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 必备知识自主学习 一、金属的冶炼 1.金属在自然界中存在的形态 地壳中含量最高的金属元素是_,人类最早使用的金属是_,使用最广泛的金 属是_。铝 铜 铁 2.金属冶炼的原理和实质 3.冶炼方法 【自主探索】(1)在自然界中金属都是以化合态存在的。这种说法是否正确?提示:不正确。例如金在自然界中是以游离态形式存在的。(2)(知识关联)在金属中,铝元素在地壳中的含量居第一位,为什么铝的发现和使用比铜和铁要晚得多?提示:因为金属越活泼,其离子的氧化性越弱,就越难被还原,故制取和利用的时间越晚,所以铝的
2、发现和使用比铜和铁要晚得多。(3)(情境思考)当铁轨有缝隙时,维修工人常将铝粉与氧化铁的混合物点燃,让熔 融的铁水流入铁轨的裂缝,冷却后就将铁轨牢牢的黏结在一起。你知道其工作原 理吗?提示:高温条件下,铝粉与Fe2O3发生反应,化学反应方程式为Fe2O3+2Al Al2O3+2Fe。二、金属矿物的开发利用 1.合理开发利用金属资源的原因(1)地球上金属矿物资源有限;(2)金属冶炼消耗很多能量;(3)金属冶炼造成环境污染。2.有效利用金属资源的途径(1)提高金属矿物的_。(2)减少金属的使用量。(3)加强金属资源的_。(4)使用其他材料代替金属材料。利用率 回收和再利用 【自主探索】(1)从自然
3、界中获得金属单质,是否都必须发生氧化还原反应?提示:否。有些金属单质化学性质稳定,如金、铂等,在自然界中主要以游离态形式存在,获得这些金属就不需要发生氧化还原反应。(2)(教材二次开发)教材中描述“利用金属活泼性的不同,可以采用不同的冶炼方法”。铜的冶炼有“火法炼铜”和“湿法炼铜”两种方法,各有何缺点?提示:火法炼铜会产生大量污染性气体;湿法炼铜只适用于低品位的铜矿冶炼,制得的铜不纯,且废液污染环境。关键能力合作学习 知识点一 常见金属的冶炼 1.金属冶炼的三个步骤及目的 步骤 目的 矿石 富集 除去杂质、提高矿石中有效成分的含量 冶炼 用适当还原剂把矿石中的化合态金属还原,得到粗金属单质 精
4、炼 加入试剂除杂或电解精炼,得到纯金属 2.金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系 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 物理 方法【合作探究】(1)用电解法冶炼活泼金属时(如Na、Mg等),能电解该金属的盐溶液吗?(变化观念与平衡思想)提示:不能;应电解该金属的熔融化合物。(2)(思维升华)工业上利用电解熔融MgCl2来制取Mg,而MgO比MgCl2更易获得,为什么不电解熔融MgO制取镁呢?(科学态度与社会责任)(MgO的熔点:
5、2 852,MgCl2的熔点:714)提示:MgO的熔点高,熔融时耗费更多的能源,增加生产成本。(3)能否通过电解AlCl3制取金属铝?(证据推理与模型认知)提示:否;AlCl3是共价化合物,熔融态不导电。【典例示范】【典例】在冶金工业上,均能用还原法制得的一组金属是()A.Na、Mg、Al B.Na、Zn、Fe C.Zn、Fe、Cu D.Mg、Al、Zn、Fe【解题指南】解答本题注意以下两点:(1)熟记金属活动性顺序。(2)中等活泼的金属利用热还原法冶炼。【解析】选C。Na、Mg、Al的冶炼方法为电解法;Zn、Fe、Cu的冶炼方法为化学还原剂还原法;故选C项。【母题追问】(1)冶炼金属时,是
6、否必须加入一种物质作为还原剂?提示:有的金属化合物在发生氧化还原反应冶炼金属时,自身既作氧化剂又作还原剂,不需要另加还原剂,如HgO。(2)一种金属只有一种冶炼方法吗?提示:不一定。很多金属有多种冶炼方法,如铜有热还原法,湿法冶炼等。【规律方法】各类热还原法的比较 优点 缺点 H2还原法 金属纯度高 工业成本高 CO和C 还原法 工业成本低 金属纯度低,产生污染性气体CO 铝热法 可以冶炼高熔点、难以冶炼的金属 工业成 本较高 【素养训练】钛(Ti)被称为继铁、铝之后的第三金属,钛白(TiO2)是目前最好的白色颜料。制备TiO2和Ti的原料是钛铁矿,我国的钛铁矿储量居世界首位。用含Fe2O3的
7、钛铁矿(主要成分为FeTiO3)制备TiO2流程如下:根据设计要求回答:(1)步骤加Fe的目的是什么?提示:分析框图知,铁最终转化成副产品绿矾,所以要将+3价Fe转化为+2价Fe。(2)步骤冷却的目的什么?提示:降温减小FeSO47H2O的溶解度,有利于绿矾结晶。(3)由金红石(TiO2)制取单质钛(Ti),涉及的步骤为 反应TiCl4+2Mg 2MgCl2+Ti在Ar气氛中进行的理由是什么?提示:反应后Ti和Mg易与空气中O2、N2等反应,故应在Ar气氛中进行。防止高温下镁或钛与O2、N2等反应。知识点二 铝热反应 1.实验探究 实验 装置 实验 现象(1)镁带剧烈燃烧(2)氧化铁粉末和铝粉
8、发生剧烈的反应(3)反应放出大量的热,并发出耀眼的白光(4)纸漏斗的下部被烧穿,有熔融物落入沙中,熔融物冷却后变为黑色物质 实验 结论 在高温下,氧化铁与铝发生置换反应,并放出大量的热 化学 方程式 2Al+Fe2O3 2Fe+Al2O3 2.注意事项(1)镁带要打磨干净表面的氧化膜,否则难以点燃;氧化铁粉末与铝粉要选择干燥的;铝粉要用没有被氧化的,否则反应难以进行。(2)氧化铁粉末与铝粉两者要混合均匀,以保证氧化铁与铝都完全反应。(3)内层滤纸要用水润湿,以防止纸漏斗燃烧。(4)蒸发皿中的细沙要适量,既要防止蒸发皿炸裂,又要防止熔融的液体溅出伤人。【合作探究】(1)(教材二次开发)教材实验4
9、-1探究了铝热反应,在铝热反应中,利用了铝的哪些性质?(科学探究与创新意识)提示:还原性及铝的熔点低。(2)装置中镁带、KClO3的作用是什么?(科学探究与创新意识)提示:镁带:引燃剂;KClO3:助燃剂,引发铝热反应。(3)(思维升华)铝热反应需要高温条件,所以铝热反应是吸热反应吗?(科学探究与创新意识)提示:不是。铝热反应是典型的放热反应。(4)金属铝可用于还原哪些金属?能否利用铝热反应冶炼镁?(科学探究与创新意识)提示:能冶炼活动性比铝差的难熔金属。不能利用铝热反应冶炼镁,原因是Mg比Al活泼。【典例示范】【典例】如图所示进行铝热反应:观察发生的现象,回答下列问题:(1)写出该反应的化学
10、方程式:_,在该反应中_是氧化剂,_是还原剂。(2)引发铝热反应的实验操作是 _ _ _ _。(3)该实验的实验现象为_(填写序号)。镁带剧烈燃烧;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。(4)某同学为研究该实验,查阅有关资料得到如下数据:该同学推测,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,而铝的熔点比铁低,此时液态的铁和铝熔合形成铁铝合金。你认为他的解释是否合理?_(填“合理”或“不合理”)。设计一个简单的实验方案,证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。该实验所用的试剂是_,反应的离
11、子方程式为_。物质 Al Al2O3 Fe Fe2O3 熔点/660 2 054 1 535 1 565 沸点/2 467 2 980 2 750-【解题指南】解答本题需注意以下两点:(1)明确铝热反应的特点和产物。(2)明确Al的有关性质。【母题追问】(1)铝热剂中,Fe2O3与Al的质量比是否是任意的?提示:不是。根据化学反应方程式可知,Fe2O3和Al的质量之比约为31,但实验中Fe2O3和Al质量之比约为52左右,Al稍过量,反应最剧烈。(2)实验室欲在常温下溶解反应后的熔融物,能否选用稀硫酸?能否选用浓硫酸或NaOH溶液?请说明理由。提示:能选择稀硫酸,因为稀硫酸能完全溶解此熔融物,
12、并且不会造成环境污染;不能选择浓硫酸或NaOH溶液,因为常温下浓硫酸会使Fe、Al发生钝化,NaOH溶液不能溶解单质铁。【规律方法】铝热反应 概念铝和金属氧化物在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应原理Al作还原剂,另一种氧化物作氧化剂,用铝将氧化物中的金属置换出来铝热剂铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物反应特点在高温下进行,反应迅速并放出大量的热,新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离应用冶炼难熔的相对较不活泼的金属,如V、Cr、Mn等;焊接钢轨等【素养训练】铝粉与某些金属氧化物组成的混合物叫铝热剂,铝热剂在高温下发生的反应叫 铝热反应。如:2A
13、l+Fe2O3 2Fe+Al2O3,反应发生时放出大量的热。仔细阅读 上述信息回答下列问题:(1)“铝热反应”属于四大基本反应类型中的_反应;(2)信息中的“某些”指_(填“比铝活泼的”“比铝稳定的”或“任意”)金属;(3)试写出铝粉与MnO2发生的铝热反应方程式 _;(4)题给的铝热反应可用于野外焊接钢轨,试说明其原因:_。【课堂小结】三言两语话重点 (1)金属冶炼的实质是金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质。(2)常见金属的冶炼方法:K、Ca、Na、Mg、Al 电解法,ZnCu 热还 原法,Hg、Ag 热分解法。(3)必记七反应:2HgO 2Hg+O2 2Ag2O 4Ag+O2
14、 MgCl2(熔融)Mg+Cl2 2Al2O3(熔融)4Al+3O2 2NaCl(熔融)2Na+Cl2 Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3 Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2 课堂检测素养达标 1.从石器、青铜器到铁器时代,金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。如图表示三种金属被人类开发利用的大致年限,之所以有先后,主要取决于()A.金属的导电性 B.金属在地壳中的含量 C.金属的化合价 D.金属的活动性【解析】选D。铝、铁、铜在自然界中主要以化合态形式存在,它们的金属活动性依次减弱,金属阳离子的氧化性逐渐增强,三种金属中铜较易冶炼,铝最难还原。2.明代天工开物记载“火法”冶炼锌:“炉甘石
15、十斤,装载入一泥罐内然后逐 层用煤炭饼垫盛,其底铺薪,发火煅红冷淀,毁罐取出即倭铅也”(注:炉甘石的 主要成分为碳酸锌,泥罐中掺有煤炭)。下列说法不正确的是()A.倭铅是指金属锌和铅的混合物 B.煤炭中起作用的主要成分是C C.冶炼Zn的化学方程式:ZnCO3+2C Zn+3CO D.该冶炼锌的方法属于热还原法【解析】选A。由题意可知,倭铅是指金属锌,不是锌和铅的混合物,故A错误;煤炭的主 要成分是碳,反应中碳作还原剂,故B、C、D均正确。3.下列关于金属在自然界中存在形态的说法不正确的是()A.地壳中含量最高的金属是铁,其次是铝 B.铝在自然界中主要存在于铝土矿(主要成分是氧化铝)中 C.铁
16、主要存在于铁矿石(磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿等)中 D.金、铂等不活泼的金属以游离态形式存在【解析】选A。地壳中含量最高的金属是铝,其次是铁。金属在自然界中的存在形态与其化学活动性有关,化学性质比较活泼的金属铝、铁等在自然界中以化合态存在,金、铂等化学性质不活泼的金属在自然界中以游离态存在。4.(教材二次开发教材习题改编)利用金属的活泼性不同,冶炼镁、铁、汞分别应采用的方法是()A.热还原法、热分解法、电解法 B.电解法、热还原法、热分解法 C.热分解法、热还原法、电解法 D.电解法、热分解法、热还原法【解析】选B。冶炼镁用电解法,冶炼铁用热还原法,冶炼汞用热分解法,故选B项。5.冶炼金属一般有下
17、列四种方法:焦炭法;水煤气(或H2或CO)法;活泼金属置换法;电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有()火烧孔雀石炼铜;()湿法炼铜;现代有()铝热法炼铬;()从光卤石中炼镁。对它们的冶炼方法的分析不正确的是()A.()用 B.()用 C.()用 D.()用 6.金属锂是密度最小的金属,等质量的金属锂能释放出更多的电子,故常用来制造高能量电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间,则下列能冶炼出金属锂的方法是()A.热分解法 B.热还原法 C.电解法 D.铝热法【解析】选C。锂的金属性介于钠和镁之间,应该与钠、镁的冶炼方法相同,故冶炼锂应选用电解法,选C项。7.氧化还原反应广泛用于金属的冶炼。下列关
18、于金属冶炼的叙述正确的是()A.工业上可利用铝热反应大量冶炼金属铁 B.金属钠、铝和铜都可用热还原法制备 C.CO还原磁铁矿得到9 mol铁时转移24 mol电子 D.金属冶炼的实质是金属元素被氧化【解析】选C。A项,铝热反应不能应用在工业上大量冶炼铁,工业上冶炼铁是利用CO还原铁矿石中铁元素;B项,Na、Al不能用热还原法制备;D项,金属冶炼的实质是金属元素得电子被还原。【素养新思维】8.钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注。常温下钛不和非金属、强酸反应,红热时,却可与常见的非金属单质反应。钛是航空、军事、电力等方面的必需原料。地壳中含钛铁矿石之一的是金红石(TiO2),目前大规模生产钛的方法是 第一步:金红石、碳粉混合,在高温条件下通入Cl2制得TiCl4和一种可燃性气体。该反应的化学方程式为_,该反应的还原剂是_。第二步:在氩气的气氛中,用过量的镁在加热条件下与TiCl4反应制得金属钛。(1)写出此反应的化学方程式:_;(2)简述从上述所得产物中获取金属钛的步骤:_。
