人教版必修2 第4章第1節(jié) 開發(fā)利用金屬礦物和海水資源（第1課時） 學案.docVIP

第1節(jié) 開發(fā)利用金屬礦物和海水資源第1課時 金屬礦物的開發(fā)利用【學習目標】1、了解金屬冶煉的化學反應(yīng)原理和基本方法；2、了解金屬回收與資源的保護方法。【要點梳理】要點一、金屬的冶煉方法由于大多數(shù)金屬的化學性質(zhì)活潑，在自然界中主要以化合態(tài)形式存在（金、鉑等少數(shù)金屬例外），所以使用的金屬大多數(shù)是人工制得的。金屬冶煉的實質(zhì)就是利用氧化還原反應(yīng)使金屬化合物中的金屬元素得到電子被還原為金屬單質(zhì)：mn+ne-m。因不同金屬的陽離子得電子的能力不同，故不同金屬采取不同的冶煉方法。1、熱分解法。有些不活潑金屬僅用熱分解法就能制得。在金屬活動性順序表中，位于氫后面的金屬的氧化物受熱就能分解。例如：2hgo2hg+o22ag2o4ag+o22、熱還原法。多數(shù)金屬的冶煉采用熱還原法。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣和活潑金屬等。例如：fe2o3+3co2fe+3co2wo3+3h2w+3h2ozno+czn+comgo+cmg(g)+co(g)fe2o3+2al2fe+al2o33、電解法。在金屬活動性順序表中，鉀、鈣、鈉、鎂、鋁等幾種金屬的還原性很強，這些金屬都很容易失去電子，因此不能用一般的方法和還原劑使其從化合物中還原出來，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來冶煉。例如：2nacl（熔融）2na+cl2 mgcl2（熔融）mg+cl2 一些對純度要求較高的不活潑金屬也可以采用電解其鹽溶液的方法來進行冶煉，例如： 2cuso4+2h2o2cu+2h2so4+o2不同金屬冶煉方法的選擇4、濕法。在工業(yè)上還有一種冶金方法叫做濕法冶金，也稱為水法冶金。它是利用在溶液中發(fā)生的化學反應(yīng)（如置換反應(yīng)），對金屬進行提取和分離的冶金過程。例如：fe+cuso4=feso4+cu要點二、鋁熱反應(yīng)煉鐵通常用熱還原法。工業(yè)上采用的高爐煉鐵和鋁熱法煉鐵都屬于熱還原法。fe2o3+3co2fe+3co2（高爐煉鐵）fe2o3+2al2fe+al2o3（鋁熱法煉鐵）fe2o3與al的反應(yīng)叫做“鋁熱反應(yīng)”，fe2o3和al的混合物叫做“鋁熱劑”。與fe2o3性質(zhì)相似的feo、fe3o4、cuo、tio2（二氧化鈦）、v2o5（五氧化二釩）、cr2o3（三氧化二鉻）、mno2、co3o4（四氧化三鈷）、wo3（三氧化鎢）等氧化物，也都能與金屬鋁在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成al2o3和新的金屬單質(zhì)，放出大量的熱，這樣的反應(yīng)都屬于鋁熱反應(yīng)。3fe3o4+8al9fe+4al2o33cuo+2al3cu+al2o33mno2+4al3mn+2al2o33v2o5+10al6v+5al2o33co3o4+8al9co+4al2o33tio2+4al3ti+2al2o3cr2o3+2al2cr+al2o3鋁熱反應(yīng)一般有兩個方面的重要應(yīng)用：一是冶煉高熔點的金屬；二是焊接金屬，如用fe2o3和al的混合物做焊藥（鋁熱劑）焊接鐵路鋼軌等。要點詮釋：鋁熱反應(yīng)是指鋁熱劑在高溫下發(fā)生劇烈反應(yīng)并放出大量熱的化學反應(yīng)，其中鎂條為引燃物質(zhì)，氯酸鉀為助燃物質(zhì)。（1）原理：al是還原劑，另一種氧化物是氧化劑，是鋁將氧化物中的金屬置換出來的反應(yīng)。（2）鋁熱反應(yīng)的實質(zhì)是鋁將氧化物中的化合態(tài)金屬還原為金屬單質(zhì)。（3）反應(yīng)特點是在高溫下進行，反應(yīng)迅速并放出大量的熱，新生成的金屬單質(zhì)呈液態(tài)且易與al2o3分離。（4）鋁熱劑是指鋁粉和某些金屬氧化物組成的混合物。（5）應(yīng)用：冶煉難熔金屬，如v、cr、mn等；焊接鋼軌等。要點三、廢舊金屬的回收地球上的金屬礦產(chǎn)資源是有限的，而且是不能再生的，隨著人們的不斷開發(fā)利用，礦產(chǎn)資源將會日漸減少。廢舊金屬是一種固體廢棄物，會污染環(huán)境，把廢舊金屬作為一種資源，加以回收利用。這樣做，既減少了垃圾量、防止污染環(huán)境，又緩解了資源短缺的問題?；厥盏膹U舊金屬，大部分可以重新制成金屬或它們的化合物再利用。例如：廢舊鋼鐵可以用于煉鋼，利用1t廢鋼煉鋼，大約可節(jié)約礦石2t、焦炭1t、石灰石0.5t?；厥找粋€鋁質(zhì)飲料罐比制造一個新的鋁質(zhì)飲料罐節(jié)約能源約95%。廢鐵屑等可以用于制鐵鹽，從電解精煉鋼的陽極泥中，可回收金、銀等貴重金屬，從電影業(yè)、照相業(yè)、科研單位和醫(yī)院x光室回收的定影液中，可以提取金屬銀?！镜湫屠}】類型一：金屬的冶煉例1下列說法中不正確的是（ ）a金屬的冶煉原理就是利用氧化還原反應(yīng)原理，在一定條件下將金屬從其化合物中還原出來b冶煉金屬時，必須加入一種物質(zhì)作為還原劑c金屬由化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，都是被還原d金屬單質(zhì)被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用得早，其活動性一般較弱【思路點撥】本題考查金屬的冶煉原理?！敬鸢浮縝【解析】金屬的冶煉是將金屬化合物轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)；有的物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)冶煉金屬的時候，自身既作氧化劑又作還原劑，不需要另加還原劑，例如hgo，所以b錯誤；金屬呈化合態(tài)時一定顯正價，當變成游離態(tài)后，化合價就變?yōu)?價，所以被還原，c說法正確；金屬被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用得早，說明該金屬在自然界存在游離態(tài)，人們?nèi)菀撰@得并利用它，從而也說明這些金屬的活動性一般是較弱的。【總結(jié)升華】金屬的冶煉利用的是氧化還原反應(yīng)。例2工業(yè)上na、ca、mg都可以用電解其熔融的氯化物而制得。試回答下列問題：（1）寫出電解制取ca、mg的反應(yīng)的化學方程式：_，_。（2）鉀卻不能用電解熔融kcl的方法制備，因為金屬鉀易溶解在熔融的kcl中而有危險，可利用反應(yīng)na+kclnacl+k來制備鉀。參考下表數(shù)據(jù)：該反應(yīng)適宜選擇在什么溫度范圍內(nèi)進行？該反應(yīng)主要應(yīng)用了什么化學原理？（3）al的制備不能用電解alcl3的方法，而采用電解熔融al2o3的方法，請回答以下問題：工業(yè)上為什么不用na還原alcl3來制備al？電解al2o3時，為什么還要加冰晶石（助熔劑）？【思路點撥】本題綜合考查了金屬冶煉的方法及條件的選擇?！敬鸢浮浚?）cacl2ca+cl2 mgcl2mg+cl2 （2）801883 平衡移動原理 （3）原料金屬鈉的成本較高，且鈉易被氧化、難保存，故工業(yè)上不用此法獲得大量的al。 al2o3的熔點較高（2072），直接電解時需要提供大量的熱量使其熔化，加入助熔劑冰晶石（na3alf6）后，在助熔劑的作用下（助熔劑的熔點一般很低），略加熱al2o3就會熔解且易電解出al3+、o2-，這樣有利于電解的順利進行，既縮短時間又節(jié)約能源。【解析】（1）根據(jù)題意，直接寫出反應(yīng)的化學方程式：cacl2ca+cl2，mgcl2mg+cl2。（2）na與kcl的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，要想使na順利置換出k，根據(jù)平衡移動原理，需使平衡向正反應(yīng)方向移動，最佳選擇是減少生成物k的量，即k以蒸氣逸出，其他物質(zhì)仍保留在體系中，故反應(yīng)溫度應(yīng)控制在801883之間，此時k為氣態(tài)，na、nacl、kcl為熔融態(tài)。（3）可以用鈉還原alcl3制備al，但原料金屬鈉的成本較高，且鈉易被氧化、難保存，故工業(yè)上不用此法獲得大量的al。al2o3的熔點較高（2072），直接電解時需要提供大量的熱量使其熔化，加入助熔劑冰晶石（na3alf6）后，在助熔劑的作用下（助熔劑的熔點一般很低），略加熱al2o3就會熔解且易電解出al3+、o2-，這樣有利于電解的順利進行，既縮短時間又節(jié)約能源?！究偨Y(jié)升華】金屬冶煉方法的選擇要考慮其活潑性。舉一反三：【變式1】下列敘述正確的是（ ）a工業(yè)上用電解熔融氯化鈉的方法制取鈉b鈉加入氯化鎂的飽和溶液中可以制取金屬鎂c電解冶煉鋁的原料是氯化鋁d碳在高溫下能還原氧化鎂中的鎂【答案】ad類型二：鋁熱反應(yīng)例3粉末狀試樣a是由等物質(zhì)的量的mgo和fe2o3組成的混合物。進行如下實驗：取適量a進行鋁熱反應(yīng)，產(chǎn)物中有單質(zhì)b生成；另取20g a全部溶于0.15 l 6.0moll-1鹽酸中，得溶液c；將中得到的單質(zhì)b和溶液c反應(yīng)，放出1.12l(標況)氣體，同時生成溶液d，還殘留有固體物質(zhì)b；用kscn溶液檢驗時，溶液d不變色；請?zhí)羁眨海?）中引發(fā)鋁熱反應(yīng)的實驗操作是_。產(chǎn)物中的單質(zhì)b是_。（2）中所發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)的化學方程式是_。（3）中所發(fā)生的各反應(yīng)的離子方程式是_。（4）若溶液d的體積仍視為0.15 l，則該溶液中c(mg2+)為_，c(fe2+)為_。 【思路點撥】本題考查金屬冶煉原理（鋁熱反應(yīng)法）和化學實驗基本操作、物質(zhì)檢驗、化學計算?！敬鸢浮浚?）加少量kclo3，插上鎂條并將其點燃 fe （2）fe2o3+6hcl=2fecl3+3h2o，mgo+2hcl=mgcl2+h2o （3）fe+2fe3+=3fe2+，fe+2h+=fe2+h2 （4）0.67 moll-1；2.3 moll-1【解析】mgo不能與鋁發(fā)生置換反應(yīng)，所以：發(fā)生的反應(yīng)是fe2o3+2al 2fe+al2o3中發(fā)生的反應(yīng)是fe2o3+6hcl=2fecl3+3h2o，mgo+2hcl=mgcl2+h2o中發(fā)生的反應(yīng)是fe+2fecl3=3fecl2，fe+2hcl=fecl2+h2中加入kscn溶液不變色，說明fe3+完全被還原為fe2+，溶液d為mgcl2、fecl2的混合液。根據(jù)題意假設(shè)20g a中mgo和fe2o3的物質(zhì)的量均為x，則：40gmol-1x+160 gmol-1x=20g，解得x=0.1mol。 反應(yīng)后原加入的鹽酸中的cl-全部轉(zhuǎn)移到fecl2和mgcl2中，cl-守恒，所以溶液d中 【總結(jié)升華】考查的知識與技能起點較低，但綜合性較強，是典型的學科內(nèi)綜合題，同學們在平常學習中要多加練習。舉一反三：【變式1】“鋁熱反應(yīng)”的化學方程式為：2al+ fe2o3 al2o3+2fe。某同學對“鋁熱反應(yīng)”的現(xiàn)象有這樣的描述：“反應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)出耀眼的光芒”、“紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中”。查閱化學手冊知，al、al2o3、fe、fe2o3熔點、沸點數(shù)據(jù)如下： 物質(zhì)alal2o3fefe2o3熔點/660205415351462沸點/246729802750 （1）該同學推測，鋁熱反應(yīng)所得到的熔融物應(yīng)是鐵鋁合金。這種推測有一定的道理，理由是：_。（2）設(shè)計一個簡單的實驗方案，