高中化学人教版特色专题12大自然的馈赠自然资源的开发利用《讲义教师版》.docx

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高中化学人教版特色专题12大自然的馈赠自然资源的开发利用《讲义教师版》

第12讲大自然的馈赠——自然资源的开发利用

学习目标

1.掌握常见金属的冶炼方法和生产工艺

2.掌握碘、溴、镁等海水资源的开发利用

入门测

单选题

练习1.

（2021秋∙禅城区校级月考）据央视报道，近几年我国因外卖产生的垃圾（餐盒、塑料袋等）已经达到惊人的数量，急需治理。

垃圾处理要遵循无害化、减量化和资源化的原则。

下列常用垃圾处理方法不可行的是（　）

A．倒入河中

B．卫生填埋

C．堆肥

D．焚烧发电

【答案】A

【解析】

题干解析:

垃圾倒入河中，能引起水体污染，堆肥、卫生填埋、焚烧处理、垃圾分类回收是目前常用的垃圾处理方法，

练习2.

（2021秋∙禅城区校级月考）现代人已经进入以“室内污染”为标志的第三个污染阶段。

下列物质中，不属于室内污染物的是（　）

A．烹饪时产生的油烟

B．天然气燃烧时产生的CO2和水蒸气

C．装修板材中黏合剂释放出的甲醛等有机物

D．室内用煤炉取暖

【答案】B

【解析】

题干解析:

A．烹饪时产生的油烟，对人体健康有害，属于室内污染，故A不选；

B．天然气燃烧产生的CO2和水，不属于室内污染，故B选；

C．装修板材中黏合剂释放出的甲醛等有机物，对人体健康有害，属于室内污染，故C不选；

D．室内用煤炉取暖，能产生烟尘，一氧化碳等污染物，危害人体健康，属于室内污染，故D不选；

练习3.

（2021秋∙浙江期中）2021年4月22日是第50个“世界地球日”，我国确定的活动主题为“珍爱美丽地球，守护自然资源”。

下列行为不符合这一活动主题的是（　）

A．加快化石燃料的开采与使用，促进社会可持续发展

B．开发太阳能，利用水和二氧化碳合成甲醇

C．用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料，实现碳的循环利用

D．将“地沟油”制成肥皂，可以提高资源的利用率

【答案】A

【解析】

题干解析:

A．加快化石燃料的开采与使用会增加污染物的排放量，不利于环境保护，不符合“珍爱美丽地球，守护自然资源”思想，故A选；

B．太阳能为清洁能源，利用水和二氧化碳合成甲醇可以减少二氧化碳引起温室效应，符合“珍爱美丽地球，守护自然资源”思想，故B不选；

C．用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料，实现碳的循环利用，可以降低二氧化碳的排放，有利于环境保护，故C不选；

D．将“地沟油”制成肥皂，实现废物再利用，可以提高资源的利用率，符合“珍爱美丽地球，守护自然资源”思想，故D不选；

情景导入

知识集结

知识元

金属的冶炼

知识讲解

一、定义：

金属冶炼是将金属从其化合物中还原出来的过程。

其实质为金属离子得到电子变成金属原子。

二、提炼金属过程：

三、金属的冶炼原理

1.金属在自然界中存在的形式：

大部分金属都是以化合态存在，少数（如金、铂等）为游离态存在。

2.金属的提炼方法

（1）物理方法

对于金、铂等以游离态存在于自然界的金属可以用物理方法提炼。

例如淘金，其原理就是利用金的质量比沙子重，通过洗淘的方法进行富集；在淘去粗沙后，用水银来吸附金沙，从而提纯出较纯净的金。

（2）化学方法

①热分解法

适合冶炼Hg、Ag等不活泼的金属。

2HgO

 2Hg+O2↑

2Ag2O

 4Ag+O2↑

②热还原法

该方法通过向金属化合物中加入还原剂将金属从其化合物中还原出来。

适合于活泼性不太强的金属。

例如Fe、Cu、W等

2CuO+C

 2Cu+CO2↑

Fe2O3+3CO

 2Fe+3CO2

WO3+3H2

 W+3H2O

思考？

常用的还原剂除C、CO、H2以外有哪些？

常用的还原剂一般有活泼的金属

例题精讲

金属的冶炼

例1.可以用下图装置进行CO还原赤铁矿（主要成分为Fe2O3）并测定其中铁元素的含量的实验（假设杂质不参加反应）。

请回答下列问题:

（1）该实验中炼铁的方法是       （填字母）。

A.热分解法  B.热还原法  C.电解法    D.湿法冶金

（2）实验开始后,B中的现象是        ,A中有关反应的化学方程式是                 。

（3）C处须进行尾气处理,其方法是                      。

（4）若样品的质量为3.6g,通入足量的CO充分反应后,B增重2.64g,则样品中铁元素的质量分数为        （结果保留一位小数）。

【答案】

B

澄清石灰水变浑浊;Fe2O3+3CO2

Fe+3CO2

直接点燃尾气直接点燃尾气

62.2%

【解析】

题干解析:

（1）本实验用CO在加热条件下还原Fe2O3,属于热还原法冶炼金属;

（2）实验开始后A中发生反应:

Fe2O3+3CO2

Fe+3CO2,生成的CO2通入澄清石灰水中,使澄清石灰水变浑浊;

（3）C处尾气为有毒的CO,处理的方法是点燃;

（4）通入足量的CO充分反应后,B增重2.64g,即生成的CO2为2.64g,根据反应

Fe2O3+3CO2

Fe+3CO2可知生成的Fe为0.04mol,故样品中w（Fe）==62.2%。

例2.铝热反应曾用于钢轨焊接，也用于金属冶炼．铝热反应实验时，在固体混合物中间插入一根镁带．

（1）实验时，镁带的作用是　  　；

（2）氧化铁和铝粉反应的化学方程式为　  　；

（3）当该反应中有0.3mol电子发生转移时，参加反应的氧化铁的质量为　  　g．

（4）该反应　  　（填“吸”或“放”）热，说明反应物总能量　  　（填“大于”或“小于”）生成物总能量．

【答案】

燃烧放出的热为铝热反应提供能量；

2Al+Fe2O3

 2Fe+Al2O3；

8；

放热；高于。

【解析】

题干解析:

（1）在铝热反应中，金属镁燃烧会放出大量的热，为铝热反应提供反应条件，所以镁带的作用是：

燃烧放出的热为铝热反应提供能量，故答案为：

燃烧放出的热为铝热反应提供能量；

（2）氧化铁和铝之间发生反应生成金属铁和氧化铝，反应的化学方程式为2Al+Fe2O3

2Fe+Al2O3，故答案为：

2Al+Fe2O3

2Fe+Al2O3；

（3）反应2Al+Fe2O3

2Fe+Al2O3中，有6mol电子发生转移时，参加反应的氧化铁的物质的量是1mol，当有0.3mol电子发生转移时，参加反应的氧化铁的物质的量是0.05mol，质量是0.05mol×160g/mol=8g，故答案为：

8；

（4）铝热反应生成的铁是液态，则反应是放热的，反应物的能量高于生成物的能量，故答案为：

放热；高于．

例3.用电炉法炼镁时，要用大量的冷气体将炉口挥发出的镁蒸气降温以得到镁粉，可选用的气体是

A．H2 

B．He  

C．N2 

D．CO2 

【答案】B

【解析】

题干解析:

H2、N2、CO2都能与镁发生反应，He为稀有气体不与镁反应

例4.冶炼金属常用以下几种方法：

①以C、CO或H2做还原剂 ②以活泼金属Na、Mg等还原  ③利用铝热反应原理还原 ④电解法  ⑤热分解法．下列金属各采用哪种方法还原最佳．（用序号填写下列空白）．

（1）Fe、Zn、Cu等中等活泼金属　　．

（2）Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属　　．

（3）Hg、Ag等不活泼金属　　．

（4）V、Cr、Mn、W等高熔点金属　　．

【答案】

①

④

⑤

③

【解析】

题干解析:

（1）由Fe、Zn、Cu等中等活泼金属用热还原法，即以C、CO或H2做还原剂还原冶炼，故答案为：

①；

（2）Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属的化合物与C、CO或H2等不反应，故采用电解法冶炼制备，故答案为：

④；

（3）Hg、Ag等不活泼金属的氧化物不稳定，受热易分解，故采用热分解法冶炼，故答案为：

⑤；

（4）V、Cr、Mn、W等高熔点金属采用铝热反应来制取，故答案为：

③；

铝热反应

知识讲解

铝热反应

实验现象：

当外露部分镁条刚刚燃完时，纸漏斗内的混合物立即剧烈反应，发出耀眼的光芒，产生大量的热。

纸漏斗被烧破，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。

实验过程中发生的反应：

2Mg+O2

 2MgO

2KClO3

 2KCl+3O2↑

2Al+Fe2O3

 2Fe+Al2O3

原理应用：

可应用于焊接铁轨等

也可用于冶炼高熔点的金属，如Co、Cr、Mn等金属。

2Al+Cr2O3

 2Cr+Al2O3

4Al+3MnO2

 3Mn+2Al2O3

8Al+Co3O4

 9Co+4Al2O3

③电解法

通过电解金属的低熔点离子化合物来冶炼金属（能耗很高）。

适合于活泼金属Na、Mg、Al等金属的冶炼。

2NaCl（熔融）

 2Na+Cl2↑

MgCl（熔融）

 Mg+Cl2↑

 思考？

1.为什么电解氧化铝而不是氯化铝？

 由于AlCl3是共价化合物熔融状态不导电，因此电解Al2O3，但是Al2O3的熔点很高，因此加入冰晶石（六氟合铝酸钠Na3AlF6）来降低Al2O3的熔点，以减少能耗。

在拿破仑时代所用的钠还原法使得金属铝的造价极其昂贵。

电解铝的方法到1886年才由美国的霍尔和法国的埃鲁发明，铝的冶炼才进入工业生产的时代。

2.为什么电解氯化镁而不是氧化镁？

 因为氯化镁是离子化合物且熔点比氧化镁低，消耗能量少。

四、金属冶炼方法的递变规律

金属的活动性顺序

KCaNaMgAl

ZnFeSnPb（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

金属活动性顺序表中，金属的位置越靠后，金属阳离子的氧化性越强，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就较早。

同理，金属的位置越靠前，人们开发利用的时间就较晚。

例题精讲

铝热反应

例1.如图所示：

用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起，使四周都有四层．把内层滤纸取出，在底部剪一个小孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置一盛沙的蒸发皿．把5g干燥的氧化铁粉末和2g铝粉混合均匀，放在纸漏斗中，上面加少量氯酸钾并在混合物中间插一根镁条，用小木条点燃镁条．观察发生的现象．通过以上实验信息，回答下列问题：

（1）写出该反应的化学方程式：

　  　，该反应称为　  　反应．

（2）选出该实验的实验现象（填写在横线上）：

　  　．

①镁条剧烈燃烧           

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）写出各物质的作用：

蒸发皿盛沙：

　  　；镁条：

　  　；氯酸钾：

　  　．

【答案】

Fe2O3+2Al 

Al2O3+2Fe；铝热；

①②③④；

为防止溅落物炸裂蒸发皿；引燃剂；助燃剂．

【解析】

题干解析:

（1）氧化铁和铝粉在高温条件下发生铝热反应生成铁和氧化铝，反应的化学方程式为：

Fe2O3+2Al

Al2O3+2Fe；该反应为铝热反应，故答案为：

Fe2O3+2Al

Al2O3+2Fe；铝热；　

（2）该反应在高温条件下进行，反应的现象有：

镁条剧烈燃烧、放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射、纸漏斗的下部被烧穿、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，所以①②③④都正确，

故答案为：

①②③④；

（3）铝热反应中，为了防止溅落物炸裂蒸发皿，需要在蒸发皿中盛放沙；该反应需要在高温下进行，镁条作引燃剂，氯酸钾在反应物起到助燃剂的作用，使反应产生高温，引发铝热反应，

故答案为：

为防止溅落物炸裂蒸发皿；引燃剂；助燃剂．

例2.铝热反应曾用于钢轨焊接，也用于金属冶炼．铝热反应实验时，在固体混合物中间插入一根镁带．

（1）实验时，镁带的作用是　  　；

（2）氧化铁和铝粉反应的化学方程式为　  　；

（3）当该反应中有0.3mol电子发生转移时，参加反应的氧化铁的质量为　  　g．

（4）该反应　  　（填“吸”或“放”）热，说明反应物总能量　  　（填“大于”或“小于”）生成物总能量．

【答案】

燃烧放出的热为铝热反应提供能量；

2Al+Fe2O3

 2Fe+Al2O3；

8；

放热；高于。

【解析】

题干解析:

（1）在铝热反应中，金属镁燃烧会放出大量的热，为铝热反应提供反应条件，所以镁带的作用是：

燃烧放出的热为铝热反应提供能量，故答案为：

燃烧放出的热为铝热反应提供能量；

（2）氧化铁和铝之间发生反应生成金属铁和氧化铝，反应的化学方程式为2Al+Fe2O3

2Fe+Al2O3，故答案为：

2Al+Fe2O3

2Fe+Al2O3；

（3）反应2Al+Fe2O3

2Fe+Al2O3中，有6mol电子发生转移时，参加反应的氧化铁的物质的量是1mol，当有0.3mol电子发生转移时，参加反应的氧化铁的物质的量是0.05mol，质量是0.05mol×160g/mol=8g，故答案为：

8；

（4）铝热反应生成的铁是液态，则反应是放热的，反应物的能量高于生成物的能量，故答案为：

放热；高于．

例3. 铝是一种应用广泛的金属,工业上用Al2O3和冰晶石（Na3AlF6）混合熔融电解制得。

①铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2等。

从铝土矿中提炼Al2O3的流程如下:

②以萤石（CaF2）和纯碱为原料制备冰晶石的流程如下:

请回答下列问题:

（1）写出反应①的化学方程式:

                  。

（2）滤液Ⅰ中加入CaO生成的沉淀是       （填化学式）,反应②的离子方程式为              。

（3）写出由气体D制备冰晶石的化学方程式:

                  。

【答案】

Al2O3+2NaOH

 2NaAlO2+H2O,SiO2+2NaOH

Na2SiO3+H2O

CaSiO3;2NaAlO2+CO2+3H2O

2Al（OH）3↓+Na2CO3或NaAlO2+CO2+2H2O

Al（OH）3↓+NaHCO3

12HF+2Al（OH）3+3Na2CO3

2Na3AlF6+3CO2+9H2O

【解析】

题干解析:

①为矿石有用成分的富集。

（1）铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2,加入NaOH溶液与Al2O3和SiO2都能发生反应;

（2）滤液Ⅰ是NaAlO2和Na2SiO3混合溶液,加入CaO后将生成CaSiO3沉淀,从而除去Si;反应②向NaAlO2溶液中通入CO2,目的是生成Al（OH）3沉淀,进而制得Al2O3,故反应②的离子方程式为2NaAlO2+CO2+3H2O

2Al（OH）3↓+Na2CO3或

NaAlO2+CO2+2H2O

Al（OH）3↓+NaHCO3;

（3）气体D为HF,其与Na2CO3、Al（OH）3反应制备冰晶石的化学方程式为

12HF+2Al（OH）3+3Na2CO3

2Na3AlF6+3CO2+9H2O。

海水提溴

知识讲解

主要流程：

主要步骤：

①用蒸馏法将海水浓缩。

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，使溴离子转变为溴单质，

反应方程式2NaBr＋Cl2===Br2＋2NaCl；

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

反应方程式Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4；

④向吸收塔中的溶液内通入适量的氯气，反应方程式2HBr＋Cl2===Br2＋2HCl；

⑤用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔中溶液里的溴单质。

例题精讲

海水提溴

例1.中国有广阔的海岸线，建设发展海洋经济，海水的综合利用大有可为．海水中溴含量约为65mg•L﹣1，从海水中提取溴的工业流程如图：

（1）以上步骤I中已获得游离态的溴，步骤II又将之转变成化合态的溴，其目的是　   

（2）步骤II通入空气吹出Br2，利用了溴的　　．

A．氧化性       B．还原性      C．挥发性   D．腐蚀性

（3）以上流程II中涉及的离子反应如下，请在下面横线内填入适当的化学计量数：

  Br2+   CO32﹣═  BrO3﹣+  Br﹣+  CO2↑

（4）上述流程中吹出的溴蒸气，也可先用二氧化硫水溶液吸收，再用氯气氧化后蒸馏．写出溴与二氧化硫水溶液反应的化学方程式：

　                        　．

（5）实验室分离溴还可以用溶剂萃取法，下列可以用作溴的萃取剂将溴从水中提取出来的是　      　．

A．乙醇   B．四氯化碳   C．烧碱溶液   D．苯．

【答案】

富集溴元素；

C；

3；3；1；5；3；

Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4；

BD．

【解析】

题干解析:

（1）步骤I中已获得游离态的溴浓度很低，如果直接蒸馏，生产成本较高，不利于工业生产，步骤I中已获得游离态的溴，步骤II又将之转变成化合态的溴，其目的是富集溴元素，降低成本，

故答案为：

富集溴元素；

（2）溴易挥发，步骤II通入热空气或水蒸气吹出Br2，就是利用溴的挥发性，

故答案为：

C；

（3）该反应中Br元素化合价由0价变为﹣1价、+5价，其最小公倍数是5，再结合原子守恒或电荷守恒得方程式为：

3Br2+3CO32﹣═BrO3﹣+5Br﹣+3CO2↑，

故答案为：

3；3；1；5；3；

（4）上述流程中吹出的溴蒸气，也可以用二氧化硫水溶液吸收，再用氯气氧化后蒸馏．溴与二氧化硫水溶液反应生成硫酸和溴化氢，反应的化学方程式为：

Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4，

故答案为：

Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4；

（5）萃取剂的选取标准：

萃取剂和溶质不反应、溶质在萃取剂中的溶解度大于在原溶剂中的溶解度、萃取剂和原溶剂不互溶，

A．乙醇易溶于水，所以不能作萃取剂，故A错误；

B．四氯化碳符合萃取剂选取标准，所以能作萃取剂，故B正确；

C．溴单质与烧碱溶液反应，不能做萃取剂，故C错误；

D．苯符合萃取剂选取标准，所以能作萃取剂，故D正确；

故选BD．

例2.海水是一个巨大的化学资源库，如图是海水综合利用的部分工艺流程图：

已知：

MgCl2•6H2O受热生成Mg（OH）Cl和HCl气体等．

（1）在过程①中应加入下列沉淀剂的顺序是　        　（填序号），同时加入盐酸将滤液的pH调至酸性，除去的离子是　      　（填离子符号）．

A．Na2CO3 B．NaOH C．BaCl2

（2）过程②中反应的离子方程式是　               　．

（3）简述过程③中如何获得无水MgCl2：

　                          　．

（4）写出过程④的化学方程式：

　                 　．简述工业上不使用电解MgO的方法制取金属镁的原因：

　                     　．

（5）将由母液获得的NaBr溶液浓缩、酸化，并通入Cl2，充分反应，再向其中吹入热空气，将生成的溴吹出，过程⑤用纯碱溶液吸收，过程⑤发生反应的离子方程式为　                   　．过程⑥是将过程⑤所得溶液用稀H2SO4酸化，使NaBr、NaBrO3中的溴转化为单质溴，再用　        　（填操作方法）的方法提取溴，还可以得到副产品　      　，写出过程⑥的离子方程式：

　                　。

【答案】

CAB、CBA或BCA　；CO32﹣、OH﹣

2Cl﹣+2H2O

2OH﹣+H2↑+Cl2↑

在干燥的HCl气流中加热MgCl2•6H2O晶体

MgCl2（熔融）

Mg+Cl2↑；MgO的熔点远高于MgCl2的熔点

3Br2+3CO32﹣═5Br﹣+BrO3﹣+3CO2↑；萃取；5Br﹣+BrO3﹣+6H+═3Br2+3H2O

【解析】

题干解析:

（1）总体思路是先沉淀再过滤，沉淀时要先加BaCl2溶液，再加Na2CO3溶液，因为碳酸钠能把过量的氯化钡沉淀出来，氢氧化钠可放在它们前面，也可放在它们后面或中间，都完全沉淀完后再过滤，加入适量盐酸pH调至酸性除去的离子是CO32﹣和OH﹣，

故答案为：

CAB或者CBA或者BCA；CO32﹣和OH﹣；

（2）电解饱和食盐水制取氯气的反应为2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑，反应的离子方程式为：

2Cl﹣+2H2O

2OH﹣+H2↑+Cl2↑，

故答案为：

2Cl﹣+2H2O

2OH﹣+H2↑+Cl2↑；

（3）氯化镁晶体加热失去结晶水，镁离子水解生成氢氧化镁，在氯化氢气流中加热失水得到氯化镁，过程③中获得无水MgCl2，在干燥的HCl气流中加热MgCl2•6H2O晶体，

故答案为：

在干燥的HCl气流中加热MgCl2•6H2O晶体；

（4）电解熔融的氯化镁得到Mg与氯气，反应方程式为：

MgCl2

Mg+Cl2↑，MgO的熔沸点非常高，达到熔融状态需要消耗很多能源．所以，用电解法制取金属镁时，需要无水氯化镁．

故答案为：

MgCl2

Mg+Cl2↑；MgO的熔点远高于MgCl2的熔点；     

（5）过程⑤用纯碱溶液吸收溴单质，产生的Br2用浓Na2CO3溶液吸收，生成NaBr、NaBrO3等，反应的离子方程式为：

3Br2+3CO32﹣═5Br﹣+BrO3﹣+3CO2↑，过程⑥是将过程⑤所得溶液用稀H2SO4酸化，使NaBr、NaBrO3中的溴转化为单质溴，Br﹣、BrO3﹣在酸性条件下发生反应生成Br2，Br﹣、BrO3﹣在酸性条件下发生反应生成Br2，根据元素守恒可知还生成H2O，反应离子方程式为：

5Br﹣+BrO3﹣+6H+=3Br2+3H2O，用有机溶剂萃取溴，过程中得到滤液中含有硫酸钠，

故答案为：

3Br2+3CO32﹣═5Br﹣+BrO3﹣+3CO2↑；萃取；Na2SO4；5Br﹣+BrO3﹣+6H+═3Br2+3H2O．

海带提碘

知识讲解

海带中提取碘单质

主要流程：

主要步骤：

∙将海带晾干并灼烧成灰烬；

∙向海带灰中加水，并浸泡一段时间，过滤，取滤液；

∙向滤液中加入过氧化氢和稀硫酸，并过滤，

反应方程式为2KI+H2O2+H2SO4==I2+K2SO4+2H2O

∙向滤渣中加入四氯化碳吸收碘单质

思考？

如何将有机溶剂中的碘单质（或溴单质）从有机溶剂中分离出来？

例题精讲

海带提碘

例1.碘是人体必需的元素之一，海洋植物如海带、海藻中含有丰富的碘元素，碘元素以碘离子的形式存在．实验室里从海藻中提取碘的流程如下：

已知2KI+Cl2═I2+2KCl

（1）指出提取碘的过程中有关的实验操作名称：

①　   　，②