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专题二十二

化学与自然资源的开发利用

考纲展示

命题探究

考点一

金属矿物和海水资源的开发利用

1

金属矿物的开发利用

(1)金属在自然界中的存在形态

除了金、铂等极少数金属外，绝大多数金属元素以化合态的形式存在于自然界。在这些金属化合物中，金属元素显正化合价。

(2)金属冶炼的步骤

步骤

矿石

富集

冶炼

精炼

矿等

利用氧化还原反应原理，在一定条件下用还原剂把金属从金属矿物中还原成金属单质

加入除杂试剂或电解精炼

(3)金属的冶炼方法

①热分解法(适用于Hg、Ag等不活泼金属) △△例如：2HgO=====2Hg＋O2↑，2Ag2O=====4Ag＋O2↑。

用热分解冶炼法冶炼金属的特点：金属元素的金属性弱，金属元素的原子不易失去电子，其金属离子容易得到电子，该金属元素所形成的化合物稳定性较差。

②热还原法(适用于Zn～Cu等中等活泼金属) 高考资源网版权所有，侵权必究！

一般方法或原理

目的

用成分的含量

得到粗金属单质(含少量杂质) 提炼得到纯金属

采矿、选矿、粉碎、筛矿、洗除去杂质、提高矿石中有

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a．焦炭还原法。例如：C还原ZnO、CuO，其化学方程式依次△△为C＋2ZnO=====2Zn＋CO2↑，C＋2CuO=====2Cu＋CO2↑。

b．一氧化碳还原法。例如：CO还原Fe2O3、CuO，其化学方△△程式依次为3CO＋Fe2O3=====2Fe＋3CO2，CO＋CuO=====Cu＋CO2。

c．氢气还原法。例如：H2还原WO3、Fe3O4，其化学方程式依△△次为3H2＋WO3=====W＋3H2O,4H2＋Fe3O4=====3Fe＋4H2O。

d．活泼金属还原法。例如：Al还原Cr2O3、V2O5，其化学方程高温高温式依次为2Al＋Cr2O3=====Al2O3＋2Cr,10Al＋3V2O5=====6V＋5Al2O3。

③电解法(适用于Al以前的活泼金属) 例如：Al2O3、MgCl2、NaCl的电解反应，其化学方程式依次为电解电解2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑，MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑，冰晶石电解2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑。

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(1)根据金属活动性顺序，金属冶炼的方法可大致归纳如下：

K

Ca

Na

Mg

AlZn

Fe

Sn

PbH

Cu

电解法热还原法Hg

AgPt

Au

热分解法物理提取法(2)不能用电解AlCl3和MgO的方法冶炼Al和Mg。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，熔融会消耗大量的能量，成本较高。

(4)合理开发和有效使用金属资源的途径

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①有效地使用金属产品、材料。

②提高金属矿物的利用率。

③加强金属资源的回收和再利用。

2

海水资源的开发利用

(1)海水水资源的开发利用

①海水的淡化：通过从海水中提取淡水或从海水中分离出盐分，可以达到淡化海水的目的。

②海水淡化的方法及原理

淡化方法

蒸馏法

原理

将海水加热蒸发汽化，然后冷凝水蒸气得到蒸馏水

利用阴、阳离子交换膜对水中阴离子、阳离子的选择透过电渗析法

性，在外加直流电场作用下，使水中的一部分离子转移入另一部分水中而达到除盐目的

离子交换用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂除去海水中的阳离法

子和阴离子，得到去离子水的方法

③海水蒸馏原理示意图

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(1)烧瓶中放入碎瓷片的目的是防止暴沸。

(2)冷却水下进上出，提高冷却效果。

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(2)化学资源的开发利用

①海水中镁的提取

CaO盐酸浓缩结晶海水――→Mg(OH)2――→MgCl2(溶液)――→过滤电解MgCl2·6H2O―→MgCl2――→Mg。

②海水中溴的提取

Cl2热空气或水蒸气SO2Cl2海水(酸化)――→Br2――→――→HBr――→Br2(液)。

吹出吸收③海带中提碘

灼烧加水后过滤Cl2CCl4－

海带――→海带灰――→含I的溶液――→I2――→I2的有萃取蒸馏机溶液――→I2。

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海水中存在大量的NaCl，可以通过蒸发的方法将NaCl从海水中分离出来。而含量较低的镁、溴、钾等必须经过化学反应才能得到。

1.思维辨析

(1)电解氯化镁溶液制取金属镁。(

) (2)用金属钠置换四氯化钛(TiCl4)溶液中的钛来制取单质钛。(

) (3)将MgO与铝粉混合发生铝热反应制备镁。(

) (4)蒸发海水制成饱和食盐水，将其电解可制得金属钠。(

) (5)海水中含有钾元素，只需要经过物理变化就可以得到钾单质。(

) (6)从海水中提取碘的过程中，涉及化合反应。(

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答案

(1)×

(2)×

(3)×

(4)×

(5)×

(6)×

2．仅通过物理方法就能从海水中获得的物质是

(

) A．钠、镁

C．食盐、淡水

答案

C 解析

钠、镁在海水中以化合态形式存在，获得钠、镁需要通过化学方法，A项错误；溴、碘在海水中以化合态形式存在，获得溴、碘需要通过化学方法，B项错误；食盐可利用海水晒盐获得，淡水可利用海水蒸发获得，均通过物理方法获得，C项正确；氯气、烧碱通过电解NaCl溶液获得，D项错误。

[考法综述]

此考点通常分为两部分，涉及海水资源的综合利用和以涉及金属的工业流程为载体，综合考查学生对各方面知识的灵活运用，学生在扎实掌握相关金属矿物及海水资源的基础知识之外，还需要善于分析工业流程图和信息，将两者结合解决问题。

命题法1

金属冶炼方法的选择

典例1

已知：

化合物

类型

熔点/℃

MgO 离子化合物

2800 Al2O3

离子化合物

2050 MgCl2

离子化合物

714 AlCl3

共价化合物

191 B．溴、碘

D．氯气、烧碱

工业制镁时，电解MgCl2而不电解MgO的原因是___________ __________________________________________________________；

制铝时，电解Al2O3而不电解AlCl3的原因是________________ _________________________________________________________。

[解析]

MgO的熔点高，加热时不易熔化；制铝时是不能电解AlCl3的，因AlCl3是共价化合物，熔融态难导电。

[答案]

MgO的熔点高，熔融时耗费更多能源，增加生产成本

AlCl3是共价化合物，熔融态难导电

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【解题法】

(1)选择金属冶炼的方法要依据金属在自然界中的存在形式和金属的活动性。越活泼的金属，冶炼难度越大。

(2)常见金属的冶炼原理

金属

冶炼原理

高温Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2(高炉炼铁) 高温Fe2O3＋2Al=====2Fe＋Al2O3(铝热法炼铁) 高温Cu2S＋O2=====2Cu＋SO2(火法炼铜) Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu(湿法炼铜) Mg Al Na

命题法2

从海水中提取镁的方法

典例2

从海水中提取镁，正确的方法是(

) NaOH电解A．海水――→Mg(OH)2――→Mg HCl电解B．海水――→MgCl2溶液―→MgCl2晶体――→Mg 石灰乳灼烧电解C．海水――→Mg(OH)2――→MgO――→Mg D．海水石灰乳――→Mg(OH)2HCl――→MgCl2溶电解MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑

电解2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑

冰晶石电解2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑

Fe Cu 电解液―→MgCl2·6H2O―→MgCl2(熔融)――→Mg [解析]

从海水中提取镁时，首先用石灰乳将海水中的Mg2＋沉淀出来，然后再用盐酸将其溶解得到MgCl2溶液，从MgCl2溶液中高考资源网版权所有，侵权必究！

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冷却结晶得到MgCl2·6H2O，在HCl气流中加热MgCl2·6H2O得到无水MgCl2，最后电解熔融MgCl2得到单质Mg。

[答案]

D 【解题法】

海水中提取镁的工艺流程及原理

(1)工艺流程

(2)主要过程及反应原理

高温①分解贝壳、制备Ca(OH)2：CaCO3=====CaO＋CO2↑；CaO＋H2O===Ca(OH)2。

②沉淀Mg2＋：Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓。

③制备MgCl2：Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O。

电解④制取Mg：MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑。

命题法3

从海带中提取碘的方法

典例3

从海带中提取碘的实验过程涉及下列操作，其中正确的是(

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[解析]

灼烧海带应用坩埚，A项错误；过滤时应用玻璃棒引流，B项错误；苯的密度比水的小，萃取了单质碘的苯在上层，应从分液漏斗的上口倒出，C项错误。

[答案]

D 【解题法】

提取碘的方法及原理

(1)工艺流程

(2)反应原理

海带中的碘元素主要以碘离子的形式存在，提取时用适当的氧化剂(H2O2)将其氧化成单质碘，再用有机溶剂将碘萃取出来，反应的离子方程式为2H＋＋2I－＋H2O2===I2＋2H2O。

命题法4

从海水中提取溴的方法

典例4

海水是巨大的资源宝库，在海水淡化及综合利用方面，天津市位居全国前列；从海水中提取食盐和溴的过程如下：

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(1)请列举海水淡化的两种方法：____________、____________。

(2)将NaCl溶液进行电解，在电解槽中可直接得到的产品有H2、________、________或H2、________。

(3)步骤Ⅰ中已获得Br2，步骤Ⅱ中又将Br2还原为Br－，其目的为____________________________。

(4)步骤Ⅱ用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可达95%，有关反应的离子方程式为____________________________，由此反应可知，除环境保护外，在工业生产中应解决的主要问题是__________________。

(5)某化学研究性学习小组为了解从工业溴中提纯溴的方法，查阅了有关资料：Br2的沸点为59 ℃，微溶于水，有毒性和强腐蚀性。他们参观生产过程后，绘制了如下装置简图：

请你参与分析讨论：

①图中仪器B的名称：____________。

②整套实验装置中仪器连接均不能用橡胶塞和橡胶管，其原因为________________________。

③实验装置气密性良好，要达到提纯溴的目的，操作中如何控制高考资源网版权所有，侵权必究！

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关键条件：_______________________________________________。

④C中液体产物颜色为________。为除去该产物中仍残留的少量Cl2，可向其中加入NaBr溶液，充分反应后，再进行的分离操作是____________________。

[解析]

(1)常规识记问题。

电解(2)根据2NaCl＋2H2O=====2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，以及Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O可得到答案。

(3)根据框图可知先前得到的溴浓度较低，这样做是使溴富集。

－－(4)Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋SO2反应产生大量的酸，4＋2Br，会腐蚀设备。

(5)只要掌握蒸馏的知识，此问应该不会出问题。

[答案]

(1)蒸馏法、电渗析法、离子交换法(任选两种，其他合理答案也可) (2)Cl2

NaOH

NaClO (3)富集溴元素

－－(4)Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋SO24＋2Br

强酸对设备的严重腐蚀

(5)①冷凝管

②溴腐蚀橡胶

③控制温度计b的温度，并收集59 ℃时的馏分

④深红棕色

分液(或蒸馏) 【解题法】

从海水中提取溴——空气吹出法

(1)工艺流程

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(2)主要过程及反应原理

①浓缩：海水晒盐和海水淡化的过程中副产物Br－得到浓缩。

②氧化：向浓缩的海水中通入Cl2，将Br－氧化为Br2，Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－。

③富集：利用溴的挥发性，通入热空气和水蒸气，吹出的溴蒸气用SO2吸收，Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4。

④氧化：利用Cl2将HBr氧化得到溴单质，2HBr＋Cl2===2HCl＋Br2。

1．海水开发利用的部分过程如图所示。下列说法错误的是(

)

A．向苦卤中通入Cl2是为了提取溴

B．粗盐可采用除杂和重结晶等过程提纯

C．工业生产中常选用NaOH作为沉淀剂

D．富集溴一般先用空气和水蒸气吹出单质溴，再用SO2将其还原吸收

答案

C 解析

工业上常采用Ca(OH)2作为沉淀剂，C选项错误。

2．(双选)金属冶炼与处理常涉及氧化还原反应。由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是(

) A．Fe2O3

C．Cu2S

答案

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B．NaCl D．Al2O3

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解析

非常活泼的金属，如Na、K、Mg、Al等，用电解的方法冶炼。

3．从海带中提取碘单质，成熟的工艺流程如下，下列关于海水制碘的说法，不正确的是

(

)

A．实验室在蒸发皿中灼烧干海带，并且用玻璃棒搅拌

B．在含I－的滤液中加入稀硫酸和双氧水后，碘元素发生氧化反应

C．在碘水中加入几滴淀粉溶液，溶液变蓝色

D．在碘水中加入CCl4得到I2的CCl4溶液，该操作为“萃取”

答案

A 解析

灼烧干海带应在坩埚中进行，而不应在蒸发皿中灼烧海带。

4．海洋中有丰富的食品、矿产、能源、药物和水产资源等(如图)，下列有关说法正确的是(

)

－2＋2＋3＋A．第①步中除去粗盐中的SO2、Ca、Mg、Fe等杂质，4加入的药品顺序为Na2CO3溶液→NaOH溶液→BaCl2溶液→过滤后加盐酸

B．加热蒸干氯化镁溶液获得氯化镁固体，通过电解熔融氯化镁冶炼金属镁

C．从第③步到第⑤步的目的是富集溴

D．在第③、④、⑤步中溴元素均被氧化

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答案

C 解析

粗盐提纯时，Na2CO3溶液要在加入BaCl2溶液之后加入，这样可以除掉溶液中过量的Ba2＋，A选项错误；因为氯化镁为强酸弱碱盐，加热氯化镁溶液时，Mg2＋发生水解，HCl易挥发，蒸干后得不到氯化镁固体，需在HCl环境下加热蒸干，B选项错误；第④步反应为SO2＋Br2＋2H2O===2HBr＋H2SO4，溴元素被还原，D选项错误。

5．将海水淡化与浓海水资源化结合起来是综合利用海水的重要途径之一。一般是先将海水淡化获得淡水，再从剩余的浓海水中通过一系列工艺流程提取其他产品。

回答下列问题：

(1)下列改进和优化海水综合利用工艺的设想和做法可行的是________(填序号)。

①用混凝法获取淡水

②提高部分产品的质量

③优化提取产品的品种

④改进钾、溴、镁等的提取工艺

(2)采用“空气吹出法”从浓海水中吹出Br2，并用纯碱吸收。碱吸收溴的主要反应是Br2＋Na2CO3＋H2O―→NaBr＋NaBrO3＋NaHCO3，吸收1 mol Br2时，转移的电子为________mol。

(3)海水提镁的一段工艺流程如下图：

浓海水的主要成分如下：

离子

Na＋

Mg2＋

Cl－

－SO24

浓度/(g·L－1) 63.7 28.8 144.6 46.4 该工艺过程中，脱硫阶段主要反应的离子方程式为________，产高考资源网版权所有，侵权必究！

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品2的化学式为________，1 L浓海水最多可得到产品2的质量为________g。

(4)采用石墨阳极、不锈钢阴极电解熔融的氯化镁，发生反应的化学方程式为________；电解时，若有少量水存在会造成产品镁的消耗，写出有关反应的化学方程式______________________。

答案

(1)②③④

(2)5/3

(3)Ca2＋＋SO2－4===CaSO4↓

电解高温Mg(OH)2

69.6

(4)MgCl2=====Mg＋Cl2↑

Mg＋2H2O=====Mg(OH)2＋H2↑

解析

(1)海水中主要含有NaCl等盐，用混凝法不能除去NaCl，错误。

(2)由方程式可知，Br2既是氧化剂又是还原剂，根据得失电子守恒知，吸收1 mol Br2转移5/3 mol电子。

(3)由题给海水的主要成分，脱硫就是除掉硫酸根离子，发生反－应：Ca2＋＋SO24===CaSO4↓；由框图信息知，产品2为Mg(OH)2; 1 L浓海水中含有Mg2＋

28.8 g，物质的量为1.2 mol，则最多生成Mg(OH)2 1.2 mol，质量为1.2 mol×58 g·mol－1＝69.6 g。

(4)电解熔融氯化镁生成氯气和单质镁，若有水存在，则高温下镁与水反应。

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