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1开发利用金属矿物和海水资源

开发利用金属矿物和海水资源

学习目标

　1．了解化学方法在金属矿物开发（主要是金属冶炼）及海水资源开发中的作用。

　2．掌握金属冶炼的一般原理基础及不同金属的冶炼方法。

3．掌握从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品原理及方法。

4．认识到关心科学、研究科学和探索科学的精神。

教学重难点：

　本节教学重点：

掌握金属冶炼的一般原理基础，了解适用于不同金属的冶炼方法。

了解海水资源开发和利用。

课时安排：

两课时

教学过程：

【引言】

　　例1.第28届国际地质大会提供的资料显示，海底蕴藏着大量的天然气水合物，俗称“可燃冰”。

“可燃冰”是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构成8个笼，每个笼内可容纳1个CH4分子或1个游离的H2O分子。

若晶体中每8个笼有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离的H2O分子填充。

则“可燃冰”的平均组成可表示为（）

A.3CH4·H2OB.CH4·3H2OC.CH4·6H2OD.CH4·8H2O

解析：

“可燃冰”是一种甲烷化合物，要推测“可燃冰”的平均组成，关键是要根据题目提供的信息推测“可燃冰”中甲烷分子与水分子的个数比。

题目中所提到的“笼”，可使我们联想到民间的“灯笼”，以8个“笼”为1个单元，每8个“笼”由46个水分子构成，而其中又填充了6个CH4分子、2个H2O分子，所以CH4分子与H2O分子的个数比为6∶（46＋2）＝1∶8。

所以，正确答案是D。

象“可燃冰”这样，由两种或两种以上的分子依靠分子间作用力结合在一起的具有一定结构和功能的聚集体叫超分子。

人们通常将化学物质进行分类，在原子、分子乃至超分子等不同的结构层次上研究物质及其发生化学变化的规律，认识物质在变化过程中表现出的性质。

所有这些都是人类利用自然资源、丰富物质世界的重要科学依据。

本节课我们主要以金属矿物为例，一起认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。

第一课时金属矿物的开发和利用

阅读课本P80资料卡片

自然资源与可持续发展

广义地讲，所谓自然资源，是指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称。

可持续发展的目标是满足人类需要，强调人类的行为要受到自然界的制约、强调代际之间、人类和其它生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。

它包括经济的可持续发展，社会的可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展和全球可持续发展。

金属单质在自然界中的存在形式。

一、金属的存在

少数化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态存在，如金、铂、铜、银；化学性质比较活泼的金属，在自然界中以化合态存在。

大多数金属在自然界中是以化合态存在的，如铝以铝土矿形式存在，铁以铁矿石形式存在。

二、金属的冶炼

金属冶炼是工业上将金属从含有金属元素的矿石中还原出来的生产过程。

金属的活动性不同，可以采用不同的冶炼方法。

总的说来，金属的性质越稳定，越容易将其从化合物中还原出来。

㈠金属冶炼的方法主要有：

（1）热分解法

对于不活泼金属，可以直接用加热分解的方法将金属从其化合物中还原出来，例如：

2HgO

2Hg+O2↑

2Ag2O

4Ag+O2↑

（2）热还原法

在金属活动性顺序表中处于中间位置的金属，通常是用还原剂（C、CO、H2、活泼金属等）将金属从其化合物中还原出来，例如：

Fe2O3+3CO

2Fe+CO2↑

WO3+3H2

W+3H2O

ZnO+C

Zn+CO↑

MgO+C

Mg（g）+CO（g）

Fe+CuSO4=FeSO4+Cu

Fe2O3+2Al

2Fe+Al2O3（铝热反应）

【演示实验】课本P81实验4-1

注意事项：

实验时要注意安全，反应装置应远离易燃物；铝粉要细（200目以上），最好用铝银粉（商业名称）；预先擦去镁带的氧化膜，长度约需10cm（过短热量不够，影响实验效果。

现象：

，镁条剧烈燃烧，并发出耀眼的光芒。

纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。

待熔融物冷却后，除去外层熔渣，可以发现落下的是铁珠。

结论：

Fe2O3+2Al

2Fe+Al2O3（铝热反应）铝热反应的特点：

高温引燃剧烈放热，体现氧化铝高熔点的性质。

应用：

①焊接钢轨②冶炼高熔点金属

（3）电解法

非常活泼的金属用一般的还原剂很难将它们还原出来，通常采用电解熔融的金属化合物的方法冶炼活泼金属，例如：

2NaCl（熔融）

2Na+Cl2↑

4NaOH（熔融）

4Na+O2+2H2O

MgCl2（熔融）

Mg+Cl2↑

2Al2O3

4Al+3O2↑

一些对纯度要求较高的不活泼金属也可以采用电解其盐溶液的方法来进行冶炼，例如：

2CuSO4+2H2O

2Cu+2H2SO4+O2↑

（4）有些金属可以利用氧气从其硫化物中冶炼出来，例如：

Cu2S+O2

2Cu+SO2

结论：

（学生总结）金属活动顺序表中不同金属冶炼方法的选择

KCaNaMgAlZnFeSnPb（H）CuHgAg

【思考】为什么人类使用铁器比使用铜器晚？

金属使用的先后与金属冶炼的难易有关。

三、金属提炼步骤：

（1）矿石的富集、除杂；

（2）冶炼；（3）精炼。

矿产资源是大自然赋予人类的宝贵财富，但并非取之不尽用之不竭，随着人们的开发利用，将会日渐减少，因此要加强金属资源的回收和再利用，节约矿产资源。

我国幅员辽阔，是世界上矿产资源比较丰富、矿产品种比较齐全的国家。

我国矿产资源总值居世界第3位，但人均拥有量约为世界人均水平的

。

因此，我们更应注意金属的回收和资源的保护。

[课堂练习1]

冶炼金属一般有下列四种方法：

①焦炭法，②水煤气（或H2或CO）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）火烧孔雀石法炼铜，（Ⅱ）湿法炼铜，现代有（Ⅲ）铝热法炼铬，（Ⅳ）从光卤石（KCl•MgCl2•6H2O）中炼镁，对它们的冶炼方法分析不正确的是（　）

　　A．（Ⅰ）用①

　　B．（Ⅱ）用②

　　C．（Ⅲ）用③

　　D．（Ⅳ）用④

　解析：

（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（Ⅳ）发生的反应分别是：

　　（Ⅰ）

　　　符合①

　　（Ⅱ）

　符合③

　　（Ⅲ）

　符合③

　　（Ⅳ）先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2，

　符合④

　　答案：

B

[课堂练习2]

工业上用铝土矿（主要成分是Al2O3）生产铝的过程，可用简单示意图表示如下（图中字母代表有关物质的分子式）

写出①～④反应的方程式。

答案：

①Al2O3+2NaOH====2NaAlO2+H2O

②2NaAlO2+CO2+3H2O====2Al（OH）3↓+Na2CO3

③Na2CO3+Ca（OH）2====CaCO3↓+2NaOH

④2Al（OH）3

Al2O3+3H2O

【作业】课本P85全部习题

第二课时海水资源的开发利用

一、海水淡化

海洋水资源：

海水中水的储量约为1.3×109亿吨，约占全球总水量的97％。

海水中水资源的利用，主要包括海水的淡化和直接利用海水进行循环冷却。

通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去，都可以达到淡化海水的目的。

海水淡化的方法主要有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。

二、海水中的化学资源

由于与岩石、大气、生物的相互作用，海水中溶解和悬浮有大量的无机物和有机物，按含量计，水中的H、O两种元素，加上Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、Br、Sr等11种超过总量的99%，其他为微量元素，总计含有80多种元素。

海洋有取之不尽的化学资源。

海洋资源中，利用潜力最大的是海水中的化学资源。

目前，在陆地上发现的１００多种化学元素，在海水中已找到８０多种，其中７０多种可供提取。

如，氯化钠（即食盐）有４亿亿吨，镁约有１８００万亿吨，钾有５００万亿吨，溴约有９０万亿吨，核燃料约４０亿吨－５０亿吨。

1．海水中含有的各种元素的特点：

种类多，总储量大，富集程度低。

因此，从海水中提取物质需要解决物质的富集的问题。

2．从海水中提取物质的方法

⑴．从海水中提取食盐的主要工艺流程

从海水中制取盐的方法主要有：

盐田法、电渗析法和冷冻法。

其中盐田法历史最悠久，而且也是最简便和经济有效的方法，现在还在广泛采用。

盐田法又叫滩晒法，盐田建在海滩边，借用海滩逐渐升高的坡度，开出一片片象扶梯一样的池子。

利用涨潮或用风车和泵抽取海水到池内。

海水流过几个池子，随着风吹日晒，水份不断蒸发，海水中的盐浓度愈来愈高，最后让浓盐水进入结晶池，继续蒸发，直到析出食盐晶体。

我国是世界上最大的产盐国，年产盐量近2000万吨，占世界食盐产量的80%。

⑵．从海水中提取镁的主要工艺流程

镁是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁从海水中提取。

主要步骤如下：

（1）为了使MgCl2转化为Mg（OH）2，试剂①可以选用             ，要使MgCl2完全转化为沉淀，加入试剂①的量应              ，验证MgCl2已完全转化为Mg（OH）2的方法是                                     。

（2）加入试剂①，能够分离得到Mg（OH）2沉淀的方法是        。

（3）试剂②可以选用        。

（4）无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl2，写出该反应的化学方程式                                     。

答案.

（1）过量NaOH 取上层清液，滴入NaOH溶液，不产生沉淀    

（2）过滤   （3）HCl  （4）MgCl2Mg+Cl2↑

⑶．从海水中提取溴的主要工艺流程

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，使溴离子转化为溴单质：

2NaBr+Cl2=Br2+2NaCl

③向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，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=2HBr+H2SO4

④向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气：

2HBr+Cl2=2HCl+Br2

⑤用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。

⑷．从海带中提取碘的实验

【演示实验】课本P83实验4-2

①反应原理：

海带中的碘元素主要以I-的形式存在，提取时用适当的氧化剂将其氧化成I2，再萃取出来。

用H2O2做氧化剂，反应的离子方程式是：

2I-+H2O2+2H+=I2+2H2O

②提取流程

③实验注意事项

海带不要用水洗，以免洗去海带中的碘；用干海带从而易于燃烧；灼烧海带的地方要注意通风。

3．海水综合利用联合工业体系一例（如下图）（投影展示）

三、海水资源的开发利用简述

（1）从海水中提取淡水——海水淡化

（2）海水制盐

（3）从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品

（4）从海水中获取铀和重水作为核能开发的重要原料

（5）从海水中获取其他物质和能量

[课堂练习1]海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如下图所示：

（1）若在空气中加热MgCl2·6H2O，生成的是Mg（OH）Cl或MgO，写出相应反应的化学方程式。

用电解法制取金属镁时，需要无水氯化镁。

在干燥的HCl气流中加热MgCl2·6H2O时，能得到无水MgCl2，其原因是

。

（2）Mg（OH）2沉淀中混有的Ca（OH）2应怎样除去？

写出实验步骤。

.

（3）实验室里将粗盐制成精盐的过程中，在溶解、过滤、蒸发三个步骤的操作中都要用到玻璃棒，分别说明在这三种情况下使用玻璃棒的目的；

溶解时：

。

过滤时：

。

蒸发时：

。

（4）获得HCl的反应为2CH4+O2+4Cl2=======2CO+8HCl（不考虑其他反应）。

事实上，生产中HCl一直在循环使用。

试从理论上分析是否需要补充HCl，简要说明理由

。

△

答案：

（1）MgCl2·6H2O=Mg（OH）Cl+HCl↑+5H2O↑

△

MgCl2·6H2O=MgO+HCl↑+5H2O↑

在干燥的HCl气流中，抑制了MgCl2水解，且带走MgCl2·6H2O受热产生的水气，故能得到无水MgCl2。

（2）加入MgCl2溶液，充分搅拌，过滤，沉淀用水洗涤。

（3）搅拌，加速溶解

使待滤液体沿玻璃棒流入漏斗，防止外洒。

搅拌，防止因局部过热液滴或晶体飞溅。

（4）不需要补充HCl,因为Cl2～2HCl～Mg（OH）2～MgCl2～Cl2；依氯元素守恒可以看出理论上不要补充HCl。