开发利用金属矿物和海水资源.docx

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开发利用金属矿物和海水资源

年级

高一

学科

化学

版本

人教新课标版

课程标题

第四章第一节开发利用金属矿物和海水资源

编稿老师

佘平平

一校

林卉

二校

黄楠

审核

王慧姝

一、考点突破：

1.本讲内容属于课程标准化学II的主题3——化学与可持续发展。

课程标准中要求：

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.本讲内容涉及的知识点在高考考试说明中对应的考点及知识细目：

（1）能应用金属的活动性顺序判断反应并解释相关现象

（2）结合海水、金属矿物等自然资源综合利用的实例，了解运用物质性质和反应规律能实现物质间的转化

II

I

二、重难点提示：

重点：

在掌握金属冶炼的一般原理的基础上，了解适用于不同金属的冶炼方法。

难点：

学会用化学方法对海水资源进行开发利用，特别是在提取溴、碘、镁中的应用。

知识脉络图：

知识点一：

金属的冶炼原理及方法

【要点精讲】

1.原理

用还原法把化合态的金属还原成游离态的金属：

Mn＋＋ne－―→M

2.金属冶炼方法

根据金属元素活泼性的不同，金属冶炼的方法也各不相同。

（1）不活泼金属可以直接通过加热分解的方法获得。

如：

2HgO

2Hg＋O2↑、2Ag2O

4Ag＋O2↑。

（2）钾、钙、钠、镁、铝等极活泼的金属一般是用电解法获得。

如：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

（3）活泼性介于锌和铜之间的金属一般都采用热还原法（常用的还原剂有焦炭、氢气、一氧化碳及活泼金属铝等）进行冶炼。

如：

铝热反应2Al＋Fe2O3

Al2O3＋2Fe

3.冶炼方法与金属活泼性的关系

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

富集法

还原剂或

特殊措施

强大电流

提供电子

H2、CO、C、

Al等加热

加热

物理方法

【典例精析】

例题1我国古代曾用火烧孔雀石和焦炭的混合物的方法炼铜。

孔雀石的主要成分是Cu2（OH）2CO3，其冶炼方法是（）

A.焦炭还原法B.湿法炼铜

C.铝热还原法D.电解冶炼法

思路导航：

孔雀石受热发生分解反应生成了氧化铜、CO2和H2O，生成的氧化铜被混合物中的焦炭还原成单质铜。

答案：

A

例题2下列金属冶炼的反应原理，错误的是（）

A.2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

B.MgO＋H2

Mg＋H2O

C.Fe3O4＋4CO

3Fe＋4CO2

D.2HgO

2Hg＋O2↑

思路导航：

因为Mg活泼性强，在高温下可与水反应生成Mg（OH）2和H2，不能用H2还原MgO的方法冶炼镁，应用电解熔融MgCl2的方法冶炼镁。

答案：

B

例题3用铝热法还原下列化合物，制得金属各1mol，消耗铝最少的是（）

A.MnO2B.WO3

C.Fe3O4D.Cr2O3

思路导航：

制备1mol金属，根据氧化还原反应中得失电子数相等的原理，金属离子得电子数越多，需要铝的质量越大。

而生成1mol金属，该金属在化合物中化合价越高，则消耗铝越多；反之则越少。

在这四种化合物中只有C选项中Fe的化合价最低，故选C。

答案：

C

例题4如下图所示，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。

在内层滤纸的底部剪一个孔并湿润内层滤纸，下面放置盛沙的蒸发皿。

把5g炒干的氧化铁粉末和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：

_______________________；其中_____________是氧化剂，______________是还原剂，该反应称为________________反应。

（2）该实验的实验现象为___________________（填序号）。

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熔落物能够被磁铁吸引

（3）写出对应下列操作或物质的作用（填字母）：

内层滤纸漏斗底部剪一个孔：

_____________；内层滤纸漏斗用水湿润：

____________；蒸发皿盛沙：

_____________；镁条：

_____________；氯酸钾：

_____________。

a.防止纸漏斗着火

b.使熔融物易于落下

c.引发铝热反应

d.引燃KClO3

e.防止溅落物炸裂蒸发皿

（4）若将氧化铁换成氧化镁，则该反应能否发生？

_____________________（填“能”或“不能”），理由是____________________________________。

思路导航：

本题考查铝热反应的操作。

将氧化铁粉末和铝粉均匀混合后放入纸漏斗中，在混合物上面加少量KClO3固体，中间插一根用砂纸打磨过的镁条并点燃。

该反应放出大量的热，发出耀眼的光，产生大量的烟。

答案：

（1）Fe2O3＋2Al

Al2O3＋2Fe；Fe2O3；Al；铝热

（2）①②③④

（3）b；a；e；d；c

（4）不能；镁比铝活泼，铝不能置换镁

知识点二：

海水资源的综合利用

【要点精讲】

一、海水中水资源的利用

1.海水中水的储量约为1.3×109亿吨，约占全球总水量的97%。

2.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。

3.海水淡化

（1）途径：

通过从海水中提取淡水或把海水中的盐分离出去，都可以达到淡化海水的目的。

（2）方法：

海水淡化的方法主要有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。

其中蒸馏法淡化海水的历史最久，技术和工艺比较成熟，但成本较高。

上图是实验室模拟蒸馏法淡化海水的装置图，该装置中所用的玻璃仪器有酒精灯、圆底烧瓶、冷凝管、牛角管（或接液管、接收器）、锥形瓶。

在冷凝管中通入冷却水一般是从下口进水、上口出水。

（3）方向：

海水淡化与化工生产、能源技术相结合，成为海水综合利用的重要方向。

二、海水中化学资源的开发

1.海水中化学资源的特点

（1）多样性：

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

（2）分散性：

虽然海水中元素种类很多，总储量很大，但许多元素的浓度（或富集程度）却很低。

2.从海水中获得的产品及其用途

（1）食盐：

除食用外，还用做工业原料，如生产烧碱、纯碱、金属钠及氯气、盐酸、漂白粉等含氯化工产品。

（2）从海水中制取镁、钾、溴及其化工产品。

（3）铀和重水是核能开发中的重要原料，它们的提取对一个国家来说具有战略意义。

（4）海洋药物。

（5）海洋中的新型能源：

潮汐能、波浪能。

【典例精析】

例题1许多国家十分重视海水资源的综合利用。

不需要化学变化就能够从海水中获得的物质是（）

A.氯、溴、碘B.钠、镁、铝

C.烧碱、氢气D.食盐、淡水

思路导航：

从海水中获得非金属单质Cl2、Br2、I2、H2，金属单质Na、Mg、Al或化合物NaOH，均需经过化学变化；海水晒盐得NaCl，蒸馏海水得淡水只发生物理变化。

答案：

D

例题2已知MgO、MgCl2的熔点分别为2800℃、604℃，将MgO、MgCl2加热熔融后通电电解，都可得到金属镁。

海水中含有MgCl2，工业上从海水中提取镁，正确的方法是（）

A.海水

Mg（OH）2

Mg

B.海水

MgCl2溶液―→MgCl2（熔融）

Mg

C.海水

Mg（OH）2

MgO

Mg

D.海水

Mg（OH）2

MgCl2溶液―→MgCl2（熔融）

Mg

思路导航：

工业问题除理论上可行外还要考虑设备、原料、成本等问题。

从理论上看A方法使用NaOH成本高，且Mg（OH）2是一种不溶性碱，加热熔融时会发生分解，因此不可行；B方法中得不到MgCl2，C方法中电解MgO时，由于MgO的熔点很高，耗能大，所以经济效益差。

答案：

D

例题3全球海水中的溴的储量丰富，约占地球溴总储量的99%，故溴有“海洋元素”之称，海水中溴含量为65mg·L－1。

其工业提取法有：

（1）空气吹出纯碱吸收法。

方法是将氯气通入富含溴离子的海水中，使溴置换出来，再用空气将溴吹出，用纯碱溶液吸收，最后用硫酸酸化，即可得到单质溴。

该方法涉及的反应有：

①______________________________________（写出离子方程式）；

②3Br2+3CO32－=BrO3－+5Br－+3CO2↑；

③BrO3－+5Br－+6H+=3Br2+3H2O。

其中反应②中氧化剂是_________________，还原剂是___________________。

（2）空气吹出SO2吸收法。

该方法基本同⑴，只是将吹出的溴用SO2来吸收，使溴转化为氢溴酸，然后再用氯气氧化氢溴酸即得单质溴。

写出溴与二氧化硫反应的化学方程式_____________________________________。

（3）溶剂萃取法。

该法是利用单质溴在水中和萃取剂中溶解度的不同的原理来进行的。

实验室中萃取用到的实验仪器名称是____________________。

下列可以用于海水中溴的萃取的试剂是__________________。

①乙醇，②四氯化碳，③硝酸

思路导航：

（1）①氯气通入富含溴离子的海水中，使溴置换出来，离子方程式为2Br－+Cl2==2Cl－+Br2。

（2）根据题中所给出的反应物与生成物，得化学方程式为SO2+Br2+2H2O=2HBr+H2SO4。

（3）萃取用的实验仪器是分液漏斗。

萃取剂选四氯化碳。

答案：

（1）2Br－+Cl2=2Cl－+Br2溴单质溴单质

（2）SO2+Br2+2H2O=2HBr+H2SO4

（3）分液漏斗②

点评：

解答此题应注意①和②两种方法，都是先将Br－富集，然后再通过氧化剂将Br－氧化为单质溴。

例题1铝是一种重要的金属，在生产、生活中具有许多重要的用途，下图是从铝土矿中制备铝的工艺流程：

已知：

铝土矿的主要成分是Al2O3，此外还含有少量SiO2、Fe2O3等杂质；

（1）若将铝溶解，下列试剂中最好选用________（填编号）。

理由是_________________。

A.浓硫酸B.稀硫酸C.稀硝酸D.浓硝酸

（2）写出向铝土矿中加入足量氢氧化钠溶液操作中发生反应的离子方程式：

________________________________；_________________________________。

（3）在工艺流程第三步中，选用二氧化碳作酸化剂的原因是：

___________________。

（4）写出电解铝的化学方程式_________________________________。

思路导航：

（1）浓硫酸、浓硝酸均能使铝发生钝化，而稀硝酸与铝反应会产生NO气体，污染空气，因而最好选B.稀硫酸。

（2）铝土矿的主要成分是Al2O3及少量SiO2，加入足量氢氧化钠溶液后发生如下反应：

Al2O3＋2OH－=2AlO

＋H2O；SiO2＋2OH－=SiO

＋H2O；Fe2O3不与氢氧化钠溶液发生反应。

（3）经过足量氢氧化钠溶液的溶解，大部分铝元素均以NaAlO2的形式存在于滤液中，通入过量二氧化碳可以将NaAlO2完全转化为Al（OH）3。

答案：

（1）B铝与浓硫酸、浓硝酸在常温下发生钝化；稀硝酸与铝反应会产生NO气体，污染空气

（2）Al2O3＋2OH－=2AlO

＋H2OSiO2＋2OH－=SiO

＋H2O

（3）经过足量氢氧化钠溶液的溶解，大部分铝元素均以NaAlO2的形式存在于滤液中，通入过量二氧化碳可以将NaAlO2完全转化为Al（OH）3

（4）2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

点评：

铝是历年高考的重点和难点，注意加强学习铝的化学性质和化学实验。

例题2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中灼烧海带时，除需要三脚架外，还需要用到的实验仪器是______________。

（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，某同学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：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

思路导航：

（1）灼烧需要较高的温度，故应选用的仪器为坩埚、坩埚钳、泥三角、酒精灯和三脚架。

（2）要从海带灰悬浊液中将I－提取出来，采用过滤的方法即可。

因苯的沸点低，可将含碘苯溶液进行蒸馏，将苯除去后从而得到单质碘。

（3）I－与H2O2在酸性条件下的反应，可由氧化还原反应规律，再结合电荷守恒来书写。

（4）选用萃取剂必须满足的条件是：

①溶质在萃取剂中的溶解度要比在原溶剂中的溶解度大得多；②萃取剂与原溶剂互不相溶；③萃取剂与溶质、原溶剂不发生反应。

（5）单质碘的检验是根据其与淀粉作用呈蓝色的特征反应进行的。

答案：

（1）坩埚、坩埚钳、泥三角、酒精灯

（2）过滤；蒸馏

（3）2I－＋H2O2＋2H＋===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，加入几滴淀粉溶液，观察是否出现蓝色（如果变蓝，说明还有单质碘）

例题3海水是取之不尽、用之不竭的化学资源，从海水中可提取多种化工原料，下图是某化工厂对海水资源综合利用的示意图。

（1）请写出电解食盐水的化学方程式

（2）母液中含有K+、Na+、Mg2+等阳离子，从图中可看出对母液进行一系列的加工可制得金属镁。

①石灰乳是生石灰与水作用形成的化合物，从充分利用当地海洋化学资源，提高生产与经济效益的角度考虑，生产生石灰的主要原料是

②电解熔融氯化镁的化学方程式是

③电解无水氯化镁所得的镁蒸气在特定的环境里冷却后可得固态的金属镁，下列物质中可以用作镁蒸气的冷却剂的是（填写代号）

A.H2B.CO2C.空气D.Ar

（3）在该化工厂中，海水提取氯化钠后的母液经过提取氯化镁后又形成了新的母液，向新母液中加入氯气，又可制取重要的化工原料溴单质。

①生成溴单质的化学反应的离子方程式是，其中氧化剂是，工业生产中将溴单质从混合物中分离出来应采用（填实验方法）。

②以下是对生产溴单质所用的氯气寻找货源的设想，其中合理的是（填写代号）

A.从外地购买B.在当地新建生产厂

C.从本厂生产烧碱处循环D.从本厂生产镁单质处循环

思路导航：

（1）电解食盐水得到NaOH、氢气、氯气，是氯碱工业的主要化学反应，要熟记；

（2）①要充分利用当地海洋化学资源，提高生产与经济效益，考虑海边大量贝壳的主要成分是碳酸钙，使其高温分解可制得生石灰；②电解熔融氯化镁生成镁单质与氯气；

注意可用作镁蒸气的冷却剂不能和镁发生反应，所以选择AD；

（3）①新的母液中含有Br－，通入氯气可以把Br－氧化得到溴单质，此时溴溶在水中，可以用有机溶剂进行萃取使溴分离出来；②氯气的货源可从氯碱工业产物和电解氯化镁产物角度考虑。

答案：

（1）2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

（2）①贝壳②MgCl2

Mg+Cl2↑

AD

（3）①2Br－+Cl2=Br2+2Cl－，Cl2，萃取②CD

点评：

熟悉海水综合利用的方法，熟悉常见物质的性质。

1.以海水中NaCl为原料的相关化工产品

主要流程：

有关反应的化学方程式：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

4Na＋TiCl4（熔融）===4NaCl＋Ti

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

2.海水中镁的提取

主要流程：

有关反应的化学方程式：

MgCl2＋Ca（OH）2===Mg（OH）2↓＋CaCl2

Mg（OH）2

MgO＋H2O

Mg（OH）2＋2HCl===MgCl2＋2H2O

MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

3.海水中溴的提取

主要流程：

有关反应的化学方程式：

Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2

Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4

2HBr＋Cl2===2HCl＋Br2

4.海带中碘的提取

主要流程：

有关反应的离子方程式：

Cl2＋2I－===I2＋2Cl－

或H2O2＋2I－＋2H＋===I2＋2H2O

第四章第二节资源综合利用环境保护

煤、石油、天然气是目前人类使用的主要能源（化石燃料）：

一、煤的组成及其综合利用

1.煤的组成：

煤是由有机物和少量无机物组成的混合物，主要含有碳元素，还含有少量的氢、氧、氮、硫等元素。

2.煤的综合利用：

煤的综合利用的主要途径是煤的干馏、煤的气化和液化，目的是获得洁净的燃料和多种化工原料。

二、天然气的组成及其综合利用

1.天然气的组成：

天然气的主要成分是甲烷。

2.天然气的综合利用：

天然气是一种清洁的化石燃料。

天然气更是一种重要的化工原料，主要用于合成氨、生产甲醇等。

思考题1我国三峡工程所提供的清洁、廉价、强劲的可再生能源——水电，相当于每年燃烧3000万吨原煤的火力发电厂产生的电能，因此三峡工程有助于控制（）

①温室效应②形成酸雨③空气中的固体颗粒浓度④白色污染

A.只有①B.只有①②

C.①②③D.①③④

答案：

C

三、石油的组成及其综合利用

1.石油的组成：

石油主要是由多种碳氢化合物组成的混合物。

2.石油的综合利用：

石油通过分馏可以获得汽油、煤油、柴油等轻质油。

在催化剂的存在下将大分子的烃进行分解得到小分子的烃，从而提高轻质油的产量和质量。

石油裂化的产品再经过进一步的裂解，可以获得很多重要的化工原料。

思考题2石油的分馏、裂化、裂解都是化学变化吗？

答案：

石油的分馏是物理变化，石油的裂化、裂解是化学变化。

四、环境保护与绿色化学

1.环境问题：

主要是指由于人类不合理地开发和利用自然资源而造成的生态环境破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的环境污染。

全球性和区域性环境问题包括：

气候变暖、臭氧层破坏、酸雨和赤潮等。

2.工业“三废”问题：

“三废”是指废气、废水、废渣。

除了自然因素外，大气污染主要来自化石燃料的燃烧和工业生产过程中产生的废气及其携带的颗粒物；工业生产中废水的任意排放会导致土壤、水源的污染；废渣等固体废弃物的处理兼有减少环境污染和资源回收利用两个重要目的。

3.绿色化学：

绿色化学的核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。

按照绿色化学的原则，最理想的“原子经济”就是反应物的原子全部转化为期望的最终产物，即原子利用率为100%。

（答题时间：

60分钟）

一、单项选择题

1.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

2.下列化工生产原理错误的是（）

①可以用电解熔融氯化钠的方法来制取金属钠

②可以将钠加入氯化镁饱和溶液中来制取镁

③在电冶铝时，原料是氯化铝

④炼铁高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热

A.②③B.①③

C.①②③D.②③④

3.我国湘黔渝三省交界地区是中国电解锰企业最集中的地区，被称为中国的“锰三角”。

金属锰的熔点很高，常用铝热法制得粗锰。

再用电解法制得纯的金属锰。

铝被用于冶炼金属锰，是因为铝具有（）

A.熔点低

B.导电性好

C.两性

D.还原性及冶炼反应中放出大量的热

4.下列冶炼方法中，可将化合物中的金属元素还原为金属单质的是（）

A.加热Al2O3

B.加热CaCO3

C.电解熔融NaCl

D.氯化钠与铝粉高温共热

5.为实现在中国消除碘缺乏病的目标，卫生部规定食盐必须加碘，其中的碘以碘酸钾（KIO3）的形式存在。

已知溶液中IO

和I－可发生反应：

IO

＋5I－＋6H＋===3I2＋3H2O。

据此反应，可用试纸和一些生活中常用的物质进行检验，以证明食盐中存在IO

。

可供选用的物质有：

①自来水②蓝色石蕊试纸③碘化钾淀粉试纸④淀粉⑤食糖⑥食醋（醋酸水溶液）⑦白酒

进行上述实验时必须使用的物质是（）

A.①③B.③⑥

C.②④⑥D.①②④⑤⑦

6.海水淡化可采用膜分离技术，如图所示，对淡化膜右侧的海水加压，水分子可以透过淡化膜进入左侧淡水池，而海水中的各种离子不能通过淡化膜。

下列对加压后右侧海水成分变化的分析正确的是（）

A.溶质质量增加B.溶液质量不变

C.溶剂质量减少D.溶质质量分数不变

7.准确称取某种铁的氧化物2.88g，用足量的CO进行还原，将生成的CO2全部用足量的澄清石灰水吸收，得到沉淀4g，则这种铁的氧化物为（）

A.Fe3O4B.Fe2O3

C.FeOD.以上都不是

二、双项选择题

8.世界上60%的镁是从海水中提取的，其主要步骤如下：

①把贝壳制成石灰乳②在海水中加入石灰乳，过滤，洗涤沉淀物③将沉淀物与盐酸反应，结晶、过滤④在氯化氢热气流中干燥晶体⑤电解上述晶体的熔融物。

下列说法正确的是（）

A.镁元素在元素周期表中位于第三周期、第ⅡA族

B.向洗涤液中滴加碳酸钠溶液可检验沉淀是否洗涤干净

C.在氯化氢热气流中干燥晶体的目的是加快干燥速度

D.步骤⑤也可以采用电解该晶体水溶液的方法

9.海水是一个巨大的化学资源宝库，下列有关海水综合利用的说法正确的是（）

A.海水中含有钾元素，只需经过物理变化就可以得到钾单质

B.海水蒸发制海盐的过程中只发生了物理变化

C.从海水中可以得到NaCl，电解熔融NaCl可制备Cl2

D.利用潮汐发电是将化学能转化为电能

10.海洋