必修2第一节 开发利用金属矿物和海水资源第1课时教案及反思

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

1．以金属矿物开发利用为例，认识化学方法在实现物质间转化中的作用，体会保护金属资源的重要性。

2．掌握金属冶炼的一般原理，了解适用于不同金属的冶炼方法。

一、金属的冶炼

1．金属在自然界的存在形式

2．金属的冶炼原理

金属冶炼就是将金属从其化合物中还原出来，其实质是金属化合物中的金属离子得到电子转变为金属单质。

3．金属的冶炼方法(用化学方程式表示)

二、金属资源的合理开发利用

1．合理开发利用金属资源

金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源，还会造成环境污染，地球上的金属资源是有限的，是不可再生的，因此金属资源应合理地开发利用。

2．有效利用金属资源的途径

(1)提高金属矿物的利用率。

(2)减少金属的使用量。

(3)加强金属资源的回收和再利用。

(4)使用其他材料代替金属材料。

1．下列有关金属的说法中，不正确的是(　　)

A．青铜、不锈钢都是合金

B．铜在空气中会生成铜锈

C．多数合金的熔点高于组成它的成分金属的熔点

D．铝是活泼金属，但在空气中耐腐蚀

解析：A项青铜中含有Sn，不锈钢中含有Cr、Ni，故二者为合金，正确；B项Cu在空气中会生成绿色的Cu2(OH)2CO3，正确；C项多数合金的熔点低于各组成的成分金属的熔点，错误；D项Al在空气中，表面会生成致密的Al2O3层，阻止内部的Al与O2接触，从而在空气中耐腐蚀，正确。

答案：C

2．(2018·雅安市期末)下列金属用热还原法冶炼的是(　　)

A．钠 B．银

C．铁 D．汞

解析：钠通常用电解熔融的NaCl来制取，A错误；银、汞用热分解法制取，B、D错误；铁用热还原法冶炼，C正确。

答案：C

3．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)根据金属在自然界中含量不同选择不同的冶炼方法。(　　)

(2)电解法冶炼铝时，用AlCl3作原料。(　　)

(3)利用铝热反应可冶炼金属铁。(　　)

(4)化合态的金属元素被还原时，一定得到相应的金属单质。(　　)

(5)金属银可用加热分解法冶炼。(　　)

答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√

　金属冶炼方法与金属活动性顺序的关系

1．金属冶炼方法的选择依据是：金属在自然界中的存在形式和金属的活动性。

2．金属越活泼，越难被还原，制备成本越高；在金属活动顺序表中金属的位置越靠后，越容易被还原，制备成本越低。所以人类对金属使用的顺序是：铜、铁、铝、钛等。

3．电解法冶炼活泼金属时，不能电解其盐(碱)溶液，只能电解其熔融盐或氧化物(离子化合物)。例如，采用电解法冶炼铝的材料是Al2O3，冶炼镁的材料是MgCl2。

4．热还原法冶炼金属时选用C、CO、H2、Al等作还原剂的优缺点。

　下列说法中正确的是(　　)

A．一种金属只能用一种方法冶炼

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，可能被还原，也可能被氧化

D．金属的冶炼原理，主要是根据金属活动性的不同，选取不同的冶炼方法

【解析】　很多金属有多种冶炼方法，如铜有热还原法，湿法冶炼等，A项错误；冶炼金属不一定要加入还原剂，如热分解法冶炼Ag、Hg等，电解法冶炼钠、镁等，B项错误；金属由化合态变为游离态，都是由高价降低到0价，故一定被还原，C项错误；金属活动性不同，化合态金属元素得电子能力差异很大，选取的冶炼方法也不同，D项正确。

【答案】　D

　(2018·佛山市第一中学期中)下列反应原理中，不符合工业冶炼金属实际情况的是(　　)

A．2HgO2Hg＋O2↑

B．4Al＋3MnO22Al2O3＋3Mn

C．2MgO2Mg＋O2↑

D．4CO＋Fe3O43Fe＋4CO2

解析：Hg活动性较弱，用热分解的方法冶炼，A正确；Mn是比较活泼的金属，用热还原的方法冶炼，B正确；Mg是活泼的金属，用电解的方法冶炼，C错误；Fe是比较活泼的金属，用热还原的方法冶炼，D正确。

答案：C

　铝热反应

1．铝热反应的原理为：Al作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用铝将氧化物中的金属置换出来。注意另一种金属在金属活动顺序表中必须排在铝之后。

2．铝热反应的作用：①冶炼难熔的相对不活泼的金属，如V、Cr、Mn等。②焊接钢轨。

　某研究性学习小组对铝热反应实验展开研究，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”“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。已知Al、Al2O3、Fe、Fe2O3的熔、沸点数据如下表：

请回答下列问题：

(1)氧化铁与铝反应的化学方程式为________________，该反应中氧化剂为______________________。

(2)某同学推测，铝热反应所得到的熔融物可能是铁铝合金。理由是____________________________________________________。

(3)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。该实验用的试剂是____________，反应的离子方程式是______________________________________。

【解析】　(1)氧化铁与铝发生铝热反应，该反应方程式为2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3，反应中Fe2O3中的铁元素化合价由＋3价降低到0价，Al元素化合价由0价升高到＋3价，该反应中Al作还原剂，Fe2O3作氧化剂。

(2)根据表中所列熔点数据可知，铝的熔点低于铁的熔点，故当铁熔化时，一些铝与铁熔合在一起形成铝铁合金。

(3)要证明铁铝合金中有铝，根据Al、Fe的性质来分析，可选择NaOH溶液来验证Al的存在。

【答案】　(1)2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3　Fe2O3

(2)铝热反应放出大量的热，能使铁熔化，而铝的熔点比铁低，故熔融物可能是液态的铁铝熔合形成的合金

(3)NaOH溶液　2Al＋2H2O＋2OH－===2AlO＋3H2↑

　现有下列金属：①铁；②镁；③锰；④钒；⑤铬，其中可用铝热法制备的有(　　)

A．①②④　　 B．①②③⑤

C．①③④⑤ D．①②③④⑤

解析：可用铝热法制备的金属，在金属活动顺序表中应排在铝之后，故镁不可用铝热法制备。利用排除法可得答案C。

答案：C

1.下列金属在自然界中以游离态存在的是(　　)

A．Na　　 B．Mg

C．Al D．Au

解析：活泼金属在自然界以化合态存在，极少数金属如Au、Pt以游离态形式存在。

答案：D

2．下列说法错误的是(　　)

A．不锈钢、硬铝都是合金

B．金属元素的单质在常温下均为固体

C．工业上用电解熔融MgCl2的方法制取金属镁

D．镁、铝都是活泼金属，一定条件下均可与某些氧化物发生反应

解析：A项不锈钢中含有Fe、C、Ni、Cr，硬铝中含有Al、Mg，故两者均为合金，正确；B项常温下Hg为液体，错误；Mg为活泼金属，工业上用电解熔融MgCl2来制取镁，C项正确；D项铝在高温下可与Fe2O3等发生铝热反应，镁在点燃条件下可与CO2反应，正确。

答案：B

3．我国古代的湿法冶金术是世界闻名的。我国在世界上最先应用湿法冶金术冶炼出来的金属是(　　)

A．Fe B．Cu

C．Ag D．Hg

解析：根据我国西汉时的炼丹家刘安所著的《淮南万毕术》中记载：“曾青得铁，则化为铜”，该表述意思是说铜的可溶性盐遇到铁时，就有铜生成，实质就是铁与可溶性铜盐反应生成铜。这一发现要比西方国家早1 700多年。

答案：B

4．(2018·绵阳市南山中学期末)下列有关金属的工业制法中，正确的是(　　)

A．以海水为原料制得精盐，再电解精盐的水溶液制取钠

B．用海水、石灰乳等为原料，经一系列过程制得氧化镁，用 H2还原氧化镁制得镁

C．以铁矿石、焦炭、空气、石灰石等为原料，通过反应产生的CO在高温下还原铁矿石制得铁

D．从铝土矿中获得氧化铝再制得氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝

解析：工业制钠是电解熔融NaCl而不是电解NaCl溶液，A错误；镁的还原性比氢气的还原性强，不能用氢气还原氧化镁制取镁，工业制镁是电解熔融氯化镁，B错误；工业上常用CO在高温下还原铁矿石炼铁：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，制得铁，因为炼铁的矿石中含有一定量的二氧化硅，所以石灰石的作用是将二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去，C正确；熔融状态下氯化铝不导电，所以从铝土矿中获得氧化铝再电解熔融的氧化铝来获取金属铝，D错误。

答案：C

5.铝热反应常用来焊接钢轨。右图为实验室进行铝热反应的装置，点燃镁条，反应过程中看到熔融物落入蒸发皿的沙子中。则下列有关说法中正确的是(　　)

A．金属氧化物与铝都能发生铝热反应

B．该装置所用的漏斗是玻璃漏斗

C．反应中观察到熔融物落入蒸发皿中，表明该反应是放热反应

D．加氯酸钾的目的是用氯酸钾来氧化铝粉

解析：A项Al能与在金属活动顺序表中排在Al后面的金属氧化物发生铝热反应，错误；B项所用的漏斗为纸质的，错误；C项正确；D项KClO3可提供O2，为引燃剂，使Mg充分燃烧，提供Al与Fe2O3反应的条件，错误。

答案：C

1．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

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3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，热还原法冶炼金属，金属元素由化合态转化为游离态，一定是氧化还原反应，故选A项。

答案：A

2．(2018·平顶山市期末)下列说法中正确的是(　　)

A．电解NaCl溶液、熔融态的氯化镁可制得相应的金属单质

B．工业上可用含Cu2S的矿石和氧化剂O2反应冶炼Cu

C．铝热反应可用于冶炼高熔点金属，如K、Ca、Cr、Mn等

D．工业电解熔融态的Al2O3制Al时，加冰晶石的主要作用是提高Al的产量

解析：电解 NaCl 溶液得到氢氧化钠、氢气和氯气，电解熔融态的氯化镁可制得镁和氯气，A错误；工业上可用Cu2S和O2反应制取粗铜，发生的氧化还原反应为Cu2S＋O2===2Cu＋SO2，B正确； 铝热反应不能用于冶炼K、 Ca等活泼金属，C错误；工业电解熔融态的Al2O3制Al时，加冰晶石的主要作用是降低Al2O3的熔化温度，不能提高Al的产量，D错误。

答案：B

3．用铝热法还原下列氧化物，制得金属各1 mol，消耗铝最少的是(　　)

A．MnO2 B．WO3

C．Fe2O3 D．V2O5

解析：MnO2～Mn，生成1 mol Mn，需要得到4 mol电子，消耗 mol Al；WO3～W，生成1 mol W，需要得到6 mol电子，消耗2 mol Al；Fe2O3～2Fe，生成1 mol Fe，需要得到3 mol电子，消耗1 mol Al；V2O5～2V，生成1 mol V，需要得到5 mol电子，消耗 mol Al，故制得金属各1 mol消耗铝最少的是Fe2O3，选C项。

答案：C

4．利用金属的活泼性不同，冶炼镁、铁、汞分别应采用的方法是(　　)

A．热还原法、热分解法、电解法

B．电解法、热还原法、热分解法

C．热分解法、热还原法、电解法

D．电解法、热分解法、热还原法

解析：冶炼镁用电解法，冶炼铁用热还原法，冶炼汞用热分解法，故选B项。

答案：B

5．从金属利用的历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近百年的事。这个先后顺序跟下列有关的是(　　)

①地壳中的金属元素的含量　②金属活动性顺序　③金属导电性　④金属冶炼的难易程度　⑤金属的延展性

A．①③ B．②⑤

C．③⑤ D．②④

解析：金属的活动性决定了金属冶炼的难易程度，金属越活泼，其金属离子得到电子被还原成金属原子越困难，则金属单质的使用年代越晚。

答案：D

6．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属锂能释放出更多的电子，故常用来制造高能量电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是(　　)

A．热分解法 B．热还原法

C．电解法 D．铝热法

解析：锂的金属性介于钠和镁之间，应该与钠、镁的冶炼方法相同，故冶炼锂应选用电解法，选C项。

答案：C

7．冶炼金属常用以下几种方法：

①以C、CO或H2作还原剂还原　②以较活泼金属Na、Mg等还原　③利用铝热反应原理用Al还原　④电解法　⑤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等活泼或较活泼金属________。

(3)Hg、Ag等不活泼金属________。

(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属________。

(5)K、Rb、Cs、Ti等金属通常还原方法是________。

解析：根据每种金属的特点，应选择最佳方案。其中(5)K、Rb、Cs、Ti中制取K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Na＋KClNaCl＋K↑，抽离钾蒸气此反应得以继续进行。而Ti是用Na来置换的：4Na＋TiCl4(熔融)4NaCl＋Ti或用Mg来置换：2Mg＋TiCl4(熔融)===2MgCl2＋Ti。

答案：(1)①　(2)④　(3)⑤　(4)③　(5)②

8．用如图所示的装置做铝热反应实验，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________(把序号填写在横线上)。

①镁条剧烈燃烧　②放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射　③纸漏斗的下部被烧穿　④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：____________。

(4)若将氧化铁换成氧化镁，该反应能否发生？________(填“能”或“不能”)，理由是__________________。

解析：(1)该铝热反应为2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3，该反应中Fe2O3作氧化剂，Al作还原剂。(2)①②③④全为该铝热反应的现象。(3)铝热反应实验中为使熔融物易落下通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；反应中镁条引起氯酸钾分解；氯酸钾引发铝热反应。(4)Mg比Al活泼，Al不能从MgO中置换出镁。

答案：(1)Fe2O3＋2AlAl2O3＋2Fe　Fe2O3　Al　铝热

(2)①②③④

(3)使熔融物易于落下　防止溅落物使蒸发皿炸裂　引起氯酸钾分解　引发铝热反应

(4)不能　镁比铝活泼，铝不能置换镁

1．下列反应中，通过置换反应得到金属单质的是(　　)

A．铜浸入氯化铁溶液中

B．一氧化碳通过炽热的氧化铜

C．焦炭与石英混合高温加热

D．四氯化钛与金属钠混合加热至熔融

解析：A项Cu浸入氯化铁溶液中发生反应Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2，该反应不是置换反应；B项一氧化碳通过炽热的氧化铜发生反应CO＋CuOCu＋CO2，该反应不是置换反应；C项焦炭与石英混合高温加热，硅还原SiO2得到硅单质，该反应为置换反应，但硅为非金属，不符合题意；D项四氯化钛与金属钠混合加热至熔融，发生反应TiCl4＋4NaTi＋4NaCl，该反应为置换反应，故选D项。

答案：D

2．下列说法正确的是(　　)

A．自然界中所有金属都以化合态形式存在

B．化学史上，金、银、铜发现较早，钾、钠、铝发现较迟是因为前者自然界含量高，后者含量低

C．废旧金属处理的最好办法是深埋

D．冶炼金属的一般步骤是：富集→冶炼→精炼

解析：排在金属活动顺序表后面的极少数的不活泼金属如金、铂等在自然界中可以游离态形式存在，金属活动性差的金属可用热分解或还原法冶炼，且冶炼越容易，发现越早，A、B项不正确；废旧金属的处理常见方法是回收再利用，以便节省资源减少污染，C项错误；只有D项正确。

答案：D

3．赤铜矿的主要成分是氧化亚铜(Cu2O)，辉铜矿的主要成分是硫化亚铜(Cu2S)，将赤铜矿与辉铜矿混合加热有如下反应：Cu2S＋2Cu2O6Cu＋SO2↑。下列对于该反应的说法，正确的是(　　)

A．该反应中的氧化剂只有Cu2O

B．Cu2S在反应中既是氧化剂又是还原剂

C．Cu既是氧化产物又是还原产物

D．氧化产物与还原产物的物质的量之比为6∶1

解析：Cu2S中Cu为＋1价，S为－2价，Cu2O中Cu为＋1价；生成物中Cu为0价，SO2中S为＋4价；根据元素化合价变化可知，Cu2S既是氧化剂又是还原剂，Cu2O只是氧化剂，Cu是还原产物，SO2是氧化产物。

答案：B

4．实验室欲使1.6 g氧化铁完全还原，事先应准备的CO在标准状况下的体积为(　　)

A．336 mL B．672 mL

C．小于336 mL D．大于672 mL

解析：根据反应3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2可知，1.6 g Fe2O3完全反应消耗0.03 mol CO，其标准状况下的体积672 mL，但反应过程中气体与固体反应不充分，反应前要先通一会CO排尽装置中的空气，反应后生成的铁要在CO气氛中冷却，故CO实际用量大于672 mL，选D项。

答案：D

5．黄铜矿(CuFeS2)是制取铜及其化合物的主要原料之一，还可制备硫和铁的化合物。

(1)冶炼铜的反应为8CuFeS2＋21O28Cu＋4FeO＋2Fe2O3＋16SO2，若CuFeS2中Fe的化合价为＋2，反应中被还原的元素是________(填元素符号)。

(2)上述冶炼过程产生大量SO2，下列处理方案中合理的是________(填序号)。

a．高空排放

b．用于制备硫酸

c．用纯碱溶液吸收制Na2SO3

d．用浓硫酸吸收

(3)利用黄铜矿冶炼铜产生的炉渣(含Fe2O3、FeO、SiO2、Al2O3)可制备Fe2O3。方法为：①用稀盐酸浸取炉渣，过滤。②滤液先氧化，再加入过量NaOH溶液，过滤，将沉淀洗涤，干燥、煅烧得Fe2O3。

根据以上信息回答下列问题：

a．除去Al3＋的离子方程式是________________。

b．选用提供的试剂，设计实验验证炉渣中含有FeO。

提供的试剂：稀盐酸、稀硫酸、KSCN溶液、KMnO4溶液、NaOH溶液、碘水。

所选试剂为________。证明炉渣中含有FeO的实验现象为____________________________。

解析：(1)分析方程式中各元素化合价可知：Cu由＋2价→0价，O由0价→－2价，铜元素、氧元素在反应中被还原。(2)二氧化硫污染环境，不能排入空气中。浓硫酸不能吸收SO2，也不能消耗SO2。可以“变废为宝”制硫酸，也可以用纯碱吸收制Na2SO3。(3)Al3＋与过量NaOH溶液反应生成NaAlO2溶液，而Fe3＋与NaOH溶液反应生成Fe(OH)3沉淀，过滤，将Al3＋除去，反应的离子方程式为Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O。若要证明炉渣中含有FeO需要首先将其溶解，生成可溶性的亚铁盐，结合试剂分析可知，将该溶液加入到KMnO4溶液中，亚铁离子具有强还原性，因此，可以使KMnO4溶液褪色，故选用的试剂是稀硫酸和高锰酸钾溶液。

答案：(1)Cu、O　(2)bc

(3)a.Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O

b．稀硫酸、KMnO4溶液　稀硫酸浸取炉渣所得溶液使KMnO4溶液褪色