1、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目标导航1.了解金属在自然界中的存在形式，掌握金属冶炼的一般方法和原理。2.掌握铝热反应原理及实验步骤。3.了解金属回收和资源保护的意义。4.认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。一、金属的冶炼1金属在自然界中存在的形态除了金、铂等极少数金属以外，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界。在这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。2金属冶炼的原理金属的冶炼是利用氧化还原反应原理，在一定条件下，使金属离子得到电子被还原成金属原子，从而获得金属单质。即：Mnne=M。3金属的冶炼方法(1)热分解法：适用于金属活动顺序表中Hg及其以
2、后的金属。2HgO2HgO2；2Ag2O4AgO2。(2)热还原法：适用于金属活动顺序表中Zn、Cu之间的金属。Fe2O33CO2Fe3CO2；WO33H2W3H2O；Cr2O32AlAl2O32Cr。(3)电解法：适用于金属活动顺序表中Al及其以前的金属。2Al2O3(熔融)4Al3O2；2NaCl(熔融)2NaCl2。拓展延伸电解熔融的NaCl和电解NaCl溶液的产物不同。工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO的原因是MgO的熔点比MgCl2的高，冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物，熔融状态不导电。【议一议】1判断下列说法是否正确(1)黄金的冶炼可用热分
3、解法。()(2)金属阳离子被还原，一定会得到金属单质。()(3)工业上电解MgCl2溶液制取Mg。()答案(1)(2)(3)2利用CO冶炼铁的反应是置换反应吗？答案3COFe2O32Fe3CO2，不是置换反应二、金属资源的合理开发利用1合理开发利用金属资源金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源，还会造成环境污染，地球上的金属资源是有限的，是不可再生的，因此金属资源应合理地开发利用。2有效利用金属资源的途径(1)提高金属的利用率，减少金属的使用量；(2)加强金属资源的回收和再利用；(3)使用其他材料代替金属材料。【议一议】3请你列举身边常见的金属制品的成分，并讨论它们被人类使用的历史。(1)铜：使用
4、历史悠久；(2)铁：比铜的使用稍晚；(3)铝：近代才开始广泛使用；(4)镁合金、锂电池：现代才开始使用。一、金属冶炼的原理与方法【例1】下列金属冶炼原理错误的是()A2NaCl(熔融)2NaCl2BMgOH2MgH2OCFe3O44CO3Fe4CO2D2HgO2HgO2答案B解析Na、Mg通常用电解法制取，Fe用还原剂法制取，Hg可用加热其化合物的方法制取。Mg的活动性比H2强，H2不能置换出Mg，B项错。规律归纳1金属的冶炼原理：金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的过程，即：Mnne=M。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、M
5、g、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3.常用的热还原法：变式训练1冶炼金属一般有下列四种方法：焦炭法水煤气(或氢气，或一氧化碳)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()用答案B解析选择金属的冶炼方法要考虑金属在自然界中存在的状态及金属的活动性。()、()、()、()发生的反应分别是()：Cu2(OH)2CO32CuOCO2H
6、2O，C2CuO2CuCO2，符合；()：FeCuSO4=FeSO4Cu，符合；()：2AlCr2O3Al2O32Cr，符合；()：先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：MgCl2(熔融)MgCl2，符合。二、铝热反应【例2】如图为铝热反应的实验装置，请回答下列问题：(1)该实验装置中还缺_。引发铝热反应的操作为_ _。(2)若将氧化铁换成氧化镁，该反应_(填“能”或“不能”)发生，理由是_。(3)铝热反应的用途有哪些_。答案(1)镁条和氯酸钾在混合物中间插一根镁条，将氯酸钾放在混合物上镁条的周围，点燃镁条(2)不能镁比铝活泼，铝不能置换镁(3)用于焊接钢轨；冶炼某些熔点高的金属解析(
7、1)利用镁条燃烧放热从而引发铝热反应，同时促使KClO3分解产生O2，使镁条快速燃烧。(2)Mg比Al活泼，Al不能从MgO中置换出Mg。知识归纳1铝热反应(1)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。(2)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。(3)铝热剂：铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。(4)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。(5)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。2铝热反应实验实验操作实验现象(1)
8、镁条剧烈燃烧(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，有熔融物落入沙中实验结论在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热变式训练2如图所示，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，下面放置盛沙的蒸发皿。把5 g炒干的氧化铁粉末加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_是氧化剂，_是还原剂
9、，该反应称为_反应。(2)选出该实验的实验现象(填写在横线上)：_。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？答案(1)2AlFe2O32FeAl2O3Fe2O3Al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
10、有黑色物质被吸附，则证明生成物中有金属铁。1下列金属元素在自然界中可以游离态形式存在的是()AK BNa CCa DAu答案D2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C解析活泼金属的冶炼是电解其熔融盐(如MgCl2、NaCl等)或熔融氧化物(如Al2O3等)制得的，电解其盐溶液得不到金属单质，C错误。3用铝热法还原下列化合物，若获得金属各1 mol，消耗铝最少的是()AMnO2 BCr2O3CWO3 DCuO答案D解析制备1 mol金属，根
11、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1 mol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D项中Cu的化合价最低，故选D。4下列说法中，正确的是()A简单地说，金属的冶炼就是把金属单质从其矿物中分离出来B金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被氧化C金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被还原D金属冶炼过程中，被冶炼的金属既可被氧化，也可被还原答案C解析金属冶炼的原理是利用氧化还原反应，把金属矿物中的金属阳离子还原成金属单质，因此，金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被还原。5(1)Al与Fe3O4发生铝热反应的化学方程式为_
12、 _，该反应中氧化剂是_，还原剂是_。(2)工业上电解冶炼铝的化学方程式为_ _。若电路中通过1 mol电子，可以得到Al_g。答案(1)8Al3Fe3O44Al2O39FeFe3O4Al(2)2Al2O3(熔融)4Al3O29经典基础题题组1金属及其冶炼方法的选择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。如图表示了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金属的导电性强弱B金属在地壳中的含量多少C金属的化合价高低D金属的活动性强弱答案D解析由于人类掌握科学知识的局限性，越活泼的金属越难以冶炼，故发现年代越晚。2下列金属一般用电解熔融盐的方法冶炼的是
13、()A活动性强的金属 B活动性弱的金属C人类较早使用的金属 D明代作货币的金属答案A解析金属活动性强的金属如Na、K、Mg、Ca等，一般用电解熔融盐的方法冶炼。3我国古代的湿法冶金术是世界闻名的。我国在世界上最先应用湿法冶金术冶炼出来的金属是()AFe BCu CAg DHg答案B解析铜的盐溶液与铁等较活泼的金属可发生置换反应。4下列冶炼方法中，不能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HgOC电解熔融NaCl D铝粉和Fe2O3共热答案A解析金属钠是活泼金属，用电解法制取，汞用加热HgO制取，A项中加热Al2O3难以分解；D项中铝粉和Fe2O3组成铝热剂，可将Fe
14、2O3中的铁还原成单质。5下列化工生产原理错误的是()可以电解熔融的氯化钠来制取金属钠可以将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝炼铁时高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热A B C D答案D解析钠特别活泼，加入氯化镁溶液时钠先与水反应生成NaOH和H2，Mg2和OH反应生成Mg(OH)2沉淀，错；冶炼铝使用的是Al2O3，错；高炉炼铁中所发生的反应是放热反应，但仍需要高温，错。6金属K与Na金属性相近，用K与钠盐共熔时，很难将Na从混合物中分离。若调整温度到一定程度，则可用Na与KCl反应制取金属K。已知四种物质的熔、沸点如下：KNaKClNaCl熔点()63.659
15、7.8770801沸点()774882.91 500(升华)1 431根据平衡移动原理可推知，用Na与KCl反应制K的适宜温度是 ()A97.8770 B770774 C774882.9 D1 4131 500 答案C解析在金属活动性顺序表中，Na排在K的后面，似乎不能从K的熔融盐中置换出K。但将Na与KCl共熔，其共熔体中Na、K、Cl和e自由移动，如果继续加热，则Na、K、NaCl和KCl首先沸腾者先逸出。工业上，就是采用这种原理用Na还原K的，因为K的沸点比Na、NaCl、KCl的沸点都低，且低于NaCl的熔点。题组2铁的冶炼7实验室欲使1.6 g氧化铁完全还原，事先应准备的CO在标况下
16、的体积为 ()A672 mL B336 mLC大于672 mL D小于336 mL答案C解析由3COFe2O32Fe3CO2可知消耗CO 672 mL，但气体与固体反应不充分，反应前要先通入一会儿CO赶尽空气，Fe冷却要在CO的气氛中，故CO实际用量应大于672 mL。8铁是地壳中含量很丰富的元素，金属铁是在高炉中冶炼的，在冶金工业中，常用焦炭来冶炼铁。(1)写出焦炭在高炉中所参与的两个反应的化学方程式：_。(2)写出赤铁矿被CO还原成铁的化学方程式：_ _。(3)实验室中可用CO还原Fe2O3，在加热Fe2O3前应_，直到无_现象时才能点燃酒精灯加热，否则可能发生_现象，未反应完全的CO_(
17、填“能”或“不能”)排放到大气中，应做_处理。答案(1)CO2CO2，CCO22CO(2)3COFe2O32Fe3CO2(3)验纯爆鸣爆炸不能点燃解析(1)在冶炼铁的过程中，为提高C的利用率，先发生反应CO2CO2，再发生反应：CO2C2CO，用CO还原Fe2O3，接触更充分，效果更好。(3)加热Fe2O3之前应先检验CO的纯度，否则会发生爆炸，由于CO有毒，故未完全反应的CO应点燃，以防污染环境。题组3稀有金属的冶炼9诺贝尔化学奖获得者施罗克等人发现金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。工业上冶炼钼的化学反应过程为2MoS27O22MoO34SO2MoO32NH3H2O=(N
18、H4)2MoO4H2O(NH4)2MoO42HCl=H2MoO42NH4ClH2MoO4MoO3H2O用还原剂将MoO3还原成金属钼。则下列说法正确的是()AMoS2煅烧产生的尾气可直接排放BMoO3是金属氧化物，也是碱性氧化物CH2MoO4是一种强酸D利用H2、CO和Al分别还原等量的MoO3，所消耗还原剂的物质的量之比为332答案D解析A项明显错误，生成物SO2对环境污染严重；B项，根据中生成物(NH4)2MoO4可知，该化合物属于盐，对应的酸是H2MoO4，故MoO3不属于碱性氧化物，B项错；C项，根据反应H2MoO4是一种不溶性酸，溶液中c(H)不可能很大，故H2MoO4不可能是强酸；
19、D项，1 mol H2、1 mol CO和1 mol Al作还原剂时，失去的电子数分别为2 mol、2 mol和3 mol，还原等量的MoO3，故转移电子相同，此时n(H2)n(CO)n(Al)332。10钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。工业上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用以冶炼钛，主要有以下五个反应：FeTiO32H2SO4=TiOSO4FeSO42H2OTiOSO42H2O=H2TiO3H2SO4H2TiO3TiO2H2OTiO22C2Cl2TiCl42COTiCl42Mg2MgCl2Ti(1)针对以上五个反应，下列叙述错误的是_。A反应是非氧化还
20、原反应B反应生成了两种酸C反应中的TiO2是氧化剂D反应表现了金属镁比金属钛的还原性强(2)钛具有很强的耐腐蚀性，以下对其原因的分析正确的是_。A钛是像金、铂一样的不活泼金属B金属钛的表面易形成致密的氧化膜C钛与氧气、酸等腐蚀剂不反应D钛有很高的强度答案(1)C(2)B解析(1)在反应中没有化合价的变化，反应中，化学式H2TiO3符合酸的一般化学式，它是钛酸的化学式。反应中，钛元素的化合价保持不变，氯气是氧化剂，碳是还原剂，反应，镁是还原剂，钛是还原产物，所以镁的还原性强于钛。(2)题目中一开始就指出：钛是一种活泼的金属，但是钛耐腐蚀性强，联系金属铝的性质，铝表面易形成致密的保护膜，阻止反应继
21、续进行，以此类推钛，很容易选择B。能力提升题11铁是应用最广泛的金属，自远古时代人类就学会了炼铁，到目前为止，人类研制出了很多炼铁的方法。某研究性学习小组同学在实验室中模拟工业炼铁的过程，实验装置如下：(1)写出得到单质铁的化学方程式：_。(2)实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑，请设计一个实验来验证生成了单质铁：_。(3)装置末端气球的作用为_。实验结束时，应该先停止加热还是先停止通入CO？原因是什么？_。答案(1)Fe2O33CO2Fe3CO2(2)取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单质铁(3)收集CO，防止污染空气先停止加热，防止生成的铁再次被氧
22、化解析检验是否生成单质，在反应结束后，待玻璃管内的固体冷却，取少量放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体(H2)，则证明生成了单质铁；反应结束后，得到的铁还是炽热的，若先停止通入CO，会导致铁又被氧化，所以，应该先停止加热，待玻璃管内的固体冷却后，再停止通入CO。12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，我国的钛铁储量居世界首位。含Fe2O3的钛铁矿(主要成分为FeTiO3)制备TiO2流程如下： (1)步骤加Fe的目的是_；步骤冷却的目的是_ _。(2)上述制备TiO2的过程中，可以利用的副产物是_；考虑成本和废物
23、综合利用因素，废液中应加入_处理。(3)由金红石(TiO2)制取单质钛(Ti)，涉及到的步骤为反应TiCl42Mg=2MgCl2Ti在Ar气氛中进行的理由是_ _。答案(1)将Fe3还原为Fe2析出绿矾(FeSO47H2O)(2)绿矾(FeSO47H2O)生石灰(或碳酸钙、废碱)(3)防止高温下镁或钛与O2、N2等反应解析(1)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，降温减小FeSO47H2O的溶解度，有利于绿矾结晶。(2)水浸后发生的离子反应为TiO22H2O=H2TiO32H，废液主要呈酸性，所以应加入CaO、CaCO3或碱。(3)反应后Ti和Mg易与空气中O2、N2等反应，故在Ar气氛中进行。