第四章化學(xué)與自然資源的開發(fā)利用

第四章化學(xué)與自然資源的開發(fā)利用——以“金屬礦物的開發(fā)利用”為例2017年4月6日

普通高中化學(xué)課程標準

（實驗）人民教育出版社2003年內(nèi)容標準活動與探究建議1、以海水、金屬礦物等自然資源的綜合利用為例，了解化學(xué)方法在實現(xiàn)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化中的作用。認識化學(xué)在自然資源綜合利用方面的重要價值。2、以酸雨的防治和無磷洗滌劑的使用為例。體會化學(xué)對環(huán)境保護的意義。3、能說明合成新物質(zhì)對人類生活的影響，討論在化工生產(chǎn)中遵循“綠色化學(xué)”思想的重要性。①查閱資料：海水資源及其利用。②調(diào)查：當?shù)厮廴炯爸卫淼那闆r。③討論：如何選擇合適的洗滌劑。④查閱資料：高分子材料的應(yīng)用和發(fā)展。⑤查閱資料：符合“綠色化學(xué)”思想的化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。一、課標解讀人教版蘇教版魯科版

主要內(nèi)容實驗（鋁熱反應(yīng)）思考與交流（海底中的金屬結(jié)核礦）實驗（證明海帶中有碘元素）思考與交流（Br-變成Br2）資料卡片（海水提溴）科學(xué)視野（自然資源的開源和節(jié)流）調(diào)查研究（如何獲取氯化鈉）觀察與思考（電解飽和食鹽水）化學(xué)史話（氯的發(fā)現(xiàn)）觀察與思考（氯氣的性質(zhì)）活動與探究（氯水的性質(zhì)實驗）拓展視野（二氧化氯）觀察與思考（溴單質(zhì)和碘單質(zhì)的產(chǎn)生）資料卡（溴，碘的性質(zhì)）聯(lián)想?質(zhì)疑（海水里面有什么，存在形式）交流?研討（以食鹽為原料可以制得哪些材料）化學(xué)與技術(shù)（氯堿工業(yè)）交流?研討（海水提鎂）觀察?思考（金屬鎂的還原性）觀察?思考（溴單質(zhì)和碘單質(zhì)的物理性質(zhì)）方法導(dǎo)引（萃取和物質(zhì)分離）活動?探究（氯，溴和碘單質(zhì)的氧化性強弱比較）交流?研討（海水利用的認識）結(jié)論：魯科版的活動最多，不僅從鹵素的角度來說還從鎂的角度來說，人教版僅僅對鹵素里的溴和碘有描述，蘇教版更重視鹵素的知識。二、教材分析人教版蘇教版魯科版內(nèi)容的選取上活潑金屬和不活潑金屬的還原常見金屬的冶煉海水中的化學(xué)元素海水淡化的方法證明海帶中有碘元素有海水提溴沒有海水提鎂沒有常量元素和微量元素沒有電解飽和食鹽水金屬發(fā)現(xiàn)的歷史有海水中的化學(xué)元素沒有海水淡化的方法海帶提取碘有海水提溴（節(jié)下小標題）沒有海水提鎂沒有常量元素和微量元素有電解飽和食鹽水有海水中的化學(xué)元素沒有海水淡化的方法沒有提到海帶有海水提溴（節(jié)下小標題）有海水提鎂有常量元素和微量元素沒有電解飽和食鹽水內(nèi)容的組織上人教版主要以分科知識為主線，注意學(xué)習(xí)的歸納性，知識的系統(tǒng)性蘇教版把金屬的冶煉放在單個金屬性質(zhì)中去講解，把海水和鹵族元素的知識放在一起，充分體現(xiàn)了sts理念魯科版的海水資源采用復(fù)合線索，以學(xué)科知識和sts為主線?；瘜W(xué)與自然資源的綜合利用，關(guān)乎社會可持續(xù)發(fā)展，資源的合理利用，這恰好體現(xiàn)化學(xué)的價值，因此自然資源的綜合利用在高考中經(jīng)?？疾?。命題點：1、以某種礦石為素材，綜合考察金屬的冶煉、方程式的書寫、氧化還原反應(yīng)等知識。2、以廢舊資源的回收利用為線索，綜合考查方程式的書寫、氧化還原反應(yīng)、電化學(xué)等知識。3、以海水為素材，依托海水的淡化、氯堿工業(yè)、海水提溴、海水提碘等工藝流程，對金屬的冶煉、電化學(xué)等知識進行考查。4、以選做題（化學(xué)與技術(shù)）的形式對有關(guān)知識進行綜合考查。三、考試大綱通過查閱相關(guān)文獻，本章內(nèi)容中，已有的關(guān)于金屬礦物的開發(fā)的文獻較少，綠色化學(xué)相關(guān)內(nèi)容的文章偏多。我們通過對這部分知識的整理，以本節(jié)課中金屬的冶煉為主線，將前面已學(xué)的知識進行有機整合，并對于后面選修的內(nèi)容進行適量的補充說明。由點到線到面，使知識系統(tǒng)化地呈現(xiàn)出來。下面我們主要以金屬礦物的綜合利用為例，一起認識和體會化學(xué)在自然資源開發(fā)和利用的意義和作用。金屬礦物的開發(fā)和利用金和鉑在自然界中以單質(zhì)形式存在，故用物理的方法可以采取出來。如：淘金者們打撈起河里或湖里的淤泥后，在淘盤將淤泥洗滌，以便找出淤泥里的天然金沙。四、文獻與問題分析五、教學(xué)內(nèi)容安排組織

金屬冶煉1.熱分解法運用于不活潑的金屬,如汞可用氧化汞加熱制得.2熱還原法（中間一段）用還原劑(氫氣,焦炭,一氧化碳,活潑金屬等)還原.如制鎢用氫氣或鋁(鋁熱反應(yīng),在制取一些熔點高的金屬是可以用這個方法)制鐵用焦炭.3電解法電解法冶金會消耗大量的電能成本較高,但冶煉的金屬純度高一般用于金屬的精煉.適用于K,Ca,Na,Mg,Al等活潑金屬.4其他方法CuSO4+Fe==Cu+FeSO4（濕法煉銅）Na+KCl==K+NaCl(反應(yīng)條件是高溫，真空。）(原理是高沸點金屬制低沸點金屬。)課本實驗改進實驗實驗步驟和現(xiàn)象：1、用小刀在干粉筆上挖寬約0.5cm、深約0.3cm的淺槽后，將粉筆浸泡于盛有無水乙醇的燒杯中。2、用鑷子取出浸透乙醇的粉筆于玻璃片上，用鑰匙把2g混合好的鋁熱劑平鋪在粉筆槽中

，上面再鋪少許氯酸鉀。3、將盛藥品的粉筆傾斜固定在鐵夾上，并在下方放置盛細沙的蒸發(fā)皿。4、用火柴點燃粉筆，大約十幾秒后，氧化鐵粉末和鋁粉末發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，并發(fā)出耀眼的光芒，熔融物落入細沙中，待冷卻后，可以用磁鐵吸引。改進后的優(yōu)點：1、藥品用量減少，提高了演示實驗的安全性，演示時不會對前排學(xué)生構(gòu)成事故威脅，同時也易于分組實驗的進行。2、由于沒有使用鎂條和濾紙折成的漏斗，所以沒有鎂條燃燒的強光和濾紙燒糊這些無關(guān)現(xiàn)象的干擾，便于學(xué)生觀察和記憶。鐵的富集鐵的冶煉鐵的精煉

1、造氣2、煉鐵3、造渣電解精煉是目前制備工業(yè)純鐵的主要方法。制備高純鐵一般采用水溶液的電解精煉。工業(yè)煉鐵：采礦（獲得鐵礦石）—選礦—（將鐵礦石破碎、鐵精粉）—燒結(jié)（將鐵精粉燒結(jié)成的具有一定強度、粒度的燒結(jié)礦）——冶煉（將燒結(jié)礦運送至高爐，熱風(fēng)、焦炭使燒結(jié)礦還原成鐵水，生鐵并脫硫）—煉鋼—（用平爐或電爐進一步脫磷）高爐煉鐵早期的冶鐵技術(shù)，大多采用“固體還原法”，即冶鐵時，將鐵礦石和木炭一層夾一層地放在煉爐中，點火焙燒。但是由于炭火溫度不夠高，致使被還原出的鐵只能沉到爐底而不能保持熔化狀態(tài)流出。人們只好待把鐵煉成，煉爐冷卻后，再設(shè)法將鐵取出。這種鐵塊表面因夾雜渣滓而顯粗糙，有的還不如青銅堅韌。

在中世紀的歐洲，只有修道院或者主教人士才有充足的資金投入到煉鐵工業(yè)中去。煉鐵工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展仰仗于宗教機構(gòu)的勢力。1408年，由于采用水力鼓風(fēng)器，就有可能進行連續(xù)作業(yè)，從而可用高爐煉鐵。16世紀的高爐在兩側(cè)各開一個口，一個是風(fēng)口，另一個為出鐵口。高爐第六天（一個冶煉期）大約只能出4-5噸鑄鐵。一座高爐貯存在不了這么多的鑄鐵。由于受到容積的限制，遂發(fā)展成早期的雙爐。1549年，雙爐能生產(chǎn)出重2200公斤的鐵爐鑄件。1750年，英國的工業(yè)革命開始了。在燃燒上用焦炭代替木炭，這種轉(zhuǎn)變使煉鐵業(yè)突破了束縛，不再為木炭的短缺而陷入困境。

到18世紀末，煤和蒸汽機已使英國的煉鐵業(yè)徹底改革，鐵的年產(chǎn)量增加。但是，高爐燒焦炭勢必增加碳含量，以致早期的焦炭生鐵含碳在1.0％以上，全部成為灰口鐵即石墨鐵。

高爐的尺寸在18世紀內(nèi)一直在增大。19世紀末，平滑的爐襯公認為標準的爐襯，這基本上已經(jīng)是現(xiàn)在的爐型。爐底直徑約10米，爐高約30米。全部高爐都設(shè)有兩只以上的風(fēng)嘴。另一個巨大的進步就是采用熱風(fēng)。20世紀后，現(xiàn)代鋼鐵業(yè)就蓬勃發(fā)展起來。

尾氣處理

苯一種碳氫化合物即最簡單的芳烴，在常溫下是甜味、可燃、有致癌毒性的無色透明液體，并帶有強烈的芳香氣味。六、金屬1、在元素周期表中所處的位置2、金屬的性質(zhì)物理性質(zhì)：金屬的共性，導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性，延展性化學(xué)性質(zhì)：有金屬性（易失去電子形成陽離子），不同的金屬有不同的活潑性。3、金屬的作用生物體常量元素微量元素鐵、銅、鋅……自然界含量大于0.01%在已探明的稀土儲量中，中國位居第一，約占世界總儲量21000萬噸的43%。從中國進口稀土的主要三個國家有：日本、韓國、美國。其中，日本、韓國沒有稀土資源，而美國擁有稀土資源但禁止開采。如果中國一直保持著這樣的出口量，20年后，中國可能成為稀土小國或稀土無國。稀土金屬具有極為重要的用途，是當代高科技新材料的重要組成部分。由稀土金屬與有色金屬組成的一系列化合物半導(dǎo)體、電子光學(xué)材料、特殊合金、新型功能材料及有機金屬化合物等，均需使用獨特性能的稀土金屬。七、金屬的使用現(xiàn)狀：我們每年要向自然界索取大量的金屬礦物資源，以提取數(shù)以億噸計的金屬。據(jù)有關(guān)資料報道，現(xiàn)在世界上每年因腐蝕而報廢的金屬設(shè)備和材料相當于年產(chǎn)量的20%~40%。我國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失至少達二百億。腐蝕的巨大危害不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟損失上，它還會帶來慘重的人員傷亡、環(huán)境污染、資源浪費、阻礙新技術(shù)的發(fā)展、促進自然資源的損耗。防止金屬腐蝕已成為科學(xué)研究和技術(shù)領(lǐng)域中的重大問題。金屬腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕主要是因為金屬與氧氣、水等接觸，金屬被氧化，以及其他有腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)對金屬的腐蝕，如酸雨等。電化學(xué)腐蝕是因為原電池原理的腐蝕，這比上一個原因引起的危害更大，原理是水在金屬物表面形成水膜，溶解氧氣，二氧化碳等物質(zhì)，這時就會形成金屬為負電位的原電池，會使金屬被較快地腐蝕。導(dǎo)致金屬銹蝕的主要原因金屬腐蝕的防護改善金屬的本質(zhì)形成保護層電化學(xué)保護緩蝕劑法改善腐蝕環(huán)境在鋼中加入鎳制成不銹鋼可以增強防腐蝕能力。在金屬表面覆蓋各種保護層，把被保護金屬與腐蝕性介質(zhì)隔開，是防止金屬腐蝕的有效方法。金屬的磷化處理、金屬的氧化處理、非金屬涂層、金屬保護層。犧牲陽極法、外加電流法在腐蝕環(huán)境中加入少量緩蝕劑就能和金屬表面發(fā)生物理化學(xué)作用,從而顯著降低金屬材料的腐蝕。減少腐蝕介質(zhì)的濃度，除去介質(zhì)中的氧，控制環(huán)境溫度、濕度等都可以減少和防止金屬腐蝕。金屬腐蝕的防護方法八、金屬的合理開發(fā)與利用1、防止金屬的銹蝕，由于金屬銹蝕而浪費的金屬約占1/3，要想方設(shè)法防止金屬銹蝕；2、回收利用廢舊金屬可節(jié)約原料、節(jié)省能源，是一種保護金屬資源的有效途徑；3、有計劃、合理地開采礦物，提高金屬礦物的利用率，否則既浪費了資源，又損害了國家利益；4、尋找金屬的代用品，減少了金屬的使用等。

開源節(jié)流查找資料促進“元素觀”發(fā)展的教學(xué)設(shè)計——以“金屬礦物的開發(fā)利用”為例提出的觀點：教學(xué)必須通過具體知識的教學(xué)將客觀存在的知識形態(tài)的化學(xué)觀念轉(zhuǎn)化為學(xué)生個人形態(tài)的化學(xué)觀念。引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，讓學(xué)生思考：化學(xué)在自然資源的開發(fā)和利用方面，能夠發(fā)揮哪些作用？