1、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定位 1.知道金属在自然界中的存在形态，金属冶炼的一般方法和原理，会写相关反应的化学方程式。2.掌握铝热反应的原理和实验。3.了解金属回收的意义，树立环保意识。一 金属的冶炼1金属元素在自然界中的存在形式少数化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态存在，如金和铂以及少量的银和铜。化学性质比较活泼的金属，在自然界中总是以化合态存在。这显然和金属的活动性紧密相关。2金属冶炼的原理和实质金属冶炼的原理：利用氧化还原反应的原理，在一定条件下，用还原剂或者加热、电解的方法把金属化合物还原为金属单质。金属冶炼的实质：金属离子 金属
2、单质，即 Mn ne M。 得 到 电 子 3不同金属适用的冶炼方法(1)热分解法：适于冶炼金属活动性顺序表中位于氢以后的金属；像汞、银等不活泼金属，它们在金属活动性顺序表中位于氢的后面，其阳离子得到电子的能力很强，所以其还原条件也较容易达到。它们的氧化物受热就能分解得到单质。请你写出冶炼汞、银反应的化学方程式：2HgO 2HgO 2、 2Ag2O 4AgO 2 。= = = = = = = = = = (2)电解法：位于金属活动性顺序表中氢前面的钾、钠、钙、镁、铝等几种金属的还原性很强，这些金属单质都很容易失去电子，而其对应的阳离子则氧化性很弱，很难得到电子，因此用一般的方法和一般的还原剂很
3、难使其从化合物中还原出来，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。请你写出冶炼铝、钠反应的化学方程式：2Al 2O3(熔融)4Al3O 2、2NaCl(熔融) 2NaCl 2。= = = = =电 解 冰 晶 石 = = = = =电 解 (3)热还原法适用于冶炼位于金属活动性顺序表中部的金属；常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气、活泼金属(如铝) 等，多数金属的冶炼过程属于热还原法。请你写出冶炼铁、钨、铅、铬反应的化学方程式：Fe2O33CO 2Fe3CO 2、= = = = =高 温 WO33H 2 W3H 2O、= = = = =高 温 2PbOC 2PbCO 2、= = = = =
4、高 温 Cr2O32Al 2CrAl 2O3。= = = = =高 温 4回收废旧金属(1)回收金属的意义：节约矿物资源、节约能源、减少环境污染。(2)废旧金属的最好的处理方法是回收利用。(3)回收金属的实例：废旧钢铁用于炼钢；废铁屑用于制铁盐；从电影业、照相业、科研单位和医院 X 光室回收的定影液中，可以提取金属银。归纳总结1冶炼方法的总规律：金属活动性顺序表中，金属的位置越靠后，越容易被还原，用一般的热分解法就能使金属还原；活动性居中或不太活泼的用热还原法；金属的位置越靠前，越难被还原，往往采用电解法使金属从矿石中还原出来。2学习时结合金属活动性顺序表和氧化还原性强弱顺序示意图加以理解和记
5、忆：金属单质还原性、失电子能力依次减弱,金属阳离子氧化性、得电子能力依次增强1冶炼金属一般有下列四种方法：焦炭法 水煤气(或氢气，或一氧化碳 )法 活泼金属置换法 电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有( )火烧孔雀石炼铜；() 湿法炼铜；现代有() 铝热法炼铬；( )从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是( )A()用 B() 用C()用 D( )用答案 B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。()、( )、()、( )发生的反应分别是()：Cu 2(OH)2CO3 2CuOCO 2H 2O，C2CuO 2CuCO 2，符合= = = = = =
6、= = = = ；()：FeCuSO 4=FeSO4Cu，符合；()：2AlCr 2O3 Al2O32Cr，符合；= = = = =高 温 ()：先从光卤石中提取 MgCl2，再电解 MgCl2：MgCl 2(熔融) MgCl 2，符合= = = = =电 解 。2分别用氢气和金属作还原剂治炼金属，所得金属纯度的说法正确的是( )A用氢气的纯度高 B用金属的纯度高C二者相同 D无法比较答案 A解析 过量的 H2不会残留在被还原的金属中，所以用 H2还原得到的金属纯度高。二 铝热反应如下图所示，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
7、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 5 g 炒干的氧化铁粉末和 2 g 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_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)。镁条剧烈燃烧；放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射；纸漏斗的下部被烧穿；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：_。
8、(4)如何用简单的方法证明生成物中有金属铁？答案 (1)2AlFe 2O3 2FeAl 2O3 Fe 2O3 Al 铝热 (2) (3)使熔融物易= = = = =高 温 于落下 防止溅落物炸裂蒸发皿 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。归纳总结铝粉和某些金属氧化物(Fe 2O3、Cr 2O3、V 2O5等)组成的混合物叫铝热剂，在高温下发生铝热反应，可用来冶炼难熔的相对较不活泼的金属(如 V、Cr、Mn 等)、焊接钢轨等。3铝能用于冶炼难熔的金属(如 Cr、V、Mn 等)，这不是因为(
9、)A铝具有还原性B铝具有导电性C铝较 Cr、V、Mn 等价格便宜D冶炼反应放出大量的热答案 B4把铝粉和氧化亚铁粉末配成铝热剂，分成两等份。一份在高温下恰好完全反应后，再与足量盐酸反应；另一份直接放入足量的烧碱溶液中充分反应。前后两种情况下生成的气体的质量比是( )A32 B23C11 D289答案 C解析 本题应分析两个过程中电子转移的数目。铝置换出铁，铁再和盐酸反应生成 H2和铝直接与烧碱反应生成 H2转移的电子数目应该相同，化学方程式如下：2Al3FeO Al2O33Fe,3Fe6HCl= =3FeCl23H 2；2Al2NaOH2H 2O=2NaA= = = = =高 温 lO23H
10、2；由此可看出两种情况下生成的气体的质量比为 11。1我国古代炼丹家魏伯阳所著周易参同契是世界上现存最早的一部炼丹专著。书中描写到：“金入于猛火，色不夺精光。”这句话的意思是指黄金的性质在强热条件下( )A活泼 B稳定C易氧化 D易还原答案 B解析 金的性质稳定，在强热条件下也不反应。2氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼，下列说法不正确的是( )A电解熔融氯化钠制取金属钠的反应中，钠离子被还原，氯离子被氧化B湿法炼铜与火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应C用磁铁矿炼铁的反应中，1 mol Fe 3O4 被 CO 还原成 Fe，转移 9 mol eD铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化。答
11、案 C解析 C 项，应转移 8 mol e 。3下面是部分矿物资源的利用及产品流程，有关说法不正确的是( )A不可用电解 AlCl3 的方法制备金属铝B生产铝、铜、高纯硅及玻璃过程中都涉及氧化还原反应C黄铜矿冶炼铜时，副产物 SO2 可用于生产硫酸，FeO 可用作冶炼铁的原料D由粗硅制取高纯硅时，提纯四氯化硅可用多次分馏的方法答案 B解析 AlCl 3是共价化合物，熔融时不导电，故不可用电解 AlCl3的方法制备金属铝，A 正确；制备单质时涉及化合价变化，是氧化还原反应，制玻璃的反应是SiO2Na 2CO3 Na2SiO3CO 2和 SiO2CaCO 3 CaSiO3CO 2，化合价= = =
12、 = =高 温 = = = = =高 温 未发生变化，不属于氧化还原反应，B 错误；SO 2可以转化成 SO3，进而生成 H2SO4；FeO 与CO 在高温下可生成 Fe，C 正确；制备硅的过程中，利用沸点不同进行分馏，将 SiCl4从杂质中提取出来，再与 H2发生置换反应得到高纯硅，D 正确。4有 0.4 g 铁的氧化物，用足量的 CO 在高温下将其还原，把生成的 CO2 全部通入足量澄清石灰水中，得到 0.75 g 沉淀。这种铁的氧化物的化学式是( )AFeO BFe 2O3CFe 2O4 DFeO 和 Fe2O3答案 B解析 CO 和铁的氧化物反应时，氧化物中的一个 O 原子对应一个 C
13、O2分子，每一个 CO2分子对应一个 CaCO3，所以有下列的关系式，假设 0.4 g 该氧化物中含 x g O。O CO 2 CaCO 316 100x g 0.75 g解得 x0.12N(Fe)N(O) 23。0.4 g 0.12 g56 gmol 1 0.12 g16 gmol 15冶炼金属常用以下几种方法：以 C、CO 或 H2 作还原剂还原 以较活泼金属 Na、Mg等还原 利用铝热反应原理还原 电解法 热分解法下列金属各采用哪种方法还原最佳。(1)Fe、Zn 、Cu 等中等活泼金属_。(2)Na、Mg 、Al 等活泼或较活金属_。(3)Hg、Ag 等不活泼金属 _。(4)V、Cr、M
14、n 、W 等高熔点金属_。(5)K、Rb 、Cs、Ti 等金属通常还原方法是_。答案 (1) (2) (3) (4) (5)解析 选择的方法应以节约原料和降低成本为标准，同时有较高的产率，并易分离。根据每种金属的特点应选择最佳方案。其中(5)K、Rb、Cs、Ti 等利用的原理比较特别，不是用活泼金属置换不活泼金属，而是平衡的原理，如 NaKCl NaClK ，抽离钾蒸气此反应得以= = = = =高 温 继续进行。而 Ti 是用 Na 来置换的：4NaTiCl 4 4NaClTi 或用 Mg 来置换：= = = = =高 温 2MgTiCl 4 2MgCl2Ti。= = = = =熔 融 40
15、 分钟课时作业经典基础题一、金属的性质及应用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金属的活动性强弱答案 D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。2下列金属元素在自然界中可以游离态形式存在的是( )AK BNa CCa DAu答案 D3下列物质投入溶液中，溶液质量减轻的是( )ACaCO 3 投入到 HCl 溶液中BNa 2CO3 投入稀硫酸中CFe 粉投入 CuSO4 溶液中DFe 粉投入稀 HC
16、l 溶液中答案 C解析 A、B 项相当于把 CaO、Na 2O 分别投入到酸溶液中，故其溶液质量增加；C 项 Fe 元素进入溶液、Cu 以单质形式析出，Fe(56)相对原子质量小于 Cu(64)，故 C 项符合题意；D 项 Fe元素进入溶液(HCl)，H 以单质形式析出，故 D 项溶液质量增加。4除去 Cu 粉中的 Al 粉不能( )A加入稀 H2SO4，过滤B加入 NaCl 溶液，过滤C加入 NaOH 溶液，过滤D加入 CuSO4 溶液，过滤答案 B解析 A、C、D 项均可溶解 Al 使其进入溶液，从而与 Cu 分离，故选 B 项。5实验室欲使 1.6 g 氧化铁完全还原，事先应准备的 CO
17、 在标况下的体积为( )A672 mL B336 mLC大于 672 mL D小于 336 mL答案 C解析 由 3COFe 2O3 2Fe3CO 2可知消耗 CO 672 mL，但气体与固体反应不充分，= = = = =高 温 反应前要先通入一会儿 CO 赶尽空气，Fe 冷却要在 CO 的气氛中，故 CO 实际用量应大于 672 mL。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 /
18、 774 882.9 1 500(升华) 1 431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( )A97.8770 B770 774 C774882.9 D1 4131 500 答案 C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 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。二、金属的冶炼方法7
19、不能用热分解法制得的金属是( )Fe Ag Mg HgA B C D答案 A解析 热分解法一般用于很不活泼的银、汞等金属的冶炼，它们的化合物大多不稳定，比如氧化银受热时能够分解为相应的金属单质，而活泼金属的化合物一般相当稳定，加热很难分解。因此，比较活泼的铁和镁不能够通过热分解法制得。8热还原法冶炼金属的反应一定是( )A氧化还原反应 B置换反应C复分解反应 D分解反应答案 A解析 热还原法冶炼金属的反应一定不是复分解反应，也一定不是分解反应，不一定是置换反应，如 3COFe 2O3 2Fe3CO 2，但一定是氧化还原反应。= = = = =高 温 9电解无水 MgCl2 所得镁蒸气冷却后即得
20、固体镁。镁可在下列哪种气体氛围中冷却( )AH 2 BCO 2CO 2 D空气答案 A解析 Mg 在加热条件下可与 O2、CO 2、N 2反应。故选 A。10下列有关金属冶炼的说法中，不正确的是( )A用电解熔融氯化镁的方法冶炼金属镁B在加热情况下利用氢气还原三氧化二铝得到金属铝C用铝热法炼得熔点较高的金属铬D直接加热氧化汞得到金属汞答案 B解析 铝的活泼性比氢强，应选用电解法冶炼。11将氢气通过 10 g CuO 粉末加热片刻，冷却后剩余固体质量为 8.4 g，那么下列计算正确的是( )A有 1.6 g H2O 生成B有 8.4 g Cu 生成C有 80%的 CuO 被还原D实验过程中所消耗
21、的氢气为 0.2 g答案 C解析 CuOH 2 H2O Cu 固体质量减少 m= = = = = 80 2 18 64 16x y m(H 2O) m(Cu) 108.41.6m(H 2O)1.8 g m(Cu)6.4 g被还原的 CuO 为 100% 100%80%x10 g 8 g10 g参与反应消耗 H2为 0.2 g，但实际提供的氢气大于 0.2 g。能力提升题12铜是生活中常见的金属，请回答下列问题：(1)Cu 不活泼，通常情况下不与稀硫酸反应，但向 Cu 和稀硫酸的混合物中滴入 H2O2 溶液后，溶液很快变蓝色，试写出该反应的离子方程式：_。(2)将硫酸铜溶液和碳酸钠溶液混合，会析
22、出 Cu2(OH)2CO3 绿色固体，试写出该反应的离子方程式：_。(3)火法炼铜的原理：Cu 2SO 2 2CuSO 2，在该反应中每生成 1 mol Cu，转移= = = = = _ mol e 。(4)据报道，有一种叫 Thibacillus Ferroxidans 的细菌在有氧气存在的酸性溶液中，可将黄铜矿(CuFeS2)氧化成硫酸盐：4CuFeS 22H 2SO417O 2=4CuSO42Fe 2(SO4)32H 2O，利用反应后的溶液，按如下流程可制备胆矾(CuSO 45H2O)：检验溶液 B 中 Fe3 是否被除尽的实验方法_。在实验室中，从溶液 B 中提炼金属铜的原理 (用化学
23、方程式表示)：_；从溶液 B 中获得 CuSO45H2O 的方法：_、_、_等。答案 (1)CuH 2O22H =Cu2 2H 2O(2)2Cu2 CO 2H 2O=Cu2(OH)2CO32H 23(3)3(4)滴入 KSCN 溶液，若溶液变红证明含有 Fe3 ；反之，则不含 Fe3CuSO 4Fe= =FeSO4Cu 蒸发浓缩 冷却结晶 过滤解析 (1)金属铜投入稀硫酸中不发生反应，但再加入 H2O2溶液后铜开始溶解，溶液逐渐变为蓝色，说明过氧化氢在酸性溶液中具有氧化性，能溶解铜，离子方程式为CuH 2O22H =Cu2 2H 2O。(2)将硫酸铜溶液和碳酸钠溶液混合，会析出 Cu2(OH)
24、2CO3，反应的化学方程式为 2Cu2 CO2H 2O=Cu2(OH)2CO32H 。23(3)反应中 Cu 元素化合价由1 价降低到 0 价，O 元素化合价由 0 价降低到2 价，S 元素化合价由2 价升高到4 价，由方程式可知生成 2 mol Cu，转移 6 mol 电子，则该反应中每生成 1 mol Cu，转移 3 mol 电子。(4)检验溶液 B 中 Fe3 是否被除尽的试剂是 KSCN 溶液，滴入 KSCN 溶液，若溶液变红证明含有 Fe3 ；反之，则不含 Fe3 。硫酸铜溶液得到金属铜的方法，可以加入铁粉置换铜，反应的化学方程式为CuSO4Fe= =FeSO4Cu；从溶液 B 中获
25、得 CuSO45H2O 的方法为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。13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为_。实验结束时，应该先停止加热还是先停止通入 CO 并说明原因_。答案 (1)Fe 2O33CO 2Fe3CO 2= = = = =高 温 (2)取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单质铁(3)收集未
26、反应的 CO，防止污染空气 先停止加热，防止生成的铁再次被氧化解析 检验是否生成单质，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(H 2)，则证明生成了单质铁；反应结束后，得到的铁还是赤热的，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。14在某次探究性学习中，老师要求同学们在实验室中用氧化铜、稀硫酸和铁来制取纯净的铜，并用所制得的铜进行一系列的探究性实验。甲、乙两位同学分别设计了如下两个制铜实验方案。甲：CuO 溶于适量稀硫酸中；在的溶液中加入稍过量的铁，充分反应后，过滤、烘干，即得纯净的铜。乙
27、：铁与稀硫酸反应得氢气；用氢气还原氧化铜，充分反应后即得纯净的铜。(1)若两位同学消耗的稀硫酸和铁的量分别相同，请判断他们所制得铜的质量大小关系_(填字母)。A相同 B甲多C乙多 D以上三种情况均有可能(2)丙同学认为上述两种方案都难以保证所制的铜的纯度，应对上述两种方案加以完善。甲同学的方案不完善的原因：_，完善乙同学的方案的一种方法是将所得的铜粉放入烧杯中，加入_，不断搅拌，然后_即得到纯净的铜。答案 (1)B (2) 产物中可能混有铁并且没有洗涤 过量稀硫酸 过滤、洗涤，烘干解析 (1)在用氢气还原氧化铜的反应中，应先通入 H2，赶走空气，然后才能加热，并且反应结束后应先撤去酒精灯，再停
28、止通入 H2，因此所制得的 H2并没有全部参与 CuO 的还原，故生成的铜少。(2)甲方案中铁过量，并且过滤后没有洗涤，产物中混有铁粉也可能混有 FeSO4。而乙方案中可能混有 CuO，应加入稀硫酸除去 CuO。15钛(Ti)被称为继铁、铝之后的第三金属，钛白(TiO 2)是目前最好的白色颜料。制备 TiO2 和Ti 的原料是钛铁矿，我国的钛铁储量居世界首位。用含 Fe2O3 的钛铁矿(主要成分为 FeTiO3)制备 TiO2 流程如下：(1)步骤加 Fe 的目的是_；步骤冷却的目的是_。(2)上述制备 TiO2 的过程中，可以利用的副产物是_；考虑成本和废物综合利用因素，废液中应加入_处理。
29、(3)由金红石(TiO 2)制取单质钛(Ti)，涉及到的步骤为 TiO2 TiCl4 Mg 800 ， ArTi反应 TiCl42Mg= =2MgCl2 Ti 在 Ar 气氛中进行的理由是_。答案 (1)将 Fe3 还原为 Fe2 析出绿矾(FeSO 47H2O)(2)绿矾(FeSO 47H2O) 生石灰(或碳酸钙、废碱)(3)防止高温下镁或钛与 O2、N 2 等反应解析 (1)分析框图知，铁最终转化成副产品绿矾，所以要将3 价 Fe 转化为2 价 Fe，降温减小 FeSO47H2O 的溶解度，有利于绿矾结晶。(2)水浸后发生的离子反应为 TiO2 2H 2O=H2TiO32H ，废液主要呈酸性，所以应加入CaO、CaCO 3或碱。(3)反应后 Ti 和 Mg 易与空气中 O2、N 2等反应，故应在 Ar 气氛中进行。
