1、第四章 化学与自然资源的开发利用 第一节 开发利用金属矿物和海水资源 第1课时 金属矿物的开发利用 一、金属元素在自然界存在的形态一、金属元素在自然界存在的形态 在地壳中在地壳中, ,含量最高的金属元素是含量最高的金属元素是_,_,其次是其次是_。 铝铝 铁铁 【情境情境思考思考】 我国晋代我国晋代抱朴子抱朴子中描述了大量的化学反应中描述了大量的化学反应, ,其中其中 一句是“以曾青涂铁一句是“以曾青涂铁, ,铁赤色如铜”。你能写出该反铁赤色如铜”。你能写出该反 应的化学方程式吗应的化学方程式吗? ? 提示提示: :“以曾青涂铁以曾青涂铁, ,铁赤色如铜”发生的反应为铁赤色如铜”发生的反应为
2、CuSOCuSO4 4+Fe=FeSO+Fe=FeSO4 4+Cu+Cu。 二、金属冶炼二、金属冶炼 1.1.冶炼原理与实质冶炼原理与实质 (1)(1)原理原理: :将金属从其化合物中将金属从其化合物中_出来用于生产和制出来用于生产和制 造各种金属材料的过程。造各种金属材料的过程。 (2)(2)实质实质: :用用_使化合态的金属阳离子得到电子变使化合态的金属阳离子得到电子变 成金属单质成金属单质:M:Mn+ n+ne +ne- -=M=M。 还原还原 还原剂还原剂 2.2.冶炼方法冶炼方法 (1)(1)常用方法。常用方法。 (2)(2)其他方法。其他方法。 【情境情境思考思考】 当铁轨有缝隙时
3、当铁轨有缝隙时, ,维修工人常将铝粉与氧化铁的混合维修工人常将铝粉与氧化铁的混合 物点燃物点燃, ,让熔融的铁水流入铁轨的裂缝让熔融的铁水流入铁轨的裂缝, ,冷却后就将铁冷却后就将铁 轨牢牢的黏结在一起。你知道其工作原理吗轨牢牢的黏结在一起。你知道其工作原理吗? ? 提示提示: :高温条件下高温条件下, ,铝粉与铝粉与FeFe2 2O O3 3发生反应发生反应, ,化学反应方程化学反应方程 式为式为FeFe2 2O O3 3+2Al Al+2Al Al2 2O O3 3+2Fe+2Fe。 高温高温 = 3.3.金属矿物资源的开发和利用金属矿物资源的开发和利用 (1)(1)原因。原因。 地球上金
4、属矿物资源有限地球上金属矿物资源有限; ; 金属冶炼消耗很多能量金属冶炼消耗很多能量; ; 金属冶炼造成环境污染。金属冶炼造成环境污染。 (2)(2)措施。措施。 提高金属矿物的利用率提高金属矿物的利用率; ; 使用其他材料代替金属材料使用其他材料代替金属材料, ,减少金属的使用量减少金属的使用量; ; 加强金属资源的回收和加强金属资源的回收和_。 再利用再利用 【巧判断巧判断】 (1)(1)金属在自然界中的存在形式只有化合态没有游离金属在自然界中的存在形式只有化合态没有游离 态。态。 ( ( ) ) 提示提示: :。不活泼的金属常以游离态形式存在。不活泼的金属常以游离态形式存在, ,如如Au
5、Au以以 游离态存在。游离态存在。 (2)(2)金属冶炼的实质是金属元素得电子被还原。金属冶炼的实质是金属元素得电子被还原。 ( ( ) ) 提示提示: :。金属在化合物中显正价。金属在化合物中显正价, ,得电子被还原生成得电子被还原生成 金属单质。金属单质。 (3)(3)铁器时代比青铜器时代要早些。铁器时代比青铜器时代要早些。 ( ( ) ) 提示提示: :。金属越活泼往往越难冶炼。金属越活泼往往越难冶炼, ,使用时间越晚。使用时间越晚。 (4)(4)镁可以通过铝热反应制备。镁可以通过铝热反应制备。 ( ( ) ) 提示提示: :。铝的还原性小于镁。铝的还原性小于镁, ,只能用电解法制取镁。
6、只能用电解法制取镁。 知识点一知识点一 常见金属的冶炼常见金属的冶炼 1.1.金属冶炼的步骤金属冶炼的步骤 2.2.金属的活动性顺序与金属冶炼方法的关系金属的活动性顺序与金属冶炼方法的关系 金属单质还原性、失电子能力依次减弱金属单质还原性、失电子能力依次减弱 金属阳离子氧化性、得电子能力依次增强金属阳离子氧化性、得电子能力依次增强 【易错提醒易错提醒】常见几种金属的冶炼误区常见几种金属的冶炼误区 (1)(1)工业上冶炼工业上冶炼AlAl时用时用AlAl2 2O O3 3而不用而不用AlClAlCl3 3, ,因为因为AlClAlCl3 3为为 共价化合物共价化合物, ,熔化后不导电。但冶炼熔化
7、后不导电。但冶炼AlAl时需加入冰晶石时需加入冰晶石 (Na(Na3 3AlFAlF6 6),),以降低熔化温度。以降低熔化温度。 (2)(2)工业上冶炼工业上冶炼MgMg时用时用MgClMgCl2 2而不用而不用MgO,MgO,因为因为MgOMgO的熔点的熔点 很高很高, ,耗能大。耗能大。 (3)Au(3)Au、PtPt一般用物理法提取。一般用物理法提取。 (4)(4)利用铝热反应不能冶炼还原性比利用铝热反应不能冶炼还原性比AlAl强的金属强的金属, ,如如MgMg、 NaNa等。等。 【知识拓展知识拓展】各种热还原法的比较各种热还原法的比较 优点优点 缺点缺点 H H2 2还原法还原法
8、金属纯度高金属纯度高 工业成本高工业成本高 COCO和和C C 还原法还原法 工业成本低工业成本低 金属纯度低金属纯度低, , 产生污染性气产生污染性气 体体CO CO 铝热法铝热法 可以冶炼高熔点、可以冶炼高熔点、 难以冶炼的金属难以冶炼的金属 工业成工业成 本较高本较高 【思考思考讨论讨论】 (1)(1)能否通过电解熔融的能否通过电解熔融的MgOMgO制取金属镁制取金属镁? ? 提示提示: :不能。不能。MgOMgO的熔点比的熔点比MgClMgCl2 2的熔点高的熔点高, ,需要消耗很需要消耗很 大的能量大的能量, ,成本太高。成本太高。 (2)(2)能否通过电解能否通过电解AlClAlC
9、l3 3制取金属铝制取金属铝? ? 提示提示: :不能。氯化铝是共价化合物不能。氯化铝是共价化合物, ,熔融状态下以分子熔融状态下以分子 形式存在形式存在, ,没有自由移动的离子没有自由移动的离子, ,不发生电离。不发生电离。 【案例示范案例示范】 【典例典例】在冶金工业上在冶金工业上, ,均能用还原法制得的一组金属均能用还原法制得的一组金属 是是 ( ( ) ) A.NaA.Na、MgMg、AlAl B.NaB.Na、ZnZn、FeFe C.ZnC.Zn、FeFe、CuCu D.MgD.Mg、AlAl、ZnZn、FeFe 【解题指南解题指南】解答本题注意以下两点解答本题注意以下两点: : (
10、1)(1)熟记金属活动性顺序。熟记金属活动性顺序。 (2)(2)中等活泼的金属利用热还原法冶炼。中等活泼的金属利用热还原法冶炼。 【解析解析】选选C C。NaNa、MgMg、AlAl的冶炼方法为电解法的冶炼方法为电解法;Zn;Zn、 FeFe、CuCu的冶炼方法为化学还原剂还原法的冶炼方法为化学还原剂还原法;Ag;Ag的冶炼方法的冶炼方法 为热分解法为热分解法, ,故选故选C C项。项。 【知识知识巩固巩固】 1.1.下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是 ( ( ) ) 世纪金榜导学号世纪金榜导学号 选项选项 冶炼原理冶炼原理 方法方法 A A 2H
11、gO 2Hg+O2HgO 2Hg+O2 2 热分解法热分解法 = 选项选项 冶炼原理冶炼原理 方法方法 B B 2Al2Al2 2O O3 3( (熔融熔融) 4Al+3O) 4Al+3O2 2 电解法电解法 C C CuCu2 2S+OS+O2 2 2Cu+SO2Cu+SO2 2 热分解法热分解法 D D FeFe2 2O O3 3+2Al 2Fe+Al+2Al 2Fe+Al2 2O O3 3 热还原法热还原法 高温高温 = 高温高温 = 【解析解析】选选C C。活泼金属。活泼金属K K、CaCa、NaNa、MgMg、AlAl等用电解等用电解 法冶炼法冶炼, ,中等活泼金属中等活泼金属ZnZ
12、n、FeFe、SnSn、PbPb、CuCu等用热还原等用热还原 法冶炼法冶炼, ,不活泼金属不活泼金属HgHg、AgAg利用热分解法冶炼利用热分解法冶炼, ,故故A A、B B、 D D正确正确,C,C项项, ,不属于分解反应不属于分解反应, ,错误。错误。 2.2.下列说法错误的是下列说法错误的是 ( ( ) ) A.A.对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用 B.B.提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步 C.C.活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液 D.D.热还原法中还原剂有焦
13、炭、一氧化碳、氢气和活泼热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼 金属等金属等 【解析解析】选选C C。活泼金属的冶炼是电解其熔融盐。活泼金属的冶炼是电解其熔融盐( (如如 MgClMgCl2 2、NaClNaCl等等) )或熔融氧化物或熔融氧化物( (如如AlAl2 2O O3 3等等) )制得的制得的, ,电解电解 其盐溶液得不到金属单质。其盐溶液得不到金属单质。 【补偿训练补偿训练】 (2018(2018泸州高一检测泸州高一检测) )金属材料在日常生活以及生产金属材料在日常生活以及生产 中有着广泛的应用。下列关于金属的一些说法不正确中有着广泛的应用。下列关于金属的一些说法不正确 的是
14、的是 ( ( ) ) A.A.合金的性质与其组成金属的性质不完全相同合金的性质与其组成金属的性质不完全相同 B.B.工业上金属工业上金属MgMg、AlAl都是用电解熔融氯化物制得的都是用电解熔融氯化物制得的 C.C.金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原 子子 D.D.越活泼的金属越难冶炼越活泼的金属越难冶炼 【解析解析】选选B B。合金的性质与其组成金属的性质不完全。合金的性质与其组成金属的性质不完全 相同相同, ,如硬度、强度更大如硬度、强度更大, ,熔点更低等熔点更低等,A,A项正确项正确; ;因为因为 AlClAlCl3 3为共价化合物
15、为共价化合物, ,熔融时不导电熔融时不导电, ,冶炼铝应用电解冶炼铝应用电解 AlAl2 2O O3 3( (熔融熔融) )的方法的方法,B,B项错误项错误; ;金属冶炼的实质就是把金金属冶炼的实质就是把金 属阳离子还原为金属原子属阳离子还原为金属原子, ,越活泼的金属越活泼的金属, ,其阳离子的其阳离子的 氧化性越弱氧化性越弱, ,越难被还原越难被还原,C,C、D D两项正确。两项正确。 知识点二知识点二 铝热反应铝热反应 铝热反应实验铝热反应实验 实验实验 操作操作 实验实验 现象现象 镁带剧烈燃烧。镁带剧烈燃烧。 氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反 应。应。 反应放
16、出大量的热反应放出大量的热, ,并发出耀眼的并发出耀眼的 白光。白光。 纸漏斗的下部被烧穿纸漏斗的下部被烧穿, ,有熔融物落有熔融物落 入沙中入沙中, ,液珠冷却后变为黑色固体。液珠冷却后变为黑色固体。 原理原理 氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发 生反应生反应:2Al+Fe:2Al+Fe2 2O O3 3 2Fe+Al2Fe+Al2 2O O3 3, , 生成的铁在高温下呈熔化状态。生成的铁在高温下呈熔化状态。 高温高温 = 注意注意 事项事项 镁带要打磨净表面的氧化膜镁带要打磨净表面的氧化膜, ,否则难以否则难以 点燃。点燃。 氧化铁和铝粉必须干燥氧化铁和铝粉必须
17、干燥, ,且两者混合均且两者混合均 匀。匀。 要保证纸漏斗重叠的四周均为四层要保证纸漏斗重叠的四周均为四层, ,且且 内层滤纸一定要用水润湿内层滤纸一定要用水润湿, ,以防滤纸漏斗以防滤纸漏斗 燃烧。燃烧。 蒸发皿中的细沙要适量蒸发皿中的细沙要适量, ,既要防止蒸发既要防止蒸发 皿炸裂皿炸裂, ,又要防止熔融的液体溅出伤人。又要防止熔融的液体溅出伤人。 【思考思考讨论讨论】 (1)(1)在铝热反应中在铝热反应中, ,镁带和镁带和KClOKClO3 3各起什么作用各起什么作用? ? 提示提示: :镁带作引燃剂镁带作引燃剂;KClO;KClO3 3作助燃剂作助燃剂, ,引发铝热反应。引发铝热反应。
18、 (2)(2)能否用铝热反应来冶炼能否用铝热反应来冶炼MgOMgO得到金属镁得到金属镁? ? 提示提示: :不能。镁的活泼性比铝强不能。镁的活泼性比铝强, ,铝不能将镁从化合物铝不能将镁从化合物 中置换出来。中置换出来。 【案例示范案例示范】 【典例典例】如图所示进行铝热反应如图所示进行铝热反应: : 观察发生的现象观察发生的现象, ,回答下列问题回答下列问题: : (1)(1)写出该反应的化学方程式写出该反应的化学方程式:_,:_, 在该反应中在该反应中_是氧化剂是氧化剂,_,_是还原剂。是还原剂。 (2)(2)引发铝热反应的实验操作是引发铝热反应的实验操作是_ _。 (3)(3)该实验的实
19、验现象为该实验的实验现象为_(_(填写序号填写序号) )。 镁带剧烈燃烧镁带剧烈燃烧; ;放出大量的热放出大量的热, ,并发出耀眼的光芒并发出耀眼的光芒, , 火星四射火星四射; ;纸漏斗的下部被烧穿纸漏斗的下部被烧穿; ;有红热状态的液有红热状态的液 珠落入蒸发皿内的细沙上珠落入蒸发皿内的细沙上, ,液珠冷却后变为黑色固体。液珠冷却后变为黑色固体。 (4)(4)某同学为研究该实验某同学为研究该实验, ,查阅有关资料得到如下数据查阅有关资料得到如下数据: : 物质物质 AlAl AlAl2 2O O3 3 FeFe FeFe2 2O O3 3 熔点熔点 / 660660 2 0542 054
20、1 5351 535 1 4621 462 沸点沸点 / 2 4672 467 2 9802 980 2 7502 750 - - 该同学推测该同学推测, ,铝热反应所得到的熔融物是铁铝合金。铝热反应所得到的熔融物是铁铝合金。 理由是该反应放出的热量使铁熔化理由是该反应放出的热量使铁熔化, ,而铝的熔点比铁低而铝的熔点比铁低, , 此时液态的铁和铝熔合形成铁铝合金。你认为他的解此时液态的铁和铝熔合形成铁铝合金。你认为他的解 释是否合理释是否合理?_(?_(填“合理”或“不合理”填“合理”或“不合理”) )。 设计一个简单的实验方案设计一个简单的实验方案, ,证明上述所得的块状熔融证明上述所得的
21、块状熔融 物中含有金属铝。该实验所用的试剂是物中含有金属铝。该实验所用的试剂是_,_,反反 应的离子方程式为应的离子方程式为_。 【解题指南解题指南】解答本题需注意以下两点解答本题需注意以下两点: : (1)(1)明确铝热反应的特点和产物。明确铝热反应的特点和产物。 (2)(2)明确明确AlAl的有关性质。的有关性质。 【解析解析】(1)(1)铝热反应为铝热反应为2Al+Fe2Al+Fe2 2O O3 3 2Fe+Al2Fe+Al2 2O O3 3, ,该该 反应中反应中FeFe2 2O O3 3作氧化剂作氧化剂,Al,Al作还原剂。作还原剂。 (2)(2)引发铝热反应的操作是加少量引发铝热反
22、应的操作是加少量KClOKClO3 3, ,插上镁带并将插上镁带并将 其点燃。其点燃。 (3)(3)全为该铝热反应的现象。全为该铝热反应的现象。 高温高温 = (4)(4)根据提供的铁和铝的熔点可知根据提供的铁和铝的熔点可知, ,该同学的推测合理。该同学的推测合理。 利用利用AlAl能与强碱反应而铁不与强碱反应的特性能与强碱反应而铁不与强碱反应的特性, ,可以检可以检 验熔融物中是否含有铝。验熔融物中是否含有铝。 答案答案: :(1)2Al+Fe(1)2Al+Fe2 2O O3 3 2Fe+Al2Fe+Al2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3 AlAl (2)(2)加少量加少量KCl
23、OKClO3 3, ,插上镁带并将其点燃插上镁带并将其点燃 (3)(3) (4)(4)合理合理 氢氧化钠溶液氢氧化钠溶液 2Al+2OH2Al+2OH- -+2H+2H2 2O=2 +3HO=2 +3H2 2 高温高温 = 2 AlO 【母题追问母题追问】铝热剂中铝热剂中,Fe,Fe2 2O O3 3与与AlAl的质量比是否是任意的质量比是否是任意 的的? ? 提示提示: :不是。根据化学反应方程式可知不是。根据化学反应方程式可知,Fe,Fe2 2O O3 3和和AlAl的质的质 量之比约为量之比约为31,31,但实验中但实验中FeFe2 2O O3 3和和AlAl质量之比约为质量之比约为52
24、52 左右左右,Al,Al稍过量稍过量, ,反应最剧烈。反应最剧烈。 【知识知识巩固巩固】 1.(20191.(2019北京西城区高一检测北京西城区高一检测) )铝热反应的实验装置铝热反应的实验装置 如图。下列有关铝热反应的说法中如图。下列有关铝热反应的说法中, ,不正确的是不正确的是 ( ( ) ) A.A.铝热反应是放热反应铝热反应是放热反应 B.B.铝热反应可用于冶炼某些高熔点金属铝热反应可用于冶炼某些高熔点金属 C.C.实验中镁条的主要作用是还原氧化铁实验中镁条的主要作用是还原氧化铁 D.D.实验现象为火星四溅实验现象为火星四溅, ,漏斗下方有红热熔融物流出漏斗下方有红热熔融物流出 【
25、解析解析】选选C C。铝热反应放出大量的热。铝热反应放出大量的热, ,使反应生成的使反应生成的 FeFe在高温下熔化在高温下熔化, ,证明铝热反应为放热反应证明铝热反应为放热反应, ,故故A A正确正确; ; 铝具有强还原性铝具有强还原性, ,高温下高温下, ,能还原某些金属氧化物能还原某些金属氧化物, ,所以所以 可以通过铝热反应冶炼某些高熔点金属可以通过铝热反应冶炼某些高熔点金属, ,故故B B正确正确; ;实验实验 中镁条为引燃剂中镁条为引燃剂, ,利用燃烧放出的热量引发铝热反应利用燃烧放出的热量引发铝热反应, , 而还原氧化铁的物质为金属而还原氧化铁的物质为金属Al,Al,故故C C错
26、误错误; ;铝热反应为放铝热反应为放 热反应热反应, ,反应剧烈、火星四溅反应剧烈、火星四溅, ,放出的热量使铁熔化放出的热量使铁熔化, ,所所 以漏斗下方有红热熔融物流出以漏斗下方有红热熔融物流出, ,故故D D正确。正确。 2.2.用铝热剂冶炼难熔金属用铝热剂冶炼难熔金属, ,是利用了铝是利用了铝 ( ( ) ) 具有还原性具有还原性 既能与酸反应又能与碱反应既能与酸反应又能与碱反应 具有导电性具有导电性 被氧化过程中放出大量的热被氧化过程中放出大量的热 A.A. B.B. C.C. D.D. 【解析解析】选选C C。铝热剂法是活泼金属还原剂法冶炼金属。铝热剂法是活泼金属还原剂法冶炼金属
27、的一种方法的一种方法, ,除利用铝的还原性外除利用铝的还原性外, ,还由于该反应过程还由于该反应过程 中放出大量的热可使“难熔金属”熔化中放出大量的热可使“难熔金属”熔化, ,从而进一步将从而进一步将 其分离出来。其分离出来。 【补偿训练补偿训练】 用铝和金属氧化物反应制备金属单质是工业上较用铝和金属氧化物反应制备金属单质是工业上较 常用的方法。如常用的方法。如2Al+4BaO 3Ba+BaOAl2Al+4BaO 3Ba+BaOAl2 2O O3 3 高温高温 = 常温下常温下AlAl的金属性比的金属性比BaBa的金属性的金属性_(_(填“强”或填“强”或 “弱”“弱”) )。利用上述方法可制
28、取。利用上述方法可制取BaBa的主要原因是的主要原因是 _(_(填序号填序号) )。 a.a.高温时高温时AlAl的活泼性大于的活泼性大于BaBa b.b.高温有利于高温有利于BaOBaO分解分解 c.c.高温时高温时BaOAlBaOAl2 2O O3 3比比AlAl2 2O O3 3稳定稳定 d.Bad.Ba的沸点比的沸点比AlAl的低的低 【解析解析】根据元素周期表根据元素周期表, ,金属性金属性BaMgAlBaMgAl。利用反应。利用反应 2Al+4BaO 3Ba+BaOAl2Al+4BaO 3Ba+BaOAl2 2O O3 3制备金属制备金属BaBa是因为金是因为金 属钡的沸点低属钡的沸点低, ,容易气化容易气化, ,逸出反应体系逸出反应体系, ,收集钡的蒸收集钡的蒸 气气, ,可以得到金属钡。可以得到金属钡。 答案答案: :弱弱 d d 高温高温 = 【课堂回眸课堂回眸】
