高中化學(xué) 專題3 從礦物到基礎(chǔ)材料 第二單元 第1課時 從自然界中獲取鐵和銅學(xué)案 蘇教版必修1-蘇教版高中必修1化學(xué)學(xué)案

第1課時從自然界中獲取鐵和銅一、鐵、銅的存在與冶煉1．鐵、銅的存在形式(1)鐵、銅元素在自然界中存在形式既有游離態(tài)也有化合態(tài)，主要以化合態(tài)的形式存在。(2)常見的鐵礦有磁鐵礦(主要成分為Fe3O4)、赤鐵礦(主要成分為Fe2O3)、黃鐵礦(主要成分為FeS2)、菱鐵礦(主要成分為FeCO3)等；常見的銅礦有孔雀石[主要成分為CuCO3·Cu(OH)2]、黃銅礦(主要成分為CuFeS2)等。(3)人們最早利用的單質(zhì)鐵直接來自于自然界。鐵單質(zhì)只存在于從天而降的隕鐵中，所以古代人稱鐵為“天石”，而銅則來自于地球上自然存在的少量單質(zhì)銅。2．鐵的冶煉(1)原料：鐵礦石、焦炭、空氣、石灰石等。(2)設(shè)備：煉鐵高爐。(3)原理：高溫下用還原劑將鐵從其化合物中還原出來。(4)冶煉過程3．銅的制備與精煉工業(yè)上主要采用高溫冶煉黃銅礦(主要成分是CuFeS2)的方法獲得銅。用這種方法冶煉得到的銅，含銅量為99.5%～99.7%，還含有Ag、Au、Zn、Fe等雜質(zhì)。要達(dá)到電氣工業(yè)生產(chǎn)用銅的要求，這種由黃銅礦高溫冶煉得到的銅還必須經(jīng)過電解精煉，其得到的銅，含銅量高達(dá)99.95%～99.98%。例1高爐煉鐵生產(chǎn)中下列說法正確的是()A．還原氧化鐵的還原劑是焦炭B．采用富氧空氣可以得到純鐵C．加石灰石的目的主要是為了除去過量碳D．用于冶煉生鐵的礦石主要有磁鐵礦、赤鐵礦答案D解析A項中，焦炭發(fā)生的反應(yīng)：C＋O2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))CO2、CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))2CO，其中CO將鐵礦石中的鐵還原成鐵單質(zhì)，A項錯誤；高爐煉鐵得到的只是含碳量為2%～4.5%的生鐵，不會得到純鐵，B項錯誤；加入石灰石的目的是它在高溫下分解成生石灰，繼而再與SiO2反應(yīng)生成CaSiO3爐渣，除去雜質(zhì)SiO2，故C項錯誤。特別提示煉鐵的過程中，起還原作用的物質(zhì)為CO，而不是C。C起到制取CO的作用。例2火法煉銅首先要焙燒黃銅礦，其反應(yīng)為2CuFeS2＋O2=Cu2S＋2FeS＋SO2，下列說法正確的是()A．SO2只是氧化產(chǎn)物B．CuFeS2僅作還原劑，硫元素被氧化C．每生成1molCu2S，有4mol硫被氧化D．每轉(zhuǎn)移1.2mol電子，有0.2mol硫被氧化答案D解析由反應(yīng)方程式知，CuFeS2中Cu化合價降低被還原為Cu2S，CuFeS2中eq\f(1,4)的S化合價升高，被氧化為SO2；O2在反應(yīng)后化合價降低，被還原為SO2，因此可知SO2既是氧化產(chǎn)物又是還原產(chǎn)物，A項錯誤；CuFeS2既是氧化劑又是還原劑，B項錯誤；每生成1molCu2S，有1molS被氧化，C項錯誤；利用反應(yīng)知轉(zhuǎn)移6mole－，有1molS被氧化，D項正確。二、金屬的冶煉方法1．電解法：適合冶煉金屬活動性較強(qiáng)的金屬(一般為金屬活動性順序表中鋁及鋁前面的金屬)。例如：MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))Mg＋Cl2↑，2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))4Al＋3O2↑。2．高溫還原法：用還原劑(CO、C、H2、Al等)還原金屬氧化物，適合冶煉金屬活動性順序表中鋅到銅之間的大多數(shù)金屬。例如：2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up7(高溫))2Cr＋Al2O3。3．熱分解法：適合冶煉金屬活動性較差的金屬。例如：2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑，2HgOeq\o(=,\s\up7(△))2Hg＋O2↑。(1)金屬的冶煉方法與金屬活動性的關(guān)系eq\o(→,\s\up7(KCaNaMgAlZnFeSnPbHCuHgAgPtAu),\s\do5(電解法熱還原法熱分解法物理提煉法))(2)在工業(yè)上還有一種冶煉方法叫做濕法冶金，即利用活潑金屬把不活潑金屬從它的鹽溶液中置換出來。例如：CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4。例3目前電動車、手機(jī)等使用的新型電池——鋰電池，是一種高效、環(huán)保電池。已知鋰的金屬性介于鈉和鎂之間，則下列能冶煉出金屬鋰的方法是()A．電解法 B．高溫還原法C．熱分解法 D．高溫用鋁還原法答案A例4(2018·淮南高一檢測)下列反應(yīng)原理不符合工業(yè)冶煉金屬實際情況的是()A．Cu2S＋O2eq\o(=,\s\up7(高溫))2Cu＋SO2B．2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑C．Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋3CO2D．2AlCl3(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))2Al＋3Cl2↑答案D1．下列物質(zhì)中含銅元素的是()A．天石 B．孔雀石C．赤鐵礦 D．石灰石答案B解析孔雀石的主要成分為CuCO3·Cu(OH)2。2．下列關(guān)于金屬冶煉的說法正確的是()A．金屬冶煉的本質(zhì)是將化合態(tài)金屬還原為游離態(tài)，冶煉方法由金屬的活動性決定B．銅的濕法冶煉是將金屬鈉投入到CuSO4溶液中，從而置換出銅C．鐵通常采用熱還原法冶煉，加入石灰石的目的是除去過量的碳D．用海水為原料制得精鹽，再電解純凈的NaCl溶液可制得金屬鈉答案A解析A項，關(guān)于金屬冶煉的本質(zhì)和方法的敘述是正確的；B項，濕法煉銅是用鐵置換出銅；C項，煉鐵中加入石灰石是為了除去二氧化硅雜質(zhì)；D項，工業(yè)電解熔融的NaCl來制取Na。3．工業(yè)上制備下列金屬，采用的化學(xué)反應(yīng)原理正確的是()A．鎂：2MgO(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))2Mg＋O2↑B．鈣：CaO＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Ca＋CO↑C．錳：3MnO2＋4Aleq\o(=,\s\up7(高溫))3Mn＋2Al2O3D．汞：HgSeq\o(=,\s\up7(△))Hg＋S答案C解析工業(yè)上電解熔融的氯化鎂來制取金屬M(fèi)g，A錯誤；鈣的工業(yè)制法與鎂相似，電解熔融的氯化鈣，B錯誤；工業(yè)制取Mn用還原法，單質(zhì)Al與二氧化錳發(fā)生置換反應(yīng)，C正確；汞單質(zhì)的制取用加熱分解法，分解HgO得到Hg單質(zhì)，D錯誤。4．下列各種冶煉方法中，可制得相應(yīng)金屬的為()A．高溫分解碳酸鈣B．電解熔融氯化鎂C．氧化鋁和焦炭混合加熱D．電解飽和食鹽水答案B5．(2018·大連高一檢測)冶煉金屬常用以下幾種方法：①以C、CO或H2作還原劑②利用鋁熱反應(yīng)原理還原③電解法④熱分解法。下列金屬各采用哪種方法還原最佳。(1)Fe、Zn、Cu等中等活潑金屬________(填序號，不同)。(2)Na、Mg、Al等活潑或較活潑金屬________。(3)Hg、Ag等不活潑金屬________。(4)V、Cr、Mn、W等高熔點(diǎn)金屬________。答案(1)①(2)③(3)④(4)②解析中等活潑的金屬用熱還原法冶煉；活潑金屬用電解法冶煉；不活潑金屬用熱分解法冶煉；高熔點(diǎn)金屬用鋁熱法冶煉。題組一金屬冶煉與金屬活潑性關(guān)系1．(2018·青島高一檢測)從使用金屬的歷史來看，先是青銅器時代，而后是鐵器時代，鋁的利用是近百年的事。使用金屬的先后順序跟下列有關(guān)的是()①地殼中的金屬元素的含量②金屬活動性順序③金屬的導(dǎo)電性④金屬冶煉的難易順序⑤金屬的延展性A．①③B．②④C．③⑤D．②⑤答案B2．從石器、青銅器到鐵器時代，金屬的冶煉體現(xiàn)了人類文明的發(fā)展水平。下圖表示三種金屬被人類開發(fā)利用的大致年代，之所以有先后，主要取決于()A．金屬的導(dǎo)電性強(qiáng)弱B．地殼中金屬元素的含量多少C．金屬的化合價高低D．金屬的活動性強(qiáng)弱答案D解析由圖可知，活潑性越弱的金屬越早被人類開發(fā)利用，因此金屬開發(fā)利用的大致年代與其活動性有關(guān)。3．(2019·濟(jì)南高一檢測)已知一些金屬單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與其金屬活潑性存在著某種必然的聯(lián)系，你認(rèn)為下列事件發(fā)生在鐵器時代之前的是()①金屬鋁的冶煉②青銅器時代③金銀的使用④戴維發(fā)現(xiàn)金屬鈉⑤15世紀(jì)中國使用鋅鑄幣A．②③⑤ B．②③C．①②③ D．①④⑤答案B題組二金屬的冶煉原理與方法4．(2019·玉溪高一檢測)工業(yè)上冶煉金屬一般用熱分解法、熱還原法和電解法。選用不同方法冶煉不同金屬的主要依據(jù)是()A．金屬在自然界中的存在形式B．金屬元素在地殼中的含量C．金屬陽離子得電子的能力D．金屬熔點(diǎn)的高低答案C5．我國古代曾用火燒孔雀石和焦炭混合物的方法煉銅?？兹甘闹饕煞质荂uCO3·Cu(OH)2，這種冶煉銅的方法是()A．焦炭還原法 B．濕法煉銅C．鋁熱還原法 D．電解冶煉法答案A解析CuCO3·Cu(OH)2eq\o(=,\s\up7(△))2CuO＋CO2↑＋H2O，生成的CuO被焦炭與CO2反應(yīng)生成的CO還原生成Cu。6．硅在自然界只以化合態(tài)形式存在，如鐵礦石中的硅主要以脈石(SiO2)的形式存在。煉鐵時為了除去脈石，向煉鐵高爐中加入石灰石。該過程不可能涉及的化學(xué)反應(yīng)是()A．CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaO＋CO2↑B．2FeO＋Sieq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋SiO2C．C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高溫))2COD．CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3答案B解析高溫下石灰石首先分解產(chǎn)生CaO和CO2，生成的生石灰(堿性氧化物)可與SiO2(酸性氧化物)反應(yīng)實現(xiàn)高爐造渣；生成的CO2可與碳反應(yīng)提供一部分還原劑CO。因無單質(zhì)硅，所以沒有B項所給的反應(yīng)發(fā)生。7．從化學(xué)原理和經(jīng)濟(jì)利益角度分析，下列從海水中提取鎂單質(zhì)的方法最可行的是()A．海水eq\o(→,\s\up7(NaOH))Mg(OH)2eq\o(→,\s\up7(通電))MgB．海水eq\o(→,\s\up7(蒸發(fā)))MgCl2eq\o(→,\s\up7(通電))MgC．海水eq\o(→,\s\up7(石灰乳))Mg(OH)2eq\o(→,\s\up7(通電))MgD．海水eq\o(→,\s\up7(石灰乳))Mg(OH)2eq\o(→,\s\up7(鹽酸))MgCl2eq\o(→,\s\up7(通電))Mg答案D題組三金屬冶煉在新情境下的應(yīng)用8．生物煉銅是利用某些具有特殊本領(lǐng)的微生物幫助我們從礦石中提取銅，這些“吃巖石的細(xì)菌”能利用空氣中的氧氣將不溶性的CuS轉(zhuǎn)化為可溶性的銅的化合物，這種可溶性的銅化合物是()A．碳酸銅 B．硝酸銅C．硫酸銅 D．氫氧化銅答案C解析此題考查了正在迅速發(fā)展的生物煉銅技術(shù)。生物煉銅是一項成本低、污染小、反應(yīng)簡單、前景廣闊的新興煉銅技術(shù)，其利用“吃巖石的細(xì)菌”將不溶性的硫化銅轉(zhuǎn)化為可溶性硫酸銅，而使銅的冶煉變得簡單。9．中華民族有著光輝燦爛的發(fā)明史，下列發(fā)明創(chuàng)造不涉及化學(xué)反應(yīng)的是()A．用膽礬煉銅B．用鐵礦石煉鐵C．中國古代煉丹術(shù)士將丹砂(HgS)煉成三仙丹(HgO)D．活字印刷術(shù)印詩成冊答案D解析用膽礬煉銅、用鐵礦石煉鐵、將丹砂(HgS)煉成三仙丹(HgO)均有新物質(zhì)生成；活字印刷術(shù)是將字刻成字模，然后根據(jù)需要排版、涂墨印刷，是物理變化。10．工業(yè)上，常用Mg還原法制取金屬Ti，反應(yīng)原理如下：2Mg＋TiCl4eq\o(=,\s\up7(高溫))2MgCl2＋Ti。下列說法正確的是()①該反應(yīng)屬于置換反應(yīng)；②該反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)；③該反應(yīng)表明Mg比Ti活潑；④Ti被譽(yù)為“21世紀(jì)的金屬”，在航天工業(yè)上有廣泛用途A．只有①② B．只有③④C．只有①②③ D．全部答案D解析由單質(zhì)Mg從化合物TiCl4中置換出金屬Ti，化合價發(fā)生變化，故①②正確；在反應(yīng)中Mg作還原劑，Ti是還原產(chǎn)物，故Mg的還原性比Ti強(qiáng)，③正確；④Ti為性能優(yōu)良的金屬，廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)，④正確。題組四金屬冶煉的有關(guān)計算11．在高溫下用一氧化碳還原mg四氧化三鐵得到ng鐵。已知氧的相對原子質(zhì)量為16，則鐵的相對原子質(zhì)量為()A.eq\f(21n,m－n)B.eq\f(64n,3m－3n)C.eq\f(m－n,32n)D.eq\f(24n,m－n)答案B解析設(shè)鐵的相對原子質(zhì)量為x，則Fe3O4＋4COeq\o(=,\s\up7(高溫))3Fe＋4CO23x＋643xmneq\f(3x＋64,3x)＝eq\f(m,n)，x＝eq\f(64n,3m－3n)。12．用足量的CO還原32.0g某種氧化物，將生成的氣體通入足量澄清石灰水中，得到60g沉淀，則該氧化物是()A．FeOB．Fe2O3C．CuOD．Cu2O答案B解析n(CaCO3)＝eq\f(60g,100g·mol－1)＝0.6mol，由于1molCO與氧化物反應(yīng)后變成1molCO2，奪取了氧化物中的1molO，故可知32.0g氧化物中含氧原子0.6mol，氧元素的質(zhì)量為9.6g，則氧化物中金屬元素的質(zhì)量為22.4g，兩元素的物質(zhì)的量之比為eq\f(\f(22.4,56),9.6)＝eq\f(2,3)，故B正確。13.鋼鐵工業(yè)對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展具有重要的意義，現(xiàn)代煉鐵的主要方法是高爐煉鐵。其設(shè)備如圖所示。煉鐵的爐料(鐵礦石、焦炭、石灰石等)由高爐的頂部投入，原料在下降過程中與高爐氣氣流在爐身部分發(fā)生作用。請回答下列問題：(1)焦炭在煉鐵的過程中所起的作用是________________________________________。(2)采用爐料從上部加入，熱空氣從下部通入的工藝，其目的是______________。(3)寫出以赤鐵礦為原料的煉鐵高爐中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)：__________________________。(4)高爐氣中含有的主要?dú)鈶B(tài)污染物是________，若直接排放將污染空氣，因此應(yīng)回收利用，請寫出該污染物的一種用途：______________________________________________。答案(1)既提供熱量，又產(chǎn)生還原劑CO(2)采用逆流接觸操作，使礦石與還原性氣體充分接觸、反應(yīng)(3)C＋O2eq\o(=,\s\up7(高溫))CO2，CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))2CO，F(xiàn)e2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋3CO2(4)CO作燃料(或還原劑)解析(1)焦炭在煉鐵的過程中既作為能源提供反應(yīng)所需要的能量，同時生成CO作為還原劑，還原出鐵礦石中的Fe。(2)采用爐料從上部加入，熱空氣從下部通入的工藝，主要是采用逆流操作，不僅利于礦石與還原性氣體充分接觸，還增加了接觸時間，利于反應(yīng)。(3)煉鐵高爐中發(fā)生的主要反應(yīng)就是還原劑的生成及生成鐵的反應(yīng)。(4)高爐氣的主要成分有：CO、CO2等，其主要?dú)鈶B(tài)污染物是有毒的CO；回收利用CO，可用作燃料或作還原劑等。14．工業(yè)上可采用多種方法煉銅。(1)在地下利用爆破粉碎孔雀石[Cu2(OH)2CO3]，再注入稀硫酸原地浸取，將浸取液抽到地表，加入鐵屑制得銅。則該方法中冶煉銅的有關(guān)化學(xué)方程式為①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。(2)利用一氧化碳還原赤銅礦(Cu2O)冶煉銅。實驗室可用如圖所示裝置進(jìn)行實驗，當(dāng)