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1、化学技术与生活模块,专题三 从自然资源到化学品,从金属矿中提炼金属的一般步骤:矿石的富集:冶炼:精炼:,引言:金属的冶炼,除去杂质提高矿石中有用成分的含量。,利用氧化还原反应,在一定条件下,用还原剂把金属离子还原为金属单质。,采用一定的方法,提炼纯金属。,金属冶炼的反应原理:,引言:金属的冶炼,利用氧化还原反应,使金属化合物中的金属离子得到电子还原成金属单质:,根据Mn+氧化性的不同,常用的有三种冶炼方法。,K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag,热分解法:,引言:金属的冶炼,不活泼金属的阳离子氧化性强,加热时可从化合物内部获得电子被还原成单质。,适用于金属活动性
2、顺序表中位于铜后面的金属。,热还原法:,引言:金属的冶炼,大多数金属(顺序表中Al到Hg之间的元素)可以用强还原剂,在加热条件下还原。常用的还原剂有:C、CO、H2、活泼金属(如Na、Mg、Al)等。,电解法:,引言:金属的冶炼,活泼金属的阳离子氧化性很弱,一般还原剂难以将它们还原为金属。,适用于冶炼K、Ca、Na、Mg、Al等强还原性金属。,其他方法:,引言:金属的冶炼,此外,Au、Pt以单质极少量存在于自然界,可采用物理方法获得,无需冶炼。,CuSO4+Fe=FeSO4+Cu,湿法冶金,本节要点,镁的冶炼铝的冶炼镁和铝的性质,【资料卡片】镁的用途与地位 镁是重要的战略物质,由于它具有质量轻
3、并能在空气中稳定存在等优点,用于制造火箭和导弹上的多种原件,世界上金属镁的生产量与战争有着密切的关系。从海水中制取金属镁的年产量在第二次世界大战前不超过2万吨,战时年产量超过20万吨,战后年产量则降为3万吨。近些年来,在机械制造工业上,金属镁有代替钢、和锌等金属的趋势。,一、镁的冶炼:,镁的存在:镁是海水中浓度占第三位的元素。镁在海水中的浓度为0.129%,仅次于氯和钠,整个海洋中含有约1800亿吨镁。海水中的镁,主要是以MgCl2和MgSO4的形式存在。【思考与讨论】海水中的镁如何提炼?请设计合理的冶炼方法。,一、镁的冶炼:,从海水中提取镁的生产流程:,一、镁的冶炼:,【问题1】请写出上述过
4、程中所涉及到的化学方程式。,电解,1.贝壳煅烧成石灰:CaCO3=CaO+CO22.石灰制成石灰乳:CaO+H2O=Ca(OH)2(石灰乳)3.石灰乳加入海水沉淀池中得到氢氧化镁沉淀:Ca(OH)2+MgCl2=Mg(OH)2+CaCl2 4.氢氧化镁与盐酸反应:Mg(OH)2+2HCl=MgCl2+2H2O5.电解熔融的氯化镁可以得到金属镁:MgCl2=Mg+Cl2,高温,一、镁的冶炼:,一、镁的冶炼:,【问题2】写出沉淀池中发生的化学反应方程式。沉淀池中制得的Mg(OH)2沉淀混有什么杂质?应怎样除去?,【问题3】如何由MgCl2溶液中制得MgCl26H2O晶体?如何由MgCl26H2O制
5、得无水氯化镁?,加入MgCl2溶液,充分搅拌过滤,沉淀用水洗涤。,加热浓缩MgCl2溶液,冷却结晶、过滤;在HCl气氛中加热晶体。,【问题4】为何不通过电解MgO制备镁?,氧化镁熔点高(2800)使氧化镁熔化能耗大,生产成本高。,【问题5】整个生产流程中循环使用的物质是_,氯气,【资料卡片】铝的化学史话,二、铝的冶炼:,尽管铝是地壳中含量最高的金属,但限于当时的金属冶炼条件,要把铝从矿石中提炼出来,是极其困难的。,在19世纪,铝是一种珍贵的金属。人们最初得到的铝粒如同珍宝,它的价格比黄金还贵。,在国宴上,拿破仑三世使用一套珍藏的铝制餐具。而他为客人提供的是金制的餐具。,门捷列夫创建了元素周期表
6、,受到英国皇家学会的表彰,奖品是一只铝制奖杯。,1885年,在美国首都华盛顿特区落成的华盛顿纪念碑上的顶帽也是用金属铝制造的。,3Na+AlCl3(熔融)=3NaCl+3Al,铝的存在:,二、铝的冶炼:,铝元素占地壳总量的7.45,是地壳中含量最高的金属元素。,铝元素在自然界以化合态形式存在,主要存在于铝土矿中。,铝土矿的成分,主要成分:Al2O3,少量:Fe2O3、SiO2等杂质,要从铝土矿中提取铝,必须先制备较纯的氧化铝,从铝土矿制备铝的生产流程:,二、铝的冶炼:,碱溶法:,Al2O3Fe2O3SiO2,Fe2O3除去,NaAlO2Na2SiO3NaOH溶液,AlCl3NaClHCl溶液,
7、滤液,H2SiO3除去,Al2O3,Al,Al(OH)3,写出各步过程涉及的化学反应式,电解,Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2ONaAlO2+4HCl=AlCl3+NaCl+H2O Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClAlCl3+3NH3H2O=Al(OH)3+3NH4Cl NH3H2O+HCl=NH4Cl+H2O2Al(OH)3=Al2O3+3H2O2Al2O3=4Al+3O2,二、铝的冶炼:,二、铝的冶炼:,酸溶法:,Al2O3Fe2O3SiO2,SiO2除去,AlCl3FeCl3HCl溶液,Fe(OH)3除去,NaA
8、lO2NaClNaOH溶液,滤液,Al(OH)3,Al2O3,Al,电解,Al2O3+6HCl=AlCl3+3H2O Fe2O3+6HCl=FeCl3+3H2OAlCl3+4NaOH=NaAlO2+3NaCl+2H2O FeCl3+3NaOH=Fe(OH)3+3NaCl NaOH+HCl=NaCl+H2ONaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+NaHCO3 NaOH+CO2=NaHCO32Al(OH)3=Al2O3+3H2O2Al2O3=4Al+3O2,二、铝的冶炼:,二、铝的冶炼:,【问题1】已知氧化铝的熔点为2050,可能给工业生产带来什么问题?如何解决该问题?,氧化铝电解示意图,
9、会导致Al2O3熔化时能耗大,成本提高。可以加入冰晶石(Na3AlF6)作为助熔剂。它是一种配合物,由Na+和氟铝酸根配离子AlF63组成。利用“溶液比纯溶剂的熔点降低”的性质,可知冰晶石Al2O3熔盐的熔点不高,且其在电解过程中比较稳定。,【问题2】电解铝工业要定期补充石墨电极,为什么?,石墨电极与阳极产生的氧气反应而损耗。,二、铝的冶炼:,【资料卡片】溶液的依数性 与纯溶剂相比,溶液存在着凝固点降低、沸点升高、蒸汽压降低、存在渗透压这4个特点,称为溶液的依数性,并且根据是否满足vant Hoff依数性定律分为理想溶液和非理想溶液。【想一想】如何解释下列现象?冬天结冰的路面上撒上食盐冰面就会
10、融化;冬季需向汽车散热器的冷却水中加入适量乙二醇;白雪皑皑的寒冬中松树叶子依然常青;有的晶体容易潮解,而有的却又容易风化;红细胞在纯水中会逐渐肿胀直至胀裂,但在浓盐水中脱水而干瘪。,二、铝的冶炼:,【问题3】工业上为何不用电解AlCl3的方法来制备铝?,固体AlCl3是离子化合物,但加热熔融后发现并不导电,因为熔融态下AlCl3反而变成了共价型的Al2Cl6分子,因此不导电。且该物质容易升华,加热时会有大量AlCl3变成气体。,1.工业上用铝土矿(主要成分是Al2O3,还有少量的Fe2O3、SiO2)提取冶炼铝的原料氧化铝。工艺流程如下图:(1)原料A的名称是_,步骤反应的离子方程式是。(2)
11、滤液1中要加入稍过量原料B,原料B的化学式是_,步骤反应的离子方程式是:。(3)步骤的化学方程式是:。(4)如果省去步骤,即溶解铝土矿是从加入原料B开始,则会对Al2O3的提取有什么影响。,盐酸(硫酸),Al2O36H+=2Al3+3H2O,Fe2O36H+=2Fe3+3H2O,NaOH,H+OH=H2O,Fe3+3OH=Fe(OH)3,Al3+4OHAlO2 2H2O,NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3,有部分SiO2溶解在NaOH溶液中,最后制得的Al2O3混有SiO2杂质,练习:,练习:,2.(2009山东卷)金属铝的生产是以Al2O3为原料,在熔融状态下进行电解:请
12、回答下列问题:冰晶石(Na3AlF6)的作用是。电解生成的金属铝是在熔融液的(填“上层”或“下层”)。阴极和阳极均由材料做成;电解时所消耗的电极是(填“阳极”或“阴极”)。铝是高耗能产品,废旧铝材的回收利用十分重要。在工业上,最能体现节能减排思想的是将回收铝做成(填代号)。a.冰晶石b.氧化铝c.铝锭d.硫酸铝,降低Al2O3的熔化温度,下层,碳棒(或石墨),阳极,c,单质:物理性质:相似性:都是密度较小、熔点较低,硬度较小的银白色金属。差异性:铝的硬度比镁稍大,熔沸点都比镁高。化学性质:相似性:都是比较活泼的金属,能与O2、S、Cl2等非金属单质直接化合,都能与酸以及某些氧化物反应:Mg+C
13、O2=2MgO+C(单质Mg着火不能用泡沫灭火器灭火)铝热法:3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3,三、镁和铝的性质:,化学性质:相异性:Al的活泼性不如Mg;Mg与N2直接反应,但Al不能:3Mg+N2=Mg3N2Al能被冷浓H2SO4、浓HNO3钝化。Al能与强碱溶液反应产生H2:2Al+2OH+2H2O=2AlO2+3H2,三、镁和铝的性质:,点燃,化合物:氧化物:MgO是典型的碱性氧化物,可以缓慢和水作用。Al2O3是两性氧化物,不与水反应,能与强酸强碱反应生成相应的铝盐和偏铝酸盐。天然晶体叫刚玉,不与酸碱反应,耐高温,经常用于制造高温反应装置。Al2O3+6H+=2Al3+3H
14、2OAl2O3+2OH=2AlO2+H2O,三、镁和铝的性质:,氢氧化物:Mg(OH)2是不溶于水的中强碱,可与酸反应。Al(OH)3是两性氢氧化物,能与强酸强碱反应生成相应的铝盐和偏铝酸盐。H+AlO2+H2O Al(OH)3 Al3+3OHAl(OH)3+3H+=Al3+3H2O Al(OH)3+OH=AlO2+2H2O加热时Mg(OH)2和Al(OH)3都会脱水变为氧化物。Mg(OH)2=MgO+H2O2Al(OH)3=Al2O3+3H2O,三、镁和铝的性质:,【想一想】分别以AlCl3和NaAlO2为原料如何制备Al(OH)3?Al3+3NH3H2O=Al(OH)3+3NH4+不宜使用
15、NaOH溶液,因为Al(OH)3可溶于过量的NaOH。AlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+HCO3 不宜用盐酸,因为Al(OH)3可溶于过量的盐酸。,三、镁和铝的性质:,重要的镁盐和铝盐:MgCl2:易潮解,制取镁的重要原料;MgCO3:菱镁矿主要成分,工业上利用它制取MgO:MgCO3=MgO+CO2 KAl(SO4)212H2O或K2SO4Al2(SO4)324H2O:俗称明矾,是一种复盐。常用作净水剂。铝盐的性质:遇HCO3、CO32、AlO2、SiO32、SO32、S、HS等阴离子发生彻底的双水解。Al3+3HCO3=Al(OH)3+3CO22Al3+3CO32+3H2O=2A
16、l(OH)3+3CO2Al3+3AlO2+6H2O=4Al(OH)3,三、镁和铝的性质:,【思考与讨论】请用所学的知识解释以下现象。将适量镁粉与沙子混合,引燃得到一种灰色粉末。把该粉末投入水中,可听到有轻微的爆炸声,水中会产生白色沉淀。若将此粉末投入浓盐酸中,爆炸声明显增大,且在水面上有火花闪烁。镁粉与沙子发生反应:4Mg+SiO2=2MgO+Mg2Si 投入水中:Mg2Si+4H2O=SiH4+2Mg(OH)2 SiH4自燃:SiH4+2O2=SiO2+2H2O 投入浓盐酸中:Mg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4 SiH4自燃:SiH4+2O2=SiO2+2H2O 由于c(H+)增大,反应更剧烈,释放的能量更多,故水面有火花闪烁。,三、镁和铝的性质:,