重难点15 金属的冶炼方法-2020-2021学年高一化学重难点探究（人教版2019必修第二册）.docx

2020-2021学年高一化学重难点探究（人教版2019必修第二册）
重难点15
金属的冶炼方法
方法探究
金属的冶炼方法
金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系
金属的活动性顺序
K、Ca、Na、Mg、Al
Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu
Hg、Ag
Pt、Au
金属原子失电子能力
强→弱
金属离子得电子能力
弱→强
主要冶炼方法
电解法
热还原法
热分解法
物理方法
(1)热分解法：适用于金属活动性顺序表中Hg及其以后的金属。
2HgO2Hg+O2↑
2Ag2O4Ag+O2↑
(2)热还原法：适用于金属活动性顺序表中Zn、Cu之间的金属。
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
WO3+3H2W+3H2O
Cr2O3+2AlAl2O3+2Cr
(3)电解法：适用于金属活动性顺序表中Al及其以前的金属。
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑
易错总结
1．电解熔融的NaCl和电解NaCl溶液的产物不同。
2．工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO的原因是MgO的熔点比MgCl2的高，冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物，熔融状态不导电。
典例剖析
例1
下列有关金属冶炼的说法正确的是
A．工业上常用电解NaCl水溶液可制取金属钠
B．工业上常用电解MgO熔融可制取金属镁
C．工业上常用CO高温条件下还原Fe2O3可制取Fe
D．工业上常用金属钠和TiCl4溶液反应制取金属Ti
答案
C
解析
A.电解NaCl水溶液获得氢氧化钠溶液和氢气、氯气，不会得到金属钠，工业上常用电解熔融状态的氯化钠制取金属钠，故A项错误；B.
MgO熔点较高，不适宜通过电解法制备镁，工业上常采用电解熔融MgCl2制备金属镁，其电解方程式为：MgCl2Mg+Cl2↑，故B项错误；C.
工业上在高温下用CO还原含Fe2O3的铁矿石炼铁，其化学方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2，故C项正确；D.
钠与溶液中的水反应生成氢氧化钠与氢气，所以不能用钠与TiCl4溶液反应制取金属Ti，工业上利用钠的强还原性，采用钠和熔融的TiCl4反应的方法制取金属Ti，故D项错误；答案选C。
精选习题
1．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NaCl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，1
mol
Fe3O4被CO还原成Fe，转移9
mol
e?
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】Fe3O4中3个Fe原子共显+8价，故1
mol
Fe3O4被CO还原成Fe，转移8
mol
e?，C项错误。
2．下列化学方程式，能用于工业上冶炼金属镁的是(　　)
A．2Na＋MgCl2=2NaCl＋Mg
B．MgCl2(熔融)
Mg＋Cl2↑
C．2MgO2Mg＋O2↑
D．MgO＋H2Mg＋H2O
【答案】B
【解析】A．钠的金属性强于镁，但钠比镁贵重，工业操作要求经济价值较高，所以工业上不通过反应2Na+MgCl2＝2NaCl+Mg冶炼金属镁，A选项错误；
B．镁是活泼的金属，工业上通过电解熔融的氯化镁冶炼：MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑，B选项正确；
C．氧化镁很稳定，高温很难分解，C选项错误；
D．氢气不能从氧化镁中置换出单质镁，D选项错误；
答案选B。
3．下列说法中不正确的是
A．金属的冶炼原理，就是运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还原剂
C．金属由化合态变为游离态，一定是被还原
D．金属单质被发现和应用得越早，其活动性越弱
【答案】B
【解析】A、金属的冶炼是将金属化合物转化为金属单质，A项正确；
B、有的金属化合物在发生氧化还原反应冶炼金属的时候，自身既作氧化剂又作还原剂，不需要另加还原剂，如HgO，B项错误；
C、金属元素在化合物中一定显正价，当变成金属单质后，化合价就变为0，所以是被还原，C项正确；
D、金属被发现和应用得早，说明该金属容易被还原，从而也说明这些金属的活动性一般是较弱的，D项正确。
答案选B。
4．下列有关金属的工业制法中正确的是(　　)
A．制钛：用金属钠置换氯化钛(TiCl4)溶液中的钛
B．炼铁：用焦炭和空气反应产生的CO在高温下还原铁矿石中铁的氧化物
C．制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液
D．炼铜：用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜
【答案】B
【解析】A．将金属钠投入到氯化钛溶液中，钠先与水反应，故应用金属钠与熔融的氯化钛反应来制取金属钛，故A错误；
B．工业制铁是CO还原铁矿石：3CO+Fe2O32Fe+3CO2，故B正确；
C．工业制钠是电解熔融NaCl：2NaCl2Na+Cl2↑，而电解纯净的NaCl溶液：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑，得不到钠，故C错误；
D．黄铜矿（主要成分为CuFeS2）经过冶炼后得到粗铜，粗铜进行电解得到99.9%的铜，故D错误；
故选B。
5．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
、Al
B．Na、K
、Zn
C．Fe、Cu、Ag
D．Na、Ca、K
【答案】AD
【解析】A．Na、Mg、Al都是非常活泼的金属，工业上采用电解熔融盐或氧化物的方法冶炼，均不能用通常化学还原剂制得，故A选；
B．Zn是中等活泼金属，通常采用化学还原剂制得，故B不选；
C．Fe、Cu是中等活泼金属，通常采用化学还原剂制得，Ag是不活泼金属，通常采用热分解法冶炼，故C不选；
D．Na、Ca、K都是非常活泼的金属，工业上采用电解熔融盐的方法冶炼，均不能用通常化学还原剂制得，故D选；
故选AD。
6．下列关于物质制备原理错误的是
A．工业制备金属钠：2NaCl2Na+Cl2↑
B．工业生产铁：Fe2O3+3COFe+3CO2
C．湿法炼铜：Fe+CuSO4===Cu+FeSO4
D．以S为原料，工业生产硫酸在沸腾炉中的反应：2S+3O22SO3
【答案】D
【解析】A项、工业制备金属钠的原理为：2NaCl2Na+Cl2↑，A正确；B项、工业生产铁的原理为：Fe2O3+3COFe+3CO2，B正确；C项、湿法炼铜的原理为：Fe+CuSO4===Cu+FeSO4，C正确；D项、以S为原料，工业生产硫酸在沸腾炉中的反应为：S+O2SO2，S不能直接转化为SO3，D错误；故本题选D。
7．地球上的金属矿物资源是有限的，应合理开发利用。
(1)金属冶炼的实质是金属离子被______(填“氧化”或“还原”)生成金属单质。
(2)铜在自然界存在于多种矿石中，如：
矿石名称
黄铜矿
辉铜矿
孔雀石
主要成分
CuFeS2
Cu2S
Cu2(OH)2
CO3
请回答下列问题：
①
上表所列铜化合物中，推断铜的质量百分含量最高的是______。
②
CuFeS2其中
Cu
为+1
价、Fe
为+3
价，高温焙烧时发生的反应是CuFeS2
+
O2SO2
+FeS
+Cu，焙烧过程中被还原的元素有______。
③
工业上以黄铜矿为原料，采用火法熔炼工艺生产铜，火法炼铜的反应为：Cu2S+O22Cu+SO2，该反应中氧化剂是______。
④
Cu2(OH)2
CO3
与稀硫酸反应的离子方程式为______。
【答案】(1)还原
(2)Cu2S
O、Cu、Fe
Cu2S和O2
Cu2(OH)2CO3+4H+=2Cu2++CO2↑+3H2O
【解析】【分析】(1)金属冶炼的实质是金属阳离子转变为单质，根据氧化还原反应规律判断；
(2)①铜化合物中，铜的质量百分含量=，据此计算；
②根据化合物化合价之和为0，判断S元素的化合价，再根据氧化还原规律分析判断；
③反应Cu2S+O22Cu+SO2中Cu元素化合价降低，S元素化合价升高，结合元素化合价变化判断；
④Cu2(OH)2CO3与稀硫酸反应生成硫酸铜、二氧化碳和水。
【详解】(1)金属冶炼的实质是金属阳离子转变为单质，金属元素的化合价降低，得电子，被还原，则金属离子被还原生成金属单质；
(2)①铜化合物中，铜的质量百分含量=，黄铜矿中铜的含量=×100%=35%；辉铜矿中铜的含量=×100%=80%；孔雀石中铜的含量=×100%=58%，所以铜的质量百分含量最高的是Cu2S；
②CuFeS2其中
Cu
为+1
价、Fe
为+3
价，根据化合物化合价之和为0，可得S元素的化合价为-2价，则反应CuFeS2
+
O2SO2
+FeS
+Cu中，S元素由-2价变为+4价，被氧化；O元素的化合价由0价变为-2价，被还原；Cu元素的化合价由+1价变为0价，被还原，Fe元素的化合价由+3价变为+2价，被还原，则焙烧过程中被还原的元素有O、Cu、Fe；
③反应Cu2S+O22Cu+SO2中，Cu元素化合价由+1价降低到0价，S元素化合价由-2价升高到+4价，O元素的化合价由0价降低到-2价，反应中Cu2S和O2为氧化剂，Cu2S为还原剂；
④Cu2(OH)2CO3与稀硫酸反应生成硫酸铜、二氧化碳和水，离子方程式为：Cu2(OH)2CO3+4H+=2Cu2++CO2↑+3H2O。
8．除金、铂等极少数金属外，绝大多数金属元素以化合物形式存在于自然界中，将金属元素从其化合物中还原出来的工业工程称为金属的冶炼。下列材料描述了部分常见金属的冶炼方法。
①工业上冶炼镁的方法有两种，电解法和皮江法。电解法是电解熔融的氯化镁；皮江法是硅在高温下还原氧化镁。
②霍尔?埃鲁铝电解法是以氧化铝为原料、冰晶石(Na3AlF6)为熔剂组成的电解质，在950~970℃的条件下通过电解的方法使电解质熔体中的氧化铝分解为铝和氧气。
③冶炼锰一般用铝热法，即在高温下用铝还原二氧化锰。
④相关各物质熔点见下表：
物质
Al2O3
AlCl3
MgO
MgCl2
Al
Mn
Mg
熔点/℃
2303
190
2800
712
660
1244
649
Ⅰ．根据上述信息回答下列问题：
(1)冶炼镁时电解熔融MgCl2而不电解熔融MgO，冶炼铝时电解熔融Al2O3而不电解熔融AlCl3的原因是________________________________。
(2)写出铝热法冶炼锰的化学方程式_____________________，一般使用铝热法冶炼的金属具有哪些性质_____________________________。
(3)将铝和镁作电极分别插入稀硫酸、氢氧化钠溶液中，镁、铝分别作______极、_____极；写出介质是稀硫酸溶液时的正极电极反应式：______。
Ⅱ．下面是皮江法冶炼镁的工业流程示意图：
(1)气体a是_______。
(2)还原炉需控制温度为1200℃左右，并抽空气到近似真空。还原炉中发生的主要反应有____________________________、_______________________。
(3)还原炉中抽空气到近似真空的原因是__________________________。
【答案】Ⅰ．(1)
MgO的熔点比MgCl2.更高，电解时需要更多的能量，故选用MgCl2；AlCl3属于共价化合物，熔融状态下不导电，故不能电解AlCl3
(2)4Al+3MnO22Al2O3+3Mn
熔点高且比铝不活泼的金属
(3)正
负
2H+
+2e?===H2
Ⅱ．(1)CO2
(2)2MgO+Si?2Mg↑+SiO2?
SiO2+CaOCaSiO3
(3)防止已还原的Mg在高温条件下再次被氧化
【解析】Ⅰ．(1)氧化镁熔点比氯化镁熔点高，熔融离子晶体要消耗能源，从而增加成本，为减少成本，所以用熔融氯化镁冶炼镁，氯化铝是共价化合物，熔融状态下不导电，以分子存在，所以冶炼铝用熔融氧化铝；(2)铝热法冶炼锰的化学方程式：4Al+2Al2O3+3Mn，一般使用铝热法冶炼的金属具有的性质为：熔点高且比铝不活泼的金属；(3)将铝和镁作电极分别插入稀硫酸、氢氧化钠溶液中，由于铝能与氢氧化钠溶液反应，所以铝作负极、镁作正极；介质是稀硫酸溶液时由于镁的金属性强于铝，所以镁是负极，铝是正极，正极电极反应式为2H++2e?===H2↑。
Ⅱ．(1)白云石煅烧分解生成氧化钙、氧化镁和二氧化碳，气体为二氧化碳；(2)还原炉需控制温度为1200℃左右，并抽空气到近似真空，还原炉中发生的主要反应有硅还原氧化镁生成镁和二氧化硅，二氧化硅和氧化钙形成炉渣硅酸钙，反应的化学方程式为：2MgO+Si2Mg↑+SiO2、SiO2+CaOCaSiO3；(3)还原炉中抽空气到近似真空的原因是防止已还原的Mg在高温条件下再次被氧化。