/10/10/第二單元鐵、銅的獲取及應(yīng)用第1課時(shí)從自然界中獲取鐵和銅[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]1.熟知鐵、銅的冶煉原理和方法，會(huì)寫(xiě)有關(guān)的化學(xué)方程式。2.初步了解金屬冶煉的一般方法和原理。一、鐵、銅的存在形式1．鐵和銅在自然界中主要以化合態(tài)的形式存在。(1)常見(jiàn)的鐵礦有磁鐵礦(主要成分為Fe3O4)、赤鐵礦(主要成分為Fe2O3)、黃鐵礦(主要成分為FeS2)、菱鐵礦(主要成分為FeCO3)等。(2)常見(jiàn)的銅礦有孔雀石[主要成分為CuCO3·Cu(OH)2]、黃銅礦(主要成分為CuFeS2)等。2．人們最早利用的單質(zhì)鐵和單質(zhì)銅均直接來(lái)自于自然界。所不同的是鐵單質(zhì)只存在于從天而降的隕鐵中，所以古代人稱(chēng)鐵為“天石”，而銅則來(lái)自于地球上自然存在的少量單質(zhì)銅。1.鐵、銅元素在自然界中的存在形式既有游離態(tài)也有化合態(tài)。2．鐵在地殼中的含量?jī)H次于氧、硅、鋁，居第四位。1．銅在自然界存在于多種礦石中。下列礦石的主要成分中銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是()A．黃銅礦CuFeS2B．斑銅礦Cu5FeS4C．輝銅礦Cu2SD．孔雀石CuCO3·Cu(OH)2答案C解析設(shè)均含有2個(gè)Cu原子，比較“Fe2S4”“Feeq\f(2,5)Seq\f(8,5)”“S”“H2CO5”的式量可知，Cu2S中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，CuFeS2中的Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。二、鐵、銅的冶煉1．鐵的冶煉(1)原料：鐵礦石、焦炭、空氣、石灰石等。(2)設(shè)備：煉鐵高爐。(3)反應(yīng)原理：用還原劑將鐵從其化合物中還原出來(lái)。(4)工藝流程：從高爐下方鼓入空氣與焦炭反應(yīng)產(chǎn)生CO2并放出大量的熱量；CO2再與灼熱的焦炭反應(yīng)，生成CO；CO在高溫下將氧化鐵還原為金屬鐵。(5)鐵礦石中含有二氧化硅需除去：石灰石在高溫下分解生成氧化鈣和二氧化碳，氧化鈣與鐵礦石中的二氧化硅等反應(yīng)生成爐渣，爐渣的密度比鐵水小，故浮在鐵水上面，從而分離得到鐵水。(6)用這種方法煉出來(lái)的鐵是含碳2%～4.5%的生鐵。將生鐵進(jìn)一步煉制，就可以得用途更廣泛的鋼(含碳0.03%～2%)。2．銅的制備與精煉工業(yè)上主要采用高溫冶煉黃銅礦(主要成分是CuFeS2)的方法獲得銅。用這種方法冶煉得到的銅，含銅量為99.5%～99.7%，還含有Ag、Au、Zn、Fe等雜質(zhì)。要達(dá)到電氣工業(yè)生產(chǎn)用銅的要求，這種由黃銅礦高溫冶煉得到的銅還必須經(jīng)過(guò)電解精煉，其得到的銅，含銅量高達(dá)99.95%～99.98%。1.煉鐵的主要化學(xué)反應(yīng)(1)還原劑的形成：C＋O2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))CO2，C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高溫))2CO。(2)鐵的還原：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋3CO2。(3)爐渣的形成：CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaO＋CO2↑，CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3。2．金屬冶煉的一般方法(1)電解法：適合冶煉金屬活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬(一般為金屬活動(dòng)性順序表中鋁及鋁前面的金屬)。例如：MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))Mg＋Cl2↑，2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(通電))4Al＋3O2↑。(2)高溫還原法：用還原劑(CO、C、H2、Al等)還原金屬氧化物，適合冶煉金屬活動(dòng)性順序表中Zn到Cu之間的大多數(shù)金屬。例如：2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up7(高溫))2Cr＋Al2O3。(3)熱分解法：適合于冶煉金屬活動(dòng)性較差的金屬。例如：2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑，2HgOeq\o(=,\s\up7(△))2Hg＋O2↑。提醒(1)在工業(yè)上還有一種冶煉方法叫做濕法冶金，即利用活潑金屬把不活潑金屬?gòu)乃柠}溶液中置換出來(lái)。例如：CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4。(2)金屬的冶煉方法與金屬活動(dòng)性的關(guān)系2．高爐煉鐵生產(chǎn)中下列說(shuō)法正確的是()A．還原氧化鐵的還原劑是焦炭B．采用富氧空氣可以得到純鐵C．加石灰石的目的主要是為了除去過(guò)量碳D．用于冶煉生鐵的礦石主要有磁鐵礦、赤鐵礦答案D解析A項(xiàng)中，焦炭發(fā)生的反應(yīng)：C＋O2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))CO2、CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))2CO，其中CO將鐵礦石中的鐵還原成鐵單質(zhì)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；高爐煉鐵得到的只是含碳量為2%～4.5%的生鐵，不會(huì)得到純鐵，B項(xiàng)錯(cuò)誤；加入石灰石的目的是它在高溫下分解成生石灰，繼而再與SiO2反應(yīng)生成CaSiO3爐渣，除去雜質(zhì)SiO2，故C項(xiàng)錯(cuò)誤。易錯(cuò)提醒高爐煉鐵時(shí)，雖然加入的是焦炭，實(shí)際上的還原劑是CO。3．火法煉銅首先要焙燒黃銅礦，其反應(yīng)為2CuFeS2＋O2=Cu2S＋2FeS＋SO2，下列說(shuō)法正確的是()A．SO2是氧化產(chǎn)物B．CuFeS2僅作還原劑，硫元素被氧化C．每生成1molCu2S，有4mol硫被氧化D．每轉(zhuǎn)移1.2mol電子，有0.2mol硫被氧化答案D解析由反應(yīng)方程式知，CuFeS2中Cu化合價(jià)降低被還原為Cu2S，CuFeS2中eq\f(1,4)的S化合價(jià)升高，被氧化為SO2；O2在反應(yīng)后化合價(jià)降低，被還原為SO2，因此可知SO2既是氧化產(chǎn)物又是還原產(chǎn)物，A項(xiàng)錯(cuò)誤；CuFeS2既是氧化劑又是還原劑，B項(xiàng)錯(cuò)誤；每生成1molCu2S，有1molS被氧化，C項(xiàng)錯(cuò)誤；利用反應(yīng)知轉(zhuǎn)移6mole－，有1molS被氧化，D項(xiàng)正確。1．下列物質(zhì)中含銅元素的是()A．天石 B．孔雀石C．赤鐵礦 D．石灰石答案B解析孔雀石的主要成分為CuCO3·Cu(OH)2。2．下列關(guān)于金屬冶煉的說(shuō)法正確的是()A．金屬冶煉的本質(zhì)是將化合態(tài)金屬還原為游離態(tài)，冶煉方法由金屬的活動(dòng)性決定B．Cu的濕法冶煉是將金屬鈉投入到CuSO4溶液中，從而置換出銅C．Fe通常采用熱還原法冶煉，加入石灰石的目的是除去過(guò)量的碳D．由于Al的活動(dòng)性強(qiáng)，故工業(yè)上采用電解熔融氯化鋁的方法生產(chǎn)鋁答案A解析A項(xiàng)，關(guān)于金屬冶煉的本質(zhì)和方法的敘述是正確的；B項(xiàng)，濕法煉銅是用鐵置換出銅；C項(xiàng)，煉鐵中加入石灰石是為了除去二氧化硅雜質(zhì)；D項(xiàng)，工業(yè)上用電解熔融氧化鋁的方法生產(chǎn)鋁。3．下列有關(guān)金屬的工業(yè)制法中正確的是()A．制鈉：用海水為原料制得精鹽，再電解純凈的NaCl溶液B．制鋁：從鋁土礦中獲得氧化鋁再得到氯化鋁固體，電解熔融的氯化鋁得到鋁C．制鎂：用海水為原料，經(jīng)一系列過(guò)程制得氧化鎂固體，H2還原得鎂D．制鐵：以鐵礦石為原料，CO還原得鐵答案D解析分別電解熔融的NaCl、MgCl2、Al2O3(和冰晶石)來(lái)制取Na、Mg、Al，A、B、C三項(xiàng)均錯(cuò)。4．冶煉金屬一般有下列四種方法：①焦炭法；②水煤氣法(或H2或CO)；③活潑金屬置換法；④電解法。四種方法在工業(yè)上均有應(yīng)用。古代有(Ⅰ)火燒孔雀石煉銅，(Ⅱ)濕法煉銅，現(xiàn)代有(Ⅲ)鋁熱法煉鉻，(Ⅳ)從光鹵石中煉鎂，對(duì)它們的冶煉方法的分析不正確的是()A．(Ⅰ)用① B．(Ⅱ)用②C．(Ⅲ)用③ D．(Ⅳ)用④答案B解析由于金屬的化學(xué)活動(dòng)性不同，金屬離子得到電子還原成金屬原子的能力也就不同，因此必須采用不同的冶煉方法。(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)發(fā)生的反應(yīng)分別是(Ⅰ)Cu2(OH)2CO3eq\o(=,\s\up7(高溫))2CuO＋CO2↑＋H2OC＋2CuOeq\o(=,\s\up7(△))2Cu＋CO2↑，適用于①。(Ⅱ)Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu，適用于③。(Ⅲ)2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up7(高溫))Al2O3＋2Cr，適用于③。(Ⅳ)先從光鹵石中提取MgCl2，再電解熔融MgCl2，MgCl2eq\o(=,\s\up7(通電))Mg＋Cl2↑，適用于④。[基礎(chǔ)過(guò)關(guān)]題組一金屬的冶煉原理及方法1．從石器、青銅器到鐵器時(shí)代，金屬的冶煉體現(xiàn)了人類(lèi)文明的發(fā)展水平。如圖表示了三種金屬被人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的大致年限，之所以有先后主要取決于()A．金屬的導(dǎo)電性強(qiáng)弱 B．金屬在地殼中的含量多少C．金屬的化合價(jià)高低 D．金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱答案D解析由于人類(lèi)掌握科學(xué)知識(shí)的局限性，越活潑的金屬越難以冶煉，故發(fā)現(xiàn)年代越晚。2．工業(yè)上由含釩、鉻和錳的礦物冶煉難熔的金屬釩、鉻和錳，通常采用的方法是()A．碳還原法B．鋁熱法還原C．直接加熱法D．鹽的水溶液與活潑金屬置換法答案B解析釩、鉻、錳等難熔的金屬通常采用鋁熱反應(yīng)進(jìn)行冶煉。3．生物煉銅是利用某些具有特殊本領(lǐng)的微生物幫助我們從礦石中提取銅，這些“吃巖石的細(xì)菌”能利用空氣中的氧氣將不溶性的CuS轉(zhuǎn)化為可溶性的銅的化合物，這種可溶性的銅化合物是()A．碳酸銅 B．硝酸銅C．硫酸銅 D．氫氧化銅答案C解析此題考查了正在迅速發(fā)展的生物煉銅技術(shù)。生物煉銅是一項(xiàng)成本低、污染小、反應(yīng)簡(jiǎn)單、前景廣闊的新興煉銅技術(shù)，其利用“吃巖石的細(xì)菌”將不溶性的硫化銅轉(zhuǎn)化為可溶性硫酸銅，而使銅的冶煉變得簡(jiǎn)單。4．我國(guó)古代曾用火燒孔雀石和焦炭混合物的方法煉銅。孔雀石的主要成分是CuCO3·Cu(OH)2，這種冶煉銅的方法是()A．焦炭還原法 B．濕法煉銅C．鋁熱還原法 D．電解冶煉法答案A解析CuCO3·Cu(OH)2eq\o(=,\s\up7(△))2CuO＋CO2↑＋H2O，生成的CuO被焦炭還原生成Cu。題組二鐵、銅的冶煉5．下列情況下能通過(guò)置換反應(yīng)得到鐵的是()A．銅與氯化亞鐵溶液常溫下混合B．一氧化碳通過(guò)灼熱的三氧化二鐵C．氫氣通入硫酸亞鐵溶液D．鋁和四氧化三鐵混合加熱到高溫答案D6．用一定量的鐵與足量的稀硫酸及足量的CuO反應(yīng)制單質(zhì)銅，有人設(shè)計(jì)了以下兩種方案：①Feeq\o(→,\s\up7(H2SO4))H2eq\o(→,\s\up7(CuO))Cu②CuOeq\o(→,\s\up7(H2SO4))CuSO4eq\o(→,\s\up7(Fe))Cu若按實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行操作，則兩者制得單質(zhì)銅的量()A．一樣多 B．①多C．②多 D．無(wú)法判斷答案C解析方案①中，用H2還原CuO時(shí)，加熱前要先通H2，以排除裝置中的空氣，以防加熱時(shí)爆炸，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需繼續(xù)通一會(huì)兒H2，直到冷卻為止，以防止Cu重新被空氣中的O2氧化，因此，要制得1molCu需要的H2多于1mol，即需要的Fe多于1mol。故等量的Fe按方案②制得Cu的量多。7．氧化還原反應(yīng)廣泛應(yīng)用于金屬的冶煉。下列說(shuō)法不正確的是()A．電解熔融氯化鈉制取金屬鈉的反應(yīng)中，鈉離子被還原，氯離子被氧化B．濕法煉銅和火法煉銅的反應(yīng)中，銅元素都發(fā)生還原反應(yīng)C．用磁鐵礦煉鐵的反應(yīng)中，1molFe3O4被CO還原成Fe，轉(zhuǎn)移9mol電子D．鋁熱法還原鐵的反應(yīng)中，放出的熱量能使鐵熔化答案C解析用磁鐵礦煉鐵的化學(xué)方程式為Fe3O4＋4COeq\o(=,\s\up7(高溫))3Fe＋4CO2，當(dāng)1molFe3O4被還原時(shí)，轉(zhuǎn)移8mol電子。8．硅在自然界只以化合態(tài)形式存在，如鐵礦石中的硅主要以脈石(SiO2)的形式存在。煉鐵時(shí)為了除去脈石，向煉鐵高爐中加入石灰石。該過(guò)程不可能涉及的化學(xué)反應(yīng)是()A．CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaO＋CO2↑B．2FeO＋Sieq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋SiO2C．SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(高溫))SiC＋2CO↑D．CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3答案B解析高溫下石灰石首先分解產(chǎn)生CaO和CO2，生成的生石灰(堿性氧化物)可與SiO2(酸性氧化物)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)高爐造渣；生成的CO2可與碳反應(yīng)提供一部分還原劑CO。因無(wú)單質(zhì)硅，所以沒(méi)有B項(xiàng)所給的反應(yīng)發(fā)生。題組三金屬冶煉的有關(guān)計(jì)算9．在高溫下用一氧化碳還原mg四氧化三鐵得到ng鐵。已知氧的相對(duì)原子質(zhì)量為16，則鐵的相對(duì)原子質(zhì)量為()A.eq\f(21n,m－n) B.eq\f(64n,3m－3n)C.eq\f(m－n,32n) D.eq\f(24n,m－n)答案B解析設(shè)鐵的相對(duì)原子質(zhì)量為x，則Fe3O4＋4COeq\o(=,\s\up7(高溫))3Fe＋4CO23x＋643xmneq\f(3x＋64,3x)＝eq\f(m,n)，x＝eq\f(64n,3m－3n)。10．用足量的CO還原32.0g某種氧化物，將生成的氣體通入足量澄清石灰水中，得到60g沉淀，則該氧化物是()A．FeOB．Fe2O3C．CuOD．Cu2O答案B解析n(CaCO3)＝eq\f(60g,100g·mol－1)＝0.6mol，由于1molCO與氧化物反應(yīng)后變成1molCO2，奪取了氧化物中的1molO，故可知32.0g氧化物中含氧原子0.6mol，氧元素的質(zhì)量為9.6g，則氧化物中金屬元素的質(zhì)量為22.4g，兩元素質(zhì)量比為eq\f(22.4g,9.6g)＝eq\f(7,3)，故B正確。[能力提升]11．古代的“藥金”外觀與金相似，常被誤認(rèn)為是金子。其冶煉方法如下：將碳酸鋅、赤銅(Cu2O)、木炭按一定比例混合加熱到800℃，即得金光閃閃的“藥金”。(1)“藥金”的主要成分是____________(填化學(xué)式)。(2)有關(guān)冶煉的化學(xué)方程式是______________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)Cu、Zn(2)ZnCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))ZnO＋CO2↑、2ZnO＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))2Zn＋CO2↑、2Cu2O＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))4Cu＋CO2↑解析高溫下，ZnCO3分解生成ZnO和CO2，木炭將Cu2O、ZnO分別還原為Cu、Zn。12．工業(yè)上可采用多種方法煉銅。(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，將浸取液抽到地表，加入鐵屑制得銅。則該方法中冶煉銅的有關(guān)化學(xué)方程式為①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。(2)利用一氧化碳還原赤銅礦(Cu2O)冶煉銅。實(shí)驗(yàn)室可用如圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)硬質(zhì)玻璃管中的反應(yīng)結(jié)束時(shí)，應(yīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作是_________________________________________。(3)利用輝銅礦(Cu2S)冶煉銅的原理如下：Ⅰ.取一定質(zhì)量的Cu2S在空氣中高溫焙燒，完全反應(yīng)后生成一種銅的氧化物和二氧化硫；Ⅱ.再取上述一半質(zhì)量的Cu2S，與Ⅰ中生成的銅的氧化物混合均勻，隔絕空氣高溫煅燒，恰好完全反應(yīng)，生成銅和二氧化硫。結(jié)合質(zhì)量守恒定律，推斷這種銅的氧化物的化學(xué)式。答案(1)①Cu2(OH)2CO3＋2H2SO4=2CuSO4＋3H2O＋CO2↑②CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4(2)先停止加熱，繼續(xù)通一氧化碳，防止新生成的銅被再次氧化(3)Cu2O解析(1)Cu2(OH)2CO3與稀硫酸反應(yīng)生成CuSO4、CO2和H2O，化學(xué)方程式為Cu2(OH)2CO3＋2H2SO4=2CuSO4＋3H2O＋CO2↑；加入鐵屑后，鐵和硫酸銅發(fā)生置換反應(yīng)生成銅和硫酸亞鐵，化學(xué)方程式為CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4。(2)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，先停止加熱，繼續(xù)通一氧化碳，直至試管冷卻，防止新生成的銅被再次氧化。(3)設(shè)n(Cu2S)＝1mol，反應(yīng)生成的銅的氧化物為CuxOy。由題意和Cu原子守恒可知，Cu2S→eq\f(2,x)CuxOy，eq\f(1,2)Cu2S＋eq\f(2,x)CuxOyeq\o(=,\s\up7(高溫))3Cu＋eq\f(1,2)SO2，由O原子守恒，eq\f(2y,x)＝1，則x∶y＝2∶1，即該銅的氧化物為Cu2O。13．堿式碳酸銅可表示為xCuCO3·yCu(OH)2·zH2O，測(cè)定堿式碳酸銅組成的方法有多種。(1)現(xiàn)采用氫氣還原法，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：①寫(xiě)出xCuCO3·yCu(OH)2·zH2O與氫氣反應(yīng)的化學(xué)方程式：___________________________。②實(shí)驗(yàn)裝置用下列所有儀器連接而成，按氫氣氣流方向的連接順序是(填入儀器接口字母編號(hào))：(a)→()()→()()→()()→()()→()()→(l)③稱(chēng)取24.0g某堿式碳酸銅樣品，充分反應(yīng)后得到12.8g殘留物，生成4.4g二氧化碳和7.2g水。該樣品的結(jié)晶水質(zhì)量為_(kāi)_______g，化學(xué)式為_(kāi)___________________________________。(2)某同學(xué)以氮?dú)獯鏆錃猓⒂蒙鲜鋈炕虿糠謨x器來(lái)測(cè)定堿式碳酸銅的組成，你認(rèn)為是否可行？請(qǐng)說(shuō)明理由：_____________________________________________________________。答案(1)①xCuCO3·yCu(OH)2·zH2O＋(x＋y)H2eq\o(=,\s\up7(△))(x＋y)Cu＋xCO2＋(x＋2y＋z)H2O②jkgf(或hi)de(或ed)hi(或gf)bc(或cb)③1.8CuCO3·Cu(OH)2·H2O(2)可以。根據(jù)反應(yīng)xCuCO3·yCu(OH)2·zH2Oeq\o(=,\s\up7(△))(x＋y)CuO＋xCO2↑＋(y＋z)H2O，依據(jù)堿式碳酸銅樣品、CuO、CO2和H2O質(zhì)量(或其中任意三個(gè)量)，即可計(jì)算出其組成解析(1)①應(yīng)用原子守恒正確地寫(xiě)出xCuCO3·yCu(OH)2·zH2O與氫氣反應(yīng)的化學(xué)方程式；②根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)裝置可知，該實(shí)驗(yàn)要測(cè)定生成的水、二氧化碳的量，而從a出來(lái)的氫氣中含有水蒸氣和揮發(fā)出的氯化氫氣體，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有干擾，故應(yīng)先用水吸收氯化氫，再用濃硫酸吸收水蒸氣，再通入堿式碳酸銅發(fā)生反應(yīng)，而產(chǎn)生的兩種氣體應(yīng)先用濃硫酸吸收水蒸氣，再用U形管中的堿石灰吸收產(chǎn)生的二氧化碳，同時(shí)要連上裝有堿石灰的球形干燥管，避免空氣中的水蒸氣和二氧化碳進(jìn)入U(xiǎn)形管而產(chǎn)生誤差；③根據(jù)所給數(shù)據(jù)可計(jì)算出生成的Cu、CO2、H2O的物質(zhì)的量分別是0.2