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2019-2020年高中化學《開發(fā)利用金屬礦物和海水資源》教案8 新人教版必修2 第一節(jié) 開發(fā)利用金屬礦物和海水資源（第1課時） 【導入】人們通常將化學物質進行分類，在原子、分子乃至超分子等不同的結構層次上研究物質及其發(fā)生化學變化的規(guī)律，認識物質在變化過程中表現(xiàn)出的性質。所有這些都是人類利用自然資源、豐富物質世界的重要科學依據(jù)。本節(jié)課我們主要以金屬礦物和海水資源的充分利用為例，認識和體會化學在自然資源開發(fā)和利用中的意義和作用。 ※超分子：通常是指由兩種或兩種以上的分子依靠分子間作用力結合在一起的具有一定結構和功能的聚集體。 【資料卡片】自然資源與可持續(xù)發(fā)展 1.自 然 資源：指在一定時間、地點的條件下能夠產(chǎn)生經(jīng)濟價值的，以提高人類當前和將來福利的自然環(huán)境因素和條件的總稱。 2.可持續(xù)發(fā)展：包括經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，社會的可持續(xù)發(fā)展、資源可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和全球可持續(xù)發(fā)展。 一.金屬礦物的開發(fā)和利用 1.金屬元素在自然界存在的形態(tài)： （1）游離態(tài)：極少數(shù)的不活潑金屬（金、鉑等）以游離態(tài)存在（單質的形式） （2）化合態(tài)：絕大多數(shù)金屬在自然界中是以化合態(tài)（化合物的形式）存在，如鋁以鋁土礦形式存在，鐵以鐵礦石形式存在。 2.金屬的冶煉：金屬冶煉是工業(yè)上將金屬從含有金屬元素的礦石中還原出來的生產(chǎn)過程。 （1）金屬冶煉的一般方法：金屬的活動性不同，冶煉的方法不同。 ①熱分解法：對于不活潑金屬（活動順序中，Hg及Hg以后）可以直接用加熱分解的方法將金屬從其化合物中還原出來，例如： 2HgO2Hg+O2↑ 2Ag2O4Ag+O2↑ ②熱還原法：在金屬活動性順序表中處于中間位置的金屬（Zn-------Cu), 通常是在高溫下用還原劑（C、CO、H2、活潑金屬等）將金屬從其化合物中還原出來，例如： Fe2O3+3CO 2Fe + CO2↑ WO3 + 3H2 W +3H2O ZnO + C Zn + CO↑ Fe2O3+2Al 2Fe + Al2O3（鋁熱反應） Cr2O3+2Al 2Cr+ Al2O3（鋁熱反應） 【實驗4—1】鋁熱反應 I.操作： (1)把兩張濾紙分別折疊成漏斗狀套在一起（內層濾紙底 部剪一小孔，用水濕潤）架在鐵架臺上，下面放置一 盛沙子的蒸發(fā)皿。 (2)將5g干燥的氧化鐵粉末和2g鋁粉均勻混合后放入紙 漏斗中，混合物上面加少量氯酸鉀固體，中間插一 根用砂紙打磨過的鎂條。 (3)用燃著的小木條點燃鎂條，觀察現(xiàn)象。 Ⅱ.現(xiàn)象： (1)鎂條劇烈燃燒，并發(fā)出耀眼的白光。 (2)引起混合物劇烈燃燒，發(fā)光發(fā)熱。 (3)紙漏斗的下部被燒穿，有熔融物落入沙中。待熔融 物冷卻后，除去外層熔渣（Al2O3)，可以發(fā)現(xiàn)落下的是鐵珠。 Ⅲ.反應： Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3（鋁熱反應） Ⅳ.鋁熱劑及應用： (1)鋁熱劑：鋁粉與某些金屬（比鋁不活潑的金屬）氧化物的混合物。在高溫下發(fā)生反應，放出大量的熱，其混合物稱為鋁熱劑；反應稱為鋁熱反應。 (2)鋁熱反應的特點：在高溫下引燃后劇烈反應，放出大量的熱，產(chǎn)生高溫，使被還原出來的金屬熔化，與熔渣分離。體現(xiàn)鋁的還原性、氧化鋁高熔點的性質。 (3)鋁熱反應的應用：①焊接鋼軌 ②冶煉高熔點金屬：V、Cr、Mn等。 ③電解法：非常活潑的金屬（活動順序中：K------ Al）用一般的還原劑很難將它們還原出來，通常采用電解熔融的金屬化合物的方法冶煉活潑金屬，例如： 2NaCl（熔融） 2Na + Cl2↑ MgCl2（熔融） Mg + Cl2↑ 2Al2O3 （熔融）4Al + 3O2↑ ※有些金屬可以利用氧氣從其硫化物中冶煉出來，例如：冶煉銅 Cu2S + O2 2Cu + SO2 【總結】金屬活動順序表中不同金屬冶煉方法的選擇 電解法 熱還原法 熱分解法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag 【表4—1】常見金屬的冶煉原理 金 屬 冶 煉 原 理 Fe Fe2O3+3CO 2Fe + CO2↑ Fe2O3+2Al 2Fe + Al2O3（鋁熱反應） Cu Cu2S + O2 2Cu + SO2(火法煉銅) Fe ＋ CuSO4 === FeSO4 ＋ Cu(濕法煉銅) Mg MgO ＋ C Mg(g) ＋ CO(g) MgCl2（熔融） Mg + Cl2↑ Al 2Al2O3 （熔融）4Al + 3O2↑ Na 2NaCl（熔融） 2Na + Cl2↑ （2）金屬提煉一般步驟： ①礦石的富集、除雜； ②冶煉； ③精煉。 3.金屬的利用、回收和資源的保護 （1）礦產(chǎn)資源是有限的： 礦產(chǎn)資源是大自然賦予人類的寶貴財富，但并非取之不盡用之不竭，是不可再生的。隨著人們的開發(fā)利用，將會日漸減少。我國幅員遼闊，是世界上礦產(chǎn)資源比較豐富、礦產(chǎn)品種比較齊全的國家。我國礦產(chǎn)資源總值居世界第3位，但人均擁有量約為世界人均水平的。因此，我們要合理開發(fā)和利用這些礦物資源。 （2）合理開發(fā)、有效利用、金屬的回收和資源保護：合理開發(fā)和利用這些礦物資源。有效地使用金屬產(chǎn)品、材料。主要途徑有： ①提高金屬礦物的利用率。 ②減少金屬的使用量。 ③加強金屬資源的回收和再利用，使用代用材料節(jié)約礦產(chǎn)資源、保護礦產(chǎn)資源。 【隨堂練習】 1. 冶煉金屬一般有下列四種方法：①焦炭法，②水煤氣（或H2或CO）法，③活潑金屬置換法，④電解法。四種方法在工業(yè)上均有應用。古代有（Ⅰ）火燒孔雀石法煉銅，（Ⅱ）濕法煉銅，現(xiàn)代有（Ⅲ）鋁熱法煉鉻，（Ⅳ）從光鹵石（KCl?MgCl2?6H2O）中煉鎂，對它們的冶煉方法分析不正確的是------------------------------------------------------------------------（ B ） A．（Ⅰ）用① B．（Ⅱ）用② 　C．（Ⅲ）用③ 　 D．（Ⅳ）用④ 2工業(yè)上用鋁土礦（主要成分是Al2O3）生產(chǎn)鋁的過程，可用簡單示意圖表示如下（圖中字母代表有關物質的分子式） 請寫出①～④反應的方程式。 ① Al2O3 + 2NaOH ==== 2NaAlO2 + H2O ； ② 2NaAlO2 + CO2 + 3H2O ==== 2Al(OH)3↓+ Na2CO3 ； ③ Na2CO3 + Ca(OH)2 ==== CaCO3↓+ 2NaOH ； ④ 2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O 。 3.關于金屬元素在自然界存在的情況的敘述中，正確的是--------------------------------------（CD） A、金屬元素僅存在于礦物中。 B、金屬元素存在于礦物和動物體內，但植物體內不含。 C、少數(shù)金屬元素以游離態(tài)存在，大多數(shù)金屬元素以化合態(tài)存在。 D、金屬元素不僅存在礦物中，動物和植物體內也存在少量金屬元素。 4.下列化學方程式，能用于工業(yè)上冶煉金屬鎂的是------------------------------------------------( BD) A、2Na+MgCl2====2NaCl+Mg B、MgCl2(熔化)MgO+Cl2 C、2MgO2Mg+O2 D、MgO+CMgO+C 5.．下列金屬①鐵、②鎂、③錳、④礬、⑤鉻?？捎娩X熱法制備的有------------------------( C ) A.①②④ B.①②③⑤ C. ①③④⑤ D.①②③④⑤ 6．在冶金工業(yè)上，通常均不能用化學還原劑制得的金屬組是----------------------------------( A ) A．Na、Ba、Mg、A1 B．Zn、Fe、Cu、Ag C．Na、K、Zn、Fe D．Mg、Al、Zn、Fe 第一節(jié) 開發(fā)利用金屬礦物和海水資源（第2課時） 二、海水資源的開發(fā)利用 1.海水水資源的利用：海水中水的儲量約占全球總水量的97％。海水中水資源的利用，主要包括 海水的淡化 和直接利用海水進行 循環(huán)冷卻 。 海水淡化的方法：主要有 蒸餾法 、電滲析 法 、離子交換 法等。 海水蒸餾原理示意圖 太陽能蒸發(fā)原理示意圖 2.海水中的化學資源的開發(fā)利用： （1）海洋是一個遠未開發(fā)的巨大化學資源寶庫：海洋資源中，利用潛力最大的是海水中的化學資源。由于與巖石、大氣、生物的相互作用，海水中溶解和懸浮有大量的無機物和有機物，目前，在陸地上發(fā)現(xiàn)的１００多種化學元素， 在海水中已找到８０多種（包括超過總量99%的H、O、CL、Br、Na、K、Mg、Ca、S、C等11種元素和其他微量微量元素）其中７０多種可供提取。如，氯化鈉（即食鹽）有４億億噸，鎂約有１８００萬億噸，鉀有５００萬億噸，溴約有９０萬億噸，核燃料約４０億噸－５０億噸。 （2）海水中含有的各種元素的特點：種類多，總儲量大，富集程度低。因此，從海水中提取物質需要解決物質的富集的問題。 （3）從海水中提取物質的方法 I. 從海水中提取食鹽的主要工藝流程：從海水中制取鹽的方法主要有：鹽田法、電滲析法和冷凍法。其中鹽田法（又叫灘曬法）歷史最悠久，而且也是最簡便和經(jīng)濟有效的方法?，F(xiàn)在還在廣泛采用。 ※鹽田法：鹽田建在海灘邊，借用海灘逐漸升高的坡度，開出一片片象扶梯一樣的池子。利用漲潮或用風車和泵抽取海水到池內。海水流過幾個池子，隨著風吹日曬，水份不斷蒸發(fā)，海水中的鹽濃度愈來愈高，最后讓濃鹽水進入結晶池，繼續(xù)蒸發(fā)，直到析出食鹽晶體。我國是世界上最大的產(chǎn)鹽國，年產(chǎn)鹽量近xx萬噸，占世界食鹽產(chǎn)量的80%。 長聲鹽場 Ⅱ.從海水中提取鎂的主要工藝流程：鎂是一種用途很廣的金屬材料，目前世界上60%的鎂從海水中提取。主要步驟如下： 海水（主要 含NaCl 和MgSO4） 溶液 試劑① 熔融 Mg 無水 MgCl2 MgCl2 溶液 Mg(OH) 2 沉淀 電解 試劑② （1）為了使MgSO4轉化為Mg（OH）2，試劑①可以選用NaOH ，要使MgSO4完全轉化為沉淀，加入試劑①的量應過量 ；驗證MgSO4已完全轉化為Mg（OH）2的方法是 取上層清液，加入NaOH溶液，不生成沉淀 。 （2）加入試劑①后，能夠分離得到Mg（OH）2沉淀的方法是過濾 。 （3）試劑②可以選用HCl 。 （4）無水MgCl2在熔融狀態(tài)下，通電后會產(chǎn)生Mg和Cl2，寫出該反應的化學方程式： MgCl2（熔融） Mg + Cl2↑ Ⅲ. 從海水中提取溴的主要工藝流程 （1）用蒸餾法將海水濃縮。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，使溴離子轉化為溴單質。反應的化學方程式為： 2NaBr + Cl2 == Br2 + 2NaCl ； （3）向含溴單質的水溶液中通入空氣和水蒸汽，將溴單質吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔內以達到富集的目的，反應的化學方程式為：Br2 + SO2 + 2H2O == 2HBr + H2SO4 （4）向吸收塔內的溶液中通入適量的氯氣，反應的化學方程式為：2HBr+ Cl2 == 2HCl+ Br2 （5）用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔內的溶液中的溴單質，得到產(chǎn)品溴。 【實驗4—2】從海帶中提取碘 （1）反應原理：海帶中的碘元素主要以I-的形式存在，提取時用適當?shù)难趸瘎℉2O2)將其氧化成I2，再用有機溶劑將I2萃取出來。 用H2O2做氧化劑，反應的離子方程式是：2I-+ H2O2 + 2H+ == I2 + 2H2O 。 （2）操作步驟： ①取約3g干海帶，把表面的浮著物用刷子刷凈（不要用水沖洗，以免 洗去表面的碘化物），用剪刀剪碎后，用酒精濕潤，放入坩堝中。點燃酒精燈，灼燒海帶至完全變?yōu)榛覡a（注意通風）停止加熱，冷卻。 ②將海帶灰轉移到小燒杯中，向其中加入10ml蒸餾水，攪拌、煮沸2～3min ,過濾。 ③在濾液中滴入幾滴稀硫酸（3mol/l）,再加入1mL H2O2（3%），現(xiàn)象：溶液 變棕黃色 。 再加入幾滴淀粉溶液，現(xiàn)象是：溶液 變藍色 。 （3）提取I2流程： 含碘單質的有機溶液 含碘單質的溶液 試劑 殘渣 含碘元素的溶液 灼燒 海帶 溶解，過濾 海帶灰 【總結】海水資源的開發(fā)利用： ① 從海水中提取淡水——海水淡化 ②海水制鹽 海水資源的開發(fā)利用 ③從海水中提取鎂、鉀、溴、碘等化工產(chǎn)品 ④從海水中獲取鈾和重水作為核能開發(fā)的重要原料 ⑤從海水中獲取其他物質和能量 ※海水綜合利用聯(lián)合工業(yè)體系一例（如下圖） 【隨堂練習】 1.從海水中提取金屬鎂的生產(chǎn)步驟有：①濃縮結晶，②加熟石灰，③加鹽酸，④過濾，⑤熔融電解，正確的生產(chǎn)步驟順序是_ ②④③①⑤ 。 2.按下述實驗過程填空： （1）寫出上述反應的化學方程式： ① 2FeBr2 ＋ 3Cl2 === 2FeCl3 ＋2Br2 ； ② 2FeCl3 ＋2KI ===2FeCl2 ＋ 2KCl ＋I2 ； ③ 2KI ＋ Br2 ===2KBr ＋I2 。 （2）溶液的顏色：a： 棕黃色 ； b：橙紅色 ； c： 藍色 ； d：藍色 。 3.海水的綜合利用可以制備金屬鎂，其流程如下圖所示： △ （1） 若在空氣中加熱MgCl26H2O，生成的是Mg(OH)Cl或MgO，寫出相應反應的化學方程式 MgCl26H2O === Mg(OH)Cl+HCl↑+5H2O↑ 。 （2）用電解法制取金屬鎂時，需要無水氯化鎂。在干燥的HCl氣流中加熱MgCl26H2O時，能得到無水MgCl2，其原因是： 在干燥的HCl氣流中，抑制了MgCl2水解，且?guī)ё進gCl26H2O受熱產(chǎn)生的水氣，故能得到無水MgCl2 （3）Mg(OH)2沉淀中混有的Ca(OH)2應怎樣除去？寫出實驗步驟。 步驟：加入 MgCl2 溶液，充分攪拌，過濾 ，沉淀用水 洗滌 。 （4）實驗室里將粗鹽制成精鹽的過程中，在溶解、過濾、蒸發(fā)三個步驟的操作中都要用到玻璃棒，分別說明在這三種情況下使用玻璃棒的目的； ①溶解時： 攪拌，加速溶解 。 ②過濾時：使待濾液體沿玻璃棒流入漏斗，防止外灑 。 ③蒸發(fā)時：攪拌，防止因局部過熱液滴或晶體飛濺 。 (5) 獲得HCl的反應為2CH4+O2+4Cl2===2CO+8HCl(不考慮其他反應)。事實上，生產(chǎn)中HCl一直在循環(huán)使用。試從理論上分析是否需要補充HCl，簡要說明理由： 答：不需要補充HCl,因為Cl2～2HCl～Mg(OH)2～MgCl2～Cl2；依氯元素守恒可以看出理論上不要補充HCl。