归纳与整理名师课堂实录

第四章

化学与自然资源的开发利用

三维目标

知识与技能

1.

知道根据金属的活动性不同，可分别采用加热、电解法、热还原法等方法冶炼金属；

2.

能从能量的角度选择金属的冶炼方法，并能正确书写出相应的化学方程式；

3.

知道海水淡化的几种方法，掌握海水蒸馏的原理；

4.

知道从海水中提取溴、碘的原理，了解非金属的置换反应。

过程与方法

1.

根据课本实验氧化铁与铝粉的反应，归纳总结出铝热反应的原理；

2.

根据课本实验：从海带中提取碘的实验研究，分析总结出海水提取碘的原理。

情感态度与价值观

将所学知识与实际生产、生活联系在一起，体现出生活中处处有化学，化学中处处有生活的理念。

教学重点、难点

1.

重点：化学方法在金属矿物开发（主要是金属冶炼）及海水资源开发利用中的作用；

2.

难点：在掌握金属冶炼的一般原理基础上，了解适用不同金属的冶炼方法。

教学过程

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

金属冶炼的实质是根据氧化还原反应，使金属矿物中的金属阳离子得到电子生成金属单质的过程：Mn＋ne===M。

＋－3．冶炼方法

【自主思考】

工业上利用电解熔融MgCl2来制取Mg，而MgO比MgCl2更易获得，为什么不电解熔融MgO制取镁呢？

(MgO的熔点：2 852 ℃，MgCl2的熔点：714 ℃) 提示

由于MgO的熔点远远高于MgCl2的熔点，将MgO熔融需要能量较多，所以采用电解熔融MgCl2的方法制取Mg，冶炼金属也要考虑节能减排。

二、金属矿物的开发利用

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。

[效

果

自

测]

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)黄金的冶炼可用热分解法(

) (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．冶炼金属常用以下几种方法：

①以C、CO或H2作还原剂还原。

②用较活泼金属Na、Mg等还原。

③利用铝热反应原理用Al还原。

④电解法。

⑤热分解法。

下列金属各采用哪种方法还原最佳？(填序号) (1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属________。

(2)Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属________。

(3)Hg、Ag等不活泼金属________。

(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属________。

答案

(1)①

(2)④

(3)⑤

(4)③

课堂互动探究

探究一、金属的活泼性与冶炼方法

【合作交流】

1．人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系？

提示

金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现的相对晚一些。金属越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以有青铜、铁器等时代的发展历程。

2．从自然界中获得金属单质，是否都必须发生氧化还原反应？

提示

否。有些金属单质化学性质稳定，如金、铂等，在自然界中主要以游离态形式存在，获得这些金属就不需要发生氧化还原反应，用富集的方法就可以，如淘金。

3．在金属中，铝元素在地壳中的含量居第一位，为什么铝的发现和使用比铜和铁要晚得多？

提示

金属的发现和使用与金属的活动性密切相关，金属活动性越强，其相应的金属阳离子得电子的能力越弱，冶炼难度越大。铝是一种活动性较强的金属，用一般的还原剂很难将其还原，工业上采用最强有力的氧化还原手段——电解法进行冶炼，而铜和铁用一般的还原剂就可以达到目的，所以铝的发现和使用比铜和铁要晚得多。

【点拨提升】

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：Mn＋ne===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

金属原子失电子能力

金属离子得电子能力

主要冶炼方法

3.常用的热还原法

电解法

K、Ca、Na、Mg、

Zn、Fe、Sn、Al Pb(H)、Cu 强→弱

Hg、Ag Pt、Au 弱→强

热还原法

热分解法

物理方法

【典题例证1】

下列金属冶炼原理错误的是(

) 电解A．2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑

△B．MgO＋H2=====Mg＋H2O 高温C．Fe3O4＋4CO=====3Fe＋4CO2

△D．2HgO=====2Hg＋O2↑

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。

答案

B

【学以致用1】

冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法

②水煤气(或氢气，或一氧化碳)法

③活泼金属置换法

④电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜；现代有(Ⅲ)铝热法炼铬；(Ⅳ)从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是(

) A．(Ⅰ)用①

C．(Ⅲ)用③

B．(Ⅱ)用②

D．(Ⅳ)用④

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。

(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)发生的反应分别是

△△(Ⅰ)：Cu2(OH)2CO3=====2CuO＋CO2↑＋H2O，C＋2CuO=====2Cu＋CO2↑，符合①；

(Ⅱ)：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，符合③；

高温(Ⅲ)：2Al＋Cr2O3=====Al2O3＋2Cr，符合③；

电解(Ⅳ)：先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑，符合④。

答案

B 探究二、铝热反应

【合作交流】

1．铝热反应实验中镁条与氯酸钾的作用是什么？

提示

镁条的作用是燃烧放出大量的热引发KClO3分解，氯酸钾的作用是供氧剂。

2．为什么要在承接反应物的蒸发皿中垫有细沙？

提示

因为铝热反应是一个典型的放热反应，反应中放出的大量热能够使铁熔化，为了防止蒸发皿炸裂及熔融的金属溅出伤人，所以要垫细沙。

3．铝热反应在工业上有哪些重要应用？

提示

(1)冶炼熔点高的金属，如钒、铬、锰等；(2)在野外焊接钢轨。

【点拨提升】

1．铝热反应

概念

原理

铝热剂

反应特点

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

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

铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物

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

冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等

应用

2.铝热反应实验

实验操作

(1)镁条剧烈燃烧；(2)氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应；(3)反应放实验现象

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

(1)镁条要打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃

(2)氧化铁粉末要干燥，铝粉要没有被氧化，否则难以反应

(3)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注意事项

湿，以防高温物质从四周溅出

(4)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

(5)实验装置要与人有一定距离，防止人被烧伤

【典题例证2】

如右图所示，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，______________(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：________(填写在横线上)。

①镁条剧烈燃烧；②放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射；③纸漏斗的下部被烧穿；④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？

高温解析

(1)铝热反应为2Al＋Fe2O3=====2Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3作氧化剂，Al作还原剂。

(2)①②③④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，蒸发皿内盛沙子；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。

高温答案

(1)2Al＋Fe2O3=====2Fe＋Al2O3

Fe2O3

Al

铝热

(2)①②③④

(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。

【学以致用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？_______________________________________________。

解析

(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。

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(答案合理即可) 课堂及时达标

1．下列金属元素在自然界中可以以游离态形式存在的是(

) A．K

C．Ca

答案

D 2．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：

高温高温①2C(焦炭)＋O2(空气)=====2CO

②2Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2

该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远高于按照化学方程式计算所需，其主要原因是(

) A．CO过量

B．CO与铁矿石接触不充分

C．炼铁高炉的高度不够

B．Na D．Au

D．CO与Fe2O3的反应有一定限度

高温解析

高炉炼铁的反应Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2为可逆反应，所以对焦炭的实际使用量要远高于按化学方程式计算所需，这样可以提高CO的浓度，促进该反应正向移动。

答案

D 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(

) A．MnO2

C．WO3

B．Cr2O3

D．CuO 解析

制备1 mol金属，根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。

答案

D 4．下列反应原理不符合工业实际的是(

) 高温A．2Ag2O=====4Ag＋O2↑

高温B．4Al＋3MnO2=====3Mn＋2Al2O3

电解C．2MgO=====2Mg＋O2↑

高温D．2CuO＋C=====2Cu＋CO2↑

解析

根据金属的活动性和特点，这四种金属选用的冶炼方法看似都正确，但是工业上冶炼镁时，并不是电解熔融的氧化镁，而是电解熔融的氯化镁。因为氧化镁的熔点很高，与电解熔融的氯化镁相比会消耗更多的能量。

答案

C 5．(1)Al与Fe3O4发生铝热反应的化学方程式为_______________________________ ________________________________________________________________________，

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。

高温答案

(1)8Al＋3Fe3O4=====4Al2O3＋9Fe

Fe3O4

Al 电解(2)2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑

9 冰晶石