高中化學(xué)專題二從自然資源到化學(xué)品第四單元鎂和鋁的冶煉學(xué)案選修.docx

第四單元鎂和鋁的冶煉1了解如何根據(jù)元素在自然界的存在狀態(tài)和性質(zhì)來開發(fā)、利用自然資源。2了解從海水中提取氯化鎂、從鋁土礦中提取氧化鋁的方法，以及獲得金屬鎂、鋁的基本原理。3通過學(xué)習(xí)活動提高學(xué)習(xí)能力、交流合作能力和分析、解決實(shí)際問題的能力。法國皇帝拿破侖三世，為顯示自己的富有和尊貴，命令官員給自己打造了一頂鋁皇冠。他戴上鋁皇冠，神氣十足地接受百官的朝拜。在宴請賓客時，拿破侖三世使用了一套珍藏的鋁制餐具，而大臣們使用的是金或銀制餐具。門捷列夫創(chuàng)建了元素周期表，受到英國皇家學(xué)會的表彰，獎品是一只鋁制獎杯。思考：為什么當(dāng)時的鋁很貴？提示：鋁在地殼中都以化合態(tài)形式存在，如氧化鋁等。在19世紀(jì)中期鋁冶煉的困難導(dǎo)致了鋁價格的昂貴，甚至超過了黃金，但現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)熟練地掌握了較好的冶煉鋁的方法，鋁的價格大大降低，走進(jìn)了我們普通百姓的家。一、從海水中提取鎂1氯化鎂的提取(1)可以將海邊大量存在的貝殼煅燒成石灰，再制成石灰乳，將石灰乳加入到海水中，可得到沉淀物氫氧化鎂，有關(guān)反應(yīng)方程式為CaCO3CaOCO2，CaOH2O=Ca(OH)2，MgCl2Ca(OH)2=CaCl2Mg(OH)2。(2)濾出氫氧化鎂沉淀，加入鹽酸轉(zhuǎn)化為氯化鎂溶液，濃縮得到水合晶體(MgCl26H2O)，有關(guān)反應(yīng)方程式：Mg(OH)22HCl=MgCl22H2O，MgCl26H2O=MgCl26H2O。(3)氯化鎂的水合晶體在充滿氯化氫氣體的設(shè)備中加熱脫水得到無水氯化鎂。反應(yīng)方程式為MgCl26H2OMgCl26H2O。2氯化鎂的電解用惰性電極作陽極，電解熔融的氯化鎂得到金屬鎂，反應(yīng)方程式為MgCl2MgCl2。思考：實(shí)際生產(chǎn)中，氯化鎂的水合晶體加熱脫水的過程在充滿氯化氫氣體的設(shè)備中進(jìn)行。為什么在這種條件下可以得到無水氯化鎂？提示：因?yàn)镸gCl2屬于強(qiáng)酸弱堿鹽，能發(fā)生水解轉(zhuǎn)化為堿式氯化鎂Mg(OH)Cl，化學(xué)方程式為MgCl2H2OMg(OH)ClHCl。在充滿氯化氫氣體的環(huán)境中，氯化氫分子濃度大，使水解平衡向逆向移動，抑制了MgCl2的水解，從而加熱脫水可得到無水氯化鎂。二、鋁的冶煉1制備純度較高的氧化鋁(1)鋁元素的含量占地殼中元素總量的7.45%，是地殼中含量最多的金屬元素。鋁在地殼中主要以鋁土礦的形式存在。要從鋁土礦中提取鋁，首先必須制備純度較高的氧化鋁。(2)原料：鋁土礦。(3)制備過程：先要除去鋁土礦中的氧化鐵、二氧化硅等雜質(zhì)。在工業(yè)上可以使用濃氫氧化鈉溶液來處理鋁土礦得到偏鋁酸鈉溶液，在得到的偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳，析出氫氧化鋁沉淀，加熱分解氫氧化鋁，就得到純度較高的氧化鋁。主要方程式有：Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3，2Al(OH)3Al2O33H2O。2電解冶煉鋁單質(zhì)鋁的活潑性較強(qiáng)，只能采用電解熔融氧化鋁的方法冶煉。而氧化鋁的熔點(diǎn)很高，冶煉鋁的生產(chǎn)能耗很大。所以在熔融氧化鋁中添加了冰晶石，在較低的溫度下得到熔融氧化鋁冰晶石的熔融體，降低了煉鋁的能耗。反應(yīng)方程式為2Al2O34Al3O2。一、從海水中提取鎂鎂是活潑的金屬，不宜用熱還原法制取，一般采用電解熔融MgCl2的方法。MgCl2主要存在于海水和光鹵石中，所以制取MgCl2的途徑是在海水或光鹵石中加入熟石灰，使Mg(OH)2析出：MgCl2Ca(OH)2=Mg(OH)2CaCl2，再用鹽酸溶解Mg(OH)2，然后將溶液濃縮，得到MgCl2晶體，將晶體在HCl氣體的氛圍中加熱除去結(jié)晶水，即得無水MgCl2。然后電解熔融的MgCl2，MgCl2MgCl2，就可得到金屬鎂。工業(yè)提取鎂的流程圖：二、鋁的冶煉1鋁土礦的主要成分：Al2O3(含F(xiàn)e2O3、SiO2)，怎樣從鋁土礦中獲得純凈的氧化鋁？實(shí)驗(yàn)方案一及步驟：(1)加足量HCl溶液并過濾(除去SiO2)：Al2O36H=2Al33H2OFe2O36H=2Fe33H2O(2)加足量NaOH并過濾除去Fe(OH)3：Al34OH=AlO2H2OFe33OH=Fe(OH)3(3)通足量CO2并過濾保留Al(OH)3：AlOCO22H2O=Al(OH)3HCO(4)煅燒：2Al(OH)3Al2O33H2O流程圖為：實(shí)驗(yàn)方案二及步驟：(1)加足量NaOH溶液并過濾(除去Fe2O3)：Al2O32OH=2AlOH2OSiO22OH=SiOH2O(2)加足量鹽酸并過濾(除去H2SiO3)：AlO4H=Al32H2O(3)通足量NH3并過濾保留Al(OH)3：Al33NH3H2O=Al(OH)33NH(4)煅燒：2Al(OH)3Al2O33H2O流程圖為：2電解過程：陰極(和電源負(fù)極相連)：4Al312e=4Al陽極(和電源正極相連)：6O212e=3O2在高溫下，陽極產(chǎn)生的氧氣會跟碳電極發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，所以在電解中要定時補(bǔ)充碳塊。鋁的熔點(diǎn)是660 ，電冶鋁反應(yīng)的溫度是1 000 左右。所以電解生成的鋁呈液態(tài)，從電解裝置的底部流出。知識點(diǎn)1 鎂的提取【例題1】海水是一種豐富的資源，工業(yè)上從海水中可提取許多種物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、科技等方面。下圖是某工廠對海水資源進(jìn)行綜合利用的示意圖。回答下列問題：(1)流程圖中操作a的名稱為_。(2)工業(yè)上從海水中提取的NaCl，可用來制取純堿，其簡要過程如下：向飽和食鹽水中先通入氣體A，后通入氣體B，充分反應(yīng)后過濾得到晶體C和濾液D，將晶體C灼燒即可制得純堿。氣體A、B是CO2或NH3，則氣體A應(yīng)是_(填化學(xué)式)。濾液D中主要含有NH4Cl、NaHCO3等物質(zhì)，工業(yè)上是向?yàn)V液D中通入NH3，并加入細(xì)小食鹽顆粒，冷卻析出不含有NaHCO3的副產(chǎn)品NH4Cl晶體，則通入NH3的作用是_。(3)鎂是一種用途很廣的金屬材料，目前世界上60%的鎂從海水中提取。若要驗(yàn)證所得無水MgCl2中不含NaCl，最簡單的操作方法是_。操作b是在_氛圍中進(jìn)行，若在空氣中加熱，則會生成Mg(OH)Cl，寫出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式：_。解析：本題是實(shí)驗(yàn)流程題，考查海水中提取金屬鎂。(1)將海水蒸發(fā)結(jié)晶得到粗鹽，在提取粗鹽后的母液中主要含有的是Mg2。(2)先通氨氣的原因是氨氣易溶于水，CO2微溶于水，若先通CO2，則影響產(chǎn)率；從平衡的角度去分析，增加NH的濃度，有利于沉淀平衡向生成NH4Cl的方向進(jìn)行，將NaHCO3轉(zhuǎn)化為Na2CO3而不析出。(3)采用焰色反應(yīng)來檢驗(yàn)；HCl的作用是防止MgCl2的水解。答案：(1)蒸發(fā)結(jié)晶(或蒸發(fā))(2)NH3增加NH的濃度，有利于沉淀平衡向生成NH4Cl的方向進(jìn)行，將NaHCO3轉(zhuǎn)化為Na2CO3而不析出(3)用鉑絲蘸取少量固體，置于酒精燈火焰上灼燒，若無黃色火焰產(chǎn)生，則證明所得無水氯化鎂晶體中不含氯化鈉(答焰色反應(yīng)也可)HCl(氣流)MgCl26H2OMg(OH)ClHCl5H2O點(diǎn)撥：本題是工業(yè)流程題，讀懂流程是關(guān)鍵。從流程中找到實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，正確分析每一個實(shí)驗(yàn)步驟，題中涉及粗鹽的提取、制堿工業(yè)、鎂的提取等，是一道綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)流程題。知識點(diǎn)2 鋁的冶煉【例題2】鋁和氫氧化鉀都是重要的工業(yè)產(chǎn)品。請回答：(1)工業(yè)上冶煉鋁的化學(xué)方程式是_。(2)鋁與氫氧化鉀溶液反應(yīng)的離子方程式是_。(3)工業(yè)品氫氧化鉀的溶液中含有某些含氧酸根雜質(zhì)，可用離子交換膜法電解提純。電解槽內(nèi)裝有陽離子交換膜(只允許陽離子通過)，其工作原理如圖所示。該電解槽的陽極反應(yīng)式是_。通電開始后，陰極附近溶液pH會增大，請簡述原因：_。除去雜質(zhì)后的氫氧化鉀溶液從液體出口_(填“A”或“B”)導(dǎo)出。解析：(1)金屬鋁的冶煉是電解熔融Al2O3。(2)鋁與強(qiáng)堿反應(yīng)放出氫氣生成偏鋁酸鹽。(3)結(jié)合題中給出的信息提示進(jìn)行解題。溶液中存在陰離子為OH和含氧酸根，應(yīng)是OH先放電。溶液中存在的陽離子為K和H，應(yīng)是H先放電。在陰極由于H放電，H不斷減少，水的電離平衡向正反應(yīng)方向移動，OH濃度增大，pH增大。K可通過陽離子交換膜流向B口，B口的OH不斷增多，但無法通過陽離子交換膜，故氫氧化鉀溶液從B口導(dǎo)出。答案：(1)2Al2O34Al3O2(2)2Al2OH2H2O=2AlO3H2(3)4OH4e=2H2OO2H放電，促進(jìn)水的電離，OH濃度增大B點(diǎn)撥：本題綜合考查了金屬鋁的冶煉，鋁與強(qiáng)堿溶液的反應(yīng)，以及有關(guān)電解、水解的知識，綜合性較強(qiáng)，需做好知識與解題能力的銜接，方能從容解決這類題目。1冶煉金屬一般有以下四種方法：焦炭法；水煤氣法(或氫氣、一氧化碳法)；活潑金屬置換法；電解法。四種方法在工業(yè)上均有應(yīng)用。古代有：()火燒孔雀石煉銅Cu2(OH)2CO3，()濕法煉銅；現(xiàn)代有：()鋁熱法煉鉻，()從光鹵石(KClMgCl26H2O)中煉鎂。下列對應(yīng)關(guān)系不正確的是()。A B C D解析：本題難點(diǎn)是涉及一些化學(xué)史的知識。(1)火燒孔雀石煉銅是用樹木煅燒孔雀石，孔雀石分解后產(chǎn)生CuO，樹木變成焦炭后還原CuO得到Cu。Cu2(OH)2CO32CuOH2OCO2，2CuOC2CuCO2符合(2)濕法煉銅是我國西漢時期用鐵從銅的化合物溶液中置換出銅。FeCu2=Fe2Cu符合(3)鋁熱法煉鉻：2AlCr2O32CrAl2O3符合(4)從光鹵石中煉鎂是先從光鹵石中得到MgCl2，再電解熔融MgCl2，得到Mg。MgCl2MgCl2符合答案：B2蛇紋石礦可以看作由MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2組成。由蛇紋石制取堿式碳酸鎂的實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)蛇紋石礦加鹽酸溶解后，溶液里除了Mg2外，還含有的金屬離子是_。(2)進(jìn)行操作時，控制溶液pH78(有關(guān)氫氧化物沉淀的pH見下表)。氫氧化物Fe(OH)3Al(OH)3Mg(OH)2開始沉淀pH1.53.39.4Ca(OH)2不能過量，若Ca(OH)2過量可能會導(dǎo)致_溶解、_沉淀。(3)從沉淀混合物A中提取紅色氧化物作顏料，先向沉淀物A中加入_(填物質(zhì)的化學(xué)式)，然后_(依次填寫實(shí)驗(yàn)操作名稱)。(4)物質(zhì)循環(huán)使用，能節(jié)約資源。上述實(shí)驗(yàn)中，可以循環(huán)使用的物質(zhì)是_(填物質(zhì)的化學(xué)式)。(5)現(xiàn)設(shè)計(jì)一個實(shí)驗(yàn)，確定產(chǎn)品aMgCO3bMg(OH)2cH2O中a、b、c的值，請完善下列實(shí)驗(yàn)步驟(可用試劑：濃硫酸、堿石灰)：樣品稱量；高溫分解；_；_；MgO稱量。(6)18.2 g產(chǎn)品完全分解后，產(chǎn)生6.6 g CO2和8.0 g MgO，由此可知，產(chǎn)品的化學(xué)式中：a_，b_，c_。解析：(1)由蛇紋石的組成可知，與鹽酸反應(yīng)所得溶液中除含有Mg2外，還應(yīng)含有Fe3、Al3等。(2)由于Ca(OH)2堿性強(qiáng)，所以其過量時Al(OH)3會溶解，由表中所給氫氧化物開始沉淀的pH可知，Ca(OH)2過量時Mg(OH)2會沉淀。(3)由操作流程可知沉淀物A為Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物，故要得到Fe2O3，需先將其中的Al(OH)3溶解并分離出去。即先加入NaOH或Ca(OH)2，然后