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1、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
2、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
3、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+Fe2O3 2Fe+3CO2。 (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、CO2、SO2、NO2,炉渣有 CaSiO3和少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2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
4、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Al2O3)。 2.从铝土矿中获得Al2O3的过程(用化学方程式表示) 3.从Al2O3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(Na3AlF6)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:
5、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。
6、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SiO2): 一二 (2)实验方案二及步骤。 加足量NaOH溶液并过滤(除去Fe2O3): 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(Na3AlF6)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O2与阳极碳块反应产生CO2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66
7、0 ,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(SiO2),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
8、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,CaCO3 CaO+CO2,CaO+SiO2 CaSiO3 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CO2,CO2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
9、 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NaAlCl4,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Al2O3,另含有 Fe2O3),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
10、子,可以得到铝 g。 (4)电解时加入冰晶石(Na3AlF6)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)Al2O3熔点很高,不易熔化,而Na3AlF6易熔化,Al2O3可溶 解于液态Na3AlF6中。故冰晶石的作用是降低Al2O3的熔化温度。 (5)Al的密度大于Al2O3和Na3AlF6的混合熔
11、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O2反应生成CO2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)Fe2O3 (3)2Al2O3 4Al+3O2 9 (4)降低Al2O3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
12、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SiO2),加入CaO可生成 CaSiO3炉渣,CaO还可以作脱硫剂。 答案：AD
