8.1 自然资源的开发与利用 课件 2024-2025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1课时 金属矿物的开发利用 1 一、金属元素在自然界中的存在形式 金矿 赤铁矿Fe2O3 黄铜矿 CuFeS2 铂矿 1. 极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在 2. 绝大多数金属以化合物的形式存在 3. 在地壳中，含量最高的金属元素是铝，其次是铁 【地壳元素排序——O、Si、Al、Fe、Ca】 二、金属的冶炼原理及步骤 1. 冶炼金属的实质： Mn+ 得电子 M (被还原) 使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子 2. 冶炼金属的步骤： 矿石的富集 冶炼 精炼 (氧化还原反应) Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au 约200年前 约3000年前铁器时代 约5000年前青铜时代 约10000年前 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。 三、金属的冶炼方法 1. 物理富集法 —— 不活泼的 Pt、Au 《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， 尽是沙中海底来。 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 金、铂在自然界以游离态存在，直接通过物理方法即可提取，如“沙土淘金”。 三、金属的冶炼方法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 2. 热分解法 —— 较不活泼金属(Hg/Ag)的冶炼 古代炼丹术士葛洪的《抱朴子》中“丹砂 (HgS) 烧之成水银” 2HgO 2Hg + O2 ↑ 2Ag2O 4Ag + O2 ↑ HgS Hg + S 三、金属的冶炼方法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 3. 热还原法 ——中等活泼金属(Zn~Cu)的冶炼 常用的还原剂有：CO、H2、C(焦炭)、活泼金属Al 等 Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 高温 CuO + H2 Cu + H2O 高温 CuO+ CO Cu + CO2 实验现象 铝热剂 引发操作 反应特点 反应应用 三、金属的冶炼方法 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） 镁条剧烈燃烧，放出大量热，发出耀眼白光，纸漏斗内剧烈反应，有熔融物落入沙中。 铝粉 + 金属氧化物 (Fe2O3 Fe3O4 V2O5 Cr2O3 MnO2 ) 在铝热剂上放KClO3，插入镁条并将镁条点燃 高温引发后即可发生，不用持续加热，放出大量的热 3000°C 焊接钢轨，冶炼高熔点，且活泼性比铝差的金属 2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3 高温 4Al+ 3MnO2 2Al2O3＋3Mn 高温 三、金属的冶炼方法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 4. 电解法 —— 非常活泼金属(K~Al)的冶炼 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(Na3AlF6)作用——降低Al2O3的熔化温度 原理： 离子化合物，高温熔融后电离为自由移动的离子。 通电电解，Mn+ 得电子，被还原为金属单质。 三、金属的冶炼方法 物质 MgO Al2O3 MgCl2 AlCl3 熔点/℃ 2852 2054 714 194（以分子形式存在） Q1：电解食盐水能不能获得金属钠？ Q2：冶炼 Mg 时选择电解 MgCl2，不电解 MgO ？ Q3：冶炼 Al 时只能电解 Al2O3，不电解 AlCl3 ？ 不能！电解食盐水，Na会和水反应得到 H2 MgO熔点比MgCl2高很多，要使MgO熔融需要多消耗很多能量 因为AlCl3属于共价化合物，熔融时以中性分子形式存在，不能电离出铝离子，不导电。故冶炼金属铝是用电解熔融Al2O3的方法。冶炼Al时需加入冰晶石(Na3AlF6)，以降低熔化温度。 三、金属的冶炼方法 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 Fe+CuSO4 === FeSO4 + Cu Cu2S+O2 === 2Cu + SO2 西汉《淮南万毕术》有“曾青得铁，则化为铜”的记载。 火法炼铜 5. 其他冶炼方法 【思考与讨论】生产1 mol 铝消耗的电能至少为1.8⨯106 J，回收铝质饮料罐得到铝与从铝土矿相比，前者的能耗仅为后者的 3% ~ 5%。 四、合理开发和利用金属矿物资源 (1) 提高金属矿物的利用率 (2) 防止金属的腐蚀 (3) 加强金属资源的回收和再利用 (4) 开发环保高效的金属冶炼方法 (5) 使用其他材料代替金属材料 铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2、Fe2O3等。因此从铝土矿中提Al2O3的流程可以设计成两种方案。 a．酸溶法的工艺流程： Al2O3 Fe2O3 SiO2 Al3+Fe3+ Fe(OH)3 [Al(OH)4]- Al(OH)3 加过量HCl后滤 SiO2 Al2O3 加过量NaOH后过滤 过量 CO2 灼烧 电解 Al 铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2、Fe2O3等。因此从铝土矿中提Al2O3的流程可以设计成两种方案。 b．碱溶法的工艺流程： Al2O3 Fe2O3 SiO2 [Al(OH)4]- SiO32- H2SiO3 Al3+ Al(OH)3 NH3•H2O 加过量NaOH后过滤 Fe2O3 Al2O3 加过量HCl后滤 灼烧 电解 Al SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O 课堂训练 (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(　　) (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(　　) × √ × √ × × √ 铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2、Fe2O3等。因此从铝土矿中提Al2O3的流程可以设计成两种方案。 a．酸溶法的工艺流程： 上述过程沉淀的化学式分别为_______、 _________，前后滤液的主要阳离子的符号分别为_______________、_______写出该过程①②离子方程式分别为 ①__________________________________________________________________ ② 。 [Al(OH)4]-＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO3- ① ② SiO2 Fe(OH)3 Al3+、Fe3+ Na+ Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O Fe2O3＋6H＋=2Fe3＋＋3H2O 上述过程残渣和沉淀的化学式分别为_______、_________前后滤液的主要阳离子的符号分别为_______、_______写出该过程①②离子方程式分别为①_______________________________________________________________________ ②_________________________________________________________； 反应③的化学方程式______________________________________________。 b．碱溶法的工艺流程： ① ③ Na+ H2SiO3 Al3+ Fe2O3 SiO2＋2OH－=SiO32-＋H2O ② Al2O3＋2OH－+3H2O=2[Al(OH)4]- Al3++3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+ Al(OH)3 Al2O3+3H2O 加热 $$