第1课时 金属矿物的开发利用
课后·训练提升
1.下列关于废旧金属的处理说法不正确的是( )。
A.对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用
B.重金属对人体有害,对废旧重金属材料的处理方法是填埋
C.废旧钢铁可用于炼钢,废铁屑可用于制铁盐
D.照相业、科研单位和医院X光室回收的定影液中,可以提取金属银
答案B
解析重金属材料填埋将会对环境造成污染。
2.铝土矿的主要成分为氧化铝、氧化铁和二氧化硅,工业上经过下列工艺可以冶炼金属铝,下列说法中错误的是( )。
铝土矿abcdAl
A.①②中除加试剂外,还需要进行过滤操作
B.a、b中铝元素的化合价相同
C.③中需要通入过量的氨
D.④进行的操作是加热,而且d一定是氧化铝
答案C
解析分析可知,①中加盐酸,铝土矿中的氧化铝、氧化铁反应生成氯化铝、氯化铁,二氧化硅不反应,经过滤得到滤液a,②中加入过量NaOH溶液,滤液a中的氯化铝转化为Na[Al(OH)4],氯化铁转化为氢氧化铁沉淀,经过滤得到滤液b,因此①②中除加试剂外,均还需要进行过滤操作,故A正确;a中存在氯化铝,b中存在Na[Al(OH)4],a、b中铝元素的化合价均为+3价,故B正确;③中通入足量二氧化碳时可使Na[Al(OH)4]转化为氢氧化铝,不能通入过量的氨,故C错误;④中加热氢氧化铝可分解生成氧化铝,故D正确。
3.以辉铜矿(Cu2S)为原料冶炼铜,其反应原理可表示为Cu2S+O22Cu+SO2。下列说法不正确的是( )。
A.化合价发生变化的元素有3种
B.Cu2S在该反应中既是氧化剂又是还原剂
C.1 mol O2参加上述反应时,反应转移的电子总物质的量为4 mol
D.SO2被分离、回收后氧化生成SO3,可作为制取硫酸的原料
答案C
解析分析反应中化合价的变化:,反应过程中Cu、S、O三种元素的化合价均发生改变,A项正确;Cu2S中Cu元素化合价降低,S元素化合价升高,因此Cu2S既是氧化剂又是还原剂,B项正确;根据S元素化合价的改变可知,当1 mol O2参加反应时,共转移电子6 mol,C项错误;SO2催化氧化可得SO3,SO3被水吸收可得H2SO4,D项正确。
4.铁是应用最广泛的金属,自远古时代人类就学会了炼铁,到目前为止,人类研制出了很多炼铁的方法。某研究性学习小组的同学在实验室中模拟工业炼铁的过程,实验装置如下。
(1)写出得到单质铁的化学方程式: 。
(2)实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑,请设计一个实验来验证生成了单质铁: 。
(3)装置末端气球的作用: 。实验结束时,应该先停止加热还是先停止通入CO 原因是什么 。
答案(1)Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
(2)取少量粉末放入试管中,加足量盐酸,若产生无色无味气体,则证明生成了单质铁(答案合理即可)
(3)收集CO,防止污染空气 先停止加热,防止生成的铁再次被氧化
解析(2)检验是否生成铁单质,在反应结束后,待玻璃管内的固体冷却,取少量放入试管中,加足量盐酸,若产生无色无味气体(H2),则证明生成了单质铁。(3)反应结束后,得到的铁还是炽热的,若先停止通入CO,会导致铁又被氧化,所以,应该先停止加热,待玻璃管内的固体冷却后,再停止通入CO。(共46张PPT)
第一节 自然资源的开发利用
目 标 素 养
1.能基于金属的化学活动性认识金属在自然界中的存在形式,了解金属的常用冶炼方法。
2.了解铝热反应原理及其重要应用。
3.能说出海水水资源的重要用途,能基于物质的性质与转化思想认识从海水中提取氯化钠、溴、镁等以及从海带中提取碘的基本原理和方法。
4.能基于煤、石油、天然气的组成和用途了解其综合利用的主要途径和方法。
5.认识化学在合理开发和使用自然资源和能源中的重要作用、可持续发展的意义。
知 识 概 览
第1课时 金属矿物的开发利用
一、金属的冶炼
1.金属在自然界中存在的形态。
金属元素—
2.金属冶炼的原理。
金属冶炼的实质是利用 氧化还原反应 ,使金属矿物中的金属阳离子 得到电子 生成金属单质的过程,即Mn++ne-══M。
3.冶炼方法。
微解读以单质形式存在于自然界中的铂、金等金属,通常使用直接富集的方法获取,不需要冶炼。工业上制取活泼金属钾通常用金属钠和氯化钾在高温下反应制取;获取单质铜也可采用铁粉与硫酸铜溶液反应的方法(湿法冶铜)。
微训练1下列金属的冶炼方法中正确的是( )。
A.电解氯化钠溶液冶炼金属钠
B.电解熔融的氯化铝冶炼金属铝
C.将铁粉与氧化镁混合加热冶炼镁
D.用氢气还原氧化铁冶炼铁
答案:D
解析:冶炼金属钠应电解熔融的氯化钠,而不是电解氯化钠溶液;冶炼金属铝应电解熔融的氧化铝,而不是电解氯化铝;铁不能将氧化镁中的镁还原出来。
微训练2古代的“药金”外观与黄金相似,常被误认为是金子。其冶炼方法如下:将碳酸锌、赤铜(Cu2O)、木炭混合加热至800 ℃,得到金光闪闪的“药金”。
(1)“药金”的主要成分是 。
(2)有关冶炼的化学方程式是 、
、 。
解析:由石灰石的热稳定性可知,高温下碳酸锌分解生成氧化锌和CO2,木炭将Cu2O、ZnO还原为金属铜和锌,故“药金”的主要成分是铜、锌。
二、金属矿物的开发利用
1.合理开发利用金属资源。
金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源,还会造成环境污染,地球上的金属资源是有限的,是不可再生的,因此金属资源应 合理开发和利用 。
2.有效利用金属资源的途径。
(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。
微训练3下列说法不正确的是( )。
A.每种金属都有唯一对应的冶炼方法
B.金属活动性不同,冶炼方法也有所不同
C.地球上金属矿物资源是有限的,因此应提高金属矿物的利用率
D.对废旧金属进行回收和再利用,有利于保护环境
答案:A
解析:根据金属活动性及工艺需要等,一种金属可以有不同的冶炼方法,如冶炼铜可有湿法和火法两种,还可通过电解法精炼,A项错误;金属活动性不同,金属阳离子被还原的难易程度就不同,则冶炼方法不同,B项正确;金属资源是有限的,既要提高金属矿物的利用率,又要回收利用废旧金属,C、D两项正确。
问题探究
竖炉炼铁也是一种重要的炼铁方法,其工艺流程如图所示。
(1)赤铁矿在还原反应室中发生了哪些反应
(2)金属冶炼的实质是什么 人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系
提示:金属冶炼的实质是金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质。金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活动性。金属越活泼,冶炼时所需条件要求越高,在人类历史上出现的相对晚一些。金属越不活泼,冶炼的方法越简单,人们使用的时间越早,所以有青铜、铁器等时代的发展历程。
(3)从自然界中获得金属单质,是否都必须发生氧化还原反应
提示:否。有些金属单质化学性质稳定,如金、铂等,在自然界中主要以游离态形式存在,获得这些金属就不需要发生氧化还原反应。
重难归纳
1.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、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
2.常用的热还原法。
典例剖析
【例1】理论是实践的基础,只有掌握理论知识才能更好地促进生产的发展。下列化工生产原理错误的是( )。
①可以通过电解熔融的氯化钠来制取金属钠
②可以将金属钠加入饱和氯化镁溶液中制取金属镁
③用电解法冶炼金属铝时,原料是氯化铝
④高炉炼铁时所发生的反应都是放热反应,故无须加热
A.②③ B.①③
C.①② D.②③④
D
解析:通常用电解熔融NaCl的方法冶炼金属钠,①正确;金属钠非常活泼,将金属钠加入饱和MgCl2溶液中,金属钠先与H2O反应生成NaOH和H2,Mg2+再与OH-反应生成Mg(OH)2沉淀,②错误;AlCl3为共价化合物,熔融状态下不导电,故冶炼铝使用的是Al2O3,③错误;高炉炼铁时所发生的反应有些是放热反应,如Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2,但仍需要高温,④错误。
学以致用
1.下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是( )。
答案:C
解析:活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等可用电解法冶炼,中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等可用热还原法冶炼,不活泼金属Hg、Ag可利用热分解法冶炼,故A、B、D正确;C项不属于分解反应,错误。
2.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。下列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。
(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)发生的反应分别是
(Ⅳ):先从光卤石中提取MgCl2,再电解熔融MgCl2:
问题探究
当铁轨有缝隙时,维修工人常将铝粉与氧化铁的混合物点燃,让熔融的铁水流入铁轨的裂缝中,冷却后就将铁轨牢牢地黏结在一起,实现“无缝焊接”。
(1)请用化学方程式表示“无缝焊接”的原理。
提示:高温条件下,铝粉与Fe2O3发生反应,化学方程式为Fe2O3+2Al Al2O3+2Fe。
(2)铝粉与其他金属的氧化物也可发生类似的反应。铝粉与氧化镁能否发生类似上述反应 其他金属的活动性与铝的活动性应有怎样的强弱关系
提示:因活动性Mg>Al,故铝粉不能与氧化镁发生类似反应。其他金属的活动性应比铝的活动性弱。
(3)用铝粉与P2O5能否发生类似上述反应
提示:不能。只限于比铝活动性弱的金属的氧化物与铝粉的反应。
重难归纳
1.铝热反应的原理。
定义 铝与某些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 铝作还原剂,另一种金属氧化物作氧化剂,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(Fe2O3、Cr2O3、V2O5、MnO2等)组成的混合物
反应
特点 在高温下进行,反应迅速并放出大量的热,新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离
应用 冶炼熔点较高的相对较不活泼的金属(Cr、V、Mn等)、焊接钢轨等
2.铝热反应的实验装置。
典例剖析
【例2】利用铝热反应焊接钢轨是利用( )。
A.铝与氧气反应生成稳定的保护层
B.铝是热的良导体
C.铝是强还原剂,铝热反应放热
D.铝合金强度大
答案:C
解析:铝是强还原剂,铝热反应放出大量的热,可达到很高的温度,生成了液态铁,从而将钢轨焊接在一起。
学以致用
3.如图为铝热反应的实验装置,请回答下列问题。
(1)该实验中常在氧化铁和铝粉的混合物表面撒上少量KClO3,再插入燃着的镁条以引发反应。KClO3所起的作用是 。
(2)若将氧化铁换成氧化钙,该反应 (填“能”或“不能”)发生,理由是 。
(3)铝热反应的用途有哪些 。
答案:(1)作助燃剂,分解产生氧气,促使镁条快速燃烧
(2)不能 钙比铝活泼,铝不能置换钙
(3)用于焊接钢轨;冶炼某些熔点高的金属(答案合理即可)
解析:(1)利用镁条燃烧放热从而引发铝热反应,同时促使KClO3分解产生O2,使镁条快速燃烧。
(2)Ca比Al活泼,Al不能从CaO中置换出Ca。
1.下列关于金属冶炼的说法正确的是( )。
A.工业上常用电解NaOH水溶液制取金属钠
B.工业上常用电解熔融MgO制取金属镁
C.工业上常用CO高温条件下还原Fe2O3制取Fe
D.工业上常用金属钠与TiCl4溶液反应制取金属Ti
答案:C
解析:工业上常用电解熔融状态的氯化钠制取金属钠,A项错误;MgO熔点较高,不适宜通过电解熔融MgO制备镁,工业上常采用电解熔融MgCl2制备金属镁,其电解方程式为MgCl2(熔融) Mg+Cl2↑,B项错误;工业上在高温下用CO还原含Fe2O3的铁矿石炼铁,C项正确;钠与溶液中的水反应生成氢氧化钠和氢气,因此不能用钠与TiCl4溶液反应制取金属Ti,工业上利用钠的强还原性,采用钠与熔融的TiCl4反应的方法制取金属Ti,D项错误。
2.工业炼铁是在高炉中进行的,高炉炼铁的主要反应是:
该炼铁工艺中,焦炭的实际使用量要高于按照化学方程式计算所需,其主要原因是( )。
A.CO过量 B.CO与铁矿石接触不充分
C.炼铁高炉的高度不够 D.CO与Fe2O3的反应有一定限度
答案:D
解析:高炉炼铁的反应Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2为可逆反应,所以对焦炭的实际使用量要高于按化学方程式计算所需。
3.在冶金工业上,均能用热还原法制得的一组金属是( )。
A.Na、Mg、Al B.Na、Zn、Fe
C.Zn、Fe、Cu D.Mg、Al、Zn、Fe
答案:C
解析:Na、Mg、Al的冶炼方法为电解法;Zn、Fe、Cu的冶炼方法为热还原法。
4.下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是( )。
答案:C
解析:银的活泼性差,用加热分解氧化银的方法冶炼银,A项不符合题意;工业上电解熔融氧化铝冶炼金属铝,B项不符合题意;工业上冶炼镁可采用电解法,其原料应选用MgCl2而不是MgO,因为MgO的熔点比MgCl2的高,会消耗大量电能,成本较高,C项符合题意;该反应中Fe3O4被CO还原,属于热还原法,铁性质比较活泼,工业上常采用热还原法制取,D项不符合题意。
5.研究发现用铝热法可从下列氧化物中冶炼出有关金属,若要制得等物质的量的有关金属单质,需要消耗单质铝最多的是( )。
A.MnO2 B.V2O5 C.Cr2O3 D.WO3
答案:D
解析:设得到的金属单质的物质的量均为1 mol,A项MnO2→Mn,化合价由+4价变为0价,化合价降低4价,生成1 mol金属锰需要得到4 mol电子;B项V2O5→V,化合价从+5价变为0价,化合价降低5价,生成1 mol V需要得到5 mol电子;C项Cr2O3→Cr,化合价由+3价变为0价,化合价降低3价,生成1 mol Cr需要得到3 mol电子;D项WO3→W,化合价从+6价变为0价,化合价降低6价,生成1 mol W需要得到6 mol电子;每消耗1 mol铝能够提供3 mol电子,根据电子守恒,得到以上1 mol各金属单质,消耗单质铝最多的为WO3。
6.(1)Al与Fe3O4发生铝热反应的化学方程式为 ,
该反应中氧化剂是 ,还原剂是 。
(2)工业上电解冶炼铝的化学方程式为 。
若电路中通过1 mol电子,可以得到Al g。
