人教版必修2 第4章第1節(jié) 開(kāi)發(fā)利用金屬礦物和海水資源（第1課時(shí)） 學(xué)案.doc

第1節(jié) 開(kāi)發(fā)利用金屬礦物和海水資源第1課時(shí) 金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1、了解金屬冶煉的化學(xué)反應(yīng)原理和基本方法；2、了解金屬回收與資源的保護(hù)方法。【要點(diǎn)梳理】要點(diǎn)一、金屬的冶煉方法由于大多數(shù)金屬的化學(xué)性質(zhì)活潑，在自然界中主要以化合態(tài)形式存在（金、鉑等少數(shù)金屬例外），所以使用的金屬大多數(shù)是人工制得的。金屬冶煉的實(shí)質(zhì)就是利用氧化還原反應(yīng)使金屬化合物中的金屬元素得到電子被還原為金屬單質(zhì)：mn+ne-m。因不同金屬的陽(yáng)離子得電子的能力不同，故不同金屬采取不同的冶煉方法。1、熱分解法。有些不活潑金屬僅用熱分解法就能制得。在金屬活動(dòng)性順序表中，位于氫后面的金屬的氧化物受熱就能分解。例如：2hgo2hg+o22ag2o4ag+o22、熱還原法。多數(shù)金屬的冶煉采用熱還原法。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣和活潑金屬等。例如：fe2o3+3co2fe+3co2wo3+3h2w+3h2ozno+czn+comgo+cmg(g)+co(g)fe2o3+2al2fe+al2o33、電解法。在金屬活動(dòng)性順序表中，鉀、鈣、鈉、鎂、鋁等幾種金屬的還原性很強(qiáng)，這些金屬都很容易失去電子，因此不能用一般的方法和還原劑使其從化合物中還原出來(lái)，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來(lái)冶煉。例如：2nacl（熔融）2na+cl2 mgcl2（熔融）mg+cl2 一些對(duì)純度要求較高的不活潑金屬也可以采用電解其鹽溶液的方法來(lái)進(jìn)行冶煉，例如： 2cuso4+2h2o2cu+2h2so4+o2不同金屬冶煉方法的選擇4、濕法。在工業(yè)上還有一種冶金方法叫做濕法冶金，也稱為水法冶金。它是利用在溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)（如置換反應(yīng)），對(duì)金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過(guò)程。例如：fe+cuso4=feso4+cu要點(diǎn)二、鋁熱反應(yīng)煉鐵通常用熱還原法。工業(yè)上采用的高爐煉鐵和鋁熱法煉鐵都屬于熱還原法。fe2o3+3co2fe+3co2（高爐煉鐵）fe2o3+2al2fe+al2o3（鋁熱法煉鐵）fe2o3與al的反應(yīng)叫做“鋁熱反應(yīng)”，fe2o3和al的混合物叫做“鋁熱劑”。與fe2o3性質(zhì)相似的feo、fe3o4、cuo、tio2（二氧化鈦）、v2o5（五氧化二釩）、cr2o3（三氧化二鉻）、mno2、co3o4（四氧化三鈷）、wo3（三氧化鎢）等氧化物，也都能與金屬鋁在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成al2o3和新的金屬單質(zhì)，放出大量的熱，這樣的反應(yīng)都屬于鋁熱反應(yīng)。3fe3o4+8al9fe+4al2o33cuo+2al3cu+al2o33mno2+4al3mn+2al2o33v2o5+10al6v+5al2o33co3o4+8al9co+4al2o33tio2+4al3ti+2al2o3cr2o3+2al2cr+al2o3鋁熱反應(yīng)一般有兩個(gè)方面的重要應(yīng)用：一是冶煉高熔點(diǎn)的金屬；二是焊接金屬，如用fe2o3和al的混合物做焊藥（鋁熱劑）焊接鐵路鋼軌等。要點(diǎn)詮釋：鋁熱反應(yīng)是指鋁熱劑在高溫下發(fā)生劇烈反應(yīng)并放出大量熱的化學(xué)反應(yīng)，其中鎂條為引燃物質(zhì)，氯酸鉀為助燃物質(zhì)。（1）原理：al是還原劑，另一種氧化物是氧化劑，是鋁將氧化物中的金屬置換出來(lái)的反應(yīng)。（2）鋁熱反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是鋁將氧化物中的化合態(tài)金屬還原為金屬單質(zhì)。（3）反應(yīng)特點(diǎn)是在高溫下進(jìn)行，反應(yīng)迅速并放出大量的熱，新生成的金屬單質(zhì)呈液態(tài)且易與al2o3分離。（4）鋁熱劑是指鋁粉和某些金屬氧化物組成的混合物。（5）應(yīng)用：冶煉難熔金屬，如v、cr、mn等；焊接鋼軌等。要點(diǎn)三、廢舊金屬的回收地球上的金屬礦產(chǎn)資源是有限的，而且是不能再生的，隨著人們的不斷開(kāi)發(fā)利用，礦產(chǎn)資源將會(huì)日漸減少。廢舊金屬是一種固體廢棄物，會(huì)污染環(huán)境，把廢舊金屬作為一種資源，加以回收利用。這樣做，既減少了垃圾量、防止污染環(huán)境，又緩解了資源短缺的問(wèn)題?；厥盏膹U舊金屬，大部分可以重新制成金屬或它們的化合物再利用。例如：廢舊鋼鐵可以用于煉鋼，利用1t廢鋼煉鋼，大約可節(jié)約礦石2t、焦炭1t、石灰石0.5t?；厥找粋€(gè)鋁質(zhì)飲料罐比制造一個(gè)新的鋁質(zhì)飲料罐節(jié)約能源約95%。廢鐵屑等可以用于制鐵鹽，從電解精煉鋼的陽(yáng)極泥中，可回收金、銀等貴重金屬，從電影業(yè)、照相業(yè)、科研單位和醫(yī)院x光室回收的定影液中，可以提取金屬銀?！镜湫屠}】類型一：金屬的冶煉例1下列說(shuō)法中不正確的是（ ）a金屬的冶煉原理就是利用氧化還原反應(yīng)原理，在一定條件下將金屬?gòu)钠浠衔镏羞€原出來(lái)b冶煉金屬時(shí)，必須加入一種物質(zhì)作為還原劑c金屬由化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)，都是被還原d金屬單質(zhì)被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用得早，其活動(dòng)性一般較弱【思路點(diǎn)撥】本題考查金屬的冶煉原理?！敬鸢浮縝【解析】金屬的冶煉是將金屬化合物轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)；有的物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)冶煉金屬的時(shí)候，自身既作氧化劑又作還原劑，不需要另加還原劑，例如hgo，所以b錯(cuò)誤；金屬呈化合態(tài)時(shí)一定顯正價(jià)，當(dāng)變成游離態(tài)后，化合價(jià)就變?yōu)?價(jià)，所以被還原，c說(shuō)法正確；金屬被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用得早，說(shuō)明該金屬在自然界存在游離態(tài)，人們?nèi)菀撰@得并利用它，從而也說(shuō)明這些金屬的活動(dòng)性一般是較弱的?！究偨Y(jié)升華】金屬的冶煉利用的是氧化還原反應(yīng)。例2工業(yè)上na、ca、mg都可以用電解其熔融的氯化物而制得。試回答下列問(wèn)題：（1）寫(xiě)出電解制取ca、mg的反應(yīng)的化學(xué)方程式：_，_。（2）鉀卻不能用電解熔融kcl的方法制備，因?yàn)榻饘兮浺兹芙庠谌廴诘膋cl中而有危險(xiǎn)，可利用反應(yīng)na+kclnacl+k來(lái)制備鉀。參考下表數(shù)據(jù)：該反應(yīng)適宜選擇在什么溫度范圍內(nèi)進(jìn)行？該反應(yīng)主要應(yīng)用了什么化學(xué)原理？（3）al的制備不能用電解alcl3的方法，而采用電解熔融al2o3的方法，請(qǐng)回答以下問(wèn)題：工業(yè)上為什么不用na還原alcl3來(lái)制備al？電解al2o3時(shí)，為什么還要加冰晶石（助熔劑）？【思路點(diǎn)撥】本題綜合考查了金屬冶煉的方法及條件的選擇?！敬鸢浮浚?）cacl2ca+cl2 mgcl2mg+cl2 （2）801883 平衡移動(dòng)原理 （3）原料金屬鈉的成本較高，且鈉易被氧化、難保存，故工業(yè)上不用此法獲得大量的al。 al2o3的熔點(diǎn)較高（2072），直接電解時(shí)需要提供大量的熱量使其熔化，加入助熔劑冰晶石（na3alf6）后，在助熔劑的作用下（助熔劑的熔點(diǎn)一般很低），略加熱al2o3就會(huì)熔解且易電解出al3+、o2-，這樣有利于電解的順利進(jìn)行，既縮短時(shí)間又節(jié)約能源。【解析】（1）根據(jù)題意，直接寫(xiě)出反應(yīng)的化學(xué)方程式：cacl2ca+cl2，mgcl2mg+cl2。（2）na與kcl的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，要想使na順利置換出k，根據(jù)平衡移動(dòng)原理，需使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，最佳選擇是減少生成物k的量，即k以蒸氣逸出，其他物質(zhì)仍保留在體系中，故反應(yīng)溫度應(yīng)控制在801883之間，此時(shí)k為氣態(tài)，na、nacl、kcl為熔融態(tài)。（3）可以用鈉還原alcl3制備al，但原料金屬鈉的成本較高，且鈉易被氧化、難保存，故工業(yè)上不用此法獲得大量的al。al2o3的熔點(diǎn)較高（2072），直接電解時(shí)需要提供大量的熱量使其熔化，加入助熔劑冰晶石（na3alf6）后，在助熔劑的作用下（助熔劑的熔點(diǎn)一般很低），略加熱al2o3就會(huì)熔解且易電解出al3+、o2-，這樣有利于電解的順利進(jìn)行，既縮短時(shí)間又節(jié)約能源?！究偨Y(jié)升華】金屬冶煉方法的選擇要考慮其活潑性。舉一反三：【變式1】下列敘述正確的是（ ）a工業(yè)上用電解熔融氯化鈉的方法制取鈉b鈉加入氯化鎂的飽和溶液中可以制取金屬鎂c電解冶煉鋁的原料是氯化鋁d碳在高溫下能還原氧化鎂中的鎂【答案】ad類型二：鋁熱反應(yīng)例3粉末狀試樣a是由等物質(zhì)的量的mgo和fe2o3組成的混合物。進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：取適量a進(jìn)行鋁熱反應(yīng)，產(chǎn)物中有單質(zhì)b生成；另取20g a全部溶于0.15 l 6.0moll-1鹽酸中，得溶液c；將中得到的單質(zhì)b和溶液c反應(yīng)，放出1.12l(標(biāo)況)氣體，同時(shí)生成溶液d，還殘留有固體物質(zhì)b；用kscn溶液檢驗(yàn)時(shí)，溶液d不變色；請(qǐng)?zhí)羁眨海?）中引發(fā)鋁熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作是_。產(chǎn)物中的單質(zhì)b是_。（2）中所發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)的化學(xué)方程式是_。（3）中所發(fā)生的各反應(yīng)的離子方程式是_。（4）若溶液d的體積仍視為0.15 l，則該溶液中c(mg2+)為_(kāi)，c(fe2+)為_(kāi)。 【思路點(diǎn)撥】本題考查金屬冶煉原理（鋁熱反應(yīng)法）和化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作、物質(zhì)檢驗(yàn)、化學(xué)計(jì)算?！敬鸢浮浚?）加少量kclo3，插上鎂條并將其點(diǎn)燃 fe （2）fe2o3+6hcl=2fecl3+3h2o，mgo+2hcl=mgcl2+h2o （3）fe+2fe3+=3fe2+，fe+2h+=fe2+h2 （4）0.67 moll-1；2.3 moll-1【解析】mgo不能與鋁發(fā)生置換反應(yīng)，所以：發(fā)生的反應(yīng)是fe2o3+2al 2fe+al2o3中發(fā)生的反應(yīng)是fe2o3+6hcl=2fecl3+3h2o，mgo+2hcl=mgcl2+h2o中發(fā)生的反應(yīng)是fe+2fecl3=3fecl2，fe+2hcl=fecl2+h2中加入kscn溶液不變色，說(shuō)明fe3+完全被還原為fe2+，溶液d為mgcl2、fecl2的混合液。根據(jù)題意假設(shè)20g a中mgo和fe2o3的物質(zhì)的量均為x，則：40gmol-1x+160 gmol-1x=20g，解得x=0.1mol。 反應(yīng)后原加入的鹽酸中的cl-全部轉(zhuǎn)移到fecl2和mgcl2中，cl-守恒，所以溶液d中 【總結(jié)升華】考查的知識(shí)與技能起點(diǎn)較低，但綜合性較強(qiáng)，是典型的學(xué)科內(nèi)綜合題，同學(xué)們?cè)谄匠W(xué)習(xí)中要多加練習(xí)。舉一反三：【變式1】“鋁熱反應(yīng)”的化學(xué)方程式為：2al+ fe2o3 al2o3+2fe。某同學(xué)對(duì)“鋁熱反應(yīng)”的現(xiàn)象有這樣的描述：“反應(yīng)放出大量的熱，并發(fā)出耀眼的光芒”、“紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中”。查閱化學(xué)手冊(cè)知，al、al2o3、fe、fe2o3熔點(diǎn)、沸點(diǎn)數(shù)據(jù)如下： 物質(zhì)alal2o3fefe2o3熔點(diǎn)/660205415351462沸點(diǎn)/246729802750 （1）該同學(xué)推測(cè)，鋁熱反應(yīng)所得到的熔融物應(yīng)是鐵鋁合金。這種推測(cè)有一定的道理，理由是：_。（2）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，