1、第 1 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】1、了解金属冶炼的化学反应原理和基本方法；2、了解金属回收与资源的保护方法。【要点梳理】要点一、金属的冶炼方法由于大多数金属的化学性质活泼，在自然界中主要以化合态形式存在（金、铂等少数金属例外） ，所以使用的金属大多数是人工制得的。金属冶炼的实质就是利用氧化还原反应使金属化合物中的金属元素得到电子被还原为金属单质：M n+ne- M。因不同金属的阳离子得电子的能力不同，故不同金属采取不同的冶炼方法。1、热分解法。有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。在金属活动性顺序表中，位于氢后面的金属的氧化物受热就能分解。例如：
2、2HgO 2Hg+O22Ag2O 4Ag+O22、热还原法。多数金属的冶炼采用热还原法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等。例如：Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2WO3+3H2 W+3H2OZnO+C Zn+COMgO+C Mg(g)+CO(g)Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O33、电解法。在金属活动性顺序表中，钾、钙、钠、镁、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂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。例如：2NaCl（熔融） 2Na+Cl2 MgCl2（熔融） Mg+Cl2一些对纯度要求较高的不活泼
3、金属也可以采用电解其盐溶液的方法来进行冶炼，例如：2CuSO4+2H2O 2Cu+2H2SO4+O2不同金属冶炼方法的选择4、湿法。在工业上还有一种冶金方法叫做湿法冶金，也称为水法冶金。它是利用在溶液中发生的化学反应（如置换反应） ，对金属进行提取和分离的冶金过程。例如：Fe+CuSO4=FeSO4+Cu要点二、铝热反应炼铁通常用热还原法。工业上采用的高炉炼铁和铝热法炼铁都属于热还原法。Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2（高炉炼铁）Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3（铝热法炼铁）Fe2O3 与 Al 的反应叫做“铝热反应 ”，Fe 2O3 和 Al 的混合物叫做 “铝热剂” 。与 Fe2
4、O3 性质相似的FeO、Fe 3O4、CuO、TiO 2（二氧化钛） 、V 2O5（五氧化二钒） 、Cr 2O3（三氧化二铬） 、MnO 2、Co 3O4（四氧化三钴） 、WO 3（三氧化钨）等氧化物，也都能与金属铝在高温下发生氧化还原反应，生成 Al2O3 和新的金属单质，放出大量的热，这样的反应都属于铝热反应。3Fe3O4+8Al 9Fe+4Al2O33CuO+2Al 3Cu+Al2O33MnO2+4Al 3Mn+2Al2O33V2O5+10Al 6V+5Al2O33Co3O4+8Al 9Co+4Al2O33TiO2+4Al 3Ti+2Al2O3Cr2O3+2Al 2Cr+Al2O3铝热反
5、应一般有两个方面的重要应用：一是冶炼高熔点的金属；二是焊接金属，如用 Fe2O3 和 Al 的混合物做焊药（铝热剂）焊接铁路钢轨等。要点诠释：铝热反应是指铝热剂在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应，其中镁条为引燃物质，氯酸钾为助燃物质。（1）原理：Al 是还原剂，另一种氧化物是氧化剂，是铝将氧化物中的金属置换出来的反应。（2）铝热反应的实质是铝将氧化物中的化合态金属还原为金属单质。（3）反应特点是在高温下进行，反应迅速并放出大量的热，新生成的金属单质呈液态且易与 Al2O3 分离。（4）铝热剂是指铝粉和某些金属氧化物组成的混合物。（5）应用：冶炼难熔金属，如 V、Cr、Mn 等；焊接钢轨
6、等。要点三、废旧金属的回收地球上的金属矿产资源是有限的，而且是不能再生的，随着人们的不断开发利用，矿产资源将会日渐减少。废旧金属是一种固体废弃物，会污染环境，把废旧金属作为一种资源，加以回收利用。这样做，既减少了垃圾量、防止污染环境，又缓解了资源短缺的问题。回收的废旧金属，大部分可以重新制成金属或它们的化合物再利用。例如：废旧钢铁可以用于炼钢，利用1t 废钢炼钢，大约可节约矿石 2t、焦炭 1t、石灰石 0.5t。回收一个铝质饮料罐比制造一个新的铝质饮料罐节约能源约 95%。废铁屑等可以用于制铁盐，从电解精炼钢的阳极泥中，可回收金、银等贵重金属，从电影业、照相业、科研单位和医院 X 光室回收的
7、定影液中，可以提取金属银。【典型例题】类型一：金属的冶炼例 1下列说法中不正确的是（ ）A金属的冶炼原理就是利用氧化还原反应原理，在一定条件下将金属从其化合物中还原出来B冶炼金属时，必须加入一种物质作为还原剂C金属由化合态变为游离态，都是被还原D金属单质被发现和应用得早，其活动性一般较弱【思路点拨】本题考查金属的冶炼原理。【答案】B【解析】金属的冶炼是将金属化合物转化为金属单质；有的物质在发生氧化还原反应冶炼金属的时候，自身既作氧化剂又作还原剂，不需要另加还原剂，例如 HgO，所以 B 错误；金属呈化合态时一定显正价，当变成游离态后，化合价就变为 0 价，所以被还原，C 说法正确；金属被发现和
8、应用得早，说明该金属在自然界存在游离态，人们容易获得并利用它，从而也说明这些金属的活动性一般是较弱的。【总结升华】金属的冶炼利用的是氧化还原反应。例 2工业上 Na、Ca、Mg 都可以用电解其熔融的氯化物而制得。试回答下列问题：（1）写出电解制取 Ca、Mg 的反应的化学方程式：_，_。（2）钾却不能用电解熔融 KCl 的方法制备，因为金属钾易溶解在熔融的 KCl 中而有危险，可利用反应Na+KCl NaCl+K 来制备钾。参考下表数据：该反应适宜选择在什么温度范围内进行？该反应主要应用了什么化学原理？（3）Al 的制备不能用电解 AlCl3 的方法，而采用电解熔融 Al2O3 的方法，请回答
9、以下问题：工业上为什么不用 Na 还原 AlCl3 来制备 Al？电解 Al2O3 时，为什么还要加冰晶石（助熔剂）？【思路点拨】本题综合考查了金属冶炼的方法及条件的选择。【答案】 （1）CaCl 2 Ca+Cl2 MgCl2 Mg+Cl2（2）801883 平衡移动原理（3）原料金属钠的成本较高，且钠易被氧化、难保存，故工业上不用此法获得大量的 Al。Al 2O3 的熔点较高（ 2072） ，直接电解时需要提供大量的热量使其熔化，加入助熔剂冰晶石（Na 3AlF6）后，在助熔剂的作用下（助熔剂的熔点一般很低） ，略加热 Al2O3 就会熔解且易电解出 Al3+、O 2-，这样有利于电解的顺利
10、进行，既缩短时间又节约能源。【解析】（1）根据题意，直接写出反应的化学方程式：CaCl 2 Ca+Cl2，MgCl 2 Mg+Cl2。（2）Na 与 KCl 的反应是可逆反应，要想使 Na 顺利置换出 K，根据平衡移动原理，需使平衡向正反应方向移动，最佳选择是减少生成物 K 的量，即 K 以蒸气逸出，其他物质仍保留在体系中，故反应温度应控制在801883之间，此时 K 为气态，Na、NaCl、KCl 为熔融态。（3）可以用钠还原 AlCl3 制备 Al，但原料金属钠的成本较高，且钠易被氧化、难保存，故工业上不用此法获得大量的 Al。Al 2O3 的熔点较高（2072 ） ，直接电解时需要提供大
11、量的热量使其熔化，加入助熔剂冰晶石（Na 3AlF6）后，在助熔剂的作用下（助熔剂的熔点一般很低） ，略加热 Al2O3 就会熔解且易电解出 Al3+、O 2-，这样有利于电解的顺利进行，既缩短时间又节约能源。【总结升华】金属冶炼方法的选择要考虑其活泼性。举一反三：【变式 1】下列叙述正确的是（ ）A工业上用电解熔融氯化钠的方法制取钠B 钠加入氯化镁的饱和溶液中可以制取金属镁C 电解冶炼铝的原料是氯化铝D碳在高温下能还原氧化镁中的镁【答案】AD类型二：铝热反应例 3粉末状试样 A 是由等物质的量的 MgO 和 Fe2O3 组成的混合物。进行如下实验：取适量 A 进行铝热反应，产物中有单质 B
12、生成；另取 20g A 全部溶于 0.15 L 6.0molL-1 盐酸中，得溶液 C；将中得到的单质 B 和溶液 C 反应，放出 1.12L(标况 )气体，同时生成溶液 D，还残留有固体物质 B；用 KSCN 溶液检验时，溶液 D 不变色；请填空：（1）中引发铝热反应的实验操作是_。产物中的单质 B 是_。（2）中所发生反应的反应的化学方程式是_。（3）中所发生的各反应的离子方程式是_。（4）若溶液 D 的体积仍视为 0.15 L，则该溶液中 c(Mg2+)为_，c(Fe 2+)为_。【思路点拨】本题考查金属冶炼原理（铝热反应法）和化学实验基本操作、物质检验、化学计算。【答案】（1）加少量
13、KClO3，插上镁条并将其点燃 Fe（2）Fe 2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O，MgO+2HCl=MgCl 2+H2O（3）Fe+2Fe 3+=3Fe2+，Fe+2H +=Fe2+H2（4）0.67 molL -1；2.3 molL -1【解析】MgO 不能与铝发生置换反应，所以：发生的反应是 Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3中发生的反应是 Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O，MgO+2HCl=MgCl 2+H2O中发生的反应是 Fe+2FeCl3=3FeCl2，Fe+2HCl=FeCl 2+H2中加入 KSCN 溶液不变色，说明 Fe3+完全被还原为 Fe2+，溶液
14、 D 为 MgCl2、FeCl 2 的混合液。根据题意假设 20g A 中 MgO 和 Fe2O3 的物质的量均为 x，则：40gmol -1x+160 gmol-1x=20g，解得 x=0.1mol。反应后原加入的盐酸中的 Cl-全部转移到 FeCl2 和 MgCl2 中，Cl -守恒，所以溶液 D 中【总结升华】考查的知识与技能起点较低，但综合性较强，是典型的学科内综合题，同学们在平常学习中要多加练习。举一反三：【变式 1】“铝热反应”的化学方程式为：2Al+ Fe 2O3 Al2O3+2Fe。某同学对“铝热反应”的现象有这样的描述：“反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒”、“纸漏斗的下部被
15、烧穿，有熔融物落入沙中”。查阅化学手册知，Al、Al 2O3、Fe、Fe 2O3 熔点、沸点数据如下： （1）该同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金。这种推测有一定的道理，理由是：_。（2）设计一个简单的实验方案，证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。该实验所用试剂是 _，当观察到_现象时，说明熔融物中含有金属铝，反应的离子方程式为_。（3） 实验室溶解该熔融物，最好选用下列试剂中的 _ （填序号）。A浓硫酸 B稀硫酸 C稀硝酸 D氢氧化钠溶液【答案】 （1）该反应放出的热量使铁熔化，而铝的熔点比铁低，此时未反应的铝和铁熔合形成铁铝合金。（2）NaOH 溶液，块状熔融物表面有无色气泡放出2Al+2OH +2H2O = 2AlO2 +3H2 （3）B物质 Al Al2O3 Fe Fe2O3熔点/ 660 2054 1535 1462沸点/ 2467 2980 2750
