2从铝土矿中提取铝【学习目标】1、了解铝元素在自然界中的主要存在形式，以及从铝土矿冶炼铝的方法。2、了解金属冶炼的一般原理【知识介绍】铝元素广泛大量存在于自然界。地壳中，铝是含量最多的金属元素，大约占地壳总质量的7.73%，主要存在于粘土（Al2O3·2SiO2·2H2O）及各种岩石中（长石：KAlSi3O8、云母：K2H4Al6Si6O24、矾石KAl(SO4)2等），许多宝石也是含铝的化合物，如红宝石、蓝宝石的成分是结晶状的Al2O3（含有特殊的杂质）、猫眼是BeAl2O4，翡翠是NaAlSi2O6等。铝土矿是是铝元素在地壳中存在的主要形式之一，是我们工业制铝的主要原料。【知识体系】铝土矿的主要成分是________________，所含的主要杂质有_________和_________。氧化铝的熔点很高（2054℃），质轻，常用作耐火材料。【问题探究】阅读课本中图3-2《从铝土矿制备铝的工艺流程》以及下面一段课文，你能说出工艺流程中每一步的原理吗？相关的化学反应方程式又是哪些？【知识体系】1．工业上用电解氧化铝的方法生产金属铝，反应的化学方程式是_____________________。氧化铝的熔点很高（2072℃），在生产中要加适量的___________，以降低氧化铝的熔融温度。（如何制得纯净的Al2O3呢？我们先来学习铝土矿中几种主要成分的性质）2．能与碱反应生成盐和水的氧化物称为______性氧化物，例如__________________等，它们一般是_________(填“金属”或“非金属”)氧化物；能与酸反应生成盐和水的氧化物称为______性氧化物，例如__________________等，它们一般是_________(填“金属”或“非金属”)氧化物。3．Al2O3既能和酸反应生成盐和水，也能和碱反应生成盐和水，这样的氧化物称______氧化物。请写出Al2O3与氢氧化钠溶液和稀硫酸反应的化学方程式：__________________________________________________________________________4．偏铝酸钠溶液的性质（1）偏铝酸钠溶液中慢慢滴加盐酸至过量的情况（2）偏铝酸钠溶液通入过量CO2气体将生成什么物质？5．小结从铝土矿制备铝的工艺流程，并写出相关的方程式【课堂反馈】A、B、C、D、E五种物质的转化关系如下所示，A溶液的灼烧火焰呈黄色。(1)各物质的化学式分别是A__________，B__________，C_________，D__________。(2)写出离子方程式。A→D：_______________________________________。B→E：_______________________________________。【课外练习】一、选择题1．在硫酸铝、硫酸钾和明矾的混合溶液中，如果c(SO42－)＝0.2mol·L－1，当加入等体积的0.2mol·L－1KOH溶液时，生成沉淀恰好完全溶解。则原混合物中K+的物质的量浓度是A．0.2mol/LB．0.25mol/LC．0.45mol/LD．0.225mol/L*2．等体积、等物质的量浓度的稀硫酸、氢氧化钠溶液分别放在甲、乙两烧杯中，各加等质量的铝，生成氢气的体积比为5∶6，则甲、乙两烧杯中的反应情况可能是A．甲、乙都是铝过量B．甲中铝过量，乙中碱过量C．甲中酸过量，乙中铝过量D．甲中酸过量，乙中碱过量3．不用其他仪器和试剂，仅用试管和胶头滴管无法鉴别的两种溶液是A．Al2(SO4)3与KOHB．Na2CO3与HClC．NaCl与AgNO3D．H2SO4与Ba(OH)24．向下列溶液中通入少量CO2，没有沉淀生成的是A．NaAlO2溶液B．Ca(OH)2饱和溶液C．CaCl2溶液D．漂白粉溶液5．要使A1Cl3溶液中的Al3+全部沉淀出来，适宜用的试剂是A．NaOH溶液B．Ba(OH)2溶液C．盐酸D．氨水6．在强酸性溶液中能大量共存并且溶液为无色透明的离子组是A．NH4+、Al3+、SO42－、NO3－B．K+、Na+、AlO2－、NO3－C．K+、NH4+、MnO4－、SO42－D．Na+、K+、NO3－、HCO3－7．在硝酸铝和硝酸镁的混合溶液中，逐滴加入稀氢氧化钠溶液，直至过量。下列表示氢氧化钠加入量(x)与溶液中沉淀的物质的量(y)的关系示意图正确的是A．B．C．D．8．在3mmL0.25mol／L的AlCl3溶液中加入金属钠，完全反应后，恰好只形成NaCl和NaAlO2溶液，则加入钠的物质的量是A．2.5m×10－3molB．5.2m×10－3molC．7.5m×10－3molD．3m×10－3mol9．将等体积的AlCl3和NaOH两种溶液混合后，所得沉淀中含铝元素的质量与溶液中铝元素的质量相等，则AlCl3和NaOH两种溶液的物质的量浓度之比是A．1∶3B．2∶3C．1∶4D．2∶710．向明矾溶液里滴入Ba(OH)2溶液，当SO42－离子恰好完全沉淀时，铝元素的存在形式为A．一部分为Al(OH)3，一部分为Al3+B．全部为Al(OH)3C．一部分为Al(OH)3，一部分为AlO2－D．全部为AlO2－二、计算题11．有氧化铝、氧化镁混合粉末18.2g，将它溶于500mL4mol·L－1的盐酸里，若要使沉淀质量达到最大值，则需要加入2mol·L－1的NaOH溶液多少毫升？**12．工业上从铝土矿（含Al2O3、Fe2O3等）制取铝。经分析，生产原料（铝土矿）和提取Al2O3后的残渣（赤泥）的部分成分如下表。成分Al2O3Fe2O3Na2O(由NaOH折算)铝土矿55%16%0赤泥15%48%8%（1）生产中每消耗1t铝土矿将产生多少吨赤泥？（2）每炼出1t铝，理论上需要多少吨铝土矿？应补充多少吨NaOH?【化学史话】阅读了下面的化学故事，你是否能悟出一些什么来？维勒19岁入马尔堡大学(MarburgUniv。)读医学，但次年因为想求教于著名化学家格美林(Gmelin，L，1788—1853)，他便转学人海德堡大学，在格美林教授的鼓励下，从此便转攻化学。1823年维勒赴瑞典，参加了贝采里乌斯实验室的工作；1825年他开始任教于柏林大学。维勒一生中两大名垂不朽的成就都是在这里完成的。除合成尿素外，就是成功地提取出了金属铝。这项实验工作他是在1827年进行的。维勒曾亲自去求教厄斯泰德，并得到他的鼓励。他在重复厄斯泰德的作法时，发现钾汞齐与氯化铝作用后，生成的灰色熔块在加热后即部分气化，放出钾蒸气和绿色烟雾。显然，这是因为反应不充分，还有钾、氯化铝的残余和其他杂质。他认为，得不到纯净金属铝的原因，首先在于氯化铝不纯。于是，维勒先把制取原料的方法进行了改进。他把过量的热碳酸钾溶液加到沸热的明矾溶液中，将得到的氢氧化铝沉淀洗涤并干燥后，再与木炭、糖和油脂等调成糊状，放在密闭的坩埚中加热，使氧化铝与炭成为均匀致密的混合物。最后把这种黑色混合物加热到红炽，再将干燥的氯气通过它，便蒸馏出纯净的氯化铝。经过试验，使维勒了解到氯化铝与金属钾的反应是很猛烈的，故不宜在玻璃器皿中进行。他就把无水氯化铝与钾放于铂坩埚中并混合好，再把坩埚盖紧紧缚住。开始时以文火促使其反应，但不久坩埚便呈白热化。待反应停止，坩埚完全冷却后，便把坩埚投在大量冷水中，这时便有金属铝的灰色粉末分离出来。在这种情况下，铂坩埚虽没有明显的损坏，但所得到的铝，不仅份量很少，而且还杂有钾、铝、铂的氯化物。但维勒仍应算是位说明了铝的性状的人。直到1854年，他终于将收集到的足够的铝粉熔成块状的铝锭。最先制取到纯净金属铝的人当推法国的化学家亨利·德维尔。他原在巴黎圣巴卜学院(InstitutimSainte—Barbe)医科，是在泰纳教授指导下攻读化学的。1844年经泰纳老师的推荐，他担任了培赞松大学的教授兼教务长。后来他又被聘于高等师范学院任教授。有史以来第一块银白美丽的铝锭就是在这里制取出来的。不过德维尔制得铝锭却带有一定的偶然性。1854年，他本想用金属钠与无水三氯化铝一起加热来制取低价的氯化铝，结果没有成功，但是却获得了一个重要的发现，在坩埚中居然留下了闪耀着金属光泽的美丽小铝球。德维尔把它称为“来自粘土的白银”。在当时，这种铝粒同珍宝、黄金的价格相当。所以，他梗开始研究工业化生产铝的方法。这项研究得到了当时拿破仑第三政府的支持，使德维尔有可能在耶维尔工厂进行较大规模的试验。他首先改进了电解法生产金属钠的工艺，使金属钠的价格一落千丈。开始时钠比钾还要贵，1855年每公斤金属钠价格达两千法郎，到1891年每公斤就只值十法郎了。德维尔最初实现铝生产工业化时，所用的原料是法国包村地方(Baux)的铁铝氧石(bauxite)。先从这种矿石中提取出氧化铝，再把它与木炭和食盐混合，并在加热下让该混合物与于燥的氯气反应，生成NaAlCl4。这种复盐与过量金属钠混合，加热熔化，就可以得到成锭的金属铝。在制取金属铝的事业中，维勒和德维尔走在共同的道路上。我们介绍了他们的工作成就，赞扬了他们对科学的贡献，而他们之问的高尚友谊更值得我们称颂。当德维尔取得了银白的铝锭并使铝的生产实现工业化以后，有些喜欢搬弄是非的人想挑拨维勒与德维尔两人的关系，制造相互的恶感，于是就在德维尔的跟前嚼舌说：维勒所制出的铝算个什么，杂质那么多，你德维尔才堪称是铝的发现人，你应表职，你才是世上制得金属铝的第一人。而这位法国的大化学家对于这种“劝告”的反应是怎样的呢?等到他自己亲手制得了足量的可供熔铸的铝时，就铸了一枚纪念章，在上面恭恭敬敬刻』二了"FriedrichW~Shler”(F。维勒)和“1827”的年代，赠给那位德国的化学家维勒。他们两人的友谊总是非常融洽，曾一起共同做了很多重要的研究。上面谈到铝的提取和工业化生产。继德维尔之后，我们还必须谈到豪尔(Hall，c。M．1863～1914)。因为德维尔的制法虽然使铝变成了商业上的产品，但是价格仍然相当昂贵。1886年时的价格还与自银一样。美国饿柏林学院(OberlingCollege)的学生豪尔决心为解决这个课题而奋斗。豪尔在这个学院里受业于裘埃特(Jewett，F．F．1844一)化学教授，而这位教授正是维勒的学生。裘埃特鼓励豪尔研究寻求制取廉价铝的化学工艺，这位21岁的年青学生居然很快地极其出色地完成了这项课题。他是通过电解法实现的。豪尔也是以铁氧铝石做原料。但这种矿石极难熔化，他便把它溶在熔融的冰晶石中；为了进一步降低熔点，又往熔盐中加入氯化钙。豪尔在设备简陋的实验室中用自制的电池进行电解。1886年2月23日，年青的豪尔欢喜若狂地手握一把银亮的象钮扣的铝球跑进裘埃特的房间，报告他电解制铝成功的消息。此后不久，美国就成立了匹兹堡(Pittsburgh)铝公司，采用豪尔的工艺，生产出了大量廉价的铝。为了纪念豪尔的这一重大功绩，美国铝公司把他最初制成的铝粒视做珍宝一样地保存在精美的玻璃盒子里加以展览；在俄柏林大学的校园里，今天还仍矗立着一座22岁时风华正茂的豪尔的铝铸像，把他看做是本校的骄傲。在豪尔完成价廉的制铝工艺一两个月后，法国桑特一巴比(sainte—Barbe)学院的学生、年青的化学家埃罗(H6roult，p．L．T．1863—1914)也独立地发明了这种制铝法。埃罗j5岁在圣巴卜学院学习时就读到了德维尔制铝的论文。1885年，他所得到的一份遗产是一家制革厂，那里有蒸汽机和发电机。于是他开始电解各种含铝化合物。次年他存电解冰晶石(Na3AlF6)时，发现电解槽中的铁阴极忽然熔化了，但当时的熔盐温度绝不致把铁熔化，所以他得出结论，一定是铁变成了一种合金。几天后，当他把氯化钠铝加到电解槽中以求降低温度时，又发现炭阳极被腐蚀了，他断定这是由于所用氯化钠铝原料吸收了潮湿的空气，生成了氧化铝，而后者被电解析出了氧。这些细致的观察使他得到启发，想到了把氧化铝溶到冰晶石中进行电解的工艺。当豪尔在1911年接受柏琴奖章(PerkinMedal)时，埃罗特意远涉重洋到美国去向豪尔祝贺。可见，埃罗颇有德维尔的高尚遗风，从此他与豪尔又成了一对制铝史上同行间的莫逆之交。说来也真巧，这两位几乎同时发现电解制铝的功臣却是同年来到人世，又同年离去。
