开发利用金属矿物和海水资源(主)概要

化学与自然资源的开发利用第四章知识内容1.开发利用金属矿物和海水资源2.资源综合利用环境保护化学与自然资源的开发利用第四章知识体系金属矿物海水化石燃料……..利用化学变化获得有用物质获得能量①资源综合利用②环境保护③绿色化学金属冶炼从海水中获取有用物质化石燃料的综合利用石油的分馏、裂化、裂解和催化重整煤的干馏、气化、液化天然气化工化石燃料的燃烧….化学与自然资源的开发利用第四章教学目标1.以金属矿物的开发和利用为例，认识化学方法在实现物质转化中的作用，体会保护金属资源的重要性。2.了解海水资源开发和利用的前景及化学在其中可以发挥的作用。3.认识煤、石油和天然气等化石燃料综合利用的含义。4.以聚乙烯为例，认识聚合反应、高分子化合物并了解高分子材料在生活等领域中的应用及可能带来的环境问题。5.认识化学在环境保护中的作用，树立绿色化学的观点。AgAlAuCuFeMgCoMn第四章化学与自然资源的开发利用前言利用化学变化，可以改变物质的组成、结构，可以合成自然界原本没有的物质；可以开发人类社会发展所需的能源；可以扩大利用自然资源的范围。2020年5月25日星期一1开发利用金属矿物和海水资源化学与自然资源的开发利用41.绝大多数金属在自然界中以什么样的化合价形态存在？将化合态的金属转化为金属单质在工业上叫什么？（在自然界中）其逆过程叫什么？2.工业上常见的金属冶炼方法分为哪三种？是按金属的什么性质分类的？按金属活动顺序表来划分，哪些金属的冶炼采用哪些方法？请对应。3.热还原法冶炼金属常用的还原剂有哪些物质？金属铁的冶炼在工业上常用的还原剂是CO，而不用氢气，为什么？4.电解法冶炼金属铝，原料选用熔点高达2050℃的Al2O3而不选用熔点很低的AlCl3?冶炼镁时原料选用MgCl2而不是MgO，为什么？5.冶炼金属除了上述三种方法外，人类还使用了哪些冶炼金属的方法？6.表4-1中，铝热法炼铁、炭还原MgO得镁实质都可以归类于什么法冶炼？7.地球上的任何资源都是有限的，从保护金属矿物资源的角度谈谈你对利用该资源的看法。一、开发利用金属矿物和海水资源一、金属矿物的开发利用1．金、铂等极少数金属以_________形式存在。2．绝大多数金属以_________形式存在。在金属化合物中，金属元素都显_________。Ⅰ.金属在自然界中的存在形式游离态化合态正价Ⅱ.金属在自然界中的转化化合态游离态（即单质）金属的冶炼（被还原）金属的腐蚀（被氧化）Ⅲ.金属的冶炼1．冶炼原理金属冶炼的实质是根据___________反应，使金属矿物中的金属阳离子______电子生成金属单质的过程。即：Mn＋＋ne－===M氧化还原得到2．冶炼方法实例分析1.活泼金属（如Na、Mg、Al等）的冶炼常用电解法。即电解熔融的氯化物或氧化物。2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑电解MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑电解特例KCl+NaK↑+NaCl850℃左右2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑电解冰晶石注：对于非常活泼金属采用一般的还原剂很难将其还原出来，故选电解法。(利用平衡原理)2.大部分金属介于活泼金属（如Na、Mg、Al等）和不活泼金属（如Hg等）之间，都是通过高温下发生氧化还原反应完成的。常见的还原剂有CO、C、H2Fe2O3+3CO2Fe+3CO2高温(工业炼铁原理)试写出铁的其它氧化物与C、CO反应的化学方程式。试思考工业炼铁不用H2代替C、CO的原因。Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3高温(铝热法炼铁等高熔点金属)试写出铁的其它氧化物与Al反应的化学方程式。TiCl4(熔融)+4NaTi+4NaCl高温(冶炼贵重金属)Fe+CuSO4=FeSO4+Cu(湿法炼铜)3.不活泼金属（如Hg、Ag等）的冶炼。2HgO2Hg+O2↑加热2Ag2O4Ag+O2↑加热金属活动顺序表中，越到后面的金属的化合物，热稳定性越差。4.其它冶炼金属的方法。Cu2S+O22Cu+SO2高温(火法炼铜)淘金法等实验4-1【铝热反应】1.把两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状套在一起，取出内层滤纸，在其底部剪一小孔后用水润湿，再套回原处，并架在铁圈上（如图所示），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，在混合物上面加少量氯化钾固体，中间插一根用砂纸打磨过的镁带。3.用燃着的小木条点燃镁带。现象结论镁条剧烈燃烧，发出耀眼的白光，放出大量的热，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生剧烈的反应。纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热使生成的铁熔化。Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3高温铝热反应分析(铝热剂)Mg为引燃剂和KClO3为助燃剂。特别提醒：实验注意事项：(1)镁带要打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃；(2)氧化铁粉末要干燥，铝粉要没有被氧化，否则难以反应；(3)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；(4)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；(5)实验装置要与人有一定距离，防止人被烧伤。注：冶炼高熔点金属。试写三例。铝热反应不仅可以用于冶炼高熔点的金属如W、Cr、Mn、V等，还用于定向爆破及野外的钢轨焊接。冶炼金属焊接钢轨定向爆破【例】Cu2S是火法炼铜一种重要的原料，下面是由Cu2S冶炼铜及制取CuSO4·5H2O的流程图：⑴Cu2S中铜元素的化合价为，火法炼铜的反应原理是(用化学方程式表示)。⑵Cu2O，CuO加入足量稀硫酸得到的体系A中看到溶液呈蓝色，且有红色物质生成，请写出生成红色物质的离子方程式：。⑶若将A中单质反应掉,操作加入试剂最好是。A.加入适量的NaNO3B.适量的HNO3C.适量的H2O2⑷取5.0g胆矾样品逐渐升高温度使其分解，分解过程的热重曲线如下图所示：通过计算确定258℃时发生反应的化学方程式，e点的化学式(计算过程略去)。(1)+1(2分)Cu2S+O22Cu+SO2(2分)(2)Cu2O+2H+=Cu+Cu2++H2O(2分)(3)C(2分)(4)CuSO4·H2OCuSO4+H2O(2分)Cu2O(2分)化学与自然资源的开发利用41.海水水资源利用有哪些方面？二、海水资源的开发利用【淡化、循环冷却、潮汐能和波浪能等】2.当你在海上遇险被抛在没有淡水的救生筏上，你如何将海水变成淡水来自救？简述你用的材料，画出图示。3.海水淡化的方法有哪些？各有哪些优缺点？蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。前二者成本较高，目前主要采用离子交换法。4.除水外，我们现在从海水中提取了哪些物质？从海水中提取这些物质最大的难度是什么？一般采用什么方法？5.NaCl有哪些用途？写出用NaCl作化工原料的方程式。【Mg、K、NaCl、Br2；富集程度低；浓缩富集。】【烧碱、纯碱、金属钠、氯气、盐酸、漂白粉等】5.实验4-2的目的是什么？干海带用剪刀剪碎的目的是什么？整个实验使用了哪些分离提纯的方法？根据什么现象证明海带中还有碘元素？写出实验步骤3中反应的化学方程式。6.完成《思考与交流》。【提示：写方程式参照《资料卡片》】7.《资料卡片》中关于从海水中提取溴使用了“空气吹出法”，该法是将空气鼓入含溴的溶液中，利用空气将溴带出。该溴是化合态还是游离态的？在化学实验室也可以用什么方法代替“空气吹出法”实现溴的浓缩或富集？【从海带中提取碘并检验之；增大接触面积，提高反应速率；溶解、过滤、萃取分液、蒸馏。溶液变蓝。】二、海水资源的开发利用海洋约占地球表面积的71%海水中水的储量约为1.3×109亿吨，约占地球总水量的97%含80多种元素，其中H、O、Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、Br、Sr占99%以上。Au：约5×107t，４×１０－６ｇＡｕ／１ｔ海水广泛性多样性分散性1．海水水资源的利用Ⅰ．海水的淡化海水淡化的主要方法：_______、______、__________等。蒸馏法电渗析法离子交换法海水蒸馏原理示意图仪器辨认圆底烧瓶冷凝管牛角管（尾接管）锥形瓶优缺点：技术和工艺成熟，但成本高。太阳能蒸发海水示意图Ⅱ．直接利用海水进行循环冷却如原子反应堆的冷却。2．海水化学资源的开发利用虽然海水中元素的种类很多，总储量也很大，但很多元素的富集程度却很低。目前从海水中提取的常见的有NaCl、MgCl2、Br2、I2等.从海水中提取铀和重水具有战略意义。海水晒盐（煮海为盐）目前，从海水中提取食盐的方法主要是“盐田法”这是一种古老的而至今仍广泛沿用地方法。使用该法。需要在气候温和，光照充足的地区选择大片平坦的海边滩涂，构建盐田。盐田一般分成两部分：蒸发池和结晶池。现将海水引入蒸发池，经日晒蒸发水分到一定程度时，再倒入结晶池，继续日晒，海水就会成为食盐的饱和溶液，再晒就会逐渐析出食盐来。这是得到的晶体就是我们常见的粗盐。剩余的液体称为母液，可从中提取多重化工原料。海水→蒸发池→结晶池→粗盐和母液从海水到粗盐在一望无垠的海滩上，海水被拦截在一方方盐池里，太阳把盐水晒干了，海水里溶解的氯化钠结晶出来。从一吨海水里可以得到约三十公斤食盐。这是粗盐。晒盐时日晒，风吹有利于加速水分子的运动，从而利于食盐晶体的析出。日晒时温度升高，对于NaCl来说它的溶解度随温度变化不明显，但由于水分的蒸发（溶剂）的量减少，NaCl饱和析出晶体。而对于MgCl2，CaCl2来说，尽管水蒸发了，但由于它们各自的溶解能力（溶解度）增强了，所以不会析出。因为食盐主要成分是NaCl。NaCl的溶解度随温度变化不明显，而且是降低温度，溶剂的量又不变，所以NaCl不会析出，不利于制取NaCl。粗盐从海水里结晶出来的时候，难免夹带一些泥沙和杂质。海水里除了氯化钠以外，还有氯化镁、氯化钙等，它们也混在氯化钠里一块儿结晶出来。不过，这些杂质和氯化钠的脾气不同。氯化钠不吸湿，氯化镁、氯化钙很容易吸水返潮。厨房里的粗盐在阴雨天气变得湿漉漉的，就是这些杂质捣的鬼。粗盐经过再结晶，就得到精盐。精盐是比较纯净的氯化钠，长久存放仍然是干燥的。海水——蒸发结晶——析出苦卤水（含有镁离子、溴离子、碘离子等）和粗盐（含钠离子、氯离子、镁离子、硫酸根离子等）——依次加入氯化钡、氢氧化钠、碳酸钠。去除杂志——过滤——得到沉淀和滤液——加入稀盐酸溶液——蒸发结晶——得到纯净盐（氯化钠）。从海水到精盐指出以上用到的分离提纯的方法，并试写出以上涉及的离子方程式。海带提碘实验4-2操作1.取3g左右的干海带，把干海带表面的附着物用刷子刷净，用剪刀剪碎后，用酒精润湿，放入坩埚中。点燃酒精灯，灼烧海带至完全变为灰烬，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2~3分钟，过滤。3.在滤液中滴入几滴稀硫酸（3mol/L），再加入约1mLH2O2(质量分数为3%)，观察现象。加入几滴淀粉溶液，观察现象。现象加淀粉溶液前，溶液为无色；加入淀粉溶液后，溶液变为蓝色。结论海带中含有碘元素；通过上述方法可以从海带中提取碘单质。海带提碘过程流程图：海带灰溶解过滤灼烧残渣滤液(含I-)加入H2O2稀H2SO4含I2溶液含I2的有机溶液加CCl4(萃取)海带蒸馏CCl4I21.指出以上用到的化学仪器和分离提纯的方法，2.并试写出以上涉及的离子方程式。海水提溴思考与交流将Br-转变为Br2是海水提溴中的关键的化学反应，你能否设计一个实验方案模拟这一生产过程？写出有关反应的化学方程式。海水提溴目前，从海水中提取的溴占世界溴年产量的1/3左右。空气吹出法是用于工业规模海水提溴的常用方法，其中一种工艺是在预先经过酸化的浓缩海水中，用氯气置换溴离子使之成为单质溴，继而通入空气和水蒸气，将溴吹入吸收塔，使溴蒸气和吸收剂SO2发生作用转化成氢溴酸以达到富集的目的。然后，再用氯气将其氧化得到产品溴。资料卡片实验方案海水浓缩苦卤水通入氯气溴水通空气水蒸气粗溴SO2氢溴酸通入氯气含溴的水溶液蒸馏液溴反应原理2NaBr+Cl2==Br2+2NaCl2H2O+Br2+SO2==H2SO4+2HBr2