2018-2019版高中化学 专题3 从矿物到基础材料 第二单元 铁、铜的获取及应用 第1课时学案 苏教版必修1.doc

第1课时从自然界中获取铁和铜学习目标定位1.熟知铁、铜的冶炼原理和方法，会写有关的化学方程式。2.初步了解金属冶炼的一般方法和原理。一、铁、铜的存在形式1铁和铜在自然界中主要以化合态的形式存在。(1)常见的铁矿有磁铁矿(主要成分为Fe3O4)、赤铁矿(主要成分为Fe2O3)、黄铁矿(主要成分为FeS2)、菱铁矿(主要成分为FeCO3)等。(2)常见的铜矿有孔雀石主要成分为CuCO3Cu(OH)2、黄铜矿(主要成分为CuFeS2)等。2人们最早利用的单质铁和单质铜均直接来自于自然界。所不同的是铁单质只存在于从天而降的陨铁中，所以古代人称铁为“天石”，而铜则来自于地球上自然存在的少量单质铜。1.铁、铜元素在自然界中的存在形式既有游离态也有化合态。2铁在地壳中的含量仅次于氧、硅、铝，居第四位。【例1】铜在自然界存在于多种矿石中。下列矿石的主要成分中铜元素的质量分数最高的是()A黄铜矿CuFeS2B斑铜矿Cu5FeS4C辉铜矿Cu2SD孔雀石CuCO3Cu(OH)2答案C解析设均含有2个Cu原子，比较“Fe2S4”“FeS”“S”“H2CO5”的式量可知，Cu2S中铜的质量分数最高，CuFeS2中的Cu的质量分数最低。二、铁、铜的冶炼1铁的冶炼(1)原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。(2)设备：炼铁高炉。(3)反应原理：用还原剂将铁从其化合物中还原出来。(4)工艺流程：从高炉下方鼓入空气与焦炭反应产生CO2并放出大量的热量；CO2再与灼热的焦炭反应，生成CO；CO在高温下将氧化铁还原为金属铁。(5)铁矿石中含有二氧化硅需除去：石灰石在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙与铁矿石中的二氧化硅等反应生成炉渣，炉渣的密度比铁水小，故浮在铁水上面，从而分离得到铁水。(6)用这种方法炼出来的铁是含碳2%4.5%的生铁。将生铁进一步炼制，就可以得到用途更广泛的钢(含碳0.03%2%)。2铜的制备与精炼工业上主要采用高温冶炼黄铜矿(主要成分是CuFeS2)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Ag、Au、Zn、Fe等杂质。要达到电气工业生产用铜的要求，这种由黄铜矿高温冶炼得到的铜还必须经过电解精炼，其得到的铜，含铜量高达99.95%99.98%。1.炼铁的主要化学反应(1)还原剂的形成：CO2CO2，CCO22CO。(2)铁的还原：Fe2O33CO2Fe3CO2。(3)炉渣的形成：CaCO3CaOCO2，CaOSiO2CaSiO3。2金属冶炼的一般方法(1)电解法：适合冶炼金属活动性较强的金属(一般为金属活动性顺序表中铝及铝前面的金属)。例如：MgCl2(熔融)MgCl2，2NaCl(熔融)2NaCl2，2Al2O3(熔融)4Al3O2。(2)高温还原法：用还原剂(CO、C、H2、Al等)还原金属氧化物，适合冶炼金属活动性顺序表中Zn到Cu之间的大多数金属。例如：2AlCr2O32CrAl2O3。(3)热分解法：适合冶炼金属活动性较差的金属。例如：2Ag2O4AgO2，2HgO2HgO2。提醒(1)在工业上还有一种冶炼方法叫做湿法冶金，即利用活泼金属把不活泼金属从它的盐溶液中置换出来。例如：CuSO4Fe=CuFeSO4。(2)金属的冶炼方法与金属活动性的关系【例2】高炉炼铁生产中下列说法正确的是()A还原氧化铁的还原剂是焦炭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除去过量碳D用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿答案D解析A项中，焦炭发生的反应：CO2CO2、CO2C2CO，其中CO将铁矿石中的铁还原成铁单质，A项错误；高炉炼铁得到的只是含碳量为2%4.5%的生铁，不会得到纯铁，B项错误；加入石灰石的目的是它在高温下分解成生石灰，继而再与SiO2反应生成CaSiO3炉渣，除去杂质SiO2，故C项错误。易错提醒高炉炼铁时，虽然加入的是焦炭，实际上的还原剂是CO。【例3】火法炼铜首先要焙烧黄铜矿，其反应为2CuFeS2O2=Cu2S2FeSSO2，下列说法正确的是()ASO2是氧化产物BCuFeS2仅作还原剂，硫元素被氧化C每生成1 mol Cu2S，有4 mol硫被氧化D每转移1.2 mol电子，有0.2 mol硫被氧化答案D解析由反应方程式知，CuFeS2中Cu化合价降低被还原为Cu2S，CuFeS2中的S化合价升高，被氧化为SO2；O2在反应后化合价降低，被还原为SO2，因此可知SO2既是氧化产物又是还原产物，A项错误；CuFeS2既是氧化剂又是还原剂，B项错误；每生成1 mol Cu2S，有1 mol S被氧化，C项错误；利用反应知转移6 mol e，有1 mol S被氧化，D项正确。1下列物质中含铜元素的是()A天石 B孔雀石C赤铁矿 D石灰石答案B解析孔雀石的主要成分为CuCO3Cu(OH)2。2下列关于金属冶炼的说法正确的是()A金属冶炼的本质是将化合态金属还原为游离态，冶炼方法由金属的活动性决定BCu的湿法冶炼是将金属钠投入到CuSO4溶液中，从而置换出铜CFe通常采用热还原法冶炼，加入石灰石的目的是除去过量的碳D由于Al的活动性强，故工业上采用电解熔融氯化铝的方法生产铝答案A解析A项，关于金属冶炼的本质和方法的叙述是正确的；B项，湿法炼铜是用铁置换出铜；C项，炼铁中加入石灰石是为了除去二氧化硅杂质；D项，工业上用电解熔融氧化铝的方法生产铝。3下列有关金属的工业制法中正确的是()A制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液B制铝：从铝土矿中获得氧化铝，再得到氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝C制镁：用海水为原料，经一系列过程制得氧化镁固体，H2还原得镁D制铁：以铁矿石为原料，CO还原得铁答案D解析分别电解熔融的NaCl、MgCl2、Al2O3(和冰晶石)来制取Na、Mg、Al，A、B、C三项均错。4冶炼金属一般有下列四种方法：焦炭法；水煤气法(或H2或CO)；活泼金属置换法；电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有()火烧孔雀石炼铜，()湿法炼铜，现代有()铝热法炼铬，()从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是()A()用 B()用C()用 D()用答案B解析由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也就不同，因此必须采用不同的冶炼方法。()()()()发生的反应分别是()Cu2(OH)2CO32CuOCO2H2OC2CuO2CuCO2，适用于。()FeCuSO4=FeSO4Cu，适用于。()2AlCr2O3Al2O32Cr，适用于。()先从光卤石中提取MgCl2，再电解熔融MgCl2，MgCl2MgCl2，适用于。对点训练题组一金属的冶炼原理及方法1从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。如图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后主要取决于()A金属的导电性强弱 B金属在地壳中的含量多少C金属的化合价高低 D金属的活动性强弱答案D解析由于人类掌握科学知识的局限性，越活泼的金属越难以冶炼，故发现年代越晚。2工业上由含钒、铬和锰的矿物冶炼难熔的金属钒、铬和锰，通常采用的方法是()A碳还原法B铝热法还原C直接加热法D盐的水溶液与活泼金属置换法答案B解析钒、铬、锰等难熔的金属通常采用铝热反应进行冶炼。3生物炼铜是利用某些具有特殊本领的微生物帮助我们从矿石中提取铜，这些“吃岩石的细菌”能利用空气中的氧气将不溶性的CuS转化为可溶性的铜的化合物，这种可溶性的铜化合物是()A碳酸铜 B硝酸铜C硫酸铜 D氢氧化铜答案C解析此题考查了正在迅速发展的生物炼铜技术。生物炼铜是一项成本低、污染小、反应简单、前景广阔的新兴炼铜技术，其利用“吃岩石的细菌”将不溶性的硫化铜转化为可溶性硫酸铜，而使铜的冶炼变得简单。4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CuCO3Cu(OH)2，这种冶炼铜的方法是()A焦炭还原法 B湿法炼铜C铝热还原法 D电解冶炼法答案A解析CuCO3Cu(OH)22CuOCO2H2O，生成的CuO被焦炭还原生成Cu。题组二铁、铜的冶炼5下列情况下能通过置换反应得到铁的是()A铜与氯化亚铁溶液常温下混合B一氧化碳通过灼热的三氧化二铁C氢气通入硫酸亚铁溶液D铝和四氧化三铁混合加热到高温答案D6用一定量的铁与足量的稀硫酸及足量的CuO反应制单质铜，有人设计了以下两种方案：FeH2CuCuOCuSO4Cu若按实验原理进行操作，则两者制得单质铜的量()A一样多 B多 C多 D无法判断答案C解析方案中，用H2还原CuO时，加热前要先通H2，以排除装置中的空气，以防加热时爆炸，实验结束后需继续通一会儿H2，直到冷却为止，以防止Cu重新被空气中的O2氧化，因此，要制得1 mol Cu需要的H2多于1 mol，即需要的Fe多于1 mol。故等量的Fe按方案制得Cu的量多。7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电解熔融氯化钠制取金属钠的反应中，钠离子被还原，氯离子被氧化B湿法炼铜和火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应C用磁铁矿炼铁的反应中，1 mol Fe3O4被CO还原成Fe，转移9 mol电子D铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化答案C解析用磁铁矿炼铁的化学方程式为Fe3O44CO3Fe4CO2，当1 mol Fe3O4被还原时，转移8 mol电子。8硅在自然界只以化合态形式存在，如铁矿石中的硅主要以脉石(SiO2)的形式存在。炼铁时为了除去脉石，向炼铁高炉中加入石灰石。该过程不可能涉及的化学反应是()ACaCO3CaOCO2B2FeOSi2FeSiO2CSiO23CSiC2CODCaOSiO2CaSiO3答案B解析高温下石灰石首先分解产生CaO和CO2，生成的生石灰(碱性氧化物)可与SiO2(酸性氧化物)反应实现高炉造渣；生成的CO2可与碳反应提供一部分还原剂CO。因无单质硅，所以没有B项所给的反应发生。题组三金属冶炼的有关计算9在高温下用一氧化碳还原m g四氧化三铁得到n g铁。已知氧的相对原子质量为16，则铁的相对原子质量为()A. B.C. D.答案B解析设铁的相对原子质量为x，则Fe3O44CO3Fe4CO23x64 3xm n，x。10用足量的CO还原32.0 g某种氧化物，将生成的气体通入足量澄清石灰水中，得到60 g沉淀，则该氧化物是()AFeO BFe2O3 CCuO DCu2O答案B解析n(CaCO3)0.6 mol，由于1 mol CO与氧化物反应后变成1 mol CO2，夺取了氧化物中的1 mol O，故可知32.0 g氧化物中含氧原子0.6 mol，氧元素的质量为9.6 g，则氧化物中金属元素的质量为22.4 g，两元素质量比为，故B正确。综合强化11古代的“药金”外观与金相似，常被误认为是金子。其冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜(Cu2O)、木炭按一定比例混合加热到800 ，即得金光闪闪的“药金”。(1)“药金”的主要成分是_(填化学式)。(2)有关冶炼的化学方程式是_。答案(1)Cu、Zn(2)ZnCO3ZnOCO2、2ZnOC2ZnCO2、2Cu2OC4CuCO2解析高温下，ZnCO3分解生成ZnO和CO2，木炭将Cu2O、ZnO分别还原为Cu、Zn。12工业上可采用多种方法炼铜。(1)在地下利用爆破粉碎孔雀石Cu2(OH)2CO3，再注入稀硫酸原地浸取，将浸取液抽到地表，加入铁屑制得铜。则该方法中冶炼铜的有关化学方程式为_；_。(2)利用一氧化碳还原赤铜矿(Cu2O)冶炼铜。实验室可用如图所示装置进行实验，当硬质玻璃管中的反应结束时，应进行的实验操作是_。(3)利用辉铜矿(Cu2S)冶炼铜的原理如下：.取一定质量的Cu2S在空气中高温焙烧，完全反应后生成一种铜的氧化物和二氧化硫；.再取上述一半质量的Cu2S，与中生成的铜的氧化物混合均匀，隔绝空气高温煅烧，恰好完全反应，生成铜和二氧化硫。结合质量守恒定律，推断这种铜的氧化物的化学式。答案(1)Cu2(OH)2CO32H2SO4=2CuSO43H2OCO2CuSO4Fe=CuFeSO4(2)先停止加热，继续通一氧化碳，防止新生成的铜被再次氧化(3)Cu2O解析(1)Cu2(OH)2CO3与稀硫酸反应生成CuSO4、CO2和H2O，化学方程式为Cu2(OH)2CO32H2SO4=2CuSO43H2OCO2；加入铁屑后，铁和硫酸铜发生置换反应生成铜和硫酸亚铁，化学方程式为CuSO4Fe=CuFeSO4。(2)反应结束时，先停止加热，继续通一氧化碳，直至试管冷却，防止新生成的铜被再次氧化。(3)设n(Cu2S)1 mol，反应生成的铜的氧化物为CuxOy。由题意和Cu原子守恒可知，Cu2SCuxOy，Cu2SCuxOy3CuSO2，由O原子守恒，1，则xy21，即该铜的氧化物为Cu2O。13碱式碳酸铜可表示为xCuCO3yCu(OH)2zH2O，测定碱式碳酸铜组成的方法有多种。(1)现采用氢气还原法，请回答下列问题：写出xCuCO3yCu(OH)2zH2O与氢气反应的化学方程式：_。实验装置用下列所有仪器连接而成，按氢气气流方向的连接顺序是(填入仪器接口字母编号)：(a)()()()()()()()()()()(l)称取24.0 g某碱式碳酸铜样品，充分反应后得到12.8 g残留物，生成4.4 g二氧化碳和7.2 g水。该样品的结晶水质量为_ g，化学式为_。(2)某同学以氮气代替氢气，并用上述全部或部分仪器来测定碱式碳酸铜的组成，你认为是否可行？请说明理由：_。答案(1)xCuCO3yCu(OH)2zH2O(xy)H2(xy)CuxCO2(x2yz)H2Ojkgf(或hi)de(或ed)hi(或gf)bc(或cb)1.8CuCO3Cu(OH)2H2O(2)可以。根据反应xCuCO3yCu(OH)2zH2O(xy)CuOxCO2(yz)H2O，依据碱式碳酸铜样品、CuO、CO2和H2O质量(或其中任意三个量)，即可计算出其组成解析(1)应用原子守恒正确地写出xCuCO3yCu(OH)2zH2O与氢气反应的化学方程式；根据实验目的和实验装置可知，该实验要测定生成的水、二氧化碳的量，而从a出来的氢气中含有水蒸气和挥发出的氯化氢气体，会对实验有干扰，故应先用水吸收氯化氢，再用浓硫酸吸收水蒸气，再通入碱式碳酸铜发生反应，而产生的两种气体应先用浓硫酸吸收水蒸气，再用U形管中的碱石灰吸收产生的二氧化碳，同时要连上装有碱石灰的球形干燥管，避免空气中的水蒸气和二氧化碳进入U形管而产生误差；根据所给数据可计算出生成的Cu、CO2、H2O的物质的量分别是0.2 mol、0.1 mol、0.4 mol，故可知(xy)x(x2yz)214，故可计算出x、y、z分别为1、1和1，从而可求得该样品的化学式及结晶水质量。(2)若以氮气代替氢气，则原理为利用xCuCO3yCu(OH)2zH2O的分解，要想完成实验目的，应知道发生反应的方程式中的任意三种物质的质量。14钛(Ti)被称为继铁、铝之后的第三金属，钛白(TiO2)是目前最好的白色颜料。制备TiO2和Ti的原料是钛铁矿，我国的钛铁矿储量居世界首位。用含有Fe2O3的钛铁矿(主要成分为FeTiO3)制取TiO2的流程如下：(1)步骤加Fe的目的是_；步骤冷却的目的是_。(2)上述制备TiO2的过程中，可以利用的副产物是_。(3)由金红石(TiO2)制取单质Ti，涉及到的步骤为TiO2TiCl4Ti反应TiCl42Mg=2MgCl2Ti在Ar气氛中进行的理由是_。答案(1)将Fe3还原为Fe2析出(或分离、或得到)FeSO47H2O(2)FeSO47H2O(3)防止高温下Mg(Ti)与空气中的O2(或CO2、N2)反应解析(1)由框图所示流程分析可知，要将TiO2与Fe3、Fe2分离，需要先加入铁粉将Fe3还原为Fe2，趁热过滤除去残渣，再将滤液冷却使FeSO47H2O析出。(2)制备TiO2过程中的副产物FeSO47H2O在工农业生产和日常生活中有较多的应用。(3)因为在高温下，Mg(Ti)会与空气中的O2(或CO2、N2)发生反应，所以用Mg还原TiCl4时要在惰性气氛(Ar)中进行。