8.1 自然资源的开发利用（第1课时 金属矿物的开发利用）（解析版）-2022-2023学年高一化学同步素养目标精品讲义（人教版2019必修第二册）

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第八章 第一节 化学与可持续发展
第1课时 金属矿物的开发利用
【学习目标】
1. 了解金属在自然界中的存在形态，熟知金属冶炼的方法及其原理，掌握铝热反应的原理和实验。
2. 以金属矿物的开发和利用为例，认识化学方法在实现物质间转化中的作用，体会保护金属资源的重要性。
【素养目标】
通过金属冶炼原理的学习和冶炼方法的归纳，理解氧化还原反应在金属矿物开发中的应用，构建金属冶炼的思维模型。培养学生“证据推理和模型认知”的学科素养。
体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用，解释化学与可持续发展的重要关系，树立资源保护意识及合理开发意识。培养学生“科学态度和社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：自然资源与可持续发展
1．自然资源
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。
2．可持续发展的目标
是满足人类需要，强调人类的行为要受到自然界的制约、强调代际之间、人类和其它生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。它包括经济的可持续发展，社会的可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展和全球可持续发展。
知识点二：金属矿物的开发利用
1．金属元素在自然界中存在的形态
(1)极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在。
(2)绝大多数金属元素以化合物的形式存在于自然界。
(3)在地壳中，含量最高的金属元素是铝，其次是铁。
2．金属冶炼原理与实质
(1)原理：金属从化合物中还原出来。
(2)实质：化合物中金属得到电子被还原生成金属单质，即：Mn++ne ===M。
3．金属冶炼方法
(1)加热分解法
①制Hg：2HgO2Hg＋O2↑。
②制Ag：2Ag2O4Ag＋O2↑。
(2)电解法
①制Mg：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。
②制Al：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。
③制Na：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。
(3)热还原法：高温加热条件下用还原剂把金属还原出来
①常用还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气、铝等。
②高炉炼铁：CO还原Fe2O3的化学方程式为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2。
③铝热反应：Al还原Fe2O3的化学方程式为2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3。
【点拨】工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO的原因是MgO的熔点比MgCl2的高，冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物，熔融状态不导电。
【归纳总结】 金属冶炼方法与金属活动性的关系
金属活动性顺序 K、Ca、Na、Mg、Al Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu Hg、Ag Pt、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 富集法
常用的热还原法
4．合理开发和利用金属资源的主要途径
(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)加强废旧金属的回收和再利用；
(5)使用其他材料代替金属材料。
典例1． 下列说法中，正确的是(　　)
A．简单地说，金属的冶炼就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
【答案】C
【解析】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，因此，金属冶炼过程中，被冶炼的金属只能被还原。
典例2． 下列金属冶炼原理错误的是(　　)
A．2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
B．MgO＋H2Mg＋H2O
C．Fe3O4＋4CO3Fe＋4CO2
D．2HgO2Hg＋O2↑
【答案】B
【解析】Na、Mg通常用电解法制取，Fe用还原剂法制取，Hg可用加热其化合物的方法制取。Mg的活动性比H2强，H2不能置换出Mg，B项错。
【知识拓展】铝热反应
1．铝热反应原理
(1)概念：铝与某些难熔金属氧化物(如Fe2O3、Cr2O3、MnO2等)在高温条件下发生的置换反应称为铝热反应。
(2)反应原理(以铝和氧化铁反应为例)：Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3。
(3)铝热剂：铝粉和某些难熔金属氧化物(如Fe2O3、Cr2O3、V2O5、MnO2等)的混合物。
(4)反应特点：
①在高温下进行。
②反应迅速并放出大量的热。
③新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离
(5)应用：在冶金工业上常用这一原理制取熔点较高的金属，如V、Cr、Mn等；也可用于焊接钢轨等。
2．铝热反应实验
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
典例3． 用铝热法还原下列化合物，若获得金属各1 mol，消耗铝最少的是(　　)
A．MnO2 B．Cr2O3 C．WO3 D．CuO
【答案】D
【解析】制备1 mol金属，根据氧化还原反应中得失电子数相等的原理，金属离子得电子数越多，需要铝的质量越大。而生成1 mol金属，该金属在化合物中化合价越高，则消耗铝越多；反之则越少。在这四种化合物中只有D项中Cu的化合价最低，故选D。
典例4．下列有关金属冶炼的说法中，不正确的是(　　)
A．用电解熔融氯化镁的方法冶炼金属镁
B．在加热情况下利用氢气还原三氧化二铝得到金属铝
C．用铝热法炼得熔点较高的金属铬
D．直接加热氧化汞得到金属汞
【答案】B
【解析】铝的活泼性比氢强，应选用电解法冶炼。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
典例5． 从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。如图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后，主要取决于(　　)
A．金属的导电性强弱 B．金属在地壳中的含量多少
C．金属的化合价高低 D．金属的活动性强弱
【答案】D
【解析】由于人类掌握科学知识的局限性，越活泼的金属越难以冶炼，故发现年代越晚。
典例6． 我国古代炼丹家魏伯阳所著《周易参同契》是世界上现存最早的一部炼丹专著。书中描写到：“金入于猛火，色不夺精光。”这句话的意思是指黄金的性质在强热条件下(　　)
A．活泼 B．稳定 C．易氧化 D．易还原
【答案】D
【解析】金的性质稳定，在强热条件下也不反应
典例7．诺贝尔化学奖获得者施罗克等人发现金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。工业上冶炼钼的化学反应过程为
①2MoS2＋7O22MoO3＋4SO2　
②MoO3＋2NH3·H2O===(NH4)2MoO4＋H2O　
③(NH4)2MoO4＋2HCl===H2MoO4↓＋2NH4Cl　
④H2MoO4MoO3＋H2O
⑤用还原剂将MoO3还原成金属钼。则下列说法正确的是(　　)
A．MoS2煅烧产生的尾气可直接排放
B．MoO3是金属氧化物，也是碱性氧化物
C．H2MoO4是一种强酸
D．利用H2、CO和Al分别还原等量的MoO3，所消耗还原剂的物质的量之比为3∶3∶2
【答案】D
【解析】A项明显错误，生成物SO2对环境污染严重；B项，根据②中生成物(NH4)2MoO4可知，该化合物属于盐，对应的酸是H2MoO4，故MoO3不属于碱性氧化物，B项错；C项，根据反应③H2MoO4是一种不溶性酸，溶液中c(H＋)不可能很大，故H2MoO4不可能是强酸；D项，1 mol H2、1 mol CO和1 mol Al作还原剂时，失去的电子数分别为2 mol、2 mol和3 mol，还原等量的MoO3，故转移电子相同，此时n(H2)∶ n(CO)∶n(Al)＝3∶3∶2。
【跟踪练习】 基础过关
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① B．(Ⅱ)用② C．(Ⅲ)用③ D．(Ⅳ)用④
【答案】B
【解析】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。
2． 下列说法错误的是(　　)
A．对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用
B．提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步
C．活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液
D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等
【答案】C
【解析】活泼金属的冶炼是电解其熔融盐(如MgCl2、NaCl等)或熔融氧化物(如Al2O3等)制得的，电解其盐溶液得不到金属单质，C错误。
3． 氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼，下列说法不正确的是(　　)
A．电解熔融氯化钠制取金属钠的反应中，钠离子被还原，氯离子被氧化
B．湿法炼铜与火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应
C．用磁铁矿炼铁的反应中，1 mol Fe3O4被CO还原成Fe，转移9 mol e－
D．铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化。
【答案】C
【解析】C项，应转移8 mol e－。
4． 下面是部分矿物资源的利用及产品流程，有关说法不正确的是(　　)
A．不可用电解AlCl3的方法制备金属铝
B．生产铝、铜、高纯硅及玻璃过程中都涉及氧化还原反应
C．黄铜矿冶炼铜时，副产物SO2可用于生产硫酸，FeO可用作冶炼铁的原料
D．由粗硅制取高纯硅时，提纯四氯化硅可用多次分馏的方法
【答案】B
【解析】AlCl3是共价化合物，熔融时不导电，故不可用电解AlCl3的方法制备金属铝，A正确；制备单质时涉及化合价变化，是氧化还原反应，制玻璃的反应是SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑和SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑，化合价未发生变化，不属于氧化还原反应，B错误；SO2可以转化成SO3，进而生成H2SO4；FeO与CO在高温下可生成Fe，C正确；制备硅的过程中，利用沸点不同进行分馏，将SiCl4从杂质中提取出来，再与H2发生置换反应得到高纯硅，D正确。
金属K与Na金属性相近，用K与钠盐共熔时，很难将Na从混合物中分离。若调整温度到一定程度，则可用Na与KCl反应制取金属K。已知四种物质的熔、沸点如下：
K Na KCl NaCl
熔点(℃) 63.65 97.8 770 801
沸点(℃) 774 882.9 1 500(升华) 1 431
根据平衡移动原理可推知，用Na与KCl反应制K的适宜温度是(　　)
A．97.8～770 ℃ B．770～774 ℃
C．774～882.9 ℃ D．1 413～1 500 ℃
【答案】C
【解析】在金属活动性顺序表中，Na排在K的后面，似乎不能从K的熔融盐中置换出K。但将Na与KCl共熔，其共熔体中Na＋、K＋、Cl－和e－自由移动，如果继续加热，则Na、K、NaCl和KCl首先沸腾者先逸出。工业上，就是采用这种原理用Na还原K的，因为K的沸点比Na、NaCl、KCl的沸点都低，且低于NaCl的熔点。
能力达成
6． 冶炼金属常用以下几种方法：①以C、CO或H2作还原剂还原　②以较活泼金属Na、Mg等还原　③利用铝热反应原理还原　④电解法　⑤热分解法
下列金属各采用哪种方法还原最佳。
(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属 。
(2)Na、Mg、Al等活泼或较活金属 。
(3)Hg、Ag等不活泼金属 。
(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属 。
(5)K、Rb、Cs、Ti等金属通常还原方法是 。
【答案】(1)①　 (2)④　 (3)⑤　 (4)③　 (5)②
【解析】选择的方法应以节约原料和降低成本为标准，同时有较高的产率，并易分离。根据每种金属的特点应选择最佳方案。其中(5)K、Rb、Cs、Ti等利用的原理比较特别，不是用活泼金属置换不活泼金属，而是平衡的原理，如Na＋KClNaCl＋K，抽离钾蒸气此反应得以继续进行。而Ti是用Na来置换的：4Na＋TiCl44NaCl＋Ti或用Mg来置换：2Mg＋TiCl42MgCl2＋Ti。
7． 如下图所示，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5 g炒干的氧化铁粉末和2 g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。
观察发生的现象。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)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？ 。
【答案】(1)2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3　Fe2O3　Al　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。
8． 钛(Ti)被称为继铁、铝之后的第三金属，钛白(TiO2)是目前最好的白色颜料。制备TiO2和Ti的原料是钛铁矿，我国的钛铁储量居世界首位。用含Fe2O3的钛铁矿(主要成分为FeTiO3)制备TiO2流程如下：
(1)步骤①加Fe的目的是_________________________________________________________；
步骤②冷却的目的是________________________________________________________。
(2)上述制备TiO2的过程中，可以利用的副产物是__________________；考虑成本和废物综合利用因素，废液中应加入______处理。
(3)由金红石(TiO2)制取单质钛(Ti)，涉及到的步骤为：
―→
反应TiCl4＋2Mg===2MgCl2＋Ti在Ar气氛中进行的理由是___________________。
【答案】 (1)将Fe3＋还原为Fe2＋　 析出绿矾(FeSO4·7H2O)
(2)绿矾(FeSO4·7H2O)　 生石灰(或碳酸钙、废碱)
(3)防止高温下镁或钛与O2、N2等反应
【解析】 (1)分析框图知，铁最终转化成副产品绿矾，所以要将＋3价Fe转化为＋2价Fe，降温减小FeSO4·7H2O的溶解度，有利于绿矾结晶。(2)水浸后发生的离子反应为TiO2＋＋2H2O===H2TiO3↓＋2H＋，废液主要呈酸性，所以应加入CaO、CaCO3或碱。(3)反应后Ti和Mg易与空气中O2、N2等反应，故应在Ar气氛中进行。
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