高二化學(xué)第二冊教師用書：金屬礦物的開發(fā)利用含解析

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第八章化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展第一節(jié)自然資源的開發(fā)利用第1課時金屬礦物的開發(fā)利用課前自主預(yù)習(xí)一、金屬元素的存在金屬元素在自然界中的存在形態(tài)除了金、鉑等少數(shù)金屬以游離態(tài)外，絕大多數(shù)金屬以化合態(tài)形式存在于自然界，在這些化合物中金屬元素都顯正價。二、金屬的冶煉1．(1)金屬的冶煉是指將金屬從其化合物中還原出來用于生產(chǎn)和制造各種金屬材料的過程。(2）金屬活動性順序為K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb（H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au。（3)金屬冶煉的常用方法有熱分解法、熱還原法、電解法。(4）鋁熱反應(yīng)是指鋁粉與某些金屬氧化物在較高溫度下，發(fā)生劇烈反應(yīng)并放出大量的熱的化學(xué)反應(yīng),用途為焊接鋼軌、冶煉難熔金屬。2．由于金屬的化學(xué)活動性不同，金屬離子得到電子還原成金屬原子的能力也就不同，因此必須采用不同的冶煉方法.（1)熱分解法：適用于冶煉金屬活動性較差的金屬，如汞和銀。（2）熱還原法：用還原劑（C、CO、H2、Al等）還原金屬氧化物，適合于金屬活動性介于Zn～Cu之間的大多數(shù)金屬的冶煉。如：Fe2O3＋3COeq\o(=，\s\up17(高溫））2Fe＋3CO22CuO＋Ceq\o(=,\s\up17(高溫）)2Cu＋CO2↑2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up17(高溫））2Cr＋Al2O3WO3＋3H2eq\o(=，\s\up17（高溫)）W＋3H2O這類金屬中若金屬以硫化物或碳酸鹽形式存在時,首先將其轉(zhuǎn)化成氧化物后再還原，如:2ZnS＋3O2eq\o(=，\s\up17（高溫）)2ZnO＋2SO22ZnO＋Ceq\o（=,\s\up17(高溫)）2Zn＋CO2↑（3)電解法：適合冶煉金屬活動性很強的金屬(一般是在金屬活動順序表中排在鋁前邊的金屬)。如：2NaCl（熔融）eq\o（=,\s\up17(電解))2Na＋Cl2↑2Al2O3（熔融)eq\o(=,\s\up17（電解），\s\do15(冰晶石）)4Al＋3O2↑MgCl2(熔融）eq\o(=,\s\up17（電解））Mg＋Cl2↑3．合理開發(fā)和利用金屬礦物資源地球上的金屬礦物資源是有限的,我們必須學(xué)會合理開發(fā)和利用這些礦物資源。達到此目的的主要途徑有：(1）有效地使用金屬產(chǎn)品、材料；(2）提高金屬礦物的利用率；(3）用其他材料代替金屬材料，減少金屬的使用量;(4）加強金屬資源的回收和再利用。課堂互動探究金屬的冶煉將礦石中的金屬從其化合物中還原出來用于生產(chǎn)和制造各種金屬材料，這一過程在工業(yè)上稱為金屬的冶煉。（1）金屬冶煉的實質(zhì)：Mn＋＋ne－=M。(2）金屬冶煉的步驟：富集→冶煉→精煉。（3）金屬冶煉的方法如下表所示。鋁熱反應(yīng)的原理和實驗1．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)。2．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。3．鋁熱劑鋁粉和某些金屬氧化物（Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)組成的混合物。4．反應(yīng)特點在高溫下進行，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。5．應(yīng)用冶煉難熔的相對較不活潑的金屬，如V、Cr、Mn等;焊接鋼軌等。6．實驗典例題組訓(xùn)練題組一金屬的冶煉1．冶煉金屬一般有下列四種方法：①焦炭法;②水煤氣（或H2或CO)法；③活潑金屬置換法；④電解法.四種方法在工業(yè)上均有應(yīng)用。古代有:（Ⅰ）火燒孔雀石煉銅；（Ⅱ）濕法煉銅.現(xiàn)代有：(Ⅲ）鋁熱法煉鉻；（Ⅳ)從光鹵石中煉鎂。其中對它們的冶煉方法的分析中不正確的是（B）A．（Ⅰ)① B．(Ⅱ)②C．(Ⅲ)③ D．（Ⅳ）④解析：(Ⅰ)孔雀石的主要成分是堿式碳酸銅，灼熱分解的產(chǎn)物CuO，可用①焦炭還原成Cu，Cu2(OH）2CO3eq\o（=，\s\up17（△)）2CuO＋CO2↑＋H2O，2CuO＋Ceq\o（=，\s\up17（△））2Cu＋CO2↑,（Ⅱ）將銅鹽溶液中的Cu2＋,用③活潑的金屬置換出來：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu，(Ⅲ)將三氧化二鉻中的鉻，用③活潑金屬Al置換出來：Cr2O3＋2Aleq\o(=,\s\up17(高溫）)Al2O3＋2Cr，(Ⅳ)光鹵石的主要成分是KCl·MgCl2·6H2O，從中得到MgCl2，再用④電解熔融的MgCl2得到Mg，MgCl2(熔融)eq\o(=，\s\up17（通電）)Mg＋Cl2↑。2．（雙選）下列金屬冶煉的反應(yīng)原理，錯誤的是（AB)A．2AlCl3（熔融)eq\o(=，\s\up17(通電))2Al＋3Cl2↑B．MgO＋H2eq\o（=，\s\up17(△））Mg＋H2OC．Fe3O4＋4COeq\o（=,\s\up17(高溫）)3Fe＋4CO2D．2HgOeq\o(=,\s\up17(△))2Hg＋O2↑解析：Al、Mg很活潑，應(yīng)用電解法，但應(yīng)該選用電解Al2O3的方法制備Al，A錯誤，B錯誤；鐵屬較活潑金屬，可用熱還原法,C正確；較不活潑金屬汞可用熱分解法，D正確。(1）金屬冶煉與金屬活動性的關(guān)系:(2)熱還原法中使用的還原劑通常是碳單質(zhì)、一氧化碳和氫氣等。在高爐煉鐵中，加入的還原劑是焦炭,但真正作還原劑的是CO。題組二鋁熱反應(yīng)3．如圖所示，用兩張圓形濾紙分別折疊成漏斗狀,套在一起，使四周都有四層。把內(nèi)層濾紙取出，在底部剪一個小孔，用水潤濕，再跟另一紙漏斗套在一起,架在鐵圈上,下面放置一盛沙的蒸發(fā)皿。把5g干燥的氧化鐵粉末和2g鋁粉混合均勻，放在紙漏斗中,上面加少量氯酸鉀并在混合物中間插一根鎂條，用小木條點燃鎂條。觀察發(fā)生的現(xiàn)象。通過以上實驗信息，回答下列問題：（1）寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：Fe2O3＋2Aleq\o(=，\s\up17(高溫））Al2O3＋2Fe，在該反應(yīng)中Fe2O3是氧化劑，Al是還原劑,該反應(yīng)稱為鋁熱反應(yīng)。(2)選出該實驗的實驗現(xiàn)象(填寫在橫線上）：①②③④。①鎂條劇烈燃燒;②放出大量的熱,并發(fā)出耀眼的光芒，火星四射;③紙漏斗的下部被燒穿;④有紅熱狀態(tài)的液珠落入蒸發(fā)皿內(nèi)的細沙上，液珠冷卻后變?yōu)楹谏腆w。（3)寫出下列操作或物質(zhì)的作用：內(nèi)層紙漏斗底部剪一個孔：使熔融物易于落下；蒸發(fā)皿盛沙：防止濺落物炸裂蒸發(fā)皿；鎂條：Mg燃燒放出大量的熱使氯酸鉀分解;氯酸鉀：引發(fā)鋁熱反應(yīng)。解析：（1）鋁熱反應(yīng)為2Al＋Fe2O3eq\o(=，\s\up17（高溫)）2Fe＋Al2O3，該反應(yīng)中Fe2O3作氧化劑，Al作還原劑。(2)①②③④全為該鋁熱反應(yīng)的現(xiàn)象。(3）鋁熱反應(yīng)實驗中①為使熔融物易落下通常在內(nèi)層紙漏斗底部剪一個孔；②為防止濺落物炸裂蒸發(fā)皿，蒸發(fā)皿內(nèi)盛沙子;③反應(yīng)中鎂條引起氯酸鉀分解；④氯酸鉀引發(fā)鋁熱反應(yīng)。4.如圖是鋁熱反應(yīng)(2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up17（高溫）)Al2O3＋2Fe）的實驗裝置,有關(guān)該反應(yīng)的下列說法中正確的是（AB）A．a(chǎn)為鎂條B．b為KClO3C．2mol氧化劑參與反應(yīng)則轉(zhuǎn)移6NA個電子D．還原劑與氧化產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為12解析：a為鎂條，起引燃作用，故A正確;b為氯酸鉀，故B正確；在鋁熱反應(yīng)中氧化劑是氧化鐵，2mol氧化劑參與反應(yīng)則轉(zhuǎn)移12NA個電子，故C錯誤；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21，故D錯誤。(1）Fe2O3與Al的反應(yīng)叫做“鋁熱反應(yīng)”，F(xiàn)e2O3和Al的混合物叫做“鋁熱劑”。與三氧化二鐵性質(zhì)相似的氧化亞鐵（FeO）、四氧化三鐵（Fe3O4)、氧化銅（CuO）、二氧化鈦(TiO2)、五氧化二釩(V2O5）、三氧化二鉻(Cr2O3)、二氧化錳（MnO2）、四氧化三鈷(Co3O4）、三氧化鎢(WO3）等氧化物，也都能與金屬鋁在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成三氧化二鋁和新的金屬單質(zhì)，放出大量的熱,這樣的反應(yīng)都屬于鋁熱反應(yīng)。3Fe3O4＋8Aleq\o（=,\s\up17(高溫）)4Al2O3＋9Fe3CuO＋2Aleq\o（=，\s\up17（高溫）)Al2O3＋3Cu3MnO2＋4Aleq\o（=,\s\up17（高溫））2Al2O3＋3Mn3V2O5＋10Aleq\o（=,\s\up17(高溫）)5Al2O3＋6V3Co3O4＋8Aleq\o（=,\s\up17(高溫)）4Al2O3＋9Co3TiO2＋4Aleq\o(=,\s\up17(高溫))2Al2O3＋3TiCr2O3＋2Aleq\o(=,\s\up17(高溫)）Al2O3＋2Cr(2)鋁熱反應(yīng)一般有兩個方面的重要應(yīng)用：一是冶煉高熔點的金屬；二是焊接金屬，如用Fe2O3和Al的混合物做焊藥(“鋁熱劑”）焊接鐵路鋼軌等(如圖)。核心素養(yǎng)金屬冶煉的方法提醒：①冶煉Mg時電解熔融MgCl2而不電解MgO，原因是MgO的熔點高，熔融時耗費更多能源，增加生產(chǎn)成本.②冶煉Al時只能電解熔融Al2O3而不能電解AlCl3，原因是AlCl3是共價化合物，熔融態(tài)不導(dǎo)電；加入冰晶石(Na3AlF6）的目的是降低Al2O3的熔化溫度.③用熱還原法得到的銅還要經(jīng)過電解精煉才能得到精銅?！纠?】下表中金屬的冶煉原理與方法不完全正確的是()選項冶煉原理方法A2HgOeq\o（=，\s\up17(△））2Hg＋O2↑熱分解法B2Al2O3(熔融)eq\o(=，\s\up17(電解),\s\do15（冰晶石））4Al＋3O2↑電解法(續(xù)表)選項冶煉原理方法CCu2S＋O2eq\o(=,\s\up17（高溫)）2Cu＋SO2熱分解法DFe2O3＋3COeq\o（=,\s\up17（高溫）)2Fe＋3CO2熱還原法【解析】Hg為不活潑金屬，可以直接用加熱分解的方法將金屬從其化合物中還原出來,A正確；Al為活潑金屬，通常用電解熔融的金屬化合物的方法冶煉,但氧化鋁的熔點較高，加入冰晶石的目的是降低熔點,B正確;Cu2S＋O2eq\o(=,\s\up17（高溫）)2Cu＋SO2,該反應(yīng)不屬于分解反應(yīng)，所以采用的不是熱分解法,C錯誤；高溫下用CO作還原劑冶煉鐵，屬于熱還原法,D正確.【答案】C【例2】(雙選)科學(xué)家研制出了一種新型的貯氫材料，這種鎂鋁合金的成分可表示為Mg17Al12;其貯氫和釋氫的原理可表示為Mg17Al12＋17H2eq\o(,\s\up17(貯氫），\s\do15(釋氫)）17MgH2＋12Al,下列有關(guān)說法正確的是（）A．Mg17Al12是合金而不是離子化合物B．為