2020年高中化学 专题三 从矿物质到基础材料 第2单元 铁、铜的获取及应用 第1课时 从自然界获取

第二单元铁、铜的获取及应用第1课时从自然界获取铁和铜[目标导学]1．了解自然界中铁、铜的存在，工业上铁、铜的冶炼方法。2．了解铁、铜的物理性质及用途。3．初步了解金属冶炼的一般方法和原理。[背诵经典导学]1．常见的铁矿有磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)等，常见的铜矿有黄铜矿(CuFeS2)、孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]等。2．工业上主要采用高温冶炼黄铜矿(CuFeS2)的方法获得粗铜后经过电解精炼得到精铜。3．常见金属的冶炼方法：①K、Ca、Na、Mg、Al用电解法；②金属活动性顺序中Zn～Cu用高温还原法；③Hg、Ag用热分解法；④Cu、Zn还可用湿法冶炼。扬帆起航温习双基课前学习空间1．铁和铜在自然界主要以_______的形式存在。常见铁矿有_______(主要成分为Fe3O4)、_______(主要成分为Fe2O3)等，常见铜矿有_______(主要成分为CuFeS2)、_______[主要成分为CuCO3·Cu(OH)2]等。此外铁在自然界中还以_______的形式存在于陨铁中。化合态磁铁矿赤铁矿黄铜矿孔雀石游离态2．铁的冶炼设备：_________。原料：_______、_____、_____、_______等。反应原理：_____________________________________。3．铜的制备和精炼工业上主要采用_______________(主要成分是_________)的方法获得铜。用这种方法冶炼得到的铜，含铜量为99.5%～99.7%，还含有_________________________等杂质。要达到电气工业生产用铜的要求，这种由黄铜冶炼得到的铜还必须经过_________，其得到的铜，含铜量高达99.95%～99.98%。CuFeS2Ag、Au、Zn、Fe炼铁高炉铁矿石焦炭空气石灰石用还原剂(CO)从铁矿石中将铁还原出来高温冶炼黄铜矿电解精炼4．铁、铜的物理性质及用途金属物理性质应用铁_______金属，有良好的_______、_______的导体。可被_____吸引铁制器具，铁合金、铁皮等铜_____色金属，有良好的_______，_______的良导体，密度比铁大导线、铜合金银白色延展性热和电磁铁紫红延展性热和电——小试身手1．高炉炼铁生产中，下列说法正确的是()A．焦炭和一氧化碳都是还原剂B．采用富氧空气可以得到纯铁C．加石灰石的目的主要是为了得到CO2D．用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿和黄铁矿解析：高炉炼铁生产中，焦炭燃烧生成CO2，CO2再和焦炭反应生成CO，CO还原铁的氧化物，这些反应中焦炭和CO是还原剂，A项正确；采用富氧空气是为了焦炭能充分燃烧，B项错；加入石灰石的目的主要是为了造渣，C项错；黄铁矿中铁的含量低，一般不用于冶炼生铁，D项错。答案：A2．思考辨析(1)铜的金属活泼性较弱，在自然界中主要以游离态存在。(×)解析：铜在自然界中以化合态的形式存在，主要存在于黄铜矿、孔雀石等矿石中。(2)铁的活泼性较强，在自然界中没有游离态。(×)解析：铁主要以化合态存在于铁矿石中，还以游离态存在于陨铁中。(3)炼铁高炉中的还原剂主要是碳单质。(×)解析：炼铁高炉中利用还原剂(CO)从铁矿石中将铁还原出来。(4)石灰石在炼铁高炉中发生的反应为：CaCO3=====高温CaO＋CO2↑。(√)解析：石灰石煅烧生成生石灰，生石灰再与铁矿石中SiO2发生反应生成矿渣。核心要点突破定位重点深化理解知识点一铁的冶炼1．冶炼方法：热还原法(在高温下，用还原剂将铁从铁矿石中还原出来)。2．原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。3．设备：炼铁高炉4．工艺流程：(1)还原剂(CO)的生成：C＋O2=====高温CO2(供热)CO2＋C=====高温2CO(2)生铁的生成：Fe2O3＋3CO=====高温2Fe＋3CO2(含碳2%～4.5%)(3)除脉石(SiO2)，炉渣的生成：CaCO3=====高温CaO＋CO2↑，SiO2＋CaO=====高温CaSiO3知识点二铜的冶炼1．工业上主要用高温冶炼黄铜矿(主要成分CuFeS2)的方法获取铜，其主要化学反应有：2CuFeS2＋4O2=====800℃Cu2S＋3SO2＋2FeO,2Cu2S＋3O2=====1200℃2Cu2O＋2SO2,2Cu2O＋Cu2S=====1200℃6Cu＋SO2↑用这种方法冶炼得到的铜，含铜量99.5%～99.7%，同时还含有Ag、Au、Fe、Zn等杂质，再经过电解精炼，得到含铜量高达99.95%～99.98%的铜。2．湿法炼铜原理：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu(溶液中反应)3．生物炼铜：某些具有特殊本领的细菌能耐铜盐的毒性，并能用空气中的氧气氧化、硫化铜矿石，把不溶性的硫化铜转化为可溶性的硫酸铜。生物炼铜的优点：①成本低；②污染小；③反应条件简单；④含铜量(品位)很低的矿石也可以被利用。4．其他方法：CuO＋H2=====△Cu＋H2O、CuO＋CO=====△Cu＋CO2、2CuO＋C=====△2Cu＋CO2↑。知识点三金属冶炼的方法1．金属冶炼方法的选择与金属的活泼性有关金属的活动性顺序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→强金属的活动性顺序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb、(H)、CuHg、AgPt、Au主要冶炼方法电解法热还原法热分解法富集法还原剂或特殊措施强大电流提供电子H2、CO、C、Al等加热加热物理方法或化学方法2.各种冶炼方法示例(1)热分解法：适用于金属活动性顺序中很不活泼的金属，如：2HgO=====△2Hg＋O2↑，2Ag2O=====△4Ag＋O2↑。(2)热还原法：适用于金属活动性顺序中处于中间或金属活动性与之相当的金属。常用还原剂有焦炭、CO、H2、Al等，如：Fe2O3＋3CO=====高温2Fe＋3CO2，WO3＋3H2=====高温W＋3H2O，Cr2O3＋2Al=====高温2Cr＋Al2O3。(3)电解法：适用于活泼金属，电解熔融盐或氧化物，也可以用于铜、银等金属的精炼，如：2Al2O3=====通电4Al＋3O2↑，2NaCl=====通电2Na＋Cl2↑，MgCl2=====通电Mg＋Cl2↑。——对点训练【例1】钢铁工业对促进经济和社会的发展具有重要的意义，现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。其设备如图所示：炼铁的炉料(铁矿石、焦炭、石灰石等)由高炉的顶部投入，原料在下降过程中与高炉气气流在炉身部分发生作用。请回答下列问题：(1)焦炭在炼铁的过程中所起的作用是________________。(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，其目的是________________________________________________。(3)写出以赤铁矿为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应________________________________________________。(4)高炉气中含有的主要气态污染物是________，若直接排放将污染空气，因此应回收利用，请写出该污染物的一种用途______________________________。【解析】(1)焦炭在炼铁的过程中既作为能源提供反应所需要的能量，同时生成CO作为还原剂，还原出铁矿石中的Fe。(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，主要是采用逆流操作，不仅利于矿石与还原性气体充分接触，还增加了接触时间，利于反应。(3)炼铁高炉中发生的主要反应就是还原剂的生成及生成铁的反应。(4)高炉气的主要成分有：CO、CO2等，其主要气态污染物是有毒的CO；回收利用CO，可用作燃料或作还原剂等。【答案】(1)既提供热量，又产生还原剂CO(2)采用逆流接触操作，使矿石与还原性气体充分接触、反应(3)C＋O2=====高温CO2，CO2＋C=====高温2CO，Fe2O3＋3CO=====高温2Fe＋3CO2(4)CO作燃料(或还原剂)【例2】我国古代曾用火烧孔雀石和焦炭混合物的方法炼铜。孔雀石的主要成分是Cu2(OH)2CO3，其冶炼方法是()A．焦炭还原法B．湿法炼铜C．铝热还原法D．电解冶炼法【解析】孔雀石受热发生分解反应生成了CuO、CO2和H2O，生成的CuO被混合物中的焦炭还原而生成了铜。【答案】A【例3】已知Al、Cu、Hg三种金属分别用如下方法冶炼：2Al2O3(熔融)=====电解4Al＋3O2↑，H2＋CuO=====△Cu＋H2O,2HgO=====△2Hg＋O2↑。(1)分析以上信息，可总结出金属的冶炼方法与其金属性强弱之间的关系是______________________________________。(2)利用(1)中的结论，并结合题目信息，写出工业上用CaCl2冶炼金属钙的化学方程式_____________________________。(3)在某些特殊环境下，往往用铝热反应来冶炼一些难熔金属，请据此法写出用MnO2冶炼金属锰的化学方程式____________________________________。【解析】(1)金属的冶炼方法与金属在自然界中的存在状态、金属活泼性有关。一般来说，非常活泼的金属一般采用电解法冶炼(如K、Ca、Na、Mg、Al等)，中等活泼的金属一般用热还原法冶炼(如Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等)，不活泼的金属一般用热分解法冶炼(如Hg、Ag等)。(2)Ca是非常活泼的金属，工业上用电解熔融CaCl2的方法冶炼。(3)金属铝和MnO2发生置换反应生成单质锰和氧化铝。【答案】(1)非常活泼的金属一般采用电解法冶炼，中等活泼的金属一般采用热还原法冶炼，不活泼的金属一般采用热分解法冶炼(2)CaCl2(熔融)=====电解Ca＋Cl2↑(3)4Al＋3MnO2=====高温2Al2O3＋3Mn随堂基础演练现学现用小试身手1．下列不属于铁矿石的是()A．赤铁矿B．磁铁矿C．褐铁矿D．方解石解析：方解石是一种CaCO3矿物，故D项不属于铁矿石。答案：D2．工业上，一般不用电解法来制备的金属是()A．钠B．镁C．铝D．铁解析：钠、镁和铝是活泼的金属，一般通过电解法冶炼，铁不是很活泼的金属，一般不通过电解法冶炼，而是利用还原剂还原，答案选D。答案：D3．下列有关金属冶炼的说法中，不正确的是()A．用电解熔融氯化镁的方法冶炼金属镁B．在加热情况下利用氢气还原三氧化二铝得到金属铝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解析：活泼金属采用电解熔融盐或氧化物的方法冶炼，镁属于活泼金属，工业上采用电解熔融氯化镁的方法冶炼，故A正确；铝属于活泼金属，为亲氧元素，采用电解熔融氧化铝的方法冶炼，不能采用电解氯化铝的方法或氢气还原法冶炼，故B错误；V、Cr、Mn、W等高熔点金属可利用铝热反应产生的高温来冶炼，故C正确；不活泼金属可以采用加热分解法冶炼，Hg属于不活泼金属，直接加热氧化汞得到金属汞，故D正确。故选B。答案：B4．炼铁选用的铁矿石通常不仅要求含铁量高，而且要“有害元素”少，下列铁矿石你认为不适宜炼铁的是()A．磁铁矿(Fe3O4)72.4%B．赤铁矿(Fe2O3)70%C．菱铁矿(FeCO3)48.3%D．黄铁矿(FeS2)46.7%解析：黄铁矿中含铁量低，且冶炼时会生成SO2，污染大气。答案：D5．冶炼金属一般有下列方法：①焦炭法；②水煤气(或氢气或一氧化碳)法；③活泼金属置换法；④电解法，这4种方法在工业上均有应用。(1)请对下表中的金属冶炼方法进行分析，从上述4种方法中选择相应的序号填入表格中的空格中：火烧孔雀石炼铜湿法炼铜铝热法炼铁从光卤石中炼镁(2)请再列举出使用上述方法冶炼金属的例子各一个(用化学方程式表示)：①_______________________________________________；②________________________________