8.1.1金属矿物的开发利用 课件 -2024-2025学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

第一节 自然资源的开发利用(1) 金属矿物的开发利用 第八章 化学与可持续发展 游离态：自然界以单质形式存在，如“陨铁”和金等。 化合态：自然界以化合物形式存在，如黄铜矿、赤铁矿、铝土矿等。 黄铜矿(CuFeS2) 赤铁矿(Fe2O3) 铝土矿 (Al2O3) 还有一些金属以离子或矿石的形式分布于海洋中，如钠、镁、锰等。 1.绝大多数是化合态，极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在。 2. 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】 陨铁 金矿 Au 铂矿 Pt 一、金属元素在自然界中的存在形式 思考： ① 铝是地壳中含量最高的金属元素，为什么对铝的使用比铁、铜晚得多? ②人类冶炼、使用金属的先后顺序与金属的活动性有什么关系? 人类的金属应用史： 如图表示金属活动性顺序表中铜、锡、铁和铝元素被人类大规模开发利用的大致年限。 金属的位置越靠后（活动性越弱），人类开发、利用它的时间越早； 金属的位置越靠前（活动性越强），人类开发、利用它的时间越迟，要用较高的技术手段冶炼。 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。发明了电及电解法后，铝才被大量提炼。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。 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，其阳离子氧化性越弱，就越难被还原，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现就越晚。金属越不活泼，其阳离子氧化性越强，就越易被还原，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早。 人类使用的金属材料中金属的存在状态？ 人们日常应用的金属材料，多为合金或纯金属，这就需要把金属从矿石中提炼出来，这就是人们常说的金属的冶炼。 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) 利用氧化还原反应，使金属化合物中的金属阳离子得到电子变成金属原子。即： 2. 冶炼金属的步骤： 矿石的富集 冶炼 精炼 (氧化还原反应) 由化合态（化合物） 制备游离态（单质） 除去杂质 提高金属的比例 制备高纯度的金属 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 三、金属的冶炼方法 五五二二法 物理方法2个金属 电解法 5个活泼金属 热还原法 5个中等活泼金属 热分解法2个金属 不活泼 (1)热分解法（Hg Ag） (2)热还原法（Zn Fe Sn Pb Cu ） (3)电解法（K Ca Na Mg Al） (4)其他方法：湿法（火法）炼铜 （一）物理提取法（Pt Au） （二）化学方法 三、金属的冶炼方法 （一）物理收集 —— 最惰性的 Pt、Au K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 刚果手工金矿开采 马达加斯加街头淘金者 淘金原理：金的密度比沙大 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。 用淘洗的方式进行富集，适用于极不活泼的金属 三、金属的冶炼方法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au （1）热分解法：适合一些不活泼金属(Hg/Ag)的冶炼 （二）化学方法 2HgO 2Hg + O2 ↑ 2Ag2O 4Ag + O2 ↑ HgS Hg + S 古代炼丹术士葛洪的《抱朴子》中“丹砂 (HgS) 烧之成水银” 三、金属的冶炼方法 （2） 热还原法 ——（ Zn—Cu中等活泼金属，在高温条件下用还原剂将金属从化合物中还原出来） 常用的还原剂有：CO、H2、C(焦炭)、活泼金属 等 炉火照天地， 红星乱紫烟 （秋浦歌 李白） 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 铝的活泼性强于铁，那么铝能否从铁的化合物中置换出铁呢？ 铝热剂：铝粉和某些金属氧化物粉末（如Fe2O3、MnO2、V2O5）组成的混合物。 镁条作用：镁条为引燃剂，燃烧放出热量，引发铝热反应 氯酸钾作用：氯酸钾做助燃剂，受热分解出氧气，以保证镁条的继续燃烧。 沙子作用：承接熔融的铁水，防止损坏实验台。 内层漏斗底部剪一个孔作用：使熔融物易于落下。 铝热反应现象: 镁条剧烈燃烧，放出大量的热，发出耀眼的白光， 纸漏斗内剧烈反应，纸漏斗被烧穿，有熔融物落入沙中。 铝热反应 Fe2O3+2Al === 2Fe + Al2O3 高温 三、金属的冶炼方法 （2）热还原法 ——中等活泼金属(Zn~Cu)的冶炼 Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3 高温 3MnO2 + 4Al 3Mn + 2Al2O3 高温 Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3 高温 铝热反应的应用： ① 焊接钢轨； ② 定向爆破； ③ 冶炼熔点高的金属 （钨、钒、铬、锰等） 某些金属氧化物（如Fe2O3、MnO2、Cr2O３、V2O5等） 铝＋某些活泼性弱金属氧化物 　 金属＋氧化铝　 高温 原理：活泼性强的金属制活泼性弱的金属 常用的还原剂有：CO、H2、C(焦炭)、活泼金属 等 由于早期炼铝十分困难，所以铝的价格十分昂贵，一度超越金银之上。 直至19世纪上半叶，铝还是欧洲许多高级珠宝店的高档货。 自从美国青年化学家霍尔发明电解制铝法后，制铝工艺不断改进。 现在人们已经熟练掌握了从铝土矿（主要成分是Al2O3，当然还有很多其它杂质）中冶炼铝的技术，使得制铝成本大大下降，铝的价格也一降千丈，走入千家万户。 三、金属的冶炼方法 三、金属的冶炼方法 （3） 电解法 —— 电解非常活泼金属的熔融盐或氧化物 MgCl2 (熔融) Mg ＋ Cl2 ↑ 电解 2NaCl (熔融) 2Na＋Cl2 ↑ 电解 2Al2O3 (熔融) 4Al ＋ 3O2 ↑ 电解 冰晶石 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+ 在阴极得电子，被还原为金属单质。 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 冰晶石(Na3AlF6)作用——降低Al2O3的熔化温度 注意： ①“熔融”是熔融态的纯净物！！而不是水溶液。 ②必须是离子化合物，共价化合物熔融不导电。 电解法的缺点：耗能大 思考：选用哪种物质冶炼钠、镁、铝? 信息:MgCl2熔点:7140C，MgO熔点:28520C MgCl2与MgO均为离子化合物，熔点 MgCl2 (714 ℃) 低于 MgO (2852 ℃)，熔融能耗低氧化镁熔点很高，熔融时消耗的能量大。 冶炼 Na用熔融NaCl 冶炼 Mg用熔融MgCl2 冶炼 Al用熔融Al2O3 电解食盐水能不能获得金属钠？ 不能！电解食盐水，阴极得到 H2 而非 Na！ 2NaCl+2H2O NaOH+Cl2↑+H2↑ 冶炼 Mg 时选择电解 MgCl2，不电解 MgO 冶炼 Al 时只能电解 Al2O3 (熔点 2054 ℃) ，不电解 AlCl3 (194℃) ？ AlCl3 是共价化合物，熔融无 Al3+产生且不导电！ Al2O3熔点高添加冰晶石（助熔剂）减少能量消耗 （4）其他特殊冶炼方法 Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu 湿法冶铜： 火法冶铜： Cu2S＋O2 SO2＋2Cu 铜的冶炼 ✹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》 三、金属的冶炼方法 阅读课本P99第一自然段思考：为什么要合理开发和利用金属矿物资源？如何有效利用金属矿物? 1、原因： 2、措施： （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 （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 （4）加强金属资源的回收和再利用 （5）使用其他材料代替金属材料,减少金属的使用量 （3）防止金属的腐蚀 四、合理开发和利用矿物资源 课堂小结 五五二二法 电解法 5个活泼金属 热还原法 5个活泼金属 热分解法2个金属 物理方法2个金属 电解法 5个活泼金属 热还原法 5个活泼金属 热分解法2个金属 铝土矿 NaOH溶液 二氧化碳 Al(OH)3 Al2O3 Al NaAlO2溶液 ①溶解 ④过滤 ⑤灼烧 ⑥电解 ②过滤 ③酸化 矿物的溶解 Al2O3 +2NaOH == 2NaAlO2 + H2O 滤液的酸化 NaAlO2 + CO2 + 2H2O == Al(OH)3↓+ NaHCO3 灼烧 电解 Al(OH)3可溶于强酸、强碱，不溶于弱酸弱碱！过量CO2无法溶解Al(OH)3，少量CO2生成的是CO32-，过量CO2生成的是HCO3-。 1. 工业流程 2. 反应原理 2Al(OH)3 === Al2O3+3H2O 高温 2Al2O3 === 4Al + 3O2↑ 电解 铝的冶炼 18 Lavf58.30.100 $$