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第八章 化学与可持续发展
人教版高中化学必修第二册
第一节 自然资源的开发应用
第1课时 金属矿物的开发利用
金属矿物
海水资源
化石燃料
法国皇帝拿破仑三世是一个奢靡的人，同时也喜欢炫耀自己。他常常大摆宴席，宴请天下宾客。
每次宴会，餐桌上的用具几乎全是用银制成的，唯有他自己用的那一个碗却是铝制品。
为什么贵为法国皇帝，却不用高贵而亮丽的银碗，而用色泽要暗得多的铝碗呢
《拿破仑的铝碗》
任务一 金属材料的发展历史
1.金属元素的存在
黄铜矿
赤铁矿
铝矿
锰矿
钨矿
自然金
自然银
自然铜
自然铁
(1) 极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在。
(2) 绝大多数金属以化合物的形式存在。
(3) 在地壳中，含量最高的金属元素是铝，其次是铁。
2.金属材料的发展历史
任务一 金属材料的发展历史
1)从古到今的社会发展：
数字时代（硅）
原始社会
奴隶社会
农业社会
现代社会
未来社会
石器时代
青铜器时代
铁器时代
合金时代
（钢、铝、钛等）
2)对应的材料发展：
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au
约200年前
约3000年前铁器时代
约5000年前青铜时代
约10000年前
金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。
问题：金属在历史上出现的时间和哪些因素有关呢？
任务二 金属材料的冶炼方法
根据历史文献记载，总结下列有关金属的冶炼方法：
朝代 利用矿物 历史记载的材料 冶炼方法
夏朝 金矿 “千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金”
东晋 硫化汞矿 炼丹家葛洪《抱朴子》“丹砂(HgS)烧之成水银”。
西汉 硫酸铜矿 西汉刘安《淮南万毕术》“曾青得铁则化为铜”。
商朝 孔雀石矿Cu2(OH)2CO3 西汉贾谊《鹏鸟赋》且夫天地为炉兮，造化为工；阴阳为炭兮，万物为铜。
战国 赤铁矿 《秋浦歌》炉火照天地，红星乱紫烟。
物理富集法
热分解法
湿法炼铜
热还原法
热还原法
2HgS + 3O2 = 2HgO+2SO2
加热
Fe+CuSO4 = Cu + FeSO4
2CuO+C = 2Cu + CO2 ↑
Fe2O3+3CO = 2Fe + 3CO2 ↑
高温
高温
火约200年前
火法炼铜
任务二 金属材料的冶炼方法
问题：湿法炼铜的本质是利用铁与铜盐溶液置换出金属铜（Fe+CuSO4 = Cu + FeSO4）。举例说明金属在非水溶液体系中也存在的置换反应吗？
铝热反应的应用：
早期应用于野外铁轨焊接；
2.冶炼难熔金属如钨、铬、锰等。
铝热反应：
2Al+Fe2O3 = 2Fe + Al2O3
高温
Na(l)+KCl = K(g) + NaCl
高温
约850℃时反应,钾沸点比钠低,钾以气体形式离开反应体系,平衡就不断右移。
引燃剂
助燃剂
铝热剂：
蒸发皿中铺少量细沙的作用：1、防止蒸发皿炸裂；
2、防止生成的熔融物溅出。
铝和比铝活泼性弱的金属的氧化物组成的混合物。
任务二 金属材料的冶炼方法
人类历史冶炼金属时间表：
金属 元素符号 冶炼时间 冶炼原理 冶炼条件
金 Au 前6000年 物理富集、筛选法 银 Ag 前5000年 热分解法 400℃
汞 Hg 前3000年 热分解法 500℃
铜、锡 Cu、Sn 前5000年 800℃
1200℃
铁 Fe 前2500年 锌 Zn 1746年 铝 Al 1827年
镁、钙 Mg、Ca 1808年
钠、钾 Na、K 1807年
热还原法
汉弗莱·戴维
(H.Davy，1778-1829)
？
1807年戴维用电解的方法得到钠、钾，1808年又电解得到镁、钙、锶、钡。
电解法
任务二 金属材料的冶炼方法
19世纪初，戴维成功地利用电化学方法从KOH、NaOH中制得K、Na，他也从开始尝试氧化铝中提取铝。
氧化铝
高温熔融
液态氧化铝
电解
铝
问题：氯化铝熔点比氧化铝低得多，工业上为什么不采用电解氯化铝来制备铝呢？
物质 Al2O3 AlCl3
熔点 2015℃ 195℃
制取流程：
氯化铝是分子晶体，在熔融状态下不导电！
2Al2O3 (熔融) = 4Al + 3O2 ↑
电解
冰晶石
MgCl2 (熔融) = Mg + Cl2↑
电解
CaCl2 (熔融) = Ca + Cl2↑
电解
2NaCl (熔融) = 2Na + Cl2↑
电解
2KCl (熔融) = 2K + Cl2↑
电解
任务二 金属材料的冶炼方法
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
活泼
电解法
(氧化物、氯化物)
较活泼
热还原法
(C、CO、H2、Al等)
不活泼
热分解法
(氧化物)
物理方法
钒、铬、锰、钴
很稳定
金属的冶炼实质
冶炼金属的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属单质。
（化合态）M n+
得电子
M（游离态）
（被还原）
任务二 金属材料的冶炼方法
问题：如何从铝土矿(主要成分为Al2O3还有杂质Fe2O3、MgO、SiO2等)中获得铝单质？
途径一先酸后碱
Al2O3
Fe2O3
SiO2
Al3+、Fe3+
Fe(OH)3
AlO2-
Al(OH)3
加HCl后过
滤
SiO2
Al2O3
加NaOH后过
滤
过量
CO2
灼烧
电解
Al
Al2O3+6HCl=
2AlCl3+3H2O
AlCl3+4NaOH=
NaAlO2+3NaCl+2H2O
FeCl3+3NaOH=
Fe(OH)3↓+3NaCl
HCl+NaOH=NaCl+H2O
Fe2O3+6HCl=
2FeCl3+3H2O
NaAlO2+H2O+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3
NaOH+CO2=NaHCO3
Al(OH)3 Al2O3+3H2O
加热
Al2O3(熔融) 4Al+3O2
电解
核心思路：除杂提取出纯净的氧化铝再电解
任务二 金属材料的冶炼方法
问题：如何从铝土矿(主要成分为Al2O3还有杂质Fe2O3、MgO、SiO2等)中获得铝单质？
途径二先碱后酸
Al2O3
Fe2O3
SiO2
AlO2-、SiO3-
H2SiO3
Al3+
Al(OH)3
NH3 H2O
加NaOH后过
滤
Fe2O3
Al2O3
加HCl后过
滤
灼烧
电解
Al
Al2O3+2NaOH
=2NaAlO2+H2O
SiO2+2NaOH
=NaSiO3+H2O
Na2SiO3+2HCl
=H2SiO3↓+2NaCl
NaAlO2+4HCl
=NaCl+AlCl3+2H2O
NaOH+HCl=NaCl+H2O
AlCl3+3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4Cl
HCl+NH3·H2O=NH4Cl+H O
Al(OH)3 Al2O3+3H2O
加热
Al2O3(熔融) 4Al+3O2
电解
核心思路：除杂提取出纯净的氧化铝再电解
任务二 金属材料的冶炼方法
无机工业制备流程的主要设计模型
原料
原料预处理
核心化学反应
反应条件的控制
目标产物
产品的分离与提纯
原料的循环利用
排放物的无害化处理
规律：“主线主产品，分支副产品，回头为循环。”
任务三 金属矿物的合理开发与利用
问题：计算表明，生产1mol铝消耗的电能至少为1.8×106J，回收铝质饮料罐得到铝与从铝土矿制铝相比较，前者的能耗仅为后者的3%~5%。通过对上述数据的分析与比较，结合书本P99的图8-1与图8-2，你想到了什么？请将你的想法与同学交流。
合理开发利用
树立环保意识
践行可持续发展理念
任务三 金属矿物的合理开发与利用
思考：为什么要合理开发和利用金属矿物资源？
问题：如何合理开发和利用资源 ？
资源有限、环境污染、能耗很大、腐蚀损失大
加强废旧金属回收再利用
提高金属矿物的利用率
开发环保高效的金属冶炼方法
防止金属的腐蚀
使用其他材料代替金属
措 施

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