专题15-金属的冶炼与工艺流程(人教版2019必修第二册)(原卷版)

2021-2022学年高一化学期末复习重点专题突破专题15金属的冶炼与工艺流程方法探究一、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、AlZn、Fe、Sn、Pb(H)、CuHg、AgPt、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+3CO2WO3+3H2W+3H2OCr2O3+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)工业上冶炼Al时用Al2O3而不用AlCl3，因为AlCl3为共价化合物，熔化后不导电。但冶炼Al时需加入冰晶石(Na3AlF6)，以降低熔化温度。(2)工业上冶炼Mg时用MgCl2而不用MgO，因为MgO的熔点很高，耗能大。(3)Au、Pt一般用物理法提取。(4)利用铝热反应不能冶炼还原性比Al强的金属，如Mg、Na等。=1\*GB3①铝热反应是指金属铝与某些金属氧化物的混合物在高温条件下发生置换反应，生成氧化铝和金属单质的过程。实质是用较活泼的还原剂铝，把活泼性相对较弱的金属从其氧化物中还原出来。=2\*GB3②铝热反应实验中，镁和KClO3的作用是为铝热反应提供引发反应所需的高温，但该反应属放热反应且放出大量的热，能使生成的金属熔化为液态。铝热反应可应用于冶炼一些高熔点金属，如铁、锰、钒等。二、工艺流程题的解决方略1.解答化工工艺流程题的一般思路(1)读题干，找信息和目的。找出题干中的“制备”或“提纯”等关键词，明确化工生产的原料、产品和杂质。(2)看问题，根据具体的问题，找出流程中需重点分析的步骤或环节，重点抓住物质流向(进入与流出)、操作方法等。(3)局部隔离分析，分析加入什么物质，得到什么物质，发生什么反应(或起到什么作用)。(4)特别提醒：每题中基本上都有与流程无关的问题，可直接作答。工艺流程图：2．常考化工术语常考化工术语关键词释义研磨、雾化将块状或颗粒状的物质磨成粉末或将液体雾化，增大反应物接触面积，以加快反应(溶解)速率或使反应更充分，增大原料的转化率(或浸取率)灼烧(煅烧)使固体在高温下分解或改变结构、使杂质高温氧化、分解等。如煅烧石灰石、高岭土、硫铁矿浸取向固体中加入适当溶剂或溶液，使其中可溶性的物质溶解，包括水溶、酸溶、碱溶、醇溶等酸浸在酸性溶液中使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去过滤固体与液体的分离滴定定量测定，可用于某种未知浓度物质的物质的量浓度的测定蒸发结晶蒸发溶剂，使溶液由不饱和变为饱和，继续蒸发，过剩的溶质就会呈晶体析出蒸发浓缩蒸发除去部分溶剂，提高溶液的浓度水洗用水洗去可溶性杂质，类似的还有酸洗、醇洗等酸作用溶解、除去氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解、除去杂质离子等碱作用除去油污，除去铝片氧化膜，溶解铝，调节pH、促进水解(形成沉淀等)3.常考条件控制(1)控制溶液的pH①调节溶液的酸碱性，使某些金属离子形成氢氧化物沉淀析出(或抑制水解)。②加入酸或调节溶液至酸性还可除去氧化物(膜)。③加入碱或调节溶液至碱性还可除去油污，除去铝片氧化膜，溶解铝等。④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)。(2)控制温度：主要从物质性质(热稳定性、水解、氧化性或还原性、溶解度、熔沸点、挥发性、胶体聚沉等)和反应原理(反应速率、平衡移动、催化剂活性、副反应)两个角度思考。(3)控制压强：改变速率，影响平衡。(4)使用合适的催化剂：加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间。(5)趁热过滤：防止某物质降温时析出。(6)洗涤：常见的洗涤方式有“水洗”和“乙醇洗”。“水洗”的目的是除去沉淀或晶体表面残留的杂质，当沉淀物的溶解度随温度升高而增大时一般可用冰水洗；“乙醇洗”既可以除去沉淀或晶体表面残留的杂质，又可以降低晶体的溶解度，减少损失，还可以利用乙醇易挥发的性质，加快除去沉淀或晶体表面的水分。(7)氧化：氧化剂的选择要依据试题设置的情境，常见的氧化剂有氯气、过氧化氢、氧气和次氯酸钠等，为了避免引入新的杂质，通常选择的氧化剂有过氧化氢和氧气。典例剖析例1下列有关金属冶炼的说法中，不正确的是A．在加热情况下利用氢气还原三氧化二铝得到金属铝B．用电解熔融氯化镁的方法冶炼金属镁C．用铝热法炼得熔点较高的金属铬D．直接加热氧化汞得到金属汞【答案】A【详解】A．铝属于活泼金属，利用电解熔融三氧化二铝,可以得到金属铝，故A错误；B．金属镁的活泼性较强，因此用电解熔融氯化镁的方法冶炼金属镁，而不用电解熔融的氧化镁，因为氧化镁熔点高，耗费能源较大，故B正确；C．金属铬的熔点高，用铝热法制取熔点高的金属，故C正确；D．汞是不活泼金属，因此直接加热氧化汞得到金属汞，故D正确。综上所述，答案为A。例2由重晶石矿(主要成分是，含等杂质)可制得氯化钡晶体，在实验室中某兴趣小组按下列流程制取氯化钡晶体：下列说法正确的是A．“高温焙烧”前将原料研磨处理，能加快“高温焙烧”的反应速率B．“高温焙烧”时可能被还原为C．“浸取过滤”发生的主要反应是氧化还原反应D．“高温焙烧”和“结晶”两处操作均需用到蒸发皿【答案】AB【解析】由流程可知，焙烧时发生BaSO4+4C4CO+BaS，加盐酸时BaS与盐酸反应生成氯化钡和硫化氢，过滤分离出滤渣为SiO2，滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤分离出BaCl2•2H2O，以此来解答。A．为提高原料的利用率，“高温焙烧”前原料需经研磨处理，可增大接触面积，加快反应速率，且可充分反应，故A正确；B．“高温焙烧”时可能发生反应SiO2+2C2CO+Si，可能被还原为，故B正确；C．加盐酸时BaS与盐酸反应生成氯化钡和硫化氢，无元素化合价变化，“浸取过滤”发生的主要反应是非氧化还原反应，故C错误；D．“高温焙烧”需要坩埚，“结晶”需要蒸发皿，故D错误；故选：AB。例3无水FeCl3常作为有机反应的催化剂。某研究小组设计了如图流程，以废铁屑(含有少量碳和SiO2杂质)为原料制备无水FeCl3(s)。已知：氯化亚砜()熔点-101℃，沸点76℃，易与水反应生成一种强酸和一种酸性氧化物。(1)操作①是过滤，用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒和____。(2)操作①得到的固体为____。(3)为避免引入新的杂质，试剂B可以选用____(填编号)。A．KMnO4溶液 B．Cl2水 C．稀HNO3溶液 D．H2O2溶液(4)取少量D晶体，溶于浓盐酸配成溶液，并滴加KSCN溶液，现象是____。(5)反应D→E的化学方程式为____。(6)由D转化成E的过程中可能产生少量亚铁盐，则还原剂可能是____，并设计实验验证是该还原剂将Fe3+还原____。【答案】(1)漏斗(2)C和SiO2(3)BD(4)溶液变为红色(5)(6)

SO2

先加盐酸酸化，再加BaCl2溶液，若产生白色沉淀，则是SO2将Fe3+还原【解析】(1)过滤用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒和漏斗；(2)C和SiO2不与盐酸反应，操作①得到的固体为C和SiO2；(3)A(氯化亚铁)加入氧化剂B生成C(氯化铁)，B为氧化剂。A．用KMnO4溶液会引入钾离子和还原产物锰离子，A不符题意；B．氯气与氯化亚铁反应生成氯化铁，不引入新的杂质，B符合题意；C．用稀硝酸发生3FeCl2+4HNO3(稀)=2FeCl3+2H2O+NO↑+Fe(NO3)3，会引入硝酸根离子，C不符题意；D．过氧化氢对应还原产物为水，不引入新的杂质，D符合题意；故选BD；(4)D即氯化铁晶体，其溶液含铁离子，滴加KSCN溶液后，溶液变为红色；(5)根据已知信息氯化亚砜()熔点-101℃，沸点76℃，易与水反应生成一种强酸和一种酸性氧化物，推测强酸为HCl，酸性氧化物为SO2，可得与SOCl2生成FeCl3的化学方程式为；(6)可能反应中生成的二氧化硫将氯化铁还原为氯化亚铁，即还原剂可能为SO2；若二氧化硫作还原剂，则氧化产物为硫酸根离子，只需检验反应后是否含硫酸根离子即可，设计实验为：先加盐酸酸化，再加BaCl2溶液，若产生白色沉淀，则是SO2将Fe3+还原。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，1molFe3O4被CO还原成Fe，转移9mole−D．铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化2．下列金属冶炼的反应原理，错误的是A． B．↑C． D．↑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4．野外焊接钢轨常用如图所示装置，镁条引燃混合物后，反应非常剧烈，火星四射，有熔融铁珠落入沙子中。下列叙述错误的是A．该反应属于置换反应B．有“熔融铁珠”生成说明该反应为放热反应C．该反应的化学能全部转化为热能D．该反应中断键吸收的能量小于成键释放的能量5．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+3CO2C．湿法炼铜：Fe+CuSO4=Cu+FeSO4D．以S为原料，工业生产硫酸在沸腾炉中的反应：2S+3O22SO36．由粗(含少量、杂质)制备纯的流程如图所示，下列说法错误的是A．X中的主要成分的水溶液俗称水玻璃B．若在实验室中完成步骤Ⅲ，对固体加热一般在坩埚中进行C．步骤Ⅱ中的稀硫酸可用代替D．步骤Ⅱ中的主要反应是7．氧化铝是工业上电解制铝的原料，工业上用铝土矿(主要成分Al2O3，还含有Fe2O3，SiO2等)为原料制取氧化铝的流程如图所示，下列说法错误的是A．滤渣可用于炼铁B．滤液1中所含阴离子为OH-、SiO、[Al(OH)4]-C．步骤①、②、③中均不涉及氧化还原反应D．步骤③中发生反应的离子方程式为：2[Al(OH)4]-+CO2=2Al(OH)3↓+CO+H2O8．某新型纳米材料氧缺位铁酸盐，能在常温下将工业废气中的、等转化为单质而除去，由锌灰(含ZnO及少量PbO、CuO、等)和为原料制备氧缺位铁酸盐及其转化废气流程如图：下列说法正确的是A．浸取时，为了提高酸浸效率，可以延长浸取时间或将稀硫酸换成浓硫酸B．“除杂”过程中有加入足量锌粉等操作，与锌粉反应的离子只有和C．除去时，在反应中表现了还原性D．与反应制得1mol时转移电子(8-2x)mol9．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CuFeS2Cu2SCu2(OH)2CO3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______。②CuFeS2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______。④Cu2(OH)2CO3与稀硫酸反应的离子方程式为______。10．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Al2O3AlCl3MgOMgCl2AlMnMg熔点/℃230319028007126601244649Ⅰ．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__________________________。11．含钴催化剂废料(含Fe3O4、Co2O3、Al2O3、CaO及SiO2为原料制取Co3O4的一种工艺流程如图：回答下列问题：(1)步骤①中将废料磨碎的目的是____。(2)步骤②经溶解后过滤，滤渣1的主要成分为____(填化学式)，滤液中含有____种阳离子。(3)步骤③氧化将Fe2+全部转化为Fe3+，反应的离子方程式为____。(4)步骤⑤灼烧过程中用到的主要仪器为____，滤渣2中含有Na2Fe6(SO4)4(OH)x，则x=____。12．以黄铁矿(主要成分)为原料生产硫酸，应将产出的炉渣和尾气进行资源化综合利用，减轻对环境的污染。其中一种流程如下图所示。回答下列问题：(1)由炉渣制备还原铁粉的化学方程式为___________。(2)欲得到更纯的，反应①应通入___________(填“过量”或“不足量”)的气体。(3)因为具有___________性，导致商品中不可避免地存在。检验其中含有的方法是___________。(4)一般用