1、第 16 课时 金属的冶炼 学案 【学习目标】 1.了解金属在自然界中的存在形态。 2.掌握金属的冶炼原理和冶炼方法。 3.了解钢铁的冶炼及铝的冶炼的主要设备和有关原理。 【重点难点】 高炉炼铁及电解法炼铝的原理、生产过程和主要设备。 课前预习 【情景材料】不同金属的化学活动性不同，它们在自然界中存在形式也各不相同。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、铂、铜、银；化学性质比较活 泼的金属，在自然界中以化合态存在。大多数金属在自然界中是以化合态存在的，如铝以 铝土矿形式存在，铁以铁矿石形式存在。人们日常应用的金属材料，多为合金或纯金属， 这就要求人闪必须把金属从从矿物中提
2、炼出来，也就是金属的冶炼，我们这节课介绍几种 金属的冶炼方法。 【预习内容】 根据教材有关内容填写下列空白： 一、从矿石中获得金属的基本问题 1获得金属材料的过程 获得金属材料首先要通过 方法把 中提取出来，一般要 经过 和 (主要包括 、 、 等工序)及 阶段。 2金属冶炼的基本原理 金属冶炼的基本原理是 。 3金属冶炼的方法 (1)火法冶金：是指 的冶金方法。 (2)湿法冶金：是指 的冶金过程。 二、钢铁的冶炼 1生铁的冶炼 (1)几种矿石的主要成分：磁铁矿 ，赤铁矿 ，褐铁矿 黄铁矿 。 (2)原理：在高温下用 。以赤铁矿为 例，用方程式表示为：3COFe 2O3 2Fe3CO 2。 (
3、3)原料： 、 、 、 。 (4)石灰石的作用： ，有关方程式为： 。 (5)设备： 。 2钢的冶炼 (1)原理：在高温下用 ，再添加硅、锰、铝等其他合金作为 ，调整钢水的成分。 (2)原料： 。 (3)主要的反应： ； ； ； 。 3铝的冶炼 (1)原料： 。 (2)提纯 Al2O3，用化学反应方程式表示为： ； ； 。 (3)电解 Al2O3 电解质是 ，加入 少量降低熔点的物质是 ，阳极和阴极的材料是 ，在 电解槽中进行。 电解原理： 总反应式： 。 电极反应： 阳极： ； 阴极： 。 预习内容答案 一、1.化学 金属从矿石 开采 初步加工 探矿 采矿 选矿 冶炼 2利用氧化还原反应将金
4、属从其化合物中还原出来 3.利用高温从矿石中提取金属或其他化合物 在水溶液或非水溶液中进行包括氧化还原反 应、中和反应、水解反应等，对原料(矿石、精矿等) ，中间产物或再生资源中的金属进行 提取和分离 二、1Fe 3O4 Fe2O3 2Fe2O33H2O FeS2 还原剂将铁从其氧化物中还原出来 铁矿石 焦炭 石灰石 空气 除去脉石 CaCO3 CaOCO 2，CaOSiO 2 CaSiO3 炼铁高炉 2.氧化剂将生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去 脱氧剂 炼铁厂的铁水 或废钢铁 2CO 2 2CO 2FeO 2 2FeO FeOC COFe( 脱碳) FeSCaO CaSFeO(脱
5、硫) 3.铝土矿 Al2O32NaOH=2NaAlO 2H 2O NaAlO2CO 22H 2O=Al(OH)3NaHCO 3 2Al(OH)3 Al2O33H 2O 冰晶石(Na 3AlF6)和氧化铝的熔融液 氟化钙 碳素材料 2Al2O3 4Al3O 2 = = = = =950 970 通 电 ，Na3AlF6 6O2 12e =3O2 4Al3 12e = 4Al 堂中互动 【问题探究 1】从氧化物、碳酸盐、硫化物中冶炼金属有哪些不同？为什么？ 【教师点拨】关键从冶炼的实质出发，结合物质的性质把握其区别。由于金属的活动性不 同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也就不同，因此，对于不
6、同活性的金属离子 就必须采取不同的还原方法进行冶炼。 分析解答:以氧化物形式存在的金属矿石可直接用还原剂还原，如生铁的冶炼；以碳酸盐形 式存在的金属矿则可通过煅烧(在缺少空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)分解生成金 属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原；以硫化物形式存在的金属矿，由于低价硫的 存在，所以先要焙烧(在有空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)生成金属氧化物或金属， 然后再将金属氧化物还原。 【即学即练 1】在冶金工业上，均不能用通常化学还原剂制得的金属组是( ) ANa，Ba ，Mg ，Al BNa，K，Zn，Fe CZn，Fe，Cu，Ag DMg ，Al，Zn，Fe 1.A【解
7、析】 金属的冶炼方法，根据金属的活动性归纳如下： 方法名称 冶炼的金属 举例 电解法： KAl； 2Al2O3 4Al3O 2 = = = = =熔 融 电 解 冰 晶 石 还原剂法： ZnCu； 2AlFe 2O3 2FeAl 2O3 加热法：Hg、Ag；HgSO 2 HgSO 2 因为活泼金属的阳离子氧化性很弱，一般还原剂难以将它还原为金属，所以采用电解 法，不活泼金属的阳离子氧化性强，加热时可从化合物内部得电子被还原成单质，所以可 用加热法。 【问题探究 2】高炉炼铁产生的废气、废渣的成分是什么？炼铁和炼钢的主要反应原理有 何异同？ 【教师点拨】阅读教材 P58P59 找到其答案。 分析
8、解答：高炉炼铁中产生的废气、废渣的主要成分：废气有 CO、CO 2、SO 2、NO 2，炉 渣有 CaSiO3、少量含 C、P 、 S、Si 、Mn 的化合物及 SiO2 等。 炼铁和炼钢的主要反应原理的比较： 相同点：都是利用氧化还原反应。 不同点；炼铁主要是用还原剂把铁从铁矿石中还原出来(侧重还原)，而炼钢主要是用氧化 剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化而除去(侧重氧化)。 【即学即练 2】钢铁工业对促进经济和社会发展起了重要作用。 (1)炼铁高炉分为五部分，铁矿石与高温煤气主要在_ _ 部分发生反应，在_ 部分开始生成生铁和炉渣。 (2)炼钢时，除磷的化学方程式为_ _ _ _ ； 加入硅
9、、锰和铝的目的是_ _ _ _ 。 (3)不锈钢含有的 Cr 元素是在炼钢过程的氧吹_(填“前”或“后”)加入，原因是 _ _ _ _ 。 (4)炼铁和炼钢生产中，尾气均含有的主要污染物是_ 。从环保和经济角 度考虑，上述尾气经处理可用作_。 2.(1)炉身 炉腰 (2)2P+5FeO+3CaO Ca3(PO4)2+5Fe 脱氧和调整钢的成分 (3)后 避免 Cr 被氧化(或“ 氧吹前加入，Cr 会形成炉渣被除去”) (4)CO 燃料(或还原剂 ) 【解析】熟练掌握教科书中有关钢铁生产的原理。高炉分为炉身、炉腰、炉腹，铁矿石被 CO 在炉身中还原，发生反应：Fe 2O3+3CO 2Fe+3CO
10、2。炼铁中加入硅、锰和铝的目的 是为了调节硫、磷的含量，降低碳的含量。 【问题探究 3】铝土矿的主要成分是 Al2O3，另外含有 Fe2O3SiO2 等，怎样从铝土矿中获得 纯净的氧化铝？为何用电解法冶炼金属铝？其电解过程如何？ 【教师点拨】阅读教材P60P61和预习内容就可以回答。 分析解答：因铝金属活泼性较强，还原性强，用常见的还原剂 C、H 2、CO 等无法还原，故 采用电解法。其他见预习内容。 【即学即练 3】金属铝的生产是以 Al2O3 为原料，在熔融状态下进行电解： 2Al2O3 4Al+3O2 请回答下列问题： (1)冰晶石(Na 3AlF6)的作用是_。 (2)电解生成的金属铝
11、是在熔融液的_( 填“上层”或“下层”)。 (3)阴极和阳极均由材料做成_；电解时不断消耗的电极是 _(填“阳极” 或“阴极”)。 (4)铝是高耗能产品，废旧铝材的回收利用十分重要。在工业上，最能体现节能减排思想的 是将回收铝做成_( 填代号) 。 a.冰晶石 b.氧化铝 c. 铝锭 d.硫酸铝 3.(1)降低 Al2O3 的熔化温度 (2)下层 (3)碳素( 或石墨 )阳极 (4)c 【解析】在冶炼铝时为了降低氧化铝的熔点，加入冰晶石。Al 2O3 的熔点很高，但电解必 须在熔融状态下进行，故用冰晶石降低 Al2O3 的熔化温度；阴极、阳极材料，选用石墨； 电解时，阳极发生氧化反应，生成的
12、O2 与石墨反应而不断消耗；最能体现节能减排思想的 是通过物理变化的方式将废旧铝材回收利用。 练案 A 组（课堂反馈 满分 50 分） 一、选择题（每小题 5 分，共 35 分） 1.铝的活泼性较强，直到十八世纪人类才开始将 Al 从它的化合物中冶炼出来当时铝价格 十分昂贵，拿破仑的头盔就是用 Al 制作的，现在还保存在大英博物馆中下列冶炼铝的方 法正确的是（ ） AAl 2O3(熔融 ) Al BAl 2O3 AlCl3(熔融) Al 电 解 盐 酸 电 解 CAl(OH) 3 Al DAl 2O3 Al H2 高 温 C或 CO 高 温 1.A【解析】H 2、CO、C 等皆不能将 Al2O
13、3 或 Al(OH)3 还原为 Al，C、D 不正确AlCl 3 是 分子晶体，熔融后不导电，B 不正确 2.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 2. D【解析】本题考查高炉炼铁的原理。高炉炼铁中涉及 C 与 O2 生成 CO，CO 与 Fe2O3 生成 CO2，CO 2 与 C 生成 CO。过程中 C 的化合价有升有降，故既被氧化又被还原。 3.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 N
14、aCl 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.97.8770 B.770774 C.774882.9 D.14131500 3.C【解析】该反应原理为 NaKCl NaClK(g)，因此需保证只有 K 为蒸气，而其他 物质为液态，所以适宜温度为 774882.9，故选 C. 4.下列有关化工生产的主要设备及尾气的主要成分完全正确的是( ) A炼铁电炉CO、CO 2、N 2 B氨气氧化炉N 2、H 2 C炼钢转炉Fe 2O3、CO D硫酸合成塔S
15、O 2、SO 3 4.C【解析】 炼铁高炉 CO、CO 2、N 2 氨气合成塔N 2、H 2、NH 3 硫酸(SO 2SO 3)接触室SO 2，SO 3。 5.以下金属的冶炼(“”前为原料， “”后为所得的金属)，其中最适宜用热还原法冶炼的是( ) MgCl 2Mg MnO 2Mn ZnO Zn HgOHg 磁铁矿Fe KClK A. B. C. D. 5.C【解析】 热还原法是多数金属冶炼的方法，主要适用于金属活动性顺序表中处于中部 或金属活动性与之相当的金属以及极少数活泼金属(如钾常用钠还原法制得) ，符合题意的 有，故答案为 C。 6.下列可被工业上采用的冶金方法是( ) A.电解熔融的
16、氯化铝制铝 B.电解熔融的氯化镁制镁 C.电解氯化钠溶液制钠 D.高温下用 H2 还原氧化镁制镁 6.D【解析】氯化铝是共价化合物，熔融状态下以分子形式存在，其中缺少自由移动的离子， 基本不导电，故不能用电解熔融氯化铝的方法制铝。A 不可选。Na 、Mg 2 、Al 3 在水溶 液中电解时，电子被 H 得到，因而电解比氢活泼的金属阳离子的水溶液是得不到金属单 质的。C 不可选。比 Al 活泼的金属很难用一般的还原剂(如 H2、CO、C 等)把它们从化合 物中还原出来。况且，MgO 熔点很高。工业上制取镁是采用电解熔融 MgCl2 的方法。D 不 可选。 7.下列有关说法正确的是( ) A.高温
17、加热氧化镁和碳的混合物可以制单质镁 B.铁的冶炼过程是通过置换反应得到单质铁 C.海水提溴的过程中不发生氧化还原反应 D.利用电解的方法可以从海水中获取淡水 7.A【解析】高温加热氧化镁和碳的混合物时，生成的 CO2(或 CO)能不断脱离反应体系， 促使反应不断进行，因此碳可置换出镁；工业上冶炼铁用的还原剂是 CO，有关反应不是 置换反应；海水提溴是使 Br-变成 Br2，主要发生氧化还原反应；从海水中获取淡水可用蒸 馏等方法，这是物理变化，电解是使水分解的化学变化。 二、填空题（共 15 分） 8.(6 分) 冶炼金属一般有下列方法：焦炭法；水煤气(或氢气或一氧化碳) 法；活泼 金属置换法；
18、电解法。四种方法在工业中均有运用。 (1)请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表中空格。 火烧孔雀石炼铜 湿法炼铜 铅热法炼铬 从光卤石中炼镁 火烧孔雀石炼铜所发生反应的化学方程式为(写主要的两个)_ 、_。 (2)请再举出使用上述方法冶炼金属的例子各一个( 用化学方程式表示)： _； _； _； _。 8.(1) Cu2(OH)2CO3 2CuOCO 2H 2O= = = = = C2CuO 2CuCO 2= = = = = (2)Fe 2O33CO 2Fe3CO 2 3H 2WO 3 W3H 2O= = = = = 高 温 = = = = =高 温 4Al3
19、MnO 2 3Mn2Al 2O3 2NaCl 2NaCl 2= = = = = 高 温 = = = = =电 解 9.(9 分)钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注常温下钛不能与非金属、强酸 反应，红热时，却可与常见的非金属单质反应钛是航空、军工、电力等方面的必需原 料地壳中含钛矿石之一称金红石(主要成分是 TiO2)目前大规模生产钛的方法是： (1)第一步：金红石、炭粉混合，在高温条件下通入氯气制得 TiCl4 和一种可燃性气体，该 反应的化学方程式为_，该反应的还原剂是_ (2)第二步：在氩气的气氛中，用过量的镁在加热条件与 TiCl4 反应制得金属钛 写出此反应的化学方程式_
20、 简述由上述所得产物中获得金属钛的步骤：_. 9.(1)TiO22C 2Cl 2 TiCl42CO C= = = = = 高 温 (2)2Mg TiCl 4 2MgCl2Ti= = = = = 氩 气 将还原后的产物溶于过量的盐酸中，过滤、洗涤，即可得到纯净的钛 【解析】第一步中：反应物为 TiO2、C 和 Cl2，产物为 TiCl4 和 CO(可燃性气体)，据得失电 子守恒配平方程式：TiO 22C2Cl 2 TiCl42CO，还原剂为 C.= = = = = 高 温 第二步中：反应物为 Mg 与 TiCl4，产物为 Ti 和 MgCl2，配平即得. 2MgTiCl 4 2MgCl2Ti.因
21、 Ti 不与强酸反应，而制取 Ti 时 Mg 过量，因此可将= = = = = 氩 气 还原后的产物溶于过量的盐酸中，过滤、洗涤，即得纯净的 Ti。 B 组（课后拓展） 1.我国是氧化铝生产大国，工业上每生产 1 t 氧化铝将排出 12 t 赤泥，赤泥大量堆积会对 环境造成严重污染。赤泥中主要成分及含量：CaO 约占 46%、SiO 2 约占 22%、Al 2O3 约占 7%、Fe 2O3 约占 11%、TiO 2 约占 5%及少量其他物质。 一种利用废弃赤泥的方法是将赤泥配成一定的液固比，作为一种吸收剂，吸收热电厂排 放的含 SO2 的烟气，写出吸收 SO2 时可能发生的化学反应方程式 _
22、_。 为综合利用赤泥中的各种成分，某科研小组设计了如下工艺流程： 已知：TiO 2 不溶于稀盐酸、稀硫酸，能溶于浓硫酸生成 TiOSO4(硫酸氧钛，易水解) 。 氧化物 D 的化学式是_ ，原料 A 最好是下列物质中的 _。 A氨水 B氢氧化钠 C生石灰 D双氧水 写出上述工艺中投入氢氧化钠时反应的离子方程式_。 写出上述工艺中稀释时发生水解反应的化学方程式_ 1.CaOSO 2CaSO 3 或 Ca(OH)2SO 2CaSO 3H 2O Fe 2O3 C OH Al(OH) 3AlO 2 2 H2O TiOSO 42H 2OTiO(OH) 2H 2SO4 或 TiOSO42H 2OTiO 2
23、H2OH 2SO4 【解析】(1)CaO 可以与 SO2 反应 (2) Fe(OH) 3 受热分解可得到 Fe2O3；过滤后得到 CaCl2 溶液。 Fe(OH) 3 不溶于 NaOH 溶液，Al(OH) 3 可溶于 NaOH 溶液生成 NaAlO2 水解时元素的化合价不发生变化，TiO 2-结合水中的 OH- 2.赤铁矿是炼铁的主要原料之一。它的主要成分在一定条件下有下列反应： Fe2O3+CO 2FeO+CO2 在反应形成的固体混合物(Fe 2O3、FeO)中，元素铁和氧的质量比用 m(Fe)m(O)表示。 (1)根据上述反应，固体质量每减轻 1.6 g，将产生 CO2_L(标准状况) 。
24、 (2)上述反应形成的固体混合物中，m(Fe)m(O)不可能是_(多选扣分)。 A.219 B.217.5 C.21 5 D.218 (3)Fe2O3 被 CO 还原的百分率为 50%，则 m(Fe)m(O)=_。 2.(1)2.24 (2)AC (3)145 【解析】根据反应：Fe 2O3+CO 2FeO+CO2，反应前后固体的质量差：m=16g，若质 量减轻 1.6g，则产生 0.1molCO2，标况下体积为：2.24L。 (2)所得固体是 Fe2O3 和 FeO 的混合物，按极值法求得 73m(Fe)m(O)72,即 2.3m(Fe) m(O)3.5。219 即 73，A 项不可能。21
25、5 即 4.02，大于 3.5，C 项不可能。 (3)若 Fe2O3 被还原的百分率是 50%，则固体混合物中 Fe2O3 和 FeO 的物质的量之比为 12，m(Fe)m(O)=(456) (516)=145。 3.从铝土矿(主要成分是 Al2O3，含 SiO2、Fe 2O3、MgO 等杂质)中提取氧化铝的两种工艺流 程如下： 请回答下列问题： (1)流程甲加入盐酸后生成 Al3 的离子方程式为_ 。 (2)流程乙加入烧碱后生成 SiO32 的离子方程式为 _。 (3)验证滤液 B 含 Fe3 ，可取少量滤液并加入_( 填试剂名称) 。 (4)滤液 E、K 中溶质的主要成分是_(填化学式)，
26、写出该溶质的一种用途 _。 (5)已知 298 K 时，Mg(OH) 2 的溶度积常数 Ksp5.610 12 。取适量的滤液 B，加入一 定量的烧碱至达到沉淀溶解平衡，测得 pH13.00，则此温度下残留在溶液中的 c(Mg2 ) _。 3.(1)Al2O36H =2Al3 3H 2O (2)SiO22OH =SiO32 H 2O (3)硫氰化钾(或硫氰酸钾、苯酚溶液等合理答案) (4)NaHCO3 制纯碱(或作发酵粉等合理答案 ) (5)5.61010 molL1 【解析】 则滤液 E、K 中溶质的主要成分是 NaHCO3，该物质可用于作发酵粉、制纯碱等。(5) 由 Mg(OH)2 的溶度积常数 Ksp5.610 12 c 2(OH )c(Mg2 )可推知：c(Mg 2 ) molL1 5.610 10 molL1 。 5.610 120.12
