化学新素养同步人教必修二讲义+素养练第4章 第1节 第1课时 金属矿物的开发利用.docx
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化学新素养同步人教必修二讲义+素养练第4章第1节第1课时金属矿物的开发利用
第一节 开发利用金属矿物和海水资源
第1课时 金属矿物的开发利用
学习目标
核心素养建构
1.了解金属在自然界中的存在形式。
2．掌握金属的冶炼方法。
3．掌握铝热反应原理及实验。
4．了解金属回收和资源保护的意义，认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。
[知识梳理]
一、金属的冶炼
1．金属在自然界中存在的形态
除了金、铂等极少数金属以外，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界中。
在这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。
2．金属冶炼的原理
金属冶炼的实质是根据氧化还原反应，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：
Mn＋＋ne－===M。
3．冶炼方法
【自主思考】
工业上利用电解熔融MgCl2来制取Mg，而MgO比MgCl2更易获得，为什么不电解熔融MgO制取镁呢？
（MgO的熔点：
2852℃，MgCl2的熔点：
714℃）
提示 由于MgO的熔点远远高于MgCl2的熔点，将MgO熔融需要能量较多，所以采用电解熔融MgCl2的方法制取Mg，冶炼金属也要考虑节能减排。
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地开发利用。
2．有效利用金属资源的途径
（1）提高金属的利用率，减少金属的使用量。
（2）加强金属资源的回收和再利用。
（3）使用其他材料代替金属材料。
[效果自测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
（1）黄金的冶炼可用热分解法（ ）
（2）金属阳离子被还原，一定会得到金属单质（ ）
（3）工业上电解MgCl2溶液制取Mg（ ）
答案
（1）×
（2）× （3）×
2．下列有关金属的工业制法中，正确的是（ ）
A．制钠：
用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液
B．制铁：
以铁矿石为原料，CO还原得铁
C．制镁：
用海水为原料，经一系列过程制得氧化镁固体，H2还原得镁
D．制铝：
从铝土矿中获得氧化铝再得到氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝
解析 电解法制取金属钠时，需要电解熔融的NaCl，而不是其溶液，A项错误；镁的还原性很强，不能用热还原法来制取，而应用电解熔融氯化镁的方法，C项错误；熔融的氯化铝不导电，故不能电解其熔融物制取金属铝，而应电解熔融的氧化铝，D项错误。
答案 B
探究一、金属的活泼性与冶炼方法
【合作交流】
1．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泼性。
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。
2．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，用富集的方法就可以，如淘金。
3．在金属中，铝元素在地壳中的含量居第一位，为什么铝的发现和使用比铜和铁要晚得多？
提示 金属的发现和使用与金属的活动性密切相关，金属活动性越强，其相应的金属阳离子得电子的能力越弱，冶炼难度越大。
铝是一种活动性较强的金属，用一般的还原剂很难将其还原，工业上采用最强有力的氧化还原手段——电解法进行冶炼，而铜和铁用一般的还原剂就可以达到目的，所以铝的发现和使用比铜和铁要晚得多。
【点拨提升】
1．金属的冶炼原理
金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的过程，即：
Mn＋＋ne－===M。
2．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
物理方法
3.常用的热还原法
【典题例证1】 金属材料在日常生活、生产中有着广泛的运用，下列关于金属的说法不正确的是（ ）
A．越活泼的金属越难冶炼
B．合金的性质与其成分金属的性质不完全相同
C．金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子
D．工业上金属Mg、Al都是用电解熔融的氯化物制得的
解析 金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子被还原成金属原子，因此金属越活泼，对应金属阳离子氧化性越弱，则金属越难冶炼，A、C正确；合金要比各成分金属的熔、沸点低，硬度大，B正确；因AlCl3为共价化合物，其熔融态不导电，因此不能用电解AlCl3的方法来冶炼铝，而通常用电解熔融Al2O3的方法来冶炼铝。
答案 D
【学以致用1】 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③D．（Ⅳ）用④
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
（Ⅰ）：
Cu2（OH）2CO3
2CuO＋CO2↑＋H2O，C＋2CuO
2Cu＋CO2↑，符合①；
（Ⅱ）：
Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，符合③；
（Ⅲ）：
2Al＋Cr2O3
Al2O3＋2Cr，符合③；
（Ⅳ）：
先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：
MgCl2（熔融）
Mg＋Cl2↑，符合④。
答案 B
探究二、铝热反应
【合作交流】
1．铝热反应实验中镁条与氯酸钾的作用是什么？
提示 镁条的作用是燃烧放出大量的热引发KClO3分解，氯酸钾的作用是供氧剂。
2．为什么要在承接反应物的蒸发皿中垫有细沙？
提示 因为铝热反应是一个典型的放热反应，反应中放出的大量热能够使铁熔化，为了防止蒸发皿炸裂及熔融的金属溅出伤人，所以要垫细沙。
3．铝热反应在工业上有哪些重要应用？
提示
（1）冶炼熔点高的金属，如钒、铬、锰等；
（2）在野外焊接钢轨。
【点拨提升】
1．铝热反应
概念
铝和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
Al作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用铝将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
冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；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
注意事项
（1）镁条要打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃
（2）氧化铁粉末要干燥，铝粉要没有被氧化，否则难以反应
（3）要保证纸漏斗重叠时四周均为四层，且内层纸漏斗一定要用水润湿，以防高温物质从四周溅出
（4）蒸发皿中的细沙要适量，既要防止蒸发皿炸裂，又要防止熔融的液体溅出伤人
（5）实验装置要与人有一定距离，防止人被烧伤
【典题例证2】 如右图所示，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5g炒干的氧化铁粉末加2g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，______________（填化学式，下同）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？
解析
（1）铝热反应为2Al＋Fe2O3
2Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3作氧化剂，Al作还原剂。
（2）①②③④均为铝热反应的现象。
（3）铝热反应实验中为使熔融物易落下，通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；反应中镁条提供热量使氯酸钾分解；氯酸钾分解引发铝热反应。
答案
（1）2Al＋Fe2O3
2Fe＋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，同时防止溅落物迸溅过远对周围人造成伤害 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。
【学以致用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或MnO2等均可发生铝热反应。
（1）写出上述铝热反应的化学方程式：
①____________________________________________________；
②____________________________________________________；
③___________________________________________________。
（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。
解析 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。
答案
（1）①8Al＋3Fe3O4
4Al2O3＋9Fe
②10Al＋3V2O5
5Al2O3＋6V
③4Al＋3MnO2
2Al2O3＋3Mn
（2）①置换反应 还原 还原 ②弱
1．工业上获得金属镁采用的冶炼方法是（ ）
A．加热分解镁氧化物B．电解熔融氯化镁
C．高温下发生铝热反应D．高温下用氢气还原
解析 由于金属镁的活泼性较强，因此工业上一般采用电解熔融氯化镁制备金属镁。
答案 B
2．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：
①2C（焦炭）＋O2（空气）
2CO ②2Fe2O3＋3CO
2Fe＋3CO2
该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远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
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远高于按化学方程式计算所需，这样可以提高CO的浓度，促进该反应正向移动。
答案 D
3．在冶金工业上，均能用化学还原剂制得的一组金属是（ ）
A．Na、Mg、AlB．Na、Zn、Fe
C．Zn、Fe、CuD．Mg、Al、Zn、Fe
解析 Na、Mg、Al的冶炼方法为电解法；Zn、Fe、Cu的冶炼方法为化学还原剂还原法。
答案 C
4.下列关于自然界存在的矿物及对应的冶炼方法错误的是（ ）
A.磁铁矿（Fe3O4）精选后可以用铝进行冶炼
B.辉铜矿（Cu2S）精选后在高温下通入空气进行冶炼
C.铝土矿（Al2O3）在熔融条件下加入冰晶石进行冶炼
D.黄铁矿（FeS2）燃烧后的固体可用焦炭进行冶炼
解析 电解氧化铝制备金属铝时，要加入冰晶石，使氧化铝在较低温度下熔化，而不是在熔融条件下加入冰晶石进行冶炼，故C错误。
答案 C
5．
（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1mol电子，可以得到Al________g。
答案
（1）8Al＋3Fe3O4
4Al2O3＋9Fe Fe3O4 Al
（2）2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑ 9
课时作业
1．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
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。
答案 D
2．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是（ ）
选项
冶炼原理
方法
A
2HgO
2Hg＋O2↑
热分解法
B
2Al2O3（熔融）
4Al＋3O2↑
电解法
C
Cu2S＋O2
2Cu＋SO2
热分解法
D
Fe2O3＋2Al
2Fe＋Al2O3
热还原法
解析 活泼金属K、Ca、Na、Mg、Al等用电解法冶炼，中等活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、Cu等用热还原法冶炼，不活泼金属Hg、Ag利用热分解法冶炼，故A、B、D正确，C错误。
答案 C
3．成语、诗词话科学——对下列成语或诗句所描述现象的解释，你认为错误的是（ ）
成语或诗句
用化学知识解释
A
唐代李白诗句“风吹柳花满店香”
这是生活中常见的一种分子扩散运动
B
“烈火见真金”
金的性质稳定，在烈火中也不会发生反应
C
明代于谦诗句“粉身碎骨浑不怕”
它指石灰石碾碎成粉末状的物理变化过程
D
成语“百炼成钢”
通过反复锤炼，减少铁合金中碳元素的质量分数
解析 诗句“粉身碎骨浑不怕”，描述的是生石灰遇水生成氢氧化钙的过程，是化学过程。
答案 C
4.关于金属冶炼的叙述正确的是（ ）
A.工业上可利用铝热反应大量冶炼金属铁
B.金属钠、铝和铜都可用还原法制备
C.电解饱和氯化镁溶液可得金属镁
D.用足量CO还原磁铁矿得到9mol铁时转移24mol电子
解析 A选项，铝热反应可以用来冶炼高熔点金属，如金属铁，但是大量金属铁的冶炼是采用热还原法，错误；B选项，金属钠、铝等活泼金属的冶炼采用电解法，错误；C选项，电解熔融氯化镁可以获得金属镁，电解饱和氯化镁溶液可得氢氧化镁、氢气和氯气，错误；D选项，Fe3O4中Fe元素化合价有＋2价、＋3价，1molFe3O4被CO全部还原成Fe时，转移8mol电子，得到9mol铁时转移24mol电子，正确。
答案 D
5．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＋7O2
2MoO3＋4SO2
②MoO3＋2NH3·H2O===（NH4）2MoO4＋H2O
③（NH4）2MoO4＋2HCl===H2MoO4↓＋2NH4Cl
④H2MoO4
MoO3＋H2O
⑤用还原剂将MoO3还原成金属钼。
则下列说法中正确的是（ ）
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
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项错误；C项，根据反应③H2MoO4是一种不溶性酸，由HCl发生复分解反应制得，故H2MoO4不可能是强酸；D项，1molH2、1molCO和1molAl作还原剂时，失去的电子数分别为2mol、2mol和3mol，还原等量的MoO3转移电子相同，此时n（H2）∶n（CO）∶n（Al）＝3∶3∶2
答案 D
6．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
1500（升华）
1431
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．1413～1500℃
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。
答案 C
7.赤铜矿的主要成分是氧化亚铜（Cu2O），辉铜矿的主要成分是硫化亚铜（Cu2S），将赤铜矿与辉铜矿混合加热有如下反应：
Cu2S＋2Cu2O
6Cu＋SO2↑。
下列对于该反应的说法中，正确的是（ ）
A.该反应中的氧化剂只有Cu2O
B.Cu2S在反应中既是氧化剂又是还原剂
C.Cu既是氧化产物又是还原产物
D.氧化产物与还原产物的物质的量之比为6∶1
解析 A选项，反应中，Cu2S和Cu2O中的＋1价铜元素得电子生成0价的Cu，所以Cu2S和Cu2O都是氧化剂，错误；B选项，硫化亚铜中硫元素化合价升高，铜元素的化合价降低，所以Cu2S在反应中既是氧化剂，又是还原剂，正确；C选项，反应中，＋1价铜元素得电子生成0价的Cu，所以Cu是还原产物，错误；D选项，根据Cu2S＋2Cu2O
6Cu＋SO2↑可知，氧化产物和还原产物的物质的量之比是1∶6，错误。
答案 B
8．化学学科的发展对人类文明进步起到了极为重要的作用。
下列认识正确的是（ ）
A．人类对金、银、铜、铁、铝的认识与其在自然界的分布无关
B．人类解决吃、穿、住、行最有效的方法就是大力开发石油及其产品
C．工业上可用电解熔融态的MgCl2、AlCl3来制备Mg、Al
D．工业上可用空气、Cu、稀硫酸来制备CuSO4
解析 选项A，人类对金属的认识与其在自然界中的分布有着密切的关系。
选项B，石油是不可再生资源，总有一天，石油会消耗殆尽，它不是解决人类吃、穿、住、行最有效的方法。
选项C，AlCl3是共价化合物，熔融AlCl3不导电。
选项D，将铜粉放在稀硫酸中，不断通入空气，加热即可生成CuSO4。
答案 D
9．冶炼金属一般有下列四种方法：
①焦炭法；②水煤气（H2或CO）法；③活泼金属置换法或铝热法；④电解法。
四种方法各有优缺点，在工业上均有应用。
（1）一种无色气体A与红热的炭反应，得到另一种无色气体B，B与灼热的氧化铜反应，又得到A，则A、B分别为________（填字母，下同）。
A．O2、CO2B．O2、CO
C．CO2、COD．CO、CO2
（2）下列说法错误的是________。
A．对废旧金属最好的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制得
D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气或活泼金属等
（3）钛（Ti）有“未来钢铁”之称，工业上常以TiCl4＋2Mg
Ti＋2MgCl2获得海绵状钛，该反应在下列哪种环境中进行________。
A．稀有气体中B．空气中
C．氮气中D．CO2气体中
解析
（1）和氧化铜反应的气体为一氧化碳，一氧化碳和氧化铜反应生成铜和二氧化碳，所以选C。
（2）A项，废旧金属可以回收利用，故正确；B项，提炼金属要经过富集、冶炼和精炼，故正确；C项，活泼的金属要用电解法，但不一定是电解其盐溶液，故错误；D项，热还原法中常用还原剂为碳、一氧化碳、氢气和活泼的金属等，故正确。
（3）因为镁可以和氧气或氮气或二氧化碳反应，所以选A。
答案
（1）C
（2）C （3）A
10．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？
________
____________________________________________________________________。
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，取少量放于试管中，加少量盐酸，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。
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