高中化学 第四章 化学与自然资源的开发利用 第一节 开发利用金属矿物和海水资源第1课时金属矿物的.docx
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高中化学第四章化学与自然资源的开发利用第一节开发利用金属矿物和海水资源第1课时金属矿物的
第四章 化学与自然资源的开发利用
[课程标准]
1．以海水、金属矿物等自然资源的综合利用为例，了解化学方法在实现物质间转化中的作用。
认识化学在自然资源综合利用方面的重要价值。
2．以酸雨的防治和无磷洗涤剂的使用为例，体会化学对环境保护的意义。
3．能说明合成新物质对人类生活的影响，讨论在化工生产中遵循“绿色化学”思想的重要性。
第一节 开发利用金属矿物和海水资源
第1课时 金属矿物的开发利用
[学习目标]
1．了解金属在自然界中的存在形式。
2.掌握金属的冶炼方法。
3.掌握铝热反应原理及实验。
4.了解金属回收和资源保护的意义。
5.认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。
知识点一 金属的冶炼
►自主探究自主学习 探究归纳
阅读教材P88～P90，思考并填空
一、金属在自然界中的存在形态
二、金属的冶炼
1．热分解法
适用于不活泼金属的冶炼。
请写出下列反应的化学方程式。
（1）加热分解HgO：
2HgO
2Hg＋O2↑。
（2）加热分解Ag2O：
2Ag2O
4Ag＋O2↑。
2．电解法
适用于非常活泼金属的冶炼。
请写出下列反应的化学方程式。
（1）冶炼金属钠，电解熔融NaCl：
2NaCl（熔融）
2Na＋Cl2↑。
（2）冶炼金属镁，电解熔融MgCl2：
MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑。
（3）冶炼金属铝，电解熔融Al2O3：
2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑。
3．热还原法
适用于大多数中等活泼金属的冶炼，常用的还原剂有C、H2、CO等。
请写出下列冶炼金属反应的化学方程式。
（1）高炉炼铁：
3CO＋Fe2O3
2Fe＋3CO2。
（2）铝热反应炼铁：
2Al＋Fe2O3
2Fe＋Al2O3。
（3）用氢气还原氧化铜：
H2＋CuO
Cu＋H2O。
4．其他方法
（1）火法炼铜：
Cu2S＋O2
2Cu＋SO2。
（2）湿法炼铜：
Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu。
三、金属资源的合理开发利用
1．合理开发利用金属资源的意义：
金属矿物资源是不可再生资源且贮量有限，冶炼过程中会消耗大量能量，也易造成环境污染。
故应合理开发利用金属资源。
2．有效利用金属资源的途径
（1）提高金属矿物的利用率；
（2）减少金属的使用量；
（3）加强金属资源的回收和再利用；
（4）使用其他材料代替金属材料。
自我测评►———————————————————（做一做）
1．判断正误：
（1）黄金的冶炼需要热分解法。
（×）
分析：
金在自然界中以游离态存在，无需进行冶炼。
（2）金属阳离子被还原，一定得到金属单质。
（×）
分析：
变价金属元素的最高价阳离子被还原时，可能得到中间价态的离子，而不一定得到金属单质，如Fe3＋可被还原成Fe2＋。
（3）金属冶炼的实质是把金属从化合态还原为游离态。
（√）
分析：
金属冶炼的实质是利用氧化还原反应将金属从化合物中还原出来。
2．思考：
利用CO冶炼铁的反应是置换反应吗？
提示：
不是。
CO冶炼铁的反应是3CO＋Fe2O3
2Fe＋3CO2，该反应不是置换反应。
[认知总结]
金属的活动性与冶炼方法
1．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系
金属的活动性顺序
K、Ca、Na、Mg、Al
Zn、Fe、Sn、Pb（H）、Cu
Hg、Ag
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.常用的热还原法
各种热还原法的优缺点：
优点
缺点
H2还原法
金属纯度高
工业成本高
CO和C还原法
工业成本低
金属纯度低，产生污染性气体CO
铝热法
可以冶炼高熔点、难以冶炼的金属
工业成本较高
特别提醒 金属冶炼的基本步骤
►讲练互动典例剖析 题组训练
[典例剖析]
冶炼金属一般有下列4种方法：
①焦炭法；②水煤气（或氢气、一氧化碳）法；③活泼金属置换法；④电解法。
这4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（MgCl2·6H2O）中炼镁。
对它们的冶炼方法的分类，不正确的是（ ）
A．Ⅰ，① B．Ⅱ，②
C．Ⅲ，③D．Ⅳ，④
[解析] 金属冶炼方法的选择与金属在自然界中存在的状态、金属活动性等有关，需要在理解的基础上加以记忆。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ发生的反应分别是
Ⅰ.Cu2（OH）2CO3
2CuO＋CO2↑＋H2O，
C＋2CuO
2Cu＋CO2↑；
Ⅱ.Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu；
Ⅲ.2Al＋Cr2O3
Al2O3＋2Cr；
Ⅳ.先从光卤石中提取MgCl2，再电解熔融的MgCl2：
MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑。
则Ⅰ属于方法①，Ⅱ属于方法③，Ⅲ属于方法③，Ⅳ属于方法④。
综上分析，B选项不正确。
[答案] B
[规律方法] 选择金属冶炼的方法要依据金属在自然界中的存在形态和金属活动性。
金属活动性顺序中，金属的位置越靠前越难被还原，金属的位置越靠后越容易被还原。
[题组训练]
题组 金属的冶炼
1．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是（ ）
选项
冶炼原理
方法
A
2HgO
2Hg＋O2↑
热分解法
B
2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑
电解法
C
Cu2S＋O2
2Cu＋SO2
热分解法
D
Fe2O3＋2Al
2Fe＋Al2O3
热还原法
解析：
选C。
活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼，中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用热还原法冶炼，不活泼金属Hg、Ag利用热分解法冶炼，故A、B、D正确。
C错误，C项为火法炼铜。
2．从金属被利用的历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近几百年的事。
下列跟这个先后顺序有关的是（ ）
①地壳中金属元素的含量 ②金属活动性顺序 ③金属的导电性 ④金属冶炼的难易程度 ⑤金属的延展性
A．①③B．②⑤
C．③⑤D．②④
解析：
选D。
金属活动性顺序表中，金属的位置越靠后，越容易被还原，用一般的还原方法就能使金属离子还原，人们开发、利用的时间也就越早；金属的位置越靠前，越难被还原，最活泼的金属只能用最强的还原手段（电解）。
知识点二 铝热反应[学生用书P77]
►自主探究自主学习 探究归纳
阅读教材P88～P89，思考并填空
1．一些活泼金属也可作还原剂，将相对不活泼的金属从其化合物中置换出来。
2．铝热反应的实验操作方法
将一定量的氧化铁粉末和一定量铝粉均匀混合放入纸漏斗，在混合物上面加少量氯酸钾固体，中间插一根用砂纸打磨过的镁条，用燃着的小木条点燃镁条。
3．氧化铁和铝粉在高温下发生反应的化学方程式：
Fe2O3＋2Al
Al2O3＋2Fe。
自我测评►———————————————————（做一做）
1．思考：
（1）能否用铝热反应冶炼金属镁？
提示：
不能。
铝热反应的实质是置换反应，利用铝的活泼性置换出较不活泼的金属，镁比铝活泼，只能利用电解法冶炼。
（2）铝热反应中镁带和氯酸钾的作用分别是什么？
提示：
镁带燃烧放出大量的热，使氯酸钾分解产生氧气，促使镁带更加剧烈燃烧，产生更多热量，从而使铝热剂在高温下发生反应。
2．下列各组物质中，均能使Fe2O3还原成单质铁的是（ ）
A．CO、O2、H2 B．CO、CO2、C
C．CO2、H2O、O2D．Al、C、H2
解析：
选D。
A、C中O2不能还原Fe2O3，B中，CO2不具有还原性，C中CO2、H2O不具有还原性，故选D。
[认知总结]
1.铝热反应
概念
铝和金属氧化物在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应
原理
Al作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用铝将氧化物中的金属置换出来
铝热剂
铝粉和某些金属氧化物（Fe3O4、Cr2O3、V2O5等）组成的混合物
反应特点
在高温下进行，反应迅速并放出大量的热，新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离
应用
冶炼难熔的、相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等
2.铝热反应的实验
实验装置
实验现象
（1）镁带剧烈燃烧。
（2）氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应。
（3）反应放出大量的热，并发出耀眼的白光。
（4）纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中，液珠冷却后变为黑色固体。
原因分析
镁带燃烧，放出大量的热；KClO3作为引燃剂在受热状态下发生分解，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应：
2Al＋Fe2O3
2Fe＋Al2O3，生成的铁在高温下呈熔融状态。
注意事项
（1）氯酸钾的作用是分解提供氧气，使镁带快速充分燃烧，要放在混合物的上面。
（2）要保证纸漏斗重叠时四周均为四层，且内层纸漏斗一定要用水润湿，以防高温物质从四周溅出，同时损坏纸漏斗。
（3）蒸发皿中的细沙要适量，既要防止蒸发皿炸裂，又要防止熔融的液体溅出伤人。
特别提醒 有关铝热反应的两个易错点
①铝热反应可以用于焊接钢轨，但工业上不用该方法炼铁，因为铝比铁的冶炼成本更高。
②由于铝只能冶炼活泼性比其弱的金属，所以并不是铝与所有金属氧化物的混合物都叫铝热剂，如Al和Na2O的混合物不能叫铝热剂。
►讲练互动典例剖析 题组训练
[典例剖析]）
如图所示进行铝热反应，回答下列问题：
（1）写出该反应的化学方程式：
________________________________________________________________________，
反应中________是氧化剂，________是还原剂，该反应属于________反应（填基本反应类型）。
（2）选出该实验的实验现象：
________________________________________________________________________。
（填写序号）
①镁带剧烈燃烧；②放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射；③纸漏斗的下部被烧穿；④有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上，液珠冷却后变为黑色固体。
（3）写出下列操作或物质的作用。
内层纸漏斗底部剪一小孔：
________________________________________________________________________；
蒸发皿盛沙：
________________________________________________________________________；
镁带：
________________________________________________________________________；
氯酸钾：
________________________________________________________________________。
解析：
（1）铝热反应为2Al＋Fe2O3
2Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3作氧化剂，Al作还原剂。
（2）①②③④全为该铝热反应的现象。
（3）铝热反应实验中：
①为使熔融物易落下通常在内层纸漏斗底部剪一小孔；②为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；③反应中镁带引起氯酸钾分解；④氯酸钾引发铝热反应。
答案：
（1）Fe2O3＋2Al
Al2O3＋2Fe
Fe2O3 Al 置换
（2）①②③④
（3）使熔融物易于落下 防止溅落物炸裂蒸发皿 引起氯酸钾分解 引发铝热反应
[规律方法]
（1）铝热反应为置换反应，铝置换比其活泼性差的难熔金属。
（2）铝热反应放出大量的热量使难熔金属熔化。
（3）铝热反应中镁使氯酸钾分解，引发铝热反应。
[题组训练]
题组 铝热反应的相关问题
1．在反应Al＋XaOb
Al2O3＋X中，X不可能的物质是（ ）
A．FeB．Ca
C．CrD．Mn
解析：
选B。
该反应的模式是铝热反应，可利用铝热反应冶炼金属Fe、Cr、Mn等难熔金属，不能冶炼比铝更活泼的金属。
2．用铝热法从下列金属氧化物中制取相应的金属各1mol，消耗铝的质量最多的是（ ）
A．Fe2O3B．V2O5
C．MnO2D．Cr2O3
解析：
选B。
金属冶炼的本质是Mn＋＋ne－===M。
消耗铝的质量最多的是生成1mol该金属得到电子数最多的，可见金属在氧化物中化合价越高，需电子数越多，消耗铝的质量越多。
——————————————[易错易混小结]——————————————
1．工业上用电解熔融MgCl2冶炼镁而不用MgO，原因是MgO的熔点高。
2．工业上用电解熔融Al2O3冶炼铝而不用AlCl3，原因是AlCl3是共价化合物。
3．铝热反应的实质是利用铝的强还原性，置换出较不活泼的金属，因此，利用铝热反应只能冶炼出活泼性比Al差的金属，如Al与MgO不反应。
4．金属单质的发现与应用和金属活泼性有一定关系，一般金属发现的越早，则活泼性越差，金属发现的越晚，则活泼性越强。
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[基础温故]
1．从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。
下图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后，主要取决于（ ）
A．金属的导电性强弱 B．金属在地壳中的含量
C．金属的化合价高低D．金属的活泼性强弱
解析：
选D。
从题给的图示，可以归纳出金属活泼性越弱的金属（如铜），越早被开发利用。
2．（2015·安徽亳州高一检测）下列说法中，不正确的是（ ）
A．金属的冶炼，就是利用氧化还原反应原理，在一定条件下将金属从其化合物中还原出来
B．冶炼金属时，必须加入一种物质作为还原剂
C．金属由化合态变为游离态，都是被还原
D．金属单质被发现和应用得越早，其活动性一般越弱
解析：
选B。
金属的冶炼是将金属化合物转化为金属单质，A项正确；有的金属化合物在发生氧化还原反应冶炼金属时，自身既作氧化剂又作还原剂，不需要另加还原剂，如HgO，B项错误；金属元素在化合物中一定显正价，当变成金属单质后，化合价就变为0，所以是被还原，C项正确；金属被发现和应用得早，说明该金属越容易被还原，从而也说明金属的活动性越弱，D项正确。
3．下列金属在自然界中以游离态存在的是（ ）
A．Na B．Mg
C．AlD．Au
解析：
选D。
金属在自然界中的存在状态与其化学活动性有关。
化学性质活泼的金属在自然界中总是以化合态存在，而化学性质不活泼的金属在自然界中以游离态存在。
4．（2015·河南安阳高一检测）下列说法中，正确的是（ ）
A．简单地说，金属的冶炼就是把金属单质从其矿物中分离出来
B．金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被氧化
C．金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被还原
D．金属冶炼过程中，被冶炼的金属既可被氧化，也可被还原
解析：
选C。
金属冶炼的原理是利用氧化还原反应，把金属矿物中的金属阳离子还原成金属单质，因此，金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被还原。
5．下列化学方程式，能用于工业上冶炼金属镁的是（ ）
A．2Na＋MgCl2===2NaCl＋Mg
B．MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑
C．2MgO
2Mg＋O2↑
D．MgCO3
MgO＋CO2↑、MgO＋H2
Mg＋H2O
解析：
选B。
镁是比铝活泼性强的金属，应利用电解法冶炼。
6．（2015·山东德州高一检测）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NaCl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
解析：
选C。
Fe3O4中3个Fe共显＋8价，故1molFe3O4被CO还原成Fe，转移8mole－，C项错误。
7．下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是（ ）
A．2HgO
2Hg＋O2↑
B．Fe2O3＋3CO
2Fe＋3CO2
C．2MgO
2Mg＋O2↑
D．MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑
解析：
选C。
HgO不稳定，受热能分解为金属单质和氧气，所以能用加热法直接冶炼金属汞；Fe2O3在高温下能被CO还原为单质铁；由于金属镁的活动性强，MgO的熔点高，受热不会分解，所以不能用加热MgO的方法冶炼金属镁，一般用电解熔融MgCl2的方法冶炼金属镁。
8．下列冶炼方法中，不能将化合物中的金属元素还原为金属单质的是（ ）
A．加热Al2O3B．加热HgO
C．电解熔融NaClD．铝粉和Fe2O3共热
解析：
选A。
金属钠是活泼金属，用电解法制取，汞用加热HgO法制取，A项中加热Al2O3难以分解；D项中铝粉和Fe2O3组成铝热剂，可将Fe2O3中的铁还原成铁单质。
9．孔雀石的主要成分为CuCO3·Cu（OH）2，某同学设计从孔雀石中冶炼金属铜的方案如下：
①将孔雀石粉碎后加过量的稀硫酸；
②将反应后的混合物过滤；
③向滤液中加入一种金属粉末。
根据上述实验方案，试回答：
（1）第①步反应中的现象为________________________________________________________________________。
（2）第③步加入的金属粉末是______________，理由是
________________________________________________________________________。
（3）若向滤液中加入过量生石灰后，过滤，将沉淀加热灼烧后再通入________________气体，可制得较纯净的铜。
解析：
孔雀石的主要成分是碱式碳酸铜，当加入过量稀硫酸时发生反应，固体逐渐溶解，产生二氧化碳气体、水和硫酸铜；为冶炼金属铜，可加入过量的铁粉，把铜从硫酸铜溶液中置换出来；若向滤液中加入过量生石灰后生成氢氧化铜，过滤，将沉淀氢氧化铜加热后生成氧化铜，通入氢气生成铜和水。
答案：
（1）固体溶解，有无色气体生成，溶液变成蓝色
（2）Fe 铁的活泼性比铜强，可从溶液中置换出铜
（3）氢气
[能力提升]
10．工业制备铝一般是通过铝土矿制得纯净的Al2O3，然后得到铝。
而不是电解氯化铝，其主要原因是（ ）
A.AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电
B．电解AlCl3生成的Cl2会污染大气
C．用氢气还原氧化铝即可得到铝
D．AlCl3不存在
解析：
选A。
AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电，A正确；Cl2虽然会污染大气，但电解NaCl制金属钠时也产生Cl2，况且Cl2还是重要的化工原料，B错误；铝是活泼金属只能利用电解法制取，C错误；固体、溶液中均存在氯化铝，D错误。
11．下列化工原理生产中错误的是（ ）
①可以用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取金属钠
②可以用钠加入氯化镁的饱和溶液中制取金属镁
③用电解法冶炼铝时，原料是氧化铝
④工业上用电解氧化镁的方法制取金属镁
A．②③B．①③
C．①②④D．②③④
解析：
选C。
工业上一般采用电解熔融氯化钠的方法冶炼金属钠；若将钠加入到氯化镁溶液中，发生反应：
2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，MgCl2＋2NaOH===Mg（OH）2↓＋2NaCl，所以不能冶炼金属镁；工业上常用氧化铝作原料，通过电解的方法得到金属铝；由于MgO、MgCl2均为离子化合物且熔点：
MgCl212．铝能用于冶炼难熔的金属（如Fe、Mn等），这是因为铝（ ）
A．具有两性
B．导电性好
C．熔点低
D．还原性强及反应中放出大量的热
解析：
选D。
铝能够与某些高熔点的金属氧化物（如Fe2O3、MnO2、V2O5等）组成铝热剂，利用铝的强还原性及冶炼反应中放出大量热，使难熔金属熔化而分离出来。
13．下列关于铝热反应2Al＋Fe2O3
Al2O3＋2Fe的说法不正确的是（ ）
A．该反应中Al作还原剂
B．该反应中氧化产物与还原产物的物质的量比为1∶2
C．该反应中冶炼1molFe转移2mol电子
D．该反应可用于焊接钢轨
解析：
选C。
由题中化学方程式可知，反应中Fe元素的化合价由＋3价降为0价，则冶炼1molFe应转移3mol电子。
14．铁是应用最广泛的金属，自远古时代人类就学会了炼铁，到目前为止，人类研制出了很多炼铁的方法。
某研究性学习小组同学在实验室中模拟工业炼铁的过程，实验装置如下：
（1）写出得到单质铁的化学方程式：
________________________________________________________________________
____________________。
（2）实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑，请设计一个实验来验证生成了单质铁：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）装置末端气球的作用为________________________________________________________________________。
实验结束时，应该先停止加热还是先停止通入CO？
原因是什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
检验是否生成单质铁，可在反应结束后，待玻璃管内的固体冷却，取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体（H2），则证明生成了单质铁；反应结束后，得到的铁还是炽热的，若先停止通入CO，会导致铁又被氧化，所以，应该先停止加热，待玻璃管内的固体冷却后，再停止通入CO。
答案：
（1）Fe2O3＋3CO
2Fe＋3CO2
（2）取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单质铁
（3）收集CO，防止污染空气 先停止加热，防止生成的铁再次被氧化
15．粉末状试样A是由等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物。
进行如下实验：
①取适量A进行铝热反应，产物中有单质B生成；
②另取20gA全部溶于0.15L6.0mol·L－1盐酸中，得溶液C；
③将①中得到的单质B和溶液C反应，放出1.12L（标准状况）气体，同时生成溶液D，还残留有固体物质B；
④用KSCN溶液检验时，溶液D不变色。
请填空：
（1）①引发铝热反应的实验操作是________________________________________________________________________，
产物中单质B是____________________________。
（2）②中所发
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