聚焦金属的冶炼

刘洪军

一、金属冶炼的一般步骤

1.富集：除去金属矿石中的杂质，提高矿石中有用成分的含量。

2.冶炼：利用氧化还原反应基本原理，用还原剂把矿石中的金属离子还原成金属单质。

3.精炼：提纯金属。

例1下列有关金属的工业制法中正确的是（）。

A.制取金属钛：利用置换反应，用金属钠置换氯化钛（TiCl4）溶液中的金属钛

B.制取金属铁：用焦炭和空气反应产生的CO，再利用CO在高温下还原铁矿石中铁的氧化物

C.制取金属钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净、饱和的NaCl溶液

D.制取金属铜：对黄铜矿进行电解精炼得到纯度为99.9%的精铜

解析A中不能用TiCl4溶液，要用熔融态的TiCl4；电解NaCl溶液得到NaOH、Cl2和H2；电解法精炼铜的原料是粗铜。答案：B

二、金属冶炼的方法（见表1）

例2下列制备金属单质的方法或原理正确的是（ ）。

A.制备单质Mg：在高温条件下，用H2还原MgO

B.制备单质Al：在通电条件下，电解熔融Al2O3

C.制备单质Na：在通电条件下，电解饱和食盐水

D.制备单质Cu：CuO在高温条件下分解

解析Mg的活泼性强，不能用H2还原法制备Mg，而是用电解熔融MgCl2的方法制备，电解饱和食盐水得到NaOH而不是Na；CuO强热分解生成Cu2O而不是Cu。答案：B

三、金属冶炼的工艺流程

金属冶炼的工艺流程就是将金属制备的生产过程中的主要生产阶段以框图的形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问，形成与化工生产紧密联系的化工工艺试题。中学阶段涉及的金属冶炼主要包括从铝土矿中冶炼铝、从海水中提取镁、从黄铜矿中冶炼铜。

（1）从铝土矿中冶炼铝的工艺流程如图1所示：

（2）从海水中提取镁的工艺流程如图2所示：

（3）由黄铜矿冶炼铜的工艺流程如图3所示：

例3工业上由黄铜矿（主要成分CuFeS2）冶炼铜的主要流程如图4所示：

（1）由泡铜冶炼粗铜的化学反应方程式为。

（2）进行粗铜（含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质）的电解精炼（以CuSO4溶液为电解质溶液）。下列说法正确的是。

a.电能全部转化为化学能 b.粗铜接电源正极，发生氧化反应

c.溶液中Cu2+向阳极移动 d.利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属

解析（1）图示中可利用铝热反应由泡铜冶炼粗铜。（2）电解精炼铜的过程中电能转变为化学能的同时，部分电能转化为热能，a错；电解精炼铜时，粗铜作阳极，与电源正极相连，发生氧化反应，b对；电解过程中Cu2+向阴极移动，c错；粗铜中Ag、Pt、Au放电能力比铜弱，形成阳极泥，可以回收，d对。

答案：（1）3Cu2O+2Al高温Al2O3+6Cu （2）b、d

例4Ⅰ.从铝土矿中提取氧化铝的流程如图5所示：（铝土矿的主要杂质为Fe2O3、Al2O3、SiO2和一些不溶性杂质）

（1）试剂A是；溶液b与试剂B反应的离子方程式为。

（2）加入NaOH溶液进行的反应的离子方程式为、，向溶液a中通入过量的CO2，将得到的不溶物煅烧后也可得到Al2O3，该方案的缺点是。

Ⅱ.电解熔融的氧化铝可制备金属铝

（3）写出电解的化学方程式。每生产

0.27 t铝，理论上转移电子的物质的量为mol。

解析铝土矿与碱液反应时，氧化铝、二氧化硅溶解，而氧化铁是滤渣a的主要成分；滤液里加入过量强酸。（盐酸或硫酸），硅酸沉淀不溶，滤出为滤渣b，溶液b的主要成分为Al3+溶液。向滤液b中加入过量的氨水，析出氢氧化铝（滤渣c），将滤渣c加热脱水可得氧化铝。（2）向溶液a中通入过量的CO2，形成的滤渣中将有两种物质：硅酸及氢氧化铝，加热后得到的Al2O3中含有SiO2杂质。（3）2Al2O3（熔融）通电4Al+3O2↑中有12个电子转移。

答案：Ⅰ.（1）盐酸（硫酸或硝酸） Al3++3NH3·H2OAl（OH）3↓+3NH+4（2）Al2O3+2OH-2AlO-2+H2OSiO2+2OH-SiO2-3+H2OAl2O3中含有SiO2杂质

Ⅱ.（3）2Al2O3（熔融）通电4Al+3O2↑3×104

例5据世界化学史记载，金属铝是在1825年被英国化学家戴维制得的。天然铝土矿的氧化铝含量为50%～70%，杂质主要为SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O等，而工业上电解氧化铝要求其纯度不得低于98.2%，工业生产铝锭的工艺流程示意图如图6所示：

一些氢氧化物沉淀的pH见表2。

请回答下列问题：

（1）实验室进行步骤④的操作名称为。

（2）固体A的化学式为，物质C为。

（3）步骤④调节pH的范围为。

（4）步骤⑥反应的化学方程式为。

解析本题以工业生产铝锭的工艺流程为背景，考查内容包括pH的选择、过滤操作、常见金属元素及其化合物的主要性质等。SiO2是酸性氧化物不与盐酸反应，进行过滤操作（步骤②），得到固体A是SiO2；加入NaOH溶液，调节pH使Fe3+沉淀，步骤④是过滤得到氢氧化铝沉淀。步骤④为使Al3+完全沉淀，而Mg2+不能产生沉淀，需调节溶液的pH在5.2～10.4之间。

答案：（1）过滤（2）SiO2NaOH溶液（3）5.2

（收稿日期：2016-01-12）