小初高学习学年高中化学 专题3 从矿物到基础材料 第二单元 铁铜的获取及应用.docx
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小初高学习学年高中化学专题3从矿物到基础材料第二单元铁铜的获取及应用
第二单元铁、铜的获取及应用
第一课时从自然界获取铁和铜
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[课标要求]
1.了解铁、铜的冶炼。
2.掌握金属冶炼的一般方法。
1.常见的铁矿有磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)等,常见的铜矿有黄铜矿(CuFeS2)、孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]等。
2.工业上主要采用高温冶炼黄铜矿(CuFeS2)的方法获得粗铜后经过电解精炼得到
精铜。
3.常见金属的冶炼方法:
①K、Ca、Na、Mg、Al用电解法;②金属活动性顺序
中Zn~Cu用高温还原法;③Hg、Ag用热分解法;④Cu、Zn还可用湿法冶炼。
1.铁、铜的存在
铁、铜在自然界中主要以化合态的形式存在。
(1)铁矿有磁铁矿(主要成分为Fe3O4)、赤铁矿(主要成分为Fe2O3)等。
(2)铜矿有黄铜矿(主要成分为CuFeS2)、孔雀石[主要成分为CuCO3·Cu(OH)2]等。
2.铁、铜的早期获取
人们最早利用的单质铁和单质铜均直接来自于自然界。
所不同的是铁单质只存在于从天而降的陨铁中,所以古代人称铁为“天石”,而铜则来自于地球上自然存在的少量单质铜。
3.铁的冶炼
(1)设备:
炼铁高炉。
(2)原料:
铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。
(3)主要反应
①还原剂的生成。
a.生成CO2:
C+O2高温,CO2,
b生成CO:
CO2+C高温,2CO。
②铁的生成:
Fe2O3+3CO高温,2Fe+3CO2。
③炉渣的形成:
a.CaCO3高温,CaO+CO2,
b.CaO+SiO2高温,CaSiO3。
[特别提醒]
使用炼铁高炉得到的是含碳2%~4.5%的生铁,生铁经过进一步冶炼,包括降碳,调硅锰,除硫、磷,得到含碳量0.03%~2%的钢。
4.炼铜
(1)工业炼铜:
工业上采用高温冶炼黄铜矿(主要成分为CuFeS2)的方法得到铜。
黄铜矿
冰铜―→粗铜(含Ag、Au、Fe、Zn等杂质)
精铜
(2)生物炼铜(矿堆浸铜法)
①原理:
CuS
CuSO4
Cu。
②特点:
成本低、污染小、反应条件简单等。
1.高炉炼铁的生产中,下列说法正确的是( )
A.焦炭和一氧化碳都是还原剂
B.采用富氧空气可以得到纯铁
C.加石灰石的目的主要是为了得到CO2
D.用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿和黄铁矿
解析:
选A 高炉炼铁的生产中,焦炭燃烧生成二氧化碳,二氧化碳再和焦炭反应生成一氧化碳,一氧化碳还原铁的氧化物,在反应中焦炭和一氧化碳是还原剂,A正确;采用富氧空气是为了焦炭能充分燃烧,B不正确;加石灰石的目的主要是为了造渣,C不正确;黄铁矿中铁的含量低,一般不用于冶炼生铁,D不正确。
2.回答下列关于高炉炼铁的问题:
(1)炼铁的原料有______________________________________________________。
(2)焦炭的作用有两点:
一是____________,化学方程式为_______________________;
二是__________,化学方程式为______________________________________________。
(3)铁矿石的作用是________,化学方程式(以赤铁矿为例)为_____________________。
(4)生石灰的作用是________,化学方程式为__________________________________
________________________________________________________________________。
答案:
(1)铁矿石、焦炭、空气、石灰石
(2)燃料,提供能量 C+O2
CO2 生成还原剂 C+CO2
2CO
(3)炼铁基础原料,作氧化剂 Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2 (4)造渣材料 CaCO3
CaO+CO2↑
CaO+SiO2
CaSiO3
1.金属的冶炼
金属冶炼是把金属从化合态变为游离态的过程。
2.金属的活泼性与金属的冶炼方法
(1)少数不活泼的金属在自然界中以单质形式存在,如金、铂等。
大部分金属以化合态形式存在于自然界,金属越不活泼,从其化合物中还原出来越容易,金属越活泼从其化合物中还原出来越困难。
(2)金属活泼性与冶炼方法的关系如下:
3.高温还原法的冶炼金属的分类和优、缺点
(1)分类
(2)优、缺点
用氢气还原法冶炼金属,纯度高,但成本也高;用一氧化碳和炭还原法冶炼金属,纯度低,冶炼成本也低;用铝热法可以冶炼熔点高难冶炼的金属,成本较高。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)在自然界中金属都以化合态存在( )
(2)在金属化合物中金属元素都显正价( )
(3)金属冶炼过程中,金属化合物得到电子发生氧化反应( )
(4)金属的活动性越强,即金属失电子的能力越强( )
答案:
(1)×
(2)√ (3)× (4)√
2.下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是( )
选项
冶炼原理
方法
A
2HgO
2Hg+O2↑
热分解法
B
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电解法
C
Cu2S+O2
2Cu+SO2
热分解法
D
Fe2O3+2Al
2Fe+Al2O3
高温还原法
解析:
选C 活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼,中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用高温还原法冶炼,不活泼金属Hg、Ag利用热分解法冶炼,故A、B、D正确。
C错误,C项为火法炼铜。
[三级训练·节节过关]
1.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.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氧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
解析:
选C 铝可以作还原剂冶炼一些高熔点的金属,如2Al+Fe2O3高温,2Fe+Al2O3;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。
2.目前工业上冶炼铝通常采用的方法是( )
A.CO或H2还原法 B.铝热反应法
C.电解法D.热分解法
解析:
选C 目前工业上冶炼金属铝采用的是电解熔融的Al2O3来得到金属铝。
3.下列反应能通过置换反应生成铁的是( )
①Zn+FeCl2(溶液) ②Na+FeSO4(溶液) ③Fe2O3+CO(高温) ④Fe3O4+H2(高温) ⑤Al+Fe2O3(引燃)
A.①③④⑤B.①②③
C.①④⑤D.①②③④⑤
解析:
选C ②中钠先与水反应生成NaOH,再与FeSO4发生复分解反应,并不能置换出铁;③该反应虽然生成铁,但不是置换反应,其余皆符合题意。
4.冶炼金属一般有下列方法:
①焦炭法 ②水煤气(或氢气或一氧化碳)法 ③活泼金属置换法 ④电解法。
(1)对下表中的金属冶炼方法进行分析,从上述四种方法中选择相应的序号填入空格中。
火烧孔
雀石炼铜
湿法
炼铜
铝热
法炼铬
从光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)中炼镁
(2)各列举一个使用上述方法冶炼金属的例子(用化学方程式表示)。
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________;
③________________________________________________________________________;
④________________________________________________________________________。
解析:
(1)火烧孔雀石炼铜是用C还原孔雀石分解得到CuO,选①;湿法炼铜和铝热法炼铬都是利用活泼金属置换较不活泼的金属,选③;光卤石炼镁的反应为MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑,选④;
(2)金属活动性较强的金属、活动性介于Zn~Cu之间的金属、活动性较弱的金属分别采用电解法、高温还原法、热分解法冶炼。
答案:
(1)① ③ ③ ④
(2)①2Fe2O3+3C
4Fe+3CO2↑
②3H2+WO3
W+3H2O
③3MnO2+4Al
3Mn+2Al2O3
④2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
1.下列说法中,不正确的是( )
A.金属的冶炼,就是利用氧化还原反应原理,在一定条件下将金属从其化合物中还原出来
B.冶炼金属时,必须加入一种物质作为还原剂
C.金属由化合态变为游离态,都是被还原
D.金属单质被发现和应用得越早,其活动性一般越弱
解析:
选B 由金属冶炼的方法可知,金属冶炼时,除用高温还原法外,还可用电解法、热分解法,后两种方法不用加入还原剂,B不正确。
2.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+3C
2Al+3CO↑
C.Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
D.2Ag2O
4Ag+O2↑
解析:
选B 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。
3.铝能用于冶炼金属铁、钒、铬、锰等,其原因是铝具有( )
A.两性
B.导电性好
C.熔点低
D.还原性强,且反应放出大量热
解析:
选D 铝能用于冶炼金属铁、钒、铬、锰等,其原因一是铝比铁、钒、铬、锰等活泼,铝能把其置换出来;二是反应放出大量的热使反应得以进行,D正确。
4.下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是( )
A.MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑
B.TiCl4+4Na
Ti+4NaCl
C.Al2O3+3H2
2Al+3H2O
D.Fe3O4+4CO
3Fe+4CO2
解析:
选C 工业上用电解Al2O3的方法制取单质Al。
5.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。
下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
解析:
选D 人类对材料的使用经历了一个由易到难,由简单到复杂的过程,所以金属活动性较差、容易冶炼的金属最先被人发现和利用。
6.用H2、C、CO分别与等质量的氧化铁在高温下反应,使氧化铁中的铁全部还原出来,消耗H2、C、CO的质量比为( )
A.1∶1∶1B.1∶3∶14
C.1∶6∶14D.2∶1∶2
解析:
选B 由3H2~Fe2O3,
C~Fe2O3,3CO~Fe2O3可知,相同的质量的氧化铁需要的还原剂的质量比为:
(3×2)∶
∶(3×28)=1∶3∶14。
7.工业上,常用Mg还原法制取金属Ti,反应原理如下:
2Mg+TiCl4
2MgCl2+Ti。
下列说法正确的是( )
①该反应属于置换反应;②该反应属于氧化还原反应;
③该反应表明Mg比Ti活泼;④Ti被誉为“21世纪的金属”,在航天工业上有广泛用途。
A.只有①②B.只有③④
C.只有①②③D.全部
解析:
选D 由单质Mg从化合物TiCl4中置换出金属Ti,化合价发生变化,故①②正确;在反应中Mg作还原剂,Ti是还原产物,故Mg的还原性比Ti强,③正确;④Ti为性能优良的金属,广泛应用于航天工业,④正确。
8.用足量的CO还原32.0g某种氧化物,将生成的气体通入足量澄清石灰水中,得到60.0g沉淀,则该氧化物是( )
A.FeOB.Fe2O3
C.CuOD.Cu2O
解析:
选B n(CO2)=n(CaCO3)=
=0.6mol,则氧化物中氧元素也为0.6mol,m(O)=0.6mol×16g·mol-1=9.6g。
金属的质量为32g-9.6g=22.4g,假设为Fe元素,n(Fe)∶n(O)=
∶0.6mol=2∶3;假设为Cu元素,n(Cu)∶n(O)=
∶0.6mol=7∶12。
9.冶炼金属常用以下几种方法:
①以C、CO或H2作还原剂;②利用铝热反应原理还原;③电解法;④分解法。
下列金属各采用哪种方法还原最佳(用序号填写下列空白)。
(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属:
_________________________________________。
(2)Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属:
____________________________________。
(3)Hg、Ag等不活泼金属:
_____________________________________________。
(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属:
_______________________________________。
解析:
活泼的金属,如Na、Mg、Al用电解法冶炼,不活泼的金属,如Hg、Ag用热分解法冶炼,中等活泼的金属,如Fe、Zn、Cu用高温还原法冶炼,难熔金属如V、Cr、Mn、W等用铝热反应冶炼。
答案:
(1)①
(2)③ (3)④ (4)②
10.铁是地壳中含量很丰富的元素,也是生物体所必需的元素。
自然界中铁矿石主要有赤铁矿和磁铁矿。
金属铁是在高炉中冶炼的,高炉炼铁除了加入铁矿石外,还需加入焦炭和石灰石。
请填空:
(1)写出磁铁矿主要成分的化学式:
______________________________________。
(2)写出焦炭在高炉中所参与反应的两个化学方程式:
________________________________________________________________________。
(3)写出CaCO3所参与有关反应的两个化学方程式:
________________________________________________________________________。
解析:
赤铁矿主要成分为Fe2O3,磁铁矿主要成分为Fe3O4,铁元素在这两种矿石中均以化合态形式存在。
高炉炼铁就是用还原剂将铁矿石中的Fe还原出来的过程。
答案:
(1)Fe3O4
(2)C+O2
CO2,CO2+C
2CO
(3)CaCO3
CaO+CO2↑,CaO+SiO2
CaSiO3
1.下列关于钙、钾、铜的冶炼方法正确的是( )
A.电解法、热分解法、热还原法
B.电解法、电解法、高温还原法
C.高温还原法、热分解法、高温还原法
D.电解法、电解法、热分解法
解析:
选B 钙、钾是活泼的金属,应采用电解的方法冶炼,铜是中等活泼金属,采用高温还原方法来冶炼。
2.下列有关金属冶炼说法不正确的是( )
A.电解饱和NaCl溶液制备Na
B.电解熔融的MgCl2制备Mg
C.CO还原赤铁矿(Fe2O3)可用于炼铁
D.Fe和CuSO4溶液的反应可用于湿法炼铜
解析:
选A A项,电解饱和氯化钠溶液得到氢气、氯气、氢氧化钠,不能得到Na单质,错误;B项,电解熔融的氯化镁可以制取Mg,正确;C项,CO具有还原性,可以还原金属氧化物为金属单质,正确;D项,Fe与硫酸铜发生置换反应得到Cu单质,被称为湿法炼铜,正确。
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
解析:
选B 冶炼难熔金属通常用铝热法。
4.在冶金工业上,均不能用通常化学还原剂制得的金属组是( )
A.Na,Mg,AlB.Na,K,Zn,Fe
C.Zn,Fe,Cu,AgD.Mg,Al,Zn,Fe
解析:
选A A项,Na、Mg、Al都是活泼的金属,应该用电解的方法冶炼而不能用还原剂还原,正确;B项,Na、K用电解法冶炼,而Zn、Fe用高温还原法冶炼,错误;C项,Zn、Fe用高温还原法冶炼,而Cu、Ag用热分解的方法冶炼,错误;D项,Mg、Al用电解法冶炼,而Zn、Fe用高温还原法冶炼,错误。
5.下列有关金属的工业制法中,正确的是( )
A.炼铜:
用黄铜矿(主要成分为CuFeS2)直接电解精炼得到纯度为99.9%的铜
B.制铝:
工业上电解熔融氯化铝来制备铝
C.制钠:
电解饱和NaCl溶液
D.炼铁:
用CO在高温下还原铁矿石中的铁
解析:
选D 电解精炼铜时用粗铜作阳极,纯铜作阴极,硫酸铜作电解液进行电解,A项错误;工业上电解熔融的氧化铝制备铝,B项错误;制取钠时电解的是熔融的氯化钠,C项错误,D项正确。
6.在熔融状态下,Na与KCl存在可逆反应:
Na+KClNaCl+K,通过调整温度,可利用金属Na来制取K。
物质
K
Na
KCl
NaCl
熔点/℃
63.6
97.8
770
801
沸点/℃
774
883
1500
1413
根据上表的熔点和沸点,确定由Na与KCl反应制取K的合适温度为( )
A.770℃B.801℃
C.850℃D.770~801℃
解析:
选C K、Na的活泼性相近,要从上述可逆的置换反应中制取K,主要是利用K的沸点比Na的低而控制温度使K汽化。
其余三种物质均为液体,便于生成的K蒸气不断逸出,使反应向生成K的方向进行而制得K。
在801~883℃合理。
7.用铝热法还原下列化合物,若获得金属各1mol,消耗铝最少的是( )
A.MnO2B.Cr2O3
C.WO3D.CuO
解析:
选D 得到1mol金属时转移电子的物质的量越少,则消耗Al越少,从而可知,金属的化合价越低,被还原时,需要的电子越少,消耗的铝越少。
8.赤铜矿的主要成分是氧化亚铜(Cu2O),辉铜矿的主要成分是硫化亚铜(Cu2S),将赤铜矿与辉铜矿混合加热有如下反应:
Cu2S+2Cu2O
6Cu+SO2↑。
下列对于该反应的说法中,正确的是( )
①该反应中的氧化剂只有Cu2O ②Cu2S在反应中既是氧化剂又是还原剂 ③Cu既是氧化产物又是还原产物
④氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶6
A.①②B.②③
C.①③D.②④
解析:
选D 该反应中,Cu2S既是氧化剂又是还原剂,Cu2O是氧化剂;Cu是还原产物,SO2是氧化产物。
9.已知Al、Cu、Hg三种金属分别用如下方法冶炼:
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑,H2+CuO
Cu+H2O,2HgO
2Hg+O2↑。
(1)分析以上信息,可总结出金属冶炼方法与金属活动性强弱之间的关系是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)利用
(1)中的结论,并结合题目信息,写出工业上用CaCl2冶炼金属钙的化学方程式________________________________________________________________________。
(3)在某些特殊环境下,往往用铝热反应来冶炼一些难熔金属,请据此法写出用MnO2冶炼金属锰的化学方程式:
________________________________________________________________________。
解析:
(1)金属的冶炼方法与金属在自然界中的存在状态、金属活泼性有关。
一般来说,活泼的金属采用电解法冶炼(如K、Ca、Na、Mg、Al等),中等活泼的金属用高温还原法冶炼(如Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等),不活泼的金属用热分解法冶炼(如Hg、Ag等)。
(2)Ca是活泼的金属,工业上用电解熔融CaCl2的方法冶炼。
(3)金属铝和MnO2发生置换反应生成单质锰和氧化铝。
答案:
(1)活泼的金属一般采用电解法冶炼,中等活泼的金属一般采用高温还原法冶炼,不活泼的金属一般采用热分解法冶炼
(2)CaCl2(熔融)
Ca+Cl2↑
(3)4Al+3MnO2
2Al2O3+3Mn
10.钢铁工业对促进经济和社会的发展具有重要的意义,现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。
其设备如图所示:
炼铁的炉料(铁矿石、焦炭、石灰石等)由高炉的顶部投入,原料在下降过程中与高炉气气流在炉身部分发生作用。
请回答下列问题:
(1)焦炭在炼铁的过程中所起的作用是_____________________________________
________________________________________________________________________。
(2)采用炉料从上部加入,热空气从下部通入的工艺,其目的是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)写出以赤铁矿为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应____________________。
(4)高炉气中含有的主要气态污染物是______________________________________,
若直接排放将污染空气,因此应回收利用,请写出该污染物的一种用途________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
(1)焦炭在炼铁的过程中既作为能源提供反应所需要的能量,同时生成CO作为还原剂,还原出铁矿石中的Fe;
(2)采用炉料从上部加入,热空气从下部通入的工艺,主要是采用逆流操作,不仅利于矿石与还原性气体充分接触,还增加了接触时间,利于反应;(3)炼铁高炉中发生的主要反应就是还原剂的生成及生成铁的反应;(4)高炉气的主要成分有:
CO、CO2等,其主要气态污染物是有毒的CO;回收利用CO,可用作燃料或作还原剂等。
答案:
(1)既提供热量,又产生还原剂CO
(2)采用逆流接触操作,使矿石与还原性气体充分接触、反应
(3)C+O2
CO2,CO2+C
2CO,Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
(4)CO 作燃料(或还原剂)
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