1、成才之路 化学路漫漫其修远兮 吾将上下而求索人教版 必修化学与自然资源的开发利用 第四章 金属在自然界中的分布很广，无论是矿物，还是动植物体内，或多或少地都含有金属元素。由于不同金属的化学活动性相差很大，因此，它们在自然界中的存在形式也各不相同。少数化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态存在，如金和铂以及少量的银和铜。化学性质比较活泼的金属，在自然界中总是以化合态存在。化学要研究如何合理、高效地利用这些金属矿物，将其中的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，这一过程在工业上称为金属的冶炼。地球上的金属矿物资源是有限的，金属冶炼常会消耗许多能量，也易造成环境污染。我们必须学会合
2、理开发和利用这些矿物资源，有效地使用金属产品、材料，主要的途径有提高金属矿物的利用率，减少金属的使用量，加强金属资源的回收和再利用，使用其他材料代替金属材料等。20世纪90年代提出的“绿色化学”概念，要求利用可再生的原料生产化学产品，保护生态环境；化学产品的生产过程应该是环境友好的，不产生危害环境的废弃物，实行清洁生产，为社会提供有益无害的化学产品。有机反应往往产生副产物和废弃物，对环境造成污染。将原料分子中的原子百分之百地转化为产物，实现零排放是化学家的理想，这就是“原子经济性”。现在有的反应的原子利用率已经达到100%，一个经典的例子就是环氧乙烷的生产。原工艺使用的氯乙醇法，要用氯气并产生
3、大量氯化钙，原子利用率只有25%；现在用银催化氧化乙烯，原子利用率达100%。提高有机反应的原子利用率应从选择新原料、采用新型催化剂、改用新的反应路线等方面不断地探索。按照可持续发展的要求，有机化学还有许多要研究和解决的问题。从反应原料到反应产品，从反应条件到反应路线，将原来依赖矿物资源转变为开发生物质资源的新路线。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第四章 新知识预习探究2新思维名师讲堂3新考题随堂自测4新视点专家博客6新提升达标作业5新情境激趣入题1新情境激趣入题现在我们家庭中大多都是不锈钢或陶瓷餐具，铝制餐具已逐渐退出，但在铝刚被提炼出来的19世纪，拿破仑大宴宾
4、客及大臣时，其他人用银做的餐具而他自己却用铝做的餐具。1889年，德国著名的化学家门捷列夫到英国伦敦访问和讲学，英国科学家为表彰他在化学上的杰出贡献，尤其是在发现元素周期律和建立元素周期表上的贡献，赠给他一件贵重的奖品，就是用金和铝制成的一架天平。为什么在地壳中含量比铁还多的金属铝，在19世纪比金还贵重呢？随着经济和社会的发展，各种各样的金属应用越来越广，但绝大多数的金属元素以化合物的形式存在于自然界的金属矿物中。那么，怎样从金属矿物中得到金属呢？不同的金属冶炼方法是否相同呢？新知识预习探究学习目标1了解金属在自然界中的存在形式。2掌握金属的冶炼方法。3掌握铝热反应原理及实验步骤。4了解金属回
5、收和资源保护的意义。5认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。新知预习1金属在自然界中存在的形态除了_、_等极少数金属以外，绝大多数金属以_的形式存在于大自然中。金 铂化合物2金属的冶炼方法将金属从其_中_出来用于生产和制造各种金属材料，这一过程在工业上称为_。(1)热分解法适用于_金属的冶炼。加热分解 HgO：_；加热分解 Ag2O：_=4AgO2。金属化合物 还原金属的冶炼不活泼2HgO=2HgO22Ag2O(2)电解法适用于_金属的冶炼。冶炼金属钠：_；冶炼金属镁：_；冶炼金属铝：_。非常活泼2NaCl(熔融)=电解 2NaCl2MgCl2(熔融)=电解 MgCl2 2Al2O
6、3(熔融)=电解冰晶石4Al3O2(3)高温还原法适用于大多数中等活泼的金属的冶炼，常用的还原剂有_等。高炉炼铁：_；铝热反应炼铁：_；用氢气还原氧化铜：_。焦炭、一氧化碳、氢气Fe2O33CO=高温 2Fe3CO2Fe2O32Al=高温 2FeAl2O3CuOH2=CuH2O3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_；(3)加强金属资源的_；(4)使用_代替金属材料。利用率使用量回收和再利用 其他材料自主探究1金属的冶炼必须在高温下进行吗？提示：不一定，加热法冶炼金属是因为这些化合物不稳定，受热易分解，这就不需太高的温度，而热还原法往往在高温下进行，电解法要看被电解物
7、质的具体情况。很活泼的金属要电解熔化物，就要高温。有的是电解某些溶液，如电解精炼铜，对溶液电解则不需高温。2不同的金属元素，将其由化合态还原为游离态的难易程度是否相同？简要分析其中的关系提示：不同的金属元素，将其由化合态还原为游离态的难易程度是不相同的，有的还差别很大。金属元素的原子失电子越容易，该金属元素的阳离子(或正价态原子)得电子就越难；相反，金属元素的原子失去电子越难，该金属元素的阳离子(或正价态原子)得电子就越容易。不同的金属元素，其金属性(原子失去电子的能力)不同，因此，将不同的金属元素由化合态还原为游离态的难易程度不同，有的甚至差别很大。新思维名师讲堂教材点拨1金属元素的存在除金
8、、铂等极少数金属外，绝大多数金属元素以化合物的形式存在于自然界。2金属的冶炼金属矿物的开发利用3从金属矿物中提炼金属的一般步骤4.金属冶炼的方法(1)热分解法例如，2HgO=2HgO2；2Ag2O=4AgO2。温馨提示：热分解法要求原料物质热稳定性比较差，同时所冶炼的金属活泼性也较差，否则金属又会被氧化了，所以一般只适用于金属活动性顺序表中氢(H)以后的金属。(2)热还原法焦炭还原法。例如，ZnOC=高温 ZnCO；CuOC=高温 CuCO。一氧化碳还原法。例如，Fe2O33CO=高温 2Fe3CO2；CuOCO=高温 CuCO2。温馨提示：两种方法成本虽然低，但是炼得的金属纯度较低，金属中都
9、会混进杂质碳元素；两种方法炼得的金属纯度高，适用于冶炼高温下不与水反应的金属，适用于高熔点、较不活泼的金属，但成本较高。氢气还原法。例如，WO33H2=高温 W3H2O；Fe3O44H2=高温 3Fe4H2O。活泼金属还原法。例如，Cr2O32Al=高温 2CrAl2O3；3V2O510Al=高温 6V5Al2O3(铝热反应)。(3)电解法对于一些非常活泼的金属，采用一般的还原剂很难将它们还原出来，工业上常用电解法冶炼。例如，2Al2O3=电解冰晶石4Al3O2；MgCl2=电解 MgCl2；2NaCl(熔融)=电解 2NaCl2(4)其他方法湿法炼铜：FeCuSO4=FeSO4Cu火法炼铜：
10、Cu2SO2=高温 2CuSO2温馨提示：在金属活动性顺序表中，金属的位置越靠前，金属阳离子的氧化性越弱，越难被还原，最活泼的金属只能用最强的还原手段(电解)还原，人们开发利用的时间也就较晚。工业上采用电解法冶炼铝和镁的原料分别为Al2O3和MgCl2，而不是AlCl3和MgO，这是因为AlCl3是共价化合物，熔融时无法电离出自由移动的离子，不导电，而MgO虽是离子化合物，但其熔点太高，电解时会消耗大量电能，成本较高。选择金属的冶炼方法与金属在自然界中存在的状态、金属活动性等因素有关。下面是几种金属的冶炼方法：金属活动性顺序K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg AgP
11、t Au性质变化规律元素的金属性逐渐减弱，单质的还原性逐渐减弱，离子的氧化性逐渐增强自然界中存在形式只以化合态存在多数以化合态存在，极少数以游离态存在以游离态存在冶炼方法电解熔融物电解或还原剂还原富集5.合理开发和利用金属矿物资源(2015河北枣强中学高一期末)下列有关金属的工业制法中，正确的是()A炼铜：用黄铜矿(主要成分为CuFeS2)直接电解精炼得到纯度为99.9%的铜B制铝：工业上电解熔融氯化铝来制备铝C制钠：电解饱和NaCl溶液D炼铁：用CO在高温下还原铁矿石中的铁典例透析【解析】电解精炼铜时用粗铜作阳极，纯铜做阴极，硫酸铜做电解液进行电解，A错；工业上电解熔融的氧化铝，B错；制取钠
12、的时候电解的是熔融的氯化钠，C错；D对。【答案】D(2015上海市十三校高三第二次联考)工业上制备下列金属，采用的化学反应原理正确的是()A镁：2MgO(熔融)=通电 MgO2B钙：CaOC=高温 CaCOC锰：3MnO24Al=高温 3Mn2Al2O3D汞：HgS=HgS【解析】A工业上电解熔融的氯化镁来制取金属Mg，错误；B.钙的工业制法与镁相似，电解熔融的氯化钙，错误；C.工业制取Mn用还原法，单质Al与二氧化锰发生置换反应，正确；D.汞单质的制取用加热分解法，分解HgO得到Hg单质，错误，答案选C。【答案】C教材点拨1铝热反应的定义：铝和金属氧化物在高温下发生反应并放出大量热的化学反应
13、。2铝热反应实验探究(1)实验步骤把两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状套在一起，内层漏斗底部剪一个小孔后用水润湿。并架在铁圈上；将5 g炒干的Fe2O3粉末和2 g铝粉混匀后放入纸漏斗中，在混合物上面加少量KClO3固体。中间插一根用砂纸打磨过的镁条；用燃着的小木条点燃镁条，观察现象。铝热反应及金属的回收利用(2)铝热反应的装置(3)实验现象：Mg条剧烈燃烧，氧化铁粉末和铝粉发生剧烈反应，放出大量的热，发出耀眼的强光，纸漏斗被烧穿，熔融物落入沙中，冷却后观察为铁珠。(4)原因解释镁条燃烧，放出一定的热量，KClO3 作为引燃剂在受热状态下同时发生分解，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应：2AlF
14、e2O3=高温 2FeAl2O3，该反应放出大量的热，发出耀眼的白光，生成的铁在高温下呈熔化状态。该反应又叫铝热反应，其中镁条作引燃物，KClO3 作助燃剂。把铝粉和某些金属氧化物(如 Fe2O3、MnO2、V2O5、Cr2O3 等)的混合物叫做铝热剂，在高温下铝粉能置换出该金属氧化物中的金属。铝热反应的应用：应用在生产上，可用于焊接钢轨等。冶金工业上用于冶炼高熔点金属。3金属冶炼的规律金属冶炼的实质是将金属阳离子采用不同的方法还原为金属单质，金属的活动性不同，可以采用不同的冶炼方法。温馨提示：(1)由于生产条件不同，同种金属可能有多种冶炼方法，但冶炼方法的总趋势是：金属活动性顺序中，金属的位
15、置越靠后，越易被还原，越靠前，越难被还原。最活泼的金属只能用最强的还原手段(电解法来还原)。(2)判断金属活动性的规律：金属与水或酸的反应越剧烈，该金属越活泼。金属对应的氢氧化物的碱性越强，该金属越活泼。一种金属能从另一种金属的盐溶液中将其置换出来，则该金属活泼性比另一金属强。两金属能构成原电池时，作负极的金属比作正极的金属活泼。在电解的过程中，一般的先得电子的金属阳离子对应的金属单质的活泼性比后得电子的金属阳离子对应的金属单质的活泼性弱。(3)正确处理化学原理和生产实际的关系：如金属钾的制取，一般不是用电解 KCl 的方法，而是用熔融状态下的 KCl和 Na 反应：NaKCl 高温 NaCl
16、K(g)，抽走钾蒸气，根据平衡移动原理，上述平衡向生成钾的方向移动。4金属的回收和资源保护(1)地球上金属矿产资源的存量与人类需求的矛盾地球上的金属矿产资源是有限的，而且是不可再生的，随着人类不断开发利用，矿产资源将会日渐减少，地球上金属矿产资源的存量与人类需求的矛盾日益突出。(2)金属制品在使用过程中的变化金属制品在使用过程中会被腐蚀或损坏，同时由于生产的发展，新的产品要不断替代旧的产品，因而每年就有大量废旧金属产生，废旧金属是一种固体废弃物，会污染环境。(3)金属回收的意义把废旧金属作为一种资源，加以回收利用。这样做，既防止污染环境，又缓解了资源短缺的矛盾。据估算，回收一个铝制饮料罐比制造
17、一个新铝制饮料罐便宜20%，而且可以节约95%的能源。回收的废旧金属，大部分可以重新制成金属或它们的化合物再用。例如，废旧钢铁可以用于炼钢，废铁屑可以用于制铁盐，从电解精炼铜的阳极泥中，可回收金、银等贵重金属，从电影业、照相业、科研单位和医院X光室回收的定影液中，可以提取金属银。典例透析(2015经典习题选萃)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。把内层滤纸取出，在底部剪一个小孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置一盛沙的蒸发皿。把 5 g 干燥的氧化铁粉末和 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
18、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，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；有红热状态的液球落入蒸发皿内的细沙上，液球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：_。【解析】本题主要考查了铝热反应的实验操作注意事项，实验现象及铝热反应的特点。(1)铝热反应为 2AlFe2O3=高温 2FeAl2O3，该反应中Fe2O3 作氧化剂，Al
19、 作还原剂。(2)全为该铝热反应的现象。(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，蒸发皿内盛沙子；反应中镁条引起氯酸钾分解；氯酸钾引发铝热反应。【答案】(1)Fe2O32Al=高温 Al2O32FeFe2O3 Al 铝热(2)(3)使熔融物易于落下 防止溅落物炸裂蒸发皿 引起氯酸钾分解 引发铝热反应【解析】该反应的模式是铝热反应，可利用铝热反应冶炼金属Fe、Cr、Mn等难熔金属，不能冶炼比铝更活泼的金属。【答案】B在反应 AlXaOb高温 Al2O3X 中，X 不可能的物质是()AFe BMgCCr DMn新考题随堂自测1(2015北京市怀柔区高
20、三4月模拟)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，金属被利用年限的先后主要取决于()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【解析】金属的活动性强弱决定了金属冶炼的先后。【答案】D2(2015浙江省台州中学高一统练)下列反应中，通过置换反应得到金属单质的是()A铜浸入氯化铁溶液中B一氧化碳通过炽热的氧化铜C焦炭与石英混合高温加热D四氯化钛与金属钠混合加热至熔融【解析】置换反应为单质与化合物反应生成新的单质、化 合 物，A.铜 浸 入 氯 化 铁 溶 液 中 发 生 反 应：Cu 2Fe3=
21、2Fe2Cu2，不属于置换反应A项错误；B.一氧化碳通过炽热的氧化铜发生一氧化碳还原氧化铜得到金属铜，但不是置换反应，B项错误；C.焦炭与石英混合高温加热用碳还原制得硅，属于置换反应但不是制备的金属单质，故C项错误；D.四氯化钛与金属钠混合加热至熔融是利用钠还原制得金属钛，属于置换反应，D项正确。【答案】D3(2015浙江省诸暨中学高三期中)金属冶炼一般有下列四种方法：焦炭法 水煤气(或H2、CO)法活泼金属置换法 电解法。这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()，B()，C(
22、)，D()，【解析】A火烧孔雀石是采用的焦炭法来冶炼金属，用，故A正确；B.湿法炼铜是采用金属置换法来冶炼铜，用，故B错误；C.铝热反应是金属置换法冶炼金属的，用，故C正确；D.金属镁是电解熔融的氯化镁来冶炼金属镁的，用，故D正确，故选B。【答案】B4(2015湖北省黄冈中学高三期中)下列有关金属冶炼说法不正确的是()A电解饱和NaCl溶液制备NaB电解熔融的MgCl2制备MgCCO还原赤铁矿(Fe2O3)可用于炼铁DFe和CuSO4溶液的反应可用于湿法炼铜【解析】A电解饱和氯化钠溶液得到的氢气、氯气、氢氧化钠，不能得到Na单质；B.电解熔融的氯化镁可以制取Mg，正确；C.CO具有还原性，可以
23、还原金属氧化物为金属单质，正确；D.Fe与硫酸铜发生置换反应得到Cu单质，被称为湿法炼铜，正确，答案选A。【答案】A5(2015经典习题选萃)冶炼金属一般有下列四种方法：焦炭法；水煤气(或H2，或CO)法；活泼金属置换法；电解法。四种方法各有优缺点，在工业上均有应用。(1)一种无色气体A与红热的炭反应，得到另一种无色气体B，B 与 灼 热 的 氧 化 铜 反 应，又 得 到 A，则 A、B 分 别 为_(填序号)。AO2、CO2BO2、COCCO2、CODCO、CO2(2)下列说法错误的是_(填序号)。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
24、的冶炼都是通过电解其盐溶液制得D热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气或活泼金属等(3)钛(Ti)有“未来钢铁”之称。工业上常以 TiCl42Mg=Ti2MgCl2 获得海绵状钛。该反应在下列哪种环境中进行_(填序号)。A稀有气体中B空气中C氮气中DCO2 气体中【答案】(1)C(2)C(3)A【解析】(1)CO2C=2CO，CuOCO=CuCO2。(2)活泼金属的冶炼方法主要为电解法，如 Na、Mg、Al的冶炼分别电解熔融的 NaCl、MgCl2、Al2O3。(3)空气中的 N2、O2、CO2 气体在加热的条件下均与镁反应，故应在稀有气体中进行。新提升达标作业（点此链接）新视点专家博客铝的冶
25、炼史1825年，丹麦的奥斯特分离出少量的纯铝。1827年，德国化学家维勒用金属钾与无水氯化铝反应而制得了铝。但是钾太昂贵了，所以不允许大规模地生产铝。又过了27年，法国化学家德维尔用金属钠与无水氯化铝一起加热而获得闪着金属光泽的小铝球。因此在19世纪，铝是一种珍贵的金属，它的价格同黄金相当。1884年，在美国奥伯林学院化学系，有一位叫做查尔斯马丁霍尔的青年学生。当时他只有二十一岁。一次，他听一位教授(这位教授正是维勒的学生)说：“不管谁能发明一种低成本的炼铝法，都会出人头地。”这使霍尔意识到只有探索廉价的炼铝方法，才能使铝被普遍应用。霍尔在自己家里的柴房中办一个家庭实验室，经过两年的不断探索终
26、于在1886年2月的一天，他终于看到小球状的铝聚集在阴极上，后来，这些铝球竟成为“王冠宝石”，至今仍珍存在美国制铝公司的陈列厅中。还有一件值得提及的事，非常巧合，一位与霍尔同龄的年轻的法国化学家埃鲁也在这年稍晚些时候发明了相同的炼铝法。霍尔与埃鲁在遥远的两大洲，同年来到人世(1863年)又同年发明了电解炼铝法(1886年)。虽然他们之间曾一度发生了专利权的纠纷，但后来却成为莫逆之交。1911年，当美国化学工业协会授予霍尔著名的佩琴奖章时，埃鲁还特意远涉重洋到美国参加了授奖仪式。亲自向霍尔表示祝贺。或许是上天的旨意，1914年，这两位科学家又都相继去世。难怪当后人们一提起电解炼铝法的时候，便总把霍尔和埃鲁的名字联在一起。