1、第四章化学与自然资源的开发利用 一、金属矿物的开发利用一、金属矿物的开发利用黄铜矿黄铜矿赤铁矿赤铁矿铝矿铝矿锰矿锰矿钨矿钨矿锌矿锌矿1.金属矿物的冶炼步骤：金属矿物的冶炼步骤：矿石富集矿石富集-金属冶炼金属冶炼-精炼精炼人类最早发现和应用的金属分别是：人类最早发现和应用的金属分别是：冶炼金属的实质是用还原的方法冶炼金属的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属离子得到使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子。电子变成金属原子。将金属从其化合物中还原出来用于生产将金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程在工业上称为和制造各种金属材料的过程在工业上称为金属的冶炼。金属的冶炼。2.
2、金属的冶炼原理：金属的冶炼原理：Mn n+ne-=M金属活动性顺序金属活动性顺序K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H)Cu Hg Ag Pt Au金属活动性逐渐减弱金属活动性逐渐减弱金属离子的得电子能力逐渐增强金属离子的得电子能力逐渐增强3.冶炼金属的方法冶炼金属的方法 不同的金属，冶炼方法不同不同的金属，冶炼方法不同+nM得得电子电子M（被还原）被还原）因为金属离子的得电子能力不同，所以冶炼方法不同。因为金属离子的得电子能力不同，所以冶炼方法不同。金属活动金属活动 性顺序金属的冶炼性顺序金属的冶炼金属活动顺金属活动顺序序金属失电子金属失电子能力能力 金属离子的金属离子的得电
3、子得电子主要冶炼方主要冶炼方法法K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb（H）、）、CuHg、Ag、Pt、Au强强弱弱弱弱强强电解法电解法热还原法热还原法热热分解法分解法（1）、热分解法）、热分解法（适合一些不活泼金属）（适合一些不活泼金属）2HgO =2Hg+O2 加热加热2Ag2O =4Ag+O2 加热加热（2）、物理提取法：适用于极不活泼的）、物理提取法：适用于极不活泼的金属金属Pt、Au（3）、热还原法（适用于大部分金属）、热还原法（适用于大部分金属）CuO+H2=Cu+H2O高温高温Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2 高温高温铝铝热反应热反应实验实验41 注意观察现象注意观
4、察现象反应现象：镁条剧烈燃烧，放出大量的镁条剧烈燃烧，放出大量的热，发出耀眼的白光，纸漏斗内热，发出耀眼的白光，纸漏斗内剧烈反应，剧烈反应，纸漏斗被烧穿，有熔融物落入沙中。纸漏斗被烧穿，有熔融物落入沙中。Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3高温高温铝热剂铝热剂 铝是还原剂，在一定的条件下与某些金属氧化物铝是还原剂，在一定的条件下与某些金属氧化物反应，把其中的金属还原成单质。所以一些活泼的反应，把其中的金属还原成单质。所以一些活泼的金属也可作还原剂。金属也可作还原剂。3MnO2+4Al=3Mn+2Al2O3高温高温Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3高温高温3Co3O4+8Al=9Co+4A
5、l2O3高温高温其它铝热反应其它铝热反应 铝热反应的应用铝热反应的应用 铝热反应的原理可以应用在生产上，如用于焊铝热反应的原理可以应用在生产上，如用于焊接钢轨等。在冶金工业上也常用这一反应原理，接钢轨等。在冶金工业上也常用这一反应原理，使铝与金属氧化物反应，冶炼钒、铬、锰等使铝与金属氧化物反应，冶炼钒、铬、锰等 由于早期炼铝十分困难，所以铝的价格十分昂贵，一度超越金银由于早期炼铝十分困难，所以铝的价格十分昂贵，一度超越金银之上，直至之上，直至19世纪上半叶，铝还是欧洲许多高级珠宝店的高档货。世纪上半叶，铝还是欧洲许多高级珠宝店的高档货。然而自从美国青年化学家霍尔发明电解制铝法后，制铝工然而自从
6、美国青年化学家霍尔发明电解制铝法后，制铝工 艺不断改进，艺不断改进，现在人们已经熟练掌握了从铝土矿（现在人们已经熟练掌握了从铝土矿（主要成主要成 分是分是Al2O3，当然还是有很多当然还是有很多其它杂质的）中冶炼铝的技术了，使得制铝成本大大下降，铝的价格也一其它杂质的）中冶炼铝的技术了，使得制铝成本大大下降，铝的价格也一降千丈，走入千家万户。降千丈，走入千家万户。（4）、电解法（适合一）、电解法（适合一些非常活泼金属些非常活泼金属）MgCl2(熔融熔融)=Mg+Cl2 电解电解2Al2O3(熔融熔融)=4Al+3O2 电解电解冰晶石冰晶石2NaCl(熔融熔融)=2Na+Cl2 电解电解K Ca
7、 Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H)Cu Hg AgPt Au电解法电解法热还原法热还原法热分解法热分解法物理提取法物理提取法 今天铝的产量已经仅次于钢铁了，铝及铝合金成今天铝的产量已经仅次于钢铁了，铝及铝合金成为现代文明不可缺少的金属，铝在工业上被称为为现代文明不可缺少的金属，铝在工业上被称为“钢精钢精”，是因为它的合金不但轻，而且强度足以，是因为它的合金不但轻，而且强度足以替代钢铁，铝除了用于建材之外，还被用于航天工替代钢铁，铝除了用于建材之外，还被用于航天工业，如我国第一颗人造卫星东方红一号，外壳全部业，如我国第一颗人造卫星东方红一号，外壳全部用铝合金制成，美国的阿波罗用铝
8、合金制成，美国的阿波罗1111号，宇宙飞船所号，宇宙飞船所用的金属材料中，铝及合金用的金属材料中，铝及合金75%75%左右，可以说人类左右，可以说人类送上太空的金属中，铝是最多的了。送上太空的金属中，铝是最多的了。注意：正常人的人体，每注意：正常人的人体，每7070公斤体重约含公斤体重约含6161毫克铝。毫克铝。但但铝摄入铝摄入过多却是对人体有害的，经研究表明，铝过多却是对人体有害的，经研究表明，铝元素能渗入人脑，与神经元细胞释放出来的具有传元素能渗入人脑，与神经元细胞释放出来的具有传递信息功能的有机碱反应递信息功能的有机碱反应，导致神经系统传递信息导致神经系统传递信息受阻，引起老年痴呆。受阻
9、，引起老年痴呆。镁在地壳中含量只有铝镁在地壳中含量只有铝的四分之一，而且镁比的四分之一，而且镁比铝更加活泼，所以要想铝更加活泼，所以要想矿物质中获取镁，代价矿物质中获取镁，代价比铝更高。比铝更高。海洋中含有大量的氯化海洋中含有大量的氯化镁，海水又咸又苦镁，海水又咸又苦。咸是咸是因为含有氯化钠，因为含有氯化钠，苦是因为含有氯化镁苦是因为含有氯化镁，同样道理，粗盐易潮同样道理，粗盐易潮解是因为其中含有较解是因为其中含有较多的氯化镁，而氯化多的氯化镁，而氯化镁易吸水。镁易吸水。据据估算，假如每年从海水中提取估算，假如每年从海水中提取1亿吨镁再过亿吨镁再过一百万年，海水中镁的含量也只会从目前的一百万年
10、，海水中镁的含量也只会从目前的0.13%降低到降低到0.12%，即只减少了万分之一。，即只减少了万分之一。可谓取之不尽，用之不竭。可谓取之不尽，用之不竭。4、合理开发和利用矿物资源，主要途径有：、合理开发和利用矿物资源，主要途径有：（1）、提高金属矿物的利用率）、提高金属矿物的利用率（2）、减少金属的使用量）、减少金属的使用量（3）、加强金属资源的回收和再利用）、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）、使用其他材料代替金属材料 1、下列各种冶炼方法中，可以制得、下列各种冶炼方法中，可以制得 相应金属的是（相应金属的是（）A、加热氧化铝、加热氧化铝 B、加热碳酸钙、加热碳酸
11、钙C、电解熔融氯化钠、电解熔融氯化钠 D、氯化钠与铝粉高温共热、氯化钠与铝粉高温共热2、根据金属在金属活动顺序表中的位置、根据金属在金属活动顺序表中的位置及性质，推测制取下列金属最适宜的方法：及性质，推测制取下列金属最适宜的方法：Na Zn Hg Au C电解法电解法加热还原法加热还原法加热分解法加热分解法物理提取法物理提取法二二、海洋是海洋是“历史留给人类的资源储备历史留给人类的资源储备”1.海水水资源的利用：海水的淡化海水水资源的利用：海水的淡化（1）使海水淡化的途径）使海水淡化的途径 通过海水中提取淡水或从海水中把盐分离通过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。
12、出去，都可以达到淡化海水的目的。（2）海水淡化的方法及其特点）海水淡化的方法及其特点 海水淡化的方法主要有海水淡化的方法主要有蒸馏法、电渗析法、蒸馏法、电渗析法、离子交换法离子交换法等。等。其中其中蒸馏法蒸馏法的历史最久，的历史最久，技术和工艺也比较完善，技术和工艺也比较完善，但成本较高。但成本较高。海水蒸馏原理示意图：太阳能蒸发海水示意图：太阳能蒸发海水示意图：含含80多种元素，以氢、氧、多种元素，以氢、氧、氯、钠、镁、硫、钙、钾等氯、钠、镁、硫、钙、钾等较多。被称为较多。被称为“元素的故乡元素的故乡”。海水中铀多达海水中铀多达45亿吨亿吨是已知陆地铀矿储量是已知陆地铀矿储量的的4500倍。
13、氘有倍。氘有50亿亿吨足够人类用上千万吨足够人类用上千万年年海水中的化学资源海水中的化学资源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。提取物质需要解决物质的富集的问题。海洋中的矿产资源海洋中的矿产资源海水中蕴藏的资源及其开发意义海水中蕴藏的资源及其开发意义海洋水资源：海洋水资源：海水中水的储量约为海水中水的储量约为1.31.310 109 9亿吨，亿吨，约占全球总水量的约占全球总水量的9797。化学资源：化学资源：含元素含元素8080多种，多种，海洋资源中，利用潜力最大的是海水中的化学海
14、洋资源中，利用潜力最大的是海水中的化学资源。目前，在陆地上发现的多种化学元素，在海水中已找到资源。目前，在陆地上发现的多种化学元素，在海水中已找到多种，其中多种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有亿亿吨，多种，其中多种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有亿亿吨，镁约有万亿吨，钾有万亿吨，溴约有万亿吨，核燃镁约有万亿吨，钾有万亿吨，溴约有万亿吨，核燃料约亿吨亿吨。料约亿吨亿吨。矿产资源：矿产资源：海洋中所贮存的各种矿物约海洋中所贮存的各种矿物约500500亿吨。通常只亿吨。通常只要每平方米有要每平方米有5 5的矿物。的矿物。锰结核、可燃冰、砂和砾石，锰结核、可燃冰、砂和砾石，用于冶金、燃料、建筑、石英砂
15、用制玻璃等。用于冶金、燃料、建筑、石英砂用制玻璃等。空间资源：空间资源：海洋可利用空间包括海上、海中、海底三个部海洋可利用空间包括海上、海中、海底三个部分。海洋空间利用已从传统的交通运输扩大到生产、通信、分。海洋空间利用已从传统的交通运输扩大到生产、通信、电力输送、储藏、文化娱乐等诸多领域。电力输送、储藏、文化娱乐等诸多领域。我国拥有我国拥有1800018000公公里的大陆海岸线，管辖的海域面积近里的大陆海岸线，管辖的海域面积近300300万平方公里。万平方公里。能源：能源：海水运动中蕴藏着巨大的能量，包括潮海水运动中蕴藏着巨大的能量，包括潮汐能资源、波浪能资源、海流能资源、温差和汐能资源、波
16、浪能资源、海流能资源、温差和盐差能资源、海上水能资源，它们都属于可再盐差能资源、海上水能资源，它们都属于可再生能源，而且没有污染。生能源，而且没有污染。生物资源：生物资源：由鱼、虾、贝、藻等组成的海洋生物资源，由鱼、虾、贝、藻等组成的海洋生物资源，除了直接捕捞供食用和药用外，通过养殖、增殖等途除了直接捕捞供食用和药用外，通过养殖、增殖等途径还可实现可持续利用。径还可实现可持续利用。海洋生物品种繁多，我国就海洋生物品种繁多，我国就有有2027820278种，其中入药的有种，其中入药的有700700种。种。2.海水化学资源的开发利用海水化学资源的开发利用 海水综合利用的重要方向是：海水综合利用的重
17、要方向是：海水淡化同化工生海水淡化同化工生产结合、同能源技术结合产结合、同能源技术结合。如从海水中制得的。如从海水中制得的氯化钠氯化钠除食用外，还用作工业原料，如生产烧碱、纯碱、金除食用外，还用作工业原料，如生产烧碱、纯碱、金属钠以及氯气、盐酸、漂白粉等含氯化工产品。从海属钠以及氯气、盐酸、漂白粉等含氯化工产品。从海水中制取水中制取镁、钾、溴镁、钾、溴及其化工产品，是在传统制盐工及其化工产品，是在传统制盐工业上的发展。业上的发展。从海水中获得其他物质和能量具有广阔的前景。从海水中获得其他物质和能量具有广阔的前景。例如，例如，铀和重水铀和重水目前是核能开发中的重要原料，目前是核能开发中的重要原料
18、，从海水中提取铀和重水对一个国家来说具有战略意义。从海水中提取铀和重水对一个国家来说具有战略意义。化学在开发化学在开发海洋药物海洋药物方面也将发挥越来越大的作用。方面也将发挥越来越大的作用。潮汐能、波浪能潮汐能、波浪能等也是越来越受到重视和开发的新型等也是越来越受到重视和开发的新型能源。能源。煮海为盐（1 1）从海水中提取）从海水中提取NaClNaCl从海水中制取盐的方法主要有：盐田法、电渗析法和冷冻法。从海水中制取盐的方法主要有：盐田法、电渗析法和冷冻法。盐田法盐田法 制得的制得的粗盐中含较多的氯化粗盐中含较多的氯化镁和氯化钙及泥沙，镁和氯化钙及泥沙，请设计实验除请设计实验除去去NaClNa
19、Cl中混有的泥沙、中混有的泥沙、CaCa2 2+、MgMg2 2+离离子的方法（需要仪器及实验步骤）子的方法（需要仪器及实验步骤）先将样品溶解，加稍过量的氢氧化先将样品溶解，加稍过量的氢氧化钙，再加入稍过量的碳酸钠溶液，过滤；钙，再加入稍过量的碳酸钠溶液，过滤；在滤液中加入稍过量的盐酸，蒸发结晶在滤液中加入稍过量的盐酸，蒸发结晶即可。即可。思考：思考：（2)2)海水提溴：主要方法是空气吹出法海水提溴：主要方法是空气吹出法主要流程主要流程海水海水浓缩浓缩酸化酸化浓缩浓缩海水海水BrBr-通入通入氯气氯气海海水水ClCl-BrBr2 2通入空气通入空气水蒸气水蒸气(吹入吹入)吸收吸收塔塔SOSO2
20、 2反应后反应后富集溴富集溴HBrHBr、SOSO4 42 2通入通入ClCl2 2ClCl-BrBr2 2分离分离溴单质溴单质化学方程式：化学方程式：2NaBr Cl2=Br2 2NaClBr2 SO2 2H2O=2HBr H2SO42HBr Cl2=Br2 2HCl(2)从海水中提取溴的主要工艺流程从海水中提取溴的主要工艺流程用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化
21、为溴单质：为溴单质：2NaBr+Cl2NaBr+Cl2 2=Br=Br2 2+2NaCl+2NaCl向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，将溴单质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：吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的：BrBr2 2+SO+SO2 2+2H+2H2 2O=2HBr+HO=2HBr+H2 2SOSO4 4向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气：向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气：2HBr+Cl2HBr+Cl2 2=2HCl+Br=2HCl+Br2 2(3)(3)海海带带提提碘：碘：海海带带海海带灰带灰溶解过滤溶解过滤灼
22、烧灼烧残渣残渣含含I-的溶液的溶液稀稀H2SO4 H2O2含含I2的溶液的溶液含含I2的有机溶液的有机溶液萃取萃取海带中的碘元素主要以海带中的碘元素主要以I I-的形式存在，的形式存在，提取时用适当的氧化剂将其氧化成提取时用适当的氧化剂将其氧化成I I2,2,再再萃取出来。萃取出来。用用H H2 2O O2 2做氧化剂，反应的离子方程式是：做氧化剂，反应的离子方程式是：2I2I-+H+H2 2O O2 2+2H+2H+=I=I2 2+2H+2H2 2O O(3)从海带中提取碘的实验从海带中提取碘的实验提取流程提取流程反应原理反应原理 含碘单质的含碘单质的有机溶液有机溶液含碘单质含碘单质的溶液的
23、溶液试剂试剂残残渣渣含碘元素含碘元素的溶液的溶液海海带带溶解溶解过滤过滤海海带带灰灰灼烧（1）称取）称取3g干海带，用刷子把干海带表面的附着物刷干海带，用刷子把干海带表面的附着物刷净（不要用水洗，有净（不要用水洗，有I-）。）。将海带剪碎，用酒精润湿将海带剪碎，用酒精润湿（便于灼烧）后，放在坩埚中。（便于灼烧）后，放在坩埚中。（2）用酒精灯灼烧盛有海带的坩埚，至海带完全成灰，）用酒精灯灼烧盛有海带的坩埚，至海带完全成灰，停止加热，冷却。停止加热，冷却。（3）将海带灰转移到小烧杯中，再向烧杯中加入）将海带灰转移到小烧杯中，再向烧杯中加入10ml蒸馏水，搅拌，煮沸蒸馏水，搅拌，煮沸2min3min，使可溶物溶使可溶物溶解，过滤。解，过滤。（4）向滤液中滴入几滴稀硫酸，再加入约）向滤液中滴入几滴稀硫酸，再加入约1ml H2O2溶溶液，观察现象。液，观察现象。（5）取少量上述滤液，加几滴淀粉溶液，观察现象。）取少量上述滤液，加几滴淀粉溶液，观察现象。实验注意事项实验注意事项实验方法实验方法 海带不要用水洗，以免洗去海带中的碘；用干海带不要用水洗，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。海带从而易于燃烧；灼烧海带的地方要注意通风。3.3.海水综合利用联合工业体系一例（如下图）海水综合利用联合工业体系一例（如下图）
