高中化学必修二第四章第一节第1课时.docx
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高中化学必修二第四章第一节第1课时
第一节 开发利用金属矿物和海水资源
第1课时 金属矿物的开发利用
[学习目标定位] 1.知道金属在自然界中的存在形态,金属冶炼的一般方法和原理,会写相关反应的化学方程式。
2.掌握铝热反应的原理和实验。
3.了解金属回收的意义,树立环保意识。
一 金属的冶炼
1.金属元素在自然界中的存在形式
少数化学性质不活泼的金属,在自然界中能以游离态存在,如金和铂以及少量的银和铜。
化学性质比较活泼的金属,在自然界中总是以化合态存在。
这显然和金属的活动性紧密相关。
2.金属冶炼的原理和实质
金属冶炼的原理:
利用氧化还原反应的原理,在一定条件下,用还原剂或者加热、电解的方法把金属化合物还原为金属单质。
金属冶炼的实质:
金属离子
金属单质,即Mn++ne-―→M。
3.不同金属适用的冶炼方法
(1)热分解法:
适于冶炼金属活动性顺序表中位于氢以后的金属;像汞、银等不活泼金属,它们在金属活动性顺序表中位于氢的后面,其阳离子得到电子的能力很强,所以其还原条件也较容易达到。
它们的氧化物受热就能分解得到单质。
请你写出冶炼汞、银反应的化学方程式:
2HgO
2Hg+O2↑、2Ag2O
4Ag+O2↑。
(2)电解法:
位于金属活动性顺序表中氢前面的钾、钠、钙、镁、铝等几种金属的还原性很强,这些金属单质都很容易失去电子,而其对应的阳离子则氧化性很弱,很难得到电子,因此用一般的方法和一般的还原剂很难使其从化合物中还原出来,而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。
请你写出冶炼铝、钠反应的化学方程式:
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑、2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑。
(3)热还原法
适用于冶炼位于金属活动性顺序表中部的金属;常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气、活泼金属(如铝)等,多数金属的冶炼过程属于热还原法。
请你写出冶炼铁、钨、铅、铬反应的化学方程式:
Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2、
WO3+3H2
W+3H2O、
2PbO+C
2Pb+CO2↑、
Cr2O3+2Al
2Cr+Al2O3。
4.回收废旧金属
(1)回收金属的意义:
节约矿物资源、节约能源、减少环境污染。
(2)废旧金属的最好的处理方法是回收利用。
(3)回收金属的实例:
废旧钢铁用于炼钢;废铁屑用于制铁盐;从电影业、照相业、科研单位和医院X光室回收的定影液中,可以提取金属银。
[归纳总结]
1.冶炼方法的总规律:
金属活动性顺序表中,金属的位置越靠后,越容易被还原,用一般的热分解法就能使金属还原;活动性居中或不太活泼的用热还原法;金属的位置越靠前,越难被还原,往往采用电解法使金属从矿石中还原出来。
2.学习时结合金属活动性顺序表和氧化还原性强弱顺序示意图加以理解和记忆:
金属单质还原性、失电子能力依次减弱
金属阳离子氧化性、得电子能力依次增强
[活学活用]
1.冶炼金属一般有下列四种方法:
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。
四种方法在工业上均有应用。
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①B.(Ⅱ)用②
C.(Ⅲ)用③D.(Ⅳ)用④
答案 B
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)2CO3
2CuO+CO2↑+H2O,C+2CuO
2Cu+CO2↑,符合①;
(Ⅱ):
Fe+CuSO4===FeSO4+Cu,符合③;
(Ⅲ):
2Al+Cr2O3
Al2O3+2Cr,符合③;
(Ⅳ):
先从光卤石中提取MgCl2,再电解MgCl2:
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑,符合④。
2.分别用氢气和金属作还原剂治炼金属,所得金属纯度的说法正确的是( )
A.用氢气的纯度高B.用金属的纯度高
C.二者相同D.无法比较
答案 A
解析 过量的H2不会残留在被还原的金属中,所以用H2还原得到的金属纯度高。
二 铝热反应
如下图所示,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5g炒干的氧化铁粉末和2g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:
_____________________________________。
(4)如何用简单的方法证明生成物中有金属铁?
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 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 (4)用磁铁吸引生成物,磁铁上有黑色物质被吸附,则证明生成物中有金属铁。
[归纳总结]
铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物叫铝热剂,在高温下发生铝热反应,可用来冶炼难熔的相对较不活泼的金属(如V、Cr、Mn等)、焊接钢轨等。
[活学活用]
3.铝能用于冶炼难熔的金属(如Cr、V、Mn等),这不是因为( )
A.铝具有还原性
B.铝具有导电性
C.铝较Cr、V、Mn等价格便宜
D.冶炼反应放出大量的热
答案 B
4.把铝粉和氧化亚铁粉末配成铝热剂,分成两等份。
一份在高温下恰好完全反应后,再与足量盐酸反应;另一份直接放入足量的烧碱溶液中充分反应。
前后两种情况下生成的气体的质量比是( )
A.3∶2B.2∶3C.1∶1D.28∶9
答案 C
解析 本题应分析两个过程中电子转移的数目。
铝置换出铁,铁再和盐酸反应生成H2和铝直接与烧碱反应生成H2转移的电子数目应该相同,化学方程式如下:
2Al+3FeO
Al2O3+3Fe,3Fe+6HCl===3FeCl2+3H2↑;2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑;由此可看出两种情况下生成的气体的质量比为1∶1。
当堂检测
1.下列金属元素在自然界中可以游离态形式存在的是( )
A.KB.NaC.CaD.Au
答案 D
2.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,1molFe3O4被CO还原成Fe,转移9mole-
D.铝热法还原铁的反应中,放出的热量能使铁熔化。
答案 C
解析 C项,应转移8mole-。
3.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.Cr2O3C.WO3D.CuO
答案 D
解析 制备1mol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,需要铝的质量越大。
而生成1mol金属,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。
4.有0.4g铁的氧化物,用足量的CO在高温下将其还原,把生成的CO2全部通入足量澄清石灰水中,得到0.75g沉淀。
这种铁的氧化物的化学式是( )
A.FeOB.Fe2O3
C.Fe2O4D.FeO和Fe2O3
答案 B
解析 CO和铁的氧化物反应时,氧化物中的一个O原子对应一个CO2分子,每一个CO2分子对应一个CaCO3,所以有下列的关系式,假设0.4g该氧化物中含xgO。
O ~ CO2 ~ CaCO3
16100
xg0.75g
解得x=0.12
N(Fe)∶N(O)=
∶
=2∶3。
5.冶炼金属常用以下几种方法:
①以C、CO或H2作还原剂还原 ②以较活泼金属Na、Mg等还原 ③利用铝热反应原理还原 ④电解法 ⑤热分解法
下列金属各采用哪种方法还原最佳。
(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属 。
(2)Na、Mg、Al等活泼或较活金属 。
(3)Hg、Ag等不活泼金属 。
(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属 。
(5)K、Rb、Cs、Ti等金属通常还原方法是 。
答案
(1)①
(2)④ (3)⑤ (4)③ (5)②
解析 选择的方法应以节约原料和降低成本为标准,同时有较高的产率,并易分离。
根据每种金属的特点应选择最佳方案。
其中(5)K、Rb、Cs、Ti等利用的原理比较特别,不是用活泼金属置换不活泼金属,而是平衡的原理,如Na+KCl
NaCl+K,抽离钾蒸气此反应得以继续进行。
而Ti是用Na来置换的:
4Na+TiCl4
4NaCl+Ti或用Mg来置换:
2Mg+TiCl4
2MgCl2+Ti。
40分钟课时作业
[基础过关]
一、金属的性质及应用
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 由于人类掌握科学知识的局限性,越活泼的金属越难以冶炼,故发现年代越晚。
2.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
答案 B
解析 金的性质稳定,在强热条件下也不反应。
3.下列物质投入溶液中,溶液质量减轻的是( )
A.CaCO3投入到HCl溶液中
B.Na2CO3投入稀硫酸中
C.Fe粉投入CuSO4溶液中
D.Fe粉投入稀HCl溶液中
答案 C
解析 A、B项相当于把CaO、Na2O分别投入到酸溶液中,故其溶液质量增加;C项Fe元素进入溶液、Cu以单质形式析出,Fe(56)相对原子质量小于Cu(64),故C项符合题意;D项Fe元素进入溶液(HCl),H以单质形式析出,故D项溶液质量增加。
4.除去Cu粉中的Al粉不能( )
A.加入稀H2SO4,过滤
B.加入NaCl溶液,过滤
C.加入NaOH溶液,过滤
D.加入CuSO4溶液,过滤
答案 B
解析 A、C、D项均可溶解Al使其进入溶液,从而与Cu分离,故选B项。
5.实验室欲使1.6g氧化铁完全还原,事先应准备的CO在标况下的体积为( )
A.672mLB.336mL
C.大于672mLD.小于336mL
答案 C
解析 由3CO+Fe2O3
2Fe+3CO2可知消耗CO672mL,但气体与固体反应不充分,反应前要先通入一会儿CO赶尽空气,Fe冷却要在CO的气氛中,故CO实际用量应大于672mL。
6.金属K与Na金属性相近,用K与钠盐共熔时,很难将Na从混合物中分离。
若调整温度到一定程度,则可用Na与KCl反应制取金属K。
已知四种物质的熔、沸点如下:
K
Na
KCl
NaCl
熔点/℃
63.65
97.8
770
801
沸点/℃
774
882.9
1500(升华)
1431
根据平衡移动原理可推知,用Na与KCl反应制K的适宜温度是( )
A.97.8~770℃B.770~774℃
C.774~882.9℃D.1413~1500℃
答案 C
解析 在金属活动性顺序表中,Na排在K的后面,似乎不能从K的熔融盐中置换出K。
但将Na与KCl共熔,其共熔体中Na+、K+、Cl-和e-自由移动,如果继续加热,则Na、K、NaCl和KCl先沸腾者先逸出。
工业上,就是采用这种原理用Na还原K的,因为K的沸点比Na、NaCl、KCl的沸点都低,且低于NaCl的熔点。
二、金属的冶炼方法
7.不能用热分解法制得的金属是( )
①Fe ②Ag ③Mg ④Hg
A.①③B.②④C.①④D.②③
答案 A
解析 热分解法一般用于很不活泼的银、汞等金属的冶炼,它们的化合物大多不稳定,比如氧化银受热时能够分解为相应的金属单质,而活泼金属的化合物一般相当稳定,加热很难分解。
因此,比较活泼的铁和镁不能够通过热分解法制得。
8.热还原法冶炼金属的反应一定是( )
A.氧化还原反应B.置换反应
C.复分解反应D.分解反应
答案 A
解析 热还原法冶炼金属的反应一定不是复分解反应,也一定不是分解反应,不一定是置换反应,如3CO+Fe2O3
2Fe+3CO2,但一定是氧化还原反应。
9.电解无水MgCl2所得镁蒸气冷却后即得固体镁。
镁可在下列哪种气体氛围中冷却( )
A.H2B.CO2
C.O2D.空气
答案 A
解析 Mg在加热条件下可与O2、CO2、N2反应。
故选A。
10.下列有关金属冶炼的说法中,不正确的是( )
A.用电解熔融氯化镁的方法冶炼金属镁
B.在加热情况下利用氢气还原三氧化二铝得到金属铝
C.用铝热法炼得熔点较高的金属铬
D.直接加热氧化汞得到金属汞
答案 B
解析 铝的活泼性比氢强,应选用电解法冶炼。
11.将氢气通过10gCuO粉末加热片刻,冷却后剩余固体质量为8.4g,那么下列计算正确的是( )
A.有1.6gH2O生成
B.有8.4gCu生成
C.有80%的CuO被还原
D.实验过程中所消耗的氢气为0.2g
答案 C
解析 CuO+H2
H2O + Cu 固体质量减少Δm
80 2 18 64 16
x y m(H2O) m(Cu) 10-8.4=1.6
m(H2O)=1.8g m(Cu)=6.4g
被还原的CuO为
×100%=
×100%=80%
参与反应消耗H2为0.2g,但实际提供的氢气大于0.2g。
[能力提升]
12.某校兴趣小组同学收集到含有硝酸银的溶液10g,他们利用铁锌合金回收其中的金属银,其实验过程如图所示。
(1)固体A的成分是 (填化学式),滤液C中一定含有的溶质是 (填化学式)。
(2)写出铁与硝酸银反应的化学方程式:
__________________________________
________________________________________________________________________。
(3)原硝酸银溶液中的溶质的质量为 。
答案
(1)Ag和Fe Zn(NO3)2
(2)Fe+2AgNO3===Fe(NO3)2+2Ag
(3)1.7g
解析
(1)在金属的活动性顺序里,铁比银活泼,锌比铁活泼,在此反应里,锌既和硝酸银反应,也能和铁和硝酸银反应生成的硝酸亚铁反应,溶液中一定含有Zn(NO3)2,因固体A能被磁铁吸引,固体B与稀硫酸无明显变化,故A为Ag和Fe,滤液C中一定有Zn(NO3)2。
(2)根据金属活动性顺序:
K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au,金属的活动性铁>银,铁能与硝酸银反应生成硝酸亚铁和银,Fe+2AgNO3===Fe(NO3)2+2Ag。
(3)根据框图,固体A为2.25克Ag和Fe,固体B为1.08克,与硫酸不反应为Ag,银的物质的量为n=
=0.01mol,根据银原子守恒,AgNO3~Ag,所以硝酸银的物质的量为0.01mol,质量为m=0.01mol×170g·mol-1=1.7g。
13.铁是应用最广泛的金属,自远古时代人类就学会了炼铁,到目前为止,人类研制出了很多炼铁的方法。
某研究性学习小组同学在实验室中模拟工业炼铁的过程,实验装置如下:
(1)写出得到单质铁的化学方程式:
___________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑,请设计一个实验来验证生成了单质铁:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)装置末端气球的作用为_____________________________________________。
实验结束时,应该先停止加热还是先停止通入CO并说明原因________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
(2)取少量粉末放于试管中,加少量盐酸,若产生无色无味气体,则证明生成了单质铁
(3)收集未反应的CO,防止污染空气 先停止加热,防止生成的铁再次被氧化
解析 检验是否生成单质,在反应结束后,待玻璃管内的固体冷却,取少量放于试管中,加少量盐酸,若产生无色无味气体(H2),则证明生成了单质铁;反应结束后,得到的铁还是赤热的,若先停止通入CO,会导致铁又被氧化,所以,应该先停止加热,待玻璃管内的固体冷却后,再停止通入CO。
14.在某次探究性学习中,老师要求同学们在实验室中用氧化铜、稀硫酸和铁来制取纯净的铜,并用所制得的铜进行一系列的探究性实验。
甲、乙两位同学分别设计了如下两个制铜实验方案。
甲:
①CuO溶于适量稀硫酸中;
②在①的溶液中加入稍过量的铁,充分反应后,过滤、烘干,即得纯净的铜。
乙:
①铁与稀硫酸反应得氢气;
②用氢气还原氧化铜,充分反应后即得纯净的铜。
(1)若两位同学消耗的稀硫酸和铁的量分别相同,请判断他们所制得铜的质量大小关系(填选项的标号) (填字母序号)。
A.相同B.甲多
C.乙多D.以上三种情况均有可能
(2)丙同学认为上述两种方案都难以保证所制的铜的纯度,应对上述两种方案加以完善。
甲同学的方案不完善的原因:
______________________________________________
________________________________________________________________________,
完善乙同学的方案的一种方法是将所得的铜粉放入烧杯中,加入 ,不断搅拌,然后 即得到纯净的铜。
答案
(1)B
(2)产物中可能混有铁并且没有洗涤 过量稀硫酸 过滤、洗涤,烘干
解析
(1)在用氢气还原氧化铜的反应中,应选通入H2,赶走空气,然后才能加热,并且反应结束后应先撤去酒精灯,再停止通入H2,因此所制得的H2并没有全部参与CuO的还原,故生成的铜少。
(2)甲方案中铁过量,并且过滤后没有洗涤,产物中混有铁粉也可能混有FeSO4。
而乙方案中可能混有CuO,应加入稀硫酸除去CuO。
[拓展探究]
15.钛(Ti)被称为继铁、铝之后的第三金属,钛白(TiO2)是目前最好的白色颜料。
制备TiO2和Ti的原料是钛铁矿,我国的钛铁储量居世界首位。
含Fe2O3的钛铁矿(主要成分为FeTiO3)制备TiO2流程如下:
(1)步骤①加Fe的目的是 ;步骤②冷却的目的是________________________________________________________________________。
(2)上述制备TiO2的过程中,可以利用的副产物是 ;考虑成本和废物综合利用因素,废液中应加入 处理。
(3)由金红石(TiO2)制取单质钛(Ti),涉及到的步骤为
―→
反应TiCl4+2Mg===2MgCl2+Ti在Ar气氛中进行的理由是____________________。
答案
(1)将Fe3+还原为Fe2+ 析出绿矾(FeSO4·7H2O)
(2)绿矾(FeSO4·7H2O) 生石灰(或碳酸钙、废碱)
(3)防止高温下镁或钛与O2、N2等反应
解析
(1)分析框图知,铁最终转化成副产品绿矾,所以要将+3价Fe转化为+2价Fe,降温减小FeSO4·7H2O的溶解度,有利于绿矾结晶。
(2)水浸后发生的离子反应为TiO2++2H2O===H2TiO3↓+2H+,废液主要呈酸性,所以应加入CaO、CaCO3或碱。
(3)反应后Ti和Mg易与空气中O2、N2等反应,故应在Ar气氛中进行。
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