第四章化学与自然资源的开发利用

第四章化学与自然资源的开发利用——以“金属矿物的开发利用”为例2017年4月6日

普通高中化学课程标准

（实验）人民教育出版社2003年内容标准活动与探究建议1、以海水、金属矿物等自然资源的综合利用为例，了解化学方法在实现物质间转化中的作用。认识化学在自然资源综合利用方面的重要价值。2、以酸雨的防治和无磷洗涤剂的使用为例。体会化学对环境保护的意义。3、能说明合成新物质对人类生活的影响，讨论在化工生产中遵循“绿色化学”思想的重要性。①查阅资料：海水资源及其利用。②调查：当地水污染及治理的情况。③讨论：如何选择合适的洗涤剂。④查阅资料：高分子材料的应用和发展。⑤查阅资料：符合“绿色化学”思想的化工产品的生产。一、课标解读人教版苏教版鲁科版

主要内容实验（铝热反应）思考与交流（海底中的金属结核矿）实验（证明海带中有碘元素）思考与交流（Br-变成Br2）资料卡片（海水提溴）科学视野（自然资源的开源和节流）调查研究（如何获取氯化钠）观察与思考（电解饱和食盐水）化学史话（氯的发现）观察与思考（氯气的性质）活动与探究（氯水的性质实验）拓展视野（二氧化氯）观察与思考（溴单质和碘单质的产生）资料卡（溴，碘的性质）联想•质疑（海水里面有什么，存在形式）交流•研讨（以食盐为原料可以制得哪些材料）化学与技术（氯碱工业）交流•研讨（海水提镁）观察•思考（金属镁的还原性）观察•思考（溴单质和碘单质的物理性质）方法导引（萃取和物质分离）活动•探究（氯，溴和碘单质的氧化性强弱比较）交流•研讨（海水利用的认识）结论：鲁科版的活动最多，不仅从卤素的角度来说还从镁的角度来说，人教版仅仅对卤素里的溴和碘有描述，苏教版更重视卤素的知识。二、教材分析人教版苏教版鲁科版内容的选取上活泼金属和不活泼金属的还原常见金属的冶炼海水中的化学元素海水淡化的方法证明海带中有碘元素有海水提溴没有海水提镁没有常量元素和微量元素没有电解饱和食盐水金属发现的历史有海水中的化学元素没有海水淡化的方法海带提取碘有海水提溴（节下小标题）没有海水提镁没有常量元素和微量元素有电解饱和食盐水有海水中的化学元素没有海水淡化的方法没有提到海带有海水提溴（节下小标题）有海水提镁有常量元素和微量元素没有电解饱和食盐水内容的组织上人教版主要以分科知识为主线，注意学习的归纳性，知识的系统性苏教版把金属的冶炼放在单个金属性质中去讲解，把海水和卤族元素的知识放在一起，充分体现了sts理念鲁科版的海水资源采用复合线索，以学科知识和sts为主线。化学与自然资源的综合利用，关乎社会可持续发展，资源的合理利用，这恰好体现化学的价值，因此自然资源的综合利用在高考中经常考查。命题点：1、以某种矿石为素材，综合考察金属的冶炼、方程式的书写、氧化还原反应等知识。2、以废旧资源的回收利用为线索，综合考查方程式的书写、氧化还原反应、电化学等知识。3、以海水为素材，依托海水的淡化、氯碱工业、海水提溴、海水提碘等工艺流程，对金属的冶炼、电化学等知识进行考查。4、以选做题（化学与技术）的形式对有关知识进行综合考查。三、考试大纲通过查阅相关文献，本章内容中，已有的关于金属矿物的开发的文献较少，绿色化学相关内容的文章偏多。我们通过对这部分知识的整理，以本节课中金属的冶炼为主线，将前面已学的知识进行有机整合，并对于后面选修的内容进行适量的补充说明。由点到线到面，使知识系统化地呈现出来。下面我们主要以金属矿物的综合利用为例，一起认识和体会化学在自然资源开发和利用的意义和作用。金属矿物的开发和利用金和铂在自然界中以单质形式存在，故用物理的方法可以采取出来。如：淘金者们打捞起河里或湖里的淤泥后，在淘盘将淤泥洗涤，以便找出淤泥里的天然金沙。四、文献与问题分析五、教学内容安排组织

金属冶炼1.热分解法运用于不活泼的金属,如汞可用氧化汞加热制得.2热还原法（中间一段）用还原剂(氢气,焦炭,一氧化碳,活泼金属等)还原.如制钨用氢气或铝(铝热反应,在制取一些熔点高的金属是可以用这个方法)制铁用焦炭.3电解法电解法冶金会消耗大量的电能成本较高,但冶炼的金属纯度高一般用于金属的精炼.适用于K,Ca,Na,Mg,Al等活泼金属.4其他方法CuSO4+Fe==Cu+FeSO4（湿法炼铜）Na+KCl==K+NaCl(反应条件是高温，真空。）(原理是高沸点金属制低沸点金属。)课本实验改进实验实验步骤和现象：1、用小刀在干粉笔上挖宽约0.5cm、深约0.3cm的浅槽后，将粉笔浸泡于盛有无水乙醇的烧杯中。2、用镊子取出浸透乙醇的粉笔于玻璃片上，用钥匙把2g混合好的铝热剂平铺在粉笔槽中

，上面再铺少许氯酸钾。3、将盛药品的粉笔倾斜固定在铁夹上，并在下方放置盛细沙的蒸发皿。4、用火柴点燃粉笔，大约十几秒后，氧化铁粉末和铝粉末发生剧烈反应，放出大量的热，并发出耀眼的光芒，熔融物落入细沙中，待冷却后，可以用磁铁吸引。改进后的优点：1、药品用量减少，提高了演示实验的安全性，演示时不会对前排学生构成事故威胁，同时也易于分组实验的进行。2、由于没有使用镁条和滤纸折成的漏斗，所以没有镁条燃烧的强光和滤纸烧糊这些无关现象的干扰，便于学生观察和记忆。铁的富集铁的冶炼铁的精炼

1、造气2、炼铁3、造渣电解精炼是目前制备工业纯铁的主要方法。制备高纯铁一般采用水溶液的电解精炼。工业炼铁：采矿（获得铁矿石）—选矿—（将铁矿石破碎、铁精粉）—烧结（将铁精粉烧结成的具有一定强度、粒度的烧结矿）——冶炼（将烧结矿运送至高炉，热风、焦炭使烧结矿还原成铁水，生铁并脱硫）—炼钢—（用平炉或电炉进一步脱磷）高炉炼铁早期的冶铁技术，大多采用“固体还原法”，即冶铁时，将铁矿石和木炭一层夹一层地放在炼炉中，点火焙烧。但是由于炭火温度不够高，致使被还原出的铁只能沉到炉底而不能保持熔化状态流出。人们只好待把铁炼成，炼炉冷却后，再设法将铁取出。这种铁块表面因夹杂渣滓而显粗糙，有的还不如青铜坚韧。

在中世纪的欧洲，只有修道院或者主教人士才有充足的资金投入到炼铁工业中去。炼铁工业的大规模发展仰仗于宗教机构的势力。1408年，由于采用水力鼓风器，就有可能进行连续作业，从而可用高炉炼铁。16世纪的高炉在两侧各开一个口，一个是风口，另一个为出铁口。高炉第六天（一个冶炼期）大约只能出4-5吨铸铁。一座高炉贮存在不了这么多的铸铁。由于受到容积的限制，遂发展成早期的双炉。1549年，双炉能生产出重2200公斤的铁炉铸件。1750年，英国的工业革命开始了。在燃烧上用焦炭代替木炭，这种转变使炼铁业突破了束缚，不再为木炭的短缺而陷入困境。

到18世纪末，煤和蒸汽机已使英国的炼铁业彻底改革，铁的年产量增加。但是，高炉烧焦炭势必增加碳含量，以致早期的焦炭生铁含碳在1.0％以上，全部成为灰口铁即石墨铁。

高炉的尺寸在18世纪内一直在增大。19世纪末，平滑的炉衬公认为标准的炉衬，这基本上已经是现在的炉型。炉底直径约10米，炉高约30米。全部高炉都设有两只以上的风嘴。另一个巨大的进步就是采用热风。20世纪后，现代钢铁业就蓬勃发展起来。

尾气处理

苯一种碳氢化合物即最简单的芳烃，在常温下是甜味、可燃、有致癌毒性的无色透明液体，并带有强烈的芳香气味。六、金属1、在元素周期表中所处的位置2、金属的性质物理性质：金属的共性，导热性，导电性，延展性化学性质：有金属性（易失去电子形成阳离子），不同的金属有不同的活泼性。3、金属的作用生物体常量元素微量元素铁、铜、锌……自然界含量大于0.01%在已探明的稀土储量中，中国位居第一，约占世界总储量21000万吨的43%。从中国进口稀土的主要三个国家有：日本、韩国、美国。其中，日本、韩国没有稀土资源，而美国拥有稀土资源但禁止开采。如果中国一直保持着这样的出口量，20年后，中国可能成为稀土小国或稀土无国。稀土金属具有极为重要的用途，是当代高科技新材料的重要组成部分。由稀土金属与有色金属组成的一系列化合物半导体、电子光学材料、特殊合金、新型功能材料及有机金属化合物等，均需使用独特性能的稀土金属。七、金属的使用现状：我们每年要向自然界索取大量的金属矿物资源，以提取数以亿吨计的金属。据有关资料报道，现在世界上每年因腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的20%~40%。我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿。腐蚀的巨大危害不仅体现在经济损失上，它还会带来惨重的人员伤亡、环境污染、资源浪费、阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗。防止金属腐蚀已成为科学研究和技术领域中的重大问题。金属腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀化学腐蚀主要是因为金属与氧气、水等接触，金属被氧化，以及其他有腐蚀性的化学物质对金属的腐蚀，如酸雨等。电化学腐蚀是因为原电池原理的腐蚀，这比上一个原因引起的危害更大，原理是水在金属物表面形成水膜，溶解氧气，二氧化碳等物质，这时就会形成金属为负电位的原电池，会使金属被较快地腐蚀。导致金属锈蚀的主要原因金属腐蚀的防护改善金属的本质形成保护层电化学保护缓蚀剂法改善腐蚀环境在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。金属的磷化处理、金属的氧化处理、非金属涂层、金属保护层。牺牲阳极法、外加电流法在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂就能和金属表面发生物理化学作用,从而显著降低金属材料的腐蚀。减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。金属腐蚀的防护方法八、金属的合理开发与利用1、防止金属的锈蚀，由于金属锈蚀而浪费的金属约占1/3，要想方设法防止金属锈蚀；2、回收利用废旧金属可节约原料、节省能源，是一种保护金属资源的有效途径；3、有计划、合理地开采矿物，提高金属矿物的利用率，否则既浪费了资源，又损害了国家利益；4、寻找金属的代用品，减少了金属的使用等。

开源节流查找资料促进“元素观”发展的教学设计——以“金属矿物的开发利用”为例提出的观点：教学必须通过具体知识的教学将客观存在的知识形态的化学观念转化为学生个人形态的化学观念。引导学生阅读教材，让学生思考：化学在自然资源的开发和利用方面，能够发挥哪些作用？