第二节　资源综合利用　环境保护优秀教案

第一课时

金属矿物的开发利用

1．金属冶炼的实质是金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质。

2．常见金属的冶炼方法：

K、Ca、Na、Mg、Al―→电解法，

Zn～Cu―→热还原法，

Hg、Ag―→热分解法。

3．必记七反应：

①2HgO=====2Hg＋O2↑，

②2Ag2O=====4Ag＋O2↑，

③MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑，

④2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑，

冰晶石⑤2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑，

⑥Fe2O3＋2Al=====2Fe＋Al2O3(铝热法炼铁)，

⑦Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2(高炉炼铁)。

[自学教材·填要点] 1．金属元素的存在形式

(1)金、铂等极少数金属以游离态形式存在。

(2)绝大多数金属元素以化合态的形式存在。

2．金属冶炼的原理

利用金属活泼性的不同，采用不同的方法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。

3．金属的冶炼方法(写出反应的化学方程式) (1)热分解法：

适用于不活泼金属的冶炼。

①加热分解HgO：2HgO=====2Hg＋O2↑；

②加热分解Ag2O：2Ag2O=====4Ag＋O2↑。

△△高温高温电解电解电解加热加热

(2)电解法：

适用于活泼金属的冶炼。

①冶炼金属钠：2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl2↑；

②冶炼金属镁：MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑；

③冶炼金属铝：2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑。

冰晶石电解电解电解(3)高温还原法：

适用于大多数中等活泼金属的冶炼，常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气等。

①高炉炼铁：Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2；

②铝热反应炼铁：2Al＋Fe2O3=====Al2O3＋2Fe；

③用氢气还原氧化铜：CuO＋H2=====Cu＋H2O。

(4)其他方法：

①湿法炼铜：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu；

②火法炼铜：Cu2S＋O2=====2Cu＋SO2。

4．有效利用金属资源的途径

(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。

[师生互动·解疑难] (1)金属冶炼方法与金属活动性顺序的关系：

K Ca Na Mg Al Zn Fe Cr Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au

|←

电解法

→|热还原法―→|←热分解法→|←其他方法→| (2)热还原法的分类：

高温△高温高温

(3)热还原法的优缺点：

①用H2作还原剂时，生成产物H2O在高温下以水蒸气的形式蒸发出去，使制得的金属纯度较高，但成本也较高。

②用CO作还原剂冶炼金属时，CO一般在冶炼炉中通过下列反应生成：C＋O2=====CO2，CO2＋C=====2CO，所以用CO还原法冶炼得到的金属中混有杂质C，纯度不高。

③用C作还原剂冶炼得到的金属往往混有焦炭和含碳化物，得不到纯度较高的金属。

高温高温

④用铝热反应冶炼金属，克服了被冶炼金属及其氧化物熔点高、难冶炼的问题，但是成本较高。

1．用“短线”将下列金属与冶炼方法连接起来。

金属

冶炼方法

①Na、Al

A．热分解法

②Fe

③Cu

④Hg、Ag 答案：①－C，②－B，③－B，④－A 第一节

开发利用金属矿物和海水资源

第四章

化学与自然资源的开发利用

1.

实验探究

B．高温还原法

C．电解法

实验操作

(1)镁条剧烈燃烧

实验现象

(2)氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应

(3)反应放出大量的热，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

化学方程式

2．铝热反应

概念

原理

铝热剂

引发操作

反应特点

应用

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，金属氧化物作氧化剂，用铝将金属氧化物中的金属置换出来

铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物

在铝热剂上放KClO3，插入镁条并将镁条点燃

在高温下进行，迅速反应并放出大量的热，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

在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热

2Al＋Fe2O3=====Al2O3＋2Fe 高温

3．注意事项

(1)铝热反应实验中，镁条为引燃物质，KClO3为助燃物质。

(2)镁条要打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃。

(3)氧化铁粉末要干燥，铝粉要没有被氧化，否则难以反应。

(4)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湿，以防高温物质从四周溅出。

(5)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。

2．判断下列描述的正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)铝热剂中的氧化剂是铝粉。

(2)铝热剂是纯净物。

(

) (

) (

) (3)铝热反应是放热反应。

(4)氧化镁与铝粉混合在一定条件下能发生铝热反应制得Mg。

(

) 答案：(1)×

(2)×

(3)√

(4)×

[例1]

下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是(

) 选项

A B C D 冶炼原理

2HgO=====2Hg＋O2↑

2Al2O3(熔融)=====4Al＋3O2↑

冰晶石Cu2S＋O2=====2Cu＋SO2

Fe2O3＋2Al=====2Fe＋Al2O3

高温高温通电△方法

热分解法

电解法

热分解法

热还原法

[解析]

活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼，中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用热还原法冶炼，不活泼金属Hg、Ag利用热分解法冶炼，故A、B、D正确。C错误，C项为火法炼铜。

[答案]

C

(1)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。

(2)同一种金属可能有不同的冶炼方法，可根据原料、生产设备、金属的用途等来确定，如金属Cu可用热还原法、湿法冶炼、火法冶炼。

工业上冶炼镁、铝为什么不用电解熔融

MgO和AlCl3的方法？

提示：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MgO和AlCl3。

[例2]

如图所示，把5 g干燥的氧化铁粉末和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。

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____________是氧化剂，__________是还原剂，该反应称为__________反应。

(2)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：__________。

[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)铝热反应实验中①为使熔融物易落下通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；②为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛放沙子；③反应中镁条引起氯酸钾分解；④氯酸钾促进镁条燃烧，引发铝热反应。

[答案](1)Fe2O3＋2Al=====Al2O3＋2Fe

Fe2O3

Al

铝热

(2)使熔融物易于落下

防止溅落物炸裂蒸发皿

引起氯酸钾分解

促进镁条燃烧，引发铝热反应

铝热反应是利用铝的强还原性，在高温下将相对不活泼的金属从其金属氧化物中还原出来，因此，只有活泼性比Al差的金属才能利用铝热反应进行冶炼，如Mg等活泼性强的金属是不能用铝热反应来冶炼的。

下列金属中：①铁；②镁；③锰；④钒；⑤铬；⑥汞。可用铝热法制备的有(

) A．①②④⑥

C．①③④⑤

B．①②③⑤

D．①②③④⑤⑥

高温高温解析：在金属活动性顺序中，锰到铜之间的金属一般用热还原法冶炼，也可用铝热法冶炼。

答案：C

[随堂基础巩固] 1．从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。下图表示了3种金属被人类开发利用的大致年限。这3种金属的应用之所以有先后，主要取决于(

)

A．金属的导电性强弱

B．金属在地壳中的含量多少

C．金属的化合价高低

D．金属的活动性大小

解析：金属活动性顺序中，越靠后的金属出现的年代越早，越靠前的金属出现的越晚，说明金属越活泼，越难冶炼。

答案：D 2．我国古代曾用火烧孔雀石和焦炭混合物的方法炼铜，孔雀石的主要成分是Cu2(OH)2CO3，其冶炼方法是(

) A．焦炭还原法

C．铝热还原法

B．湿法炼铜

D．电解冶炼法

解析：火烧孔雀石和焦炭混合物发生的反应为：

Cu2(OH)2CO3=====2CuO＋H2O＋CO2↑

2CuO＋C=====2Cu＋CO2↑，属于焦炭还原法。

答案：A 3．下列各组物质中，均能使Fe2O3还原成单质铁的是(

) A．CO、O2、H2

B．CO、CO2、C D．Al、C、H2

△△C．CO2、H2O、O2

解析：Fe是化学性质较活泼的金属，用强还原剂(如Al、C、H2、CO等)在一定条件下都能把铁从其氧化物中还原出来。

答案：D 4．下列关于铝热反应2Al＋Fe2O3=====Al2O3＋2Fe的说法不正确的是(

) ．A．该反应中Al作还原剂

B．该反应中氧化产物与还原产物的物质的量比为1∶2 C．该反应中冶炼1 mol Fe转移2 mol电子

高温

D．该反应可用于焊接钢轨

解析：由题中化学方程式可知，反应中Fe元素的化合价由＋3价降为0价，则冶炼1 mol Fe应转移3 mol电子。

答案：C 5．下图是一氧化碳还原铁的氧化物的实验装置，请回答下列问题：

(1)判断硬质玻璃管中已开始发生反应的现象是________________________________ ________________________________________________________________________；

反应过程中产生的现象是__________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)在A处点燃可见淡蓝色火焰的原因是______________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)实验结束时正确的操作是________。

①先停止通入CO ②先熄灭酒精灯，并继续通入CO ③熄灭酒精灯，同时停止通入CO ④先熄灭酒精灯，继续通入CO，并点燃排出的CO气体

解析：(1)硬质玻璃管中发生反应：3CO＋Fe2O3=====2Fe＋3CO2，故硬质玻璃管中红棕色固体变黑。

(2)CO有毒，污染环境，应在A处点燃。

(3)实验过程中若先停止通CO，则生成的铁可能被氧化，而且可能发生倒吸现象，故应先熄灭酒精灯，继续通CO至玻璃管冷却。

答案：(1)B中澄清石灰水变浑浊

玻璃管里的粉末由红棕色逐渐变黑，B中澄清石灰水变浑浊

(2)从A导管逸出的尾气中有未反应的CO，而CO燃烧时，火焰呈淡蓝色

(3)④

[课时跟踪训练] 一、选择题(本题包括7小题，每小题3分，共21分) 1．下列化学反应在冶金工业中没有得到广泛应用的是(

) A．MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑

B．Al2O3＋3C=====2Al＋3CO↑

C．Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2

高温2 125℃电解高温

D．2Ag2O=====4Ag＋O2↑

解析：Mg、Al很活泼，应用电解法冶炼，A正确，B错误；铁属于较活泼的金属，可用热还原法，C正确；较不活泼的Ag可用热分解法，D正确。

答案：B 2．下列说法中，不正确的是(

) ．A．金属的冶炼，就是利用氧化还原反应原理，在一定条件下将金属从其化合物中还原出来

B．冶炼金属时，必须加入一种物质作为还原剂

C．金属由化合态变为游离态，都是被还原

D．金属单质被发现和应用得越早，其活动性一般越弱

解析：金属的冶炼是将金属化合物转化为金属单质，A项正确；有的金属化合物在发生氧化还原反应冶炼金属的时候，自身既作氧化剂又作还原剂，不需要另加还原剂，如HgO，B项错误；金属元素在化合物中一定显正价，当变成金属单质后，化合价就变为0，所以是被还原，C项正确；金属被发现和应用得早，说明该金属容易被还原，从而也说明这些金属的活动性一般是较弱的，D项正确。

答案：B 3．[双选题]下列说法中正确的是(

) A．有些活泼金属如铝可作高温还原法的还原剂

B．用电解NaCl溶液的方法来冶炼金属钠

C．可用焦炭或一氧化碳还原氧化镁的方法来冶炼镁

D．回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物

解析：铝可以作还原剂，冶炼一些高熔点的金属，如Fe、Cr、Mn等；电解NaCl溶液不能得到金属钠，金属钠应该用电解熔融NaCl的方法制取；镁是活泼金属，很难用还原剂把它还原出来；回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物。

答案：AD 4．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属锂能释放出更多的电子，故常用来制造高能量电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是(

) A．电解法

C．热分解法

B．热还原法

D．铝热法

△解析：锂的金属性介于钠、镁之间，应该与Na、Mg的冶炼方法相同。

答案：A 5．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：得到选项中的1 mol金属时转移电子的物质的量越少，则消耗Al越少，从1 mol CuO中获得1 mol Cu，只转移2 mol电子，耗Al量最少。

答案：D 6．[双选题]赤铜矿的主要成分是氧化亚铜(Cu2O)，辉铜矿的主要成分是硫化亚铜(Cu2S)，将赤铜矿与辉铜矿混合加热有如下反应：Cu2S＋2Cu2O=====6Cu＋SO2↑。下列对于该反应的说法中，正确的是(

) A．该反应中的氧化剂只有Cu2O B．Cu2S在反应中既是氧化剂又是还原剂

C．Cu既是氧化产物又是还原产物

D．氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶6 解析：该反应分析如下：Cu2S既是氧化剂又是还原剂，Cu2O是氧化剂；Cu是还原产物，SO2是氧化产物。

答案：BD 7．[双选题]实验室将9 g铝粉跟一定量的金属氧化物粉末混合形成铝热剂。发生铝热反应之后，所得固体中含金属单质为18 g，则该氧化物粉末可能是(

) A．Fe2O3和MnO2

C．Cr2O3和V2O5

B．MnO2和V2O5

D．Fe3O4和FeO △解析：9 g铝粉可以提供1 mol电子，则氧化物中的金属元素每得到1 mol电子对应的质量就应该是18 g。三价Fe得到1 mol电子对应的质量为18.7 g，四价Mn得到1 mol电子对应的质量为13.8 g，故A对。五价V得到1 mol电子对应的质量为10.2 g，三价Cr得到1 mol电子对应的质量为17.3 g，B、C两项即使9 g铝粉全部反应，所得金属单质的质量也不到18 g，故都错。Fe3O4中的铁元素得到1 mol电子对应的质量为21 g，二价Fe得到1 mol电子对应的质量为28 g，当铝粉有剩余时，D对。

答案：AD 二、非选择题(本题包括4小题，共39分) 8．(6分)冶炼金属常用以下几种方法：

①以C、CO或H2做还原剂的热还原性

②利用铝热反应原理还原的铝热法

③电解法

④热分解法

下列金属各采用哪种方法还原最佳(用序号填写下列空白)：

(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________。

解析：非常活泼的金属，如Na、Mg、Al用电解法冶炼，不活泼的金属，如Hg、Ag用热分解法冶炼，较活泼的金属，如Fe、Zn、Cu用热还原法冶炼，难熔金属如V、Cr、Mn、W等用铝热反应冶炼。

答案：(1)①

(2)③

(3)④

(4)②

9．(14分)Ⅰ.下图为铝热反应的实验装置，请回答下列问题：

(1)纸漏斗中铺在氧化铁和铝粉的混合物上面的物质是____________。

(2)引发铝热反应的操作为____________。

(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

________________________________________________________________________。

Ⅱ.铝热剂并不单指Fe2O3与铝粉的混合物，实际上铝粉可以与许多金属氧化物配成铝热剂。如铝粉与Fe3O4、V2O5、MnO2等均可发生铝热反应。

(1)写出上述铝热反应的化学方程式：

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________；

③________________________________________________________________________。

(2)据上述反应可总结出铝热反应的特点：①铝热反应实际上属于四大基本反应类型中的________，其中铝表现了其________性，作________剂；②铝热反应常用于冶炼金属性比铝________(填“强”或“弱”)的金属。

解析：铝热反应的实质是在较高温度下，用较活泼的还原剂铝，把活泼性相对较弱的金属从其氧化物中还原出来。

答案：Ⅰ.(1)氯酸钾(或KClO3) (2)在混合物中间插一根镁条，并用小木条点燃镁条

(3)不能

镁比铝活泼，铝不能置换镁

Ⅱ.(1)①8Al＋3Fe3O4=====4Al2O3＋9Fe ②10Al＋3V2O5=====5Al2O3＋6V ③4Al＋3MnO2=====2Al2O3＋3Mn (2)①置换反应

还原

还原

②弱

10．(9分)钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注。常温下，钛不和非金属、强酸反应；红热时，却可与常见的非金属单质反应。钛是航空、军工、电力等方面的必需原高温高温高温

料。地壳中含钛矿石之一称金红石(TiO2)，目前大规模生产钛的方法是：

第一步：金红石、炭粉混合，在高温条件下通入Cl2制得TiCl4和一种可燃性气体，该反应的化学方程式是_________________________________________________________ ________________________________________________________________________，

该反应的还原剂是_________________________________________________________。

第二步：在氩气的气氛中，用过量的镁在加热条件下与TiCl4反应制得金属钛。

(1)此反应的化学方程式是_________________________________________________。

(2)简述由上述所得产物中获取金属钛的步骤__________________________________ ________________________________________________________________________。

解析：TiO2(金红石)与炭粉及Cl2在高温下反应生成TiCl4及可燃性气体，由元素守恒判断该可燃性气体为CO；TiCl4与镁在加热条件下可以制得钛，反应的化学方程式为TiCl4＋2Mg=====2MgCl2＋Ti。由于加入的Mg过量故得到的是Mg和Ti的混合物，根据信息，Ti与强酸(如盐酸)不反应，而Mg与盐酸反应，故可用盐酸除去Ti中的Mg。

答案：第一步：TiO2＋2C＋2Cl2=====TiCl4＋2CO

炭粉

第二步：(1)TiCl4＋2Mg=====Ti＋2MgCl2

(2)加入足量盐酸，除去过量金属镁，过滤，并用蒸馏水洗涤固体得金属钛

11．(10分)在某次探究性学习中，老师要求同学们在实验室中用氧化铜、稀硫酸和铁来制取纯净的铜，并用所制得的铜进行一系列的探究性实验。

甲、乙两位同学分别设计了如下两个制取铜的实验方案。

甲：①CuO溶于适量稀硫酸中；

②在①的溶液中加入稍过量的铁，充分反应后，过滤、烘干，即得纯净的铜。

乙：①铁与稀硫酸反应得氢气；

②用氢气还原氧化铜，充分反应后即得纯净的铜。

(1)若两位同学消耗的稀硫酸和铁的量分别相同，请判断他们所制得铜的质量大小关系(填选项的标号)(

) A．相同

C．乙多

B．甲多

D．以上三种情况均有可能

△高温△(2)丙同学认为上述两种方案都难以保证所制的铜的纯度，应对上述两种方案加以完善。甲同学的方案不完善的原因是________________________，完善乙同学的方案的一种方法是将所得的铜粉放入烧杯中，加入________，不断搅拌，然后________即得到纯净的铜。

解析：(1)在用氢气还原氧化铜的反应中，应先通入H2，赶走空气，然后才能加热，并且反应结束后应先撤去酒精灯，再停止通入H2，因此所制得的H2并没有全部参与CuO的还原，故生成的铜少。

(2)甲方案中铁过量，并且过滤后没有洗涤，产物中混有铁粉也可能混有FeSO4；而乙方案中可能混有CuO，应加入稀硫酸除去CuO。

答案：(1)B

(2)甲同学的方案产物中可能混有铁并且没有洗涤

过量稀硫酸

过滤、洗涤、烘干