金屬礦物的開發(fā)利用

成才之路·化學(xué)(huàxué)路漫漫其修遠(yuǎn)兮吾將上下而求索人教版·必修(bìxiū)②共六十三頁化學(xué)(huàxué)與自然資源的開發(fā)利用第四章共六十三頁金屬在自然界中的分布很廣，無論是礦物，還是動植物體內(nèi)，或多或少地都含有金屬元素。由于不同金屬的化學(xué)活動性相差很大，因此，它們在自然界中的存在形式也各不相同。少數(shù)化學(xué)性質(zhì)不活潑的金屬，在自然界中能以游離態(tài)存在，如金和鉑以及少量的銀和銅。化學(xué)性質(zhì)比較活潑的金屬，在自然界中總是以化合態(tài)存在?；瘜W(xué)要研究如何合理、高效地利用這些金屬礦物，將其中(qízhōng)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。共六十三頁地球上的金屬礦物資源是有限的，金屬冶煉常會消耗許多能量，也易造成環(huán)境污染。我們必須學(xué)會合理開發(fā)和利用這些礦物資源，有效地使用金屬產(chǎn)品、材料，主要的途徑有提高金屬礦物的利用率，減少金屬的使用量，加強(qiáng)金屬資源的回收和再利用，使用其他材料代替金屬材料等。20世紀(jì)90年代提出的“綠色化學(xué)”概念，要求利用可再生的原料生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品，保護(hù)(bǎohù)生態(tài)環(huán)境；化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程應(yīng)該是環(huán)境友好的，不產(chǎn)生危害環(huán)境的廢棄物，實(shí)行清潔生產(chǎn)，為社會提供有益無害的化學(xué)產(chǎn)品。共六十三頁有機(jī)反應(yīng)往往產(chǎn)生副產(chǎn)物和廢棄物，對環(huán)境造成污染。將原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)零排放是化學(xué)家的理想，這就是“原子經(jīng)濟(jì)性”。現(xiàn)在有的反應(yīng)的原子利用率已經(jīng)達(dá)到100%，一個經(jīng)典的例子就是環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)。原工藝使用的氯乙醇法，要用氯氣并產(chǎn)生大量氯化鈣，原子利用率只有25%；現(xiàn)在用銀催化氧化乙烯，原子利用率達(dá)100%。提高有機(jī)反應(yīng)的原子利用率應(yīng)從選擇新原料、采用新型催化劑、改用新的反應(yīng)路線等方面不斷地探索(tànsuǒ)。按照可持續(xù)發(fā)展的要求，有機(jī)化學(xué)還有許多要研究和解決的問題。從反應(yīng)原料到反應(yīng)產(chǎn)品，從反應(yīng)條件到反應(yīng)路線，將原來依賴礦物資源轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)生物質(zhì)資源的新路線。共六十三頁第一節(jié)開發(fā)利用金屬(jīnshǔ)礦物和海水資源第1課時(shí)金屬礦物的開發(fā)利用第四章共六十三頁新知識·預(yù)習(xí)探究2新思維·名師講堂3新考題·隨堂自測4新視點(diǎn)·專家博客6新提升·達(dá)標(biāo)作業(yè)5新情境·激趣入題1共六十三頁新情境·激趣入題共六十三頁現(xiàn)在我們家庭中大多都是不銹鋼或陶瓷餐具，鋁制餐具已逐漸退出，但在鋁剛被提煉出來的19世紀(jì)，拿破侖大宴賓客及大臣時(shí)，其他人用銀做的餐具而他自己卻用鋁做的餐具。1889年，德國著名的化學(xué)家門捷列夫到英國倫敦訪問和講學(xué)，英國科學(xué)家為表彰他在化學(xué)上的杰出貢獻(xiàn)，尤其是在發(fā)現(xiàn)元素周期律和建立元素周期表上的貢獻(xiàn)，贈給他一件貴重(guìzhòng)的獎品，就是用金和鋁制成的一架天平。為什么在地殼中含量比鐵還多的金屬鋁，在19世紀(jì)比金還貴重(guìzhòng)呢？共六十三頁隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，各種各樣的金屬應(yīng)用越來越廣，但絕大多數(shù)的金屬元素以化合物的形式存在(cúnzài)于自然界的金屬礦物中。那么，怎樣從金屬礦物中得到金屬呢？不同的金屬冶煉方法是否相同呢？共六十三頁新知識·預(yù)習(xí)探究共六十三頁●學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解金屬在自然界中的存在形式。2．掌握金屬的冶煉方法。3．掌握鋁熱反應(yīng)原理及實(shí)驗(yàn)步驟。4．了解金屬回收和資源保護(hù)的意義。5．認(rèn)識(rènshi)和體會化學(xué)在自然資源開發(fā)和利用中的意義和作用。共六十三頁●新知預(yù)習(xí)1．金屬在自然界中存在(cúnzài)的形態(tài)除了________、__________等極少數(shù)金屬以外，絕大多數(shù)金屬以__________的形式存在于大自然中。金鉑化合物共六十三頁金屬(jīnshǔ)化合物還原(huányuán)金屬的冶煉不活潑共六十三頁(2)電解法適用(shìyòng)于__________金屬的冶煉。①冶煉金屬鈉：_________________________________；②冶煉金屬鎂：_________________________________；③冶煉金屬鋁：_________________________________。非常(fēicháng)活潑共六十三頁(3)高溫還原法適用于大多數(shù)中等活潑的金屬(jīnshǔ)的冶煉，常用的還原劑有______________________________等。①高爐煉鐵：____________________________；②鋁熱反應(yīng)煉鐵：____________________________；③用氫氣還原氧化銅：__________________________。焦炭、一氧化碳(yīyǎnghuàtàn)、氫氣共六十三頁3．有效利用金屬資源(zīyuán)的途徑(1)提高金屬礦物的__________；(2)減少金屬的__________；(3)加強(qiáng)金屬資源的______________；(4)使用__________代替金屬材料。利用率使用量回收(huíshōu)和再利用其他材料共六十三頁●自主探究1．金屬的冶煉必須在高溫下進(jìn)行嗎？提示：不一定，加熱法冶煉金屬是因?yàn)檫@些化合物不穩(wěn)定，受熱易分解，這就不需太高的溫度，而熱還原法往往在高溫下進(jìn)行，電解法要看被電解物質(zhì)的具體情況。很活潑的金屬要電解熔化物，就要高溫。有的是電解某些溶液(róngyè)，如電解精煉銅，對溶液(róngyè)電解則不需高溫。共六十三頁2．不同的金屬元素，將其由化合態(tài)還原為游離態(tài)的難易程度是否相同？簡要分析其中的關(guān)系提示：不同的金屬元素，將其由化合態(tài)還原為游離態(tài)的難易程度是不相同的，有的還差別很大。金屬元素的原子失電子越容易，該金屬元素的陽離子(或正價(jià)態(tài)原子)得電子就越難；相反(xiāngfǎn)，金屬元素的原子失去電子越難，該金屬元素的陽離子(或正價(jià)態(tài)原子)得電子就越容易。不同的金屬元素，其金屬性(原子失去電子的能力)不同，因此，將不同的金屬元素由化合態(tài)還原為游離態(tài)的難易程度不同，有的甚至差別很大。共六十三頁新思維·名師講堂共六十三頁●教材(jiàocái)點(diǎn)撥1．金屬元素的存在除金、鉑等極少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)金屬元素以化合物的形式存在于自然界。2．金屬的冶煉金屬(jīnshǔ)礦物的開發(fā)利用共六十三頁3．從金屬(jīnshǔ)礦物中提煉金屬(jīnshǔ)的一般步驟共六十三頁溫馨提示：熱分解法要求原料物質(zhì)熱穩(wěn)定性比較差，同時(shí)所冶煉的金屬活潑性也較差，否則金屬又會被氧化了，所以一般只適用于金屬活動性順序(shùnxù)表中氫(H)以后的金屬。共六十三頁共六十三頁溫馨提示：①②兩種方法成本雖然低，但是煉得的金屬純度較低，金屬中都會混進(jìn)雜質(zhì)碳元素；③④兩種方法煉得的金屬純度高，③適用于冶煉高溫(gāowēn)下不與水反應(yīng)的金屬，④適用于高熔點(diǎn)、較不活潑的金屬，但③④成本較高。共六十三頁共六十三頁溫馨提示：①在金屬活動性順序表中，金屬的位置越靠前，金屬陽離子的氧化性越弱，越難被還原，最活潑的金屬只能用最強(qiáng)的還原手段(電解)還原，人們開發(fā)利用的時(shí)間也就較晚。②工業(yè)上采用電解法冶煉鋁和鎂的原料分別為Al2O3和MgCl2，而不是AlCl3和MgO，這是因?yàn)锳lCl3是共價(jià)(ɡònɡjià)化合物，熔融時(shí)無法電離出自由移動的離子，不導(dǎo)電，而MgO雖是離子化合物，但其熔點(diǎn)太高，電解時(shí)會消耗大量電能，成本較高。共六十三頁③選擇金屬的冶煉方法與金屬在自然界中存在的狀態(tài)(zhuàngtài)、金屬活動性等因素有關(guān)。下面是幾種金屬的冶煉方法：金屬活動性順序KCaNaMgAlZnFeSnPbCuHgAgPtAu性質(zhì)變化規(guī)律元素的金屬性逐漸減弱，單質(zhì)的還原性逐漸減弱，離子的氧化性逐漸增強(qiáng)自然界中存在形式只以化合態(tài)存在多數(shù)以化合態(tài)存在，極少數(shù)以游離態(tài)存在以游離態(tài)存在冶煉方法電解熔融物電解或還原劑還原富集共六十三頁5.合理開發(fā)和利用金屬礦物(kuàngwù)資源共六十三頁 (2015·河北棗強(qiáng)中學(xué)高一期末)下列有關(guān)金屬的工業(yè)制法中，正確的是()A．煉銅：用黃銅礦(主要成分為CuFeS2)直接電解(diànjiě)精煉得到純度為99.9%的銅B．制鋁：工業(yè)上電解熔融氯化鋁來制備鋁C．制鈉：電解飽和NaCl溶液D．煉鐵：用CO在高溫下還原鐵礦石中的鐵●典例透析共六十三頁【解析】電解精煉銅時(shí)用粗銅作陽極，純銅做陰極，硫酸銅做電解液進(jìn)行電解，A錯；工業(yè)上電解熔融(róngróng)的氧化鋁，B錯；制取鈉的時(shí)候電解的是熔融(róngróng)的氯化鈉，C錯；D對?！敬鸢浮?/p>

D共六十三頁共六十三頁【解析】A．工業(yè)上電解熔融的氯化鎂來制取金屬M(fèi)g，錯誤(cuòwù)；B.鈣的工業(yè)制法與鎂相似，電解熔融的氯化鈣，錯誤(cuòwù)；C.工業(yè)制取Mn用還原法，單質(zhì)Al與二氧化錳發(fā)生置換反應(yīng)，正確；D.汞單質(zhì)的制取用加熱分解法，分解HgO得到Hg單質(zhì)，錯誤(cuòwù)，答案選C?！敬鸢浮?/p>

C共六十三頁●教材點(diǎn)撥1．鋁熱反應(yīng)的定義：鋁和金屬(jīnshǔ)氧化物在高溫下發(fā)生反應(yīng)并放出大量熱的化學(xué)反應(yīng)。2．鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究(1)實(shí)驗(yàn)步驟①把兩張圓形濾紙分別折疊成漏斗狀套在一起，內(nèi)層漏斗底部剪一個小孔后用水潤濕。并架在鐵圈上；②將5g炒干的Fe2O3粉末和2g鋁粉混勻后放入紙漏斗中，在混合物上面加少量KClO3固體。中間插一根用砂紙打磨過的鎂條；③用燃著的小木條點(diǎn)燃鎂條，觀察現(xiàn)象。鋁熱反應(yīng)及金屬(jīnshǔ)的回收利用共六十三頁(2)鋁熱反應(yīng)的裝置(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：Mg條劇烈(jùliè)燃燒，氧化鐵粉末和鋁粉發(fā)生劇烈(jùliè)反應(yīng)，放出大量的熱，發(fā)出耀眼的強(qiáng)光，紙漏斗被燒穿，熔融物落入沙中，冷卻后觀察為鐵珠。共六十三頁共六十三頁3．金屬冶煉的規(guī)律金屬冶煉的實(shí)質(zhì)是將金屬陽離子采用不同的方法還原為金屬單質(zhì)，金屬的活動性不同，可以采用不同的冶煉方法。溫馨提示：(1)由于生產(chǎn)(shēngchǎn)條件不同，同種金屬可能有多種冶煉方法，但冶煉方法的總趨勢是：金屬活動性順序中，金屬的位置越靠后，越易被還原，越靠前，越難被還原。最活潑的金屬只能用最強(qiáng)的還原手段(電解法來還原)。共六十三頁共六十三頁4．金屬的回收和資源保護(hù)(1)地球上金屬礦產(chǎn)資源的存量與人類(rénlèi)需求的矛盾地球上的金屬礦產(chǎn)資源是有限的，而且是不可再生的，隨著人類不斷開發(fā)利用，礦產(chǎn)資源將會日漸減少，地球上金屬礦產(chǎn)資源的存量與人類需求的矛盾日益突出。(2)金屬制品在使用過程中的變化金屬制品在使用過程中會被腐蝕或損壞，同時(shí)由于生產(chǎn)的發(fā)展，新的產(chǎn)品要不斷替代舊的產(chǎn)品，因而每年就有大量廢舊金屬產(chǎn)生，廢舊金屬是一種固體廢棄物，會污染環(huán)境。共六十三頁(3)金屬回收的意義把廢舊金屬作為一種資源，加以(jiāyǐ)回收利用。這樣做，既防止污染環(huán)境，又緩解了資源短缺的矛盾。據(jù)估算，回收一個鋁制飲料罐比制造一個新鋁制飲料罐便宜20%，而且可以節(jié)約95%的能源?；厥盏膹U舊金屬，大部分可以重新制成金屬或它們的化合物再用。例如，廢舊鋼鐵可以用于煉鋼，廢鐵屑可以用于制鐵鹽，從電解精煉銅的陽極泥中，可回收金、銀等貴重金屬，從電影業(yè)、照相業(yè)、科研單位和醫(yī)院X光室回收的定影液中，可以提取金屬銀。共六十三頁共六十三頁通過以上實(shí)驗(yàn)信息，回答下列問題：(1)寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：_______________，在該反應(yīng)中________是氧化劑，________是還原劑，該反應(yīng)稱為________反應(yīng)。(2)選出該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(填寫在橫線上)：________________________________________。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(lòudǒu)的下部被燒穿；④有紅熱狀態(tài)的液球落入蒸發(fā)皿內(nèi)的細(xì)沙上，液球冷卻后變?yōu)楹谏腆w。共六十三頁(3)寫出下列操作或物質(zhì)的作用：內(nèi)層紙漏斗(lòudǒu)底部剪一個孔：______；蒸發(fā)皿盛沙：________；鎂條：________；氯酸鉀：________。共六十三頁共六十三頁【解析】該反應(yīng)的模式是鋁熱反應(yīng)，可利用(lìyòng)鋁熱反應(yīng)冶煉金屬Fe、Cr、Mn等難熔金屬，不能冶煉比鋁更活潑的金屬。【答案】

B共六十三頁新考題·隨堂自測共六十三頁1．(2015·北京市懷柔區(qū)高三4月模擬)從石器、青銅器到鐵器時(shí)代，金屬的冶煉體現(xiàn)了人類文明的發(fā)展水平。如圖表示了三種金屬被人類開發(fā)利用的大致年限，金屬被利用年限的先后主要取決于()A．金屬的導(dǎo)電性強(qiáng)弱 B．金屬在地殼中的含量多少C．金屬的化合價(jià)高低 D．金屬的活動性強(qiáng)弱【解析】金屬的活動性強(qiáng)弱決定(juédìng)了金屬冶煉的先后?！敬鸢浮?/p>

D共六十三頁2．(2015·浙江省臺州中學(xué)高一統(tǒng)練)下列反應(yīng)中，通過(tōngguò)置換反應(yīng)得到金屬單質(zhì)的是()A．銅浸入氯化鐵溶液中B．一氧化碳通過熾熱的氧化銅C．焦炭與石英混合高溫加熱D．四氯化鈦與金屬鈉混合加熱至熔融共六十三頁【解析】置換反應(yīng)為單質(zhì)(dānzhì)與化合物反應(yīng)生成新的單質(zhì)(dānzhì)、化合物，A.銅浸入氯化鐵溶液中發(fā)生反應(yīng)：Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋，不屬于置換反應(yīng)A項(xiàng)錯誤；B.一氧化碳通過熾熱的氧化銅發(fā)生一氧化碳還原氧化銅得到金屬銅，但不是置換反應(yīng)，B項(xiàng)錯誤；C.焦炭與石英混合高溫加熱用碳還原制得硅，屬于置換反應(yīng)但不是制備的金屬單質(zhì)，故C項(xiàng)錯誤；D.四氯化鈦與金屬鈉混合加熱至熔融是利用鈉還原制得金屬鈦，屬于置換反應(yīng)，D項(xiàng)正確?！敬鸢浮?/p>

D共六十三頁3．(2015·浙江省諸暨中學(xué)高三期中)金屬(jīnshǔ)冶煉一般有下列四種方法：①焦炭法②水煤氣(或H2、CO)法③活潑金屬置換法④電解法。這四種方法在工業(yè)上均有應(yīng)用。古代有：(Ⅰ)火燒孔雀石煉銅；(Ⅱ)濕法煉銅?，F(xiàn)代有：(Ⅲ)鋁熱法煉鉻；(Ⅳ)從光鹵石中煉鎂。對它們的冶煉方法的分析，不正確的是()A．(Ⅰ)，① B．(Ⅱ)，②C．(Ⅲ)，③ D．(Ⅳ)，④共六十三頁【解析】A．火燒(huǒshɑo)孔雀石是采用的焦炭法來冶煉金屬，用①，故A正確；B.濕法煉銅是采用金屬置換法來冶煉銅，用③，故B錯誤；C.鋁熱反應(yīng)是金屬置換法冶煉金屬的，用③，故C正確；D.金屬鎂是電解熔融的氯化鎂來冶煉金屬鎂的，用④，故D正確，故選B。【答案】

B共六十三頁4．(2015·湖北省黃岡中學(xué)高三期中)下列有關(guān)金屬冶煉說法不正確(zhèngquè)的是()A．電解飽和NaCl溶液制備NaB．電解熔融的MgCl2制備MgC．CO還原赤鐵礦(Fe2O3)可用于煉鐵D．Fe和CuSO4溶液的反應(yīng)可用于濕法煉銅共六十三頁【解析(jiěxī)】A．電解飽和氯化鈉溶液得到的氫氣、氯氣、氫氧化鈉，不能得到Na單質(zhì)；B.電解熔融的氯化鎂可以制取Mg，正確；C.CO具有還原性，可以還原金屬氧化物為金屬單質(zhì)，正確；D.Fe與硫酸銅發(fā)生置換反應(yīng)得到Cu單質(zhì)，被稱為濕法煉銅，正確，答案選A?！敬鸢浮?/p>

A共六十三頁5．(2015·經(jīng)典習(xí)題選萃)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。四種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在工業(yè)上均有應(yīng)用。(1)一種無色氣體A與紅熱的炭反應(yīng)(fǎnyìng)，得到另一種無色氣體B，B與灼熱的氧化銅反應(yīng)(fǎnyìng)，又得到A，則A、B分別為________(填序號)。A．O2、CO2 B．O2、COC．CO2、CO D．CO、CO2共六十三頁(2)下列說法錯誤的是________(填序號)。A．對廢舊金屬的最好處理方法是回收、再利用B．提煉金屬要經(jīng)過(jīngguò)礦石的富集、冶煉、精煉三步C．活潑金屬的冶煉都是通過電解其鹽溶液制得D．熱還原法中還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣或活潑金屬等共六十三頁共六十三頁【答案(dáàn)】

(1)C

(2)C

(3)A共六十三頁新提升·達(dá)標(biāo)作業(yè)共六十三頁新視點(diǎn)·專家博客共六十三頁鋁的冶煉史1825年，丹麥的奧斯特分離出少量的純鋁。1827年，德國化學(xué)家維勒用金屬(jīnshǔ)鉀與無水氯化鋁反應(yīng)而制得了鋁。但是鉀太昂貴了，所以不允許大規(guī)模地生產(chǎn)鋁。又過了27年，法國化學(xué)家德維爾用金屬(jīnshǔ)鈉與無水氯化鋁一起加熱而獲得閃著金屬(jīnshǔ)光澤的小鋁球