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学习目标 1.知道金属在自然界中的存在形式。2.掌握铝热反应的反应原理及实验步骤。3.以金属矿物的开发利用为例，了解依据物质性质及其变化综合利用资源和能源的方法。4.能从化学的角度分析金属冶炼方法，能对资源的开发利用和能源的使用方案进行评价。知识衔接1地壳中含量最高的金属元素是 Al，人类最早使用的金属是 Cu，使用最广泛的金属是 Fe。2写出金属活动性顺序。提示：K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H)Cu Hg Ag Pt Au按金属活动性顺序，金属单质的还原性逐渐减弱，对应
2、阳离子的氧化性逐渐增强。3工业上冶炼铁的化学方程式为 3COFe2O3=高温2Fe3CO2，其中 CO 是还原剂，Fe2O3 是氧化剂。自主学习一、金属元素的存在形式二、金属的冶炼1冶炼原理。(1)金属冶炼的原理：利用氧化还原反应的原理，在一定条件下，用还原剂或者加热、电解的方法把金属化合物还原为金属单质。(2)金属冶炼的实质：金属离子 得到电子 金属单质，即 MnneM。2冶炼的方法。(1)常用方法。(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、NaMg、AlZn、Fe、SnPb(H)、CuHg、AgPt、Au主要冶炼方法电解法热还原法热分解法物理方法(3)其他方法。三
3、、有效利用金属资源的途径1提高金属矿物的利用率。2减少金属的使用量。3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。易错提醒1金属价格取决于其地壳中的含量和冶炼成本，如Al 比 Fe 贵是因为冶炼成本高，Cu 比 Fe 贵是因为地壳中含量少。2铝热反应的实质是利用铝的强还原性，置换出较不活泼的金属，因此，利用铝热反应只能冶炼出活泼性比 Al 差的金属，如 Al 与 MgO 不反应。3金属单质的发现与应用和金属活泼性有一定关系，一般金属发现的越早，则活泼性越差，金属发现的越晚，则活泼性越强。自我检测1已知一些金属单质的发现与其金属活动性存在着某种必然的联系，请你推测：下列事件发生在铁器
4、时代之前的是()A金属铝的冶炼 B青铜器时代C金属钾的使用 D戴维发现金属钠答案：B2下列说法错误的是()A对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用B提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步C活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液D热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等答案：C3下列金属的冶炼属于热还原法的是()A2NaCl(熔融)=电解 2NaCl2BWO33H2=W3H2OCFeCuSO4=CuFeSO4D2Ag2O=4AgO2解析：A 项，电解熔融的氯化钠制备金属钠为电解法，错误；B 项，加热条件下，H2 还原 WO3 生成 W 和 H2O，属于热还原法，正确；C 项，铁与硫酸铜溶
5、液反应生成铜和硫酸亚铁，属于湿法炼铜，错误；D 项，氧化银受热分解生成银和氧气，属于热分解法，错误。答案：B要点一 金属的活动性与冶炼方法问题 1：金属活动性顺序与金属冶炼方法有何关系？试从金属原子失电子能力、金属离子得电子能力角度加以分析。答案：金属的活动性顺序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb(H)、CuHg、AgPt、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问题 2：常用的热还原法有哪些？相比之下有哪些优、缺点？答案：(1)常用热还原法。(2)各种热还原法的优、缺点。方法优点缺点H2还原法金属纯度高工业成本高CO和C还原法工
6、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例 1 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电解法 B热还原法C热分解法D铝热法思路点拨：解答本题要注意以下两点：(1)明确冶炼金属的方法；(2)根据金属的活动性顺序与冶炼方法之间的关系进行选择。解析：锂的金属性介于钠、镁之间，应该与 Na、Mg的冶炼方法相同，即用电解法。答案：A1(1)下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的有_(填序号)。A2AlFe2O3=高温 Al2O32FeB2Ag2O=4AgO2CFe2O33CO=2Fe3CO2D2NaCl(aq)=通电 2NaCl2
7、(2)已知 Mg 和 Al 均要用电解法冶炼，回答下列问题：冶炼 Mg 用电解_而不用电解熔融 MgO，因为_。冶炼 Al 用电解_而不用电解熔融 AlCl3，因为_。解析：(1)中 A 选项铝比铁价格高，可用来焊接钢轨，但不能用来冶炼铁。D.冶炼 Na 应电解熔融 NaCl，而不是 NaCl 溶液。答案：(1)AD(2)熔融 MgCl2 MgO 是耐高温材料，熔融 MgO要消耗大量能源，冶炼成本高 熔融 Al2O3 AlCl3 是共价化合物，熔融状态不导电要点二 铝热反应问题 1：铝热反应的概念、原理是什么？其有哪些特点和应用？答案：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
8、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(Fe3O4、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；焊接钢轨等问题 2：请简述一下铝热反应的实验操作、现象、原理及其注意事项。答案：实验装置实验现象(1)镁带剧烈燃烧(2)氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应(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，液珠冷却后变为黑色固体原理分析镁带燃烧，放出大量的热；KClO3 作为引燃
9、剂在受热状态下发生分解，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应：2AlFe2O3=高温2FeAl2O3，生成的铁在高温下呈熔融状态注意事项(1)氯酸钾的作用是分解提供氧气，使镁带快速充分燃烧，要放在混合物的上面(2)要保证纸漏斗重叠时四周均为四层，且内层纸漏斗一定要用水润湿，以防高温物质从四周溅出，同时损坏纸漏斗(3)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例 2 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。把内层漏斗取出，在底部剪一个孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置盛有细沙的蒸发皿。把 5 g 炒干的氧化铁粉末加
10、 2 g 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：_；在该反应中，_(填化学式，下同)是氧化剂，_是还原剂，该反应称为_反应。(2)选出该实验的实验现象：_(填编号)。镁条剧烈燃烧；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。(3)写出下列操作或物质的作用：内层纸漏斗底部剪一个孔：_；蒸发皿盛细沙：_；镁条：_；氯酸钾：_。(4)如何用简单的方法证明生成物中有金属铁？_。解析：(1)铝热反应
11、为 2AlFe2O3=高温 2FeAl2O3，该反应中 Fe2O3 作氧化剂，Al 作还原剂。(2)均为铝热反应的现象。(3)铝热反应实验中为使熔融物易落下，通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛细沙；反应中镁条提供热量使氯酸钾分解；氯酸钾分解引发铝热反应。答案：(1)2AlFe2O3=高温 2FeAl2O3 Fe2O3 Al 铝热(2)(3)使熔融物易于落下防止溅落物炸裂蒸发皿，同时防止溅落物迸溅过远对周围人造成伤害 引燃剂，引起氯酸钾分解 助燃剂，为镁条继续燃烧提供氧气，引发铝热反应(4)用磁铁吸引生成物，磁铁上有黑色物质被吸附，则证明生成物中有金属铁解题归纳1铝
12、热反应为置换反应，铝置换比其活泼性差的难熔金属。2铝热反应放出大量的热量使难熔金属熔化。3铝热反应中镁使氯酸钾分解，引发铝热反应。4铝热反应可以用于焊接钢轨，但工业上不用该方法炼铁，因为铝比铁的冶炼成本更高。2用铝热剂冶炼难熔金属，是利用了铝()具有还原性 既能与酸反应又能与碱反应 具有导电性 被氧化过程中放出大量的热A BCD解析：铝粉与金属氧化物的混合物叫铝热剂，所发生的反应称为铝热反应，该反应放出大量的热量，常用作冶炼难熔金属，在该反应中，铝作还原剂，金属氧化物作氧化剂，故是正确的。虽然是铝的性质，但与铝热反应无关。答案：C1金属的冶炼。(1)原理：Mnne=M。(2)方法。热分解法适用于不活泼金属；热还原法适用于较活泼金属；电解法适用于活泼金属；其他方法。(3)铝热反应。反应特点高温、放出大量热、生成的金属呈熔融态。应用焊接钢轨；冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如 V、Cr、Mn 等。2金属资源合理开发利用的有效途径。(1)提高利用率；(2)减小使用量；(3)寻找替代品；(4)回收再利用。