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第一节 自然资源的开发利用
第1课时：金属矿物的开发利用
第八章 化学与可持续发展
金属矿物的开发利用
01
铝热反应与金属资源的利用
02
学习目标
1.通过联系旧知、归纳总结，认识金属冶炼的原理和冶炼方法，理解氧化还原反应在金属矿物开发中的应用，构建金属冶炼的思维模型。
2.通过讨论交流、数据分析，以铝的冶炼为例，了解金属冶炼成本的计算方法，认识合理开发和利用金属资源的重要性和必要性。
3.通过资料收集、阅读思考，能从化学的角度分析从自然资源到产品的转化途径，认识化学方法在实现物质转中的作用和贡献，感受化学科学在生产、生活中的应用价值。
金属材料是当前乃至未来人类发展与生存的重要物质基础，你知道拿破仑三世的刀叉具和纽扣为什么都用铝制造吗？筵席上，他为什么为多数客人提供金餐具，而只让少数客人使用铝餐具呢？
金属矿物的开发利用
金属矿物的开发利用
任务一、认识金属矿物与自然资源
学生活动1：阅读教材P98页第一自然段，结合“资料卡片”内容，思考
自然资源与可持续发展有何关系？
①自然资源是指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称。根据气能否再生可以分为可再生资源和不可再生资源。
②可持续发展的目标是满足人类需要，强调人类的行为要受到自然界的制约、强调代际之间、人类和其它生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。它包括经济的可持续发展，社会的可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展和全球可持续发展。
金属矿物的开发利用
任务一、认识金属矿物与自然资源
学生活动2：结合所学知识，思考金属在自然界的存在有何特点和规律？
①地球上的金属资源广泛存在于地壳和海洋中，极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在:
金 Au
银 Ag
铂 Pt
金属矿物的开发利用
任务一、认识金属矿物与自然资源
学生活动2：结合所学知识，思考金属在自然界的存在有何特点和规律？
②除了金、铂外，绝大多数金属以化合物形式存在，人类很早就使用金作为货币。
赤铁矿Fe2O3
菱铁矿FeCO3
磁铁矿Fe3O4
黄铁矿FeS2
③在地壳中，含量最高的金属元素是铝，其次是铁。人类最早使用的金属是铜（青铜器时代），其次是铁。铜的使用结束了漫长的“石器时代”，铁的使用推动了人类文明的进步。
金属矿物的开发利用
任务一、认识金属矿物与自然资源
学生活动2：结合所学知识，思考金属在自然界的存在有何特点和规律？
铝土矿Al2O3
明矾石KAl(SO4)·12H2O
黄铜矿CuFeS2
辉铜矿Cu2S
孔雀石Cu2(OH)2CO3
软锰矿(MnO2)
【典例1】中国高铁是一张国家名片，工业中常利用赤铁矿来炼铁，下
列说法中正确的是（ ）
A．地壳中含量最高的金属元素是铁元素
B．高炉炼铁得到的产品是纯铁
C．炼铁过程中，氧化铁体现了还原性
D．高炉炼铁时加入石灰石可将杂质二氧化硅转化为炉渣
对应训练
【解析】A、地壳中含量前四位的元素（由高到低）为：O、Si、Al、Fe，则含量最高的金属元素是铝，错误；B、高炉炼铁得到的铁中含有杂质，属于混合物，不是纯铁，错误；C、工业中通过赤铁矿炼铁的原理为Fe2O3与CO在高温下反应产生Fe，CO将氧化铁还原为铁，体现了还原性，错误；D、石灰石的主要成分是碳酸钙，碳酸钙能与杂质二氧化硅结合生成炉渣CaSiO3，达到除杂的目的，正确。
D
【典例2】下列说法不正确的是（ ）
A．目前我国流通的硬币是由合金材料制造的
B．合金的熔点一般比其成分金属的熔点高
C．青铜是我国使用最早的合金材料，目前世界上使用量最大的合金材
料是钢铁
D．铝比铁活泼，但在空气中铝制品比铁制品耐腐蚀
对应训练
【解析】A．硬币是由不锈钢、铁芯镀铜、铁芯镀镍等合金材料制造的，A正确；B．合金的熔点一般比其成分金属的熔点低，硬度大，B错误；C．青铜是我国使用最早的合金材料，商朝的司马鼎等，目前世界上使用量最大的合金材料是钢铁，C正确；D．虽然铝的金属活动性大于铁的，但铝表面容易被空气氧化为致密的氧化物薄膜，从而使其更耐腐蚀，D正确；故选B。
B
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
金属材料的发展和应用
马踏飞燕
（现已成为我国旅游标志）
青铜时代
沧州铁狮子
铁器时代
铝制厨具
铝器时代
合金汽车
合金时代
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动1：阅读教材P98页第二自然段，思考什么是金属的冶炼？结合
氧化还原反应原理，回答金属冶炼的实质是什么？
①金属冶炼是将金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程。
②金属冶炼的实质是根据氧化还原反应，使金属矿物中的金属阳离子得到电子生成金属单质的过程：Mn＋＋ne－===M，即金属元素被还原的过程。
火法炼铁
湿法炼铜
3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2
高温
Fe+CuSO4 Cu+FeSO4
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动2：金属的冶炼方法与金属活泼性有何关系？为什么不同的金
属的冶炼方法不同？
①不同金属离子的氧化性不同,越不活泼的金属,其离子的得电子能力越强,即氧化能力越强，其金属冶炼越容易;越活泼的金属，其离子得电子能力越弱，冶炼也越难。
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
金属活动性（还原性）逐渐减弱，
金属简单阳离子的得电子能力（氧化性）逐渐增强
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动2：金属的冶炼方法与金属活泼性有何关系？为什么不同的金
属的冶炼方法不同？
②在金属活动性顺序表中,金属的位置越靠后，越容易被还原,用一般的还原方法就能使金属还原;金属的位置越靠前,越难被还原,最活泼金属只能用最强的还原手段来还原。
【温馨提示】金属活动性顺序表中，金属的位置越靠后，金属阳离子的氧化性越强，越容易被还原，用一般的还原方法就能使金属离子还原，人们开发利用的时间就较早。同理，金属的位置越靠前，人们开发利用的时间就较晚。
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
①根据金属的的活泼性不同选择金属的冶炼方法如下表：
钾 钙 钠 镁 铝 锌 铁 锡 铅 (氢) 铜 汞 银 铂 金
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
【电解法】活泼金属
【热还原法】中等活泼金属
【热分解法】不活泼金属
【物理提取】最不活泼金属
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
1.电解法实例 ：
①制Na：
②制Mg：
③制Al：
2Al2O3(熔融)===== 4Al + 3O2↑
电解
冰晶石
2NaCl(熔融) ==== 2Na + Cl2↑
电解
MgCl2(熔融) ==== Mg + Cl2↑
电解
【温馨提示】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。
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
2.热还原法实例 ：
① 火法炼铜：用矿(硫化矿，主要成分为Cu2S)二百五十箩……入大旋风炉，连烹(灼烧) 三日三夜，方见成铜。——明·陆容《菽园杂记》
Cu2S+O2 ==== Cu + SO2
高温
CuO+H2 ==== Cu + H2O
高温
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
②高炉炼铁：
Fe2O3＋3CO 2Fe＋3CO2
高温
产品为生铁（不纯），含有2%～4.3%的碳及少量磷和硫的铁合金，硬而脆，不利于加工。
古代
现代
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
3.热分解法实例 ：
① 金属汞冶炼：
2HgO 2Hg＋O2↑
加热
② 金属银冶炼：
2Ag2O 4Ag＋O2↑
加热
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
4.物理方法—富集法 适用于极不活泼的金属（如：铂Pt、金 Au ）
淘沙金（密度不同）
《浪淘沙》
-刘禹锡
日照澄洲江雾开，
涛金女伴满江隈。
美人首饰侯王印，
尽是沙中海底来
金属矿物的开发利用
任务二、探究金属的冶炼
学生活动3：结合金属冶炼的原理，思考如何根据金属的活泼性不同选
择不同的金属冶炼方法？
②金属冶炼的三个步骤及目的：矿石富集（除杂、提高矿石中有效成分含量）→金属冶炼（适当还原剂将金属化合物还原成金属单质）→金属精炼（加如试剂除杂或电解精炼，得纯金属）。
【温馨提示】电解法冶炼较活泼金属时，电解的是熔融的金属化合物，而不是金属化合物的水溶液，否则阴极放电的是H＋，得不到金属单质。
【典例1】《天工开物》中述及铜的开采与冶炼：凡铜砂……淘洗去土
滓，然后入炉煎炼，其熏蒸旁溢者为自然铜……色似干银泥……凡铜
质有数种：有与铅同体者，其煎炼炉法，傍通高低二孔，铅质先化，
从上孔流出。下列有关说法错误的是 （ ）
A．“淘洗去土滓”属于原料的富集 B．炼制所得自然铜为合金
C．铜与铅混合物的分离过程利用了物质的熔点不同
D．可用热分解法冶炼铜
对应训练
【解析】“淘洗去土滓”，使矿石和土分离属于原料的富集，A正确；纯铜为红色，“自然铜……色似干银泥”为合金，B正确；铜与铅混合物的分离过程中，铅质先熔，从上孔流出，利用了物质的熔点不同，C正确；不能用热分解法冶炼钢，可用热还原法冶炼铜，D错误；答案选D。
D
【典例2】冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法，②水煤气（或H2
或CO）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）火烧孔雀石法炼铜，（Ⅱ）湿法炼铜，现代有（Ⅲ）
铝热法炼铬，（Ⅳ）从光卤石（KCl MgCl2 6H2O）中炼镁，对它们的
冶炼方法分析不正确的是（　 ）
A.（Ⅰ）用① B.（Ⅱ）用②　 C.（Ⅲ）用③ D.（Ⅳ）用④
对应训练
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。(Ⅰ)：Cu2(OH)2CO3 2CuO＋CO2↑＋H2O，C＋2CuO 2Cu＋CO2↑，符合①；(Ⅱ)：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，符合③；(Ⅲ)：2Al＋Cr2O3 Al2O3＋2Cr，符合③；(Ⅳ)：先从光卤石中提取MgCl2，再电解MgCl2：MgCl2(熔融) Mg＋Cl2↑，符合④。
加热
高温
高温
电解
铝热反应与金属资源的利用
铝热反应与金属资源的利用
任务一、探究铝热反应的原理及应用
铝热反应与金属资源的利用
任务一、探究铝热反应的原理及应用
学生活动1：结合下表中的实验操作为此实验（铝热反应），观察实验
现象，分析实验原理。
实验现象
实验原理
实验结论
实验操作
①镁条剧烈燃烧；②氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应；③反应放出大量的热，并发出耀眼的白光；④纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。
在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热
2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3
高温
铝热反应与金属资源的利用
【温馨提示】①镁带的作用是燃烧放出的热量引燃铝热反应（引燃剂），要打磨干净表面的氧化膜，否则难以点燃；②氯酸钾作用对镁的燃烧起助燃作用（助燃剂）。③内层滤纸要用水润湿，以防止纸漏斗燃烧。④蒸发皿中的细沙要适量，既要防止蒸发皿炸裂，又要防止熔融的液体溅出伤人。⑤氧化铁粉末与铝粉要选择干燥的，铝粉要用没有被氧化的，氧化铁粉末与铝粉两者要混合均匀，以保证氧化铁与铝都完全反应。
任务一、探究铝热反应的原理及应用
学生活动1：结合下表中的实验操作为此实验（铝热反应），观察实验
现象，分析实验原理。
2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3
高温
铝热剂。铝是还原剂，把其中的金属还原成单质
铝热反应与金属资源的利用
任务一、探究铝热反应的原理及应用
学生活动2：结合上述实验，思考什么是铝热反应及铝热剂？铝热反应
在工业上有哪些重要应用？
① 冶炼高熔点金属，如铬、锰、钨、钒等
② 金属焊接，如焊接钢轨
3MnO2 + 4Al 3Mn + 2Al2O3
高温
Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3
高温
对应训练
【解析】A．有单质Al参加反应，生成物中有单质Fe，属于置换反应，故A正确； B．有熔融铁珠生成能够说明该反应是放热反应，反应放出的热量使铁呈熔融状态，故B正确；C．该反应的化学能不能全部转化为热能，也有一部分转化为光能等，故C错误；D．该反应为放热反应，反应物断键吸收的能量低于生成物成键释放的能量，故D正确；故答案为C。
【典例1】野外焊接钢轨常用如图所示装置，镁条引燃混合物后，反应非
常剧烈，火星四射，有熔融铁珠落入沙子中。下列叙述错误的是（ ）
A．该反应属于置换反应
B．有“熔融铁珠”生成说明该反应为放热反应
C．该反应的化学能全部转化为热能
D．该反应中断键吸收的能量小于成键释放的能量
C
对应训练
【解析】①金属的冶炼都是把化合态的金属从化合物中还原出来，①错误；②银的活泼性较弱，常采用加热分解氧化银的方法制取单质银，②正确；③氯化铝是共价化合物，常采用电解熔融氧化铝的方法制取单质铝，③错误；④铝热反应的原理是利用铝作还原剂，置换出比Al活泼性弱的金属，④正确；因此①③错误，B项符合题意。
【典例2】下列有关金属冶炼的说法错误的是（ ）
①金属的冶炼都是把金属单质从其矿物中分离出来
②可以采用加热分解氧化银的方法制取单质银
③可以采用电解熔融氯化铝的方法制取单质铝
④铝热反应的原理是利用铝作还原剂，置换出相对不活泼的金属
A．①② B．①③ C．②④ D．③④
B
铝热反应与金属资源的利用
任务二、合理利用金属资源
学生活动1：阅读教材P99页第一自然段，回答开发和利用金属矿物资
源的原因及措施是什么？
①原因：地球上金属矿物资源有限，且分布不均；金属冶炼消耗很多能量；金属冶炼造成环境污染。而金属腐蚀现象普遍存在，也造成了大量损失。
据估计一些矿物可供开采年限
②措施：提高金属矿物的利用率；使用其他材料代替金属材料，减少金属的使用量；加强金属资源的回收和再利用；开发环保高效的金属冶炼方法；防止金属的腐蚀等。
铝热反应与金属资源的利用
任务二、合理利用金属资源
学生活动2：根据教材P99页“思考与讨论”，结合数据及图8-1和图8-2
的分析和比较，思考在利用金属资源的过程中要注意哪些问题？
①废铝的回收和再利用。一是可以节约大量的铝土矿资源；二是可节约大量能源，三是可减少铝工业的污染物排放，使环境得到保护等。
②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。
③实际工业生产中，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。
对应训练
【解析】A．越活泼的金属，其冶炼难度越大，故A正确；B．氧化铝熔点很高，电解需要大量的热量，需要更多的燃料，因此成本高，故B正确；C．冶炼铝的方法只能是电解法，故C错误；D．还未找到良好的助熔剂，不能在较低的温度下熔化，因此需要大量的热能使其熔化，故D正确。综上所述，答案为C。
【典例1】铝曾是比黄金还要贵重的金属。1885年建成的华盛顿纪念碑，
其顶端就是一块当时很昂贵的金属铝。下列关于当时铝的价格高昂的
原因分析中，错误的是（ ）
A．活泼的金属冶炼难度高
B．氧化铝熔点很高，电解需要耗费的热量极其多
C．当时化学家还未尝试采用焦炭冶炼铝的方法
D．还未找到良好的助熔剂
C
对应训练
【解析】重金属离子对地下水等环境有污染，因此回收废旧金属有利于减轻污染，故A正确；Ag的活泼性较弱，其氧化物(Ag2O)受热易发生分解生成Ag和O2，可利用加热氧化物的方式制备银单质，故B正确；“淘金”利用的原理是金子比沙子密度大，且金单质不溶于水以及化学性质稳定，故C正确；金属镁的化学性质较为活泼，常通过电解熔融状态的氯化镁制备单质镁，电解氯化镁溶液无法得到单质镁，故D错误；故答案为D。
【典例2】下列关于金属的冶炼方法说法不正确的是（ ）
A．废旧金属的回收利用有利于减轻污染
B．银的金属性弱，用加热Ag2O的方法冶炼
C．金子比沙子密度大，利用水洗法直接获得
D．金属镁活泼，电解氯化镁溶液可以获取
D
1．下列说法不正确的是（ ）
A．自然界中存在游离态的金属单质
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取之不尽的，因此，应加大开采金属矿物的
速度，以满足经济发展的需要
D．废旧金属的回收利用，有利于环境保护
C
【解析】少数化学性质不活泼的金属，在自然界中以游离态存在，如金和铂等，A正确；金属活动性不同，冶炼方法也有所不同，如钾钙钠镁铝用电解法，锌铁锡铅用热还原法，铜用热分解法或热还原法，汞用热分解法，B正确；矿产资源是不可再生的自然资源，不是取之不尽的，应合理的开采金属矿物，C错误；废旧金属的回收利用，实现资源再利用，有利于环境保护，D正确；答案选C。
2．下列关于金属冶炼的说法正确的是（ ）
A．由于Al的活泼性强，故工业上采用电解熔融AlCl3的方法生产Al
B．可以用钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁
C．炼铁高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热
D．金属冶炼的本质是将化合态金属还原为游离态，冶炼方法由金属
的活泼性决定
D
【解析】AlCl3是共价化合物，熔融状态下不导电，不用电解AlCl3的方法生产铝，A错误；钠是很活泼金属，将Na加入氯化镁溶液中，会生成Mg(OH)2沉淀，得不到Mg单质，应电解熔融氯化镁冶炼Mg，B错误；炼铁高炉中所发生的反应有的是放热有的是吸热，有些放热反应在加热条件下发生，C错误；金属冶炼的本质是将化合态金属还原为游离态，金属活泼不同，冶炼方法不同，D正确。
3．下列有关金属的冶炼描述错误的是（ ）
A．电解熔融的NaCl制取Na
B．金属冶炼过程中，被冶炼的金属被还原
C．CO还原Fe2O3制取Fe
D．从自然界中获得金属单质均需要通过化学方法
D
【解析】A项，金属钠的还原性强，工业上常用电解熔融氯化钠的方法制取钠，正确；B项，金属冶炼过程中，被冶炼的金属元素的化合价降低被还原，正确；C项，铁具有较强的还原性，工业上常用一氧化碳在高温下还原氧化铁制取铁，正确；D项，自然界中含有游离态的金，所以从自然界中获得金单质不需要通过化学方法，错误。
4．铝热反应有广泛用途，实验装置如图1所示。下列说法错误的是（ ）
A．铝热反应的能量变化可用图2表示
B．和铝粉的混合物被称为铝热剂
C．铝热反应只能用于冶炼铁、锰、
铬、镁等熔点较高的金属
D．铝热反应可用于焊接铁轨，反应的化学方程式为：
2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3
C
高温
【解析】铝热反应是放热反应，能量变化可用图2表示，故A正确；Fe2O3和铝粉的混合物被称为铝热剂，故B正确；C．镁的活泼性大于Al，不能用铝热反应冶炼金属镁，故C错误；铝热反应可用于焊接铁轨，反应的化学方程式为2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3，故D正确；选C。
高温
延时符
金属矿物的开发利用
金属冶炼
本质
方法
Mn＋＋ne－===M，即金属元素由化合态转变为游离态的过程
电解法：活泼金属（K、Ca、Na、Mg、Al）
热还原法：中等活泼金属（Zn、Fe、Sn、Pb、Cu）
热分解法：不活泼金属（Hg、Ag）
其他方法：如物理法淘金、铝热反应等
金属利用
合理开发和利用金属资源：提高矿物利用率；开发环保高效冶炼方法；防止金属的腐蚀；回收和再利用等
第1课时 金属矿物的开发利用

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