人教版 (2019)必修 第二册第八章 化学与可持续发展第一节 自然资源的开发利用学案

金属矿物与海水资源的开发利用

知识点一　金属矿物的开发利用

1．金属元素在自然界中存在的形态

(1)极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在。

(2)绝大多数金属元素以化合物的形式存在于自然界。

(3)在地壳中，含量最高的金属元素是铝，其次是铁。

2．金属冶炼原理与实质

(1)原理：将金属从化合物中还原出来。

(2)实质：化合物中金属得到电子被还原生成金属单质。

3.金属冶炼方法

(1)加热分解法(写出化学方程式)

①制Hg：2HgO2Hg＋O2↑。

②制Ag：2Ag2O4Ag＋O2↑。

(2)电解法(写出化学方程式)

①制Mg：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。

②制Al：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。

③制Na：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。

(3)热还原法：高温加热条件下用还原剂把金属还原出来

①常用还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气、铝等。

②高炉炼铁：CO还原Fe2O3的化学方程式为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2。

③铝热反应：Al还原Fe2O3的化学方程式为2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3。

微提醒：自然资源包括土地与土壤资源、矿产资源、生物资源、水资源、能源资源、环境资源等。可持续发展包括经济、社会、资源、环境可持续发展等。

4．合理开发和利用金属资源的主要途径

(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；

(3)防止金属的腐蚀；

(4)加强废旧金属的回收和再利用；

(5)使用其他材料代替金属材料。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)金属矿物中的金属均是化合态存在。 (×)

(2)金属冶炼的原理是化合态的金属发生氧化反应被氧化。 (×)

(3)电解熔融的MgCl2和AlCl3可以分别得到Mg和Al。 (×)

(4)CO、H2、Al还原Fe2O3生成Fe的反应均为置换反应。 (×)

知识点二　海水资源的开发利用

1．海水水资源的利用

(1)海水水资源的利用，主要包括海水淡化和直接利用海水进行循环冷却等。

(2)海水淡化：通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去，都可以达到淡化海水的目的。海水淡化的方法主要有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。其中蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较成熟，但成本较高。

2．海水的化学资源利用

(1)海水中的化学元素

海水中含量最多的为O、H两种元素，还有Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、F等11种元素。其他为微量元素，如Au。

(2)海水中化学资源的利用

(3)从海水中获取能源

①从海水中提取铀和重水，用于核能开发。

②开发潮汐能、波浪能等新型能源。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)海水通过离子交换法可以得到纯水。 (×)

(2)海水中含量最多的元素为H和O。 (√)

(3)海水中含有钾元素，仅通过物理变化就可以得到金属钾。 (×)

(4)海水淡化可以加明矾净化。 (×)

　海水中的非金属元素通过什么反应提取出来？

提示：通过氧化反应提取。

1．人类使用金属的年代先后顺序与金属活动性有什么关系？青铜器和铁器时代哪个时间早？

提示：金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现的相对晚一些。金属越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以青铜器时代比铁器时代早。

2．工业电解法冶炼铝，需要什么试剂和电极材料？电极材料消耗吗？

提示：Al2O3和冰晶石，电极为碳素电极，电极材料在电解过程中有消耗。

3．当铁轨有缝隙时，维修工人常将铝粉与氧化铁的混合物点燃，让熔融的铁水流入铁轨的裂缝，冷却后就将铁轨牢牢的黏结在一起。其中的原理是什么？写出化学方程式。

提示：高温条件下，铝粉与Fe2O3发生置换反应，化学反应方程式为Fe2O3＋2AlAl2O3＋2Fe。

1．金属的冶炼

(1)原理：Mn＋＋ne－===M

(2)金属冶炼方法与金属活动性的关系

注意：工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO的原因是MgO的熔点比MgCl2的高，冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物，熔融状态下不导电。

2．铝热反应——拓展链接

(1)概念：铝与某些难熔金属氧化物(如Fe2O3、Cr2O3、MnO2等)在高温条件下发生的置换反应称为铝热反应。

(2)反应原理(以铝和氧化铁反应为例)：Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3，实验如图。

(3)铝热剂：铝粉和某些难熔金属氧化物(如Fe2O3、Cr2O3、MnO2等)的混合物。

(4)反应特点：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熔融态且易与Al2O3(固态)分离。

(5)应用：在冶金工业上常用这一原理制取熔点较高的金属，如Fe、Cr、Mn等；也可用于焊接钢轨等。

1．下列说法正确的是(　　)

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，可能被还原，也可能被氧化

D．金属单质被发现和应用得越早，其在地壳中的含量越高

A　[A项，金属冶炼是将金属化合物还原为金属单质的过程，正确；B项，冶炼金属并不一定要加入还原剂，如电解法制取钠和镁，错误；C项，金属由化合态变为游离态，都是由高价态降低到0价，故一定被还原，错误；D项，金属被发现和应用的早晚与其在地壳中的含量无关，如虽然铝是地壳中含量最高的金属元素，但其被发现和应用的时间却比铁、铜晚得多，错误。]

2．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是(　　)

[答案]　C

3．冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法　②水煤气(或氢气，或一氧化碳)法　③活泼金属置换法　④电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜；现代有(Ⅲ)铝热法炼铬；(Ⅳ)从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是(　　)

A．(Ⅰ)用①   B．(Ⅱ)用②

C．(Ⅲ)用③   D．(Ⅳ)用④

B　[(Ⅱ)湿法炼铜是利用Fe与CuSO4反应，B错误。]

4．下列关于铝热反应2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe的说法不正确的是(　　)

A．该反应中Al作还原剂

B．该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2

C．该反应中冶炼1 mol Fe转移2 mol电子

D．该反应可用于焊接钢轨

C　[由题中化学方程式可知，反应中Fe的化合价由＋3降为0，则冶炼1 mol Fe转移3 mol电子。]

从海水提溴工艺流程如图所示：

请思考下列问题：

1．海水中加酸和氯气的目的是什么？写出有关离子方程式。

提示：Cl2氧化Br－生成Br2，Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－。

2．“X”是什么物质？目的是什么？写出有关离子方程式。

提示：X是SO2，目的是还原Br2进而吸收Br2生成HBr，使溴得到富集。

3．“Y”是什么？目的是什么？

提示：Y是蒸馏塔，目的是蒸馏出Br2。

1．海水提溴

海水提溴的常用方法是空气吹出法。

(1)主要流程

(2)主要反应

Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－(氧化)

Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4(富集)

Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－(提取)

2．海带中含有碘元素的检验及碘的提取

(1)海带中含有碘元素的检验

①关键反应的反应原理：2H＋＋2I－＋H2O2===I2＋2H2O。

②实验步骤及证明方法：

(2)海带中提碘

①工艺流程：海带→浸泡→氧化→过滤→提纯→碘单质。

②主要的化学反应原理：Cl2＋2KI===2KCl＋I2。

3．海水提镁

(1)工艺流程

(2)主要的化学反应原理

CaCO3CaO＋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↑

5．下列说法正确的是(　　)

A．除去粗盐中杂质(Mg2＋、SO、Ca2＋)，加入的药品顺序为NaOH溶液→Na2CO3溶液→BaCl2溶液→过滤后加盐酸

B．海水提溴的流程：浓缩海水→氯气氧化→通热空气吹出Br2→SO2还原→氯气氧化→Br2

C．海水晒盐的原理是蒸馏

D．无论是海水波浪发电还是潮汐发电，都是将化学能转化为电能

B　[在Na2CO3溶液沉淀Ca2＋之后加入过量BaCl2溶液，不能除去过量的Ba2＋，故A错误；海水浓缩后，氯气氧化Br－发生反应2Br－＋Cl2===2Cl－＋Br2，通热空气吹出Br2后，溴和二氧化硫发生反应Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4，最后氯气氧化Br－发生反应2Br－＋Cl2===2Cl－＋Br2，流程合理，故B正确；海水晒盐的原理是蒸发水分，使食盐结晶析出，故C错误；波浪发电和潮汐发电的过程中没有发生化学变化，不能将化学能转化为电能，故D错误。]

6．海水提镁的主要流程如下：

下列说法正确的是(　　)

①试剂M是盐酸　②流程中的反应全部都是非氧化还原反应　③操作b只是过滤　④用海水晒盐后的饱和溶液加石灰乳制Mg(OH)2　⑤电解熔融MgCl2比电解熔融的MgO制金属镁更节约能量

A．①②③④⑤  B．②③  C．④⑤  D．①④⑤

D　[电解熔融氯化镁的反应属于氧化还原反应，因此②是错误的。③操作b应是蒸发、结晶、过滤，因此③是错误的。]

1．下列说法不正确的是(　　)

A．从自然界中获得金属单质均需要通过化学方法

B．金属活动性不同，冶炼方法也有所不同

C．地球上金属矿物资源是有限的，因此，应提高金属矿物的利用率

D．废旧金属的回收再利用，有利于环境保护

A　[自然界中的绝大多数金属元素以化合态形式存在，这些金属单质的获得需要通过化学方法，极少数金属元素如Au、Pt等以游离态形式存在，这些金属单质的获得只需要通过物理方法(如富集法)，A项错误；金属活动性不同，金属阳离子被还原的难易程度不同，冶炼方法不同，B项正确；金属矿物资源是有限的，既要提高金属矿物的利用率，又要回收再利用废旧金属，C、D项正确。]

2．下列化工生产原理错误的是(　　)

①可以通过电解熔融的氯化钠来制取金属钠

②可以将钠加入饱和氯化镁溶液中制取镁

③用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝

④高炉炼铁时所发生的反应都是放热反应，故无需加热

A．②③  B．①③  C．①②  D．②③④

D　[常用电解熔融NaCl的方法冶炼金属Na，①正确；Na非常活泼，将Na加入饱和MgCl2溶液中，Na先与H2O反应生成NaOH和H2，Mg2＋再与OH－反应生成Mg(OH)2沉淀，②错误；AlCl3为共价化合物，熔融状态下不导电，故冶炼铝使用的是Al2O3，③错误；高炉炼铁时所发生的反应有些是放热反应，如Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2，但仍需要高温，④错误。故选项D符合题意。]

3．(素养题)海水淡化可采用反渗透法，如图所示，对半透膜右侧的海水加压，水分子可以透过半透膜进入左侧淡水池，而海水中的各种离子等不能透过半透膜。下列对加压后右侧海水成分变化的分析正确的是(　　)

A．溶质质量增加   B．溶液质量不变

C．溶剂质量减少   D．溶质质量分数不变

C　[加压后，溶质不能透过半透膜，右侧海水中溶质质量不变，水分子透过半透膜进入左侧淡水池，右侧溶剂质量减少，溶液质量减少，溶质质量分数增大，故选项C正确。]

4．“空气吹出法”海水提溴的工艺流程如下：

下列说法中，不正确的是(　　)

A．实验室保存溴通常加少量水

B．海水提溴与海水提镁发生的所有反应均为氧化还原反应

C．经过吸收塔后，溴元素得到了富集

D．蒸馏塔中也发生了化学变化

B　[溴易挥发，加水液封可以减少挥发损失，故A正确；海水提镁的过程中，发生了镁盐与碱反应生成氢氧化镁的复分解反应，为非氧化还原反应，故B错误；经过吸收塔后，溶液中的Br－浓度远大于进入吹出塔之前的海水中的Br－浓度，因此溴元素得到了富集，故C正确；蒸馏塔中发生的反应为2Br－＋Cl2===2Cl－＋Br2，故D正确。]

5．(素养题)海洋资源的利用具有广阔前景。

(1)无须经过化学变化就能从海水中获得的物质是________(填序号)。

A．Cl2  B．淡水  C．烧碱  D．食盐

(2)从海水中提取溴的主要步骤是向浓缩的海水中通入Cl2，将Br－氧化，该反应的离子方程式是_______________________。

(3)下图是从海水中提取镁的简单流程。

①工业上常用于沉淀Mg2＋的试剂A是________，Mg(OH)2转化为MgCl2的离子方程式是____________________。

②由无水MgCl2制取Mg的化学方程式是________________________。

[解析]　(1)Cl2和烧碱均需要通过电解饱和氯化钠溶液制得，反应过程中有新物质生成，属于化学变化，故A、C项错误；用蒸馏等方法可将海水转化得到淡水，属于物理变化，故B项正确；海水经太阳暴晒，水分蒸发后即得食盐，不需要化学变化就能够从海水中获得，故D项正确。

(2)氯气具有强氧化性，能和溴离子发生置换反应生成溴，离子方程式为Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－。

(3)①工业上常用石灰乳沉淀Mg2＋，Ca(OH)2和镁离子反应生成Mg(OH)2，氢氧化镁和盐酸反应得到氯化镁和水，反应的离子方程式为Mg(OH)2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O。②镁是活泼金属，可通过电解熔融氯化镁冶炼镁，电解反应的化学方程式为MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。

[答案]　(1)BD　(2)Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－

(3)①石灰乳　Mg(OH)2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O

②MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑