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第8章 化学与可持续发展
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
导入一
在自然界中,除了金、铂等极少数金属,绝大多数金属元素以化合物的形式存在于自然界。但我们往往使用的金属材料是纯金属或合金,那么如何从矿石中得到金属单质呢?
导入二
我国晋代炼丹术士葛洪所著《抱朴子》中记载:“丹砂烧之成水银。”北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中记载有:“信州铅山县有苦泉,流以为涧。挹其水熬之,则成胆矾,烹胆矾则成铜。熬胆矾铁釜,久之亦化为铜。”
以上文献中涉及了哪些金属的冶炼?
导入三
冶金,是指从矿物中提取金属或金属化合物,用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。冶金具有悠久的发展历史,从石器时代到随后的青铜器时代,再到近代钢铁冶炼的大规模发展,人类发展的历史融合了冶金的发展历史。冶金的技术主要包括火法冶金、湿法冶金以及电冶金。随着物理化学在冶金中成功的应用,冶金从工艺走向科学,于是有了大学里的冶金工程专业。
金属矿物是如何开发利用的呢? 这节课我们一起来探讨。
一、金属矿物的开发利用
播放视频“钢铁是怎样炼成的”。
一、金属矿物的开发利用
阅读教材,思考并交流以下几个问题。
1.金属的冶炼指什么?
2.金属冶炼有哪些方法? 金属活动性顺序与金属冶炼方法有没有联系? 如果有,有什么规律吗?
1.金属冶炼：将金属从其化合物中还原出来，用于生产各种金属材料，这一过程在工业上称为金属的冶炼。例如：
一、金属矿物的开发利用
2.金属冶炼的实质: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原子。
3.金属的冶炼方法:
(1)物理提取法:用于提取最不活泼的金属。Au、Pt等金属在自然界中主要以单质的形式存在,可用物理方法分离得到,如“沙里淘金”。
特点:适用于极不活泼的金属的冶炼。
一、金属矿物的开发利用
(2)热分解法:对一些不活泼金属(如 Hg、Ag),可以直接用加热分解的方法将它们从其化合物中还原出来。例如:
2HgO 2Hg+O2↑、2Ag2O 4Ag+O2↑
特点:适用于一些不活泼的金属(如 Hg、Ag)。
思考:古代炼丹术士葛洪,曾经在他的著作《抱朴子》中记载有“丹砂烧之成水银”。此冶炼方法涉及的化学反应是什么呢?
HgS Hg+S
一、金属矿物的开发利用
(3)电解法:对一些非常活泼的金属,采用一般的还原剂很难将它们从其化合物中还原出来,工业上常用电解法冶炼。例如:
2NaCl(熔融) 2Na + Cl2↑
MgCl2(熔融) Mg + Cl2↑
2Al2O3(熔融) 4Al + 3O2↑
特点:适用于 K、Ca、Na、Mg、Al等非常活泼的金属。
一、金属矿物的开发利用
思考：为什么冶炼镁时电解 MgCl2而不是 MgO,冶炼铝时电解 Al2O3而不是 AlCl3? (已知:MgO的熔点为2 852 ℃,MgCl2的熔点为118 ℃)
工业上采用电解法冶炼铝的材料是 Al2O3,而不是 AlCl3,这是因为 AlCl3是共价化合物,熔融时无法电离出自由移动的离子,不能导电;工业上采用电解法冶炼镁的材料是MgCl2,而不是 MgO,这是因为 MgO虽是离子化合物,但其熔点太高,熔融时会消耗大量热能,成本较高。
一、金属矿物的开发利用
(4)热还原法:大部分金属的冶炼都是通过在高温下发生的氧化还原反应来完成的,常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气等,如用氢气还原氧化铜、用一氧化碳还原氧化铁。一些活泼金属也可作还原剂,将相对不活泼的金属从其化合物中置换出来,如铝热反应。
CuO + H2 Cu + H2O
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3
一、金属矿物的开发利用
特点:适用于大多数中等活泼金属的冶炼,用于冶炼较活泼的金属,在金属活动性顺序表中居于中间区域的金属(如Zn、Fe、Sn、Pb、Cu)可用此法。
思考: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。其中的原理是什么呢?
铝热反应
一、金属矿物的开发利用
播放视频“铝热反应”。
一、金属矿物的开发利用
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}实验现象
实验结论
实验原理
剧烈燃烧,火花四射,放出大量的热,纸漏斗被烧穿,有灼热的熔融物落入沙中,待冷却后变成黑色固体
在高温下,铝与Fe2O3 发生反应,放出大量的热
Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3
观察、记录实验现象,分析得出实验结论。
一、金属矿物的开发利用
1.铝热反应利用铝的强还原性,在高温条件下将某些金属从其氧化物中还原出来。铝热反应是个放热反应,其中的镁条为引燃剂，氯酸钾为助燃剂。铝热反应可以应用在生产上，如用于焊接钢轨等。在冶金工业上也常用这一反应原理,使铝与金属氧化物反应,冶炼钒、铬、锰等。
2.其他冶炼金属的方法:湿法炼铜、火法炼铜。
CuSO4 + Fe Cu + FeSO4(湿法炼铜)
Cu2S + O2 2Cu + SO2(火法炼铜)
一、金属矿物的开发利用
归纳总结-金属冶炼方法与金属活泼性的关系
二、合理开发和利用金属资源
生产 1 mol 铝消耗的电能至少为 1.8×106 J,回收铝质饮料罐得到铝与从铝土矿制铝相比,前者的能耗仅为后者的 3%~5%。通过对上述数据的分析和对比,你想到了什么?
用铝土矿生产铝,能耗高,资源消耗量大,在生产过程中会产生大量的废气、废液及废渣,对大气、水体及土壤会产生很大污染;而用废旧饮料罐生产铝,能耗低,资源消耗量小,对环境污染很小,变废为宝,既可以减少废旧金属对环境的污染,还可以提高矿物的有效利用率,是可持续发展的必然要求。
二、合理开发和利用金属资源
阅读教材,归纳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。
二、合理开发和利用金属资源
拓展延伸-自然资源与可持续发展
自然资源是人类社会发展不可或缺的自然物质基础,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,根据其能否再生可以分为可再生资源和不可再生资源。可持续发展的目标是在满足人类需要的同时,强调人类的行为要受到自然界的制约,强调人类代际之间、人类与其他生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。它包括经济可持续发展、社会可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展等方面。
二、合理开发和利用金属资源
小试牛刀
1.判断正误。
(1)利用化合物冶炼金属时,金属元素一定发生还原反应。 ( )
(2)越活泼的金属,人类利用得越晚。 ( )
(3)可以通过电解饱和食盐水的方法获取金属钠。 ( )
(4)可以通过电解熔融的 MgO和 AlCl3来制备金属 Mg、Al。 ( )
(5)铝热反应的本质是用铝将活泼性比铝弱的金属从其化合物中置
换出来。 ( )
√
√
√
×
×
二、合理开发和利用金属资源
2.如图为铝热反应的实验装置,请回答下列问题:
(1)写出该铝热反应的化学方程式:___________________________。
(2)若将氧化铁换成氧化镁,该反应_____ (填“能”或“不能”)发
生,理由是__________________________。
Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3
不能
镁比铝活泼,铝不能置换出镁
二、合理开发和利用金属资源
(3)若将所得产品置于足量的 NaOH 溶液中,可能看到的现象是
__________________________。
(4)假设铝足量且反应充分,设计一种实验方案,证明本实验中有
单质铁生成:___________________________________________
_____________________________________________________
_________________________。
部分固体溶解,有气泡产生
取适量反应后的固体混合物,先用足量 NaOH 溶液除去铝,
再加入稀硫酸,有气泡冒出,说明有铁生成(或用磁铁靠近固体,有固体可
被磁铁吸引,说明有铁生成)
三、铝的冶炼
播放视频:“铝土矿冶炼 Al”。
三、铝的冶炼
小试牛刀
用铝土矿(主要成分是 Al2O3,含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)冶炼 Al,流程 Ⅰ 如下:
三、铝的冶炼
写出与 Al有关的离子方程式:
①___________________________________;
②___________________________________;
③___________________________________。
Al2O3+6H+ 2Al3+ +3H2O
Al3+ +4OH- [Al(OH)4]-
CO2+[Al(OH)4]-????Al(OH)3↓+HCO3-
三、铝的冶炼
流程Ⅱ:
写出与 Al有关的离子方程式:
④___________________________________;
⑤___________________________________;
⑥___________________________________。
Al2O3+3H2O+2OH-????2[Al(OH)4]-
[Al(OH)4]- +4H+????Al3+ +4H2O
Al3+ +3NH3·H2O????Al(OH)3↓+3NH4+
总结
课堂练习
1.下列有关金属冶炼的说法中不正确的是 ( )
A.金属冶炼的实质是金属阳离子被还原成单质
B.用炭粉或铝粉还原铁矿石可以获取金属Fe
C.通过电解 NaCl溶液的方法可以获取金属 Na
D.冶炼铜的常用方法有火法炼铜和湿法炼铜
C
课堂练习
2.西汉刘安所著的《淮南万毕术》中有“曾青得铁,则化为铜,外化而内
不化”,该反应被认为是现代湿法冶金术之祖。下列说法正确的是 ( )
A.硫酸铜晶体的化学式为 CuSO4·5H2O,是混合物
B.“内不化”是因为内部的铁活泼性比表面的铁活泼性差
C.上述反应的离子方程式为 2Fe + 3Cu2+ 2Fe3+ +3Cu
D.“化为铜”表明发生的是氧化还原反应
D
课堂练习
3.化学要研究如何合理、高效地利用金属矿物。下列金属的冶炼方法
与工业上冶炼铝相同的是 ( )
A.Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
B.2NaCl(熔融) 2Na + Cl2↑
C.Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
D.2Ag2O 4Ag + O2↑
B
谢谢！

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