2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第四章化學(xué)與自然資源的開發(fā)利用第一節(jié)1金屬礦物的開發(fā)利用學(xué)案新人教版必修2

PAGE11-第四章化學(xué)與自然資源的開發(fā)利用第一節(jié)開發(fā)利用金屬礦物和海水資源[激趣導(dǎo)讀]中國古代煉丹家以丹砂(硫化汞)、雄黃(硫化砷)等為原料，企圖制得仙丹，再點石成金，服用仙丹或以金銀為皿，均使人永不老死。西洋人也仿效于暗室或洞窟，單身寡居致力于煉金術(shù)。一兩千年過去了，死于仙丹不乏其人，點石成金終成泡影，金丹的煉制終因徒勞無功而無影無蹤。中外古代煉金術(shù)士畢生從事化學(xué)試驗，為何終一事無成？因其違反科學(xué)規(guī)律開發(fā)利用資源！[目標(biāo)]1.駕馭金屬冶煉的一般原理，了解適用于不同金屬的冶煉方法。2．以金屬礦物的開發(fā)和利用為例，相識化學(xué)方法在實現(xiàn)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化中的作用，體會愛護(hù)金屬資源的重要性。3．駕馭從海水中分別出化工原料的原理和方法。4．了解海水資源開發(fā)和利用的前景及化學(xué)在其中可以發(fā)揮的作用。第1課時金屬礦物的開發(fā)利用一、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)金屬活動性依次為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)生猛烈反應(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實力也就不同，因此必需采納不同的冶煉方法。(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Mg～Cu之間的大多數(shù)金屬的冶煉。如：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up15(高溫))2Fe＋3CO22CuO＋Ceq\o(=,\s\up15(高溫))2Cu＋CO2↑2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up15(高溫))2Cr＋Al2O3WO3＋3H2eq\o(=,\s\up15(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\up15(高溫))2ZnO＋2SO22ZnO＋Ceq\o(=,\s\up15(高溫))2Zn＋CO2↑(3)電解法：適合冶煉金屬活動性很強(qiáng)的金屬(一般是在金屬活動依次表中排在鋁前邊的金屬)。如：2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(電解),\s\do15(冰晶石))4Al＋3O2↑MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up15(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，我們必需學(xué)會合理開發(fā)和利用這些礦物資源。達(dá)到此目的的主要途徑有：(1)有效地運(yùn)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，削減金屬的運(yùn)用量；(4)加強(qiáng)金屬資源的回收和再利用。探究點一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。1.金屬活動性依次與金屬冶煉有什么關(guān)系？提示：在金屬活動性依次表中，金屬的位置越靠后，金屬陽離子的氧化性越強(qiáng)，越簡潔被還原，用一般的還原法就能使金屬還原，如銅的還原；金屬的位置越靠前，金屬陽離子越難被還原，最活潑的金屬只能用最強(qiáng)的還原手段(電解)使金屬陽離子還原，如鋁的冶煉。2．電解法冶煉活潑金屬時，能電解其鹽溶液嗎？提示：不能，只能電解其熔融鹽或氧化物或氫氧化物，電解其鹽溶液時無法得到活潑金屬單質(zhì)。3．什么是濕法冶金？提示：利用溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)(如置換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、中和反應(yīng)、水解反應(yīng)等)對原料中的金屬進(jìn)行提取和分別的冶煉過程，可用于提取銅、鋅、鈾及稀土金屬等。如Fe＋CuSO4=Cu＋FeSO4。[例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?，F(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()A．(Ⅰ)① B．(Ⅱ)②C．(Ⅲ)③ D．(Ⅳ)④[思路分析]解題時除了考查金屬活動性外，還要留意題給信息中的關(guān)鍵點，如“火燒”示意加熱，“濕法”示意在溶液中，“鋁熱”示意鋁與其他相對活動性弱的金屬共熱等。[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\up15(△))2CuO＋CO2↑＋H2O,2CuO＋Ceq\o(=,\s\up15(△))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\up15(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，MgCl2eq\o(=,\s\up15(通電))Mg＋Cl2↑。[答案]B下列金屬冶煉的反應(yīng)原理，錯誤的是(B)A．2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up15(通電))2Na＋Cl2↑B．MgO＋H2eq\o(=,\s\up15(△))Mg＋H2OC．Fe3O4＋4COeq\o(=,\s\up15(高溫))3Fe＋4CO2D．2HgOeq\o(=,\s\up15(△))2Hg＋O2↑解析：Na、Mg很活潑，應(yīng)用電解法，A正確，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。探究點二鋁熱反應(yīng)的原理和試驗1．概念鋁和金屬氧化物在高溫下發(fā)生猛烈反應(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(jìn)行，反應(yīng)快速并放出大量的熱，新生成的金屬單質(zhì)呈熔融態(tài)且易與Al2O3分別。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．試驗試驗裝置試驗現(xiàn)象鎂條猛烈燃燒，放出肯定的熱，使氧化鐵粉末和鋁粉在較高溫度下發(fā)生猛烈的反應(yīng)；反應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)出刺眼的白光；紙漏斗的下部被燒穿，有紅熱狀態(tài)的液珠落入蒸發(fā)皿內(nèi)的細(xì)沙中；液體冷卻后變?yōu)楹谏腆w，除去外層熔渣，細(xì)致視察，可以發(fā)覺落下的是鐵珠試驗分析鎂條燃燒，放出肯定的熱，KClO3作為助燃劑在受熱狀態(tài)下發(fā)生分解，使氧化鐵粉末和鋁粉在較高溫度下發(fā)生猛烈的反應(yīng)：2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高溫))2Fe＋Al2O3，該反應(yīng)放出大量的熱使生成的鐵在高溫下呈熔化狀態(tài)7.試驗留意事項(1)鎂條要打磨凈表面的氧化膜，否則難以點燃；(2)氧化鐵粉末要干燥，鋁粉要沒有被氧化，否則難以反應(yīng)；(3)要保證紙漏斗重疊時四周均為四層，且內(nèi)層紙漏斗肯定要用水潤濕，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)試驗裝置要與人有肯定距離，防止人被燒傷。歸納拓展：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)相像的氧化亞鐵(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\up15(高溫))4Al2O3＋9Fe3CuO＋2Aleq\o(=,\s\up15(高溫))Al2O3＋3Cu3MnO2＋4Aleq\o(=,\s\up15(高溫))2Al2O3＋3Mn3V2O5＋10Aleq\o(=,\s\up15(高溫))5Al2O3＋6V3Co3O4＋8Aleq\o(=,\s\up15(高溫))4Al2O3＋9Co3TiO2＋4Aleq\o(=,\s\up15(高溫))2Al2O3＋3TiCr2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高溫))Al2O3＋2Cr2．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)。鋁熱反應(yīng)中引燃劑、助燃劑和鋁熱劑分別是什么？提示：引燃劑：鎂條。助燃劑：氯酸鉀。鋁熱劑：鋁粉和金屬氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)粉末組成的混合物。[例2]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鋁粉混合勻稱，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。視察發(fā)生的現(xiàn)象。通過以上試驗信息，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)選出該試驗的試驗現(xiàn)象(填寫在橫線上)：________。①鎂條猛烈燃燒；②放出大量的熱，并發(fā)出刺眼的光線，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(xì)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：________________；蒸發(fā)皿盛沙：__________________；鎂條：__________________；氯酸鉀：__________________。[解析](1)鋁熱反應(yīng)為2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(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)試驗中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)。[答案](1)Fe2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高溫))Al2O3＋2FeFe2O3Al鋁熱(2)①②③④(3)使熔融物易于落下防止濺落物炸裂蒸發(fā)皿Mg燃燒放出大量的熱使氯酸鉀分解引發(fā)鋁熱反應(yīng)如圖是鋁熱反應(yīng)(2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高溫))Al2O3＋2Fe)的試驗裝置，有關(guān)該反應(yīng)的下列說法中正確的是(A)A．a(chǎn)為鎂條B．b為氧化鐵與鋁粉混合物C．2mol氧化劑參加反應(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錯誤；在鋁熱反應(yīng)中氧化劑是氧化鐵，2mol氧化劑參加反應(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．下表中金屬的冶煉原理與方法對應(yīng)不正確的是(C)冶煉原理方法A2HgOeq\o(=,\s\up15(加熱))2Hg＋O2↑熱分解法B2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(通電),\s\do15(冰晶石))4Al＋3O2↑電解法CCu2S＋O2eq\o(=,\s\up15(高溫))2Cu＋SO2熱分解法DFe2O3＋2Aleq\o(=,\s\up15(高溫))2Fe＋Al2O3熱還原法解析：活潑金屬K、Ca、Na、Mg、Al等用電解法冶煉，中等活潑金屬Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用熱還原法冶煉，不活潑金屬Hg、Ag等用熱分解法冶煉，故A、B、D三項正確，C項錯誤。2．下列化工生產(chǎn)原理錯誤的是(A)①可以用電解熔融氯化鈉的方法來制取金屬鈉②可以用鈉加入氯化鎂飽和溶液中制取鎂③煉鐵高爐中所發(fā)生的反應(yīng)都是放熱的，故不須要加熱A．②③ B．①③C．①②③ D．②解析：鈉加入氯化鎂飽和溶液中不會產(chǎn)生金屬鎂，因鈉首先和水反應(yīng)生成NaOH，進(jìn)而生成Mg(OH)2沉淀；煉鐵高爐中所發(fā)生的反應(yīng)都是放熱的，但并不是放熱反應(yīng)不須要加熱就能進(jìn)行，有些化學(xué)反應(yīng)也須要加熱才能進(jìn)行。3．黃金是同學(xué)們所熟識的珍貴金屬，它能溶解在“王水”里，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Au＋HNO3＋3HCl=AuCl3＋NO↑＋2H2O。已知AuCl3是可溶于水的，請運(yùn)用類比的解題方法，推想下列說法中錯誤的是(D)A．由2AgCleq\o(=,\s\up15(△))2Ag＋Cl2↑，而Au不如銀活潑，推知2AuCl3eq\o(=,\s\up15(△))2Au＋3Cl2↑B．由HgO受熱分解可推知，2Au2O3eq\o(=,\s\up15(△))4Au＋3O2↑C．鐵與氯化金溶液可以發(fā)生置換反應(yīng)，化學(xué)方程式為3Fe＋2AuCl3=3FeCl2＋2AuD．電解法只能用來冶煉活潑金屬K、Ca、Na等，電解熔融的AuCl3得不到黃金解析：利用金屬活動性依次和類比的學(xué)習(xí)方法，可以推知A、B、C都正確；運(yùn)用電解熔融AuCl3的方法能夠得到黃金，但由于金的金屬活動性比較差、性質(zhì)穩(wěn)定，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中往往并不采納電解法冶煉金。4．下列說法中，不正確的是(B)A．金屬的冶煉原理，就是利用氧化還原反應(yīng)原理，在肯定條件下將金屬從其化合物中還原出來B．冶煉金屬時，必需加入一種物質(zhì)作為還原劑C．金屬由化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，都是被還原D．金屬單質(zhì)被發(fā)覺和應(yīng)用得越早，其活潑性一般較弱解析：金屬的冶煉是將金屬從其化合物中還原成金屬單質(zhì)的過程，故A項正確；有的物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)冶煉金屬的時候，自身既作氧化劑又作還原劑，不須要另加還原劑，如氧化汞制汞，故B項錯誤；金屬在化合態(tài)中肯定顯正價，當(dāng)變成游離態(tài)后，化合價就變?yōu)?價，即被還原，故C項正確；金屬被發(fā)覺和應(yīng)用得越早，說明該金屬在自然界存在游離態(tài)，人們簡潔獲得并利用它，從而也說明這些金屬的活潑性一般是較弱的，故D項正確。5．工業(yè)上經(jīng)常采納下列幾種方法冶煉金屬：①熱分解法；②熱還原法；③電解法。這三種方法在工業(yè)上都有典型的應(yīng)用實例：a.氧化汞制汞；b.鋁熱法煉鐵；c.從氯化鎂中煉鎂。其中金屬冶煉方法與應(yīng)用實例對應(yīng)關(guān)系不正確的是(B)A．a(chǎn)——①B．b——①C．b——②D．c——③解析：常用的三種冶煉金屬的方法分別具有如下規(guī)律：熱分解法適用于冶煉一些不活潑的金屬，如Hg、Ag；熱還原法適用于冶煉一些較活潑的金屬，如Fe、Zn、Cr等；而電解法則適用于冶煉一些活潑金屬，如Na、Mg、Al等。故本題中A、C、D項的對應(yīng)關(guān)系是正確的，不正確的是B項。6．如圖所示進(jìn)行鋁熱反應(yīng)：視察發(fā)生的現(xiàn)象，回答下列問題：(1)寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up15(高溫))2Fe＋Al2O3，在該反應(yīng)中Fe2O3是氧化劑，Al是還原劑。(2)引發(fā)鋁熱反應(yīng)的試驗操作是加少量KClO3，插上鎂帶并將其點燃。(3)某同學(xué)為探討該試驗，查閱有關(guān)資料得到如下數(shù)據(jù)：物質(zhì)AlAl2O3FeFe2O3熔點/℃660205415351462沸點/℃246729802750－①該同學(xué)推想，鋁熱反應(yīng)所得到的熔融物是鐵鋁合金。理由是該反應(yīng)放出的熱量使鐵熔化，而鋁的熔點比鐵低，此時液態(tài)的鐵和鋁熔合形成鐵鋁合金。你認(rèn)為他的說明是否合理？合理(填“合理”或“不合理”)。②設(shè)計一個簡潔的試驗方案，證明