金属单质的性质和冶炼

1．金属冶炼的原理
金属冶炼的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属阳离子得到电子，生成金属的单质．
在自然界中，以游离态存在的金属较少，只有一些化学性质不活泼的金属，如金、铂等．而化学性质比较活泼的金属，总以化合态存在于自然界中．
2．冶炼金属的方法
由于金属的化学活动性不同，金属离子得电子还原成金属单质的能力也不相同，因此就要采用不同的冶炼方法．常见的冶炼方法有：
（1）热分解法：适用于冶炼金属活动性较差的金属，如汞与银．
（2）热还原法：适用于金属活动性介于镁—铜之间的大多数金属的冶炼．是用还原剂（如碳、一氧化碳、氢气、铝等）还原金属氧化物．
如：
（3）电解法：适用于冶炼活动性很强的金属，如镁、铝等．一般在金属活动性顺序中排在铝前面的金属．由于这些金属很容易失去电子，所以他们的阳离子很稳定，一般的还原剂无法将他们还原出来，所以要外加电子，即通电分解它们的熔融盐或氧化物的方法来制得．有时一些不太活泼的金属，如铜、银等，也可以用电解它们的盐溶液的方法制得．
如：
3．从金属矿石中提炼金属的步骤
第一步：富集矿石，除去杂质，提高矿石中有用成分的含量．
第二步：冶炼．利用氧化还原反应原理．在一定的条件下，用还原剂把金属离子还原成金属单质．
第三步：精炼．采用一定的方法，提炼纯金属．
4．金属的回收和资源保护
地球上的金属矿产资源是有限的，且不能再生．废金属弃之不用，不仅会污染环境，而且是资源的极大浪费．
（1）废旧金属的最好处理方法是作为一种资源，回收利用．
（2）回收利用的好处在于：
减少垃圾量，保护环境，减少污染：缓解自然界中资源短缺的矛盾．
例如：（1）从电解精炼铜的阳极泥中，回收金、银等贵金属
（2）从定影液中回收金属银
（3）废铁屑可以制取绿矾
5．部分金属的主要化学性质
金属活动性顺序表K Ca Na
Mg Al Zn Fe
Sn Pb
（H）Cu Hg Ag Pt Au
金属原子失
去电子的能
力（还原性）
强→弱
金属阳离子
得电子的能
力（氧化性）
弱→强
与氧气化合常温下易被
氧化
常温下缓慢
被氧化
加热被氧化不能
置换水中氢常温下能置
换
加热时能置
换
不能置换
不能
置换
置换酸中氢能置换不能置换
与盐溶液反
先与水反应前面的金属置换出后面的金属应
自然界中存
化合态化合态和游离态游离态在
冶炼方法电解法热还原法加热法富集
难点突破
1．铝的冶炼
原料：氧化铝，冰晶石
原理：电解熔融的氧化铝
主要设备：铝电解槽，以碳作为电极材料
冰晶石的作用：助熔剂，降低氧化铝的熔点
2．生铁的冶炼
原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石（造渣剂，除去矿石中的脉石）原理：在高温下，利用还原剂——氧化碳将从铁矿石中还原出来
主要设备：高炉
主要反应过程：
（1）还原剂的生成：
（2）生铁的生成：高温下，铁和碳及其他的金属、非金属元素形成合金即生铁．
（3）炉渣的形成：
高熔点的二氧化硅变成熔点较低的硅酸钙等熔化后形成炉渣除去．
3．钢和冶炼
原料：生铁、空气（纯氧气）、生石灰、脱氧剂（硅铁、锰铁等）
原理：在高温下，用氧化剂把生铁中过多的碳和其他的杂质氧化成气体或炉渣除去，同时调整合金元素至规定的范围内．
设备：氧气顶吹转炉
【难题巧解点拨】
例1 冶炼金属一般有下列四种方法：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．四种方法在工业上均有应用．古代有（Ⅰ）火烧孔雀石炼铜；（Ⅱ）湿法炼铜；现代有（Ⅲ）铝热法炼铬；（Ⅳ）从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是（）
A．（Ⅰ）用① B．（Ⅱ）用②
C．（Ⅲ）用③ D．（Ⅳ）用④
解析：本题考察知识点是活动性不同的金属的冶炼方法．对于（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）发生的反应分别是
（Ⅰ）：
，符合①
（Ⅱ）：，符合③
（Ⅲ）：，符合③
（Ⅳ）：先从光卤石中提取，再电解
，符合④
答案：B
点悟：本题的关键点是要熟悉一些金属的冶炼方法，如湿法炼铜等．选择金属的冶炼方法与金属在自然界的存在形态，与金属的活动性有关．
例2 随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题提到议事日程，其首要原因是（）
A．利用电池外壳的金属材料
B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染
C．不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品
D．回收其中石墨电极
解析：本题考察的知识点是金属的回收和资源的保护．回收废电池的首要原因是防止废电池中渗漏的重金属离子对土壤与水资源产生污染，而对废电池的综合利用是第二位的．
答案：B
点悟：解答本题的关键点是要对社会生活中的一些热点问题，例如环境保护的知识要有所了解．从保护环境的角度来思考问题．
【拓展延伸探究】
例1 用黄铜矿炼铜按照反应物和生成物可以将总反应写成：
事实上冶炼过程是分成几步进行的：①黄铜矿在氧气作用下生成硫化亚铜和硫化亚铁；②硫化亚铁在氧气作用下生成氧化亚铁，并与二氧化硅反应生成矿渣；
③硫化亚铜与氧气反应生成氧化亚铜；④硫化亚铜和氧化亚铜反应生成铜．
（1）写出上述各个步骤的反应的化学方程式．
（2）写出总反应化学方程式的系数．
（3）据最新报道，有一种叫Thibacillusferroxidans的细菌在氧气存在的条件下就可以将黄铜矿氧化成硫酸盐，反应是在酸性溶液中进行的，试写出化学方程式．
解析：本题考察的知识点是根据题目中的内容，结合所学的金属的冶炼方法，考查学生书写化学方程式的灵活性和技巧性．这是一道知识拓展型的题目．根据题目给出的用黄铜矿冶炼铜的总的反应方程式，以及冶炼过程分成四步进行的每
一步的反应原理，并联系运用了的燃烧反应，不难写出每一步的化学方程式．题目中所给的细菌只是起到催化剂的作用，生成物中的硫酸盐只能是硫酸铜与硫酸铁，所以酸性溶液就只能是硫酸溶液．
答案：（1）①
②
③
④
（2）
（3）
点悟：解题的关键点是要熟悉一些金属的冶炼方法，技巧点在于灵活运用所学知识进行知识的迁移．
例2 工业上制铝流程图如下：
用此法制取氧化铝中，分析铝土矿和赤泥（提取氧化铝之后的残渣）所得数据如下：
铝土矿55%16%0%
赤泥15%48%8%
试求制取1t三氧化铝所需铝土矿和氢氧化钠的质量．
解析：本题考察的知识点是铝的冶炼方法及实际冶炼过程中原料所需量结合的综合题．其难点在于对表中数据的分析．由于氧化铁在这个反应过程中的量是守恒的，因而从氧化铁在铝土矿和赤泥中的含量，可以求出赤
泥质量为铝土矿质量的1/3．从流程图可以知道A为氢氧化钠，它使氧化铝变为偏铝酸钠，然后通入二氧化碳转变为氢氧化铝．氧化铁不与氢氧化钠反应，氢氧化钠也将氧化铁从铝土矿中全部转移到赤泥中去了．
答案：设需要铝土矿质量为m，则m·55%-1/3·m15%=1t
解得：m=2t，即需要铝土矿2t．
需要氢氧化钠的量：由于氢氧化钠循环使用，因此需要补充的氢氧化钠的量即为留在赤泥中的氢氧化钠的量：1/3×2t×8%×80/62=0.069t 点悟：解题的关键点是抓住氧化铁在整个反应过程中是守恒的．利用它的量不变，可以迅速的得出等式，解出答案．易错点在于不会数据的分析，不能推出氧化铁和氢氧化钠在整个流程中的作用．
【命题趋势分析】
阅读课外书籍，联系实际，开拓视野，学会知识的迁移．
本节内容书本上的知识并不难，可以通过自学来掌握．但是金属的冶炼与金属的回收利用与社会、生活、环境保护之间的联系比较多，也就是与实际联系的内容较多．这些知识不是课本上面所能学全的，书本上更多的是一些基本知识点的归纳和总结，是一些学习方法的传授．所以我们应该给自己定一些目标，去多看看课本以外的书籍，开阔我们的视野．
本节内容虽然不是很多，但是考察的知识点包括了所学的一些常见金属的性质和在反应中表现出来的变化．因此在解答具体问题时，要学会分析问题，找出新旧知识点上的异同点，学会知识的迁移和灵活运用．
【同步达纲练习】
1．我国是世界上文明发源最早的国家之一．我国掌握炼铁技术的年代是（）
A．商代B．春秋初年
C．南宋时期 D．唐代
2．工业上冶炼难熔的金属如：钒、铬、锰等，通常所用的方法是（）A．热分解法 B．电解法
C．一氧化碳还原法 D．铝热反应法
3．有0.4g铁的氧化物，用足量的一氧化碳在高温下将其还原，将生成的全部二氧化碳通入足量的澄清石灰水中，得到0.75g固体沉淀．这种铁的氧化物的化学式是（）
A．FeO B．
C． D．上述三种的混合物
4．通常所说的不锈钢是指（）
A．锰钢 B．钨钢
C．高碳钢D．镍铬钢
5．电解熔融的氧化铝时，如果有54g的铝生成，则需要消耗的电子的物质的量为（）
A．18mol B．2mol
C．6mol D．1mol
6．把生铁冶炼成碳素钢要解决的主要问题是（）
A．除去生铁中的各种杂质，把生铁提纯
B．适当降低生铁里的含碳量，除去大部分硫、磷等有害杂质
C．用还原剂把铁的氧化物还原成铁
D．加入合金元素改善生铁性能
7．下列化学反应，能置换出铁的是（）
A．锌与氯化铁溶液 B．钠和氯化亚铁溶液
C．一氧化碳和赤铁矿粉末（高温）D．铝和四氧化三铁（高温）
8．用氢气、碳、一氧化碳分别与等质量的氧化铜在高温下反应，使氧化铜中的铜全部还原出来，消耗氢气、碳、一氧化碳的质量比是（）A．1∶1∶1 B．1∶3∶14
C．1∶6∶14 D．2∶1∶2
9．用铝还原下列化合物，制得金属各1mol，需要铝最少的是（）
A． B．
C． D．
10．单质A能从盐溶液中置换出单质B，则下列说法中，不正确的是（）A．当A、B都是金属时，A一定比B的活动性强
B．当A、B都是非金属时，A一定比B的活动性强
C．当A是金属时，B可能是金属，也可能是非金属
D．当A是非金属时，B可能是金属，也可能是非金属
11．冶炼金属常常用以下几种方法；（1）以C、、CO等做还原剂还原；（2）电解法；（3）热分解法；（4）铝热反应．这些方法各适用于冶炼那些金属？
（1）法适用于铁、铜、锌等一类中等活泼金属的冶炼_；
（2）法适用于_活泼金属钾、钠等的冶炼；
（3）法适用于银、汞等一类不活泼金属的冶炼；
（4）法适用于高熔点金属的冶炼，如铬、锰等．
12．古代的“药金”外观与金相似，常常被认为是金子，冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜（）、木炭混合加热到800℃得到金光闪闪的“药金”．（1）“药金”的主要成分是__________________________________________；
（2）有关冶炼的化学方程式是_________________________________________．
13．某河道两旁有甲与乙两个化工厂，它们排放的工业废水中共含有、
、、、、六种离子．
甲厂的废水明显显碱性，所以甲厂废水中含有的三种离子是__________、___________、__________．
乙厂的废水中含有另外三种离子．如果加一定量的____________（选填：活性炭、硫酸亚铁、铁粉），可以回收其中的金属是________________（写元素符号）．
14．工业上用铝土矿（主要成分是三氧化二铝）为原料制取铝．其流程如下，其中C物质过去常用于去油污，而E在建筑业上有广泛的用途．写出各步的化学方程式．
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
15．用含铁60%的赤铁矿100t冶炼生铁，在冶炼过程中损失氧化铁2%，计算可以冶炼出含铁量为96%的生铁多少吨？
61.25t（点拨：氧化铁的损失也就是铁的损失，一起算在铁的上面．铁的质量为：100t×60%×98%=58.8t 58.8t÷96%=61.25t
参考答案
【同步达纲练习】
1．B（点拨：春秋时期，战争频繁，兵器发展快，需要大量用钢铁制成的兵器，所以冶炼铁的技术发展起来了）
2．D（点拨：高熔点的金属用铝热法制备，因为铝热反应时，发热多，温度高，适合高熔点金属的制备）
3．B（点拨：设铁的氧化物的化学式为，写出化学方程式，求解）4．D（点拨：记住一些生活中常见的物质的组成）
5．C（点拨：氧化铝中的铝为+3价，还原成铝单质需要得到3个电子，题目中的铝共有2mol，则需要电子为6mol）
6．B（点拨：碳素钢的含碳量低于生铁，硫磷等成分也较少）
7．D（点拨：题目要求是置换反应，所以C选项不符合）
8．B（点拨：分别写出有关方程式，找出氧化铜与三种还原剂的关系）
9．C（点拨：比较金属元素的化合价，最低的价态的金属得电子是最少的）10．D（点拨：找出典型例子加以对照）
11．（1）铁、铜、锌等一类中等活泼金属的冶炼
（2）活泼金属钾、钠等的冶炼
（3）银、汞等一类不活泼金属的冶炼
（4）高熔点金属的冶炼，如铬、锰等
12．（1）铜与锌
（2）
13．、、；铁、Ag．
14．（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
15．61.25t（点拨：氧化铁的损失也就是铁的损失，一起算在铁的上面．铁的质量为：100t×60%×98%=58.8t 58.8t÷96%=61.25t ）。