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第六章　化學(xué)與自然資源的開發(fā)利用 學(xué)案27　開發(fā)利用金屬礦物和海水資源 [考綱要求]　1.了解金屬礦物和海水的綜合利用。2.了解化學(xué)科學(xué)發(fā)展對(duì)自然資源利用的作用。 知識(shí)點(diǎn)一　金屬礦物的開發(fā)和利用 1．金屬在自然界中存在的形態(tài) 除了____、____等極少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)金屬以______的形式存在于自然界中。在這些金屬化合物中，金屬元素都顯____化合價(jià)。 2．金屬冶煉的實(shí)質(zhì) 使金屬化合物中的金屬離子____電子被________為金屬單質(zhì)的過程：Mn＋＋ne－===M。 3．金屬冶煉的一般步驟 4．金屬冶煉方法 (1)熱分解法 例如：2HgO2Hg＋O2↑，2Ag2O4Ag＋O2↑。 用熱分解冶煉法冶煉金屬的特點(diǎn)是金屬元素的金屬性____，金屬元素的原子________失去電子，其金屬離子________得到電子，該金屬元素所形成的化合物穩(wěn)定性________。 (2)熱還原法冶煉金屬 ①焦炭還原法。例如：C還原ZnO、CuO，其化學(xué)方程式依次為 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②一氧化碳還原法。例如：CO還原Fe2O3、CuO，其化學(xué)方程式依次為 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③氫氣還原法。例如：H2還原WO3、Fe3O4，其化學(xué)方程式依次為 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ④活潑金屬還原法。例如：Al還原Cr2O3、V2O5，其化學(xué)方程式依次為 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 做鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋁熱劑是指__________________________________。鎂條和KClO3的作用是____________________。反應(yīng)時(shí)的現(xiàn)象是____________________。常用鋁熱反應(yīng)冶煉________________的金屬。 可用熱還原法冶煉的金屬，其金屬性________，金屬在常見金屬活動(dòng)性順序表中居于________區(qū)域。 (3)電解法冶煉金屬 例如：Al2O3、MgCl2、NaCl的電解反應(yīng)，其化學(xué)方程式依次為 ________________________________________________________________________； ________________________________________________________________________； ________________________________________________________________________。 問題思考 1．能否用電解AlCl3和MgO的方法冶煉Al、Mg? 　 　 2．鋁是地殼中含量最高的金屬元素，為什么人類對(duì)鋁的使用比鐵、銅晚的多？ 　 　 知識(shí)點(diǎn)二　海水資源的開發(fā)利用 　海水資源的利用主要包括海水水資源的利用和海水化學(xué)資源的利用。 1．海水水資源的利用 海水淡化的方法主要有________、__________、________等。 淡化方法 原理 蒸餾法 將海水加熱至105℃蒸發(fā)汽化，然后蒸汽冷凝而得到蒸餾水 電滲析法 利用陰、陽離子交換膜對(duì)水中陰、陽離子的選擇透過性，在外加直流電場作用下，使水中的一部分離子轉(zhuǎn)移到另一部分水中而達(dá)到除鹽目的 離子交換法 用陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂除去海水中的陰、陽離子得到去離子水的方法 問題思考 3．為什么開發(fā)利用海水資源前景廣闊？ 　 　 2．海水化學(xué)資源的開發(fā)利用 (1)氯堿工業(yè) 海水→NaCl________、________、________。 電解飽和NaCl溶液的方程式為 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)海水提鎂 海水Mg(OH)2________(溶液)MgCl26H2O→________Mg、Cl2 (3)海水提溴 海水(酸化)________________________(液)。 問題思考 4．寫出海水中提取鎂的離子方程式。 　 　 　 一、金屬冶煉方法與金屬活動(dòng)性的關(guān)系 1．金屬活動(dòng)性順序與金屬冶煉方法的關(guān)系(見下表) 金屬的活動(dòng)性順序 K　Ca　Na Mg　Al Zn　Fe　Sn Pb(H)　Cu Hg　Ag Pt　Au 金屬原子失電子能力 強(qiáng)→弱 金屬離子得電子能力 弱→強(qiáng) 主要冶煉方法 電解法 熱還原法 熱分 解法 物理方法 2.工業(yè)上常用的還原劑有焦炭、CO、H2和活潑金屬(一般為Al)，其中純度要求不高的金屬一般用較廉價(jià)的焦炭或CO還原，純度要求高的一般用H2還原，而對(duì)于一些難熔的稀有金屬一般需要用鋁還原，該反應(yīng)叫做鋁熱反應(yīng)。 鋁熱反應(yīng)的特點(diǎn)：①高溫條件；②劇烈燃燒，放出大量的熱；③新生成的液態(tài)金屬單質(zhì)易與Al2O3(固態(tài))分離。 典例導(dǎo)悟1　(2011鄭州質(zhì)檢)氧化還原反應(yīng)廣泛應(yīng)用于金屬的冶煉，下列說法不正確的是(　　) A．電解熔融氯化鈉制取金屬鈉的反應(yīng)中，鈉離子被還原，氯離子被氧化 B．濕法煉銅與火法煉銅的反應(yīng)中，銅元素都發(fā)生還原反應(yīng) C．用磁鐵礦煉鐵的反應(yīng)中，1 mol Fe3O4被CO還原成Fe，轉(zhuǎn)移9 mol e－ D．鋁熱法還原鐵的反應(yīng)中，放出的熱量能使鐵熔化 聽課記錄：　 　 二、海洋資源的開發(fā)利用 1．海水淡化 (1)海水淡化途徑：通過從海水中提取淡水或從海水中把鹽分離出去。 (2)海水淡化的方法及其特點(diǎn) 海水淡化的方法主要有蒸餾法(如圖所示)、電滲析法、離子交換法等。其中蒸餾法的歷史最久，技術(shù)和工藝也比較完善，但成本較高。 (3)原理：水的沸點(diǎn)低，蒸餾時(shí)水汽化，而其他物質(zhì)沸點(diǎn)高，不能汽化，水蒸氣冷卻得到淡水。 (4)注意事項(xiàng) ①燒瓶內(nèi)加少量碎瓷片以防暴沸。 ②冷凝水流向是低進(jìn)高出。 典例導(dǎo)悟2　如果實(shí)行海水淡化來供應(yīng)居民飲用水，下列方法中在原理上完全不可行的是(　　) A．加明礬使海水中的鹽沉淀出來而淡化 B．利用太陽能使海水升溫，通過蒸餾而使其淡化 C．將海水緩慢降溫凝固以獲取淡水 D．將海水通過離子交換樹脂以除去各種離子 聽課記錄：　 　 2．海水中鎂的提取 (1)流程 (2)有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式 MgCl2＋Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋CaCl2 Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O MgCl26H2OMgCl2＋6H2O↑ MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑ 典例導(dǎo)悟3　海水是鎂的主要來源之一，從海水中提取金屬鎂的主要生產(chǎn)步驟有：①濃縮結(jié)晶?、诩邮焓? ③加鹽酸　④過濾?、萑廴陔娊? (1)正確的生產(chǎn)順序是______________。 (2)以上提取鎂的全過程中，沒有涉及的化學(xué)反應(yīng)類型是________(填序號(hào))。 A．分解反應(yīng) B．化合反應(yīng) C．置換反應(yīng) D．復(fù)分解反應(yīng) (3)下列關(guān)于提取鎂的說法中，不正確的是________(填序號(hào))。 A．此法的優(yōu)點(diǎn)之一是原料來自大海 B．進(jìn)行①②③步驟的目的是富集MgCl2 C．常用電解熔融氧化鎂的方法制取鎂 D．電解冶煉鎂要消耗大量電能 3．海水中溴的提取 (1)工藝流程：海水 Br2(l) (2)原理 ①用________將海水濃縮，用硫酸將濃縮的海水酸化。 ②向酸化的海水中通入適量的氯氣，使溴離子轉(zhuǎn)化為溴單質(zhì)，離子方程式是________________________________________________________________________。 ③向含溴單質(zhì)的水溶液中通入空氣和水蒸氣，將溴單質(zhì)吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔內(nèi)以達(dá)到富集的目的：Br2＋SO2＋2H2O===_____________________________________ ___________________________________。 ④向吸收塔內(nèi)溶液中通入適量的氯氣： 2HBr＋Cl2===___________________________________________________________ ________。 ⑤用四氯化碳(或苯)萃取吸收塔內(nèi)溶液中的溴單質(zhì)。 ⑥若要得到純凈的液溴，采用的分離方法是________。 4．海帶中碘的提取 (1)流程 (2)主要化學(xué)原理：Cl2＋2KI===2KCl＋I(xiàn)2。 典例導(dǎo)悟4　(2011山東榮成模擬)海帶中含有豐富的碘。為了從海帶中提取碘，某研究性學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)并進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)： 請(qǐng)?zhí)顚懴铝锌瞻祝? (1)步驟①灼燒海帶時(shí)，除需要三腳架外，還需要用到的實(shí)驗(yàn)儀器是______________(從下列儀器中選出所需的儀器，用標(biāo)號(hào)字母填寫在空白處)。 A．燒杯　　　B．坩堝　　　C．表面皿 D．泥三角 E．酒精燈 F．干燥器 (2)步驟③的實(shí)驗(yàn)操作名稱是______；步驟⑥的目的是從含碘苯溶液中分離出單質(zhì)碘和回收苯，該步驟的實(shí)驗(yàn)操作名稱是________。 (3)步驟④反應(yīng)的離子方程式是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)步驟⑤中，某學(xué)生選擇用苯來提取碘的理由是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種檢驗(yàn)提取碘后的水溶液中是否還含有單質(zhì)碘的簡單方法： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________?！　? 1．(2009廣東，2)廣東正在建設(shè)海洋強(qiáng)省。下列說法不正確的是(　　) A．從海帶中提取碘單質(zhì)的過程涉及氧化還原反應(yīng) B．往淡水中加入NaCl等配成人造海水，可用于海產(chǎn)品的長途運(yùn)輸 C．赤潮主要是由工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活廢水引起沿海水域的富營養(yǎng)化而造成的 D．海洋經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)的資源開發(fā)可獲得Fe、Co、K、Au、Mg、B等金屬 2．(2009天津理綜，9)海水是巨大的資源寶庫，在海水淡化及綜合利用方面，天津市位居全國前列。從海水中提取食鹽和溴的過程如下： (1)請(qǐng)列舉海水淡化的兩種方法：__________________、________________。 (2)將NaCl溶液進(jìn)行電解，在電解槽中可直接得到的產(chǎn)品有H2、________________、__________________或H2、__________________。 (3)步驟Ⅰ中已獲得Br2，步驟Ⅱ中又將Br2還原為Br－，其目的為 ________________________________________________________________________。 (4)步驟Ⅱ用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可達(dá)95%，有關(guān)反應(yīng)的離子方程式為________________________________________________________________________， 由此反應(yīng)可知，除環(huán)境保護(hù)外，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)解決的主要問題是 ________________________________________________________________________。 (5)某化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組為了解從工業(yè)溴中提純溴的方法，查閱了有關(guān)資料：Br2的沸點(diǎn)為59℃，微溶于水，有毒性和強(qiáng)腐蝕性。他們參觀生產(chǎn)過程后，繪制了如下裝置簡圖： 請(qǐng)你參與分析討論： ①圖中儀器B的名稱： ________________________________________________________________________。 ②整套實(shí)驗(yàn)裝置中儀器連接均不能用橡膠塞和橡膠管，其原因是 ________________________________________________________________________。 ③實(shí)驗(yàn)裝置氣密性良好，要達(dá)到提純溴的目的，操作中如何控制關(guān)鍵條件： ________________________________________________________________________。 ④C中液體產(chǎn)物顏色為________________。為除去該產(chǎn)物中仍殘留的少量Cl2，可向其中加入NaBr溶液，充分反應(yīng)后，再進(jìn)行的分離操作是__________________。 題組一　金屬的冶煉 1．在理論上我們可以用電解熔融KCl的方法來制備金屬鉀，而實(shí)際上我們不用此法制備鉀，而用熔融狀態(tài)下的KCl與Na反應(yīng)并及時(shí)抽走鉀蒸氣的方法制備鉀，可能的原因是(雙選)(　　) A．鉀難溶于熔融的鉀鹽中 B．鉀蒸氣易逸出但不會(huì)污染環(huán)境 C．鉀被氧化后的產(chǎn)物與K作用具有爆炸性 D．抽走鉀的蒸氣有利于鈉與熔融的KCl反應(yīng) 2．下列化工生產(chǎn)原理錯(cuò)誤的是(　　) A．可以電解熔融的氯化鈉來制取金屬鈉 B．不能將鈉加入氯化鎂飽和溶液中制取鎂 C．用電解法冶煉鋁時(shí)，原料是氯化鋁 D．煉鐵時(shí)高爐中所發(fā)生的反應(yīng)都是放熱的，故無需加熱。 3．冶煉金屬一般有下列四種方法：①焦炭法；②水煤氣(氫氣或一氧化碳)法；③活潑金屬置換法；④電解法。四種方法在工業(yè)上均有應(yīng)用。古代有(Ⅰ)火燒孔雀石煉銅；(Ⅱ)濕法煉銅；現(xiàn)代有(Ⅲ)鋁熱法煉鉻；(Ⅳ)從光鹵石中煉鎂。對(duì)它們的冶煉方法的分析不正確的是(　　) A．(Ⅰ)用① B．(Ⅱ)用② C．(Ⅲ)用③ D．(Ⅳ)用④ 題組二　海水資源的開發(fā)利用 4．從海藻灰中提取碘的方法是：往海藻灰浸取液中通入Cl2后用升華的方法將置換出的碘提純。但浸取液中通入Cl2時(shí)會(huì)生成少量性質(zhì)類似于Cl2的ICl和IBr，為了消除這兩種雜質(zhì)，使其中的碘完全游離出來，可加入適量的(　　) A．CaO B．KI C．H2O D．酒精 5．(2011長春質(zhì)檢)從海水中可以提取溴，主要反應(yīng)為2Br－＋Cl2===Br2＋2Cl－，下列說法正確的是(　　) A．溴離子具有氧化性 B．氯氣是還原劑 C．該反應(yīng)屬于復(fù)分解反應(yīng) D．氯氣的氧化性比溴單質(zhì)強(qiáng) 6．下列關(guān)于海水淡化的敘述中不正確的是(　　) A．蒸餾法淡化海水(圖甲)原理簡單，但消耗大量能源，產(chǎn)生大量鍋垢，很難大量生產(chǎn)淡水 B．利用太陽能蒸發(fā)海水(圖乙)是一種環(huán)境友好、節(jié)約能源的好方法，也是一種古老的方法 C．利用海水淡化產(chǎn)生的高濃度的鹵水來提取有用物質(zhì)，是海水利用的基本思路 D．研制高性能的滲透膜來提高海水淡化效率，最終實(shí)現(xiàn)海水自動(dòng)轉(zhuǎn)化為淡水 題組三　化工工藝流程 7．假如你是一位企業(yè)家，在眾多開發(fā)海水資源的項(xiàng)目中，選擇了海水提鎂，在前期考察過程中你將遇到許多問題，請(qǐng)根據(jù)背景材料的提示，按要求完成相關(guān)問題： 背景材料1：下表所示為海水中各元素含量情況(mgL－1)。 元素 濃度/mgL－1 元素 濃度/mgL－1 鈉 10 770 氯 19 350 鎂 1 290 硫 885 鉀 380 溴 67 鈣 400 碘 0.06 背景材料2：部分化學(xué)試劑的市場價(jià)格 試劑 氫氧化鉀 氫氧化鈉 氫氧化鈣 氧化鈣 價(jià)格(元/噸) 5 238.00 2 300.00 1 200.00 700.00 請(qǐng)完成下列問題： (1)在海水提鎂的過程中要實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂離子的富集、分離，有以下三個(gè)方案： 方案一：直接往海水中加入沉淀劑； 方案二：加熱蒸發(fā)海水再加入沉淀劑； 方案三：在曬鹽后的鹵水中加入沉淀劑。 你認(rèn)為方案________最合理。 不選方案________的理由是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 不選方案________的理由是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)應(yīng)該選擇________試劑作為鎂離子的沉淀劑。不考慮其他費(fèi)用，沉淀相同量的鎂離子所用氫氧化鈉和氧化鈣的價(jià)格比為__________。 (3)為了節(jié)省成本，擬考慮以海邊上的貝殼為原料，試簡述其理由 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 【課前準(zhǔn)備區(qū)】 知識(shí)點(diǎn)一 1．金　鉑　化合物　正 2．得　還原 4．(1)弱　不易　容易　較差 (2)①C＋2ZnO2Zn＋CO2↑，C＋2CuO2Cu＋CO2↑ ②3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，CO＋CuOCu＋CO2 ③3H2＋WO3W＋3H2O,4H2＋Fe3O43Fe＋4H2O ④2Al＋Cr2O3Al2O3＋2Cr,10Al＋3V2O56V＋5Al2O3 鋁粉和金屬氧化物(如Fe2O3等)組成的混合物　作引燃劑，為反應(yīng)物提供熱量　劇烈燃燒，放出大量熱　高熔點(diǎn)　中等　中間 (3)2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑　MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑　2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑ 知識(shí)點(diǎn)二 1．蒸餾法　電滲析法　離子交換法 2．(1)Cl2　H2　NaOH　2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑ (2)MgCl2　MgCl2 (3)Br2　HBr　Br2 問題思考 1．不能。因?yàn)锳lCl3是共價(jià)化合物，熔融時(shí)無法電離出自由移動(dòng)的離子，不導(dǎo)電；而MgO雖是離子化合物，但其熔點(diǎn)太高，熔融會(huì)消耗大量電能，成本較高。 2．鋁的金屬活動(dòng)性比鐵、銅強(qiáng)，難于冶煉，古代人們的技術(shù)條件達(dá)不到，不能冶煉鋁，故鋁的發(fā)現(xiàn)和大量使用比鐵、銅晚的多。 3．海水資源巨大，各種元素的含量多，水還可以循環(huán)使用。 4．①M(fèi)g2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓ ②Mg(OH)2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O ③MgCl26H2OMgCl2＋6H2O ④MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑ 【課堂活動(dòng)區(qū)】 二、3.(2)①蒸餾法?、贑l2＋2Br－===2Cl－＋Br2?、?HBr＋H2SO4?、?HCl＋Br2?、拚麴s 典例導(dǎo)悟 1．C　[由2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑可知鈉離子得電子被還原，Cl－失電子被氧化，A項(xiàng)正確；無論是濕法煉銅還是火法(熱還原法)煉銅，都是正二價(jià)的銅離子得到電子生成銅原子被還原，B項(xiàng)正確；1 mol Fe3O4被還原為Fe時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)移8 mol e－，C項(xiàng)錯(cuò)誤；鋁熱反應(yīng)放出大量的熱，使鐵成為液態(tài)從而與Al2O3分離，D項(xiàng)正確。故選C。] 2．A　[海水淡化的方法主要有蒸餾法、電滲析法、離子交換法。選項(xiàng)A，加明礬，明礬的主要成分是KAl(SO4)212H2O，不能使海水中的鹽沉淀出來，所以不能使海水淡化。] 3．(1)②④③①⑤　(2)C　(3)C 解析　(2)從海水中提取鎂的全過程中，涉及的反應(yīng)有：①把貝殼制成石灰乳：CaCO3CaO＋CO2↑，分解反應(yīng)；CaO＋H2O===Ca(OH)2，化合反應(yīng)；②沉淀Mg2＋：Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓，復(fù)分解反應(yīng)；③沉淀物與鹽酸反應(yīng)：Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O，復(fù)分解反應(yīng)； ④電解：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑，分解反應(yīng)。未涉及置換反應(yīng)。 (3)由于MgO的熔點(diǎn)高，工業(yè)生產(chǎn)中不使用電解熔融MgO的方法冶煉Mg。 4．(1)BDE　(2)過濾　蒸餾 (3)2I－＋MnO2＋4H＋===Mn2＋＋I(xiàn)2＋2H2O　(4)苯與水互不相溶；碘在苯中的溶解度比在水中大　(5)取少量提取碘后的水溶液于試管中，加入幾滴淀粉試液，觀察是否出現(xiàn)藍(lán)色(如果變藍(lán)，說明還有單質(zhì)碘) 【課后練習(xí)區(qū)】 高考集訓(xùn) 1．D　[D項(xiàng)中B不是金屬。] 2．(1)蒸餾法、電滲析法、離子交換法及其他合理答案中的任意兩種 (2)Cl2　NaOH　NaClO　(3)富集溴元素 (4)Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋SO＋2Br－　強(qiáng)酸對(duì)設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕 (5)①冷凝管?、贐r2腐蝕橡膠?、劭刂茰囟扔?jì)b的溫度，并收集59℃時(shí)的餾分?、苌罴t棕色　分液(或蒸餾) 考點(diǎn)集訓(xùn) 1．CD 2．CD　[A.活潑金屬(K～Al)的陽離子氧化性很弱，這時(shí)采用電解法還原為金屬；B.鈉可以與水反應(yīng)；C.氯化鋁是共價(jià)化合物，熔融狀態(tài)下以分子狀態(tài)存在，其中缺少自由移動(dòng)的離子，基本不導(dǎo)電，故不能用電解熔融氯化鋁的方法制鋁。電解法冶煉鋁時(shí)，原料是氧化鋁；D.放熱反應(yīng)也需要起始反應(yīng)溫度。金屬的冶煉與多種因素有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮。] 3．B　4.B　5.D　6.D 7．(1)三　一　浪費(fèi)原料　二　浪費(fèi)能源 (2)CaO　230∶49 (3)貝殼中含碳酸鈣，加熱分解生成的氧化鈣可用作沉淀劑，節(jié)省了成本 解析　(1)海水提鎂首先要對(duì)海水進(jìn)行濃縮，然后加入沉淀劑，顯然方案一浪費(fèi)原料，方案二浪費(fèi)能源，最合理的是方案三。 (2)根據(jù)市場價(jià)格，CaO作為鎂離子的沉淀劑最為經(jīng)濟(jì)。假設(shè)沉淀a mol鎂離子，則需要?dú)溲趸c和氧化鈣的價(jià)格比為2a402 300∶(a56700)＝230∶49。 (3)貝殼的主要成分為碳酸鈣，可以通過高溫煅燒貝殼的方式生產(chǎn)氧化鈣，作為鎂離子的沉淀劑，降低成本。