人教版-必修二-第八章 化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展-第一節(jié) 自然資源的開(kāi)發(fā)利用（區(qū)一等獎(jiǎng)）

《金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用》導(dǎo)學(xué)案目標(biāo)與素養(yǎng)1.了解金屬的存在形式、冶煉方法及原理。（宏觀辨識(shí)與模型認(rèn)知）2.掌握鋁熱反應(yīng)的原理、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用。（科學(xué)探究與社會(huì)責(zé)任）3.了解金屬回收和資源保護(hù)的意義。（科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任）自主預(yù)習(xí)一、金屬的存在1.地殼中含量最高的金屬元素是鋁，人類最早使用的金屬是銅，使用最廣泛的金屬是鐵。2.3.金屬活動(dòng)順序（從強(qiáng)到弱）表為K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb（H）、Cu、Hg、Ag、Pt、Au。二、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用1.金屬的冶煉（1）冶煉的原理①原理：將金屬?gòu)钠浠衔镏羞€原出來(lái)。②實(shí)質(zhì)：根據(jù)氧化還原反應(yīng)，使金屬礦物中的金屬陽(yáng)離子得到電子生成金屬單質(zhì)：Mn＋＋ne－=M。（2）冶煉方法①熱分解法適用于不活潑金屬的冶煉。如：：2HgOeq\o(=,\s\up9(△))2Hg＋O2↑（寫化學(xué)方程式，后同）。：2Ag2Oeq\o(=,\s\up9(△))4Ag＋O2↑。②電解法適用于非?；顫娊饘俚囊睙?。如：：2NaCl（熔融）eq\o(=,\s\up9(電解))2Na＋Cl2↑。：MgCl2（熔融）eq\o(=,\s\up9(電解))Mg＋Cl2↑。：2Al2O3（熔融）eq\o(=,\s\up9(電解),\s\do8(冰晶石))4Al＋3O2↑。③熱還原法適用于大多數(shù)中等活潑金屬的冶煉，常用的還原劑有C、H2、CO等。如：a.高爐煉鐵：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up9(高溫))2Fe＋3CO2。b.鋁熱法煉鐵：Fe2O3＋2Aleq\o(=,\s\up9(高溫))2Fe＋Al2O3。c.用氫氣還原氧化銅：CuO＋H2eq\o(=,\s\up9(△))Cu＋H2O。④其他方法a.火法煉銅：Cu2S＋O2eq\o(=,\s\up9(高溫))2Cu＋SO2。b.濕法煉銅：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu。2.金屬資源的合理開(kāi)發(fā)利用（1）合理開(kāi)發(fā)利用金屬資源的意義金屬礦物資源是不可再生資源且貯量有限，冶煉過(guò)程中會(huì)消耗大量能量，也易造成環(huán)境污染。故應(yīng)合理開(kāi)發(fā)利用金屬資源。（2）有效利用金屬資源的途徑①提高金屬礦物的利用率。②減少金屬的使用量。③加強(qiáng)金屬資源的回收和再利用。④使用其他材料代替金屬材料等。預(yù)習(xí)效果驗(yàn)收1.判斷對(duì)錯(cuò)（對(duì)的打“√”，錯(cuò)的打“×”）（1）金屬在自然界中的存在形式只有化合態(tài)沒(méi)有游離態(tài)（）（2）金屬冶煉的本質(zhì)是金屬化合物的金屬被氧化（）（3）金屬越活潑往往越難冶煉，發(fā)現(xiàn)的越晚（）（4）鋁的冶煉方法是電解熔融的AlCl3（）[提示]（1）×（2）×（3）√（4）×2.冶煉金屬常用以下幾種方法：①以C、CO或H2作還原劑還原。②用較活潑金屬Na、Mg等還原。③利用鋁熱反應(yīng)原理用Al還原。④電解法。⑤熱分解法。下列金屬各采用哪種方法還原最佳？（填序號(hào)）（1）Fe、Zn、Cu等中等活潑金屬________。（2）Na、Mg、Al等活潑或較活潑金屬________。（3）Hg、Ag等不活潑金屬________。（4）V、Cr、Mn、W等高熔點(diǎn)金屬________。[答案]（1）①（2）④（3）⑤（4）③核心突破1.金屬的冶煉原理金屬冶煉的實(shí)質(zhì)是使金屬化合物中的金屬陽(yáng)離子得到電子被還原為金屬單質(zhì)的過(guò)程，即：Mn＋＋ne－=M。2.金屬活動(dòng)性順序與金屬冶煉方法的關(guān)系活動(dòng)性順序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb（H）、CuHg、AgPt、Au單質(zhì)還原性（原子失電子能力）強(qiáng)→弱陽(yáng)離子氧化性（離子得電子能力）弱→強(qiáng)金屬冶煉方法電解熔融鹽或氧化物熱還原法熱分解法富集法還原劑或特殊措施直流電提供電子H2、CO、C、Al等，加熱（或高溫）加熱（或高溫）物理方法或化學(xué)方法3.熱還原法的優(yōu)缺點(diǎn)（1）用H2作還原劑時(shí)，生成產(chǎn)物H2O在高溫下以H2O（g）蒸發(fā)出去，使制得的金屬純度較高，但成本也較高。（2）用CO作還原劑冶煉金屬時(shí)，CO一般在冶煉爐中通過(guò)下列反應(yīng)生成：C＋O2eq\o(=,\s\up9(高溫))CO2，CO2＋Ceq\o(=,\s\up9(高溫))2CO，所以用CO還原法冶煉得到的金屬中混有雜質(zhì)C，純度不高。（3）用C作還原劑冶煉得到的金屬往往混有焦炭和碳化物，得不到純度較高的金屬。（4）用鋁熱反應(yīng)冶煉金屬，雖克服了被冶煉金屬及其氧化物熔點(diǎn)高、難冶煉的問(wèn)題，但是成本較高。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1.金屬材料在日常生活、生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，下列關(guān)于金屬的說(shuō)法不正確的是（）A.越活潑的金屬越難冶煉B.合金的性質(zhì)與其成分金屬的性質(zhì)不完全相同C.金屬冶煉的本質(zhì)是金屬陽(yáng)離子得到電子變成金屬原子D.工業(yè)上金屬M(fèi)g、Al都是用電解熔融的氯化物制得的答案：D[金屬冶煉的本質(zhì)是金屬陽(yáng)離子得到電子被還原成金屬原子，因此金屬越活潑，對(duì)應(yīng)金屬陽(yáng)離子氧化性越弱，則金屬越難冶煉，A、C正確；合金要比各成分金屬的熔、沸點(diǎn)低，硬度大，B正確；因AlCl3為共價(jià)化合物，其熔融態(tài)不導(dǎo)電，因此不能用電解AlCl3的方法來(lái)冶煉鋁，而通常用電解Al2O3的方法來(lái)冶煉鋁。]2.下列化工原理生產(chǎn)中錯(cuò)誤的是（）①可以用電解熔融氯化鈉的方法來(lái)制取金屬鈉②可以用鈉加入氯化鎂的飽和溶液中制取金屬鎂③工業(yè)上用電解熔融氧化鎂的方法制取金屬鎂A.②③ B.①③C.①②③ D.②答案：A[工業(yè)上一般采用電解熔融氯化鈉的方法冶煉金屬鈉；若將鈉加入氯化鎂溶液中，發(fā)生反應(yīng)：2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑，MgCl2＋2NaOH=Mg（OH）2↓＋2NaCl，所以不能冶煉金屬鎂；由于MgO、MgCl2均為離子化合物且熔點(diǎn)：MgCl2<MgO，所以工業(yè)上一般以MgCl2（熔融）為原料通過(guò)電解的方法冶煉金屬鎂。]鋁熱反應(yīng)的原理及其應(yīng)用概念鋁和金屬氧化物在高溫下發(fā)生劇烈反應(yīng)并放出大量熱的化學(xué)反應(yīng)原理Al作還原劑，另一種氧化物作氧化劑，用鋁將氧化物中的金屬置換出來(lái)鋁熱劑鋁粉和某些金屬氧化物（Fe2O3、Cr2O3、V2O5等）組成的混合物反應(yīng)特點(diǎn)在高溫下進(jìn)行，反應(yīng)迅速并放出大量的熱，新生成的金屬單質(zhì)呈熔融態(tài)且易與Al2O3分離應(yīng)用冶煉難熔的相對(duì)較不活潑的金屬，如V、Cr、Mn等；焊接鋼軌等科學(xué)探究——鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（1）鎂條劇烈燃燒；（2）氧化鐵粉末和鋁粉發(fā)生劇烈的反應(yīng)；（3）反應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)出耀眼的白光；（4）濾紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中實(shí)驗(yàn)結(jié)論在高溫下，鋁與Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱注意事項(xiàng)（1）鎂條要打磨凈表面的氧化膜，否則難以點(diǎn)燃（2）氧化鐵粉末要干燥，鋁粉要沒(méi)有被氧化，否則難以反應(yīng)（3）要保證紙漏斗重疊時(shí)四周均為四層，且內(nèi)層紙漏斗一定要用水潤(rùn)濕，以防高溫物質(zhì)從四周濺出（4）蒸發(fā)皿中的細(xì)沙要適量，既要防止蒸發(fā)皿炸裂，又要防止熔融的液體濺出傷人（5）實(shí)驗(yàn)裝置要與人有一定距離，防止人被燒傷微點(diǎn)撥：鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中鎂帶和氯酸鉀是引燃劑，鎂帶燃燒提供熱量，并促使KClO3發(fā)生分解；KClO3分解放出O2，鎂帶劇烈燃燒，單位時(shí)間內(nèi)放出更多的熱量，以引發(fā)Al與Fe2O3的反應(yīng)。3.下列對(duì)鋁熱反應(yīng)的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.鋁熱劑中還原劑是鋁粉B.鋁熱劑是純凈物C.鋁與Fe2O3可組成鋁熱劑D.鋁熱反應(yīng)是放熱反應(yīng)答案：B[Al和Fe2O3可組成鋁熱劑，屬于混合物，其中鋁作還原劑，鋁熱反應(yīng)是放熱反應(yīng)。]4.如圖為鋁熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：（1）該實(shí)驗(yàn)裝置中還缺________。引發(fā)鋁熱反應(yīng)的操作為_(kāi)________________________________________________________________________________________。（2）若將氧化鐵換成氧化鎂，該反應(yīng)________（填“能”或“不能”）發(fā)生，理由是__________________________________________。（3）鋁熱反應(yīng)的用途有哪些_______________________________________________________________________________________。[解析]（1）利用鎂帶燃燒放熱從而引發(fā)鋁熱反應(yīng)，同時(shí)促使KClO3分解產(chǎn)生O2，使鎂帶快速燃燒。（2）Mg比Al活潑，Al不能從MgO中置換出Mg。[答案]（1）鎂帶和氯酸鉀在混合物中間插一根鎂帶，將氯酸鉀放在混合物上鎂帶的周圍，點(diǎn)燃鎂帶（2）不能鎂比鋁活潑，鋁不能置換鎂（3）用于焊接鋼軌；冶煉某些熔點(diǎn)高的金屬（答案合理即可）當(dāng)堂達(dá)標(biāo)1.下列說(shuō)法不正確的是（）A.自然界中的金屬均以游離態(tài)存在B.金屬活動(dòng)性不同，冶煉方法也有所不同C.地球上金屬礦物資源是有限的，因此，應(yīng)提高金屬礦物的利用率D.廢舊金屬的回收利用，有利于環(huán)境保護(hù)答案：A2.下列說(shuō)法中正確的是（）A.金屬的冶煉都是把金屬單質(zhì)從其礦物中分離出來(lái)B.金屬冶煉過(guò)程中，被冶煉的金屬一定被氧化C.金屬冶煉過(guò)程中，被冶煉的金屬一定被還原D.金屬冶煉過(guò)程中，被冶煉的金屬既可被氧化，也可被還原答案：C[金屬的冶煉是將金屬?gòu)钠浠衔镏羞€原出來(lái)，金屬在化合物中只能顯正價(jià)。冶煉時(shí)化合價(jià)只可能降低，被還原。]3.下表中金屬的冶煉原理與方法不完全正確的是（）選項(xiàng)冶煉原理方法A2HgOeq\o(=,\s\up9(△))2Hg＋O2↑熱分解法B2Al2O3（熔融）eq\o(=,\s\up9(電解),\s\do8(冰晶石))4Al＋3O2↑電解法CCu2S＋O2eq\o(=,\s\up9(高溫))2Cu＋SO2熱分解法DFe2O3＋2Aleq\o(=,\s\up9(高溫))2Fe＋Al2O3熱還原法答案：C[熱分解法是指不活潑金屬化合物加熱分解得到金屬，不是與O2反應(yīng)。]4.如圖是鋁熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，有關(guān)該反應(yīng)的下列說(shuō)法中一定正確的是（）為鎂條為氧化鐵與鋁粉的混合物mol氧化劑參與反應(yīng)則電子轉(zhuǎn)移6NA個(gè)（設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)）D.還原劑與氧化產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶2答案：A[鋁與氧化鐵的鋁熱反應(yīng)為2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up9(高溫))Al2O3＋2Fe。A項(xiàng)，a為鎂條，起引燃作用，正確；B項(xiàng)，b為氯酸鉀，作氧化劑，以保證鎂條的繼續(xù)燃燒，同時(shí)放出足夠的熱量引發(fā)氧化鐵和鋁粉的反應(yīng)，其中c為氧化物與鋁粉的混合物，錯(cuò)誤；C項(xiàng)，2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up9(高溫))Al2O3＋2Fe，該反應(yīng)中氧化劑是氧化鐵，2mol氧化劑參與反應(yīng)則電子轉(zhuǎn)移12NA個(gè)，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，該反應(yīng)中還原劑是鋁，氧化產(chǎn)物是氧化鋁，還原劑和氧化產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為2∶1，錯(cuò)誤。]5.鐵是應(yīng)用最廣泛的金屬，自遠(yuǎn)古時(shí)代人類就學(xué)會(huì)了煉鐵，到目前為止，人類研制出了很多煉鐵的方法。某研究性學(xué)習(xí)小組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中模擬工業(yè)煉鐵的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：（1）寫出得到單質(zhì)鐵的化學(xué)方程式：______________________________________________________________________________。（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中看到玻璃管內(nèi)的粉末由紅棕色逐漸變黑，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證生成了單質(zhì)鐵：__________________________________________________________________________________________。（3）裝置末端氣球的作用：________________________________。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)該先停止加熱還是先停止通入CO，原因是什么？____________________________________________________________________________________________________。解析：（