高中化学新人教必修第二册第8章第1节自然资源的开发利用第1课时课件（72张）

第八章化学与可持续发展第一节自然资源的开发利用第1课时金属矿物的开发利用学习任务一金属冶炼的原理任务驱动:除了金、铂等极少数金属,绝大多数金属元素以化合物的形式存在于自然界,如何利用金属矿物生产各种金属材料?1.金属在自然界中存在形态课前自主学习2.金属冶炼原理(1)金属矿物的冶炼步骤。(2)金属冶炼的基本原理。①基本原理:将金属元素从其化合物中提取出来,用还原法把_____态的金属还原成_____态的金属。②表示方法:Mn++ne-====M。化合游离学习任务二金属冶炼的一般方法任务驱动:对于活泼性不同的金属,采用的冶炼方式是否相同?1.常见金属的冶炼方法【情境·思考】如图是我国古代和现代冶金的两张图片,那么人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系?提示:金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。金属越活泼,冶炼时所需条件要求越高,在人类历史上出现的相对晚一些。金属越不活泼,冶炼的方法越简单,人们使用的时间越早,所以有青铜、铁器等时代的发展历程。2.铝热反应(1)概念铝和___________在高温下发生剧烈反应并放出大量热量的化学反应原理Al作_____剂,另一种金属氧化物作_____剂,用铝将氧化物中的金属置换出来铝热剂_____和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物反应特点高温条件下迅速反应并放出大量的热量,生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离引发操作点燃镁带氯酸钾作助燃剂金属氧化物还原氧化铝粉(2)铝热反应应用①冶炼熔点___的金属,如钒、铬、锰等。②在野外焊接钢轨等。高【做一做】用铝热法还原下列化合物:MnO2、Cr2O3、WO3、CuO,各获得金属1mol,消耗铝最少的是哪个?提示:制备1mol金属,根据氧化还原反应中得失电子数相等的原理,金属离子得电子数越多,需要铝的质量越大。即生成1mol金属,该金属在化合物中化合价越高,则消耗铝越多;反之则越少。在这四种化合物中只有CuO中Cu的化合价最低,故为CuO。3.合理开发和利用金属矿物资源(1)有效地使用金属产品、材料。(2)提高金属矿物的利用率。(3)用其他材料代替金属材料,减少金属的使用量。(4)加强金属资源的回收和再利用。课堂合作探究【探究任务一】金属的冶炼【历史情境】“炉火照天地,红星乱紫烟。赧郎明月夜,歌曲动寒川。”该诗是李白《秋浦歌》中的一首。描写的就是我国古代劳动人民冶炼金属的热烈场面。金属冶炼技术最早起源于我国。考古发现,300多年前我国古代民间工匠们就掌握了用炭与氧化铜发生反应得到铜的金属冶炼技术。【问题探究】1.金属冶炼原理(1)所有金属单质必须通过化学反应才能获得吗?提示:不一定。有些金属在自然界中以游离态存在,不必通过化学反应获得,比如金、铂等通过物理方法获得。(2)利用化合物冶炼金属时,金属元素一定发生还原反应吗?提示:一定。因为在化合物中金属元素一定为正价,变为单质时化合价降低,得电子,发生还原反应。2.金属的冶炼方法(1)为什么冶炼镁时不能使用MgO,冶炼铝时不能使用AlCl3?提示:因为氧化镁熔点太高,不易熔化,所以不用,而氯化镁熔点低,易熔化且熔化后易电离出自由移动的阴、阳离子,所以用氯化镁;氯化铝是共价化合物,熔化时不能电离出自由移动的阴、阳离子,所以不能使用,只能用熔点较高的氧化铝。(2)用热还原法冶炼金属时,常见的还原剂有哪些?提示:H2、CO、焦炭、铝粉等。(3)用电解法冶炼活泼金属(如Na、Mg、Al等),能否电解该金属的盐溶液?提示:不能。应电解该金属的熔融化合物。(4)“火法炼铜”与“湿法炼铜”的反应原理是什么?各有何缺点?提示:火法炼铜:Cu2S+O22Cu+SO2湿法炼铜:Fe+CuSO4====FeSO4+Cu火法炼铜会产生大量污染性气体(SO2);湿法炼铜制得的铜不纯,且废液污染环境。高温====3.迁移应用从石器、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。如图表示了3种金属被人类开发利用的大致年限。这3种金属的应用之所以有先后,主要取决于什么?提示:主要取决于金属的活泼性,在金属活动性顺序表中,越靠后的金属出现的年代越早,越靠前的金属出现越晚,说明金属越活泼,越难冶炼。【探究总结】金属冶炼方法的选择冶炼方法与金属活动性的关系。根据金属活动顺序表,一般情况下选择以下四种冶炼方法:(1)前5种金属(即从K到Al)应选择电解法冶炼,因为它们的活泼性特别强,一般还原剂很难把它们从化合物中还原出来。(2)从Zn到Cu这5种金属一般选择热还原法。虽然它们的性质也比较活泼,但可以找到合适的还原剂把它们从化合物中还原出来;常见的还原剂有H2、CO、焦炭等。(3)Hg和Ag活泼性较弱,其阳离子有较强的氧化性,比较容易得到电子,一般选择对它们的氧化物进行加热分解的方法冶炼。(4)Pt和Au在自然界中以单质形式存在,可以选用物理分离的方法把它们提纯出来。【拓展提升】几种热还原法的比较1.分类:2.优缺点:优点缺点H2还原法金属的纯度高工业成本高CO和C还原法工业成本低产生的CO会污染环境;金属的纯度低铝热法可以冶炼熔点高、难以冶炼的金属工业成本较高【探究特训】1.(2020·潍坊高一检测)下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是 (

)【解题指南】解答本题应注意以下两点:(1)掌握湿法炼铜和火法炼铜。(2)氯化铝是共价化合物,冶炼铝时不能使用氯化铝。【解析】选C。活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼,较活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用热还原法冶炼,不活泼金属Hg、Ag等用热分解法冶炼,故A、B、D项正确,C项错误。【延伸探究】(1)冶炼金属的过程中一定要加入还原剂吗?提示:不一定。如加热HgO就能得到金属汞,不用加入其他还原剂。(2)能否用铝热法冶炼金属镁?提示:镁的还原性大于铝,只能用电解法得到金属镁。2.(2020·包头高一检测)我国古代“药金”的冶炼方法是将炉甘石(ZnCO3)和赤铜矿(Cu2O)与木炭按一定的比例混合后加热至800℃,即可炼出闪烁似金子般光泽的“药金”。下列叙述正确的是 (

)A.“药金”实质上是铜锌合金B.冶炼炉中的炉甘石直接被木炭还原为锌C.用王水可区别黄金和“药金”D.用火焰灼烧不能区别黄金和“药金”【解析】选A。冶炼“药金”的相关反应的化学方程式为ZnCO3ZnO+CO2↑,2ZnO+C2Zn+CO2↑,2Cu2O+C4Cu+CO2↑,可知A项正确,B项错误。王水可以溶解黄金和“药金”,故C项错误。用火焰灼烧可以区别黄金和“药金”,因为高温下黄金跟空气不反应,而“药金”可以与空气反应,生成的CuO是黑色的,ZnO是白色的,总之,灼烧后的“药金”颜色有变化,故D项错误。高温====高温====高温====【补偿训练】

(2020·福州高一检测)下列有关金属冶炼的方法中叙述正确的是 (

)A.电解MgCl2水溶液制备金属MgB.利用铝热反应制备金属AlC.加热分解Fe2O3的方法制备金属铁D.用火法或湿法均可制备金属铜【解析】选D。应电解熔融的MgCl2冶炼Mg,A错误;铝热反应是Al和某些金属氧化物反应,B错误;铁的冶炼是用CO还原Fe2O3,C错误;Cu属于较活泼金属,可以采用火法或湿法冶炼,如CuO+COCu+CO2,Fe+CuSO4====FeSO4+Cu,D正确。△====3.根据如图所示一氧化碳还原铁的氧化物的实验装置,回答下列问题。(1)怎样知道硬质玻璃管中Fe2O3已开始发生反应?

。

(2)在a处点燃,可观察到什么现象?为什么要点燃?

__。

(3)实验结束时应注意的操作是________。

①先停止通入CO②先熄灭酒精灯,并继续通入CO③熄灭酒精灯,同时停止通入CO④先熄灭酒精灯,继续通入CO,并点燃排出的CO气体【解析】这是一个典型的CO还原金属氧化物的实验,利用气体的还原性来制得金属。答案:(1)当硬质玻璃管中红棕色物质开始变黑,b中澄清的石灰水开始变浑浊时,说明已开始发生反应(2)可看见淡蓝色的火焰;因CO有毒,为防止CO污染空气,必须点燃或用其他方法处理未反应的CO(3)④【探究任务二】铝热反应

【社会情境】铝热反应是以铝粉和氧化铁为主要反应物的放热反应。当温度超过1250℃时,铝粉激烈氧化,燃烧而放出大量热。这种放热反应的温度可达3000℃以上。铝热反应非常迅速,作用时间短。铝热反应原理可以应用在生产上,例如焊接钢轨、冶炼难熔金属、制作传统的烟火剂等。【问题探究】1.铝热反应的原理(1)只有铝粉与Fe2O3的反应才是铝热反应吗?提示:不是。铝粉与其他金属氧化物的反应都可以称为铝热反应。(2)铝可以与所有金属氧化物发生铝热反应吗?提示:不是。铝只能与活泼性比铝弱的金属的氧化物反应。如Al与MgO不反应。(3)铝热反应利用了铝的哪些性质?提示:利用了铝的强还原性、铝的熔点较低及反应放出大量的热等。(4)金属铝可用于还原哪些金属?能否利用铝热反应冶炼镁?提示:能冶炼活动性比铝差的难熔金属。不能利用铝热反应冶炼镁,原因是Mg比Al活泼。2.铝热反应的实验实验操作

实验现象(1)镁带剧烈燃烧。(2)铝热剂发生剧烈反应,发出耀眼白光,放出大量的热。(3)纸漏斗下部烧穿,有红热的熔融物落入细沙上,冷却后变为黑色固体。原理镁带燃烧,放出大量的热;KClO3在受热状态下发生分解产生O2,使镁条剧烈燃烧,使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应:2Al+Fe2O32Fe+Al2O3,生成的铁在高温下呈熔化状态。高温====(1)铝热反应需要高温条件,是否需要持续加热?提示:不需要。因该反应能放出大量热,一旦反应开始,本身释放的热量即可满足进一步发生反应所需要的高温条件。(2)蒸发皿中铺少量细沙的作用是什么?提示:防止熔融物炸裂蒸发皿。(3)引发铝热反应的实验操作是________。

提示:在铝热剂上放KClO3,插入镁条并将镁条点燃。(4)铝热剂中,Fe2O3与Al的质量比为多少最好?提示:Fe2O3和Al恰好完全反应时原料的利用率最高,为最合适的比例。根据化学反应方程式Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3可知,Fe2O3和Al的物质的量之比为1∶2,故质量之比为160∶54,约3∶1。高温====【探究总结】铝热反应实验的注意事项1.镁带要打磨净表面的氧化膜,否则难以点燃。2.氧化铁粉末要干燥,铝粉没有被氧化,否则难以反应。3.要保证纸漏斗重叠时四周均为四层,且内层纸漏斗一定要用水润湿,以防高温物质从四周溅出。4.因为铝热反应是一个典型的放热反应,反应中放出的大量热量能够使铁熔化,所以要垫细沙,这样做的目的一是防止蒸发皿炸裂,二是防止熔融的金属溅出伤人。5.实验装置应远离人群和易燃物。【拓展提升】计算铝热反应中铝的消耗量的两种解法解法一:写出并配平化学方程式,根据方程式进行计算。4Al+3MnO22Al2O3+3Mn2Al+WO3Al2O3+WCr2O3+2AlAl2O3+2Cr3Fe3O4+8Al4Al2O3+9Fe高温====高温====高温====高温====解法二:可以根据电子守恒法进行计算,但关键是准确得到该氧化物中金属元素的化合价,准确求出反应前后化合价的差值。利用该法计算的公式为氧化剂的物质的量×(高价-低价)=还原剂的物质的量×(高价-低价)MnO2～Mn～4e-～

Al设制得1molMn需消耗Al的物质的量为n则1mol×(4-0)=n×(3-0),则n=

molWO3～W～6e-～2Al设制得1molW需消耗Al的物质的量为n则1mol×(6-0)=n×(3-0),则n=2mol

Cr2O3～Cr～3e-～Al设制得1molCr需消耗Al的物质的量为n则1mol×(3-0)=n×(3-0),则n=1mol

Fe3O4～Fe～

e-～

Al设制得1molFe需消耗Al的物质的量为n则1mol×(

-0)=n×(3-0),则n=

mol【探究特训】1.下列金属①铁、②钙、③锰、④钒、⑤铬,可用铝热法制备的有 (

)A.①②④

B.①②③⑤C.①③④⑤ D.①②③④⑤【解析】选C。可用铝热法制备的金属通常具有较高的熔点,且不能比铝活泼。2.(2020·扬州高一检测)金属铝质轻且有良好的防腐蚀性,在国防工业中有非常重要的应用。完成下列问题:(1)镓(Ga)与铝同主族,镓的氯化物与氨水反应的化学方程式:_______________________________________________________________。

(2)用铝和金属氧化物反应制备金属单质是工业上较常用的方法。如:2Al+4BaO3Ba↑+BaO·Al2O3高温====常温下Al的金属性比Ba的金属性________(填“强”或“弱”)。利用上述方法可制取Ba的主要原因是_______。

a.高温时Al的活泼性大于Bab.高温有利于BaO分解c.高温时BaO·Al2O3比Al2O3稳定d.Ba的沸点比Al的低【方法技巧】有些很活泼的金属也可以用还原法来冶炼,如Na+KCl

K↑+NaCl、2RbCl+Mg

MgCl2+2Rb↑等,主要运用了化学平衡移动原理,利用K、Rb沸点低,气化离开反应体系,使化学反应得以向正反应方向进行。【解析】(1)由AlCl3与NH3·H2O的反应可推出化学方程式。(2)依据元素周期律可知Al的金属性弱于Mg,Mg的金属性弱于Ba。应从化学平衡移动的观点分析此反应发生的原因。答案:(1)GaCl3+3NH3·H2O====Ga(OH)3↓+3NH4Cl

(2)弱d【补偿训练】

1.铝热剂并不单指Fe2O3与铝粉的混合物,实际上铝粉可以与许多金属氧化物配成铝热剂。如铝粉与Fe3O4、V2O5或MnO2等均可发生铝热反应。(1)写出上述铝热反应的化学方程式:①______________________________________________________________;

②______________________________________________________________;

③____________________________________________________________。

(2)据上述反应可总结出铝热反应的特点:①铝热反应实际上属于四大基本反应类型中的________,其中铝表现了其________性,作________剂;②铝热反应常用于冶炼金属性比铝________(填“强”或“弱”)的金属。

【解析】铝热反应的实质是在较高温度下,用较活泼的还原剂铝,把活泼性相对弱的金属从其氧化物中还原出来。答案:(1)①8Al+3Fe3O44Al2O3+9Fe②10Al+3V2O55Al2O3+6V③4Al+3MnO22Al2O3+3Mn(2)①置换反应还原还原②弱高温====高温====高温====2.粉末状试样A是由等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物。进行如下实验:①取适量A进行铝热反应,产物中有单质B生成;②另取20gA全部溶于0.15L6.0mol·L-1盐酸中,得溶液C;③将①中得到的单质B和溶液C反应,放出1.12L(标准状况)气体,同时生成溶液D,还残留有固体物质B;④用KSCN溶液检验时,溶液D不变色。请填空:(1)①引发铝热反应的实验操作是__________________,产物中单质B是________________(填化学式)。

(2)②中所发生的各反应的化学方程式为__________________________、______________________。

(3)③中所发生的各反应的离子方程式为________________________、________________________。

(4)若溶液D的体积仍视为0.15L,则该溶液中c(Mg2+)为________

____,c(Fe2+)为__________

____。

【解析】MgO不能与铝发生置换反应,所以①发生的反应是Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3。②中发生的反应是Fe2O3+6HCl====2FeCl3+3H2O,MgO+2HCl====MgCl2+H2O。③中发生的反应是Fe+2FeCl3====

3FeCl2,Fe+2HCl====

FeCl2+H2↑。④中加入KSCN溶液不变色,说明Fe3+完全被还原为Fe2+,溶液D为MgCl2、FeCl2的混合液。高温====根据题意假设20gA中MgO和Fe2O3的物质的量均为x,则40g·mol-1x+160g·mol-1x=20g,解得x=0.1mol。溶液中Mg2+的物质的量等于MgO的物质的量,c(Mg2+)=0.67mol·L-1,反应后原加入的盐酸中的Cl-全部转移到FeCl2和MgCl2中,Cl-守恒,所以溶液D中:n(Cl-)=n(Mg2+)×2+n(Fe2+)×2=6.0mol·L-1×0.15L=0.9mol,n(Fe2+)=0.35mol,所以c(Fe2+)=2.3mol·L-1。答案:(1)加少量KClO3,插上镁带并将其点燃Fe(2)Fe2O3+6HCl====2FeCl3+3H2OMgO+2HCl====

MgCl2+H2O(3)Fe+2Fe3+====

3Fe2+

Fe+2H+====

Fe2++H2↑(4)0.67mol·L-1

2.3mol·L-13.用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状,套在一起,使四周都有四层滤纸。把内层滤纸取出,在底部剪一个小孔,用水润湿,再跟另一纸漏斗套在一起,架在铁圈上,下面放置一盛沙的蒸发皿。把5g干燥的氧化铁粉末和2g铝粉混合均匀,放在纸漏斗中,上面加少量氯酸钾并在混合物中间插一根镁条,用小木条点燃镁条,观察发生的现象。通过以上实验信息,回答下列问题:(1)写出该反应的化学方程式:________________,在该反应中__________是氧化剂,__________是还原剂,该反应称为________________反应。

(2)选出该实验的实验现象(填写在横线上):__________________________。

①镁条剧烈燃烧;②放出大量的热,并发出耀眼的光芒,火星四射;③纸漏斗的下部被烧穿;④有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上,液珠冷却后变为黑色固体。(3)写出下列操作或物质的作用:内层纸漏斗底部剪一个孔:______________;蒸发皿盛沙:______________;镁条:______________;氯酸钾:______________。

【解析】(1)铝热反应为2Al+Fe2O32Fe+Al2O3,该反应中Fe2O3作氧化剂,Al作还原剂。(2)①②③④全为该铝热反应的现象。(3)铝热反应实验中为使熔融物易落下,通常在内层纸漏斗底部剪一个孔;为防止溅落物炸裂蒸发皿,蒸发皿内盛沙子;反应中镁条引起氯酸钾分解;氯酸钾引发铝热反应。答案:(1)2Al+Fe2O32Fe+Al2O3

Fe2O3

Al铝热(2)①②③④(3)使熔融物易于落下防止溅落物炸裂蒸发皿引起氯酸钾分解引发铝热反应高温====高温====课堂素养达标1.(2020·吉林高一检测)常言道“真金不怕火炼”,从化学的角度对这句话的理解正确的是 (

)A.金的熔点高,难熔化B.金的化学性质稳定,不易变质C.金越炼越纯D.金的硬度大,高温下难变形【解析】选B。金的熔点并不很高,硬度也不是很大,很易加工成各种形状的装饰品,“真金不怕火炼”的真正意义是其化学性质稳定,高温熔化再冷却后仍然是金。2.(2020·沈阳高一检测)下列金属冶炼的反应原理,错误的是 (

)A.高炉炼铁:Fe2O3+3CO2Fe+3CO2B.火法炼铜:Cu2S+O22Cu+SO2C.铝的冶炼:Al2O3+3H22Al+3H2OD.铝热法炼铁:Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3高温====高温====高温====高温====【解析】选C。高炉炼铁是用CO高温还原氧化铁,反应方程式是Fe2O3+3CO2Fe+3CO2,故A正确;火法炼铜是以硫化亚铜精矿为主要原料,硫化亚铜高温条件下与氧气反应生成铜和二氧化硫,反应方程式是Cu2S+O22Cu+SO2,故B正确;工业上用电解熔融氧化铝的方法冶炼金属铝,反应方程式是2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑,故C错误;铝热法炼铁是用铝高温还原氧化铁,反应方程式是Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3,故D正确。高温====高温====高温====【补偿训练】下列关于自然界存在的矿物及对应的冶炼方法错误的是 (

)A.磁铁矿(Fe3O4)精选后可以用铝进行冶炼B.辉铜矿(Cu2S)精选后在高温下通入空气进行冶炼C.铝土矿(Al2O3)在熔融条件下加入冰晶石进行冶炼D.黄铁矿(FeS2)燃烧后的固体可用焦炭进行冶炼【解析】选C。电解氧化铝制备金属铝时,要加入冰晶石,使氧化铝在较低温度下熔化,而不是在熔融条件下加入冰晶石进行冶炼,故C错误。3.(2020·龙岩高一检测)铝热反应是以铝粉和氧化铁为主要反应物的放热反应。铝热反应的实验装置如图。其实验原理为镁带燃烧,放出大量的热;KClO3在受热条件下分解产生O2,使镁带剧烈燃烧,使氧化铁粉末和铝粉末在高温下发生反应生成铁。下列有关铝热反应的说法中错误的是 (

)A.铝热反应常用于野外焊接钢轨B.铝热反应可用于冶炼某些高熔点金属C.该实验证明金属性:Mg>Al>FeD.该实验至少涉及三个氧化还原反应【解析】选C。Al与氧化铁发生反应2Al+Fe2O32Fe+Al2O3,则铝热反应常用于野外焊接钢轨,故A正确;铝具有强还原性,高温下,能还原某些金属氧化物,所以可以通过铝热反应冶炼某些高熔点金属,故B正确;该实验可以证明金属性Al>Fe,但无法证明Mg、Al的金属性强弱,故C错误;Mg的燃烧、氯酸钾在高温下分解及铝热反应中存在元素化合价变化,所以该实验至少涉及三个氧化还原反应,故D正确。高温====4.(双选)著名丹麦物理学家玻尔在二战中,被迫离开将要被德国占领的祖国。他为了表达一定要返回祖国的决心,将他钟爱的金制诺贝尔奖章用王水溶解成“金溶液”,装在玻璃瓶中,放在柜面上。化学方程式可简单表示为Au+HNO3+3HClAuCl3+NO↑+