第一节开发利用金属矿物和海水资源导学案

第一节开发利用金属矿物和海水资源导学案自然资源是指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称。人类在依托自然资源生存、发展的过程中金属矿物的开发和利用同人类的生产和生活有着非常紧密的联系，而海洋资源为人口急剧膨胀的世界展示了新的开发利用前景。目标导学1、金属在自然界中的存在形式有哪些？游离态（即单质形式）：如金、铂等不活泼金属。化合态（即化合物形式）：如Na、Mg、Fe、Cu等绝大多数金属。2、金属冶炼的实质是什么？金属的冶炼实际是金属化合物发生氧化还原反应，使金属离子从化合物中还原出来成为单质，可表示为：Mn++ne-→M化学方法是把金属化合物转变成金属单质的唯一方式。3、金属冶炼的方法与金属活动性顺序有什么关系？金属活动性顺序中，金属的位置越靠后，其金属离子越容易被还原，用一般的还原方法就能使金属还原；金属的位置越靠前，其金属离子越难被还原，最活泼的金属其金属离子只能用最强的还原手段来还原，如电解法。金属的活动性顺序KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAg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4、目前从哪些方面利用海水资源？（1）海水资源的利用：主要包括海水的淡化和直接利用海水进行循环冷却。海水淡化方法主要有：蒸馏法、电渗析法、离子交换法。（2）海水中资源的开发与利用：①以海水中NaCl为原料的相关化工产品：相关化学反应：2Na+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑2NaOH+Cl2=====NaCl+NaClO+H2O2Ca(OH)2+2Cl2=====CaCl2+Ca(ClO)2+2H2OCl2+H22HCl②海水中提取溴：主要采用空气吹出法。相关流程：海水浓缩海水Br-海水Cl-、Br-吸收塔（SO2）-Br-SO42-Cl-、Br-溴单质浓缩酸化通入Cl2通入空气水蒸气（吹入）反应后富集溴通入Cl2分离海水饱和食盐水氢气氯气氢氧化钠盐酸漂白剂冶炼金属等合成农药等造纸、玻璃、肥皂、纺织等电解点燃主要反应：Cl2+2Br-=====2Cl-+Br2Br2+SO2+2H2O=====2HBr+H2SO42HBr+Cl2=====2HCl+Br2重点讨论：1、金属的冶炼原理、步骤及方法：（1）原理：用还原法把化合态的金属还原成游离态的金属。Mn++ne-→M（2）金属冶炼的步骤：①富集：除去杂质，提高矿石中有用成分的含量。②冶炼：利用氧化还原反应的原理，在一定条件下，用还原剂把金属离子还原为金属单质。③精炼：采用一定的方法，提炼纯金属。（3）金属冶炼的方法：由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属单质的能力也就不同。因此，不同金属必须采用不同的冶炼方法。通常的方法有以下三种：①热分解法：某些不活泼金属的离子得电子能力较强，仅用加热法就可以使其从化合物中游离出来。适用冶炼金属活动性较差的金属，如汞和银。例如：2HgO2Hg+O2↑2Ag2O4Ag+O2↑②热还原法：多数金属的冶炼都采用该方法。即在高温下，采用适当的还原剂（如C、CO、H2、Al）将金属从化合物中还原出来的方法。适用活动性介于Zn～Cu之间大多数金属的冶炼。例如：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2↑WO3+3H2W+3H2O2CuO+C2Cu+CO2↑3Fe3O4+8Al9Fe+4Al2O3③电解法：活泼金属，一般的还原剂很难还原。工业上常用电解法冶炼。一般适用在金属活动顺序表中排在Al前面的金属。例如：2Al2O3（熔融）4Al+3O2↑2NaCl（熔融）2Na+Cl2↑MgCl2（熔融）Mg+Cl2↑2、铝热反应原理及其应用：（1）铝热剂与铝热反应的原理是什么？铝热剂指铝粉和某些金属氧化物（如Fe2O3、Fe3O4、V2O5、Cr2O3、MnO2等）组成的混合物。铝热反应的原理：利用金属铝的强还原性，在引燃条件下与某些金属氧化物发生置换反应。由于该反应是剧烈的放热反应，温度可高达2000℃以上，因此叫做铝热反应。（2）铝热反应的实验操作步骤及其现象：①实验步骤：把两张圆形滤纸分别叠成漏斗状态套在一起，取出内层滤纸，在其底部剪一小孔后用水润湿，再套回原处，使四周都有四层，并架在铁圈上。如图4---1所示：下面放置一盛沙子的蒸发皿。将5g炒干的氧化铁粉末和2g铝粉均匀混合放入纸漏斗，在混合物上面加少量KClO3固体，中间△△高温高温高温高温电解冰晶石电解电解插一根用砂纸抽样打磨过的镁条。用燃着的木条点燃镁条，让其发生反应：反应方程式：Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3②实验现象：镁条剧烈燃烧，放出大量的热，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应。反应放出大量的热，并发出耀眼的光，产生大量的烟。纸漏斗下部被烧穿，有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上。冷却观察为铁珠。（3）铝热反应有什么作用？①铝热反应放出大量的热，可使置换出来的金属熔化成液态。可用于野外焊接。②用于冶炼Fe、V、Mn等难熔金属。如：3MnO2+4Al3Mn+2Al2O3（4）实验中镁条和KClO3起什么作用？反应中，镁条是起引燃、启动反应的作用。KClO3在高温下释放出氧气，使镁条插入混合物中的部分能继续燃烧，放出大量的热，引发铝粉与金属氧化物的反应。铝热反应一旦被引发，将在反应本身放出的热的作用下，继续剧烈地进行。（5）实验过程中，为什么必须将纸漏斗用水润湿？承接生成物的蒸发皿内为什么要盛放少量的细沙？因为反应会放出大量的热，用水润湿纸，可使纸漏斗较长时间地承载反应混合物，防止铝热剂未反应就四处散落。蒸发皿内的细沙可以防止高温熔融物使蒸发皿炸裂，并防止熔融物溅出伤人。3、如何检验海带中的碘元素？（1）实验原理：利用氧化剂将海带中的I-氧化出来，利用淀粉遇单质碘变蓝的特性进行检验。（2）在实验前为什么要用刷子刷而不用水冲洗干海带表面的附着物？海带中碘主要以碘化钠的形式存在，碘化钠易溶于水，用水冲洗干海带会使其中所含碘分损失很多。（3）碘易升华，为什么还可以用酒精灯灼烧干海带？干海带中的碘主要是碘化钠，碘化钠熔点很高，不会挥发。（4）能否用其它氧化剂代替双氧水？双氧水将I-氧化成单质碘。可以用碘酸钾（KIO3）代替双氧水。要防止氧化剂将I-氧化成更高价态的产物（例如不宜用KMnO4、氯水等）。题例共析【例1】冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法；②水煤气（或H2或CO）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，（Ⅲ）从光卤石（主要成分MgCl2）中炼镁。对于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分析：对于（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）发生的反应及如何选择金属的冶炼方法：（Ⅰ）：Cu2(OH)2CO32CuO+CO2↑+H2O、2CuO+C2Cu+CO2↑符合①；（Ⅱ）：Fe+CuSO4=====FeSO4+Cu符合③；（Ⅲ）：Cr2O3+2Al2Cr+Al2O3符合③；（Ⅳ）：先从光卤石中提出MgCl2，再电解MgCl2：MgCl2（熔融）Mg+Cl2↑符合④。综上所述，本题应选B。解答：B【例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、MnO2等均可发生铝热反应。高温高温△△高温电解（1）写出上述铝热反应的化学方程式：①②③（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。分析：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。解答：（1）①3Fe3O4+8Al9Fe+4Al2O3②3V2O5+10Al6V+5Al2O3③3MnO2+4Al3Fe+2Al2O3（2）①置换反应还原还原②弱【例3】碘是人体必须的元素之一，海洋植物如海带、海藻中含有丰富的、以碘离子形式存在的碘元素。在实验室中，从海藻里提取碘的流程和实验装置图4—2所示：（1）指出上述提取碘的过程中有关实验操作的名称：步骤①，步骤③。写出步骤②对应反应的离子方程式：。（2）提取碘的过程中，可供选择的有机试剂是_______________。A.酒精B.四氯化碳C.苯D.醋酸（3）为了使海藻灰中的碘离子转化为碘的有机溶液，实验室里有烧杯、玻璃棒、集气瓶、酒精灯、导管、圆底烧瓶、石棉网、以及必要的夹持仪器和物品，尚缺少的玻璃仪器是。（4）从含碘的有机溶剂中提取碘和回收有机溶剂，还需要经过蒸馏。指出下图实验装置中存在的错误之处：①；②；③。（5）进行上述蒸馏操作时，使用水浴的原因是；最后晶态碘在里聚集。分析：（1）将悬浊液分离为残渣和含碘离子的溶液应选择过滤的方法。将碘水转化为含碘的有机溶液，需用对卤素单质溶解能力强的有机溶剂把碘从碘水中提取出来，故进行实验操作是萃取。含碘离子溶液中通入适量的Cl2是为了将I-氧化成I2，离子方程式为：2I-+Cl2====I2+2Cl-（2）利用碘易溶于有机溶剂的性质进行提取，须注意选择的萃取剂除了对I2有强的溶解能力外，还必须难溶于水，否则不能进行分液分离。A项酒精和D项醋酸，均为能溶于水的有机溶剂，故不能选用，B、C项符合题意。高温高温高温含碘的水溶液含碘的有机溶液晶态碘海澡海澡灰海澡灰悬浊液含I-的溶液残渣晒干灼烧浸泡氧化②适量Cl2③后期处理图4—2①（3）萃取过程要用力振荡，一般是在分液漏斗中进行了的，所缺玻璃仪器是分液漏斗。（4）①给烧瓶加热，应在烧瓶下垫石棉网，缺少石棉网是错误之一；②蒸馏过程中，温度计要测量馏出蒸气的温度，不是要测量混合液体的温度。将温度计的水银球插到液面以下，而未与支管口下端持平，是错误之二；③冷凝器中，水流方向应该是下进上出，这样可以保障冷凝器中始终充满水。若水流方向为上进下出，由于水的流速不均匀及自来水中含有气泡等原因，则很难保障冷凝器中始终充满水；若热的冷凝器中断续进入冷水，则会造成冷凝器的破裂。故冷凝管中进出水方向颠倒是错误之三。（5）水浴加热可使蒸馏烧瓶受热均匀，且能控制加热温度不至于过高。萃取剂馏出以后，碘聚集在蒸馏烧瓶之中。解答：（1）过滤萃取2I-+Cl2====I2+2Cl-（2）BC（3）分液漏斗（4）①缺少石棉网；②温度计的水银球插液面以下；③冷凝管中进出水方向颠倒（5）可使蒸馏烧瓶受热均匀，且能控制加热温度不至于过高蒸馏烧瓶知识生长常用于物质分离的几种方法：物质的分离是指通过适当的方法，把混合物中的几种物质分开（要还原成原来的形式），分别得到几种比较纯净的物质。（1）蒸馏法：适用于分离互溶，但沸点不同的液态混合物。如酒精与水的分离、海水淡化等。（2）结晶法：适用分离各组分均溶于水，但溶解度随温度变化差别较大的固体混合物。如NaCl与KNO3的分离。（3）过滤法：适用于一种可溶，另一种不溶的固态混合物。如NaCl与BaSO4的分离。（4）分液法：适用于分离两种互不相溶的液态混合物。如苯与水的分离。（5）萃取法：适用于分离溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解度不同的混合物。如用CCl4提取碘水中的碘。（6）洗气法：适用各气体与吸收剂作用不同来分离气态混合物。如CO2与CO的分离。（7）升华法：适用于分离其中一组分有升华特征的固体混合物。如碘与沙子的分离。【资料链接】再生铝的节能、环保意义生产1t原铝至少消耗4t铝土矿资源。当前全球消耗铝土矿超过一亿吨，每生产1t原铝需要耗能14000～16000kwh，而生产1t再生铝合金耗能仅为原铝生产能耗的2.6%。另外，有资料统计，再生铝生产比用水电生产原铝减少二氧化碳量91%，比用燃油发电减少二氧化碳排放量更多，环保效益十分显著。废铝的主要来源是交通运输工具的铝结构与零配件、废铝饮料罐、废建筑铝材（比如铝门窗）和电器铝材（比如废铝电线等）。我国近十年来，铝质饮料罐的生产和消费增长极快，目前年销售量大约为50亿只，1995年