高中化学专题二从自然资源到化学品第四单元镁和铝的冶炼学案选修.docx

第四单元镁和铝的冶炼1了解如何根据元素在自然界的存在状态和性质来开发、利用自然资源。2了解从海水中提取氯化镁、从铝土矿中提取氧化铝的方法，以及获得金属镁、铝的基本原理。3通过学习活动提高学习能力、交流合作能力和分析、解决实际问题的能力。法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己打造了一顶铝皇冠。他戴上铝皇冠，神气十足地接受百官的朝拜。在宴请宾客时，拿破仑三世使用了一套珍藏的铝制餐具，而大臣们使用的是金或银制餐具。门捷列夫创建了元素周期表，受到英国皇家学会的表彰，奖品是一只铝制奖杯。思考：为什么当时的铝很贵？提示：铝在地壳中都以化合态形式存在，如氧化铝等。在19世纪中期铝冶炼的困难导致了铝价格的昂贵，甚至超过了黄金，但现在随着科学技术的进步，人们已经熟练地掌握了较好的冶炼铝的方法，铝的价格大大降低，走进了我们普通百姓的家。一、从海水中提取镁1氯化镁的提取(1)可以将海边大量存在的贝壳煅烧成石灰，再制成石灰乳，将石灰乳加入到海水中，可得到沉淀物氢氧化镁，有关反应方程式为CaCO3CaOCO2，CaOH2O=Ca(OH)2，MgCl2Ca(OH)2=CaCl2Mg(OH)2。(2)滤出氢氧化镁沉淀，加入盐酸转化为氯化镁溶液，浓缩得到水合晶体(MgCl26H2O)，有关反应方程式：Mg(OH)22HCl=MgCl22H2O，MgCl26H2O=MgCl26H2O。(3)氯化镁的水合晶体在充满氯化氢气体的设备中加热脱水得到无水氯化镁。反应方程式为MgCl26H2OMgCl26H2O。2氯化镁的电解用惰性电极作阳极，电解熔融的氯化镁得到金属镁，反应方程式为MgCl2MgCl2。思考：实际生产中，氯化镁的水合晶体加热脱水的过程在充满氯化氢气体的设备中进行。为什么在这种条件下可以得到无水氯化镁？提示：因为MgCl2属于强酸弱碱盐，能发生水解转化为碱式氯化镁Mg(OH)Cl，化学方程式为MgCl2H2OMg(OH)ClHCl。在充满氯化氢气体的环境中，氯化氢分子浓度大，使水解平衡向逆向移动，抑制了MgCl2的水解，从而加热脱水可得到无水氯化镁。二、铝的冶炼1制备纯度较高的氧化铝(1)铝元素的含量占地壳中元素总量的7.45%，是地壳中含量最多的金属元素。铝在地壳中主要以铝土矿的形式存在。要从铝土矿中提取铝，首先必须制备纯度较高的氧化铝。(2)原料：铝土矿。(3)制备过程：先要除去铝土矿中的氧化铁、二氧化硅等杂质。在工业上可以使用浓氢氧化钠溶液来处理铝土矿得到偏铝酸钠溶液，在得到的偏铝酸钠溶液中通入二氧化碳，析出氢氧化铝沉淀，加热分解氢氧化铝，就得到纯度较高的氧化铝。主要方程式有：Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3，2Al(OH)3Al2O33H2O。2电解冶炼铝单质铝的活泼性较强，只能采用电解熔融氧化铝的方法冶炼。而氧化铝的熔点很高，冶炼铝的生产能耗很大。所以在熔融氧化铝中添加了冰晶石，在较低的温度下得到熔融氧化铝冰晶石的熔融体，降低了炼铝的能耗。反应方程式为2Al2O34Al3O2。一、从海水中提取镁镁是活泼的金属，不宜用热还原法制取，一般采用电解熔融MgCl2的方法。MgCl2主要存在于海水和光卤石中，所以制取MgCl2的途径是在海水或光卤石中加入熟石灰，使Mg(OH)2析出：MgCl2Ca(OH)2=Mg(OH)2CaCl2，再用盐酸溶解Mg(OH)2，然后将溶液浓缩，得到MgCl2晶体，将晶体在HCl气体的氛围中加热除去结晶水，即得无水MgCl2。然后电解熔融的MgCl2，MgCl2MgCl2，就可得到金属镁。工业提取镁的流程图：二、铝的冶炼1铝土矿的主要成分：Al2O3(含Fe2O3、SiO2)，怎样从铝土矿中获得纯净的氧化铝？实验方案一及步骤：(1)加足量HCl溶液并过滤(除去SiO2)：Al2O36H=2Al33H2OFe2O36H=2Fe33H2O(2)加足量NaOH并过滤除去Fe(OH)3：Al34OH=AlO2H2OFe33OH=Fe(OH)3(3)通足量CO2并过滤保留Al(OH)3：AlOCO22H2O=Al(OH)3HCO(4)煅烧：2Al(OH)3Al2O33H2O流程图为：实验方案二及步骤：(1)加足量NaOH溶液并过滤(除去Fe2O3)：Al2O32OH=2AlOH2OSiO22OH=SiOH2O(2)加足量盐酸并过滤(除去H2SiO3)：AlO4H=Al32H2O(3)通足量NH3并过滤保留Al(OH)3：Al33NH3H2O=Al(OH)33NH(4)煅烧：2Al(OH)3Al2O33H2O流程图为：2电解过程：阴极(和电源负极相连)：4Al312e=4Al阳极(和电源正极相连)：6O212e=3O2在高温下，阳极产生的氧气会跟碳电极发生反应，生成二氧化碳，所以在电解中要定时补充碳块。铝的熔点是660 ，电冶铝反应的温度是1 000 左右。所以电解生成的铝呈液态，从电解装置的底部流出。知识点1 镁的提取【例题1】海水是一种丰富的资源，工业上从海水中可提取许多种物质，广泛应用于生活、生产、科技等方面。下图是某工厂对海水资源进行综合利用的示意图。回答下列问题：(1)流程图中操作a的名称为_。(2)工业上从海水中提取的NaCl，可用来制取纯碱，其简要过程如下：向饱和食盐水中先通入气体A，后通入气体B，充分反应后过滤得到晶体C和滤液D，将晶体C灼烧即可制得纯碱。气体A、B是CO2或NH3，则气体A应是_(填化学式)。滤液D中主要含有NH4Cl、NaHCO3等物质，工业上是向滤液D中通入NH3，并加入细小食盐颗粒，冷却析出不含有NaHCO3的副产品NH4Cl晶体，则通入NH3的作用是_。(3)镁是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁从海水中提取。若要验证所得无水MgCl2中不含NaCl，最简单的操作方法是_。操作b是在_氛围中进行，若在空气中加热，则会生成Mg(OH)Cl，写出有关反应的化学方程式：_。解析：本题是实验流程题，考查海水中提取金属镁。(1)将海水蒸发结晶得到粗盐，在提取粗盐后的母液中主要含有的是Mg2。(2)先通氨气的原因是氨气易溶于水，CO2微溶于水，若先通CO2，则影响产率；从平衡的角度去分析，增加NH的浓度，有利于沉淀平衡向生成NH4Cl的方向进行，将NaHCO3转化为Na2CO3而不析出。(3)采用焰色反应来检验；HCl的作用是防止MgCl2的水解。答案：(1)蒸发结晶(或蒸发)(2)NH3增加NH的浓度，有利于沉淀平衡向生成NH4Cl的方向进行，将NaHCO3转化为Na2CO3而不析出(3)用铂丝蘸取少量固体，置于酒精灯火焰上灼烧，若无黄色火焰产生，则证明所得无水氯化镁晶体中不含氯化钠(答焰色反应也可)HCl(气流)MgCl26H2OMg(OH)ClHCl5H2O点拨：本题是工业流程题，读懂流程是关键。从流程中找到实验原理和实验目的，正确分析每一个实验步骤，题中涉及粗盐的提取、制碱工业、镁的提取等，是一道综合性很强的实验流程题。知识点2 铝的冶炼【例题2】铝和氢氧化钾都是重要的工业产品。请回答：(1)工业上冶炼铝的化学方程式是_。(2)铝与氢氧化钾溶液反应的离子方程式是_。(3)工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过)，其工作原理如图所示。该电解槽的阳极反应式是_。通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述原因：_。除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口_(填“A”或“B”)导出。解析：(1)金属铝的冶炼是电解熔融Al2O3。(2)铝与强碱反应放出氢气生成偏铝酸盐。(3)结合题中给出的信息提示进行解题。溶液中存在阴离子为OH和含氧酸根，应是OH先放电。溶液中存在的阳离子为K和H，应是H先放电。在阴极由于H放电，H不断减少，水的电离平衡向正反应方向移动，OH浓度增大，pH增大。K可通过阳离子交换膜流向B口，B口的OH不断增多，但无法通过阳离子交换膜，故氢氧化钾溶液从B口导出。答案：(1)2Al2O34Al3O2(2)2Al2OH2H2O=2AlO3H2(3)4OH4e=2H2OO2H放电，促进水的电离，OH浓度增大B点拨：本题综合考查了金属铝的冶炼，铝与强碱溶液的反应，以及有关电解、水解的知识，综合性较强，需做好知识与解题能力的衔接，方能从容解决这类题目。1冶炼金属一般有以下四种方法：焦炭法；水煤气法(或氢气、一氧化碳法)；活泼金属置换法；电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有：()火烧孔雀石炼铜Cu2(OH)2CO3，()湿法炼铜；现代有：()铝热法炼铬，()从光卤石(KClMgCl26H2O)中炼镁。下列对应关系不正确的是()。A B C D解析：本题难点是涉及一些化学史的知识。(1)火烧孔雀石炼铜是用树木煅烧孔雀石，孔雀石分解后产生CuO，树木变成焦炭后还原CuO得到Cu。Cu2(OH)2CO32CuOH2OCO2，2CuOC2CuCO2符合(2)湿法炼铜是我国西汉时期用铁从铜的化合物溶液中置换出铜。FeCu2=Fe2Cu符合(3)铝热法炼铬：2AlCr2O32CrAl2O3符合(4)从光卤石中炼镁是先从光卤石中得到MgCl2，再电解熔融MgCl2，得到Mg。MgCl2MgCl2符合答案：B2蛇纹石矿可以看作由MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2组成。由蛇纹石制取碱式碳酸镁的实验步骤如下：(1)蛇纹石矿加盐酸溶解后，溶液里除了Mg2外，还含有的金属离子是_。(2)进行操作时，控制溶液pH78(有关氢氧化物沉淀的pH见下表)。氢氧化物Fe(OH)3Al(OH)3Mg(OH)2开始沉淀pH1.53.39.4Ca(OH)2不能过量，若Ca(OH)2过量可能会导致_溶解、_沉淀。(3)从沉淀混合物A中提取红色氧化物作颜料，先向沉淀物A中加入_(填物质的化学式)，然后_(依次填写实验操作名称)。(4)物质循环使用，能节约资源。上述实验中，可以循环使用的物质是_(填物质的化学式)。(5)现设计一个实验，确定产品aMgCO3bMg(OH)2cH2O中a、b、c的值，请完善下列实验步骤(可用试剂：浓硫酸、碱石灰)：样品称量；高温分解；_；_；MgO称量。(6)18.2 g产品完全分解后，产生6.6 g CO2和8.0 g MgO，由此可知，产品的化学式中：a_，b_，c_。解析：(1)由蛇纹石的组成可知，与盐酸反应所得溶液中除含有Mg2外，还应含有Fe3、Al3等。(2)由于Ca(OH)2碱性强，所以其过量时Al(OH)3会溶解，由表中所给氢氧化物开始沉淀的pH可知，Ca(OH)2过量时Mg(OH)2会沉淀。(3)由操作流程可知沉淀物A为Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物，故要得到Fe2O3，需先将其中的Al(OH)3溶解并分离出去。即先加入NaOH或Ca(OH)2，然后