2020版高中化学 第四章 化学与自然资源的开发利用 第一节 第1课时 金属矿物的开发利用课件 新人

第1课时金属矿物的开发利用1．了解金属在自然界中的存在形式。2．掌握金属冶炼的一般方法。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。5．认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。知识点一金属的冶炼1．金属在自然界的存在形态海底中存在大量金属结核矿，是人类重要的金属资源。2．金属的冶炼方法(1)冶炼的原理和实质(2)冶炼方法(用化学方程式表示)3．金属资源的合理开发利用(1)合理开发利用金属资源的意义金属矿物资源是不可再生资源且贮量有限，冶炼过程中会消耗大量的能量，也易造成环境污染。故应合理开发利用金属资源。(2)有效利用金属资源的途径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。④使用其他材料代替金属材料。回收和再利用[微练习]1．辨析下列说法的正误：(1)黄金的冶炼需要热分解法。()(2)金属阳离子被还原，一定得到金属单质。()(3)金属冶炼的实质是把金属从化合态还原为游离态。()(4)热还原法冶炼金属发生的都是置换反应。()(5)冶炼金属肯定发生的是氧化还原反应。()(6)冶炼时金属元素可能被氧化了，也可能被还原了。()答案：(1)×(2)×(3)√(4)×(5)√(6)×2．金属越活泼，金属离子越________得电子，越________(填“难”或“易”)冶炼，人类使用的顺序越________(填“早”或“晚”)。答案：难难晚[微知识点]1．在金属化合物中，金属元素都显正化合价。2．铜的冶炼通常有湿法冶炼和火法冶炼，反应的化学方程式分别是Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu、Cu2S＋O2=====高温2Cu＋SO2。[典例剖析][典例1]冶炼金属一般有下列4种方法：①焦炭法；②水煤气(或氢气、一氧化碳)法；③活泼金属置换法；④电解法。这4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(MgCl2·6H2O)中炼镁。对它们的冶炼方法的分类，不正确的是()A．Ⅰ，①B．Ⅱ，②C．Ⅲ，③D．Ⅳ，④[解析]金属冶炼方法的选择与金属在自然界中存在的状态、金属活动性等有关，需要在理解的基础上加以记忆。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ发生的反应分别是：Ⅰ.Cu2(OH)2CO3=====△2CuO＋CO2↑＋H2O，C＋2CuO=====△2Cu＋CO2↑；Ⅱ.Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu；Ⅲ.2Al＋Cr2O3=====高温Al2O3＋2Cr；Ⅳ.先从光卤石中提取MgCl2，再电解熔融的MgCl2：MgCl2(熔融)=====电解Mg＋Cl2↑。则Ⅰ属于方法①，Ⅱ属于方法③，Ⅲ属于方法③，Ⅳ属于方法④。综上分析，B选项不正确。[答案]B1．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2.常用的热还原法各种热还原法的优缺点：优点缺点H2还原法金属纯度高工业成本高CO和C还原法工业成本低金属纯度低，产生污染性气体CO铝热法可以冶炼高熔点、难以冶炼的金属工业成本较高[题组训练]题组金属的冶炼1．我国古代曾用火烧孔雀石和焦炭混合物的方法炼铜，孔雀石的主要成分是Cu2(OH)2CO3，其冶炼方法是()A．焦炭还原法B．湿法炼铜C．铝热还原法D．电解冶炼法答案：A2．下列各组物质中，均能使Fe2O3还原成单质铁的是()A．CO、O2、H2B．CO、CO2、CC．CO2、H2O、O2D．Al、C、H2解析：还原性强的物质(如Al、C、H2、CO等)在一定条件下都能把铁从其氧化物中还原出来。答案：D3．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A2HgO=====△2Hg＋O2↑热分解法B2Al2O3(熔融)=======通电冰晶石4Al＋3O2↑电解法CCu2S＋O2=====高温2Cu＋SO2热分解法DFe2O3＋2Al=====高温2Fe＋Al2O3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，C项为火法炼铜。答案：C4．钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。工业上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用以冶炼钛，主要有以下五个反应：①FeTiO3＋2H2SO4===TiOSO4＋FeSO4＋2H2O②TiOSO4＋2H2O===H2TiO3↓＋H2SO4③H2TiO3=====△TiO2＋H2O④TiO2＋2C＋2Cl2=====△TiCl4↑＋2CO↑⑤TiCl4＋2Mg=====△2MgCl2＋Ti(1)针对以上五个反应，下列叙述错误的是________。a．反应①是非氧化还原反应b．反应②生成了两种酸c．反应④中的TiO2是氧化剂d．反应⑤表现了金属镁比金属钛的还原性强(2)钛具有很强的耐腐蚀性，以下对其原因的分析正确的是________。a．钛是像金、铂一样的不活泼金属b．金属钛的表面易形成致密的氧化膜c．钛与氧气、酸等腐蚀剂不反应d．钛有很高的强度解析：(1)在反应①中没有化合价的变化；反应②中化学式H2TiO3符合酸的一般化学式，它是钛酸的化学式；反应④中钛元素的化合价保持不变，氯气是氧化剂，碳是还原剂；反应⑤中镁是还原剂，钛是还原产物，所以镁的还原性强于钛。(2)题目中一开始就指出：钛是一种活泼的金属，但是钛耐腐蚀性强，联系金属铝的性质，铝表面易形成致密的保护膜，阻止反应继续进行，以此类推钛。答案：(1)c(2)b知识点二铝热反应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铝做还原剂，另一种氧化物做氧化剂，用铝将金属氧化物中的金属置换出来铝热剂铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物引发操作在铝热剂上放KClO3，插入镁条并将镁条点燃反应特点在高温下进行，迅速反应并放出大量的热，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.铝热反应的实验实验装置实验现象(1)镁带剧烈燃烧。(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，液珠冷却后变为黑色固体原因分析镁带燃烧，放出大量的热；KClO3作为引燃剂在受热状态下发生分解，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应：2Al＋Fe2O3=====高温2Fe＋Al2O3，生成的铁在高温下呈熔化状态注意事项(1)镁条要打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃。(2)氯酸钾的作用是分解提供氧气，使镁带快速充分燃烧，要放在混合物的上面。(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，同时损坏纸漏斗。(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[微练习]把5g干燥的氧化铁粉末和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。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________是氧化剂，________是还原剂，该反应称为________反应。(2)写出下列操作或物质的作用：内层纸漏斗底部剪一个孔：________；蒸发皿盛沙子：________；镁条：________；氯酸钾：________。解析：(1)该反应的化学方程式为2Al＋Fe2O3=====高温2Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3做氧化剂，Al做还原剂。(2)铝热反应实验中①为使熔融物易落下通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；②为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛放沙子；③反应中镁条引起氯酸钾分解；④氯酸钾促进镁条燃烧，引发铝热反应。答案：(1)Fe2O3＋2Al=====高温Al2O3＋2FeFe2O3Al铝热(2)使熔融物易于落下防止溅落物炸裂蒸发皿引起氯酸钾分解促进镁条燃烧，引发铝热反应[微知识点]有关铝热反应的两个易错点(1)铝热反应可以用于焊接钢轨，但工业上不用该方法炼铁，因为铝比铁的冶炼成本更高。(2)由于铝只能冶炼活泼性比其弱的金属，所以并不是铝与所有金属氧化物的混合物都叫铝热剂，如Al和Na2O的混合物不能叫铝热剂。[典例剖析][典例2]如图是铝热反应的实验装置图，该反应的化学方程式为2Al＋Fe2O3=====高温2Fe＋Al2O3。关于“铝热反应”的现象有这样的描述：“反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒”“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。(1)已知，Al、Fe2O3、Al2O3、Fe的熔点、沸点数据如下：物质AlFe2O3Al2O3Fe熔点/℃660146220541535沸点/℃246729802750据此有同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金，该同学的推测是否合理？请说明理由。(2)实验室欲在常温下溶解此熔融物，能否选用稀硫酸？能否选用浓硫酸或NaOH溶液？请说明理由。(3)有人认为上述实验最后得到的固体中含有铁和未反应的铝，请设计实验加以证明。(4)反应前后的混合物分别与足量的稀硫酸反应，放出氢气的体积分别为V1和V2，两者的关系如何？[答案](1)合理。因为Fe的熔点比Al的熔点高，但比Al的沸点低，即铁熔化时，Al已熔化但并没有气化，因此Fe、Al熔合在一起形成铁铝合金。(2)能选择稀硫酸，因为稀硫酸能完全溶解此熔融物，并且不会造成环境污染；不能选择浓硫酸或NaOH溶液，因为浓硫酸会使Fe、Al钝化，NaOH溶液不能溶解单质铁。(3)取少量实验最后得到的固体于试管中，加入氢氧化钠溶液，若有气体产生，则证明有铝；再取少量该类固体于试管中，加入足量稀盐酸溶解，再加入过量的氢氧化钠溶液，产生的白色沉淀，逐渐变为灰绿色，最终变为红褐色，则证明有铁。(4)由反应的化学方程式：2Al＋Fe2O3=====高温Al2O3＋2Fe,2Al＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2↑，Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑可知关系式：反应前：2Al～3H2↑；反应后：2Al～2Fe～2H2↑，故反应前产生的氢气多，即V1V2。(1)铝热反应的引燃剂为镁带，助燃剂为KClO3。(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。(3)铝热反应的实质是铝为还原剂，金属氧化物为氧化剂，铝将金属阳离子还原为金属单质，为置换反应。(4)铝热反应具有高温、剧烈燃烧、放出大量的热、新生成的液态金属单质易与Al2O3(固态)分离等特点。[题组训练]题组铝热反应及其应用1．实验室将9g铝粉跟一定量的某金属氧化物粉末混合形成铝热剂，发生铝热反应之后，所得固体中含该金属单质18g，则该氧化物粉末可能是()A．Fe2O3和MnO2B．MnO2和V2O5C．Cr2O3和V2O5D．MnO2和Cr2O3解析：n(Al)＝9g27g/mol＝13mol，Al完全反应时，转移电子的物质的量为13mol×3＝1mol，则生成金属的摩尔电子质量(转移1mol电子生成金属的质量)为18g/mol·e－。A项，生成Fe的摩尔电子质量约为18.67g/mol·e－，生成Mn的摩尔电子质量为13.75g/mol·e－，根据平均值规律，A项正确；B项，生成Mn的摩尔电子质量为13.75g/mol·e－，生成V的摩尔电子质量为10.2g/mol·e－，根据平均值规律，B项不可能生成18g金属单质；同理，C项也不可能生成18g金属单质；同理，D项不正确。答案：A2．研究性学习小组的同学们用如图所示装置进行铝热反应的实验。请回答下列问题：(1)氧化铁与铝反应的化学方程式是____________________