2020年高中化学新教材同步必修第二册 第8章 第一节 第1课时　金属矿物、海水资源的开发利用

第一节自然资源的开发利用第1课时金属矿物、海水资源的开发利用[核心素养发展目标]1.理解金属冶炼的一般原理，掌握活泼性不同的金属冶炼的一般方法，形成金属冶炼方法知识模型，培养“证据推理与模型认知”能力。2.了解海水的主要组成元素，了解海水资源及开发利用的主要方式，掌握从海水中提取溴的化学反应原理及实验方法，培养“宏观辨识与变化观念”。3.通过对金属冶炼原理及海水资源综合利用的认识，培养“科学探究”精神，增强社会责任感。一、金属矿物的开发利用1．金属元素在自然界中的存在形态2．金属冶炼的一般原理(1)基本原理：将金属元素从其化合物中还原出来。(2)表示方法：Mn＋＋ne－=M。3．金属冶炼的一般方法(1)依据：金属活泼性不同，将其由化合态还原为游离态的难易程度不同。(2)写出用下列方法冶炼金属的化学方程式①热分解法：加热分解HgO：2HgOeq\o(=,\s\up7(△))2Hg＋O2↑加热分解Ag2O：2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑②热还原法：H2还原CuO：CuO＋H2eq\o(=,\s\up7(△))Cu＋H2O高炉炼铁：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2铝热反应：2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋Al2O3③电解法：冶炼钠：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))2Na＋Cl2↑冶炼镁：MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))Mg＋Cl2↑冶炼铝：2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5(冰晶石))4Al＋3O2↑④其他方式：湿法炼铜：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu火法炼铜：Cu2S＋O2eq\o(=,\s\up7(△))2Cu＋SO24．合理开发和利用金属矿物资源(1)提高金属矿物的利用率。(2)开发环保高效的金属冶炼方法。(3)防止金属的腐蚀。(4)加强废旧金属的回收和再利用。(5)使用其他材料代替金属材料。(1)所有金属单质必须通过化学反应才能获得(×)提示活泼性非常弱的金属，如金、铂等，在自然界中以单质形式存在，可以通过物理方法获得。(2)利用化合物冶炼金属时，金属元素一定发生还原反应(√)提示金属冶炼的本质就是利用还原剂，将金属从化合物中还原出来。(3)越活泼的金属元素，人类利用的越晚(√)提示越活泼的金属，其金属阳离子氧化性越弱，越难被还原，因此利用的时间就越晚。(4)用热还原法冶炼金属时，可以用H2将Mg从化合物中还原出来(×)提示Mg是活泼金属，其活泼性大于H2的活泼性，不能用热还原法制备。(5)铝热反应本质是用铝将比铝活泼性弱的金属从其化合物中置换出来(√)提示铝热反应本质是置换反应，是利用金属铝的还原性把活泼性弱的金属从其化合物中还原出来。1．利用铝热反应可以在野外焊接大截面的钢轨，其原理为2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))Al2O3＋2Fe，某小组用如图所示仪器及试剂探究铝热反应。其实验现象记录如下：①剧烈反应，火星四射。②放出大量的热，纸漏斗下端被烧穿，有红热熔融物落入细沙上，冷却后变为黑色固体。根据以上描述，回答以下问题：(1)铝热反应需要高温条件，是否还需要持续加热？提示铝热反应为放热反应，放出的热可以维持反应继续进行，因此不需要持续加热。(2)实验中，镁条、氯酸钾的作用是什么？引发反应的操作是什么？提示镁条是引燃剂，氯酸钾为助燃剂，点燃镁条，促使氯酸钾分解，释放出氧气，使镁条更剧烈燃烧，单位时间内放出更多热量，从而引发Al和Fe2O3发生反应。(3)蒸发皿中铺少量细沙的作用是什么？提示一是防止蒸发皿炸裂，二是防止生成的熔融物溅出。(4)据反应原理，Fe2O3和Al的质量比为多少最好？提示为保证Fe2O3和Al都反应完全，两者质量比控制在3∶1为最好。[∶m(Al)＝160∶(2×27)≈3∶1]2．地球上的金属资源是有限的，合理开发利用金属资源尤为重要。下图是从铝土矿和废旧铝质饮料罐获取铝的工艺流程：a.b.eq\x(废旧铝质饮料罐)eq\o(→,\s\up7(高温熔化),\s\do5(除杂))eq\x(液态铝)→eq\x(铝锭)资料卡片：1以铝土矿为原料生产1kg铝的资源及能耗铝土矿：4kg煤：0.5kg燃料油：0.25kg纯碱：0.5kg石灰：0.5kg氟化钙：0.04kg焙烧碳素：0.6kg冰晶石：0.03kg电能能耗≥6.7×107J2以废旧饮料罐生产1kg铝消耗资源及能耗废旧饮料罐1.01kg，电能能耗≤3.35×106J试从能源消耗和环境污染两个角度分析加强废旧金属回收利用的重要性。提示用铝土矿生产铝，能耗高，资源消耗量大，在生产过程中会产生大量的废气、废液及废渣，对大气水体及土壤会产生很大污染；而用废旧饮料罐生产铝，能耗低，资源消耗量小，对环境污染很小，变废为宝，既可以减少废旧金属对环境的污染还可以提高矿物有效利用率，是可持续发展的必然要求。1．工业上常用电解法冶炼的金属为()A．镁B．铁C．铜D．银答案A解析镁是活泼金属，用热还原法不能获取，只能用电解熔融的氯化镁来制取。2．已知一些金属的发现和使用与其金属活动性有着必然的联系。据此推测，下列事件发生在铁器时代之前的是()A．金属钠的使用 B．青铜器的大量使用C．海水提镁 D．铝热法制铬答案B解析钠、镁都是活泼金属，工业制备常用电解法，铝热法制铬是在高温下用铝作还原剂，将铬从其化合物中置换出来，故A、C、D三项对应的事件都是近现代发生的，铜性质非常稳定，易从化合物中提取出来，故青铜器的使用应发生在铁器时代之前。3．铝能用于冶炼熔点高的金属(如V、Cr、Mn等)，用到的铝的性质是()A．银白色金属B．熔、沸点相对较低C．导电、导热性能好D．还原性强，在反应中释放出大量的热答案D解析铝热法冶炼金属利用的是铝的还原性强，在反应中释放大量的热，在高温下，将活泼性相对弱的金属从其化合物中置换出来的性质。4．下列各组金属最适合用H2或CO把它从化合物中还原出来的是()A．K、Mg B．Fe、AlC．Fe、Cu D．Hg、Ag答案C解析K和Mg不能用H2或CO来还原其化合物制得，因活泼金属单质会和H2O或CO2反应，A项错误；Al应用电解法冶炼，B错误；Hg和Ag常用热分解法冶炼，D错误。金属冶炼方法与金属活动性关系二、海水资源的开发利用1．海水水资源的开发利用(1)海洋约占地球表面积的71%，海水中水的储量约占地球总水量的97%，约1.3×1018t。(2)海水水资源的利用①②海水的蒸馏a．主要仪器：A：冷凝管，B：蒸馏烧瓶，C：锥形瓶。b．冷凝水的流向：a口进，b口出。c．B中加入碎瓷片的目的是防止液体暴沸。2．海水化学资源的开发利用(1)海水中的化学元素(2)海水中提取物质及综合利用①氯碱工业：2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑制钠和氯气：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))2Na＋Cl2↑制盐酸：H2＋Cl2eq\o(=,\s\up7(点燃))2HCl制漂白剂(84)：2NaOH＋Cl2=NaCl＋NaClO＋H2O②用KBr制单质溴：2KBr＋Cl2=2KCl＋Br2③用MgCl2制Mg：MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))Mg＋Cl2↑(1)海洋约占地球表面积的71%，因此地球不缺水，人类可以任意使用，不用节约(×)(2)海水淡化的方法中，蒸馏法成本最低(×)(3)海水中含量最多的两种元素为Na元素和Cl元素(×)提示海水中含量最多的两种元素为O和H元素。(4)可以通过电解饱和食盐水的方式获取金属钠和氯气(×)提示电解饱和食盐水可以获取氢氧化钠、氢气和氯气，不能生成金属钠。(5)从溴化钾中获取单质溴发生了氧化还原反应(√)(6)除了从海水中获取淡水和化学物质外，其他就没有什么价值了(×)提示除了从海水中获取淡水和化学物质，海水在能量方面也具有十分重要的战略意义，如潮汐能、波浪能等新型能源的开发和利用等。溴及其化合物在工农业生产中有着广泛的应用，工业上用一种叫“吹出法”的技术从海水中提取溴，其生产流程如下：(1)写出①、③、④过程中反应的离子方程式。提示①Cl2＋2Br－=Br2＋2Cl－③SO2＋Br2＋2H2O=SOeq\o\al(2－,4)＋2Br－＋4H＋④Cl2＋2Br－=Br2＋2Cl－(2)过程②和④通入空气、水蒸气利用单质溴的什么性质？过程①获取了游离态的溴，过程③又将其转变为化合态的溴，其目的是什么？提示Br2易挥发，利用空气或水蒸气可以将Br2从海水中吹出；将单质溴再转化为溴离子的目的是使Br－浓缩，提高Br2的提取效率。(3)过程⑤蒸馏过程中温度控制在80～90℃，温度过高或过低都不利于生产，原因是什么？提示温度过高，水蒸气挥发性增强，使溴的纯度降低，温度太低，溴的挥发性减小，导致溴单质不能充分挥发。1．在海水资源的综合利用中，不需要化学变化就能够从海水中获得的物质是()A．溴、碘单质 B．钠、镁单质C．食盐、淡水 D．烧碱、纯碱答案C解析海水中氯、溴、碘、镁、铝都以化合态形式存在，若制取其单质，必须经过化学变化。从海水中提取食盐和海水的淡化主要是将海水进行蒸发或蒸馏，是物理变化。而由饱和食盐水制取烧碱需电解，为化学变化，故答案选C。2．我国历来十分重视海水资源的综合利用，下列有关海水综合利用的说法正确的是()A．利用潮汐发电是将化学能转化为电能B．海水蒸发制海盐的过程中发生了化学变化C．海水中含有溴元素，只需经过物理变化就可以得到溴单质D．从海水中可以得到MgCl2，电解熔融MgCl2可制备Mg答案D解析潮汐发电是将潮汐能转化为电能，故A错误；因水的沸点较低，可用海水蒸发制海盐，其过程是物理变化过程，故B错误；海水提溴的工艺主要步骤是在预先浓缩并酸化的海水中，通入足量氯气：2Br－＋Cl2=Br2＋2Cl－，需要加入氧化剂才能获得单质溴，故C错误；从海水中提取金属镁，最基本的方法是往海水里加石灰乳，得到Mg(OH)2沉淀，将沉淀分离后再加入盐酸变成MgCl2；之后经过过滤、干燥，镁是活泼金属，MgCl2为离子化合物，电解MgCl2即可得到金属镁，故D正确。课时对点练A组基础对点练题组一金属冶炼的原理与方法1．有关金属的冶炼原理，下列说法正确的是()A．肯定发生的是置换反应B．肯定发生的是分解反应C．肯定发生的是还原反应D．只能用金属作还原剂冶炼金属答案C解析金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子生成金属单质，发生了还原反应，即：Mn＋＋ne－=M，发生的反应可能是置换反应，如：2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))Al2O3＋2Fe，也可能是分解反应，如MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))Mg＋Cl2↑，也可能是其他类型反应，如：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。2．从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。下图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后，主要取决于()A．金属的化合价高低B．金属的活动性强弱C．金属的导电性强弱D．金属在地壳中的含量多少答案B解析金属开发利用的先后顺序与金属冶炼的难易程度有关，而金属冶炼的难易程度取决于金属的活动性强弱。3．中华民族有着光辉灿烂的发明史，下列发明创造不涉及化学反应的是()A．用胆矾炼铜 B．用铁矿石炼铁C．烧结黏土制陶瓷 D．打磨磁石制指南针答案D解析胆矾为CuSO4·5H2O，冶炼得到Cu的过程中发生氧化还原反应，A项错误；铁矿石的主要成分为铁的化合物，炼铁也需要发生氧化还原反应，B项错误；烧制陶瓷过程中发生复杂的物理和化学变化，C项错误；打磨磁石制指南针的过程中没有化学变化，D项正确。4．在冶金工业上，均不能用通常的化学还原剂制得的一组是()A．Na、Ca、Mg、Al、KB．Na、K、Zn、Fe、HgC．Zn、Fe、Cu、Ag、SnD．Mg、Al、Zn、Fe、Pb答案A解析A项中的金属均为活泼金属，通常用电解法冶炼。5．化学学科的发展对人类文明进步起到了极为重要的作用。下列认识正确的是()A．人类对金、银、铜、铁、铝的认识与其在自然界的分布无关B．人类解决吃、穿、住、行最有效的方法就是大力开发石油及其产品C．工业上可用电解熔融态的MgCl2、AlCl3来制备Mg、AlD．工业上可用空气、Cu、稀硫酸来制备CuSO4答案D解析选项A，人类对金属的认识与其在自然界中的分布有着密切的关系；选项B，石油是不可再生资源，总有一天，石油会消耗殆尽，它不是解决人类吃、穿、住、行最有效的方法；选项C，AlCl3是共价化合物，电解熔融AlCl3得不到Al；选项D，将铜粉放在稀硫酸中，不断通入空气，加热即可生成CuSO4。题组二铝热反应与特殊金属的冶炼方法6．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属锂能释放出更多的电子，故常用来制造高能量电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是()A．电解法 B．热还原法C．热分解法 D．铝热法答案A解析可以根据金属活动性与金属冶炼方法之间的联系来判断，锂的金属性介于钠和镁之间，应该与钠、镁的冶炼方法相同，用电解法才能得到金属锂。7．铝用来焊接钢轨是利用()A．铝与氧气反应生成稳定的保护层B．铝是热的良导体C．铝是强还原剂，铝热反应放热D．铝合金强度大答案C解析铝是强还原剂，铝热反应放出大量的热，可达到很高的温度，生成了Al2O3和液态铁，从而将钢轨焊接在一起。题组三海水资源的利用、海水提溴8．若将海水淡化作饮用水使用，下列方法在原理上完全不可行的是()A．加明矾使海水中的盐分沉淀而淡化B．利用太阳能使海水蒸馏淡化C．利用电渗析法可以获取淡化的饮用水D．将海水通过离子交换树脂，以除去所含离子答案A解析明矾在溶液中能生成胶体，不能与盐(MgCl2等)反应，不能使海水中的盐分沉淀而淡化，故A错误；太阳能提供水蒸气需要的能量，则利用太阳能使海水蒸馏淡化，故B正确；利用电渗析法可以除去海水中的某些阳离子(Mg2＋、Na＋、K＋)和阴离子(Cl－、SOeq\o\al(2－,4))从而获取淡化的饮用水，故C正确；通过离子交换树脂，使某些离子被选择吸收，而达到海水淡化的目的，故D正确。9．利用海水提取溴和镁的过程如下，下列说法不正确的是()A．若提取1molBr2，至少需要标准状况下44.8L的Cl2B．工业上常利用电解熔融MgCl2冶炼金属镁C．富集溴元素过程中，空气吹出法利用了溴易挥发的性质D．工业溴中含少量Cl2，可用NaOH溶液除去答案D解析因需要两次氧化溴离子，若提取1molBr2，至少需要标准状况下44.8L的Cl2，A正确；金属镁在工业上利用电解熔融MgCl2冶炼，B正确；富集溴元素过程中，利用了溴易挥发的性质使用空气吹出法，C正确；卤素单质都能与NaOH溶液反应，故除去氯气的同时溴也反应了，D错误。10．海洋是生命的摇篮，海水不仅是宝贵的水资源，而且蕴藏着丰富的化学资源。从海水中提取一些重要的化工产品的工艺流程如图所示。根据上述流程图回答下列问题：(1)海水淡化处理的方法有蒸馏法、冷冻法、________。(写出1种即可)(2)写出反应①化学反应方程式：________________________________________________。(3)标准状况下22.4LCl2气体发生反应②，转移的电子数是________NA。(4)反应③中硫酸酸化可提高Cl2的利用率，理由是_______________________________________________________________________________________________________。(5)过程③到过程⑤的变化为“Br－→Br2→Br－→Br2”，其目的是__________________。(6)写出过程④和过程⑤相应的离子方程式：____________________________________________________________________________________________________________。答案(1)离子交换法(或电渗析法或反渗析法)(2)2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑(3)1(4)酸化可抑制氯气、溴与水反应(5)富集溴(6)Br2＋SO2＋2H2O=2Br－＋SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋，2Br－＋Cl2=Br2＋2Cl－B组综合强化练1．下列反应原理中，不符合工业冶炼金属实际情况的是()A．2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑B．2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5(冰晶石))4Al＋3O2↑C．2MgOeq\o(=,\s\up7(电解))2Mg＋O2↑D．4CO＋Fe3O4eq\o(=,\s\up7(高温))3Fe＋4CO2答案C解析金属冶炼常用电解法、热还原法、热分解法，K～Al常用电解法冶炼，Zn～Cu常用热还原法冶炼，Cu以后的金属常用热分解法冶炼，冶炼银，常用氧化银的分解，符合实际，故A错误；电解氧化铝冶炼铝单质，符合实际，故B错误；工业常电解氯化镁冶炼镁，因为氧化镁的熔点高，熔化时需要消耗大量的能量，因此电解氧化镁冶炼金属镁，不符合实际，故C正确；冶炼铁，用热还原法，符合实际，故D错误。2．(2018·河南周口高一期末)据《天工开物》记载，我国古代以米炉甘石(主要成分是ZnCO3)来升炼倭铅(即锌)，其原理如图2。已知锌的熔点为420℃、沸点为906℃。则下列说法不正确的是()A．升炼倭铅过程包含氧化还原反应B．“锌火”是锌蒸气和一氧化碳在空气中燃烧形成的C．“泥封”的目的是为了防止得到的锌被氧化D．冶炼时锌变为蒸气在兜室冷凝为固体答案D解析“升炼倭铅”的反应：ZnCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CO2↑＋ZnO、CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO、ZnO＋COeq\o(=,\s\up7(高温))Zn(g)＋CO2，有电子转移的反应是氧化还原反应，根据以上分析知CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO、ZnO＋COeq\o(=,\s\up7(高温))Zn(g)＋CO2为氧化还原反应，A正确；“锌火”是未反应完的CO和Zn蒸气从“兜室”逸出燃烧形成的，B正确；Zn易被空气氧化，为防止Zn被氧化而用“泥封”的方法隔绝空气，C正确；反应区温度达到1100～1300℃时，Zn变为蒸气与杂质分离，在“兜室”冷凝为液体流出(冷凝区温度高于Zn的熔点)，D错误。3．氢气可用于冶炼金属，工业冶炼钼的反应为3H2＋MoO3eq\o(=,\s\up7(高温))Mo＋3H2O，该反应的还原剂是()A．H2 B．MoO3C．Mo D．H2O答案A解析在反应3H2＋MoO3eq\o(=,\s\up7(高温))Mo＋3H2O中，氢气失电子，发生氧化反应，属于还原剂，而MoO3属于氧化剂，A正确。4．金属K与Na金属性相近，用K与钠盐共熔时，很难将Na从混合物中分离。若调整温度到一定程度，则可用Na与KCl反应制取金属K。已知四种物质的熔、沸点如下：KNaKClNaCl熔点/℃63.6597.8770801沸点/℃774882.91500(升华)1431根据平衡移动原理可推知，用Na与KCl反应制K的适宜温度是()A．97.8～770℃ B．770～774℃C．774～882.9℃ D．1413～1500℃答案C解析在金属活动性顺序表中，Na排在K的后面，似乎不能从K的熔融盐中置换出K。但将Na与KCl共熔，其共熔体中Na＋、K＋、Cl－和e－自由移动，如果继续加热，则Na、K、NaCl和KCl先沸腾者先逸出。工业上，就是采用这种原理用Na还原K的，因为K的沸点比Na、NaCl、KCl的沸点都低，且低于NaCl的熔点。5．水资源非常重要，海水淡化是海岛地区提供淡水的重要手段，所谓海水淡化是指除去海水中的盐分以获得淡水的工艺过程(又称海水脱盐)，其方法较多，如反渗析法、水合物法、电渗析法、离子交换法和压渗法等。下列方法中也可以用来进行海水淡化的是()A．过滤法 B．蒸馏法C．分液法 D．萃取法答案B解析海水淡化就是将海水中的可溶性杂质除去的过程。蒸馏法可把水从海水中分离出来，得到蒸馏水，即海水淡化。6．(2018·杭州二中期中)从淡化海水中提取溴的流程如下：eq\x(淡化海水)eq\o(→,\s\up7(通入Cl2),\s\do5(Ⅰ))eq\x(低浓度Br2)eq\o(→,\s\up7(通入空气吹出Br2),\s\do5(用X吸收Ⅱ))eq\x(含Br－等的溶液)eq\o(→,\s\up7(通入Cl2),\s\do5(Ⅲ))eq\x(Br2的浓溶液)eq\o(→,\s\up7(),\s\do5(Ⅳ))eq\x(液溴)下列有关说法不正确的是()A．X试剂可用SO2饱和溶液B．步骤Ⅲ发生的离子反应为2Br－＋Cl2=2Cl－＋Br2C．工业上每获得1molBr2，至少需要消耗Cl222.4LD．步骤Ⅳ涉及的操作有萃取、分液和蒸馏答案C解析SO2可以和具有氧化性的溴单质发生氧化还原反应，故可以用SO2饱和溶液来吸收溴单质，A项正确；氯气具有氧化性，可将溴离子氧化为溴单质，即2Br－＋Cl2=2Cl－＋Br2，B项正确；根据离子方程式2Br－＋Cl2=2Cl－＋Br2可知，每获得1molBr2，步骤Ⅰ和步骤Ⅲ至少共需要消耗标准状况下Cl244.8L，C项错误；从溴水中提取溴涉及的操作有萃取、分液和蒸馏，D项正确。7．钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。工业上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用以冶炼钛，主要有以下五个反应：①FeTiO3＋2H2SO4=TiOSO4＋FeSO4＋2H2O②TiOSO4＋2H2O=H2TiO3↓＋H2SO4③H2TiO3eq\o(=,\s\up7(△))TiO2＋H2O④TiO2＋2C＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))TiCl4＋2CO⑤TiCl4＋2Mgeq\o(=,\s\up7(△))2MgCl2＋Ti(1)针对以上五个反应，下列叙述错误的是________(填字母，下同)。A．反应①是非氧化还原反应B．反应②生成了两种酸C．反应④中的TiO2是氧化剂D．反应⑤表现了金属镁比金属钛的还原性强(