第二节　资源综合利用　环境保护名师教学设计2

第四章化学与自然资源的开发利用

第一节

开发利用金属矿物和海水资源（第1课时）

（第1课时）

教学过程

【导入】人们通常将化学物质进行分类，在原子、分子乃至超分子等不同的结构层次上研究物质及其发生化学变化的规律，认识物质在变化过程中表现出的性质。所有这些都是人类利用自然资源、丰富物质世界的重要科学依据。本节课我们主要以金属矿物和海水资源的充分利用为例，认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。

※超分子：通常是指由两种或两种以上的分子依靠分子间作用力结合在一起的具有一定结构和功能的聚集体。

【资料卡片】自然资源与可持续发展

1.自

然

资源：指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称。

2.可持续发展：包括经济的可持续发展，社会的可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展和全球可持续发展。

一.金属矿物的开发和利用

1.金属元素在自然界存在的形态：

（1）游离态：极少数的不活泼金属（金、铂等）以游离态存在（单质的形式）

（2）化合态：绝大多数金属在自然界中是以化合态（化合物的形式）存在，如铝以铝土矿形式存在，铁以铁矿石形式存在。

2.金属的冶炼：金属冶炼是工业上将金属从含有金属元素的矿石中还原出来的生产过程。

（1）金属冶炼的一般方法：金属的活动性不同，冶炼的方法不同。

①热分解法：对于不活泼金属（活动顺序中，Hg及Hg以后）可以直接用加热分解的方法将金属从其化合物中还原出来，例如：

2HgO

△

2Hg+O2↑

4Ag+O2↑

2Ag2O

△

②热还原法：在金属活动性顺序表中处于中间位置的金属（Zn-------Cu), 通常是在高温下用还原剂（C、CO、H2、活泼金属等）将金属从其化合物中还原出来，例如：

Fe2O3+3CO WO3

+ 3H2

ZnO +

C

高温

2Fe + CO2↑

W

+3H2O Zn

+ CO↑

高温

高温

用心

爱心

专心

1

Fe2O3+2Al

Cr2O3+2Al

高温

2Fe + Al2O3（铝热反应）

高温

2Cr+ Al2O3（铝热反应）

【实验4—1】铝热反应

I.操作：

(1)把两张滤纸分别折叠成漏斗状套在一起（内层滤纸底

部剪一小孔，用水湿润）架在铁架台上，下面放置一

盛沙子的蒸发皿。

(2)将5g干燥的氧化铁粉末和2g铝粉均匀混合后放入纸

漏斗中，混合物上面加少量氯酸钾固体，中间插一

根用砂纸打磨过的镁条。

(3)用燃着的小木条点燃镁条，观察现象。

Ⅱ.现象：

(1)镁条剧烈燃烧，并发出耀眼的白光。

(2)引起混合物剧烈燃烧，发光发热。

(3)纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。待熔融

物冷却后，除去外层熔渣（Al2O3)，可以发现落下的是铁珠。

Ⅲ.反应： Fe2O3+2Al 高温

2Fe+Al2O3（铝热反应）

Ⅳ.铝热剂及应用：

(1)铝热剂：铝粉与某些金属（比铝不活泼的金属）氧化物的混合物。在高温下发生反应，放出大量的热，其混合物称为铝热剂；反应称为铝热反应。

(2)铝热反应的特点：在高温下引燃后剧烈反应，放出大量的热，产生高温，使被还原出来的金属熔化，与熔渣分离。体现铝的还原性、氧化铝高熔点的性质。

(3)铝热反应的应用：①焊接钢轨

②冶炼高熔点金属：V、Cr、Mn等。

③电解法：非常活泼的金属（活动顺序中：K------ Al）用一般的还原剂很难将它们还原出来，通常采用电解熔融的金属化合物的方法冶炼活泼金属，例如：

2NaCl（熔融）

MgCl2（熔融）

电解

2Na + Cl2↑

电解

Mg + Cl2↑

2Al2O3

（熔融）4Al + 3O↑

2电解冰晶石 ※有些金属可以利用氧气从其硫化物中冶炼出来，例如：冶炼铜

用心

爱心

专心

2

Cu2S + O2

高温

2Cu + SO2 【总结】金属活动顺序表中不同金属冶炼方法的选择

K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag 电解法

热还原法

热分解法

【表4—1】常见金属的冶炼原理

金 属

Fe 冶 炼 原 理

Fe2O3+3CO Fe2O3+2Al Cu Mg

Cu2S + O2

高温

2Fe + CO2↑

高温

2Fe + Al2O3（铝热反应）

高温

2Cu + SO2(火法炼铜) Fe ＋ CuSO4

=== FeSO4

＋ Cu(湿法炼铜)

MgO ＋ C 高温

Mg(g) ＋ CO(g) Mg + Cl2↑

MgCl2（熔融）

电解

Al Na

2Al2O3

（熔融）4Al + 3O↑

2电解冰晶石

2NaCl（熔融）

电解

2Na + Cl2↑

（2）金属提炼一般步骤：

①矿石的富集、除杂； ②冶炼； ③精炼。

3.金属的利用、回收和资源的保护

（1）矿产资源是有限的： 矿产资源是大自然赋予人类的宝贵财富，但并非取之不尽用之不竭，是不可再生的。随着人们的开发利用，将会日渐减少。我国幅员辽阔，是世界上矿产资源比较丰富、矿产品种比较齐全的国家。我国矿产资源总值居世界第3位，但人均拥有量约为世界人均水平的1。因此，我们要合理开发和利用这些矿物资源。

3（2）合理开发、有效利用、金属的回收和资源保护：合理开发和利用这些矿物资源。有效地使用金属产品、材料。主要途径有：

①提高金属矿物的利用率。

用心

爱心

专心

3

②减少金属的使用量。

③加强金属资源的回收和再利用，使用代用材料节约矿产资源、保护矿产资源。

板书设计：

第一节 开发利用金属矿物和海水资源

（第1课时）

一．金属矿物的开发利用 1．冶炼步骤 3.冶炼方法 4.金属的回收和资源保护

（1）热分解法

2．冶炼原理 （2）热还原法 （3）电解法

第二节

开发利用金属矿物和海水资源（第2课时）

二、海水资源的开发利用

1.海水水资源的利用：海水中水的储量约占全球总水量的97％。海水中水资源的利用，主用心

爱心

专心

4

要包括

海水的淡化

和直接利用海水进行

循环冷却

。

海水淡化的方法：主要有

蒸馏法

、电渗析

法

、离子交换

法等。

海水蒸馏原理示意图

太阳能蒸发原理示意图

2.海水中的化学资源的开发利用：

（1）海洋是一个远未开发的巨大化学资源宝库：海洋资源中，利用潜力最大的是海水中的化

学资源。由于与岩石、大气、生物的相互作用，海水中溶解和悬浮有大量的无机物和有

机物，目前，在陆地上发现的１００多种化学元素， 在海水中已找到８０多种（包括

超过总量99%的H、O、CL、Br、Na、K、Mg、Ca、S、C等11种元素和其他微量微量元素）

其中７０多种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有４亿亿吨，镁约有１８００万亿吨，

钾有５００万亿吨，溴约有９０万亿吨，核燃料约４０亿吨－５０亿吨。

（2）海水中含有的各种元素的特点：种类多，总储量大，富集程度低。因此，从海水中提取物质需要解决物质的富集的问题。

（3）从海水中提取物质的方法

I.

从海水中提取食盐的主要工艺流程：从海水中制取盐的方法主要有：盐田法、电渗析法和冷冻法。其中盐田法（又叫滩晒法）历史最悠久，而且也是最简便和经济有效的方法。现在还在广泛采用。

※盐田法：盐田建在海滩边，借用海滩逐渐升高的坡度，开出一片片象扶梯一样的池子。

第5页

用心

爱心

专心

5

利用涨潮或用风车和泵抽取海水到池内。海水流过几个池子，随着风吹日晒，水份不断蒸发，海水中的盐浓度愈来愈高，最后让浓盐水进入结晶池，继续蒸发，直到析出食盐晶体。我国是世界上最大的产盐国，年产盐量近2000万吨，占世界食盐产量的80%。

长声盐场

Ⅱ.从海水中提取镁的主要工艺流程：镁是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁从海水中提取。主要步骤如下：

海水（主要

含NaCl 试剂①

和MgSO4）

溶液

Mg(OH) 2

沉淀

试剂②

MgCl2 溶液

无水

MgCl2

熔融

电解

Mg （1）为了使MgSO4转化为Mg（OH）2，试剂①可以选用

NaOH ，要使MgSO4完全转化为沉淀，加入试剂①的量应

过量

；验证MgSO4已完全转化为Mg（OH）2的方法是

取上层清液，加入NaOH溶液，不生成沉淀 。

（2）加入试剂①后，能够分离得到Mg（OH）2沉淀的方法是

过滤 。

（3）试剂②可以选用

HCl

。

用心

爱心

专心

6

（4）无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl2，写出该反应的化学方程式：

MgCl2（熔融）

电解

Mg + Cl2↑ 第 6 页

Ⅲ. 从海水中提取溴的主要工艺流程

（1）用蒸馏法将海水浓缩。用硫酸将浓缩的海水酸化。

（2）向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质。反应的化学方程式为：

2NaBr + Cl2 == Br2 + 2NaCl ；

（3）向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，将溴单质吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的，反应的化学方程式为：Br2 + SO2 + 2H2O == 2HBr + H2SO4

（4）向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气，反应的化学方程式为：2HBr+ Cl2 == 2HCl+ Br2

（5）用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质，得到产品溴。

【实验4—2】从海带中提取碘

（1）反应原理：海带中的碘元素主要以I的形式存在，提取时用适当的氧化剂（H2O2)将其氧化成I2，再用有机溶剂将I2萃取出来。

-+ 用H2O2做氧化剂，反应的离子方程式是：2I+ H2O2 + 2H == I2 + 2H2O 。

（2）操作步骤：

①取约3g干海带，把表面的浮着物用刷子刷净（不要用水冲洗，以免

洗去表面的碘化物），用剪刀剪碎后，用酒精湿润，放入坩埚中。点燃酒精灯，灼烧海带至完全变为灰烬（注意通风）停止加热，冷却。

②将海带灰转移到小烧杯中，向其中加入10ml蒸馏水，搅拌、煮沸2～3min ,过滤。

③在滤液中滴入几滴稀硫酸（3mol/l）,再加入1mL H2O2（3%），现象：溶液

变棕黄色

。

再加入几滴淀粉溶液，现象是：溶液

变蓝色

。

（3）提取I2流程：

含碘元素的溶液

残渣

含碘单质的有机溶液

试剂

含碘单质的溶液

-海带

灼烧

海带灰

溶解，过滤

【总结】海水资源的开发利用：

用心

爱心

专心

7

①

从海水中提取淡水——海水淡化

②海水制盐

海水资源的开发利用

③从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品

④从海水中获取铀和重水作为核能开发的重要原料

⑤从海水中获取其他物质和能量

第7页

※海水综合利用联合工业体系一例（如下图）

课堂小结

这节课我们学习了海水资源的开发和利用，通过学习，我们知道：海水是一个巨大的资源宝库，从海水中我们可以提取许多重要的化工产品，同学们要努力学习，掌握先进的科学技术，让海水更好地造福人类。

布置作业

P85 T3 板书设计：

第一节

开发利用金属矿物和海水资源

（第2课时）

二．海水资源的开发利用

1．水资源的利用 （2）

溴 3.

树立资源保护意识及合理开（1）淡化

（3）钾 发意识

（2）循环冷却

2．制备化工产品

（1）镁

用心

爱心

专心

8

，由于加热MgCl2·6H2O的过程中，会有部分MgCl2又与H20反应生成Mg(OH)2。而MgCl2与H20的反应是一个可逆反应：MgCl2+2H20==Mg(OH)2+2HCl。根据平衡移动原理在HCl气氛中加热MgCl2·6H20，使MgCl2与H20的反应得到抑制，故能得到纯净的MgCl2 6．D。汽车在工作时发动机的活塞在气缸中运行一个循环时，要经过进气、压缩、点火燃烧和排气四个过程。在压缩和点火燃烧等过程中，由于产生高温高压，故空气中N2和02发生如下反应N2+022NO，2NO+02==2N02，生成污染大气的N02。

7．D。SO2和O2的反应是一个可逆反应，反应速率很慢，在空气中漂尘的催化作用下，大大加快了反应速率，使大部分S02转化为S03，进而与水反应生成硫酸而形成酸雨。

8．C。据元素守恒原理可得以下关系式：

CO

～

C02

～

CaCO3

1mol

lmol

100g

O.04mol

0.04mol

4 g

此时，气体增加的质量为O.04mol16 g·mol1==O.64 g(即0.04mol氧原子的质量，也就是氧化物中氧元素的质量)，据质量守恒原理知，固体质量必定减少0.64 g，那么剩余固体的质量(即

1 铁粉的质量)为2.88 g－O.64 g=2.24 g，也就是说，原氧化物中含铁元素的物质的量为2.24g/56 g·mol1=O.04mol。因此，原氧化物中铁元素和氧元素的物质的量之比即Fe、0原子个数之比为0.04:0.04=1:1。

9．(1)蒸馏原理，即利用加热海水时，盐不挥发而留在残余物中，水蒸气经冷凝而得淡水

(2)HR

ROH

(3)若在A中装ROH，则海水先通过ROH，溶液中就会有较多的OH与海水中的M用心

爱心

专心

n生成9

M(OH)n沉淀，造成堵塞现象，而在A中装HR，在B中装ROH，海水通过A中生成的H与B中生成的OH中和，生成水而呈中性

10．解析：(1)混合气体进入反应管中，混合气体中的S02被I2吸收，剩余的气体为N2和02。量气管内增加水的体积即为N2和02的总体积。

(2)当反应管内蓝色消去，说明I2与SO2恰好反应，若继续通入气体，则未反应的SO2也会排入量气管中，使N2、02的体积增大，测得S02的含量降低。

(3)反应管中I2与淀粉的作用是吸收SO2，且恰好完全反应时溶液由蓝色变无色来指示反应的终点。其他一些能氧化SO2，且溶液有颜色变化的物质可代替I2和淀粉，如酸性KMn04溶液或溴水。

(4)因SO2+I2+2H2O==H2S04+2HI

n(SO2)=n(I2)=VV(SO2)= Vacl03a×103L×cmol·L1= Vacl03mol

mol×22400mL/mol=22.4cVamL

即S02的体积分数为：22.4cVa

×100％

22.4cVaVb

(5)由所给装置可知，反应管起密封容器的作用，因此，可用试管或广口瓶代替，而量取气体还可用测量气体所排出液体的体积确定，可用广口瓶、双孔塞、量筒代替量气管。其装置可以为:b、c、e、g或b、e、g或c、e、g。

答案：(1)N2、02

(2)偏低

(3)酸性高锰酸钾溶液或溴水

(4)V(S02)％=22.4cVa×100％

22.4cVaVb

2

(5)b、c、e、g或b、e、g或c、e、g

11 .(1)③

(2)甲烷②

(3)③氢气的输送和贮存

点拨：(2)天然气的主要成分是甲烷，若为平面正方形结构，则其二元取代物有两种同分异构体，而正四面体的二元取代不存在同分异构体；(3)电解水消耗大量的电能，锌和硫酸的反应也不适合工业大量生产，只有太阳光使海水光解才是最经济的方法。但用心

爱心

专心

10

氢气的密度小，沸点低，输送与贮存有一定的难度。

12．(1)5CO+I205I2+5C02

(2)1.75 mg·L1

点拨：(1)问中反应物、产生物均已知，根据化合价升降总值相等即可将其配平。

(2)问是多步反应的计算，首先根据氧化还原反应中电子守恒得出关系式：5CO～I2～22S203，然后代入数据进行计算。

用心

爱心

专心

11