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9.1 金属的冶炼方法
【学习目标】
1.知道常见金属在自然界中的主要存在形式。
2.掌握高炉炼铁的原理及过程。
3.了解常见金属的冶炼方法,能从物质性质解释金属冶炼方法的差异。
【合作探究】
【学习情境】
依据人类所使用的工具不同可以把人类的历史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代,直到现在我们所处的信息时代。金属的冶炼与使用使人类社会从石器时代进入金属时代,生产工具得到了极大的改善,促进了生产力和人类社会的发展。即使是现在,金属依然在生产生活中具有重要用途,因此我们很有必要探讨一下金属的冶炼。
任务1　金属的存在形式
【新知生成】
金属的存在形式
在自然界中,只有少量的金属元素(如　　　　、　　　　)以　　　　形式存在于地壳中。
活动性较强的金属,在自然界以各种各样的　　　　存在。例如,铝元素存在于　　　　(主要成分为Al2O3)中。
活动性较弱的金属,有可能以　　　　形式存在。例如,铁元素有单质(主要存在于　　　　中)、　　　　和硫酸盐等存在形式。
【答案】金　银　游离态　化合态　铝土矿　游离态　陨石　氧化物
【核心突破】
典例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。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
【答案】D
【归纳总结】
自然界金属元素的分类
1.从化合价角度:绝大部分以化合态形式存在,少量以游离态形式存在
2.从分布区域角度:大部分以矿石形式存在地壳中,少部分以离子或矿石存在海洋中。
3.从物质类别角度:主要有氧化物、氯化物、硅酸盐、硫酸盐等。
训练1　人类最早冶金的历史年代曲线图如图所示(-1000表示公元前1000年),下列说法正确的是(　　)。
A.金属越活泼,冶炼的年代一定越晚
B.金属钠的冶炼迟于电池的发明
C.自然界中铜元素以游离态形式存在,故铜的冶炼年代最早
D.金属氧化物(如Al2O3、Cu2O)也属于金属材料
【答案】B
【解析】由图可知,Cu的冶炼年代比Au、Ag早,所以金属活动性强的冶炼的年代不一定晚,A项错误;金属钠的冶炼采用电解熔融氯化钠的方法,B项正确;单质铜易形成铜锈,所以铜在自然界中主要以化合态存在,C项错误;金属氧化物(如Al2O3、Cu2O)不属于金属材料,金属单质或合金属于金属材料,D项错误。
任务2　金属的冶炼
【新知生成】
一、概念
利用　　　　使金属元素从　　　　　　　　　态变为　　　　　　　　　态的过程。
二、常用方法
1.热分解法:2Ag2O　　　　　　　　;
2.高温还原法:　　　　　　　　(铝热反应);
3.电解法:2Al2O3　　　　　　　　　。
【答案】化学反应　化合　游离　4Ag+O2↑　2Al+Fe2O32Fe+Al2O3　4Al+3O2↑
【核心突破】
典例2　下列关于高炉炼铁生产说法正确的是(　　)。
A.还原氧化铁的还原剂是焦炭
B.采用富氧空气可以得到纯铁
C.加石灰石的目的主要是除去过量碳
D.用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿
【答案】D
【解析】A项中,焦炭发生的反应:C+O2CO2、CO2+C2CO,其中CO将铁矿石中的铁还原成铁单质,A项错误;高炉炼铁得到的只是含碳量为2%~4.3%的生铁,不会得到纯铁,B项错误;加入石灰石的目的是让它在高温下分解成生石灰,继而再与SiO2反应生成CaSiO3炉渣,除去杂质SiO2,C项错误。
【归纳总结】
金属铁冶炼过程中发生的反应
　　训练2　已知Al、Cu、Hg三种金属分别用如下方法冶炼:
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑,H2+CuOCu+H2O,2HgO2Hg+O2↑。
(1)分析以上信息,可总结出金属的冶炼方法与其金属活动性强弱之间的关系是　 。
(2)利用(1)中的结论,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,请写出据此法用MnO2冶炼金属锰的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)非常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+3MnO22Al2O3+3Mn
【解析】(1)金属的冶炼方法与金属在自然界中的存在状态、金属活动性有关。非常活泼的金属一般采用电解法冶炼(如K、Ca、Na、Mg、Al等),中等活泼的金属一般采用高温还原法冶炼(如Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等),不活泼的金属一般采用热分解法冶炼(如Hg、Ag等)。(2)Ca是非常活泼的金属,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。
【课堂小结】
【随堂检测】
1.下列关于金属冶炼的说法正确的是(　　)。
A.金属冶炼的本质是将化合态金属还原为游离态,冶炼方法由金属的活动性决定
B.铜的湿法冶炼是将金属钠投入CuSO4溶液中,从而置换出铜
C.铁通常采用热还原法冶炼,加入石灰石的目的是除去过量的碳
D.用海水作原料制得精盐,再电解纯净的NaCl溶液可制得金属钠
【答案】A
【解析】A项,关于金属冶炼的本质和方法的叙述是正确的;B项,湿法炼铜是用铁置换出铜;C项,炼铁中加入石灰石是为了除去二氧化硅杂质;D项,工业电解熔融的NaCl来制取Na。
2.以辉铜矿(Cu2S)为原料冶炼铜,其反应原理可表示为Cu2S+O22Cu+SO2。下列说法不正确的是(　　)。
A.化合价发生变化的元素有3种
B.Cu2S在该反应中既作还原剂又作氧化剂
C.1 mol O2参加反应时,上述反应转移电子总物质的量为4 mol
D.SO2被分离、回收后氧化生成SO3,作为制取硫酸的原料
【答案】C
3.工业上制备下列金属,采用的化学反应原理错误的是(　　)。
A.铝:2AlCl3(熔融)2Al+3Cl2↑
B.铁:Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
C.钛:TiCl4+4NaTi+4NaCl
D.汞:HgSHg+S
【答案】A
4.下列说法错误的是(　　)。
A.有些活泼金属(如铝)可作热还原法冶炼金属的还原剂
B.可用电解熔融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,A项正确;金属钠用电解熔融NaCl的方法制取,B项正确;铝是活泼金属,很难用还原剂把它还原出来,C项错误;回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物,D项正确。
5.据《天工开物》记载,我国古代以炉甘石(主要成分是ZnCO3)来“升炼倭铅”(如图1,倭铅即锌),其装置示意图如图2所示,涉及的反应有ZnCO3CO2↑+ZnO、CO2+C2CO、ZnO+COZn(g)+CO2。已知锌的熔点为419.4 ℃,沸点为902 ℃。则下列说法不正确的是(　　)。
图1　图2
A.“升炼倭铅”过程中包含氧化还原反应
B.“锌火”是锌蒸气和一氧化碳在空气中燃烧形成的
C.“泥封”的目的是防止得到的锌被氧化
D.冶炼时锌变为蒸气在“兜室”冷凝为固体
【答案】D
【解析】反应区温度达到1100~1300 ℃,Zn变为蒸气与杂质分离,在“兜室”冷凝为液体流出(冷凝区温度高于Zn的熔点),故D项错误。
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