第二单元| 铁、铜的获取及应用
第一课时 从自然界获取铁和铜
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[课标要求]
1．了解铁、铜的冶炼。 2．掌握金属冶炼的一般方法。
1．常见的铁矿有磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)等，常见的铜矿有黄铜矿(CuFeS2)、
孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]等。
2．工业上主要采用高温冶炼黄铜矿(CuFeS2)的方法获得粗铜后经过电解精炼得到
精铜。
3．常见金属的冶炼方法：①K、Ca、Na、Mg、Al用电解法；②金属活动性顺序 中Zn～Cu用高温还原法；③Hg、Ag用热分解法；④Cu、Zn还可用湿法冶炼。
铁、铜的冶炼
1．铁、铜的存在
铁、铜在自然界中主要以化合态的形式存在。
(1)铁矿有磁铁矿(主要成分为Fe3O4)、赤铁矿(主要成分为Fe2O3)等。
(2)铜矿有黄铜矿(主要成分为CuFeS2)、孔雀石[主要成分为CuCO3·Cu(OH)2]等。 2．铁、铜的早期获取
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。
3．铁的冶炼 (1)设备：炼铁高炉。
(2)原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。 (3)主要反应
①还原剂的生成。a.生成CO2：C＋O2高温,CO2，
b生成CO：CO2＋C高温,2CO。
②铁的生成：Fe2O3＋3CO高温,2Fe＋3CO2。 ③炉渣的形成：a.CaCO3高温,CaO＋CO2， b．CaO＋SiO2高温,CaSiO3。 [特别提醒]
使用炼铁高炉得到的是含碳2%～4.5%的生铁，生铁经过进一步冶炼，包括降碳，调硅锰，除硫、磷，得到含碳量0.03%～2%的钢。
4．炼铜
(1)工业炼铜：工业上采用高温冶炼黄铜矿(主要成分为CuFeS2)的方法得到铜。 黄铜矿――→冰铜―→粗铜(含Ag、Au、Fe、Zn等杂质)――→精铜 高温 (2)生物炼铜(矿堆浸铜法)
①原理：CuS――→CuSO4――→Cu。 O
2
还原剂电解精炼
细菌Fe
②特点：成本低、污染小、反应条件简单等。
1．高炉炼铁的生产中，下列说法正确的是( ) A．焦炭和一氧化碳都是还原剂 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得到CO2
D．用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿和黄铁矿
解析：选A 高炉炼铁的生产中，焦炭燃烧生成二氧化碳，二氧化碳再和焦炭反应生成一氧化碳，一氧化碳还原铁的氧化物，在反应中焦炭和一氧化碳是还原剂，A正确；采用富氧空气是为了焦炭能充分燃烧，B不正确；加石灰石的目的主要是为了造渣，C不正确；黄铁矿中铁的含量低，一般不用于冶炼生铁，D不正确。
2．回答下列关于高炉炼铁的问题：
(1)炼铁的原料有______________________________________________________。 (2)焦炭的作用有两点：一是____________，化学方程式为_______________________； 二是__________，化学方程式为______________________________________________。 (3)铁矿石的作用是________，化学方程式(以赤铁矿为例)为_____________________。 (4)生石灰的作用是________，化学方程式为__________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)铁矿石、焦炭、空气、石灰石 (2)燃料，提供能量 C＋O2=====CO2 生成还原剂 C＋CO2=====2CO
高温
点燃
高温
(3)炼铁基础原料，作氧化剂 Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2 (4)造渣材料 CaCO3=====CaO＋CO2↑
CaO＋SiO2=====CaSiO3
金属冶炼的方法
1．金属的冶炼
金属冶炼是把金属从化合态变为游离态的过程。 2．金属的活泼性与金属的冶炼方法
(1)少数不活泼的金属在自然界中以单质形式存在，如金、铂等。大部分金属以化合态形式存在于自然界，金属越不活泼，从其化合物中还原出来越容易，金属越活泼从其化合物中还原出来越困难。
(2)金属活泼性与冶炼方法的关系如下：
高温
高温
3．高温还原法的冶炼金属的分类和优、缺点 (1)分类
(2)优、缺点
用氢气还原法冶炼金属，纯度高，但成本也高；用一氧化碳和炭还原法冶炼金属，纯度低，冶炼成本也低；用铝热法可以冶炼熔点高难冶炼的金属，成本较高。
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)在自然界中金属都以化合态存在( ) (2)在金属化合物中金属元素都显正价( )
(3)金属冶炼过程中，金属化合物得到电子发生氧化反应( ) (4)金属的活动性越强，即金属失电子的能力越强( ) 答案：(1)× (2)√ (3)× (4)√
2．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是( )
选项 A 冶炼原理 2HgO=====2Hg＋O2↑ △方法 热分解法
通电B C D
2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑ 冰晶石Cu2S＋O2=====2Cu＋SO2 Fe2O3＋2Al=====2Fe＋Al2O3 高温高温电解法 热分解法 高温还原法 解析：选C 活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼，中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用高温还原法冶炼，不活泼金属Hg、Ag利用热分解法冶炼，故A、B、D正确。C错误，C项为火法炼铜。
[三级训练·节节过关]
1．下列说法不正确的是( )
A．有些活泼金属如铝可作还原剂法的还原剂 B．用电解熔融的NaCl的方法来冶炼金属钠 C．可用焦炭或一氧化碳还原氧化铝的方法来冶炼铝 D．回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物
解析：选C 铝可以作还原剂冶炼一些高熔点的金属，如2Al＋Fe2O3高温,2Fe＋Al2O3；金属钠用电解熔融的NaCl的方法制取；铝是活泼金属，很难用还原剂把它还原出来；回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物。
2．目前工业上冶炼铝通常采用的方法是( ) A．CO或H2还原法 C．电解法
B．铝热反应法 D．热分解法
解析：选C 目前工业上冶炼金属铝采用的是电解熔融的Al2O3来得到金属铝。 3．下列反应能通过置换反应生成铁的是( )
①Zn＋FeCl2(溶液) ②Na＋FeSO4(溶液) ③Fe2O3＋CO(高温) ④Fe3O4＋H2(高温) ⑤Al＋Fe2O3(引燃)
A．①③④⑤ C．①④⑤
B．①②③ D．①②③④⑤
解析：选C ②中钠先与水反应生成NaOH，再与FeSO4发生复分解反应，并不能置换出铁；③该反应虽然生成铁，但不是置换反应，其余皆符合题意。
4．冶炼金属一般有下列方法：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。
(1)对下表中的金属冶炼方法进行分析，从上述四种方法中选择相应的序号填入空格中。 火烧孔 湿法 铝热 从光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)中炼镁
雀石炼铜 炼铜 法炼铬 (2)各列举一个使用上述方法冶炼金属的例子(用化学方程式表示)。
①________________________________________________________________________； ②________________________________________________________________________； ③________________________________________________________________________； ④________________________________________________________________________。 解析：(1)火烧孔雀石炼铜是用C还原孔雀石分解得到CuO，选①；湿法炼铜和铝热法炼铬都是利用活泼金属置换较不活泼的金属，选③；光卤石炼镁的反应为MgCl2(熔融)===== Mg＋Cl2↑，选④；(2)金属活动性较强的金属、活动性介于Zn～Cu之间的金属、活动性较弱的金属分别采用电解法、高温还原法、热分解法冶炼。
答案：(1)① ③ ③ ④
(2)①2Fe2O3＋3C=====4Fe＋3CO2↑ ②3H2＋WO3=====W＋3H2O ③3MnO2＋4Al=====3Mn＋2Al2O3 ④2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑
一、单项选择题
1．下列说法中，不正确的是( )
A．金属的冶炼，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越早，其活动性一般越弱
解析：选B 由金属冶炼的方法可知，金属冶炼时，除用高温还原法外，还可用电解法、热分解法，后两种方法不用加入还原剂，B不正确。
2．下列化学反应在金属冶炼工业中还没有得到应用的是( ) A．2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑ B．Al2O3＋3C=====2Al＋3CO↑
2 125 ℃
电解通电高温高温
高温
通电
高温
C．Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2 D．2Ag2O=====4Ag＋O2↑
解析：选B 目前金属铝的制备方法是电解氧化铝，其他选项中所涉及的内容均符合理论和生产实际。
3．用H2、C、CO分别与等质量的氧化铁在高温下反应，使氧化铁中的铁全部还原出来，消耗H2、C、CO的质量比为( )
A．1∶1∶1 C．1∶6∶14
B．1∶3∶14 D．2∶1∶2
△
3
解析：选B 由3H2～Fe2O3，C～Fe2O3,3CO～Fe2O3可知，相同的质量的氧化铁需要
2的还原剂的质量比为：
3
×12?∶(3×28)＝1∶3∶14。 (3×2)∶??2?
4．工业上，常用Mg还原法制取金属Ti，反应原理如下：2Mg＋TiCl4=====2MgCl2
＋Ti。下列说法正确的是( )
①该反应属于置换反应；②该反应属于氧化还原反应；
③该反应表明Mg比Ti活泼；④Ti被誉为“21世纪的金属”，在航天工业上有广泛用途。
A．只有①② C．只有①②③
B．只有③④ D．全部
高温
解析：选D 由单质Mg从化合物TiCl4中置换出金属Ti，化合价发生变化，故①②正确；在反应中Mg作还原剂，Ti是还原产物，故Mg的还原性比Ti强，③正确；④Ti为性能优良的金属，广泛应用于航天工业，④正确。
5．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60.0 g沉淀，则该氧化物是( )
A．FeO C．CuO
解析：选B n(CO2)＝n(CaCO3)＝
－
B．Fe2O3 D．Cu2O
60.0 g
－＝0.6 mol，则氧化物中氧元素也为0.6
100 g·mol1mol，m(O)＝0.6 mol×16 g·mol1＝9.6 g。金属的质量为32 g－9.6 g＝22.4 g，假设为Fe元素，n(Fe)∶n(O)＝
22.4 g
－∶0.6 mol＝2∶3；假设为Cu元素，n(Cu)∶n(O)＝
56 g·mol122.4 g
－∶0.6 mol＝7∶12。
64 g·mol1
二、不定项选择题
6．铝能用于冶炼金属铁、钒、铬、锰等，其原因是铝具有( ) A．两性 B．导电性好 C．熔点低
D．还原性强，且反应放出大量热
解析：选D 铝能用于冶炼金属铁、钒、铬、锰等，其原因一是铝比铁、钒、铬、锰等活泼，铝能把其置换出来；二是反应放出大量的热使反应得以进行，D正确。
7．下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是( ) A．2MgO=====2Mg＋O2↑ B．TiCl4＋4Na=====Ti＋4NaCl C．Al2O3＋3H2=====2Al＋3H2O D．Fe3O4＋4CO=====3Fe＋4CO2
解析：选AC 工业上用电解熔融MgCl2的方法制得Mg，A项错误；工业上用电解Al2O3的方法制取单质Al，C项错误。
8．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。下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( )
高温△700～800℃电解
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
解析：选D 人类对材料的使用经历了一个由易到难，由简单到复杂的过程，所以金属活动性较差、容易冶炼的金属最先被人发现和利用。
三、非选择题
9．冶炼金属常用以下几种方法：①以C、CO或H2作还原剂；②利用铝热反应原理还原；③电解法；④分解法。下列金属各采用哪种方法还原最佳(用序号填写下列空白)。
(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属：_____________________________________。 (2)Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属：_________________________________。 (3)Hg、Ag等不活泼金属：__________________________________________。
(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属：____________________________________。 解析：活泼的金属，如Na、Mg、Al用电解法冶炼，不活泼的金属，如Hg、Ag用热分解法冶炼，中等活泼的金属，如Fe、Zn、Cu用高温还原法冶炼，难熔金属如V、Cr、Mn、W等用铝热反应冶炼。
答案：(1)① (2)③ (3)④ (4)②
10．铁是地壳中含量很丰富的元素，也是生物体所必需的元素。自然界中铁矿石主要有赤铁矿和磁铁矿。金属铁是在高炉中冶炼的，高炉炼铁除了加入铁矿石外，还需加入焦炭和石灰石。请填空：
(1)写出磁铁矿主要成分的化学式：__________________________________。 (2)写出焦炭在高炉中所参与反应的两个化学方程式：
________________________________________________________________________。 (3)写出CaCO3所参与有关反应的两个化学方程式：
________________________________________________________________________。 解析：赤铁矿主要成分为Fe2O3，磁铁矿主要成分为Fe3O4，铁元素在这两种矿石中均以化合态形式存在。高炉炼铁就是用还原剂将铁矿石中的Fe还原出来的过程。
答案：(1)Fe3O4
(2)C＋O2=====CO2，CO2＋C=====2CO
(3)CaCO3=====CaO＋CO2↑，CaO＋SiO2=====CaSiO3
一、单项选择题
1．下列关于钙、钾、铜的冶炼方法正确的是( ) A．电解法、热分解法、热还原法 B．电解法、电解法、高温还原法 C．高温还原法、热分解法、高温还原法 D．电解法、电解法、热分解法
解析：选B 钙、钾是活泼的金属，应采用电解的方法冶炼，铜是中等活泼金属，采用高温还原方法来冶炼。
2．下列有关金属冶炼说法不正确的是( ) A．电解饱和NaCl溶液制备Na B．电解熔融的MgCl2制备Mg C．CO还原赤铁矿(Fe2O3)可用于炼铁 D．Fe和CuSO4溶液的反应可用于湿法炼铜
高温
高温
高温
高温
解析：选A A项，电解饱和氯化钠溶液得到氢气、氯气、氢氧化钠，不能得到Na单质，错误；B项，电解熔融的氯化镁可以制取Mg，正确；C项，CO具有还原性，可以还原金属氧化物为金属单质，正确；D项，Fe与硫酸铜发生置换反应得到Cu单质，被称为湿法炼铜，正确。
3．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
解析：选B 冶炼难熔金属通常用铝热法。
4．在熔融状态下，Na与KCl存在可逆反应：Na＋KCl??NaCl＋K，通过调整温度，可利用金属Na来制取K。
物质 熔点/℃ 沸点/℃ K 63.6 774 Na 97.8 883 KCl 770 1 500 NaCl 801 1 413 根据上表的熔点和沸点，确定由Na与KCl反应制取K的合适温度为( ) A．770 ℃ C．850 ℃
B．801 ℃ D．770～801 ℃
解析：选C K、Na的活泼性相近，要从上述可逆的置换反应中制取K，主要是利用K的沸点比Na的低而控制温度使K汽化。其余三种物质均为液体，便于生成的K蒸气不断逸出，使反应向生成K的方向进行而制得K。在801～883 ℃合理。
5．用铝热法还原下列化合物，若获得金属各1 mol，消耗铝最少的是( ) A．MnO2 C．WO3
B．Cr2O3 D．CuO
解析：选D 得到1 mol金属时转移电子的物质的量越少，则消耗Al越少，从而可知，金属的化合价越低，被还原时，需要的电子越少，消耗的铝越少。
二、不定项选择题
6．在冶金工业上，均不能用通常化学还原剂制得的金属组是( ) A．Na，Mg，Al C．Zn，Fe，Cu，Ag
B．Na，K，Zn，Fe D．Mg，Al，Zn，Fe
解析：选A A项，Na、Mg、Al都是活泼的金属，应该用电解的方法冶炼而不能用还原剂还原，正确；B项，Na、K用电解法冶炼，而Zn、Fe用高温还原法冶炼，错误；C项，Zn、Fe用高温还原法冶炼，而Cu、Ag用热分解的方法冶炼，错误；D项，Mg、Al用电解法冶炼，而Zn、Fe用高温还原法冶炼，错误。
7．下列有关金属的工业制法中，正确的是( )
A．炼铜：用黄铜矿(主要成分为CuFeS2)直接电解精炼得到纯度为99.9%的铜 B．制铝：工业上电解熔融氯化铝来制备铝 C．制钠：电解饱和NaCl溶液
D．炼铁：用CO在高温下还原铁矿石中的铁
解析：选D 电解精炼铜时用粗铜作阳极，纯铜作阴极，硫酸铜作电解液进行电解，A项错误；工业上电解熔融的氧化铝制备铝，B项错误；制取钠时电解的是熔融的氯化钠，C项错误，D项正确。
8．赤铜矿的主要成分是氧化亚铜(Cu2O)，辉铜矿的主要成分是硫化亚铜(Cu2S)，将赤铜矿与辉铜矿混合加热有如下反应：Cu2S＋2Cu2O=====6Cu＋SO2↑。下列对于该反应的 说法中，正确的是( )
A．该反应中的氧化剂只有Cu2O B．Cu2S在反应中既是氧化剂又是还原剂 C．Cu既是氧化产物又是还原产物
D．氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶6
解析：选BD 该反应中，Cu2S既是氧化剂又是还原剂，Cu2O是氧化剂；Cu是还原产物，SO2是氧化产物。
三、非选择题
9．已知Al、Cu、Hg三种金属分别用如下方法冶炼：
2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑，H2＋CuO=====Cu＋H2O,2HgO=====2Hg＋O2↑。 (1)分析以上信息，可总结出金属冶炼方法与金属活动性强弱之间的关系是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。 (2)利用(1)中的结论，并结合题目信息，写出工业上用CaCl2冶炼金属钙的化学方程式________________________________________________________________________。
(3)在某些特殊环境下，往往用铝热反应来冶炼一些难熔金属，请据此法写出用MnO2
冶炼金属锰的化学方程式：
________________________________________________________________________。 解析：(1)金属的冶炼方法与金属在自然界中的存在状态、金属活泼性有关。一般来说，活泼的金属采用电解法冶炼(如K、Ca、Na、Mg、Al等)，中等活泼的金属用高温还原法冶炼(如Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等)，不活泼的金属用热分解法冶炼(如Hg、Ag等)。
(2)Ca是活泼的金属，工业上用电解熔融CaCl2的方法冶炼。
电解
△
△
△
(3)金属铝和MnO2发生置换反应生成单质锰和氧化铝。
答案：(1)活泼的金属一般采用电解法冶炼，中等活泼的金属一般采用高温还原法冶炼，不活泼的金属一般采用热分解法冶炼
(2)CaCl2(熔融)=====Ca＋Cl2↑ (3)4Al＋3MnO2=====2Al2O3＋3Mn
10．钢铁工业对促进经济和社会的发展具有重要的意义，现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。其设备如图所示：
高温电解
炼铁的炉料(铁矿石、焦炭、石灰石等)由高炉的顶部投入，原料在下降过程中与高炉气气流在炉身部分发生作用。请回答下列问题：
(1)焦炭在炼铁的过程中所起的作用是____________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，其目的是_______________ ________________________________________________________________________。 (3)写出以赤铁矿为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应________________________________________________________________________。
(4)高炉气中含有的主要气态污染物是____________________________________， 若直接排放将污染空气，因此应回收利用，请写出该污染物的一种用途________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。 解析：(1)焦炭在炼铁的过程中既作为能源提供反应所需要的能量，同时生成CO作为还原剂，还原出铁矿石中的Fe；(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，主要是采用逆流操作，不仅利于矿石与还原性气体充分接触，还增加了接触时间，利于反应；(3)炼铁高炉中发生的主要反应就是还原剂的生成及生成铁的反应；(4)高炉气的主要成分有：CO、CO2等，其主要气态污染物是有毒的CO；回收利用CO，可用作燃料或作还原剂等。
答案：(1)既提供热量，又产生还原剂CO
(2)采用逆流接触操作，使矿石与还原性气体充分接触、反应
高温
高温
高温
(3)C＋O2=====CO2，CO2＋C=====2CO，Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2 (4)CO 作燃料(或还原剂)