8.1自然资源的开发利用2025-2026学年高一下学期化学人教版必修二

学 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 资料：自然资源 1.自然资源是人类社会发展不可或缺的自然物质基础 2.自然资源的分类 土地与土壤资源 矿产资源 生物资源 水资源 能源资源 环境资源 3.自然资源能否再生 可再生资源 不可再生资源 植物、微生物、可降解塑料袋、水资源、地热资源 金属矿产和非金属矿产（煤、石油、天然气、土壤等） 一、金属矿物的开发利用 (一).金属元素在自然界的存在 ⑴游离态： 少数不活泼金属 铂矿 银 陨铁 金矿 ⑵化合态： 绝大多数金属以矿物质形式存在 蓝铜矿 赤铁矿 赤铜矿 钨矿 铝矿 孔雀石 铅锌矿 菱镁矿 黄铜矿 (二)金属的冶炼 1.定义：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。 2.实质： Mn+ M +ne- 得电子，被还原 3.冶炼步骤： 富集 除杂,提高矿石中有用成分的含量 利用氧化还原反应将金属化合物还原成单质 提纯金属 冶炼 精炼 正价 0价 4.方法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 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。 约10000年前 约6000年前 约6000年前 约2500年前 约200年前 为什么地壳中铝的含量比铁和铜高，但使用的时间却晚得太多？ 金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现相对晚一些。 思考1 4.方法 ①物理法——富集法 淘金原理： 金的密度比沙大 金在自然界中以游离态存在。 “沙里淘金”有诗为证： “千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金” （2）热分解法 明代炼丹炉 丹砂烧之成水银 直接加热金属氧化物 2HgO 2Hg＋O2↑ 2Ag2O 4Ag＋O2↑ 贵州省是中国著名的汞矿产区， 拥有丰富的汞矿资源 炼矿曰扯铜，其法矿千斤(氧化矿，灼烧得CuO)用炭七八百斤不等，炉如来墙，底作圆窠，铺以炭末，始加矿炭……而铜沉于低，有流碣，即铜成之候矣——清·张泓《滇南新语》 你知道吗？ 铜是人类第一种大量使用的金属，结束了漫长的“石器时代” 铜 镜 汉武帝时铜币 先秦刀币 司母戊鼎 铜虎头 CuO＋C Cu＋CO↑ 　 (3)热还原法 CuO+H2 === Cu + H2O 高温 2PbS+3O2 2PbO+2SO2 高温 ①富集:将方铅矿(PbS)进行浮选 ②焙烧: ③制粗铅:PbO+C    Pb+CO↑; PbO+CO     Pb+CO2 高温 高温 铅的冶炼大致过程如下: 我国是世界铅生产和铅消费的最大国， 铅的冶炼方法：成本高、污染严重 单质 Sn的制备： 将SnO2与焦炭充分混合后，于惰性气氛中加热至800℃，由于固体之间反应慢，未明显发生反应。若通入空气在800℃下， SnO2能迅速被还原为单质 Sn。 (3)热还原法 ②铁的冶炼(高炉炼铁) Fe2O3+3CO === 2Fe + 3CO2 高温 常用的还原剂有： CO、H2、C(焦炭)、活泼金属 (3)热还原法 （3）热还原法——铝热反应 应用： 焊接钢轨， 冶炼高熔点，且活动性比铝弱的金属如铬、锰、钨、钒等 2Al + Fe2O3 === 2Fe＋Al2O3 高温 镁条剧烈燃烧，发出耀眼白光， 漏斗内剧烈反应，放出大量的热， 火星四射，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。 引燃剂 助燃剂 铝热剂 铝热反应 铝单质做还原剂冶炼高熔点，且活动性比铝弱的金属（Fe、V、Cr、Mn等） 铝热剂：铝粉和金属氧化物 (V2O5/Cr2O3/MnO2/FexOy等)的混合物 Fe2O3+2Al 2Fe + Al2O3 高温 3MnO2+4Al 3Mn+ 2Al2O3 高温 Cr2O3+2Al 2Cr + Al2O3 高温 3Co3O4+8Al 9Co + 4Al2O3 高温 3V2O5+10Al 6V+ 5Al2O3 高温 置换反应 （3）热还原法 钨棒 三氧化钨 钨矿 WO3＋3H2 W＋3H2O 　 2Al＋WO3 W＋Al2O3 　 高温 你知道吗？ 拿破仑大帝喜欢炫耀自己。每次宴会，餐桌上的用具几乎全是用银制成的，唯有他自己用的那一个碗 却是铝制品。为什么贵为法国皇帝用色泽要暗得多的铝碗呢？ 1827年，德国化学家维勒用金属钾制得了铝 1854 年，法国的德维尔用金属钠制得铝 到19世纪末，铝的价格发生了成千倍的跌落！ 1886年发明了一种炼铝的方法。 电解法 置换反应 观看 （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 加入冰晶石(Na3AlF6)能够溶解氧化铝而又能降低其熔点，且冰晶石在电解温度下不被分解，并有足够的流动性，有利于电解 ——适用于很活泼的金属（K Ca Na Mg Al ） 思考2 结合下列表格物质的熔、沸点数据分析，为什么冶炼镁时，选择MgCl2而不是MgO？为什么冶炼铝时，选择Al2O3而不是AlCl3？ 物质 MgO Al2O3 MgCl2 AlCl3 熔点/℃ 2 852 2 054 714 190(以分子形式存在) 沸点/℃ 3 600 2 980 1 412 180 MgO熔点高，耗能多； AlCl3的沸点比熔点低，易升华，是共价化合物，熔融状态下不导电。 电解法制备此类金属，能否在水溶液中进行? 不能，因为此类金属的活动性强，阳离子的氧化性弱于水电离的氢离子，根据氧化还原反应的先后规律，轮不到它们得电子被还原。 2NaCl+2H2O ==== 2NaOH+H2↑+Cl2↑ 电解 思考3 （5）其他的冶炼方法 Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu 湿法炼铜 火法炼铜 Cu2S＋O2 === 2Cu＋SO2 高温 火烧孔雀石炼铜 Cu2(OH)2CO3 === 2CuO + H2O + CO2↑ 高温 C + 2CuO === CO2 ↑ + 2Cu 难挥发性物质制备易挥发性的物质 Na+KCl (熔融) === NaCl+K↑ 人类很早就发现，孔雀石在熊熊燃烧的树木中灼烧，树木余烬里会有一种红色光亮的金属凝固出来。 Cu2(OH)2CO3 孔雀石 即：Mn+ + ne- M 由于不同的金属离子得电子的能力不同,所以冶炼的方法不同 不活泼的金属 K、Ca、Na、Mg、Al、 Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、 Hg、Ag、Pt、Au 非常活泼的金属 中等活泼的金属 4.方法总结 地球上的金属矿物资源是有限的，且分布不均。人类通过金属的冶炼，每年从自然界中提取数亿吨计的金属，这个过程会消耗许多能量，也易造成环境污染。而金属的腐蚀现象普遍存在，也造成了大量的损失。如何利用金属资源？ 5、合理开发、利用金属资源 课本99 途径 提高金属矿物的利用率 开发环保高效的金属冶炼方法 加强废旧金属的回收和再利用 使用其他材料代替金属材料 防止金属的腐蚀 课堂思考 你想到了什么？ 请将你的想法与同学交流 计算表明，生产1mol铝消耗的电能至少为1.8×106J，回收铝质饮料罐得到铝与从铝土矿制铝相比，前者的能耗仅为后者的3%~5%。通过对上述数据的分析和比较，结合图8-1和图8-2，你想到了什么？请将你的想法与同学交流。 计算表明，生产1mol铝消耗的电能至少为1.8×106J，回收铝质饮料罐得到铝与从铝土矿制铝相比，前者的能耗仅为后者的3%～5%。通过对上述数据的分析和比较，结合图8-1和图8-2，你想到了什么？请将你的想法与同学交流。 启示1：从铝土矿制铝消耗的能量要远远高于回收铝质饮料罐得到铝消耗的能量，可知在实际生产过程中必须考虑投入与产出，要考虑成本。 启示2：加强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。要树立金属垃圾也是一种宝贵资源的理念。在日常生活中，要大力倡导金属垃圾的分类回收和再利用，养成自觉珍惜自然资源、节约资源、爱惜环境和保护环境的意识。 启示3：实际工业生产中，从金属矿物到纯净金属的冶炼过程是一个复杂的过程，往往涉及许多其他物质和反应，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和生产对环境的影响，形成绿色化学观念和可持续发展意识。 【思考】铝土矿中除Al2O3外常含有杂质Fe2O3 、SiO2，怎样从铝土矿中获得铝单质呢？ Al2O3 Fe2O3 SiO2 NaOH 溶液 Fe2O3 Na[Al(OH)4] Na2SiO3 NaOH 盐酸 H2SiO3 NaCl AlCl3 氨水 Al(OH)3 过滤 过滤 过滤 NH4Cl NaCl Al2O3 Al 电解 加热 方案一：碱溶法 ① ② ③ ④ ⑤ [Al(OH)4]− + 4H+ === Al3++4H2O Al3+＋3NH3·H2O === Al(OH)3↓+3NH4+ Al2O3 + 2OH− + 3H2O === 2[Al(OH)4]− SiO2 + 2OH− === SiO32- + H2O SiO32- + 2H+ === H2SiO3↓ + H2O 强酸制弱酸 Al2O3 Fe2O3 SiO2 SiO2 AlCl3 FeCl3 HCl Fe(OH)3 Na[Al(OH)4] NaCl NaOH CO2 Al(OH)3 NaHCO3 NaCl 盐酸 过滤 NaOH 溶液 过滤 过滤 Al2O3 Al 电解 加热 【思考4】铝土矿中除Al2O3外常含有杂质Fe2O3 、SiO2，怎样从铝土矿中获得铝单质呢？ 方案二：酸溶法 ① ② ③ ④ ⑤ [Al(OH)4]− + CO2 === Al(OH)3↓ + HCO3- Al3++4OH− === [Al(OH)4]− Al2O3＋6H+ === 2Al3+＋3H2O 2Al2O3 (熔融) ====== 4Al ＋ 3O2 ↑ 电解 冰晶石 强酸制弱酸 以萤石(CaF2)和纯碱为原料制备冰晶石的流程如下: CaF2 Na3AIF6 E 气体D Na2CO3 、Al(OH)3 E可作为建筑材料,化合物C是 写出由D制备冰晶石的化学方程式 C 浓H2SO4 12HF + 3Na2CO3 + 2AI(OH)3= 2 Na3AIF6+3CO2+9H2O 【思考5】 第八章 化学与可持续发展 第一节 自然资源的开发利用 第二课时 海水资源的开发利用 主要包括直接利用海水进行循环冷却和海水淡化等。 【任务一】海水水资源的利用 阅读教材100页有关海水水资源的利用，思考以下问题： 1.海水水资源的利用主要包括哪些方面？ 2.海水的淡化方法主要有哪些？ 加热装置 冷凝装置 接收装置 冷凝管：冷凝水 下口进、上口出 温度计：水银球处于支管口处 蒸馏烧瓶： 液体体积一般介于 容积的1/3～2/3 加入沸石/碎瓷片（防暴沸） 陶土网 牛角管或尾接管 利用各成分的沸点不同，分离互溶的液液混合物的物理分离方法。 锥形瓶 酒精灯 教学过程 【任务二】海水淡化 1.蒸馏法 最先使用，技术成熟，但成本高 【任务二】海水淡化 2.电渗析法 电渗析原理图 海水进入时，在直流电场的作用下，海水中的阴、阳离子分别向两侧定向迁移，从而实现海水变淡水的过程。 + - 【任务二】海水淡化 3.反渗透法 反渗透装置示意图 利用只允许溶剂水分子透过、不允许溶质离子透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。 【任务二】海水淡化 4.离子交换法 目前正在迅速发展，但需要不断更新离子交换树脂 【任务三】 海水中的化学资源利用 1.海水制盐 海水 引入 盐田 风吹日晒 饱和食盐水 粗盐 提纯 精盐 蒸发结晶 母液 粗盐 粗盐水 滤液 沉淀 精盐 操作Ⅰ 操作Ⅱ 操作Ⅲ 溶解 过滤 蒸发结晶 BaCl2 NaOH Na2CO3 适量盐酸 NaCl、Mg2+、 Ca2+、SO42- 氯碱工业 2NaCl + 2H2O === 2NaOH + Cl2↑ + H2↑ 电解 电解制钠： 2NaCl(熔融) === 2Na + Cl2↑ 电解 制盐酸： 制漂白剂(84) 2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O H2＋Cl2 2HCl 点燃 海水的综合利用 【任务三】 海水中的化学资源利用 2.海水提溴 —“吹出法” 工艺流程 基本操作 浓缩 氧化 吹出 吸收 蒸馏 海水晒盐和海水淡化的过程中副产物Br-得到浓缩 向浓缩的海水中通入Cl2，将Br-氧化成Br2 2Br- + Cl2 = Br2 + 2Cl- 利用溴的挥发性，通入热空气和水蒸气，吹出溴蒸气 吹出的溴蒸气用SO2吸收。SO2+ Br2+2H2O = 4H+ + SO42- + 2Br- 再用Cl2将HBr氧化得到产品溴后蒸馏分离 提示信息1 碘在不同溶剂中的溶解度(25℃) 水 苯 四氯化碳 碘(I2) 0.029g 14.1g 2.9g 原理：如Br2、I2在四氯化碳、苯等有机溶剂中的溶解性远大于水中的溶解性，可以用四氯化碳、苯作萃取剂将Br2、I2从水溶液中提取出来。 (1)萃取是利用物质在互不相溶的溶剂里溶解度的不同，用一种溶剂把物质从它与另一种溶剂所组成的溶液里提取出来的方法。 【拓展】 萃取分液 提示信息2 乙醇 苯 四氯化碳 在水中溶解度 任意比例互溶 不溶 不溶 密度 小于水 小于水 大于水 原理： (2)分液是把两种互不相溶、密度不相同的液体分离开的方法。一般分液都是与萃取配合进行的。 萃取与分液 萃取的三个三： 三仪器 ①分液漏斗；②烧杯；③铁架台(带铁圈) 三溶剂 常见萃取剂：①汽油；②苯；③四氯化碳 三原则 ①萃取剂和原溶剂互不相溶 ②萃取剂和原溶剂、原溶质均不发生反应 ③溶质在萃取剂中的溶解度远大于在原溶剂中的溶解度 实例(用CCl4萃取碘水中的碘)： 步骤 实验装置 实验操作及现象 ①加萃取剂   用量筒量取10 mL碘的饱和水溶液，倒入分液漏斗，然后再注入4 mL 四氯化碳，盖好玻璃塞 步骤 实验装置 实验操作及现象 ②振荡萃取   用右手压住分液漏斗口部，左手握住下端活塞部分，把分液漏斗倒转过来振荡，使两种液体充分接触；振荡后打开活塞，使漏斗内气体放出。 步骤 实验装置 实验操作及现象 ③静置分层   将分液漏斗放在铁架台上静置，液体分层。上层为水层，无色；下层为碘的四氯化碳溶液，呈紫（红）色。 步骤 实验装置 实验操作及现象 ④分液   待液体分层后，将分液漏斗颈上的玻璃塞打开或使塞上的凹槽(或小孔)对准漏斗上的小孔，再将分液漏斗下面的活塞拧开，使下层液体慢慢沿烧杯壁流下，上层液体从分液漏斗上口倒出。 萃取与分液的操作注意事项： 操作 目的 振荡时，要不时旋开活塞放气 防止分液漏斗内压强过大引起危险 分液时，要将漏斗下端管口紧贴烧杯内壁 使液体顺利流下，防止液体飞溅 下层液体要从下口放出，恰好流尽时及时关闭活塞 防止上层液体流出 上层液体要从上口倒出 保证上层液体尽量少地沾附下层液体 【任务三】 海水中的化学资源利用 3.海带提碘 灼烧 加水 加热 溶解 过滤 Cl2或 稀硫酸与H2O2溶液 CCl4 蒸馏 海带灰 海带 悬浊液 滤液 碘水 碘的CCl4溶液 单质碘 操作1 操作2 操作3 操作4 操作5 试剂1 试剂2 萃取 分液 稀硫酸的作用： 增强H2O2的氧化性 抑制 I2 与水反应 有关的离子方程式： Cl2 + 2I- == I2+2Cl- 或H2O2+2I- + 2H+ == I2 + 2H2O 反萃取法 ①向I2的CCl4溶液中加入浓NaOH，发生反应的离子方程式：                           ； ②而后进行        操作即可分离出       ； ③再加入45%的硫酸，发生反应的离子方程式                          ； ④最后，通过过滤即可得到固态碘单质。 【任务三】 海水中的化学资源利用 4.海水中提镁 主要的化学反应原理 CaCO3 CaO＋CO2↑ CaO＋H2O==Ca(OH)2 Ca(OH)2＋MgCl2==Mg(OH)2↓＋CaCl2 Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O MgCl2(熔融) Mg＋Cl2↑ $