8.1 自然资源的开发利用 第1课时 课件 2023-2024学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

第八章 化学与可持续发展 第一节 自然资源的开发利用 第一课时 金属矿物的开发利用 学习目标 1、知道金属在自然界中的存在形态。 2、熟知金属冶炼的方法及其原理。 3、掌握铝热反应的原理和实验。 自然资源与可持续发展 一、金属元素在自然界中的存在形式 金属 游离态 化合态 金、银、铂等极少数不活泼金属 钠、镁、铝等绝大多数金属 （单质） （化合物） 铂 金 陨铁 将金属从其化合物中还原出来的过程，工业上称之为金属的冶炼。 1.定义： 2.实质： Mn+ M 正价 0价 二、金属的冶炼 +ne- 得电子，被还原 3.冶炼步骤： 矿石 富集 冶炼 精炼 金属单质 通过采矿、选矿、粉碎、筛矿、洗矿等方法出去杂质，提高矿石中有用成分的含量 制备高纯度的金属 【思考】冶炼过程中为什么要粉碎矿石？ 增大接触面积，提高反应速率，提高原料利用率 5 三、金属的冶炼方法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 约200年前 约3000年前 约5000年前 思考：铝是地壳中含量最高的金属元素，为什么人类对铝的使用比铁、铜晚得多？ 6 1.物理方法 淘金原理： 《浪淘沙》 -刘禹锡 日照澄洲江雾开，涛金女伴满江隈。 美人首饰侯王印，尽是沙中浪底来。 金的密度比沙大 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 适用于极不活泼的金属，如Pt、Au 7 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 古代炼丹术士葛洪的《抱朴子》中“丹砂烧之成水银” 2.热分解法 2HgO === 2Hg + O2 ↑ 2Ag2O === 4Ag + O2 ↑ HgS === Hg + S 对一些不活泼金属，可以直接用加热分解的方法将它们从其化合物中还原出来。 常见的还有： 3.热还原法 常用的还原剂有：CO、H2、C(焦炭)、活泼金属 Fe2O3+3CO === 2Fe + 3CO2 高温 CuO+H2 === Cu + H2O 高温 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 炉火照天地，红星乱紫烟 Fe2O3+2Al 2Fe + Al2O3 高温 大部分金属的冶炼都是通过在高温下发生的氧化还原反应完成的。 铝热反应 铝热反应 用金属铝做还原剂冶炼活泼性不如铝且“高熔点”的金属(Fe、V、Cr、Mn等) 原理： 现象:1.镁条剧烈燃烧，发出耀眼白光 2.漏斗内剧烈反应，放出大量的热，火星四射 3.纸漏斗的下部被烧穿，有红热熔融物落入沙中，冷却后 变为黑色固体 Fe2O3+2Al === 2Fe + Al2O3 高温 铝热剂 【思考与交流】 1.铝热反应需要高温条件，是否还需要持续加热？ 2.实验中，镁条、氯酸钾的作用是什么? 3.蒸发皿中铺少量细沙的作用是什么？ 防止蒸发皿炸裂，防止熔融的液体溅出伤人 不需要 镁条是引燃剂，氯酸钾为助燃剂，点燃镁条，促使氯酸钾分解，释放出氧气，使镁条更剧烈燃烧，单位时间内放出更多热量，从而引发Al和Fe2O3发生反应。 12 铝热反应的实际应用 ① 冶炼高熔点金属，如铬、锰、钨、钒等 ② 金属焊接，如焊接钢轨 3MnO2 + 4Al ==== 3Mn + 2Al2O3 高温 Cr2O3 + 2Al ==== 2Cr + Al2O3 高温 铝热剂 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 4.电解法 MgCl2 (熔融) Mg ＋ Cl2 ↑ 电解 2NaCl (熔融) 2Na＋Cl2 ↑ 电解 2Al2O3 (熔融) 4Al ＋ 3O2 ↑ 电解 冰晶石 冰晶石的作用是降低Al2O3的熔化温度 适用于一些非常活泼的金属，采用一般的还原剂很难将它们从其化合物中还原出来，工业上常用电解法冶炼。 14 1.冶炼Mg时只能电解MgCl2，不能电解MgO？ 冶炼Al时只能电解Al2O3不能电解AlCl3？ 化合物  MgO  Al2O3  MgCl2  AlCl3  类型  离子化合物  离子化合物  离子化合物  共价化合物  熔点/℃  2800  2050  714  191  MgO的熔点高，熔融时消耗大量热能，增加生产成本；氯化铝是共价化合物，熔融态氯化铝不导电  不能。 2NaCl+2H2O == 2NaOH+H2↑+Cl2↑ 电解 2.电解食盐水能不能获得金属钠？ 【思考与交流】 5.其他金属冶炼方法 信州铅山县有苦泉，流以为涧。其水熬之，则成胆矾，烹胆矾则成铜。熬胆矾铁釜，久之异化为铜。 ——沈括《梦溪笔谈》 用矿(硫化矿，主要成分为Cu2S)二百五十箩……入大旋风炉，连烹(灼烧) 三日三夜，方见成铜。 ——明·陆容《菽园杂记》 湿法炼铜 火法炼铜 CuSO4 + Fe == Cu + FeSO4 Cu2S+O2 == 2Cu+SO2 高温 16 课堂总结 17 铝土矿 萤石 氧化铝 冰晶石 铝锭 碳素电极 液态铝 石油焦和沥青焦 电解 图8-1 铝的生产原理示意图 启示1：从铝土矿制铝消耗的能量要远远高于回收铝制饮料罐得到铝消耗的能量，因而在实际生产过程中要考虑成本。 启示2：加强废旧金属的回收和再利用是合理开发和利用金属资源的重要途径。在日常生活中要大力倡导金属垃圾的分类回收和再利用。 启示3：实际生产中，从金属矿物到纯净金属的冶炼过程是一个复杂的过程，在得到所需产品的同时也会产生废弃物，因此必须考虑废弃物的处理对环境的影响，形成绿色化学观念和可持续发展的意识。 合理开发和利用金属矿物资源的原因： （1）资源有限且分布不均 （2）金属的冶炼消耗许多能量 （3）金属冶炼造成环境污染 （4）金属腐蚀造成大量损失 四、金属矿物的开发和利用 （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 合理开发和利用金属矿物资源的措施： 20 铝是一种应用广泛的金属,工业上用Al2O3和冰晶石(Na3AIF6)混合熔融电解制得。铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2、Fe2O3等。（SiO2是酸性氧化物，可以与碱溶液反应，Fe2O3是碱性氧化物，可以与酸溶液反应）。因此从铝土矿中提炼Al2O3的流程可以设计成两种方案。 方案一：碱溶法 问题:“残渣”和“沉淀”的化学式？前后两“滤液”主要阳离子分别式什么？写出上述过程中涉及到的化学反应方程式 【拓展】铝土矿冶炼铝的工艺流程 方案二：酸溶法 问题: 前后两“沉淀”的化学式？前后两“滤液”主要阳离子分别式什么？写出上述过程中涉及到的化学反应方程式 (1)在自然界中金属元素都以化合态的形式存在(　　) (2)利用化合物冶炼金属时，金属元素一定发生还原反应(　　) 判断正误 × (3)越活泼的金属元素，人类利用的越晚(　　) (4)用热还原法冶炼金属时，可以用H2将Mg从化合物中还原出来(　　) √ √ × (5)铝热反应的本质是用铝将比铝活泼性弱的金属从其化合物中置换出来 (　　) (6)可以通过电解饱和食盐水的方法获取金属钠(　　) (7)可以通过电解熔融的MgO和AlCl3来制备金属Mg、Al(　　) √ × × 课后练习： 1. 工业上冶炼金属一般用热分解法、热还原法和电解法。你认为选择方法的主要依据是（ ） A. 金属在自然界的存在形式 B. 金属元素在地壳中的含量 C. 金属熔点高低 D. 金属阳离子得电子的能力 D 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，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 B 3.明矾[KAl(SO4)2·12H2O] 在生产、生活中有 广泛用途：饮用水的净化、造纸工业上作施胶剂、 食品工业的发酵剂等。利用炼铝厂的废料——铝 灰(含Al 、 Al2O3及少量SiO2和FeO、Fe2O3)可制备明矾。工艺流程如下： 已知：SiO2是不溶于硫酸的固体.回答下列问题： （1）Al2O3与稀硫酸反应(用离子方程表示) _____________________________。 （2）操作Ⅰ的名称是_____________ ，滤渣Ⅰ的主要成分是______________。 （3）检验滤液Ⅰ中是否存在Fe3+的方法是______________________________________________。 （4）在滤液Ⅰ中加入高锰酸钾目的是____________，发生反应的离子方程式为(该条件下H+ 参与反应、Fe2+转化为Fe3+、MnO 转化为Mn2+)____________________________________。 （5）根据流程图推测加入沉淀剂的目的是___________，滤渣Ⅱ中主要含有___________(填化学式，只写一种即可)。 Al2O3+6H+=2Al3++3H2O 过滤 SiO2 取少量滤液滴加KSCN溶液变成红色或滴加NaOH溶液产生红褐色沉淀 氧化Fe2+ MnO4- +5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O 除去Fe3+ Fe(OH)3或MnO2 Lavf57.4.100 $$