2020化学新素养同步人教必修二讲义素养练第4章第1节第1课时金属矿物的开发利用解析

第一节开发利用金属矿物和海水资源第1课时金属矿物的开发利用学习目标核心素养建构1.了解金属在自然界中的存在形式。2．掌握金属的冶炼方法。3．掌握铝热反应原理及实验。4．了解金属回收和资源保护的意义，认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。[知识梳理]一、金属的冶炼1．金属在自然界中存在的形态除了金、铂等极少数金属以外，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界中。在这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。2．金属冶炼的原理金属冶炼的实质是根据氧化还原反应，使金属矿物中的金属阳离子得到电子生成金属单质的过程：Mn＋＋ne－===M。3．冶炼方法【自主思考】工业上利用电解熔融MgCl2来制取Mg，而MgO比MgCl2更易获得，为什么不电解熔融MgO制取镁呢？(MgO的熔点：2852℃，MgCl2的熔点：714℃)提示由于MgO的熔点远远高于MgCl2的熔点，将MgO熔融需要能量较多，所以采用电解熔融MgCl2的方法制取Mg，冶炼金属也要考虑节能减排。二、金属矿物的开发利用1．合理开发利用金属资源金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源，还会造成环境污染，地球上的金属资源是有限的，是不可再生的，因此金属资源应合理地开发利用。2．有效利用金属资源的途径(1)提高金属的利用率，减少金属的使用量。(2)加强金属资源的回收和再利用。(3)使用其他材料代替金属材料。[效果自测]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)黄金的冶炼可用热分解法()(2)金属阳离子被还原，一定会得到金属单质()(3)工业上电解MgCl2溶液制取Mg()答案(1)×(2)×(3)×2．下列有关金属的工业制法中，正确的是()A．制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液B．制铁：以铁矿石为原料，CO还原得铁C．制镁：用海水为原料，经一系列过程制得氧化镁固体，H2还原得镁D．制铝：从铝土矿中获得氧化铝再得到氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝解析电解法制取金属钠时，需要电解熔融的NaCl，而不是其溶液，A项错误；镁的还原性很强，不能用热还原法来制取，而应用电解熔融氯化镁的方法，C项错误；熔融的氯化铝不导电，故不能电解其熔融物制取金属铝，而应电解熔融的氧化铝，D项错误。答案B探究一、金属的活泼性与冶炼方法【合作交流】1．人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系？提示金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现的相对晚一些。金属越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以有青铜、铁器等时代的发展历程。2．从自然界中获得金属单质，是否都必须发生氧化还原反应？提示否。有些金属单质化学性质稳定，如金、铂等，在自然界中主要以游离态形式存在，获得这些金属就不需要发生氧化还原反应，用富集的方法就可以，如淘金。3．在金属中，铝元素在地壳中的含量居第一位，为什么铝的发现和使用比铜和铁要晚得多？提示金属的发现和使用与金属的活动性密切相关，金属活动性越强，其相应的金属阳离子得电子的能力越弱，冶炼难度越大。铝是一种活动性较强的金属，用一般的还原剂很难将其还原，工业上采用最强有力的氧化还原手段——电解法进行冶炼，而铜和铁用一般的还原剂就可以达到目的，所以铝的发现和使用比铜和铁要晚得多。【点拨提升】1．金属的冶炼原理金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的过程，即：Mn＋＋ne－===M。2．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系金属的活动性顺序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb(H)、CuHg、AgPt、Au金属原子失电子能力强→弱金属离子得电子能力弱→强主要冶炼方法电解法热还原法热分解法物理方法3.常用的热还原法【典题例证1】金属材料在日常生活、生产中有着广泛的运用，下列关于金属的说法不正确的是()A．越活泼的金属越难冶炼B．合金的性质与其成分金属的性质不完全相同C．金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子D．工业上金属Mg、Al都是用电解熔融的氯化物制得的解析金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子被还原成金属原子，因此金属越活泼，对应金属阳离子氧化性越弱，则金属越难冶炼，A、C正确；合金要比各成分金属的熔、沸点低，硬度大，B正确；因AlCl3为共价化合物，其熔融态不导电，因此不能用电解AlCl3的方法来冶炼铝，而通常用电解熔融Al2O3的方法来冶炼铝。答案D【学以致用1】冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法②水煤气(或氢气，或一氧化碳)法③活泼金属置换法④电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜；现代有(Ⅲ)铝热法炼铬；(Ⅳ)从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是()A．(Ⅰ)用①B．(Ⅱ)用②C．(Ⅲ)用③D．(Ⅳ)用④解析选择金属的冶炼方法要考虑金属在自然界中存在的状态及金属的活动性。(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)发生的反应分别是(Ⅰ)：Cu2(OH)2CO3=====△2CuO＋CO2↑＋H2O，C＋2CuO=====△2Cu＋CO2↑，符合①；(Ⅱ)：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，符合③；(Ⅲ)：2Al＋Cr2O3=====高温Al2O3＋2Cr，符合③；(Ⅳ)：先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：MgCl2(熔融)=====电解Mg＋Cl2↑，符合④。答案B探究二、铝热反应【合作交流】1．铝热反应实验中镁条与氯酸钾的作用是什么？提示镁条的作用是燃烧放出大量的热引发KClO3分解，氯酸钾的作用是供氧剂。2．为什么要在承接反应物的蒸发皿中垫有细沙？提示因为铝热反应是一个典型的放热反应，反应中放出的大量热能够使铁熔化，为了防止蒸发皿炸裂及熔融的金属溅出伤人，所以要垫细沙。3．铝热反应在工业上有哪些重要应用？提示(1)冶炼熔点高的金属，如钒、铬、锰等；(2)在野外焊接钢轨。【点拨提升】1．铝热反应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原理Al作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用铝将氧化物中的金属置换出来铝热剂铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物反应特点在高温下进行，反应迅速并放出大量的热，新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离应用冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等2.铝热反应实验实验操作实验现象(1)镁条剧烈燃烧；(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在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热注意事项(1)镁条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【典题例证2】如右图所示，用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起，使四周都有四层。把内层漏斗取出，在底部剪一个孔，用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置盛沙的蒸发皿。把5g炒干的氧化铁粉末加2g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。观察发生的现象。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，______________(填化学式，下同)是氧化剂，________是还原剂，该反应称为________反应。(2)选出该实验的实验现象：________(填写在横线上)。①镁条剧烈燃烧；②放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射；③纸漏斗的下部被烧穿；④有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上，液珠冷却后变为黑色固体。(3)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：________________________________________________________。(4)如何用简单的方法证明生成物中有金属铁？解析(1)铝热反应为2Al＋Fe2O3=====高温2Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3作氧化剂，Al作还原剂。(2)①②③④均为铝热反应的现象。(3)铝热反应实验中为使熔融物易落下，通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；反应中镁条提供热量使氯酸钾分解；氯酸钾分解引发铝热反应。答案(1)2Al＋Fe2O3=====高温2Fe＋Al2O3Fe2O3Al铝热(2)①②③④(3)使熔融物易于落下防止溅落物炸裂蒸发皿，同时防止溅落物迸溅过远对周围人造成伤害引燃剂，引起氯酸钾分解助燃剂，为镁条继续燃烧提供氧气，引发铝热反应(4)用磁铁吸引生成物，磁铁上有黑色物质被吸附，则证明生成物中有金属铁。【学以致用2】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或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，把活泼性相对弱的金属从其氧化物中还原出来。答案(1)①8Al＋3Fe3O4=====高温4Al2O3＋9Fe②10Al＋3V2O5=====高温5Al2O3＋6V③4Al＋3MnO2=====高温2Al2O3＋3Mn(2)①置换反应还原还原②弱1．工业上获得金属镁采用的冶炼方法是()A．加热分解镁氧化物B．电解熔融氯化镁C．高温下发生铝热反应D．高温下用氢气还原解析由于金属镁的活泼性较强，因此工业上一般采用电解熔融氯化镁制备金属镁。答案B2．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：①2C(焦炭)＋O2(空气)=====高温2CO②2Fe2O3＋3CO=====高温2Fe＋3CO2该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远高于按照化学方程式计算所需，其主要原因是()A．CO过量B．CO与铁矿石接触不充分C．炼铁高炉的高度不够D．CO与Fe2O3的反应有一定限度解析高炉炼铁的反应Fe2O3＋3CO=====高温2Fe＋3CO2为可逆反应，所以对焦炭的实际使用量要远高于按化学方程式计算所需，这样可以提高CO的浓度，促进该反应正向移动。答案D3．在冶金工业上，均能用化学还原剂制得的一组金属是()A．Na、Mg、AlB．Na、Zn、FeC．Zn、Fe、CuD．Mg、Al、Zn、Fe解析Na、Mg、Al的冶炼方法为电解法；Zn、Fe、Cu的冶炼方法为化学还原剂还原法。答案C4.下列关于自然界存在的矿物及对应的冶炼方法错误的是()A.磁铁矿(Fe3O4)精选后可以用铝进行冶炼B.辉