2.5 金属冶炼（解析版）

1、常见的矿石金属矿石赤铁矿磁铁矿黄铁矿菱铁矿铝土矿黄铜矿辉铜矿主要成分Fe2O3Fe3O4FeS2FeCO3Al2O3CuFeS2Cu2S2、实验室一氧化碳还原氧化铁装置3、实验现象A处B处C处实验现象红棕色粉末逐渐变成黑色澄清石灰水变浑浊产生蓝色火焰化学方程式Fe2O3+3CO2Fe+3CO2Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O2CO+O22CO24、实验注意事项（1）先通CO再加热；排尽装置中的空气，防止加热CO与空气的混合气体发生爆炸（2）停止加热，继续通CO至玻璃管冷却；防止生成的热的铁被空气再次氧化（3）尾气处理:①点燃，使CO变成无毒的CO2；②在导管末端系一个气球或用排水法收集（4）酒精喷灯的作用是提供高温（如果用酒精灯，则加金属网罩集中火焰，提高温度）5、装置改进优点：节约药品优点：双管集气瓶既可以检验并吸收二氧化碳，还能收集多余的一氧化碳优点：节约能源，减少空气污染6、工业炼铁设备：高炉（1）炼铁的原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气（2）反应原理：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2（3）焦炭的作用：=1\*GB3①提供热量（C+O2CO2）；=2\*GB3②生成CO（C+CO22CO）（焦炭虽具有还原性，但是CO气体具有流动性，与铁矿石接触更充分）（4）石灰石的作用：将矿石中的二氧化硅变为炉渣（5）产物：生铁（6）高炉气体的主要成分：N2、CO、CO2等处理方法：收集后集中处理，或工业生产中常用于制煤气1、如图，甲和乙分别是氢气和一氧化碳还原氧化铜的实验，下列有关说法正确的是()A．乙实验只能通过澄清石灰水是否变浑浊判断反应是否发生B．甲实验试管口向下倾斜可防止生成的水倒流，也有利于将试管内的空气完全排出C．甲、乙两实验中，都应先使试管、玻璃管均匀受热，再通入气体，以防止发生爆炸D．甲、乙两实验中，氢气和一氧化碳都将氧化铜变成游离态的铜，都发生了置换反应【答案】B【解析】A、一氧化碳具有还原性，能与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，乙实验还能通过玻璃管中黑色粉末逐渐变红判断反应是否发生，故选项说法错误。B、氢气与氧化铜反应生成铜和水，氢气的密度比空气的小，甲实验试管口向下倾斜可防止生成的水倒流，也有利于将试管内的空气完全排出，故选项说法正确。C、甲、乙两实验中，都应先通入气体，再使试管、玻璃管均匀受热，以防止发生爆炸，故选项说法错误。D、氢气与氧化铜反应生成铜和水，属于置换反应；一氧化碳与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，反应物均为化合物，不属于置换反应，故选项说法错误。2、《天工开物》中介绍了锌的冶炼方法：把炉甘石(ZnCO3)和煤炭饼装入炼锌罐(如图所示)，泥封，“其底铺薪，发火煅红”，“冷定毁罐取出”。(锌熔点为419℃，沸点为907℃)(1)反应区中，ZnCO3首先分解生成ZnO，然后C与ZnO发生置换反应得到Zn和另一种氧化物，该分解反应的化学方程式为____________________________。(2)冷凝区中，锌由气态转化为液态，理论上该区应控制的温度范围是____________________。(3)请解释“冷定(即冷却)后才可毁罐取锌”的原因：_______________________________。【答案】（1）ZnCO3EQ\*jc0\*hps16\o(\s\up9(高温),===)ZnO+CO2↑；C；（2）419℃～907℃；（3）防止生成的锌在较高的温度下又被氧化成氧化锌。【解析】（1）碳酸锌在高温的条件下生成氧化锌和二氧化碳；碳和氧化锌在高温的条件下生成锌和二氧化碳，化学方程式为：2ZnO+CEQ\*jc0\*hps16\o(\s\up9(高温),===)2Zn+CO2↑，在反应物中：氧化锌中锌元素的化合价为+2价；氧元素的化合价为-2价；单质碳中碳元素的化合价为0；在生成物中：锌的化合价为0；二氧化碳中碳元素的化合价为+4价；氧元素的化合价为-2价，即化合价升高的是碳元素；（2）由锌的熔点和沸点可知，冷凝区中，锌由气态转化为液态，理论上该区应控制的温度范围是：419℃～907℃；（3）“冷定”后方能“毁罐“取锌，是为了防止生成的锌在较高的温度下又被氧化成氧化锌。3、下面是三套还原氧化铜的实验装置图，通过分析比较回答下列问题：(1)判断丙图实验是否完成的最佳实验现象是_________________________________。(2)甲装置中通氢气的导管插入到试管底部氧化铜粉末的上方，其目的是________________________。(3)乙图实验装置中，有一个明显的不足是__________________________________________；(4)若要将乙装置改装成H2还原灼热氧化铜的实验装置来测定水的质量，你的改装方法是：_________________________________。【答案】（1）导管口不再有新的气泡生成；（2）便于排尽空气，防止发生爆炸；同时使氢气与氧化铜粉末充分接触；（3）一氧化碳有毒，装置中没有尾气处理装置，应在a处连接点燃装置或收集装置；（4）将装有澄清石灰水的大试管改成装有无水氯化钙的U型管。【解析】（1）碳和氧化铜在高温的条件下反应生成铜和二氧化碳，所以判断丙图实验是否完成的最佳实验现象是：导管口不再有新的气泡生成；（2）氢气可燃烧，点燃不纯的氢气可能会发生爆炸，装置中的气体导管已插入到试管底部药品的上方，是为了便于在加热前，通入的H2将试管中的空气排尽，防止爆炸；（3）一氧化碳有毒但能燃烧生成二氧化碳，所以不能直接排放要收集再利用或点燃；（4）测定水的组成就需要知道生成水的质量，无水氯化钙有吸水性，所以改装方法是：将装有澄清石灰水的大试管改成装有无水氯化钙的U型管。1、下列关于炼铁的叙述错误的是（）A．主要原料为铁矿石、焦炭、石灰石等 B．主要设备为高炉 C．主要原理为：利用焦炭的还原性置换出铁矿石中的铁 D．主要产物是生铁【答案】C【解析】解：A．工业炼铁的主要原料是铁矿石、焦炭、石灰石等，故A正确；B．高炉炼铁的设备是高炉，故B正确；C．工业炼铁就是在高温的条件下，用一氧化碳来还原氧化铁，生成铁和二氧化碳，而不是焦炭，故C错误；D．工业炼的铁中含有杂质，属于生铁，故D正确。故选：C。2、如图所示，用“W”型玻璃管进行微型实验。下列说法正确的是（）A．a处黑色粉末变为红色 B．a处的反应属于置换反应 C．b处澄清石灰水变浑浊，证明有CO2生成 D．该装置的药用量很少，所以尾气可以不需要处理【答案】C【解析】解：A、一氧化碳具有还原性，能与氧化铁反应生成铁和二氧化碳，a处红棕色粉末变为黑色，故选项说法错误。B、该反应的反应物均为化合物，不属于置换反应，故选项说法错误。C、二氧化碳能使澄清的石灰水变浑浊，b处澄清石灰水变浑浊，证明有CO2生成，故选项说法正确。D、一氧化碳具有毒性，能污染环境，为防止污染空气，尾气不经处理不能直接排放，一氧化碳具有可燃性，可利用点燃的方法进行尾气处理，也可以用气球收集等，故选项说法错误。故选：C。3、甲图是一氧化碳还原氧化铁的装置，乙图是炼铁高炉示意图。下列叙述中正确的是（）高温A．乙图所示的炼铁中原料焦炭的作用只是提供热量 高温B．两图所示的实验和生产过程中都发生的反应是：3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2 C．甲图所示的实验中开始时应先点燃酒精喷灯，后通CO D．用两图所示的方法得到的铁的成分完全相同【答案】B【解析】A、高炉炼铁中原料焦炭的作用是提供热量和得到还原剂一氧化碳，故A叙述错误；B、高炉炼铁原理用化学方程式表示是：3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2．故B叙述正确；C、CO具有可燃性，与玻璃管中的空气混合受热会发生爆炸。因此应先通CO排尽玻璃管中的空气，然后再点燃酒精喷灯，故C叙述错误；D、甲图是一氧化碳还原氧化铁，能得到纯铁。乙图是炼铁高炉，得到的是生铁，属于混合物。故D叙述错误。4、氢气和一氧化碳还原氧化铜的实验装置如图所示，下列有关说法错误的是（）A.实验时都应该先通入气体后加热，防止发生爆炸B.两者都可以通过观察黑色固体颜色的变化判断反应是否发生C.甲无尾气处理装置而乙有，是因为一氧化碳有毒而氢气无毒D.甲试管口略向下倾斜，乙玻璃管保持水平，是因为两种气体的密度不同【答案】D【解析】A、氢气、一氧化碳都属于可燃性气体，与空气混合达到爆炸极限时，受热或遇明火会发生爆炸，实验时都应该先通入气体一会儿后再加热，这样可以防止发生爆炸，该选项说法正确；B、实验过程中，能够观察到黑色的氧化铜粉末逐渐变成红色，说明氧化铜和氢气、一氧化碳反应生成了红色的铜，该选项说法正确；C、氢气无毒，不污染环境，所以不需要处理尾气，而一氧化碳有毒，能够污染环境，应该对尾气进行处理，该选项说法正确；D、甲中试管口略向下倾斜，是为了防止生成的水回流炸裂试管，与气体的密度无关，该选项说法错误。5、实验室用如图装置模拟炼铁。下列说法正确的是（）A．磁铁矿的主要成分是Fe2O3 B．应先加热Fe2O3，再通入CO C．红棕色的Fe2O3逐渐变黑 D．气体通过澄清石灰水后可直接排放【答案】C【解析】A、磁铁矿的主要成分是Fe3O4，故选项说法错误。B、实验开始先通入一氧化碳，排出装置内的空气后，再点燃酒精喷灯加热玻璃管中的氧化铁，先通入一氧化碳后加热的原因是排尽玻璃管中的空气，防止发生爆炸，故选项说法错误。C、一氧化碳具有还原性，能与氧化铁反应生成铁和二氧化碳，实验进行一段时间后，玻璃管A中出现的现象是红棕色粉末逐渐变黑，故选项说法正确。D、一氧化碳有毒，直接排放到空气中会污染环境，气体通过澄清石灰水后不能直接排放，可将玻璃管改成尖嘴点燃或用气球收集，故选项说法错误。6、用如图所示的玻璃管进行碳还原氧化铜实验。(1)当A处的黑色固体变红时，可观察到B处的现象是。(2)查阅资料发现：反应生成的红色固体除了铜以外还可能含有氧化亚铜(Cu2O)，氧化亚铜可以与硫酸发生如下反应：Cu2O+H2SO4EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(Δ),===)Cu+CuSO4+X，该反应中X的化学式为。【答案】澄清石灰水变浑浊H2O【解析】A处反应生成二氧化碳，二氧化碳与澄清石灰水反应生成碳酸钙白色沉淀；根据化学反应前后原子的种类、数目不变可知，X的化学式为H2O。7、从孔雀石[主要成分CuCO3•Cu(OH)2]中提取金属铜的实验步骤如下：将孔雀石粉碎，加过量稀硫酸，充分反应后过滤，向滤液中加入一种金属粉末。(1)请填空：CuCO3•Cu(OH)2+2H2SO4===CuSO4+CO2↑+3____________。(2)写出可以加入的一种金属并说明理由：_________________________________________。【答案】(1)H2O(2)铁(或锌等)铁(或锌等)的金属活动性比铜强，可以把铜置换出来【解析】(1)根据质量守恒定律，反应前后各原子的数目不变，可以推知X的化学式为H2O；(2)排在铜前的金属能把铜从硫酸铜溶液中置换出来。所得滤液中含有生成的硫酸铜和过量的硫酸，要从其中置换铜，需要加入氢之前的活泼金属(除钾、钠、钙外)，如锌、铁等，它们可以把铜从硫酸铜溶液中置换出来。8、如图是某科学老师设计的一氧化碳还原氧化铁的实验装置。(1)在B装置的液面下降到安全线之前，不能加热氧化铁，这是因为____________________。(2)反应结束后停止加热，继续通CO，此时B装置的作用是________________________。【答案】(1)CO和空气混合，加热可能会发生爆炸(2)收集CO，防止污染空气【解析】（1）一氧化碳具有可燃性，和助燃性气体混合，加热可能发生爆炸，所以在B装置的液面下降到安全线之前，不能加热氧化铁，因为一氧化碳和空气混合，加热可能会发生爆炸；（2）一氧化碳有毒，需要尾气处理，所以B装置的作用是：收集一氧化碳、防止污染空气。1、如图为氢气还原氧化铜的实验装置图，下列有关分析正确的是（）A.装置中试管口需略向下倾斜，主要是为了利于通入氢气B.在给试管内药品加热前，需先通氢气排尽试管内的空气C.待药品完全反应后，需同时撤去酒精灯和通氢气的导管D.该实验装置也可直接用于一氧化碳还原氧化铜的实验【答案】B【解析】试管口略向下倾斜，是为了防止生成的水倒流入试管底部，使其炸裂，即A不正确；反应后需要继续通入氢气，防止生成的Cu再次被氧化，C不正确；一氧化碳具有毒性，因此该实验装置不能直接用于CO还原CuO，D不正确，故选B。2、关于工业炼铁的说法正确的是（）A．铁矿石用于炼铁是因为含有大量单质铁 B．焦炭的主要作用是不完全燃烧制取CO C．在高炉中冶炼出来的是生铁，不是纯铁 D．高炉的尾气成分为CO2，可以直接排放【答案】C【解析】A．铁矿石中主要含有铁的氧化物，而不是铁的单质，故错误；B．工业炼铁中利用了焦炭的可燃性，提供热量；又利用其还原性，与二氧化碳反应生成一氧化碳气体，故错误；C．工业炼铁得到的是生铁，含有碳等杂质，不是纯铁，故正确；D．高炉的尾气中含有有毒的一氧化碳，不能直接排放以免造成空气污染，故错误。3、利用甲酸（HCOOH）与浓硫酸制备CO，并用如图实验装置验证CO的有关性质。已知：HCOOH浓硫酸¯60～80℃CO↑+HA．操作时，先点燃乙处酒精灯，再滴加HCOOH B．装置丙的作用是防止倒吸 C．装置丁既可检验CO2，又可收集CO D．随着反应进行，浓硫酸浓度降低，产生CO气体速率减小【答案】A【解析】A、操作时，先滴加HCOOH，生成一氧化碳，排出装置内的空气后，再点燃乙处酒精灯，以防止发生爆炸，故选项说法错误。B、装置丙能防止丁装置的石灰水进入乙装置，装置丙的作用是防止倒吸，故选项说法正确。C、二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，根据石灰水是否变浑浊，装置丁可检验CO2；一氧化碳不与石灰水反应，又可以将瓶中的石灰水排出，可收集CO，故选项说法正确。D、HCOOH浓硫酸¯60～80℃CO↑+H4、如图是CO和Fe2O3反应的装置。下列关于图示实验的说法，正确的是（）①说明CO具有氧化性②玻璃管中的红色粉末变成黑色粉末③防止了CO对空气的污染④反应前应先通CO，再加热酒精灯A.①②④B.①②③C.②③④D.全部【答案】C【解析】①玻璃管中黑色粉末变成红色，说明生成了铜，说明CO具有还原性，故说法错误。②氧化铁颜色为红色，被一氧化碳还原为铁粉，铁粉颜色为黑色，所以硬质玻璃管中的现象为红色粉末变黑，故正确；③尾气中含有有毒的一氧化碳，需要对尾气进行处理，以防造成空气污染，故正确；④反应前应先通CO，再加热酒精灯，排出装置内的空气，防止加热时发生爆炸，故正确；故选C。5、用一氧化碳还原氧化铁的实验中，Fe2O3转化为铁的具体过程是：已知铁的氧化物除Fe2O3外，其余均为黑色。下列说法正确的是（）A.装置中漏斗的作用是防止倒吸B.通过实验现象可以判断氧化铁是否完全转化为铁C.该实验中所有的化学反应里，氧元素的化合价均未改变D.当硬质玻璃管内固体中铁元素的质量分数为74%时，固体成分是Fe3O4和FeO【答案】D【解析】装置中漏斗的作用是为了聚集一氧化碳，而不是防止倒吸，A错误；生成的四氧化三铁、氧化亚铁以及铁粉都是黑色的，无法通过实验现象判断氧化铁是否完全转化为铁，B错误；尾气中的一氧化碳与氧气在点燃的条件下反应生成二氧化碳，氧气中的氧元素的化合价为0，二氧化碳中氧元素的化合价为-2，氧元素的化合价发生改变，C错误；Fe2O3中铁元素的质量分数为，Fe3O4中铁元素的质量分数为，FeO中铁元素的质量分数为，因此当硬质玻璃管内固体中铁元素的质量分数为74%时，固体成分是Fe3O4和FeO，D正确。6、小金利用图示装置进行“一氧化碳还原氧化铁”及产物检验的实验。实验步骤如图：步骤1：连接装置并检查装置的气密性，在确保装置气密性良好的基础上，按图示在各装置中添加药品；步骤2：缓慢推注射器活塞，利用甲酸(一种无色溶液，溶质为HCOOH)与浓硫酸在80℃水浴的条件下制备一氧化碳(反应原理：HCOOHeq\o(――――→,\s\up13(浓H2SO4),\s\do13(加热))CO↑＋H2O)；步骤3：待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下后再点燃酒精灯，当W形管右侧弯管处的氧化铁全部变为黑色时，继续加热2分钟后熄灭酒精灯；步骤4：撤去酒精灯和盛热水的烧杯，用磁铁吸引黑色物质至W形管左侧弯管处进行固体产物的检验。(1)进行气密性检查时，可在万用瓶中盛适量水，然后推注射器活塞，当观察到____________________________________________(填写现象)，说明装置气密性良好。(2)点燃酒精灯前，需要“待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下”的原因是____________________________________________________________。(3)步骤3后，W形管左侧弯管处为反应后得到的稀硫酸，若固体产物全部是铁，步骤4中能观察到的现象是____________________________________________。【答案】（1）万用瓶中的水进入导管并形成一段稳定的水柱；（2）排尽W型管内的空气，防止点燃酒精灯进行加热时发生爆炸；（3）有气泡产生，固体溶解，溶液变成浅绿色。【解析】（1）检验装置气密性，利用装置内外的压强差检验，所以当观察到万用瓶中的水进入导管并形成一段稳定的水柱，说明装置气密性良好；（2）一氧化碳具有可燃性，和空气混合，加热时可能发生爆炸，所以点燃酒精灯前，需要“待万用瓶中澄清石灰水下降至安全线以下”的原因是：排尽W型管内的空气，防止点燃酒精灯进行加热时发生爆炸；（3）铁和硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，所以步骤4中能观察到的现象是：有气泡产生，固体溶解，溶液变成浅绿色。7、如图所示为实验室用氢气还原氧化铜实验的示意图。(1)实验过程中，观察到的现象是。(2)下面是氢气还原氧化铜的操作步骤：①停止用酒精灯加热；②将CuO粉末平铺在试管底；③把试管固定在铁架台上；④用酒精灯加热；⑤继续通入氢气到试管冷却；⑥向盛有氧化铜粉末的试管中通入氢气。实验时正确的操作顺序是。(3)该反应中的还原剂是。【答案】(1)黑色固体变成红色，试管口有水出现(2)②③⑥④①⑤(3)氢气【解析】(1)氢气与氧化铜在加热条件下反应生成铜和水，因此在实验过程中可观察到黑色固体逐渐变成红色，同时可在试管口观察到有水出现。(2)将CuO粉末平铺在试管底后，把试管固定在铁架台上，然后通入氢气排出试管内的空气，防止氢气与空气混合在加热时出现爆炸；待黑色固体全部变成红色后，先停止加热，防止尚处于高温下的铜与氧气反应再次生成氧化铜，直到试管冷却至室温时停止通入氢气，因此正确的操作顺序为②③⑥④①⑤。(3)在反应CuO+H2EQ\*jc0\*hps18\o(\s\up9(Δ),===)Cu+H2O中，氢气得到氧生成了水，在反应中是还原剂。8、甲、乙两位同学根据下列转化关系在实验室中模拟炼铁，并对生成物的成分进行探究。①模拟炼铁的原理可能是______________________________(用化学方程式表示)。②初步分析得知，黑色粉末B的成分是一种或两种单质。【猜想与假设】甲同学认为无色气体A中可能有CO2，也可能有____________________。乙同学认为黑色粉末的成分中存在以下情况：假设一：只含有铁；假设二：含有____________________。【实验探究】(1)验证甲同学猜想的实验装置(箭头表示气体流向)。上述实验装置Ⅱ中浓硫酸的作用是吸收水蒸气，装置Ⅰ的作用是____________________，当看到Ⅰ中足量的澄清石灰水变浑浊，Ⅲ中黑色固体变成红色后，可以确定无色气体Ａ的成分是_______________。同时得出结论：上述装置存在重大缺陷，需要补充__________装置。(2)为验证乙同学的假设二成立，请你设计实验用物理方法(或化学方法)完成以下探究。(请填写实验报告表格中空缺的部分)实验方法实验操作实验现象实验结论物理方法部分黑色粉末被吸引上来假设二成立化学方法取少量黑色粉末放在玻璃管中，不断通入氧气，加热，将产生的气体通入澄清石灰水中假设二成立【交流反思】对甲同学实验存在的缺陷，甲、乙同学一起进行了改进，解决了污染环境问题。【答案】①3C+2Fe2O3EQ\*jc2\*hps16\o\ad(\s\up9(高温),===)4Fe+3CO2↑【猜想与假设】CO假设二：铁和碳【实验探究】(1)检验并吸收CO2CO2和CO尾气处理(2)实验方法实验操作实验现象实验结论物理方法取少量黑色粉末B，用磁铁吸引部分黑色粉末被吸引假设二成立化学方法取少量黑色粉末放在玻璃管中，不断通入氧气加热，将产生的气体通入澄清石灰固体部分消失，石灰水变浑浊假设二成立【解析】①模拟炼铁的原理可能是碳与氧化铁在高温条件下高温生成铁和二氧化碳，化学方程式为3C+2Fe2O3EQ\*jc2\*hps16\o\ad(\s\up9(高温),===)4Fe+3CO2↑。【猜想与假设】无色气体A中可能有CO2，也可能有未反应的一氧化碳。假设一：只含有铁。假设二：铁和未反应的碳。【实验与