新秀杯.金属矿物的开发和利用

第一节开发利用金属矿物和海水资源------金属矿物的开发和利用教学目标：1、知识与技能在学生已有的知识基础之上，通过讨论和实验探究，总结出一般金属常用的冶炼方法，培养和提高学生的实验能力、观察能力和对实验现象的解析能力2、过程与方法通过揭示问题，讨论释疑，动手实验，让学生学习对比和推断等多种科学探究方法3、情感态度与价值观让学生体验科学探究的乐趣，认识化学和人类生活是密切联系的，激发学生学习化学的积极性教学重点：铝热反应，利用金属活动性顺序表来说明一般金属的冶炼方法教学难点：利用金属活动性顺序表来说明一般金属的冶炼方法教学设计：[教师]我们都知道，金属及其合金在我们的生产、生活中有着极为广泛的应用。比如说在航空工业以及造船工业上常会用到钛以及钛的合金来制造外壳和反应器；我们的手机、电脑中用的电池通常都是锂电池；金属还可以制成艺术品，我们所熟悉的青铜器“司母戊鼎”就是一件名贵的金属制品。可以说，金属的确和我们的生活密切相关。那么金属在自然界中又是以何种形态存在的呢？（参照书本P80）[学生]除了Pt、Au等极少数金属以单质的形式存在外，绝大多数的金属都是以化合物的形式存在于自然界中。[教师]非常好！金属元素在这些化合物中化合价怎样？（都是正价）而我们日常生活当中所用到的金属材料往往都是纯金属或者它们的合金，那我们又怎样得到这些金属单质呢？像Pt、Au这样的金属我们通过物理方法就可以得到，“沙里淘金”也就是这个意思了。像那些以化合态存在的金属，工业上又如何得到呢？简单的物理方法已经不行了，只有采用化学方法把化合态金属转变为游离态。这样的方法工业上称之为“金属的冶炼”。那请同学们想一想，金属冶炼的本质是什么？（可以适当提醒学生从氧化还原、得失电子角度分析）[学生]应该是金属阳离子得到电子变成金属单质，发生了还原反应。[教师]很好！揭露了金属冶炼的本质。[板书]一、金属矿物的开发和利用1、金属冶炼的原理：Mn++ne-→M[教师]那就请同学们来回忆一下，在以往的学习过程中，你都学过哪些金属可以由化合态变为游离态的方法？同学之间可以互相讨论讨论。（学生活动：热烈讨论，并将讨论结果写在黑板上，可以任意补充）（学生可能举出的例子有a、用C、CO、H2还原CuO；b、用C、CO、H2还原Fe2O3；c、用Fe还原CuSO4）（教学内容可能分几种可能：）①如果没有说出热分解方法的，则将这些反应分成两类：一类是a，全部是在加热或高温条件下，加入了某些还原剂，使得金属从其氧化物中被还原出来；一类是b，是在常温下的两种金属之间发生的置换反应，活泼性强的金属充当了还原剂。那我就想问问同学们，是不是所有的金属在制备过程中都需要加入某些还原剂呢？有没有学过不需要使用还原剂，金属氧化物自身就能发生分解的？②说出热分解方法的（ⅰ）CuO：从我们已有的知识可以知道，Cu和O2在加热或点燃条件下会生成CuO，那么在强热条件下CuO能否分解生成Cu呢？（学生思考）这是不会发生的，因为Cu2+离子的氧化性比较弱，没有能力从稳定的O2-离子中夺取电子而变成Cu。科学家也证实，CuO在高温条件下的确会分解，但产物是Cu2O和O2，不可能得到Cu单质。所以说这种方法是行不通的。那是不是所有的金属氧化物都不能用加热的方法来得到金属单质呢？（ⅱ）HgO：非常好！说明同学们对以往的知识掌握的还是很牢固的。那这个反应在什么地方碰到过呢？[学生]拉瓦锡验证空气组成实验[教师]拉瓦锡验证空气组成实验就是先使Hg和O2反应生成HgO，然后再对HgO加强热使之分解生成Hg和O2，那同学们能否自己写出这个化学反应方程式呢？（没说出热反应的）[教师]像这样一种在加热条件下使得某些金属化合物分解得到金属单质的方法，工业上称之为“热分解法”[板书]2.金属冶炼的方法①热分解法[教师]刚才分类a这种类型是我们所熟悉的一类反应，都是在加热或高温条件下使用还原剂使得金属从其化合物中被还原出来。这样一种方法工业上称之为“热还原法”，热还原法也是一种氧化还原方法。[板书]②热还原法[教师]显然，热还原法常用的还原剂有哪些？（C、CO、H2）这种方法适用于多数金属的冶炼，因为工业上大多数金属的冶炼都是在高温下发生的氧化还原反应。好的，除了这三种常见的还原剂可以将金属还原出来，我们还学过一类重要的物质也可以用来做还原剂，是什么？（如果学生有困难，提醒，金属）金属本身就是一种和好的还原剂。那我们就想，金属在高温条件下能否将其它某些金属从其化合物中还原出来呢？我们来探究一下Al和Fe2O3的实验。[演示实验]将事先称好的5gFe2O3粉末与2gAl粉混合均匀，用磁铁检验并无明显现象；将混合物倒入事先用水润湿的纸漏斗中，并在混合物上方加少量KClO3固体，漏斗下方放一盛沙的蒸发皿；然后将Mg条打磨光亮，点燃后插入混合物中，仔细观察实验现象。）[学生]反应非常剧烈，放出大量热，并发出耀眼的光芒，同时发现纸漏斗下部有熔融物掉入沙中。[教师]观察很仔细。那同学们猜测一下，到底发生了怎样的反应？[学生]Fe2O3+2Al==2Fe+Al2O3[教师]那我们来检验一下是不是Fe呢？（用磁铁再次吸引，结果发现能将熔融物吸起）说明反应后的确是生成了Fe。那么在这个反应中，氧化剂和还原剂分别是什么？[学生]氧化剂是Fe2O3，还原剂是Al[教师]很好，这个反应中，Al是还原剂，将电子转移给Fe，Fe得电子发生了还原反应变成了金属单质。像这样一种“某些金属氧化物与金属铝在高温下发生氧化还原反应，生成Al2O3和新的金属单质，并且放出大量热的反应”，工业上称之为“铝热反应”，而“某些金属氧化物与铝的混合物”被称之为“铝热剂”。那Al为什么可以发生“铝热反应”呢？两个原因：第一、Al比较活泼，Al的金属活动性要比所需制得的金属的金属活动性要强；第二、同质量的Al和其它活泼金属相比较，反应时放出更多的热量，足以将其它金属熔融并和渣分离。鉴于此，“铝热反应”在实际生产中有着广泛的应用，可以用来冶炼一些熔点高，密度大的金属，如Cr、Mn等。它还可以进行野外铁轨的焊接，比电焊来得更加方便。那我们是否可以总结一下热还原法常用的还原剂有哪些？[学生]C、CO、H2、某些活泼金属如Al[教师]我们现在是不是可以总结一下一些常见金属的冶炼方法呢？对于具体的某种金属而言，我们如何判断该用什么方法？这又和什么有关呢？[学生]和金属活动性有关联[教师]好，就请同学们比较一下金属的活动性，看看这些金属该用什么样的冶炼方法。在这张表上，热分解法一般适用于哪些金属？[学生]不活泼金属，如Hg和Ag[教师]Hg和Ag是不活泼金属，在反应时很难失去电子，所以对于它们的阳离子而言，就很容易得到电子，加热分解就能得到它们的单质，它们都可以采用热分解法来冶炼。那么Cu能用这种方法吗？前面已经解释过了，不能，而且热分解法对于Cu以及Cu前面的金属都不适用，从Cu开始就必须得使用热还原法。热还原法常用的还原剂有C、CO、H2、某些活泼金属如Al。像“铝热反应”这种热还原法是在高温条件下两种金属之间的置换反应，活泼金属置换不活泼金属。那么金属之间的置换能否在溶液中进行呢？是不是所有活泼金属都能将不活泼金属从其盐溶液中置换出来呢？[分组实验]分别使用金属Na和Fe丝与CuSO4溶液反应,对比两个实验现象。[教师]选用Fe丝，伸入溶液中片刻以后,拿出来,则可以看到Fe丝表面有一层红色的Cu，所发生的反应我们一点都不陌生（学生：湿法冶炼）恩！古人就有“曾青得铁则化为铜”的说法，“曾青”指的就是铜的化合物，这种方法是我国古代劳动人民智慧的结晶，也是现代冶金工业的先驱。[板书]CuSO4+Fe=FeSO4+Cu（湿法冶炼）[教师]而选用金属Na,没有看到红色的Cu单质生成,而是看到了蓝色絮状沉淀，这又该如何解释呢？[学生]2Na+2H2O=2NaOH+H2↑2NaOH+CuSO4=Cu(OH)2↓+Na2SO4[教师]我们可以看出来，要发生金属间的置换反应，所选用的金属必须要比金属化合物中的金属活泼，但是太活泼的金属也不行，不会和金属化合物发生置换反应而是和水反应。经过科学家的反复实验，得出结论：从Zn到Cu的金属的冶炼一般采用热还原法。对于Al以及Al前面的金属，还能用普通的方法来冶炼吗？比如说冶炼金属Na，热分解法行吗？我们知道，在空气中，Na很容易和O2发生反应生成稳定的Na2O2，热分解法显然不行；热还原法呢？Na本身就是一种还原性很强的金属，要找到比它更强的还原剂很不容易，即使有的话，成本也非常高，不适合大规模的冶炼；湿法冶炼呢？更不行，因为反应是在水溶液中进行，即使能制得Na，Na也会和水进一步发生反应。所以活泼金属的冶炼通常采用电解法。[板书]③电解法[教师]所谓电解法，指的就是在电流作用下,消耗电能，强迫金属阳离子得到电子而变成金属单质.因为是初次碰到，我们就简单介绍一下工业上是如何冶炼金属Na和金属Al的：都是在熔融状态下电解它们的盐。[板书]2NaCl（熔融）==2Na+Cl2↑2Al2O3（熔融）==4Al+3O2↑[教师]我们已经学习了三种冶炼的方法即热分解法、热还原法和电解法，从实现的难易程度来看，方法是越来越难，冶炼的金属也越来越活泼。后面的方法不适合前面金属的冶炼，但前面的方法能不能用于后面金属的冶炼呢？[学生]可以。但一般不会采用，因为冶炼的方法要越简单越好。[教师]非常好！我们来做几个练习巩固一下。[练习]1．下列关于金属冶炼的说法不正确的是（）A.金属冶炼是指用化学的方法将金属由化合态变为游离态B.天然矿藏很少只含有一种金属元素，往往含有较多杂质C.金属的冶炼方法主要有热分解法,热还原法和电解法三种方法D.金属冶炼一定要用到还原剂2．铝能冶炼某些熔点高,硬度大的金属是因为铝()A.具有导电性和导热性B.具有还原性,且生成氧化铝时放出大量热C.在空气中燃烧,发出耀眼的白光D.是一种金属,且密度小,熔点较低3．工业上冶炼金属通常有四种方法:①热分解法②热还原法③湿法冶金④电解法.请判断,工业上对下列金属常采用什么方法进行冶炼?Na＿Ag＿W＿Fe＿Cu＿4．实验室欲使1.6gFe2O3完全被还原，事先应准备的CO气体在标准状况下的体积为（）A.672mlB.336mlC.大于672mlD.小于336ml[参考答案]1.D2.B3.④,①,②,②,②③④4.C[教师]最后还想谈一谈在实际工业冶炼中所存在的一些问题。地球上的矿产资源是极为有限的，这就意味着我们不能大肆开采，而且在冶炼的同时会产生大量的副产品，如果不加以综合利用而任意排放，不仅是对资源的浪费，更会对环境造成污染。这一系列的问题该如何解决？（思考）我们说要合理利用金属资源，比如可以改进工艺条件，回收废旧金属制品等。废旧的汽车，废旧的易拉罐如果能充分回收利用，不仅可以减少污染，促进资源的循环使用，而且可以缓解资源短缺的矛盾，这对像我们这种发展中国家而言，是有百利而无一害的，要大力提倡。所以，今天的课后作业就是：[作业]通过查阅各种资料以及上网等途径，写一篇小文章，谈谈如何为能源的节约和环境保护作出自己的贡献。