2019高中化学第四章第一节开发利用金属矿物和海水资源讲义新人教版

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第1课时　金属矿物的开发利用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。4．了解金属回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。1．金属活动性顺序为K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au_。2．金属的存在(1)地壳中含量最高的金属元素是铝，其次是铁。(2)金、铂等少数金属以游离态的形式存在，绝大多数金属以化合态的形式存在于自然界中。3．金属冶炼的含义：将金属矿物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的过程。4．常见金属的冶炼方法(1)冶炼铝的方法：电解法，化学方程式：。(2)冶炼铁的方法：热还原法、铝热法，化学方程式：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2、Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3。(3)冶炼银的方法：热分解法，化学方程式：2Ag2O4Ag＋O2↑。(4)冶炼铜的方法：火法炼铜、湿法炼铜，化学方程式：Cu2S＋O22Cu＋SO2、Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu。5．金属资源的合理开发利用(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。[新知探究]1．金属冶炼的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子。2．金属冶炼的方法有哪些？完成下表。n续表3.工业上冶炼镁、铝的原理是什么？可否电解熔融MgO和AlCl3制取镁、铝，为什么？提示：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。MgO的熔点远高于MgCl2，而AlCl3属于共价化合物，熔融状态不导电，故工业上冶炼Mg、Al是电解熔融的MgCl2、Al2O3而不是电解MgO和AlCl3。[名师点拨]1．金属冶炼方法的选择金属冶炼方法的选择依据是：金属在自然界中的存在形态和金属的活泼性。金属活动性越强，金属阳离子的氧化性越弱，常用电解法；金属活动性越弱，金属阳离子的氧化性越强，用一般还原剂还原即可。2．金属冶炼的三个步骤和目的3.常用的热还原法　各种热还原法的优缺点：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[对点演练]1．下列金属冶炼的反应原理，不合理的是(　　)nA．2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑B．MgO＋H2Mg＋H2OC．FeO＋COFe＋CO2D．2HgO2Hg＋O2↑解析：选B　镁是较活泼的金属，应用电解熔融MgCl2的方法冶炼。[新知探究]铝热反应实验探究完成下列表格：实验操作续表实验现象镁带剧烈燃烧；铝热剂发生剧烈的反应；反应放出大量的热，并发出耀眼的白光；纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙子中铝与氧化铁反应的化学方程式Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3(1)铝热反应中利用了铝的哪些性质？提示：还原性、反应放出大量的热及铝的熔点低。(2)金属铝可用于还原哪些金属？能否利用铝热反应冶炼镁？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。(3)什么是铝热剂？镁条和KClO3的作用是什么？提示：铝热剂是铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。镁条和KClO3的作用分别是引燃剂、助燃剂。(4)引发铝热反应的操作是什么？提示：在铝热剂上放KClO3，插上镁条并将镁条点燃(5)铝热反应有何应用？提示：冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等。[名师点拨]　铝热反应的原理与特点(1)反应原理：铝作还原剂，金属氧化物作氧化剂，该反应是铝将金属氧化物中的金属置换出来的反应；反应的实质是铝将金属阳离子还原为金属单质。(2)反应特点：①高温；②剧烈燃烧，放出大量的热；③新生成的液态金属单质易与Al2O3(固态)分离。[对点演练]2．下列对铝热反应的说法错误的是(　　)A．铝热剂中还原剂是铝粉B．铝热剂是纯净物C．铝与Fe2O3可组成铝热剂D．铝热反应是放热反应解析：选B　Al和Fe2O3可组成铝热剂，属于混合物，其中铝作还原剂，铝热反应是放热反应。n3．下列金属①铁　②钙　③锰　④钒　⑤铬，可用铝热法制备的有(　　)A．①②④B．①②③⑤C．①③④⑤D．①②③④⑤解析：选C　可用铝热法制备的金属通常具有较高的熔点，且不能比铝活泼。　　　　　　　　　　　　　　　　　1．金属冶炼的实质是(　　)A．金属元素失去电子B．金属元素获得电子C．金属元素被氧化了D．金属元素可能被氧化了，也可能被还原了解析：选B　大多数金属元素在自然界中以化合态形式存在，其化合价为正价，在冶炼过程中得电子被还原，故B项正确。2．下列关于金属冶炼的说法不正确的是(　　)A．热分解法适用于制备不活泼金属B．热还原法的常用还原剂是C、H2、CO、Al等C．熔融电解法适用于制备不活泼金属D．水溶液中置换法适用于较活泼金属制取不活泼金属解析：选C　熔融电解法适用于制备活泼金属，热还原法适用于制备较活泼的金属，热分解法适用于制备不活泼金属。3．从金属被利用的历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近几百年的事。下列跟这个先后顺序有关的是(　　)①地壳中金属元素的含量　②金属活动性顺序　③金属的导电性　④金属冶炼的难易程度　⑤金属的延展性A．①③B．②⑤C．③⑤D．②④解析：选D　金属的活泼性决定了金属冶炼的难易程度，金属冶炼的难易程度决定了金属被利用的先后顺序。4．能用热分解法制得的金属是(　　)A．FeB．AgC．MgD．Na解析：选B　热分解法一般用于很不活泼的银、汞等金属的冶炼，它们的化合物大多数不稳定，受热时能够分解为相应的金属单质；而活泼金属的化合物一般相当稳定，受热难分解。因此，比较活泼的钠、镁和铁不能够通过热分解法制得。5．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属，锂可以释放出更多的电子，故常用来制造高性能电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则冶炼金属锂应采用的方法是(　　)A．电解法B．热还原法C．热分解法D．铝热法解析：选A　可以根据金属活泼性与金属冶炼方法之间的联系解答本题，锂的金属性介于钠和镁之间，应该与钠、镁的冶炼方法相同，即采用电解法。6．如图为铝热反应的实验装置，请回答有关问题：n(1)纸漏斗中铺在氧化铁和铝粉混合物上面的物质为________。(2)引发该铝热反应的操作为________________。(3)若将氧化铁换成氧化镁，该反应能否发生？________(填“能”或“不能”)，理由是_______________。(4)铝热反应的用途有哪些(列举两条)?_______________，___________。解析：做铝热反应的实验时，要有引燃剂(镁带)、助燃剂(KClO3分解提供氧气)和反应物，反应物应该是铝粉与相对不活泼金属的氧化物。答案：(1)氯酸钾(或KClO3)(2)在混合物中间插一根镁带，并用燃着的小木条点燃镁带(3)不能　镁比铝活泼，铝不能置换镁(4)用于焊接钢轨　冶炼某些熔点高的金属第2课时　海水资源的开发利用1．了解海水资源的开发和利用前景。2．了解海水淡化的方法，掌握海水的蒸馏原理。3．掌握海水化学资源的开发和利用(海水制盐、海水提镁、溴、碘)。4．认识化学在自然资源综合利用方面的重要价值。1．海水水资源的利用(1)分类：海水的淡化和海水的循环冷却等。(2)海水的淡化：①海水淡化的目的：从海水中提取淡水。②海水淡化的主要方法：蒸馏法、电渗析法和离子交换法等。③海水的蒸馏。a．主要仪器：A：蒸馏烧瓶B：冷凝管C：锥形瓶。b．冷凝水的流向：a口进，b口出。c．A中加入碎瓷片的目的是防止液体暴沸。2．海水化学资源的开发利用(1)海水中化学资源的特点多样性常量元素(99%)：除H、O外，含有Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、Br、Sr11种元素；微量元素(1%)：共计80多种分散性虽然海水中元素种类很多，总储量很大，但许多元素的富集程度很低(2)海水化学资源的开发利用①海水制盐把海水引到盐滩上，利用日光和风力使水分蒸发，得到食盐。n②海水提溴在预先经过酸化的浓缩海水中，用Cl2氧化溴离子使之成为Br2。③海水提碘海带中含有碘元素，灼烧后的灰烬中碘元素主要以I－形式存在，H2O2可以将其氧化成I2。④其他物质和能量a．从海水中提取的铀和重水是核能开发中的重要原料。b．潮汐能、波浪能等是有待开发的新型能源。[新知探究]1．海水水资源的利用主要包括海水淡化和直接利用海水进行循环冷却。2．海水淡化的方法主要有：蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。3．描述蒸馏的原理，思考蒸馏实验操作中有哪些注意事项？提示：蒸馏是利用混合液体体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离的操作过程。[注意]　(1)蒸馏烧瓶中所盛放液体不能超过其容积的，也不能少于。(2)温度计的水银球在支管口附近。(3)冷凝管的水流下进上出。(4)蒸馏烧瓶中加入碎瓷片，防止暴沸。[名师点拨]　海水淡化三种方法的原理方法原理蒸馏法将海水加热至沸腾汽化，然后将蒸气冷凝而得到蒸馏水电渗析法在外加直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，使水中的一部分离子转移到另一部分水中而达到除盐的目的离子交换法用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂除去海水中的阴、阳离子，得到去离子水[对点演练]1．下列说法正确的是(　　)A．海洋约占地球表面积的71%，所以地球上不缺水，人类可以随意使用水资源，不必节约B．海水淡化的主要方法有蒸馏法、电渗析法和离子交换法C．海水淡化的各种方法中，蒸馏法的成本最低D．以上说法都正确解析：选B　地球表面咸水多，淡水少，许多国家面临着淡水资源的危机，故不可以随意浪费水资源，A错误；海水淡化的方法中蒸馏法的成本较高，C错误。[新知探究]1．海带中碘元素的检测n[问题讨论](1)海带为什么不能用水冲洗？提示：因海带中的I－能溶于水，故不用水冲洗干海带，以免I－的损失。(2)碘易升华，为什么还可以用酒精灯灼烧海带？提示：海带中的碘元素不是以单质的形式存在，而是以I－形式存在。(3)该实验中第4步和第5步的实验现象分别是什么？提示：加入稀硫酸和H2O2后，溶液由无色变为深黄色，再加入淀粉溶液后溶液变为蓝色。(4)实验中用H2O2氧化I—，写出反应的离子方程式。用H2O2氧化I—有何优点？提示：2H＋＋2I－＋H2O2===I2＋2H2O。H2O2的还原产物是水，不污染环境。2．海水中提取溴从海水中提取溴，一般要经过浓缩、氧化和提取三个步骤。其主要过程为：(1)向浓缩后且用硫酸酸化的海水中通入适量的Cl2，使溴离子转化为溴单质，涉及的离子方程式为：Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－；(2)向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸气，将溴单质吹入吸收塔内，使溴单质蒸气、水和吸收剂二氧化硫相互反应生成溴化氢和硫酸，以达到富集的目的，涉及的离子方程式为：Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋＋2Br－；(3)向吸收塔的溶液内通入适量的氯气得到溴单质，用四氯化碳萃取、分液得到产品溴，涉及的离子方程式为：Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－。[名师点拨]1．海带中提碘(1)海带中含有碘元素的检测(2)海带中提碘①流程海带→晒干、灼烧→浸泡→氧化→过滤→提纯→碘单质②主要的化学原理：2H＋＋2I－＋H2O2===I2＋2H2O或Cl2＋2KI===2KCl＋I2。2．海水中提取溴(1)主要方法：空气吹出法。(2)主要流程：n[对点演练]2．某同学设计实验从海带中提取碘：①滴加稀硫酸和双氧水　②在海带中加入少量酒精，点燃使其燃烧为灰烬，在灰烬中加水搅拌　③加四氯化碳并振荡　④过滤　⑤分液　该实验的合理操作顺序是(　　)A．①③⑤②④B．②①③④⑤C．②④①③⑤D．③①②⑤④解析：选C　从海带中提取I2的流程为：海带(加少量酒精)海带灰含I－的水溶液I2的水溶液I2的有机溶液，故正确步骤为②④①③⑤。3．溴有“海洋元素”之称，海水中溴含量为65mg/L。实验室模拟海水中溴的提取。实验方法：(1)将适量新制氯水加入到20mL富含溴离子的海水中(海水可以用0.1mol/L的NaBr溶液代替)，把溴置换出来。氯水中的氯气作________剂，涉及反应的离子方程式为________________________。(2)得到的单质溴可以用有机溶剂在________(仪器)中实现萃取富集，萃取试剂用________、苯等，得到的有机层显________色。解析：把溴离子转化为溴单质时，溴离子发生氧化反应，因此需要氧化剂，氯气可以将Br－氧化为Br2。根据萃取的原理，要从水溶液中萃取某种溶质，所选择的萃取剂一定要和水互不相溶。溴单质在有机溶剂中的颜色是橙色到橙红色。答案：(1)氧化　Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2(2)分液漏斗　四氯化碳　橙1．海水是一个巨大的化学资源宝库，下列有关海水综合利用的说法正确的是(　　)A．海水中含有钾元素，只需经过物理变化就可以得到钾单质B．海水蒸发制海盐的过程中只发生了化学变化C．从海水中可以得到NaCl，电解熔融NaCl可制备Cl2D．利用潮汐发电是将化学能转化为电能解析：选C　海水中的钾元素是以化合态形式存在，要由化合态转化为游离态，一定发生氧化还原反应，故A不正确；海水蒸发制海盐，发生了物理变化，B也不正确；电解熔融NaCl可以制得Na和Cl2，C正确；潮汐发电是将机械能转化为电能，因此D也不正确。2．中国食盐产量居世界首位。下列实验室中的操作类似“海水晒盐”原理的是(　　)A．蒸馏B．蒸发C．过滤D．搅拌解析：选B　实验室中的“蒸发”操作是利用水受热易挥发，其中的溶质因溶剂减少而析出的过程，与海水晒盐的原理是相似的。3．从海水中可以提取溴，主要反应为2Br－＋Cl2===2Cl－＋Br2。下列说法正确的是(　　)A．溴离子具有氧化性nB．氯气是还原剂C．该反应属于复分解反应D．氯气的氧化性比溴单质强解析：选D　该反应是置换反应，说明氯气的氧化性比溴单质强。4．从海带中提取碘的实验过程中，涉及下列操作，其中正确的是(　　)解析：选D　灼烧海带应使用坩埚，A选项错误；过滤时应用玻璃棒引流，B选项错误；苯的密度比水的小，萃取了I2的苯层在上层，应从分液漏斗上口倒出，C选项错误。5．海水中含有氯化镁，是镁的重要来源之一。从海水中提取镁，可按照如下步骤进行：①把贝壳制成石灰乳　②在引入的海水中加入石灰乳，沉降、过滤、洗涤沉淀物　③将沉淀物与盐酸反应，结晶、过滤、干燥产物　④将所得的产物熔融后电解。关于提取镁，下列说法不正确的是(　　)A．此法的优点之一是原料来源丰富B．进行①、②、③步操作的目的是从海水中提取氯化镁C．第④步电解时会产生氯气D．以上提取镁的过程中涉及的反应有分解反应、化合反应、置换反应和复分解反应解析：选D　海水中含有丰富的镁元素，是镁的重要来源之一。从海水中制取镁，将贝壳煅烧制CaO，与水反应生成Ca(OH)2，加入海水中生成Mg(OH)2，过滤，然后用盐酸溶解，浓缩得到氯化镁，再进行电解，得到金属镁。涉及的化学反应类型有分解反应、化合反应、复分解反应。6．某同学为了验证海带中含有碘，拟进行如下实验，请完成相关问题。(1)第1步：灼烧。操作是将足量海带灼烧成灰烬。该过程中将使用到的硅酸盐实验仪器有________(填代号，限填3项)。a．试管　b．瓷坩埚　c．坩埚钳　d．铁三脚架　e．泥三角f．酒精灯　g．烧杯　h．量筒(2)第2步：I－溶液的获取。操作是________________。(3)第3步：氧化。操作是依次加入合适的试剂。下列氧化剂最好选用________(填代号)。a．浓硫酸　b．新制氯水　c．KMnO4溶液　d．H2O2理由是_________________________。(4)第4步：碘单质的检验。操作是取少量第3步的溶液，滴加淀粉溶液，如果溶液显蓝色，则证明海带中含碘。解析：灼烧固体通常在坩埚中进行，所以涉及的硅酸盐质仪器应有瓷坩埚、泥三角、酒精灯。灼烧所得灰烬含有可溶性I－的盐，欲得其溶液需溶解、过滤，滤液即为含I－的溶液。将I－氧化为I2，以用于第4步的检验，最好选用过氧化氢，因为过氧化氢作氧化剂，还原产物为H2O且无杂质生成，2I－＋H2O2＋2H＋===I2＋2H2O，加少量稀酸会促进反应。答案：(1)b、e、f　(2)将灰烬转移到烧杯中，加适量蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌，煮沸，过滤　(3)d　过氧化氢是绿色氧化剂，在氧化过程中不引进杂质、不产生污染(不会进一步氧化单质碘)n