2017-2018学年度高一化学《金属矿物的开发利用》知识点归纳总结以及例题解析

金属矿物的开发利用
【学习目标】
1、了解金属冶炼的化学反应原理和基本方法；
2、了解金属回收与资源的保护方法。

【要点梳理】
要点一、金属的冶炼方法
由于大多数金属的化学性质活泼，在自然界中主要以化合态形式存在（金、铂等少数金属例外），所以使用的金属大多数是人工制得的。

金属冶炼的实质就是利用氧化还原反应使金属化合物中的金属元素得到电子被还原为金属单质：M n++ne- M。

因不同金属的阳离子得电子的能力不同，故不同金属采取不同的冶炼方法。

1、热分解法。

有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。

在金属活动性顺序表中，位于氢后面的金属的氧化物受热就能分解。

例如：
2HgO2Hg+O2↑
2Ag2O4Ag+O2↑
2、热还原法。

多数金属的冶炼采用热还原法。

常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等。

例如：
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2↑
WO3+3H2W+3H2O
ZnO+C Zn+CO↑
MgO+C Mg(g)+CO(g)
Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3
3、电解法。

在金属活动性顺序表中，钾、钙、钠、镁、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，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。

例如：
2NaCl（熔融）2Na+Cl2↑
MgCl2（熔融）Mg+Cl2↑
一些对纯度要求较高的不活泼金属也可以采用电解其盐溶液的方法来进行冶炼，例如：
2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑
不同金属冶炼方法的选择
4、湿法。

在工业上还有一种冶金方法叫做湿法冶金，也称为水法冶金。

它是利用在溶液中发生的化学反应（如置换反应），对金属进行提取和分离的冶金过程。

例如：
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu
要点二、铝热反应
炼铁通常用热还原法。

工业上采用的高炉炼铁和铝热法炼铁都属于热还原法。

Fe2O3+3CO2Fe+3CO2（高炉炼铁）
Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3（铝热法炼铁）
Fe2O3与Al的反应叫做“铝热反应”，Fe2O3和Al的混合物叫做“铝热剂”。

与Fe2O3性质相似的FeO、Fe3O4、CuO、TiO2（二氧化钛）、V2O5（五氧化二钒）、Cr2O3（三氧化二铬）、MnO2、Co3O4（四氧化三钴）、WO3（三氧化钨）等氧化物，也都能与金属铝在高温下发生氧化还原反应，生成Al2O3和新的金属单质，放出大量的热，这样的反应都属于铝热反应。

3Fe3O4+8Al9Fe+4Al2O3
3CuO+2Al3Cu+Al2O3
3MnO2+4Al3Mn+2Al2O3
3V2O5+10Al6V+5Al2O3
3Co3O4+8Al9Co+4Al2O3
3TiO2+4Al3Ti+2Al2O3
Cr2O3+2Al2Cr+Al2O3
铝热反应一般有两个方面的重要应用：一是冶炼高熔点的金属；二是焊接金属，如用Fe2O3和Al的混合物做焊药（铝热剂）焊接铁路钢轨等。

要点诠释：铝热反应是指铝热剂在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应，其中镁条为引燃物质，氯酸钾为助燃物质。

（1）原理：Al是还原剂，另一种氧化物是氧化剂，是铝将氧化物中的金属置换出来的反应。

（2）铝热反应的实质是铝将氧化物中的化合态金属还原为金属单质。

（3）反应特点是在高温下进行，反应迅速并放出大量的热，新生成的金属单质呈液态且易与Al2O3分离。

（4）铝热剂是指铝粉和某些金属氧化物组成的混合物。

（5）应用：冶炼难熔金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等。

要点三、废旧金属的回收
地球上的金属矿产资源是有限的，而且是不能再生的，随着人们的不断开发利用，矿产资源将会日渐减少。

废旧金属是一种固体废弃物，会污染环境，把废旧金属作为一种资源，加以回收利用。

这样做，既减少了垃圾量、防止污染环境，又缓解了资源短缺的问题。

回收的废旧金属，大部分可以重新制成金属或它们的化合物再利用。

例如：废旧钢铁可以用于炼钢，利用1t废钢炼钢，大约可节约矿石2t、焦炭1t、石灰石0.5t。

回收一个铝质饮料罐比制造一个新的铝质饮料罐节约能源约95%。

废铁屑等可以用于制铁盐，从电解精炼钢的阳极泥中，可回收金、银等贵重金属，从电影业、照相业、科研单位和医院X光室回收的定影液中，可以提取金属银。

【典型例题】
类型一：金属的冶炼
例1．下列说法中不正确的是（）
A．金属的冶炼原理就是利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为还原剂
C．金属由化合态变为游离态，都是被还原
D．金属单质被发现和应用得早，其活动性一般较弱
【思路点拨】本题考查金属的冶炼原理。

【答案】B
【解析】金属的冶炼是将金属化合物转化为金属单质；有的物质在发生氧化还原反应冶炼金属的时候，自身既作氧化剂又作还原剂，不需要另加还原剂，例如HgO，所以B错误；金属呈化合态时一定显正价，当变成游离态后，化合价就变为0价，所以被还原，C说法正确；金属被发现和应用得早，说明该金属在自然界存在游离态，人们容易获得并利用它，从而也说明这些金属的活动性一般是较弱的。

【总结升华】金属的冶炼利用的是氧化还原反应。

例2．工业上Na、Ca、Mg都可以用电解其熔融的氯化物而制得。

试回答下列问题：
（1）写出电解制取Ca、Mg的反应的化学方程式：________________，_________________。

（2）钾却不能用电解熔融KCl的方法制备，因为金属钾易溶解在熔融的KCl中而有危险，可利用反应Na+KCl NaCl+K来制备钾。

参考下表数据：
①该反应适宜选择在什么温度范围内进行？
②该反应主要应用了什么化学原理？
（3）Al的制备不能用电解AlCl3的方法，而采用电解熔融Al2O3的方法，请回答以下问题：
①工业上为什么不用Na还原AlCl3来制备Al？
②电解Al2O3时，为什么还要加冰晶石（助熔剂）？
【思路点拨】本题综合考查了金属冶炼的方法及条件的选择。

【答案】（1）CaCl2Ca+Cl2↑MgCl2Mg+Cl2↑
（2）①801℃~883℃②平衡移动原理
（3）①原料金属钠的成本较高，且钠易被氧化、难保存，故工业上不用此法获得大量的Al。

②Al2O3的熔点较高（2072℃），直接电解时需要提供大量的热量使其熔化，加入助熔剂冰晶石（Na3AlF6）后，在助熔剂的作用下（助熔剂的熔点一般很低），略加热Al2O3就会熔解且易电解出Al3+、O2-，这样有利于电解的顺利进行，既缩短时间又节约能源。

【解析】
（1）根据题意，直接写出反应的化学方程式：CaCl2Ca+Cl2↑，MgCl2Mg+Cl2↑。

（2）Na与KCl的反应是可逆反应，要想使Na顺利置换出K，根据平衡移动原理，需使平衡向正反应方向移动，最佳选择是减少生成物K的量，即K以蒸气逸出，其他物质仍保留在体系中，故反应温度应控制在801℃~883℃之间，此时K为气态，Na、NaCl、KCl为熔融态。

（3）①可以用钠还原AlCl3制备Al，但原料金属钠的成本较高，且钠易被氧化、难保存，故工业上不用此法获得大量的Al。

②Al2O3的熔点较高（2072℃），直接电解时需要提供大量的热量使其熔化，加入助熔剂冰晶石（Na3AlF6）后，在助熔剂的作用下（助熔剂的熔点一般很低），略加热Al2O3就会熔解且易电解出Al3+、O2-，这样有利于电解的顺利进行，既缩短时间又节约能源。

【总结升华】金属冶炼方法的选择要考虑其活泼性。

举一反三：
【变式1】下列叙述正确的是（）
A．工业上用电解熔融氯化钠的方法制取钠
B．钠加入氯化镁的饱和溶液中可以制取金属镁
C．电解冶炼铝的原料是氯化铝
D．碳在高温下能还原氧化镁中的镁
【答案】AD
类型二：铝热反应
例3．粉末状试样A 是由等物质的量的MgO 和Fe 2O 3组成的混合物。

进行如下实验：
①取适量A 进行铝热反应，产物中有单质B 生成；
②另取20g A 全部溶于0.15 L 6.0mol·L -1盐酸中，得溶液C ；
③将①中得到的单质B 和溶液C 反应，放出1.12L(标况)气体，同时生成溶液D ，还残留有固体物质B ； ④用KSCN 溶液检验时，溶液D 不变色；
请填空：
（1）①中引发铝热反应的实验操作是__________。

产物中的单质B 是__________。

（2）②中所发生反应的反应的化学方程式是__________。

（3）③中所发生的各反应的离子方程式是__________。

（4）若溶液D 的体积仍视为0.15 L
，则该溶液中c(Mg 2+)为__________，c(Fe 2+)为__________。

【思路点拨】本题考查金属冶炼原理（铝热反应法）和化学实验基本操作、物质检验、化学计算。

【答案】（1）加少量KClO 3，插上镁条并将其点燃 Fe
（2）Fe 2O 3+6HCl=2FeCl 3+3H 2O ，MgO+2HCl=MgCl 2+H 2O
（3）Fe+2Fe 3+=3Fe 2+，Fe+2H +=Fe 2++H 2↑
（4）0.67 mol·L -1；2.3 mol·L -1
【解析】MgO 不能与铝发生置换反应，所以：
①发生的反应是Fe 2O 3+2Al 2Fe+Al 2O 3
②中发生的反应是Fe 2O 3+6HCl=2FeCl 3+3H 2O ，MgO+2HCl=MgCl 2+H 2O
③中发生的反应是Fe+2FeCl 3=3FeCl 2，Fe+2HCl=FeCl 2+H 2↑
④中加入KSCN 溶液不变色，说明Fe 3+完全被还原为Fe 2+，溶液D 为MgCl 2、FeCl 2的混合液。

根据题意假设20g A 中MgO 和Fe 2O 3的物质的量均为x ，则：40g·mol -1×x+160 g·mol -1×x=20g ，解得x=0.1mol 。

反应后原加入的盐酸中的Cl -全部转移到FeCl 2和MgCl 2中，Cl -守恒，所以溶液D 中
【总结升华】考查的知识与技能起点较低，但综合性较强，是典型的学科内综合题，同学们在平常学习中要多加练习。

举一反三：
【变式1】“铝热反应”的化学方程式为：2Al+ Fe 2O 3 Al 2O 3+2Fe 。

某同学对“铝热反应”的现象有这样的描述：“反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒”、“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。

查阅《化学手册》知，Al 、Al 2O 3、Fe 、Fe 2O 3熔点、沸点数据如下：
（1）该同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金。

这种推测有一定的道理，理由是：
____________________________________________________________________。

（2）设计一个简单的实验方案，证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。

该实验所用试剂是
__________________，当观察到__________________现象时，说明熔融物中含有金属铝，反应的离子方程式为__________________。

（3） 实验室溶解该熔融物，最好选用下列试剂中的 __________________ （填序号）。

A ．浓硫酸
B ．稀硫酸
C ．稀硝酸
D ．氢氧化钠溶液
物质
Al Al 2O 3 Fe Fe 2O 3 熔点/℃
660 2054 1535 1462 沸点/℃ 2467 2980 2750 ——
【答案】（1）该反应放出的热量使铁熔化，而铝的熔点比铁低，此时未反应的铝和铁熔合形成铁铝合金。

（2）NaOH溶液，块状熔融物表面有无色气泡放出
2Al+2OH－+2H2O = 2AlO2－+3H2↑
（3）B。