《金属资源的开发利用》同步学习指导

《金属资源的开发利用》
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【内容讲解】：
一、金属资源的开发利用
1．原理：
把金属从矿石中提炼出来的过程称为金属的冶炼，是金属元素从化合态变为游离态的过程：M n++ne- M
2．提炼金属的步骤：
第一步是矿石的富集：除去杂质，提高矿石中有用成分的含量；
第二步是冶炼：利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质；
第三步是精炼：采用一定的方法，提炼纯金属。

3．不同金属冶炼方法的选择
根据金属活动性：
热分解法：有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。

2HgO2Hg+O2↑ 2Ag2O4Ag+O2↑
热还原法：多数金属的冶炼过程属于热还原法。

常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
WO3+3H2W+3H2O Cr2O3+2Al2Cr+Al2O3
电解法：在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，而只能用电解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。

2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑ 2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑
金属采用哪种方式冶炼，除了与金属的活动性有关，还要考虑冶炼的纯度、成本等多方面因素。

二、合金
合金是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特征的物质。

目前已经制得的纯金属只有80多种，但合金已达数千种。

青铜是我国历史上使用得最早的合金；钢是目前生产和使用量最大的合金。

1．合金的性能
①多数合金比各成分金属的硬度大，其原因是：在纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整，而合金内加入了其它元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。

②多数合金的熔点比各成分金属低，其原因是：在纯金属内，所有的原子大小相同，排列十分规整，而合金内原子的大小不一，排列没有纯金属那样整齐，使得原子之间的相互作用力减小。

例如：制造焊锡、电路保险丝等。

2．常见合金
（1）铁合金
钢的种类：
①碳素钢：根据含碳量不同，可分为高碳钢、中碳钢和低碳钢：含碳量越高，硬度越大；含碳量越低，韧性越强。

②合金钢：向钢中加入一定量的一种或几种其它元素可得到具有各种不同性能的合金钢。

不锈钢是最常见的一种合金钢，其合金元素主要是铬（Cr）和镍（Ni），具有很强的抗腐蚀能力，常用于制造医疗器械、厨房用具和餐具等。

（2）铝合金
铝是地壳中含量最多的金属元素。

纯铝的硬度和强度较小，不适于制造机器零件等。

硬铝（一种铝合金）中除铝外还含有Cu、Mg、Mn、Si，它的密度小，强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。

（3）铜合金
常见的铜合金有黄铜（Cu-Zn合金）和青铜（Cu-Sn合金）等。

3．新型合金
新型合金包括储氢合金、钛合金、耐热合金和形状记忆合金等。

氢能的利用存在两大难题：制取和储存。

储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。

具有实用价值的储氢合金要求：储氢量大；金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快。

例题解析：
例题1、有关合金的叙述正确的是（）
A．合金的密度比各成分金属小
B．合金的抗腐蚀性能都很好
C．合金的导电性能比成分金属强
D．多数合金比成分金属熔点低、硬度大
解析：合金比成分金属的某些性能增强，抗腐蚀性能有的较差，导电性减弱。

熔点一般比各成分金属低、硬度一般比各成分金属大。

答案：D
例题2、下列金属冶炼的反应原理，错误的是（）
A．2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑ B．MgO+H2Mg+H2O
C．Fe3O4+4CO3Fe+4CO2 D．2HgO2Hg+O2↑
解析：钠、镁等活泼金属不能用普通还原剂还原出来，只能用电解熔融物的办法制取，故A正确，B错误；而铁为中等活泼的金属可以用热还原法制取，故C正确；不活泼的金属可以用热分解化合物的办法来制备，故D正确。

有关金属的冶炼要跟金属活动顺序表结合起来掌握：金属活动顺序表中K—Al之间的活泼金属多用电解法制取其金属单质，Zn—Cu之间的中等活泼金属常用还原剂（如C、CO、H2等）热还原法，而Hg、Ag等不活泼金属常用热分解法制取。

答案：B
例题3、通过测定一定质量的铝锌合金与强酸溶液反应产生的氢气的体积，可以求得合金中铝和锌的质量分数。

现有下列实验用品：中学化学实验常用仪器、800 mL烧杯、100 mL 量筒、短颈玻璃漏斗、铜网、铝锌合金样品、浓盐酸、水。

按图示装置进行实验，回答下列问题（设合金样品完全反应，产生的气体体积不超过100mL）：
(1)补充下列实验步骤，直到反应开始进行（铁架台和铁夹的安装可省略）：
①将称量后的合金样品用铜网小心包裹好，放在800 mL烧杯底部，把短颈漏斗倒扣在样品上面。

②___________________________________________________________。

③___________________________________________________________。

④___________________________________________________________。

(2)合金样品用铜网包裹的目的是________________________________。

解析：这是一道典型的实验操作程序设计题。

为确保合金中各组分金属质量分数的准确测定，必须设计出简洁、严密、合理的操作程序。

其步骤是：①将称量后的合金样品用铜网小心包裹好，放在800 mL烧杯底部，把短颈漏斗倒扣在样品上面。

②往烧杯中注入水，直至水面没过漏斗颈。

③在100 mL量筒中注满水，倒置在盛水的烧杯中（量筒中不应留有气泡），使漏斗颈伸入量筒中。

烧杯中水面到杯口至少保留约100 mL空间。

④将长颈漏斗（或玻璃棒）插入烧杯并接近烧杯底部，通过它慢慢加入浓盐酸，至有气体产生。

另外合金样品用铜网包裹的目的显然是防止反应时样品漂浮。

答案：(1)②往烧杯中注入水，直至水面浸没过漏斗颈。

③在100量筒中装满水，
倒置在盛水的烧杯中，使漏斗颈插入量筒中。

（烧杯中水面至杯口至少预留100空间）
④将长颈漏斗（或玻璃棒）插入烧杯并接近烧杯底部，通过它慢慢加入浓盐酸，至有气体产生。

(2)使样品在反应时能保持在烧杯底适当的位置（或答避免反应时样品漂浮）
例题4、已知Fe2O3在高炉中有下列反应：Fe2O3+CO2FeO+CO2
反应形成的固体混合物（Fe2O3、FeO）中，元素铁和氧的质量比用m(Fe):m(O)表示。

(1)上述固体混合物中，m(Fe):m(O)不可能是_________（多选扣分）
A、21:9
B、21:7.5
C、21:6
(2)若m(Fe):m(O)=21:8，计算Fe2O3被CO还原的质量分数。

(3)设Fe2O3被CO还原的质量分数为A%，则A和混合物中m(Fe):m(O)的关系式为[用含m(Fe)、m(O)的代数式表示]A%=___________。

请在图中画出表示A和m(Fe)/m(O)关系的图形。

(4)如果Fe2O3和CO的反应分两步进行：3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2；Fe3O4+CO
3FeO+CO2。

试分析反应形成的固体混合物可能的组成及相应的m(Fe):m(O)[令m(Fe):m(O)=21:a，写出a的取值范围]。

将结果填入下表：
解析：
(1)用极限法计算Fe2O3和FeO中m(Fe):m(O)，分别为21:9和 21:6，因反应形成固体混和物，故21:6﹤m(Fe):m(O)﹤21:9，选AC。

(2)解法一：取Fe2O3 m(Fe):m(O)＝21:9；FeO m(Fe):m(O)＝21:6
解法二：设Fe2O3原有n0mol，还原百分率为A%，则有
(3)由化简可得
，选m(Fe):m(O)从21:6到21:9之间的几个点作出下图：
(4)Fe2O3 Fe3O4 8＜a＜9；Fe3O4 FeO 6＜a＜8；Fe2O3 Fe3O4 FeO ；6＜a＜9。