人教版必修2 第4章第1节 开发利用金属矿物和海水资源第1课时 学案.docx
《人教版必修2 第4章第1节 开发利用金属矿物和海水资源第1课时 学案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人教版必修2 第4章第1节 开发利用金属矿物和海水资源第1课时 学案.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
人教版必修2第4章第1节开发利用金属矿物和海水资源第1课时学案
第一节 开发利用金属矿物和海水资源
第一课时 金属矿物的开发利用
学习目标
核心素养
1.知道金属在自然界中的存在形态。
2．熟知金属冶炼的方法及其原理。
3．掌握铝热反应的原理和实验。
1.变化观念：
认识金属冶炼的原理、方法和理解金属冶炼遵循的一般规律。
2．社会责任：
认识金属回收的意义，树立环保意识。
一、金属的冶炼
1．金属在自然界中的存在形态
2．金属冶炼的原理
金属的冶炼是利用氧化还原反应原理，在一定条件下，使金属离子得到电子被还原成金属原子，从而获得金属单质。
即：
Mn＋＋ne－===M。
3．金属的冶炼方法（写出反应的化学方程式）
4.金属矿物资源的开发和利用
（1）原因
①地球上金属矿物资源有限；
②金属冶炼消耗很多能量；
③金属冶炼造成环境污染。
（2）措施
①提高金属矿物的利用率；
②使用其他材料代替金属材料，减少金属的使用量；
③加强金属资源的回收和再利用。
二、铝热反应
1．实验探究
2.铝热反应
1．正误判断
（1）在自然界中金属都以化合态存在（ ）
（2）在金属化合物中金属元素都显正价（ ）
（3）金属冶炼过程中，金属化合物得到电子发生氧化反应（ ）
（4）金属的活动性越强，即金属失电子的能力越强（ ）
[答案]
（1）×
（2）√ （3）× （4）√
2．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是（ ）
[答案] C
3．下列有关金属的工业制法中，正确的是（ ）
A．制钠：
用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液
B．制铁：
以铁矿石为原料，CO还原得铁
C．制镁：
用海水为原料，经一系列过程制得氧化镁固体，H2还原得镁
D．制铝：
从铝土矿中获得氧化铝再得到氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝
[答案] B
知识点一金属的冶炼
1.金属的冶炼原理
金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的过程，即：
Mn＋＋ne－===M。
2．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系
3.热还原法冶炼金属的分类和优、缺点
（1）分类
（2）优、缺点
用氢气还原法冶炼金属，纯度高，但成本也高；用一氧化碳和炭还原法冶炼金属，纯度低，冶炼成本也低；用铝热法可以冶炼熔点高难冶炼的金属，成本较高。
【典例1】 下列金属冶炼原理错误的是（ ）
A．2NaCl（熔融）
2Na＋Cl2↑
B．MgO＋H2
Mg＋H2O
C．Fe3O4＋4CO
3Fe＋4CO2
D．2HgO
2Hg＋O2↑
[思路启迪] 解决金属冶炼的相关问题时，既要明确金属冶炼方法选择的原则，又要掌握某些物质的特殊之处。
[解析] Na、Mg通常用电解法制取，Fe用还原剂法制取，Hg可用加热其化合物的方法制取。
Mg的活动性比H2强，H2不能置换出Mg，B项错。
[答案] B
工业上采用电解法冶炼铝和镁的原料分别为Al2O3和MgCl2，而不是AlCl3和MgO，这是因为AlCl3是共价化合物，熔融时不导电，而MgO虽然是离子化合物，但其熔点太高，熔化时会消耗大量的电能，成本较高。
[针对训练1] 冶炼金属一般有下列四种方法：
①焦炭法
②水煤气（或氢气，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
[解析] 选择金属的冶炼方法要考虑金属在自然界中存在的状态及金属的活动性。
（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）发生的反应分别是
（Ⅰ）：
Cu2（OH）2CO3
2CuO＋CO2↑＋H2O，C＋
2CuO
2Cu＋CO2↑，符合①；
（Ⅱ）：
Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，符合③；
（Ⅲ）：
2Al＋Cr2O3
Al2O3＋2Cr，符合③；
（Ⅳ）：
先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：
MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑，符合④。
[答案] B
知识点二铝热反应
1.铝热反应的特点
（1）高温。
（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。
2．铝热反应实验注意问题
（1）镁带要打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃。
（2）氧化铁粉末要干燥，铝粉没有被氧化，否则难以反应。
（3）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。
（4）因为铝热反应是一个典型的放热反应，反应中放出的大量热量能够使铁熔化，所以要垫细沙，这样做的目的一是防止蒸发皿炸裂，二是防止熔融的金属溅出伤人。
（5）实验装置应远离人群和易燃物。
【典例2】 下列关于铝热反应的说法错误的是（ ）
A．铝热反应中的还原剂是铝粉
B．铝热剂是纯净物
C．铝与Fe2O3可组成铝热剂
D．铝热反应是放热反应
[思路启迪] 准确掌握铝热反应的特点，一是体现了铝的还原性，二是说明铝热反应为放热反应。
[解析] Al和Fe2O3可组成铝热剂，铝热剂属于混合物，其中铝作还原剂，铝热反应是放热反应。
[答案] B
[针对训练2] 下图为铝热反应的实验装置，请回答下列问题：
（1）引发该铝热反应的操作为____________________________________________________________
_____________________________________________________。
（2）若将氧化铁换成氧化镁，该反应能否发生？
________（填“能”或“不能”），理由是________________________________。
（3）铝热反应的用途有哪些？
_________________________________________。
[解析]
（1）利用镁带燃烧放热促使KClO3分解产生O2，从而引发铝热反应。
（2）Mg比Al活泼，Al不能从MgO中置换出Mg。
[答案]
（1）在混合物中间插一根镁带，并用燃着的小木条（或火柴）点燃镁带
（2）不能 镁比铝活泼，铝不能置换镁
（3）用于焊接钢轨；冶炼某些金属
知识脉络
核心要点
1．金属冶炼的实质是金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质。
2．常见金属的冶炼方法：
K、Ca、Na、Mg、Al―→电解法，Zn～Cu―→热还原法，Hg、Ag―→热分解法。
1．金属冶炼的实质是（ ）
A．金属元素失去电子
B．金属元素获得电子
C．金属元素被氧化了
D．金属元素可能被氧化了，也可能被还原了
[解析] 大多数金属元素在自然界中以化合态形式存在，其化合价为正价，在冶炼过程中得电子被还原，故B项正确。
[答案] B
2．下列说法错误的是（ ）
A．对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用
B．提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步
C．活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液
D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等
[解析] 活泼金属的冶炼是电解其熔融盐（如MgCl2、NaCl等）或熔融氧化物（如Al2O3等）制得的，电解其盐溶液得不到金属单质，C错误。
[答案] C
3．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．②⑤C．③⑤D．②④
[解析] 金属的活泼性决定了金属冶炼的难易程度，金属冶炼的难易程度决定了金属被利用的先后顺序。
[答案] D
4．下列反应原理不符合工业实际的是（ ）
A．2Ag2O
4Ag＋O2↑
B．4Al＋3MnO2
3Mn＋2Al2O3
C．2MgO
2Mg＋O2↑
D．2CuO＋C
2Cu＋CO2↑
[解析] 根据金属的活动性和特点，这四种金属选用的冶炼方法看似都正确，但是工业上冶炼镁时，并不是电解熔融的氧化镁，而是电解熔融的氯化镁。
因为氧化镁的熔点很高，与电解熔融的氯化镁相比会消耗更多的能量。
[答案] C
5．
（1）Al与Fe3O4发生铝热反应的化学方程式为_________________________________________，
该反应中氧化剂是________，还原剂是________。
（2）工业上电解冶炼铝的化学方程式为_____________________。
若电路中通过1mol电子，可以得到Al________g。
[解析]
（1）铝热反应是用铝还原高熔点的金属单质，铝作还原剂，金属氧化物作氧化剂。
（2）由方程式可知得1molAl转移3mol电子，所以电路中通过1mol电子时可得
molAl，质量为9g。
[答案]
（1）8Al＋3Fe3O4
4Al2O3＋9Fe Fe3O4 Al
（2）2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑ 9
课后作业（二十）
[基础巩固]
一、金属冶炼的方法
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。
如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多少
C．金属的化合价高低
D．金属的活动性强弱
[解析] 由于人类掌握科学知识的局限性，越活泼的金属越难以冶炼，故发现年代越晚。
[答案] D
2．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] 金属钠是活泼金属，用电解法制取；汞用加热HgO制取；加热Al2O3难以分解；铝粉和Fe2O3组成铝热剂，可将Fe2O3中的铁还原成单质。
[答案] A
3．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，故不需加热
A．②③B．①③C．①②③D．②③④
[解析] 钠特别活泼，加入氯化镁溶液时钠先与水反应生成NaOH和H2，Mg2＋和OH－反应生成Mg（OH）2沉淀，②错；冶炼铝使用的是Al2O3，③错；高炉炼铁中所发生的反应是放热反应，但仍需要高温，④错。
[答案] D
4．成语、诗词话科学——对下列成语或诗句所描述现象的解释，你认为错误的是（ ）
选项
成语或诗句
用化学知识解释
A
唐代李白诗句“风吹柳花满店香”
这是生活中常见的一种分子扩散运动
B
“烈火见真金”
金的性质稳定，在烈火中也不会发生反应
C
明代于谦诗句“粉身碎骨浑不怕”
它指石灰石碾碎成粉末状的物理变化过程
D
成语“百炼成钢”
通过反复锤炼，减少铁合金中碳元素的质量分数
[解析] 诗句“粉身碎骨浑不怕”，描述的是生石灰遇水由块状变成粉末状的过程，是化学变化过程。
[答案] C
5．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属，锂可以释放出更多的电子，故常用来制造高性能电池。
已知锂的金属性介于钠和镁之间，则冶炼金属锂应采用的方法是（ ）
A．电解法B．热还原法
C．热分解法D．铝热法
[解析] 可以根据金属活泼性与金属冶炼方法之间的联系解答本题，锂的金属性介于钠和镁之间，应该与钠、镁的冶炼方法相同，即采用电解法。
[答案] A
6．金属矿物通常色彩缤纷、形状各异。
下列冶炼金属的方法属于热还原法的是（ ）
A．2NaCl（熔融）
2Na＋Cl2↑
B．WO3＋3H2
W＋3H2O
C．Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4
D．2Ag2O
4Ag＋O2↑
[解析] 钠性质活泼，用电解法制取；钨性质较不活泼，用热还原法制取；Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4为湿法炼铜的反应原理，不属于热还原法；银性质不活泼，可用热分解法制取。
[答案] B
二、金属冶炼过程中的氧化还原反应
7．以辉铜矿（Cu2S）为原料冶炼铜，其反应原理可表示为Cu2S＋O2
2Cu＋SO2。
下列说法不正确的是（ ）
A．化合价发生变化的元素有3种
B．Cu2S在该反应中既是氧化剂又是还原剂
C．1molO2参加反应时，上述反应转移电子总物质的量为4mol
D．SO2被分离、回收后氧化生成SO3，作为制取硫酸的原料
[解析] 分析反应中化合价的变化：
2
＋
2
2
u＋
2，反应过程中Cu、S、O三种元素的化合价均发生改变；Cu2S中Cu元素化合价降低，S元素化合价升高，因此Cu2S既是氧化剂又是还原剂；根据S元素化合价的改变可知，当1molO2参加反应时，共转移电子6mol；SO2催化氧化可得SO3，SO3被水吸收可得H2SO4。
[答案] C
8．下列物质投入溶液中，溶液质量减轻的是（ ）
A.CaCO3投入到HCl溶液中
B．Na2CO3投入稀硫酸中
C．Fe粉投入CuSO4溶液中
D．Fe粉投入稀HCl溶液中
[解析] A、B项相当于把CaO、Na2O分别投入到酸溶液中，故其溶液质量增加；C项Fe元素进入溶液、Cu以单质形式析出，Fe（56）相对原子质量小于Cu（64），故C项符合题意；D项Fe元素进入溶液（HCl），H以单质形式析出，故D项溶液质量增加。
[答案] C
9．电解无水MgCl2所得镁蒸气冷却后即得固体镁。
镁可在下列哪种气体氛围中冷却（ ）
A．H2B．CO2
C．O2D．空气
[解析] Mg在加热条件下可与O2、CO2、N2反应。
故选A。
[答案] A
10．诺贝尔化学奖获得者施罗克等人发现金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。
工业上冶炼钼的化学反应过程为
①2MoS2＋7O2
2MoO3＋4SO2
②MoO3＋2NH3·H2O===（NH4）2MoO4＋H2O
③（NH4）2MoO4＋2HCl===H2MoO4↓＋2NH4Cl
④H2MoO4
MoO3＋H2O
⑤用还原剂将MoO3还原成金属钼。
则下列说法中正确的是（ ）
A．MoS2煅烧产生的尾气可直接排放
B．MoO3是金属氧化物，也是碱性氧化物
C．H2MoO4是一种强酸
D．利用H2、CO和Al分别还原等量的MoO3，所消耗还原剂的物质的量之比为3∶3∶2
[解析] A项明显错误，生成物SO2对环境污染严重；B项，根据②中生成物（NH4）2MoO4可知，该化合物属于盐，对应的酸是H2MoO4，故MoO3不属于碱性氧化物，B项错误；C项，根据反应③H2MoO4是一种不溶性酸，溶液中c（H＋）不可能很大，故H2MoO4不可能是强酸；D项，1molH2、1molCO和1molAl作还原剂时，失去的电子数分别为2mol、2mol和3mol，还原等量的MoO3转移电子相同，此时n（H2）∶n（CO）∶n（Al）＝3∶3∶2。
[答案] D
[能力提升]
11．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] Fe3O4中3个Fe共显＋8价，故1molFe3O4被CO还原成Fe，转移8mole－，C项错误。
[答案] C
12．已知酸性条件下有如下反应：
2Cu＋===Cu2＋＋Cu↓。
由于反应温度不同，用氢气还原氧化铜时，可能产生Cu或Cu2O，两者都是红色固体。
一同学对某次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体产物作了验证，实验操作和实验现象记录如下：
加入试剂
稀硫酸
浓硫酸、加热
稀硝酸
浓硝酸
实验现象
有红色固
体剩余和
溶液变
为蓝色
产生无色气体
产生无
色气体、
溶液变
为蓝色
产生红棕
色气体、
溶液变
为绿色
由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物（ ）
A．是Cu
B．是Cu2O
C．一定有Cu，一定有Cu2O
D．一定有Cu2O，可能有Cu
[解析] 浓H2SO4（加热）、硝酸均能氧化Cu或Cu2O；而稀H2SO4与Cu不反应，与Cu2O反应。
[答案] D
13．在熔融状态下，Na与KCl存在可逆反应：
Na＋KClNaCl＋K，通过调整温度，可利用金属Na来制取K。
物质
K
Na
KCl
NaCl
熔点/℃
63.6
97.8
770
801
沸点/℃
774
883
1500
1413
根据上表的熔点和沸点，确定由Na与KCl反应制取K的合适温度为（ ）
A．770℃B．801℃
C．850℃D．770～801℃
[解析] 要从可逆的置换反应中制取K，主要是利用K的沸点比Na的低而控制温度使K汽化。
其余三种物质均为液体，便于生成的K蒸气不断逸出，使反应向生成K的方向进行而制得K。
在801～883℃合理。
[答案] C
14．有0.4g铁的氧化物，用足量的CO在高温下将其还原，把生成的CO2全部通入足量澄清石灰水中，得到0.75g沉淀。
这种铁的氧化物的化学式是（ ）
A．FeOB．Fe2O3
C．Fe3O4D．FeO和Fe2O3
[解析] CO和铁的氧化物反应时，氧化物中的1molO原子对应1molCO2分子，1molCO2分子对应1molCaCO3，所以有下列的关系式，并假设0.4g该氧化物中含xgO原子。
O ～ CO2 ～ CaCO3
16100
xg0.75g
解得x＝0.12
n（Fe）∶n（O）＝
∶
＝2∶3。
故此氧化物的化学式为Fe2O3。
[答案] B
15．在某次探究性学习中，老师要求同学们在实验室中用氧化铜、稀硫酸和铁来制取纯净的铜，并用所制得的铜进行一系列的探究性实验。
甲、乙两位同学分别设计了如下两个制取铜的实验方案。
甲：
①CuO溶于适量稀硫酸中；
②在①的溶液中加入稍过量的铁，充分反应后，过滤、烘干，即得纯净的铜。
乙：
①铁与稀硫酸反应得氢气；
②用氢气还原氧化铜，充分反应后即得纯净的铜。
（1）若两位同学消耗的稀硫酸和铁的量分别相同，请判断他们所制得铜的质量大小关系（填选项的标号）__________。
A．相同
B．甲多
C．乙多
D．以上三种情况均有可能
（2）丙同学认为上述两种方案都难以保证所制得铜的纯度，应对上述两种方案加以完善。
甲同学的方案不完善的原因是__________________________，完善乙同学的方案的一种方法是将所得的铜粉放入烧杯中，加入__________，不断搅拌，然后__________________即得到纯净的铜。
[解析]
（1）在用氢气还原氧化铜的反应中，应先通入H2，排除空气，然后才能加热，并且反应结束后应先撤去酒精灯，再停止通入H2，因此所制得的H2并没有全部参与CuO的还原，故生成铜的质量小。
（2）甲方案中铁过量，并且过滤后没有洗涤，产物中混有铁粉，也可能混有FeSO4；而乙方案中可能混有CuO，应加入稀硫酸除去CuO。
[答案]
（1）B
（2）甲同学的方案产物中可能混有铁并且没有洗涤 过量稀硫酸 过滤、洗涤、烘干
16．金属冶炼与处理常涉及氧化还原反应。
（1）由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是________。
a．Fe2O3b．NaCl
c．Cu2Sd．Al2O3
（2）辉铜矿（Cu2S）可发生反应：
2Cu2S＋2H2SO4＋5O2===4CuSO4＋2H2O，该反应的还原剂是________。
当1molO2发生反应时，还原剂所失电子的物质的量为________mol。
（3）以铝土矿（主要成分氧化铝）、盐酸、氨水为主要原料制备金属铝，反应原理如下：
Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O，
AlCl3＋3NH3·H2O===Al（OH）3↓＋3NH4Cl，
2Al（OH）3
Al2O3＋3H2O，
________________________________（完成该反应），
并指出该反应中生成标准状况下6.72L氧气，冶炼出铝的物质的量是________mol，利用冶炼出的铝在高温下与氧化铁反应，写出该反应的化学方程式______________________。
[解析]
（1）Na、K、Mg、Al等活泼金属的冶炼均采用电解法，Fe、Cu的冶炼采用热还原法。
（2）在辉铜矿和H2SO4、O2的反应中，O2作氧化剂，所以1molO2得到4mole－，还原剂失去4mole－。
（3）据给出的反应可知最后一步是电解熔融的氧化铝制取金属铝，化学方程式是2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑，该反应中生成标准状况下6.72L氧气，即氧气`是6.72L÷22.4L/mol＝0.3mol，故冶炼出铝的物质的量是0.3mol×4÷3＝0.4mol，冶炼出的铝在高温下与氧化铁反应的化学方程式是2Al＋Fe2O3
2Fe＋Al2O3。
[答案]
（1）bd
（2）Cu2S 4
（3）2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑ 0.4
2Al＋Fe2O3
2Fe＋Al2O3
[拓展拔高]
17．工业上可用含Fe2O3的钛铁矿（主要成分为FeTiO3，其中Ti化合价为＋4价）制取TiO2，其主要流程如下：
Fe2O3与硫酸反应的离子方程式是_______________；向甲溶液中加入铁的目的是__________________________。
Ⅱ.还原法是工业上冶炼钛常用方法之一，该方法是以金红石（主要含TiO2）或TiO2为原料来制取，其主要工艺流程如下：
试回答下列问题：
（1）已知反应①通常在800～900℃的条件下进行，产物中有一种可燃性无色气体，其中当有1molCl2完全反应时，参加反应的还原剂的物质的量为__________mol。
（2）反应②通常在800℃的条件下进行，通入氩气的目的是________________________；分离反应②的产物所得到的海绵钛中常混有少量杂质，应如何除去杂质？
___________________________________________（简述操作过程）。
（3）在上述工艺流程中可以循环使用的物质是__________________________。
[解析] Ⅰ.氧化铁与硫酸反应生成硫酸铁和水，离子方程式是Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O；因为最终得到绿矾，所以应将铁离子还原为亚铁离子，加入甲物质的目的是把铁离子还原为亚铁离子。
Ⅱ.
（1）反应①的反应物为TiO2、C、Cl2，结合流程图知有TiCl4生成，利用原子守恒及题给信息可知另一气体产物是CO，所以反应的化学方程式为TiO2＋2C＋2Cl2
TiCl4＋2CO，在反应中碳
被Cl2氧化，当有1molCl2完全反应时，参加反应的还原剂（C）的物质的量为1mol。
（2）反应②中反应物Mg以及产物Ti在高温下都易被空气
升级会员 