專題15-金屬的冶煉與工藝流程(人教版2019必修第二冊)(原卷版)

2021-2022學(xué)年高一化學(xué)期末復(fù)習(xí)重點(diǎn)專題突破專題15金屬的冶煉與工藝流程方法探究一、金屬的冶煉方法金屬活動性順序與金屬冶煉方法的關(guān)系金屬的活動性順序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb(H)、CuHg、AgPt、Au金屬原子失電子能力強(qiáng)→弱金屬離子得電子能力弱→強(qiáng)主要冶煉方法電解法熱還原法熱分解法物理方法(1)熱分解法：適用于金屬活動性順序表中Hg及其以后的金屬。2HgO2Hg+O2↑2Ag2O4Ag+O2↑(2)熱還原法：適用于金屬活動性順序表中Zn、Cu之間的金屬。Fe2O3+3CO2Fe+3CO2WO3+3H2W+3H2OCr2O3+2AlAl2O3+2Cr(3)電解法：適用于金屬活動性順序表中Al及其以前的金屬。2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑易錯總結(jié)(1)工業(yè)上冶煉Al時用Al2O3而不用AlCl3，因為AlCl3為共價化合物，熔化后不導(dǎo)電。但冶煉Al時需加入冰晶石(Na3AlF6)，以降低熔化溫度。(2)工業(yè)上冶煉Mg時用MgCl2而不用MgO，因為MgO的熔點(diǎn)很高，耗能大。(3)Au、Pt一般用物理法提取。(4)利用鋁熱反應(yīng)不能冶煉還原性比Al強(qiáng)的金屬，如Mg、Na等。=1\*GB3①鋁熱反應(yīng)是指金屬鋁與某些金屬氧化物的混合物在高溫條件下發(fā)生置換反應(yīng)，生成氧化鋁和金屬單質(zhì)的過程。實質(zhì)是用較活潑的還原劑鋁，把活潑性相對較弱的金屬從其氧化物中還原出來。=2\*GB3②鋁熱反應(yīng)實驗中，鎂和KClO3的作用是為鋁熱反應(yīng)提供引發(fā)反應(yīng)所需的高溫，但該反應(yīng)屬放熱反應(yīng)且放出大量的熱，能使生成的金屬熔化為液態(tài)。鋁熱反應(yīng)可應(yīng)用于冶煉一些高熔點(diǎn)金屬，如鐵、錳、釩等。二、工藝流程題的解決方略1.解答化工工藝流程題的一般思路(1)讀題干，找信息和目的。找出題干中的“制備”或“提純”等關(guān)鍵詞，明確化工生產(chǎn)的原料、產(chǎn)品和雜質(zhì)。(2)看問題，根據(jù)具體的問題，找出流程中需重點(diǎn)分析的步驟或環(huán)節(jié)，重點(diǎn)抓住物質(zhì)流向(進(jìn)入與流出)、操作方法等。(3)局部隔離分析，分析加入什么物質(zhì)，得到什么物質(zhì)，發(fā)生什么反應(yīng)(或起到什么作用)。(4)特別提醒：每題中基本上都有與流程無關(guān)的問題，可直接作答。工藝流程圖：2．?？蓟ばg(shù)語?？蓟ばg(shù)語關(guān)鍵詞釋義研磨、霧化將塊狀或顆粒狀的物質(zhì)磨成粉末或?qū)⒁后w霧化，增大反應(yīng)物接觸面積，以加快反應(yīng)(溶解)速率或使反應(yīng)更充分，增大原料的轉(zhuǎn)化率(或浸取率)灼燒(煅燒)使固體在高溫下分解或改變結(jié)構(gòu)、使雜質(zhì)高溫氧化、分解等。如煅燒石灰石、高嶺土、硫鐵礦浸取向固體中加入適當(dāng)溶劑或溶液，使其中可溶性的物質(zhì)溶解，包括水溶、酸溶、堿溶、醇溶等酸浸在酸性溶液中使可溶性金屬離子進(jìn)入溶液，不溶物通過過濾除去過濾固體與液體的分離滴定定量測定，可用于某種未知濃度物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度的測定蒸發(fā)結(jié)晶蒸發(fā)溶劑，使溶液由不飽和變?yōu)轱柡停^續(xù)蒸發(fā)，過剩的溶質(zhì)就會呈晶體析出蒸發(fā)濃縮蒸發(fā)除去部分溶劑，提高溶液的濃度水洗用水洗去可溶性雜質(zhì)，類似的還有酸洗、醇洗等酸作用溶解、除去氧化物(膜)、抑制某些金屬離子的水解、除去雜質(zhì)離子等堿作用除去油污，除去鋁片氧化膜，溶解鋁，調(diào)節(jié)pH、促進(jìn)水解(形成沉淀等)3.?？紬l件控制(1)控制溶液的pH①調(diào)節(jié)溶液的酸堿性，使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀析出(或抑制水解)。②加入酸或調(diào)節(jié)溶液至酸性還可除去氧化物(膜)。③加入堿或調(diào)節(jié)溶液至堿性還可除去油污，除去鋁片氧化膜，溶解鋁等。④特定的氧化還原反應(yīng)需要的酸性條件(或堿性條件)。(2)控制溫度：主要從物質(zhì)性質(zhì)(熱穩(wěn)定性、水解、氧化性或還原性、溶解度、熔沸點(diǎn)、揮發(fā)性、膠體聚沉等)和反應(yīng)原理(反應(yīng)速率、平衡移動、催化劑活性、副反應(yīng))兩個角度思考。(3)控制壓強(qiáng)：改變速率，影響平衡。(4)使用合適的催化劑：加快反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡所需要的時間。(5)趁熱過濾：防止某物質(zhì)降溫時析出。(6)洗滌：常見的洗滌方式有“水洗”和“乙醇洗”?！八础钡哪康氖浅コ恋砘蚓w表面殘留的雜質(zhì)，當(dāng)沉淀物的溶解度隨溫度升高而增大時一般可用冰水洗；“乙醇洗”既可以除去沉淀或晶體表面殘留的雜質(zhì)，又可以降低晶體的溶解度，減少損失，還可以利用乙醇易揮發(fā)的性質(zhì)，加快除去沉淀或晶體表面的水分。(7)氧化：氧化劑的選擇要依據(jù)試題設(shè)置的情境，常見的氧化劑有氯氣、過氧化氫、氧氣和次氯酸鈉等，為了避免引入新的雜質(zhì)，通常選擇的氧化劑有過氧化氫和氧氣。典例剖析例1下列有關(guān)金屬冶煉的說法中，不正確的是A．在加熱情況下利用氫氣還原三氧化二鋁得到金屬鋁B．用電解熔融氯化鎂的方法冶煉金屬鎂C．用鋁熱法煉得熔點(diǎn)較高的金屬鉻D．直接加熱氧化汞得到金屬汞【答案】A【詳解】A．鋁屬于活潑金屬，利用電解熔融三氧化二鋁,可以得到金屬鋁，故A錯誤；B．金屬鎂的活潑性較強(qiáng)，因此用電解熔融氯化鎂的方法冶煉金屬鎂，而不用電解熔融的氧化鎂，因為氧化鎂熔點(diǎn)高，耗費(fèi)能源較大，故B正確；C．金屬鉻的熔點(diǎn)高，用鋁熱法制取熔點(diǎn)高的金屬，故C正確；D．汞是不活潑金屬，因此直接加熱氧化汞得到金屬汞，故D正確。綜上所述，答案為A。例2由重晶石礦(主要成分是，含等雜質(zhì))可制得氯化鋇晶體，在實驗室中某興趣小組按下列流程制取氯化鋇晶體：下列說法正確的是A．“高溫焙燒”前將原料研磨處理，能加快“高溫焙燒”的反應(yīng)速率B．“高溫焙燒”時可能被還原為C．“浸取過濾”發(fā)生的主要反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)D．“高溫焙燒”和“結(jié)晶”兩處操作均需用到蒸發(fā)皿【答案】AB【解析】由流程可知，焙燒時發(fā)生BaSO4+4C4CO+BaS，加鹽酸時BaS與鹽酸反應(yīng)生成氯化鋇和硫化氫，過濾分離出濾渣為SiO2，濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾分離出BaCl2?2H2O，以此來解答。A．為提高原料的利用率，“高溫焙燒”前原料需經(jīng)研磨處理，可增大接觸面積，加快反應(yīng)速率，且可充分反應(yīng)，故A正確；B．“高溫焙燒”時可能發(fā)生反應(yīng)SiO2+2C2CO+Si，可能被還原為，故B正確；C．加鹽酸時BaS與鹽酸反應(yīng)生成氯化鋇和硫化氫，無元素化合價變化，“浸取過濾”發(fā)生的主要反應(yīng)是非氧化還原反應(yīng)，故C錯誤；D．“高溫焙燒”需要坩堝，“結(jié)晶”需要蒸發(fā)皿，故D錯誤；故選：AB。例3無水FeCl3常作為有機(jī)反應(yīng)的催化劑。某研究小組設(shè)計了如圖流程，以廢鐵屑(含有少量碳和SiO2雜質(zhì))為原料制備無水FeCl3(s)。已知：氯化亞砜()熔點(diǎn)-101℃，沸點(diǎn)76℃，易與水反應(yīng)生成一種強(qiáng)酸和一種酸性氧化物。(1)操作①是過濾，用到的玻璃儀器有燒杯、玻璃棒和____。(2)操作①得到的固體為____。(3)為避免引入新的雜質(zhì)，試劑B可以選用____(填編號)。A．KMnO4溶液 B．Cl2水 C．稀HNO3溶液 D．H2O2溶液(4)取少量D晶體，溶于濃鹽酸配成溶液，并滴加KSCN溶液，現(xiàn)象是____。(5)反應(yīng)D→E的化學(xué)方程式為____。(6)由D轉(zhuǎn)化成E的過程中可能產(chǎn)生少量亞鐵鹽，則還原劑可能是____，并設(shè)計實驗驗證是該還原劑將Fe3+還原____?！敬鸢浮?1)漏斗(2)C和SiO2(3)BD(4)溶液變?yōu)榧t色(5)(6)

SO2

先加鹽酸酸化，再加BaCl2溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則是SO2將Fe3+還原【解析】(1)過濾用到的玻璃儀器有燒杯、玻璃棒和漏斗；(2)C和SiO2不與鹽酸反應(yīng)，操作①得到的固體為C和SiO2；(3)A(氯化亞鐵)加入氧化劑B生成C(氯化鐵)，B為氧化劑。A．用KMnO4溶液會引入鉀離子和還原產(chǎn)物錳離子，A不符題意；B．氯氣與氯化亞鐵反應(yīng)生成氯化鐵，不引入新的雜質(zhì)，B符合題意；C．用稀硝酸發(fā)生3FeCl2+4HNO3(稀)=2FeCl3+2H2O+NO↑+Fe(NO3)3，會引入硝酸根離子，C不符題意；D．過氧化氫對應(yīng)還原產(chǎn)物為水，不引入新的雜質(zhì)，D符合題意；故選BD；(4)D即氯化鐵晶體，其溶液含鐵離子，滴加KSCN溶液后，溶液變?yōu)榧t色；(5)根據(jù)已知信息氯化亞砜()熔點(diǎn)-101℃，沸點(diǎn)76℃，易與水反應(yīng)生成一種強(qiáng)酸和一種酸性氧化物，推測強(qiáng)酸為HCl，酸性氧化物為SO2，可得與SOCl2生成FeCl3的化學(xué)方程式為；(6)可能反應(yīng)中生成的二氧化硫?qū)⒙然F還原為氯化亞鐵，即還原劑可能為SO2；若二氧化硫作還原劑，則氧化產(chǎn)物為硫酸根離子，只需檢驗反應(yīng)后是否含硫酸根離子即可，設(shè)計實驗為：先加鹽酸酸化，再加BaCl2溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則是SO2將Fe3+還原。精選習(xí)題1．氧化還原反應(yīng)廣泛應(yīng)用于金屬的冶煉。下列說法不正確的是A．電解熔融NaCl制取金屬鈉的反應(yīng)中，鈉離子被還原，氯離子被氧化B．濕法煉銅與火法煉銅的反應(yīng)中，銅元素都發(fā)生還原反應(yīng)C．用磁鐵礦煉鐵的反應(yīng)中，1molFe3O4被CO還原成Fe，轉(zhuǎn)移9mole?D．鋁熱法還原鐵的反應(yīng)中，放出的熱量能使鐵熔化2．下列金屬冶煉的反應(yīng)原理，錯誤的是A． B．↑C． D．↑3．下列說法中不正確的是A．金屬的冶煉原理，就是運(yùn)用氧化還原反應(yīng)原理，在一定條件下將金屬從其化合物中還原出來B．冶煉金屬時，必須加入一種物質(zhì)作還原劑C．金屬由化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，一定是被還原D．金屬單質(zhì)被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用得越早，其活動性越弱4．野外焊接鋼軌常用如圖所示裝置，鎂條引燃混合物后，反應(yīng)非常劇烈，火星四射，有熔融鐵珠落入沙子中。下列敘述錯誤的是A．該反應(yīng)屬于置換反應(yīng)B．有“熔融鐵珠”生成說明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)C．該反應(yīng)的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為熱能D．該反應(yīng)中斷鍵吸收的能量小于成鍵釋放的能量5．下列關(guān)于物質(zhì)制備原理錯誤的是A．工業(yè)制備金屬鈉：2NaCl2Na+Cl2↑B．工業(yè)生產(chǎn)鐵：Fe2O3+3COFe+3CO2C．濕法煉銅：Fe+CuSO4=Cu+FeSO4D．以S為原料，工業(yè)生產(chǎn)硫酸在沸騰爐中的反應(yīng)：2S+3O22SO36．由粗(含少量、雜質(zhì))制備純的流程如圖所示，下列說法錯誤的是A．X中的主要成分的水溶液俗稱水玻璃B．若在實驗室中完成步驟Ⅲ，對固體加熱一般在坩堝中進(jìn)行C．步驟Ⅱ中的稀硫酸可用代替D．步驟Ⅱ中的主要反應(yīng)是7．氧化鋁是工業(yè)上電解制鋁的原料，工業(yè)上用鋁土礦(主要成分Al2O3，還含有Fe2O3，SiO2等)為原料制取氧化鋁的流程如圖所示，下列說法錯誤的是A．濾渣可用于煉鐵B．濾液1中所含陰離子為OH-、SiO、[Al(OH)4]-C．步驟①、②、③中均不涉及氧化還原反應(yīng)D．步驟③中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為：2[Al(OH)4]-+CO2=2Al(OH)3↓+CO+H2O8．某新型納米材料氧缺位鐵酸鹽，能在常溫下將工業(yè)廢氣中的、等轉(zhuǎn)化為單質(zhì)而除去，由鋅灰(含ZnO及少量PbO、CuO、等)和為原料制備氧缺位鐵酸鹽及其轉(zhuǎn)化廢氣流程如圖：下列說法正確的是A．浸取時，為了提高酸浸效率，可以延長浸取時間或?qū)⑾×蛩釗Q成濃硫酸B．“除雜”過程中有加入足量鋅粉等操作，與鋅粉反應(yīng)的離子只有和C．除去時，在反應(yīng)中表現(xiàn)了還原性D．與反應(yīng)制得1mol時轉(zhuǎn)移電子(8-2x)mol9．地球上的金屬礦物資源是有限的，應(yīng)合理開發(fā)利用。(1)金屬冶煉的實質(zhì)是金屬離子被______(填“氧化”或“還原”)生成金屬單質(zhì)。(2)銅在自然界存在于多種礦石中，如：礦石名稱黃銅礦輝銅礦孔雀石主要成分CuFeS2Cu2SCu2(OH)2CO3請回答下列問題：①上表所列銅化合物中，推斷銅的質(zhì)量百分含量最高的是______。②CuFeS2其中Cu為+1價、Fe為+3價，高溫焙燒時發(fā)生的反應(yīng)是CuFeS2+O2SO2+FeS+Cu，焙燒過程中被還原的元素有______。③工業(yè)上以黃銅礦為原料，采用火法熔煉工藝生產(chǎn)銅，火法煉銅的反應(yīng)為：Cu2S+O22Cu+SO2，該反應(yīng)中氧化劑是______。④Cu2(OH)2CO3與稀硫酸反應(yīng)的離子方程式為______。10．除金、鉑等極少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)金屬元素以化合物形式存在于自然界中，將金屬元素從其化合物中還原出來的工業(yè)工程稱為金屬的冶煉。下列材料描述了部分常見金屬的冶煉方法。①工業(yè)上冶煉鎂的方法有兩種，電解法和皮江法。電解法是電解熔融的氯化鎂；皮江法是硅在高溫下還原氧化鎂。②霍爾?埃魯鋁電解法是以氧化鋁為原料、冰晶石(Na3AlF6)為熔劑組成的電解質(zhì)，在950~970℃的條件下通過電解的方法使電解質(zhì)熔體中的氧化鋁分解為鋁和氧氣。③冶煉錳一般用鋁熱法，即在高溫下用鋁還原二氧化錳。④相關(guān)各物質(zhì)熔點(diǎn)見下表：物質(zhì)Al2O3AlCl3MgOMgCl2AlMnMg熔點(diǎn)/℃230319028007126601244649Ⅰ．根據(jù)上述信息回答下列問題：(1)冶煉鎂時電解熔融MgCl2而不電解熔融MgO，冶煉鋁時電解熔融Al2O3而不電解熔融AlCl3的原因是________________________________。(2)寫出鋁熱法冶煉錳的化學(xué)方程式_____________________，一般使用鋁熱法冶煉的金屬具有哪些性質(zhì)_____________________________。(3)將鋁和鎂作電極分別插入稀硫酸、氫氧化鈉溶液中，鎂、鋁分別作______極、_____極；寫出介質(zhì)是稀硫酸溶液時的正極電極反應(yīng)式：______。Ⅱ．下面是皮江法冶煉鎂的工業(yè)流程示意圖：(1)氣體a是_______。(2)還原爐需控制溫度為1200℃左右，并抽空氣到近似真空。還原爐中發(fā)生的主要反應(yīng)有____________________________、_______________________。(3)還原爐中抽空氣到近似真空的原因是__________________________。11．含鈷催化劑廢料(含F(xiàn)e3O4、Co2O3、Al2O3、CaO及SiO2為原料制取Co3O4的一種工藝流程如圖：回答下列問題：(1)步驟①中將廢料磨碎的目的是____。(2)步驟②經(jīng)溶解后過濾，濾渣1的主要成分為____(填化學(xué)式)，濾液中含有____種陽離子。(3)步驟③氧化將Fe2+全部轉(zhuǎn)化為Fe3+，反應(yīng)的離子方程式為____。(4)步驟⑤灼燒過程中用到的主要儀器為____，濾渣2中含有Na2Fe6(SO4)4(OH)x，則x=____。12．以黃鐵礦(主要成分)為原料生產(chǎn)硫酸，應(yīng)將產(chǎn)出的爐渣和尾氣進(jìn)行資源化綜合利用，減輕對環(huán)境的污染。其中一種流程如下圖所示?；卮鹣铝袉栴}：(1)由爐渣制備還原鐵粉的化學(xué)方程式為___________。(2)欲得到更純的，反應(yīng)①應(yīng)通入___________(填“過量”或“不足量”)的氣體。(3)因為具有___________性，導(dǎo)致商品中不可避免地存在。檢驗其中含有的方法是___________。(4)一般用