第七章 学案33 开发利用金属矿物和海水资源.docx
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第七章学案33开发利用金属矿物和海水资源
第七章 化学与自然资源的开发利用
学案33 开发利用金属矿物和海水资源
[考纲要求] 1.了解金属矿物和海水的综合利用。
2.了解化学科学发展对自然资源利用的作用。
知识点一 金属矿物的开发和利用
1．金属在自然界中存在的形态
除了____、____等极少数金属外，绝大多数金属以______的形式存在于自然界中。
在这些金属化合物中，金属元素都显____化合价。
2．金属冶炼的实质
使金属化合物中的金属离子____电子被________为金属单质的过程：
Mn＋＋ne－===M。
3．金属冶炼的一般步骤
4．金属冶炼方法
（1）热分解法
例如：
2HgO
2Hg＋O2↑，2Ag2O
4Ag＋O2↑。
用热分解冶炼法冶炼金属的特点是金属元素的金属性____，金属元素的原子________失去电子，其金属离子________得到电子，该金属元素所形成的化合物稳定性________。
（2）热还原法冶炼金属
①焦炭还原法。
例如：
C还原ZnO、CuO，其化学方程式依次为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②一氧化碳还原法。
例如：
CO还原Fe2O3、CuO，其化学方程式依次为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③氢气还原法。
例如：
H2还原WO3、Fe3O4，其化学方程式依次为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
④活泼金属还原法。
例如：
Al还原Cr2O3、V2O5，其化学方程式依次为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
做铝热反应实验时，铝热剂是指__________________________________。
镁条和KClO3的作用是____________________。
反应时的现象是____________________。
常用铝热反应冶炼________________的金属。
可用热还原法冶炼的金属，其金属性________，金属在常见金属活动性顺序表中居于________区域。
（3）电解法冶炼金属
例如：
Al2O3、MgCl2、NaCl的电解反应，其化学方程式依次为
________________________________________________________________________；
________________________________________________________________________；
________________________________________________________________________。
问题思考
1．能否用电解AlCl3和MgO的方法冶炼Al、Mg?
2．铝是地壳中含量最高的金属元素，为什么人类对铝的使用比铁、铜晚的多？
知识点二 海水资源的开发利用
海水资源的利用主要包括海水水资源的利用和海水化学资源的利用。
1．海水水资源的利用
海水淡化的方法主要有________、__________、________________等。
淡化方法
原理
蒸馏法
将海水加热至105℃蒸发汽化，然后蒸汽冷凝而得到蒸馏水
电渗析法
利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，在外加直流电场作用下，使水中的一部分离子转移到另一部分水中而达到除盐目的
离子交换法
用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂除去海水中的阴、阳离子得到去离子水的方法
问题思考
3．为什么开发利用海水资源前景广阔？
2．海水化学资源的开发利用
（1）氯碱工业
海水→NaCl
________、________、________。
电解饱和NaCl溶液的方程式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）海水提镁
海水
Mg（OH）2
________（溶液）
MgCl2·6H2O→________
Mg、Cl2
（3）海水提溴
海水（酸化）
________
________
________（液）。
问题思考
4．写出海水中提取镁的离子方程式。
一、金属冶炼方法与金属活动性的关系
1．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系（见下表）
金属的活
动性顺序
K Ca Na
Mg Al
Zn Fe Sn
Pb（H） Cu
HgAg
Pt Au
金属原子
失电子能力
强→弱
金属离子
得电子能力
弱→强
主要冶炼方法
电解法
热还原法
热分解法
物理方法
2.工业上常用的还原剂有焦炭、CO、H2和活泼金属（一般为Al），其中纯度要求不高的金属一般用较廉价的焦炭或CO还原，纯度要求高的一般用H2还原，而对于一些难熔的稀有金属一般需要用铝还原，该反应叫做铝热反应。
铝热反应的特点：
①高温条件；②剧烈燃烧，放出大量的热；③新生成的液态金属单质易与Al2O3（固态）分离。
典例导悟1
（2011·郑州质检）氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼，下列说法不正确的是（ ）
A．电解熔融氯化钠制取金属钠的反应中，钠离子被还原，氯离子被氧化
B．湿法炼铜与火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应
C．用磁铁矿炼铁的反应中，1molFe3O4被CO还原成Fe，转移9mole－
D．铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化
听课记录：
二、海洋资源的开发利用
1．海水淡化
（1）海水淡化途径：
通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去。
（2）海水淡化的方法及其特点
海水淡化的方法主要有蒸馏法（如图所示）、电渗析法、离子交换法等。
其中蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较完善，但成本较高。
（3）原理：
水的沸点低，蒸馏时水汽化，而其他物质沸点高，不能汽化，水蒸气冷却得到淡水。
（4）注意事项
①烧瓶内加少量碎瓷片以防暴沸。
②冷凝水流向是低进高出。
典例导悟2
如果实行海水淡化来供应居民饮用水，下列方法中在原理上完全不可行的是（ ）
A．加明矾使海水中的盐沉淀出来而淡化
B．利用太阳能使海水升温，通过蒸馏而使其淡化
C．将海水缓慢降温凝固以获取淡水
D．将海水通过离子交换树脂以除去各种离子
听课记录：
2．海水中镁的提取
（1）流程
（2）有关反应的化学方程式
MgCl2＋Ca（OH）2===Mg（OH）2↓＋CaCl2
Mg（OH）2＋2HCl===MgCl2＋2H2O
MgCl2·6H2O
MgCl2＋6H2O↑
MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑
典例导悟3
海水是镁的主要来源之一，从海水中提取金属镁的主要生产步骤有：
①浓缩结晶 ②加熟石灰
③加盐酸 ④过滤 ⑤熔融电解
（1）正确的生产顺序是______________。
（2）以上提取镁的全过程中，没有涉及的化学反应类型是________（填序号）。
A．分解反应B．化合反应
C．置换反应D．复分解反应
（3）下列关于提取镁的说法中，不正确的是________（填序号）。
A．此法的优点之一是原料来自大海
B．进行①②③步骤的目的是富集MgCl2
C．常用电解熔融氧化镁的方法制取镁
D．电解冶炼镁要消耗大量电能
3．海水中溴的提取
（1）工艺流程：
海水
Br2（l）
（2）原理
①用________将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。
②向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质，离子方程式是________________________________________________________________________。
③向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸气，将溴单质吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的：
Br2＋SO2＋2H2O===______________________________。
④向吸收塔内溶液中通入适量的氯气：
2HBr＋Cl2===____________________________________________。
⑤用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内溶液中的溴单质。
⑥若要得到纯净的液溴，采用的分离方法是________。
4．海带中碘的提取
（1）流程
（2）主要化学原理：
Cl2＋2KI===2KCl＋I2。
典例导悟4
（2011·山东荣成模拟）海带中含有丰富的碘。
为了从海带中提取碘，某研究性学习小组设计并进行了以下实验：
请填写下列空白：
（1）步骤①灼烧海带时，除需要三脚架外，还需要用到的实验仪器是______________（从下列仪器中选出所需的仪器，用标号字母填写在空白处）。
A．烧杯 B．坩埚 C．表面皿
D．泥三角E．酒精灯F．干燥器
（2）步骤③的实验操作名称是______；步骤⑥的目的是从含碘苯溶液中分离出单质碘和回收苯，该步骤的实验操作名称是________。
（3）步骤④反应的离子方程式是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）步骤⑤中，某学生选择用苯来提取碘的理由是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（5）请设计一种检验提取碘后的水溶液中是否还含有单质碘的简单方法：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
1．（2011·浙江理综，13）海水中含有丰富的镁资源。
某同学设计了从模拟海水中制备MgO的实验方案：
模拟海水中的离子浓度/mol·L－1
Na＋
Mg2＋
Ca2＋
Cl－
HCO
0.439
0.050
0.011
0.560
0.001
注：
溶液中某种离子的浓度小于1.0×10－5mol·L－1，可认为该离子不存在；
实验过程中，假设溶液体积不变。
Ksp（CaCO3）＝4.96×10－9
Ksp（MgCO3）＝6.82×10－6
Ksp[Ca（OH）2]＝4.68×10－6
Ksp[Mg（OH）2]＝5.61×10－12
下列说法正确的是（ ）
A．沉淀物X为CaCO3
B．滤液M中存在Mg2＋，不存在Ca2＋
C．滤液N中存在Mg2＋、Ca2＋
D．步骤②中若改为加入4.2gNaOH固体，沉淀物Y为Ca（OH）2和Mg（OH）2的混合物
2．（2009·天津理综，9）海水是巨大的资源宝库，在海水淡化及综合利用方面，天津市位居全国前列。
从海水中提取食盐和溴的过程如下：
（1）请列举海水淡化的两种方法：
__________________、________________。
（2）将NaCl溶液进行电解，在电解槽中可直接得到的产品有H2、________________、__________________或H2、__________________。
（3）步骤Ⅰ中已获得Br2，步骤Ⅱ中又将Br2还原为Br－，其目的为
________________________________________________________________________。
（4）步骤Ⅱ用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可达95%，有关反应的离子方程式为
________________________________________________________________________，
由此反应可知，除环境保护外，在工业生产中应解决的主要问题是
________________________________________________________________________。
（5）某化学研究性学习小组为了解从工业溴中提纯溴的方法，查阅了有关资料：
Br2的沸点为59℃，微溶于水，有毒性和强腐蚀性。
他们参观生产过程后，绘制了如下装置简图：
请你参与分析讨论：
①图中仪器B的名称：
________________________________________________________________________。
②整套实验装置中仪器连接均不能用橡胶塞和橡胶管，其原因是
________________________________________________________________________。
③实验装置气密性良好，要达到提纯溴的目的，操作中如何控制关键条件：
________________________________________________________________________。
④C中液体产物颜色为________________。
为除去该产物中仍残留的少量Cl2，可向其中加入NaBr溶液，充分反应后，再进行的分离操作是__________________。
题组一 金属的冶炼
1．在理论上我们可以用电解熔融KCl的方法来制备金属钾，而实际上我们不用此法制备钾，而用熔融状态下的KCl与Na反应并及时抽走钾蒸气的方法制备钾，可能的原因是：
①钾易溶于熔融的钾盐中；②钾蒸气易逸出而污染环境；③钾被氧化后的产物与K作用具有爆炸性；④抽走钾的蒸气有利于钠与熔融的KCl反应，其中正确的是（ ）
A．全部B．①③C．①④D．②④
2．下列化工生产原理错误的是（ ）
①可以电解熔融的氯化钠来制取金属钠；②可以将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁；③用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝；④炼铁时高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热。
A．②③B．①③C．①②③D．②③④
3．冶炼金属一般有下列四种方法：
①焦炭法；②水煤气（氢气或一氧化碳）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。
对它们的冶炼方法的分析不正确的是（ ）
A．（Ⅰ）用①B．（Ⅱ）用②
C．（Ⅲ）用③D．（Ⅳ）用④
题组二 海水资源的开发利用
4．从海藻灰中提取碘的方法是：
往海藻灰浸取液中通入Cl2后用升华的方法将置换出的碘提纯。
但浸取液中通入Cl2时会生成少量性质类似于Cl2的ICl和IBr，为了消除这两种杂质，使其中的碘完全游离出来，可加入适量的（ ）
A．CaOB．KIC．H2OD．酒精
5．（2011·长春质检）从海水中可以提取溴，主要反应为2Br－＋Cl2===Br2＋2Cl－，下列说法正确的是（ ）
A．溴离子具有氧化性
B．氯气是还原剂
C．该反应属于复分解反应
D．氯气的氧化性比溴单质强
6．下列关于海水淡化的叙述中不正确的是（ ）
A．蒸馏法淡化海水（图甲）原理简单，但消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水
B．利用太阳能蒸发海水（图乙）是一种环境友好、节约能源的好方法，也是一种古老的方法
C．利用海水淡化产生的高浓度的卤水来提取有用物质，是海水利用的基本思路
D．研制高性能的渗透膜来提高海水淡化效率，最终实现海水自动转化为淡水
题号
1
2
3
4
5
6
答案
题组三 化工工艺流程
7．假如你是一位企业家，在众多开发海水资源的项目中，选择了海水提镁，在前期考察过程中你将遇到许多问题，请根据背景材料的提示，按要求完成相关问题：
背景材料1：
下表所示为海水中各元素含量情况（mg·L－1）。
元素
浓度/mg·L－1
元素
浓度/mg·L－1
钠
10770
氯
19350
镁
1290
硫
885
钾
380
溴
67
钙
400
碘
0.06
背景材料2：
部分化学试剂的市场价格
试剂
氢氧化钾
氢氧化钠
氢氧化钙
氧化钙
价格（元/吨）
5238.00
2300.00
1200.00
700.00
请完成下列问题：
（1）在海水提镁的过程中要实现对镁离子的富集、分离，有以下三个方案：
方案一：
直接往海水中加入沉淀剂；
方案二：
加热蒸发海水再加入沉淀剂；
方案三：
在晒盐后的卤水中加入沉淀剂。
你认为方案________最合理。
不选方案________的理由是
________________________________________________________________________。
不选方案________的理由是
________________________________________________________________________。
（2）应该选择________试剂作为镁离子的沉淀剂。
不考虑其他费用，沉淀相同量的镁离子所用氢氧化钠和氧化钙的价格比为__________。
（3）为了节省成本，拟考虑以海边上的贝壳为原料，试简述其理由
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
学案33 开发利用金属矿物和海水资源
【课前准备区】
知识点一
1．金 铂 化合物 正
2．得 还原
4．
（1）弱 不易 容易 较差
（2）①C＋2ZnO
2Zn＋CO2↑，C＋2CuO
2Cu＋CO2↑
②3CO＋Fe2O3
2Fe＋3CO2，CO＋CuO
Cu＋CO2
③3H2＋WO3
W＋3H2O,4H2＋Fe3O4
3Fe＋4H2O
④2Al＋Cr2O3
Al2O3＋2Cr,10Al＋3V2O5
6V＋5Al2O3
铝粉和金属氧化物（如Fe2O3等）组成的混合物 作引燃剂，为反应物提供热量 剧烈燃烧，放出大量热 高熔点 中等 中间
（3）2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑ MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑ 2NaCl（熔融）
2Na＋Cl2↑
知识点二
1．蒸馏法 电渗析法 离子交换法
2．
（1）Cl2 H2 NaOH 2NaCl＋2H2O
2NaOH＋Cl2↑＋H2↑
（2）MgCl2 MgCl2
（3）Br2 HBr Br2
问题思考
1．不能。
因为AlCl3是共价化合物，熔融时无法电离出自由移动的离子，不导电；而MgO虽是离子化合物，但其熔点太高，熔融会消耗大量电能，成本较高。
2．铝的金属活动性比铁、铜强，难于冶炼，古代人们的技术条件达不到，不能冶炼铝，故铝的发现和大量使用比铁、铜晚的多。
3．海水资源巨大，各种元素的含量多，水还可以循环使用。
4．①Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓
②Mg（OH）2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O
③MgCl2·6H2O
MgCl2＋6H2O
④MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑
【课堂活动区】
3．
（2）①蒸馏法 ②Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2 ③2HBr＋H2SO4 ④2HCl＋Br2 ⑥蒸馏
典例导悟
1．C [由2NaCl（熔融）
2Na＋Cl2↑可知钠离子得电子被还原，Cl－失电子被氧化，A项正确；无论是湿法炼铜还是火法（热还原法）炼铜，都是正二价的铜离子得到电子生成铜原子被还原，B项正确；1molFe3O4被还原为Fe时，应转移8mole－，C项错误；铝热反应放出大量的热，使铁成为液态从而与Al2O3分离，D项正确。
故选C。
]
2．A [海水淡化的方法主要有蒸馏法、电渗析法、离子交换法。
选项A，加明矾，明矾的主要成分是KAl（SO4）2·12H2O，不能使海水中的盐沉淀出来，所以不能使海水淡化。
]
3．
（1）②④③①⑤
（2）C （3）C
解析
（2）从海水中提取镁的全过程中，涉及的反应有：
①把贝壳制成石灰乳：
CaCO3
CaO＋CO2↑，分解反应；CaO＋H2O===Ca（OH）2，化合反应；②沉淀Mg2＋：
Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓，复分解反应；③沉淀物与盐酸反应：
Mg（OH）2＋2HCl===MgCl2＋2H2O，复分解反应；
④电解：
MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑，分解反应。
未涉及置换反应。
（3）由于MgO的熔点高，工业生产中不使用电解熔融MgO的方法冶炼Mg。
4．
（1）BDE
（2）过滤 蒸馏
（3）2I－＋MnO2＋4H＋===Mn2＋＋I2＋2H2O （4）苯与水互不相溶；碘在苯中的溶解度比在水中大 （5）取少量提取碘后的水溶液于试管中，加入几滴淀粉试液，观察是否出现蓝色（如果变蓝，说明还有单质碘）
解析
（1）该实验是对固体海带加热灼烧，与三脚架一起使用的常常是泥三角、坩埚和酒精灯。
（2）步骤③是由海带灰悬浊液得到含碘离子的溶液，因此一定要进行过滤。
（3）结合“碘离子
含碘水溶液”，再联想实验室中Cl2的制备不难写出④的离子方程式为
2I－＋MnO2＋4H＋===Mn2＋＋I2
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