第二节　资源综合利用　环境保护教学设计及课堂实录

第一节

开发利用金属矿物和海水资源

【目标导学】

1．以海水、金属矿物等自然资源的综合利用为例，了解化学方法在实现物质间转化中的作用。

2．认识化学在自然资源综合利用方面的重要价值。

知识点一

金属矿物的开发利用

[基础梳理] 一、金属在自然界的存在形态

二、金属的冶炼

1．冶炼原理

2．冶炼方法(用化学方程式表示)

三、金属资源的合理开发利用

1．原因：金属矿物资源有限，且金属冶炼常会消耗许多能量，也易造成环境污染。

2．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。

[牛刀小试] 1．连线。

金属

冶炼方法

(1)Na、Mg

A．热分解法

(2)Fe

B．高温还原法

(3)Hg、Ag

C．电解法

答案：(1)—C

(2)—B

(3)—A 2．下列说法不正确的是(

) A．自然界中不存在游离态的金属单质

B．金属活动性不同，冶炼方法也有所不同

C．地球上金属矿物资源是有限的，因此，应提高金属矿物的利用率

D．废旧金属的回收利用，有利于环境保护

解析：选A

自然界中的金属绝大多数以化合态形式存在，极少数金属如Au、Pt等以游离态存在，A错误；金属活动性不同，金属阳离子被还原的难易程度不同，冶炼方法不同，B正确；金属资源是有限的，既要提高金属矿物的利用率，又要回收利用废旧金属，C、D正确。

问题一

金属的冶炼

[讲重点] 1．金属的活泼性与金属的冶炼方法

少数不活泼的金属在自然界中以单质形式存在，如金、铂等。大部分金属以化合态形式存在于自然界，金属越不活泼，从其化合物中还原出来越容易，金属越活泼从其化合物中还原出来越困难。金属活泼性与冶炼方法的关系如表所示：

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

规律

电解法

K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H) Cu 强→弱

弱→强

热还原法

热分解法

物理方法

Hg Ag Pt Au 金属越活泼，其对应离子越难得电子，越难被还原成单质

2.热还原法冶炼金属的分类和优、缺点

(1)分类：

(2)优、缺点：

用氢气还原法冶炼金属，纯度高，但成本也高；用一氧化碳还原法和炭还原法冶炼金属，纯度低，冶炼成本也低；用铝热法可以冶炼熔点高、难冶炼的金属，成本较高。

[特别提醒]

(1)金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现和应用的时间就相对晚一些。

(2)同一种金属可能有不同的冶炼方法，如金属Cu可用热还原法、湿法冶炼等。

[举典例] 例题1

如表所示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

高温高温电解△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，应为火法炼铜。

[答案]

C

金属冶炼方法的选择

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。金属活动性越强，金属阳离子的氧化性越弱，用电解法；金属活动性越弱，金属阳离子的氧化性越强，用一般还原剂还原即可。

问题二

铝热反应

[讲重点] 1．铝热反应

(1)概念：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。

(2)原理：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。

(3)铝热剂：铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。

(4)反应特点：

①在高温下进行。

②反应迅速并放出大量的热。

③新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离。

2．铝热反应实验

实验操作

(1)镁带剧烈燃烧；

(2)铝热剂发生剧烈的反应；

(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，有熔融物落入沙子中

在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热

实验现象

实验结论

[特别提醒]

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，故只有活泼性比铝弱的金属才能利用铝热反应进行冶炼，如Mg等活动性强的金属不能用铝热法冶炼。

[举典例] 例题2

如图为铝热反应的实验装置，请回答有关问题：

(1)纸漏斗中铺在氧化铁和铝粉混合物上面的物质为________。

(2)引发该铝热反应的操作为_________________________________________。

(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________________________________________________________________________。

(4)铝热反应的用途有哪些(列举两条)?

_________________________，__________________________________。

[解析]

做铝热反应的实验时，要有引燃剂(镁带)、助燃剂(KClO3分解提供氧气)和反应物，反应物应该是铝粉与相对不活泼金属的氧化物。

[答案]

(1)氯酸钾(或KClO3) (2)在混合物中间插一根镁带，并用燃着的小木条点燃镁带

(3)不能

镁比铝活泼，铝不能置换镁

(4)用于焊接钢轨

冶炼某些熔点高的金属

铝热反应实验的注意事项

(1)镁带要打磨掉表面的氧化膜，否则难以点燃；氧化铁粉末与铝粉须干燥，铝粉不能被氧化，否则反应难以发生。

(2)氧化铁与铝粉要混合均匀，以保证氧化铁与铝都完全反应。

(3)内层纸漏斗要用水润湿，以防造成纸漏斗燃烧。

(4)盛接反应物的蒸发皿内要垫适量细沙，一是防止蒸发皿炸裂，二是防止熔融的液体溅出伤人。

题组一

金属的冶炼

1．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：选B

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较弱，D项正确。

2．下列关于金属冶炼的说法不正确的是(

) A．热分解法适用于制备不活泼金属

B．热还原法的常用还原剂是C、H2、CO、Al等

C．熔融电解法适用于制备不活泼金属

D．水溶液中置换法适用于较活泼金属制取不活泼金属

解析：选C

熔融电解法适用于制备活泼金属，热还原法适用于制备较活泼的金属，热分解法适用于制备不活泼金属。

3．下列化工生产原理错误的是(

) ①可以电解熔融的氯化钠来制取金属钠；②可以将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁；③用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝；④高炉炼铁的反应是放热的，故无需加热

A．②③

B．①③

C．①②③

D．②③④

解析：选D

钠特别活泼，投入MgCl2溶液中先与水反应生成NaOH和H2，接着生成Mg(OH)2沉淀，②错误；用电解法冶炼铝，使用的是Al2O3，③错误；高炉炼铁中所发生的

反应是放热反应，但是仍需要高温条件，④错误。

4．铁是地壳中含量很丰富的元素，也是生物体所必需的元素。自然界中的铁矿石主要有赤铁矿和磁铁矿，它们的主要成分都是铁的氧化物。金属铁是在高炉中冶炼的，高炉炼铁除了加入铁矿石外，还需加入焦炭和石灰石。请填空：

(1)试写出磁铁矿主要成分的化学式：________。

(2)写出赤铁矿被还原成铁的化学方程式：

________________________________________________________________________。

(3)试写出焦炭在高炉高温环境下参与反应，最终生成一种还原性气体的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

解析：Fe3O4具有磁性；赤铁矿的主要成分是Fe2O3；焦炭首先燃烧变成CO2，CO2再与C反应生成CO。

答案：(1)Fe3O4

(2)Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2(或Fe2O3＋3C=====2Fe＋3CO)

(3)C＋O2=====CO2，CO2＋C=====2CO 题组二

铝热反应及其应用

5．下列对铝热反应的说法错误的是(

) A．铝热剂中还原剂是铝粉

B．铝热剂是纯净物

C．铝与Fe2O3可组成铝热剂

D．铝热反应是放热反应

解析：选B

Al和Fe2O3可组成铝热剂，属于混合物，其中铝作还原剂，铝热反应是放热反应。

6．下列物质不能与铝发生铝热反应的是(

) A．FeO

B．Cr2O3

C．MgO

D．MnO2

解析：选C

Mg的活动性强于Al，Al不能与MgO反应置换出Mg。

(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、Fe、Cu——热还原法，Hg、Ag——热分解法。

(3)铝粉和Fe2O3(或Fe3O4、Cr2O3、V2O5、MnO2等)的混合物都称为铝热剂，在一定条件下都能发生铝热反应。

高温高温高温高温