高中化学第三单元化学与材料的发展3.2.1从矿石中获得金属.ppt

课题,2,金属材料,第,1,课时从矿石中获得金属,1,.,会运用金属冶炼的原理,能根据金属活动性的不同选用不同的冶炼方法。,2,.,能说出生铁的冶炼与炼钢原理的区别。,3,.,通过对铝的生产流程的讨论,进一步掌握氧化铝和氢氧化铝的两性以及电解氧化铝的反应原理。,一,二,一、从矿石中获得金属,1,.,获得金属材料的过程,获得金属材料首先要通过化学方法把金属从,矿石,中提取出来,一般要经过,开采,和初步加工阶段,(,主要包括探矿、采矿、选矿等工序,),及,冶炼,阶段。,2,.,金属冶炼的原理,金属冶炼的原理是利用,氧化还原,反应将金属从其化合物中,还原,出来。,三,一,二,3,.,金属冶炼的方法,(1),火法冶金,:,是指利用高温从矿石中提取金属或其他化合物的冶金方法。,(2),湿法冶金,:,是指在水溶液或非水溶液中进行包括,氧化还原,反应、中和反应、水解反应等,对原料,(,矿石、精矿等,),、中间产物或再生资源中的金属进行,提取,和分离的冶金过程。,三,一,二,从氧化物、碳酸盐、硫化物中冶炼金属有哪些不同,?,为什么,?,提示,以氧化物形式存在的金属矿石可直接用还原剂还原,如生铁的冶炼,;,以碳酸盐形式存在的金属矿石则可通过煅烧,(,在缺少空气条件下加热至高温但不使炉料熔化,),分解生成金属氧化物或金属,然后再将金属氧化物还原,;,以硫化物形式存在的金属矿石,由于低价硫的存在,所以先要焙烧,(,在有空气条件下加热至高温但不使炉料熔化,),生成金属氧化物或金属,然后再将金属氧化物还原。,三,一,二,二、钢铁的冶炼,1,.,生铁的冶炼,(1),常见铁矿石名称及主要成分,:,(2),原理,:,在高温下用,还原剂,将铁从其氧化物中,还原,出来。以赤铁矿为例,用化学方程式表示为,:3CO+Fe,2,O,3,2Fe+3CO,2,。,(3),原料,:,铁矿石,、焦炭、石灰石、空气。,(4),石灰石的作用,:,除去脉石,有关化学方程式为,:,(5),设备,:,炼铁高炉。,三,一,二,高炉炼铁产生的废气、废渣的成分是什么,?,提示,高炉炼铁中产生的废气有,CO,、,CO,2,、,SO,2,、,NO,2,炉渣有,CaSiO,3,和少量含,C,、,P,、,S,、,Si,、,Mn,的化合物及,SiO,2,等。,按照化工生产的一般过程,在炼铁过程的实际生产中必须考虑哪些因素,?,提示,从反应原理、生产中原料的选择、反应条件的控制、三废的处理和能量的充分利用等方面考虑生铁冶炼中的一些问题。,三,一,二,2,.,钢的冶炼,(1),原理,:,在高温下用,氧化剂,将生铁中过多的碳和其他杂质,氧化,成气体或炉渣除去,再添加硅、锰、铝等其他合金作为脱氧剂,调整钢水的成分。,(2),原料,:,炼铁厂的铁水,或,废钢铁,。,(3),主要的反应,:,三,一,二,三,三、铝的冶炼,1,.,原料,主要来自,铝土矿,(,主要成分是,Al,2,O,3,),。,2,.,从铝土矿中获得,Al,2,O,3,的过程,(,用化学方程式表示,),3,.,从,Al,2,O,3,中获得,Al,电解冶炼铝,(1),装置,铝电解槽。,电解质是,氧化铝,冰晶石,(Na,3,AlF,6,),熔融液,其中也常加入少量的氟化钙等帮助,降低熔点,。,电极材料,:,阳极和阴极都以,碳素,材料做成。,一,二,三,(2),化学反应。,回忆金属冶炼有哪些常用方法,?,如何选择金属冶炼方法,?,提示,金属冶炼常用方法有热分解法、热还原法、电解法等。选择金属冶炼方法要考虑金属活动性及经济效益、技术、环保等因素。金属冶炼方法的还原强度顺序,:,电解法,热还原法,热分解法,;,经济效益高低,:,热分解法,热还原法,电解法。,一,二,一、钢铁的冶炼,1,.,生铁和钢的比较,一,二,2,.,炼铁和炼钢的比较,一,二,一,二,特别提示,从炼铁高炉和炼钢炉中都排出炉气和炉渣,均是环境污染物。但炉渣可用于制造水泥和砖等建筑材料,炉气中的,CO,和大量热能都可回收利用。,实际生产中,控制氧及各种元素含量是炼钢中的一项关键技术。,一,二,二、铝的冶炼,1,.,从铝土矿中获得纯净的氧化铝实验方案,(1),实验方案一及步骤。,加足量,HCl,溶液并过滤,(,除去,SiO,2,):,一,二,(2),实验方案二及步骤。,加足量,NaOH,溶液并过滤,(,除去,Fe,2,O,3,):,一,二,2,.,电解氧化铝炼铝,(1),氧化铝熔点很高,直接电解要消耗大量电能。在实际生产中要加入冰晶石使它的熔点降低,冰晶石,(Na,3,AlF,6,),的作用是作为助熔剂,其中也常加入少量的氟化钙等帮助降低熔点。,(2),高温下阳极产生的,O,2,与阳极碳块反应产生,CO,2,放出,所以在反应中需要及时更换阳极碳块。,(3),一次电解所得铝的纯度可达,99%,左右,若要提高纯度,则需要进行电解精炼。,(4),铝的熔点是,660,电解铝反应的温度是,1 000,左右,所以电解生成的铝呈液态,从电解装置的底部流出。,知识点,1,知识点,2,钢铁的冶炼,【例题,1,】,金属材料在人类社会中发挥着重要的作用,其冶炼过程离不开化学的支持。,铁是应用最广泛的金属,自远古时代人类就学会了炼铁,到目前为止,人类研制出很多炼铁的方法。某研究性学习小组查阅了工业炼铁的有关资料后,发现目前多采用高炉炼铁这种主流方法,其生产示意图如下,请回答下列问题,:,知识点,1,知识点,2,知识点,1,知识点,2,(1),已知铁矿石中有一些难熔化的脉石,(SiO,2,),在铁矿石中加入一定比例的石灰石就是为了除去这些脉石,形成的物质就是炉渣的主要成分,请写出有关化学方程式,:,。,(2),铁矿石中加入一定比例的焦炭的目的是生成还原剂,CO,请写出得到,CO,的化学方程式,:,。,(3),热空气从高炉下部通入,而炉料从高炉顶部投入,这样操作的主要目的是,。,知识点,1,知识点,2,解析：,(1),高温下,CaCO,3,CaO+CO,2,CaO+SiO,2,CaSiO,3,达到除去脉石的目的。,(2),高炉内焦炭在进风口与热空气反应,先生成,CO,2,CO,2,气体上升再与炽热的焦炭反应生成,CO,。,(3),固体下落,热空气上升,使固体颗粒与气体充分接触,反应充分,是利用了逆流原理。,(3),使炉料和热空气充分接触,使反应得以顺利进行,且有利于热交换,使热能得以充分利用,知识点,1,知识点,2,铝的冶炼,【例题,2,】,铝是地壳中含量最多的金属元素,1854,年法国冶金学家戴维尔用金属钠还原,NaAlCl,4,获得了金属铝单质。,1886,年,美国人霍尔和法国人埃鲁,分别独立地电解熔融的氧化铝和冰晶石的混合物,制得了金属铝,奠定了今天大规模生产铝的基础。,工业生产金属铝的原料是铝土矿,(,主要成分为,Al,2,O,3,另含有,Fe,2,O,3,),工业中得到较纯氧化铝的过程如图所示,:,知识点,1,知识点,2,请回答下列问题,:,(1),操作,是一种重要的混合物分离方法,实验室进行该项操作用到的玻璃仪器有烧杯、,、,。,(2),经分析不溶物,A,的主要成分为,。,(3),工业上电解炼铝的化学方程式为,若电路中通过,1,mol,电子,可以得到铝,g,。,(4),电解时加入冰晶石,(Na,3,AlF,6,),的作用是,。,(5),电解生成的金属铝是在熔融液的,(,填,“,上层,”,或,“,下层,”),。,(6),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,”),。,(7),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,知识点,1,知识点,2,解析：,(4)Al,2,O,3,熔点很高,不易熔化,而,Na,3,AlF,6,易熔化,Al,2,O,3,可溶解于液态,Na,3,AlF,6,中。故冰晶石的作用是降低,Al,2,O,3,的熔化温度。,(5)Al,的密度大于,Al,2,O,3,和,Na,3,AlF,6,的混合熔融液的密度,故在下层。,(6),两极材料均用高熔点、性质稳定的石墨制作,因阳极上生成氧气,高温下石墨会与,O,2,反应生成,CO,2,而消耗。,(7),单质铝来之不易,(,高耗能,),故回收铝最好是熔化铸成铝锭再作为原料使用,减少铝在冶炼过程中的能耗。,答案：,(1),玻璃棒漏斗,(2)Fe,2,O,3,(3)2Al,2,O,3,4Al+3O,2,9,(4),降低,Al,2,O,3,的熔化温度,(5),下层,(6),石墨棒阳极,(7)c,1 2 3 4,1,下列有关生铁炼钢的叙述错误的是,(,),A.,添加必要的元素,改善钢材的组织结构和性能,B.,适当降低生铁中的含碳量,除去大部分硫、磷等杂质,C.,加入硅、锰、铝等合金元素调整成分并脱去钢水中的氧,D.,除去生铁中的非金属元素,解析：,选项,A,正确,如添加镍、铬等金属可以防腐,;,选项,B,正确,将生铁炼成钢的过程就是一个降碳、除大部分硫、磷的过程,;,选项,C,正确,在炼钢结束时加入硅、锰、铝等合金元素调整成分并脱去钢水中的氧,;,选项,D,不正确,钢仍然是合金,其中肯定有碳、硅等非金属元素。,答案：,D,1 2 3 4,2,下列有关铝土矿综合利用的说法中,正确的是,(,),A.,铝土矿提炼铝时只能用,NaOH,溶液溶解铝土矿,不能用酸溶液,B.,铝土矿只能提取铝,C.,用铝土矿提取铝的过程中无有毒气体产生,所以炼铝不会对环境造成任何污染,D.,铝土矿提取铝的过程不涉及置换反应,答案：,D,1 2 3 4,3,(,双选,),在炼钢时,下列作用与所加生石灰有关的是,(,),A.,钢渣的生成,B.,降低含碳量,C.,调整合金元素的含量,D.,除去脉石,解析：,铁矿石中含有脉石,(,主要成分是,SiO,2,),加入,CaO,可生成,CaSiO,3,炉渣,CaO,还可以作脱硫剂。,答案：,AD,1 2 3 4,4,在冶金工业上,常用电解法得到,Na,、,Mg,、,Al,等金属,其主要原因是,(,),A.,这些金属的化合物熔点低,B.,它们都是轻金属,C.,它们的性质很活泼,D.,此方法成本低,解析：,Na,、,Mg,、,Al,性质活泼,很难找到合适的还原剂制取单质。,答案：,C,