2024-2025学年高中化学第四章化学与自然资源的开发利用第一节1金属矿物的开发利用学案新人教版必修2

PAGE11-第四章化学与自然资源的开发利用第一节开发利用金属矿物和海水资源[激趣导读]中国古代炼丹家以丹砂(硫化汞)、雄黄(硫化砷)等为原料，企图制得仙丹，再点石成金，服用仙丹或以金银为皿，均使人永不老死。西洋人也仿效于暗室或洞窟，单身寡居致力于炼金术。一两千年过去了，死于仙丹不乏其人，点石成金终成泡影，金丹的炼制终因徒劳无功而无影无踪。中外古代炼金术士毕生从事化学试验，为何终一事无成？因其违反科学规律开发利用资源！[目标]1.驾驭金属冶炼的一般原理，了解适用于不同金属的冶炼方法。2．以金属矿物的开发和利用为例，相识化学方法在实现物质间转化中的作用，体会爱护金属资源的重要性。3．驾驭从海水中分别出化工原料的原理和方法。4．了解海水资源开发和利用的前景及化学在其中可以发挥的作用。第1课时金属矿物的开发利用一、金属元素的存在金属元素在自然界中的存在形态除了金、铂等少数金属以游离态外，绝大多数金属以化合态形式存在于自然界，在这些化合物中金属元素都显正价。二、金属的冶炼1．(1)金属的冶炼是指将金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程。(2)金属活动性依次为K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au。(3)金属冶炼的常用方法有热分解法、热还原法、电解法。(4)铝热反应是指铝粉与某些金属氧化物在较高温度下，发生猛烈反应并放出大量的热的化学反应，用途为焊接钢轨、冶炼难熔金属。2．由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的实力也就不同，因此必需采纳不同的冶炼方法。(1)热分解法：适用于冶炼金属活动性较差的金属，如汞和银。(2)热还原法：用还原剂(C、CO、H2、Al等)还原金属氧化物，适合于金属活动性介于Mg～Cu之间的大多数金属的冶炼。如：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋3CO22CuO＋Ceq\o(=,\s\up15(高温))2Cu＋CO2↑2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up15(高温))2Cr＋Al2O3WO3＋3H2eq\o(=,\s\up15(高温))W＋3H2O这类金属中若金属以硫化物或碳酸盐形式存在时，首先将其转化成氧化物后再还原，如：2ZnS＋3O2eq\o(=,\s\up15(高温))2ZnO＋2SO22ZnO＋Ceq\o(=,\s\up15(高温))2Zn＋CO2↑(3)电解法：适合冶炼金属活动性很强的金属(一般是在金属活动依次表中排在铝前边的金属)。如：2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(电解),\s\do15(冰晶石))4Al＋3O2↑MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up15(电解))Mg＋Cl2↑3．合理开发和利用金属矿物资源地球上的金属矿物资源是有限的，我们必需学会合理开发和利用这些矿物资源。达到此目的的主要途径有：(1)有效地运用金属产品、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，削减金属的运用量；(4)加强金属资源的回收和再利用。探究点一金属的冶炼将矿石中的金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料，这一过程在工业上称为金属的冶炼。(1)金属冶炼的实质：Mn＋＋ne－=M。(2)金属冶炼的步骤：富集→冶炼→精炼。(3)金属冶炼的方法如下表所示。1.金属活动性依次与金属冶炼有什么关系？提示：在金属活动性依次表中，金属的位置越靠后，金属阳离子的氧化性越强，越简洁被还原，用一般的还原法就能使金属还原，如铜的还原；金属的位置越靠前，金属阳离子越难被还原，最活泼的金属只能用最强的还原手段(电解)使金属阳离子还原，如铝的冶炼。2．电解法冶炼活泼金属时，能电解其盐溶液吗？提示：不能，只能电解其熔融盐或氧化物或氢氧化物，电解其盐溶液时无法得到活泼金属单质。3．什么是湿法冶金？提示：利用溶液中发生的化学反应(如置换反应、氧化还原反应、中和反应、水解反应等)对原料中的金属进行提取和分别的冶炼过程，可用于提取铜、锌、铀及稀土金属等。如Fe＋CuSO4=Cu＋FeSO4。[例1]冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法；②水煤气(或H2或CO)法；③活泼金属置换法；④电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有：(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜。现代有：(Ⅲ)铝热法炼铬；(Ⅳ)从光卤石中炼镁。其中对它们的冶炼方法的分析中不正确的是()A．(Ⅰ)① B．(Ⅱ)②C．(Ⅲ)③ D．(Ⅳ)④[思路分析]解题时除了考查金属活动性外，还要留意题给信息中的关键点，如“火烧”示意加热，“湿法”示意在溶液中，“铝热”示意铝与其他相对活动性弱的金属共热等。[解析](Ⅰ)孔雀石的主要成分是碱式碳酸铜，灼热分解的产物CuO，可用①焦炭还原成Cu，Cu2(OH)2CO3eq\o(=,\s\up15(△))2CuO＋CO2↑＋H2O,2CuO＋Ceq\o(=,\s\up15(△))2Cu＋CO2↑，(Ⅱ)将铜盐溶液中的Cu2＋，用③活泼的金属置换出来：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu，(Ⅲ)将三氧化二铬中的铬，用③活泼金属Al置换出来：Cr2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高温))Al2O3＋2Cr，(Ⅳ)光卤石的主要成分是KCl·MgCl2·6H2O，从中得到MgCl2，再用④电解熔融的MgCl2得到Mg，MgCl2eq\o(=,\s\up15(通电))Mg＋Cl2↑。[答案]B下列金属冶炼的反应原理，错误的是(B)A．2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up15(通电))2Na＋Cl2↑B．MgO＋H2eq\o(=,\s\up15(△))Mg＋H2OC．Fe3O4＋4COeq\o(=,\s\up15(高温))3Fe＋4CO2D．2HgOeq\o(=,\s\up15(△))2Hg＋O2↑解析：Na、Mg很活泼，应用电解法，A正确，B错误；铁属较活泼金属，可用热还原法，C正确；较不活泼金属汞可用热分解法，D正确。探究点二铝热反应的原理和试验1．概念铝和金属氧化物在高温下发生猛烈反应并放出大量热的化学反应。2．原理Al作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用铝将氧化物中的金属置换出来。3．铝热剂铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。4．反应特点在高温下进行，反应快速并放出大量的热，新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分别。5．应用冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等。6．试验试验装置试验现象镁条猛烈燃烧，放出肯定的热，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生猛烈的反应；反应放出大量的热，并发出刺眼的白光；纸漏斗的下部被烧穿，有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙中；液体冷却后变为黑色固体，除去外层熔渣，细致视察，可以发觉落下的是铁珠试验分析镁条燃烧，放出肯定的热，KClO3作为助燃剂在受热状态下发生分解，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生猛烈的反应：2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋Al2O3，该反应放出大量的热使生成的铁在高温下呈熔化状态7.试验留意事项(1)镁条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，铝粉要没有被氧化，否则难以反应；(3)要保证纸漏斗重叠时四周均为四层，且内层纸漏斗肯定要用水润湿，以防高温物质从四周溅出；(4)蒸发皿中的细沙要适量，既要防止蒸发皿炸裂，又要防止熔融的液体溅出伤人；(5)试验装置要与人有肯定距离，防止人被烧伤。归纳拓展：1.Fe2O3与Al的反应叫做“铝热反应”，Fe2O3和Al的混合物叫做“铝热剂”。与三氧化二铁性质相像的氧化亚铁(FeO)、四氧化三铁(Fe3O4)、氧化铜(CuO)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二钒(V2O5)、三氧化二铬(Cr2O3)、二氧化锰(MnO2)、四氧化三钴(Co3O4)、三氧化钨(WO3)等氧化物，也都能与金属铝在高温下发生氧化还原反应，生成三氧化二铝和新的金属单质，放出大量的热，这样的反应都属于铝热反应。3Fe3O4＋8Aleq\o(=,\s\up15(高温))4Al2O3＋9Fe3CuO＋2Aleq\o(=,\s\up15(高温))Al2O3＋3Cu3MnO2＋4Aleq\o(=,\s\up15(高温))2Al2O3＋3Mn3V2O5＋10Aleq\o(=,\s\up15(高温))5Al2O3＋6V3Co3O4＋8Aleq\o(=,\s\up15(高温))4Al2O3＋9Co3TiO2＋4Aleq\o(=,\s\up15(高温))2Al2O3＋3TiCr2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高温))Al2O3＋2Cr2．铝热反应一般有两个方面的重要应用：一是冶炼高熔点的金属；二是焊接金属，如用Fe2O3和Al的混合物做焊药(“铝热剂”)焊接铁路钢轨等(如图)。铝热反应中引燃剂、助燃剂和铝热剂分别是什么？提示：引燃剂：镁条。助燃剂：氯酸钾。铝热剂：铝粉和金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)粉末组成的混合物。[例2]如图所示，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。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铝粉混合匀称，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。视察发生的现象。通过以上试验信息，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)选出该试验的试验现象(填写在横线上)：________。①镁条猛烈燃烧；②放出大量的热，并发出刺眼的光线，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＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋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)铝热反应试验中①为使熔融物易落下通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；②为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；③反应中镁条引起氯酸钾分解；④氯酸钾引发铝热反应。[答案](1)Fe2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高温))Al2O3＋2FeFe2O3Al铝热(2)①②③④(3)使熔融物易于落下防止溅落物炸裂蒸发皿Mg燃烧放出大量的热使氯酸钾分解引发铝热反应如图是铝热反应(2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高温))Al2O3＋2Fe)的试验装置，有关该反应的下列说法中正确的是(A)A．a为镁条B．b为氧化铁与铝粉混合物C．2mol氧化剂参加反应则转移6NA个电子D．还原剂与氧化产物的物质的量之比为12解析：a为镁条，起引燃作用，故A正确；b为氯酸钾，故B错误；在铝热反应中氧化剂是氧化铁，2mol氧化剂参加反应则转移12NA个电子，故C错误；该反应中还原剂是铝，氧化产物是氧化铝，还原剂和氧化产物的物质的量之比为21，故D错误。1．下表中金属的冶炼原理与方法对应不正确的是(C)冶炼原理方法A2HgOeq\o(=,\s\up15(加热))2Hg＋O2↑热分解法B2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(通电),\s\do15(冰晶石))4Al＋3O2↑电解法CCu2S＋O2eq\o(=,\s\up15(高温))2Cu＋SO2热分解法DFe2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋Al2O3热还原法解析：活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼，中等活泼金属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三项正确，C项错误。2．下列化工生产原理错误的是(A)①可以用电解熔融氯化钠的方法来制取金属钠②可以用钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁③炼铁高炉中所发生的反应都是放热的，故不须要加热A．②③ B．①③C．①②③ D．②解析：钠加入氯化镁饱和溶液中不会产生金属镁，因钠首先和水反应生成NaOH，进而生成Mg(OH)2沉淀；炼铁高炉中所发生的反应都是放热的，但并不是放热反应不须要加热就能进行，有些化学反应也须要加热才能进行。3．黄金是同学们所熟识的珍贵金属，它能溶解在“王水”里，反应的化学方程式为Au＋HNO3＋3HCl=AuCl3＋NO↑＋2H2O。已知AuCl3是可溶于水的，请运用类比的解题方法，推想下列说法中错误的是(D)A．由2AgCleq\o(=,\s\up15(△))2Ag＋Cl2↑，而Au不如银活泼，推知2AuCl3eq\o(=,\s\up15(△))2Au＋3Cl2↑B．由HgO受热分解可推知，2Au2O3eq\o(=,\s\up15(△))4Au＋3O2↑C．铁与氯化金溶液可以发生置换反应，化学方程式为3Fe＋2AuCl3=3FeCl2＋2AuD．电解法只能用来冶炼活泼金属K、Ca、Na等，电解熔融的AuCl3得不到黄金解析：利用金属活动性依次和类比的学习方法，可以推知A、B、C都正确；运用电解熔融AuCl3的方法能够得到黄金，但由于金的金属活动性比较差、性质稳定，在实际的工业生产中往往并不采纳电解法冶炼金。4．下列说法中，不正确的是(B)A．金属的冶炼原理，就是利用氧化还原反应原理，在肯定条件下将金属从其化合物中还原出来B．冶炼金属时，必需加入一种物质作为还原剂C．金属由化合态变为游离态，都是被还原D．金属单质被发觉和应用得越早，其活泼性一般较弱解析：金属的冶炼是将金属从其化合物中还原成金属单质的过程，故A项正确；有的物质在发生氧化还原反应冶炼金属的时候，自身既作氧化剂又作还原剂，不须要另加还原剂，如氧化汞制汞，故B项错误；金属在化合态中肯定显正价，当变成游离态后，化合价就变为0价，即被还原，故C项正确；金属被发觉和应用得越早，说明该金属在自然界存在游离态，人们简洁获得并利用它，从而也说明这些金属的活泼性一般是较弱的，故D项正确。5．工业上经常采纳下列几种方法冶炼金属：①热分解法；②热还原法；③电解法。这三种方法在工业上都有典型的应用实例：a.氧化汞制汞；b.铝热法炼铁；c.从氯化镁中炼镁。其中金属冶炼方法与应用实例对应关系不正确的是(B)A．a——①B．b——①C．b——②D．c——③解析：常用的三种冶炼金属的方法分别具有如下规律：热分解法适用于冶炼一些不活泼的金属，如Hg、Ag；热还原法适用于冶炼一些较活泼的金属，如Fe、Zn、Cr等；而电解法则适用于冶炼一些活泼金属，如Na、Mg、Al等。故本题中A、C、D项的对应关系是正确的，不正确的是B项。6．如图所示进行铝热反应：视察发生的现象，回答下列问题：(1)写出该反应的化学方程式：2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋Al2O3，在该反应中Fe2O3是氧化剂，Al是还原剂。(2)引发铝热反应的试验操作是加少量KClO3，插上镁带并将其点燃。(3)某同学为探讨该试验，查阅有关资料得到如下数据：物质AlAl2O3FeFe2O3熔点/℃660205415351462沸点/℃246729802750－①该同学推想，铝热反应所得到的熔融物是铁铝合金。理由是该反应放出的热量使铁熔化，而铝的熔点比铁低，此时液态的铁和铝熔合形成铁铝合金。你认为他的说明是否合理？合理(填“合理”或“不合理”)。②设计一个简洁的试验方案，证明