(yè)上常用的金屬冶煉方法有熱分解法、高溫還原法和電解法等。像銀這樣的不活潑金屬，可以采用熱分解法進(jìn)行冶煉，即通過加熱它們的氧化物使其分解生成金屬單質(zhì)和氧氣。例如，我們可以通過加熱氧化銀(Ag2O)的方法來制取金屬銀。

利用金屬化合物與還原劑在高溫下的反應(yīng)，可以制備大部分金屬(如Fe、Zn等)常用的還原劑有C、CO、H2和活潑金屬等。這種高溫下借助還原劑的冶煉方法稱為高溫還原法。工業(yè)上冶煉鐵的原料是鐵礦石、焦炭和石灰石等，該反應(yīng)在高爐中進(jìn)行，又被稱為高爐煉鐵。冶煉的基本過程為：從高爐下方通入熱空氣，原料從高爐上方的傳送帶送入爐中，焦炭先與熱空氣中的氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，并放出大量的熱；二氧化碳再與灼熱的焦炭反應(yīng)，生成一氧化碳；一氧化碳在高溫下將氧化鐵還原為液態(tài)的金屬鐵，并從高爐下方分離出來。高爐煉鐵原料：鐵礦石、焦炭、石灰石等設(shè)備：煉鐵高爐原理：高溫下用還原劑將鐵從其化合物中還原出來。冶煉過程：還原劑的生成鐵礦石的還原爐渣的生成活動性較強(qiáng)的單質(zhì)鋁也可還原出鐵。將鋁粉和氧化鐵混合，在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)能夠放出大量的熱，生成氧化鋁和液態(tài)鐵。該反應(yīng)叫作鋁熱反應(yīng)，工業(yè)上常利用該反應(yīng)原理來焊接鋼軌。觀察思考將兩張圓形濾紙分別折疊成漏斗狀，在其中一個紙漏斗的底部剪一個小孔，用水濕潤，再與另一個紙漏斗套在一起，有孔紙漏斗置于內(nèi)層(使紙漏斗每邊都有4層)，架在鐵架臺的鐵圈上，其下方放置盛有細(xì)沙的蒸發(fā)皿或鐵盤。將5g干燥的氧化鐵粉末和2g鋁粉均勻混合后放入紙漏斗中，在混合物的上面加適量氯酸鉀，再在混合物中間插一根鎂條。點(diǎn)燃鎂條，觀察并記錄實驗現(xiàn)象。鋁熱反應(yīng)裝置圖實驗原理實驗現(xiàn)象實驗結(jié)論原理應(yīng)用鋁作還原劑，金屬氧化物作氧化劑，用鋁將氧化物中的金屬轉(zhuǎn)換出來1.鎂條劇烈燃燒；2.氧化鐵粉末和鋁粉發(fā)生劇烈反應(yīng)；3.反應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)出耀眼的白光；4.紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中。在高溫下，鋁粉與氧化鐵發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱，反應(yīng)方程式：1.冶煉熔點(diǎn)較高、活動性弱于Al的金屬，如釩、鉻、錳等；2.金屬焊接，如焊接鋼軌等。注意:1.鋁熱反應(yīng)的引燃劑為鎂帶，助燃劑為氯酸鉀；2.鋁熱劑為混合物，是由鋁粉和某些難熔的金屬氧化物（Fe2O3、Fe3O4、MnO2等）組成；3.鎂帶要打磨除去表面的氧化膜，否則難以點(diǎn)燃；氧化鐵粉末與鋁粉要選擇干燥的；鋁粉要用沒有被氧化過的，否則難以反應(yīng)；4.蒸發(fā)皿中的細(xì)沙要適量，既要防止蒸發(fā)皿炸裂，又要防止熔融的液體濺出傷人。某些金屬氧化物(如V2O5、Cr2O3、MnO2等)與氧化鐵化學(xué)性質(zhì)相似，也能發(fā)生鋁熱反應(yīng)生成相應(yīng)的金屬。工業(yè)上常利用鋁熱反應(yīng)來冶煉這些熔點(diǎn)較高的金屬(如釩、鉻、錳等)。鋁粉與某些難熔的金屬氧化物(如Fe2O3等)以一定比例形成的混合物被稱為鋁熱劑。對于較活潑的金屬(鈉、鎂、鋁等)，一般的還原劑很難將它們從化合物中還原出來，常采用電解熔融化合物的方法來制備這些金屬。電解法：較活潑的金屬熔融拓展視野鋁的冶煉鋁元素是地殼中含量最多的金屬元素(約占地殼總量的7.73%)，主要以鋁土礦(主要成分是Al2O3)形式存在。要從鋁土礦中提取鋁，首先要獲得純度較高的氧化鋁。主要的工藝流程如下圖所示：從鋁礦中提取鋁的工藝流程從上述工藝流程可知，鋁土礦與氫氧化鈉溶液混合時，鋁土礦中的Al2O3與NaOH能發(fā)生反應(yīng)，生成可溶于水的偏鋁酸鈉(NaAlO3)。將反應(yīng)得到的混合物過濾，除去殘渣，向濾液中通入過量CO2氣體，將其酸化，NaAlO2便轉(zhuǎn)化為Al(OH)3沉淀析出。將Al(OH)3在高溫下灼燒，即可得到Al2O3。但氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2054℃，直接加熱氧化鋁到熔融消耗的能量很大。1886年，美國化學(xué)家霍爾在氧化鋁中添加了冰晶石(Na3AlF6)，使氧化鋁熔融溫度降低至950℃，從而減少了冶煉過程中的能量消耗。從礦石中提取人們想要的元素大多需要經(jīng)歷非常復(fù)雜的變化過程，其中最關(guān)鍵的是根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物選擇合適的化學(xué)反應(yīng)，以實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。冶煉得到的金屬有時仍含有較多雜質(zhì)，需要經(jīng)過進(jìn)一步的精煉提純，以滿足實際使用。在金屬冶煉過程中，必須堅持綠色環(huán)保、循環(huán)利用、節(jié)約成本等原則。練習(xí)1.下列說法錯誤的是（

）A.工業(yè)上以氯氣和石灰乳為原料制取漂白粉B.75%(體積分?jǐn)?shù))酒精溶液能使蛋白質(zhì)變性，其消毒效果比無水酒精好C.鈉是一種強(qiáng)還原劑，可用于制取鈦、鈮等金屬D.在工業(yè)煉鐵中，焦炭的作用是直接還原鐵礦石D2.下列說法錯誤的是（

）A.臭氧是飲用水的理想消毒劑之一，因為它殺菌能力強(qiáng)且不影響水質(zhì)

B.在食品包裝袋內(nèi)放入鐵系保鮮劑可以防止食品因氧化而變質(zhì)

C.因鋁制品表面有致密的氧化膜保護(hù)層，故可長時間盛放咸菜等腌制食品

D.工業(yè)上，二氧化硫可用于漂白紙漿以及草帽等編織物C3.甲、乙兩只燒杯中各盛有100mL6mol/L的鹽酸和NaOH溶液，向兩只燒杯中分別加入等質(zhì)量的鋁粉，反應(yīng)結(jié)束后測得生成的氣體的體積比為V(甲)∶V(乙)=1∶2，則加入鋁粉的質(zhì)量為()A.10.8g

B.3.6g

C.5.4g

D.1.8gA4.下列有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的敘述正確的是()A.合成氨生產(chǎn)過程中將NH3液化分離，可加快正反應(yīng)速率，提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率

B.從海水中可以得到NaCl，工業(yè)冶煉金屬鈉可以通過電解NaCl飽和溶液獲得

C.電解精煉銅時，同一時間內(nèi)陽極溶解銅的質(zhì)量比陰極析出銅的質(zhì)量小

D.電解飽