2020版新教材高中化学 第八章 化学与可持续发展 1.1 金属矿物的开发利用 海水资源的开发利用课

第八章化学与可持续发展第一节自然资源的开发利用第1课时金属矿物的开发利用海水资源的开发利用一、金属矿物的开发利用1.金属冶炼原理与实质(1)原理:将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的过程。(2)实质:用还原剂使化合态的金属得到电子变成金属单质,即:Mn++ne-====M。2.金属冶炼的常用方法【情境·思考】当铁轨有缝隙时,维修工人常将铝粉与氧化铁的混合物点燃,让熔融的铁水流入铁轨的裂缝,冷却后就将铁轨牢牢的黏结在一起。你知道其工作原理吗?提示:高温条件下,铝粉与Fe2O3发生反应,化学反应方程式为Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe。3.金属矿物资源的开发和利用措施(1)提高金属矿物的利用率;(2)开发环保高效的金属冶炼方法;(3)防止金属的腐蚀;(4)使用其他材料代替金属材料,减少金属的使用量;(5)加强废旧金属的回收和再利用。二、海水资源的开发利用1.海水资源的利用(1)利用途径:海水的淡化和直接利用海水进行循环冷却等。(2)海水淡化:通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去,都可以达到淡化海水的目的。海水淡化的方法主要有_______、_________、___________和__________等。其中_______的历史最久,技术和工艺也比较成熟,但成本较高。蒸馏法电渗析法离子交换法膜分离法蒸馏法2.海水制盐(1)从海水中制得的氯化钠,可以食用,同时也是生产烧碱、纯碱、钠、氯气、盐酸的工业原料。(2)从海水中可以提取___________及其他化工产品。镁、钾、溴(3)海水淡化与化工生产结合、与能源技术结合,成为海水综合利用的重要方向。如图为海水综合利用的示意图。3.从海水中获取能量(1)从海水中提取铀和重水,用于_____开发。(2)开发_______、_______等新型能源。核能潮汐能波浪能【巧判断】(1)海水淡化的方法有蒸馏法、电渗析法、明矾净化法等。()(2)海水中含有钾元素,仅通过物理变化就可以得到金属钾。()××(3)海水各种化学资源的开发过程中,必须都要发生化学反应。()(4)实验室从海带中提取单质碘的方法是取样→灼烧→溶解→过滤→萃取。()××知识点一金属的冶炼【重点释疑】1.金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系:金属单质还原性、失电子能力依次减弱,金属阳离子氧化性、得电子能力依次增强。【易错提醒】常见几种金属的冶炼误区(1)工业上冶炼Al时用Al2O3而不用AlCl3,因为AlCl3为共价化合物,熔化后不导电。但冶炼Al时需加入冰晶石(Na3AlF6),以降低熔化温度。(2)工业上冶炼Mg时用MgCl2而不用MgO,因为MgO的熔点很高,耗能大。(3)Au、Pt一般用物理法提取。(4)利用铝热反应不能冶炼还原性比Al强的金属,如Mg、Na等。2.铝热反应实验实验原理Al作还原剂,金属氧化物作氧化剂,用铝将氧化物中的金属置换出来实验操作实验现象(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(1)铝热反应的引燃剂为镁条,助燃剂为氯酸钾。(2)铝热剂为混合物,是由铝粉和金属氧化物(Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5、MnO2等)粉末组成的。(3)镁条要打磨净表面的氧化膜,否则难以点燃;氧化铁粉末与铝粉要选择干燥的;铝粉要用没有被氧化的,否则反应难以进行。(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。【思考·讨论】(1)能否通过电解熔融的MgO制取金属镁?提示:不能。MgO的熔点比MgCl2的熔点高,需要消耗很大的能量,成本太高。(2)能否通过电解AlCl3制取金属铝?提示:不能。氯化铝是共价化合物,熔融状态下以分子形式存在,没有自由移动的离子,不发生电离。(3)如图是我国古代和现代冶金的两张图片,那么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。【案例示范】【典例】下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是()选项冶炼原理方法A2HgO2Hg+O2↑热分解法B2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑电解法CCu2S+O22Cu+SO2热分解法DFe2O3+2Al2Fe+Al2O3热还原法【解题指南】解答本类试题应注意根据金属活动性顺序选择合适的冶炼方法。【解析】选C。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项,不属于分解反应,错误。【迁移·应用】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B。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)2CO32CuO+CO2↑+H2O,C+2CuO2Cu+CO2↑,符合①;(Ⅱ):Fe+CuSO4====FeSO4+Cu,符合③;(Ⅲ):2Al+Cr2O3Al2O3+2Cr,符合③;(Ⅳ):先从光卤石中提取MgCl2,再电解MgCl2:MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑,符合④。高温====电解====2.如图所示,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炒干的氧化铁粉末和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。(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)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】铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物叫铝热剂,在高温下发生铝热反应,可用来冶炼难熔的相对较不活泼的金属(如V、Cr、Mn等)、焊接钢轨等。利用镁条燃烧放热从而引发铝热反应,同时促使KClO3分解产生O2,使镁条快速燃烧。答案:(1)2Al+Fe2O32Fe+Al2O3Fe2O3Al铝热(2)①②③④(3)使熔融物易于落下防止溅落物炸裂蒸发皿引燃剂,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。【补偿训练】下列说法中,正确的是()A.金属的冶炼是把金属单质从其矿物中分离出来B.金属冶炼过程中,被冶炼的金属只能被氧化C.金属冶炼过程中,被冶炼的金属只能被还原D.金属冶炼过程中,被冶炼的金属既可被氧化,也可被还原【解析】选C。金属冶炼的原理是利用氧化还原反应,把金属矿物中的金属阳离子还原成金属单质。在金属的冶炼过程中,被冶炼的金属只能得到电子被还原。知识点二海水提溴的工艺【重点释疑】1.工艺流程2.主要过程【思考·讨论】(1)已知2Br-+Cl2====Br2+2Cl-,SO2+Br2+2H2O====+2Br-+4H+,根据上述反应判断SO2、Cl2、Br2三种物质氧化性由强到弱的顺序是怎样的?提示:氧化剂氧化性大于氧化产物,则氧化性为Cl2Br2SO2。24SO(2)有人说步骤①通入氯气氧化后直接用有机溶剂萃取出溴即可,你认为其建议是否合理?提示:不合理,直接萃取单质溴不仅需要大量的萃取剂,还会造成一部分溴流失,使成本增加。【案例示范】【典例】海水中溴元素以Br-形式存在,工业上用空气吹出法从海水中提取溴的工艺流程如图所示:(1)步骤①反应的离子方程式是______________。(2)步骤③反应的化学方程式是______________。(3)从理论上考虑,下列物质也能充分吸收Br2的是________(填字母)。A.NaOHB.FeCl2C.Na2SO3D.H2O(4)步骤⑤蒸馏过程中,温度应控制在80～90℃。温度过高或过低都不利于生产,若温度过高,大量水蒸气随溴排出,溴蒸气中水分增加;若温度过低,则__________________。【解析】(1)海水中的溴离子容易被氯气氧化为溴的单质,氧化性氯气比溴强,反应的离子方程式为2Br-+Cl2====Br2+2Cl-;(2)溴单质有氧化性,二氧化硫具有还原性,溴和二氧化硫在水溶液中易发生氧化还原反应,反应的化学方程式为SO2+Br2+2H2O===H2SO4+2HBr;(3)NaOH溶液和溴单质反应生成溴化钠、次溴酸钠和水,可以吸收,故A正确;FeCl2溶液具有还原性,可以被溴单质氧化为氯化铁,可以吸收溴单质,故B正确;Na2SO3溶液具有还原性,可以被溴单质氧化,能吸收溴单质,故C正确;H2O和溴单质反应微弱,不能充分吸收溴单质,故D错误,故答案为ABC;(4)在溴水中,溴的沸点是58.5℃,水的沸点是100℃,温度过高,大量水蒸气随之排出,溴蒸气中水分增加;温度过低,溴不能完全蒸出,产率低。答案:(1)2Br-+Cl2====Br2+2Cl-(2)SO2+Br2+2H2O====H2SO4+2HBr(3)ABC(4)溴不能完全蒸出,产率低【母题追问】(1)在步骤①③④中溴元素均被氧化?提示:不是。步骤①和④2Br-+Cl2====Br2+2Cl-,溴被氧化。步骤③SO2+Br2+2H2O====H2SO4+2HBr,溴元素被还原。(2)如何分离溴的四氯化碳溶液?提示:蒸馏。溴易溶于四氯化碳,根据沸点不同用蒸馏的方法分离。【迁移·应用】从淡化海水中提取溴的流程如下:下列有关说法不正确的是世纪金榜导学号()A.X试剂可用Na2SO3饱和溶液B.步骤Ⅲ的离子反应:2Br-+Cl2====2Cl-+Br2C.工业上每获得1molBr2,需要消耗Cl244.8LD.步骤Ⅳ包含萃取、分液和蒸馏【解析】选C。Na2SO3+Br2+H2O====Na2SO4+2HBr,A正确;步骤Ⅲ利用氯元素的非金属性比溴元素强,可以利用置换反应制取Br2,B正确;反应Ⅰ和反应Ⅲ均使用到Cl2,故制取1molBr2消耗2mol氯气,但未标明氯气所处的温度和压强,无法计算消耗氯气的体积,C错误;从浓溴水中提取溴,可利用有机溶剂(如苯)萃取溴,然后分液得到溴的有机溶液,再经蒸馏可得到纯净的溴,D正确。【补偿训练】1.目前从海水中提取的溴约占世界溴年产量的三分之一,从海水中提取溴的主要步骤可表示为()A.氧化→吸收→吹出B.氧化→吹出→吸收C.吹出→氧化→吸收D.吹出→吸收→氧化【解析】选B。从海水中提取溴,先用氧化剂将溴离子氧化为溴单质,再用热空气吹出后用碱液吸收。2.(2019·黄冈高一检测)“空气吹出法”海水提溴的工艺流程如下:下列说法中,不正确的是()A.实验室保存溴通常加少量水B.海水提溴与海水提镁发生的所有反应均为氧化还原反应C.经过吸收塔后,溴元素得到了富集D.蒸馏塔中还发生了化学变化【解析】选B。溴易挥发,加水液封可以减少挥发损