1、第一节第一节 自然资源的开发利用自然资源的开发利用 第第 1 1 课时课时 金属矿物的开发利用金属矿物的开发利用 学业要求 核心素养建构 1.了解金属在自然界中的存在形式。 2.掌握金属的冶炼方法。 3.掌握铝热反应原理及实验。 4.了解金属回收和资源保护的意义，认识和 体会化学在自然资源开发和利用中的意义和 作用。 知识梳理 一、金属的冶炼 1.金属在自然界中存在的形态 除了金、铂等极少数金属以外，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界。在 这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。 2.金属冶炼的原理 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：
2、Mn ne=M。 3.冶炼方法 微自测 1.工业上获得金属镁采用的冶炼方法是( ) A.加热分解镁氧化物 B.电解熔融氯化镁 C.高温下发生铝热反应 D.高温下用氢气还原 解析 由于金属镁的活泼性较强， 因此工业上一般采用电解熔融氯化镁制备金属 镁。 答案 B 二、金属矿物的开发利用 1.合理开发利用金属资源 金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源，还会造成环境污染，地球上的金属资源 是有限的，是不可再生的，因此金属资源应合理地开发利用。 2.有效利用金属资源的途径 (1)提高金属的利用率，减少金属的使用量。 (2)加强金属资源的回收和再利用。 (3)使用其他材料代替金属材料。 微自测 2.下列说
3、法不正确的是( ) A.自然界中不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有限的，因此应提高金属矿物的利用率 D.对废旧金属进行回收和再利用，有利于保护环境 解析 自然界中的金属绝大多数以化合态形式存在，极少数金属(如 Au、Pt 等) 以游离态形式存在，A 错误；金属活动性不同，金属阳离子被还原的难易程度就 不同，则冶炼方法不同，B 正确；金属资源是有限的，既要提高金属矿物的利用 率，又要回收利用废旧金属，C、D 正确。 答案 A 探究一 金属的活泼性与冶炼方法 从金属的活泼性建构金属冶炼规律的 结构化认知 探究素材 1.金属的冶炼原理 金属冶炼
4、的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的 过程，即：Mn ne=M。 2.金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系 金属的活动性顺序 K、Ca、Na、 Mg、 Al Zn、 Fe、 Sn、 Pb(H)、 Cu Hg、Ag Pt、Au 金属原子失电子能力 强弱 金属离子得电子能力 弱强 主要冶炼方法 电解法 热还原法 热分解法 物理方法 提醒 金属越活泼，越易被氧化，其化合物越难被还原，即冶炼越难。 3.常用的热还原法 探究题目 1.下列冶炼金属的方法错误 的是( ) A.电解熔融 NaCl 制钠 B.加热 HgO 制汞 C.高温下用 CO 还原 Fe2O3制铁 D.高温下用 H2
5、还原 Al2O3制铝 解析 A.根据电解原理，电解熔融 NaCl，阳极生成氯气，阴极析出钠，故可以 用来制钠，A 正确；B.Hg、Ag 等不活泼金属通常采用热分解法冶炼，汞可以利 用加热 HgO 制备，B 正确；C.Fe、Zn、Cu 等中等活泼金属通常用热还原法，高 温下用 CO 还原 Fe2O3制铁，C 正确；D.高温下用 H2不能还原 Al2O3制铝，应用 电解氧化铝制备铝，D 错误。 答案 D 从物质的性质选择金属冶炼的原料 探究素材 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
6、是共价化合物，熔融状态不导 电。 探究题目 2.下列金属的冶炼方法正确的是( ) A.电解氯化钠溶液冶炼金属钠 B.电解熔融的氯化铝冶炼金属铝 C.将铁粉与氧化镁混合加热冶炼镁 D.用一氧化碳还原氧化铁冶炼铁 解析 A.冶炼金属钠用电解熔融氯化钠， 而用惰性电极电解氯化钠溶液只能生成 NaOH、H2和 Cl2，故 A 错误；B.氯化铝不导电，则不能利用电解熔融氯化铝冶 炼金属铝，而应电解熔融氧化铝，故 B 错误；C.铁的活泼性比 Mg 弱，则铁不能 将氧化镁中的镁还原出来，故 C 错误；D.冶炼铁可利用一氧化碳还原氧化铁得 到，故 D 正确。 答案 D 探究二 铝热反应 从实验探究铝热反应认识
7、金属的冶炼 探究素材 实验操作 实验现象 (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)滤纸漏斗的下部被烧 穿，有熔融物落入沙中 实验结论 在高温下，铝与 Fe2O3发生反应，放出大量的热 注意事项 (1)镁条应打磨净表面的氧化膜，否则难以点燃 (2)氧化铁粉末应干燥，铝粉应没有被氧化，否则难以反应 (3)保证纸漏斗重叠时四周均为四层，且内层纸漏斗一定要用水 润湿，以防高温物质从四周溅出 (4)蒸发皿中的细沙应适量，既要防止蒸发皿炸裂，又要防止熔 融的液体溅出伤人 (5)实验装置应与人有一定距离，防止人被烧伤 提醒 铝热反应实验中镁
8、带和氯酸钾是引燃剂和助燃剂，镁带燃烧提供热量，并 促使 KClO3发生分解；KClO3分解放出 O2，镁带剧烈燃烧，单位时间内放出更 多的热量，以引发 Al 与 Fe2O3的反应。 探究题目 3.下列对铝热反应的说法错误的是( ) A.铝热剂中还原剂是铝粉 B.铝热剂是纯净物 C.铝与 Fe2O3可组成铝热剂 D.铝热反应是放热反应 解析 Al 和 Fe2O3可组成铝热剂，属于混合物，其中铝作还原剂，铝热反应是放 热反应。 答案 B 从铝热反应特点认知铝热反应的原理 及应用 探究素材 概念 铝和金属氧化物在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应 原理 Al 作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用
9、铝将氧化物中的金属置 换出来 铝热剂 铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物 反应特 点 在高温下进行，反应迅速并放出大量的热，新生成的金属单质呈熔 融态且易与 Al2O3分离 应用 冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如 V、Cr、Mn 等；焊接钢轨等 探究题目 4.如图为铝热反应的实验装置，请回答下列问题： (1)该实验装置中还缺 。引发铝热反应的操作为 _ _。 (2)若将氧化铁换成氧化镁，该反应 (填“能”或“不能”)发生，理由是 _。 (3)铝热反应的用途有哪些_。 解析 (1)利用镁带燃烧放热从而引发铝热反应，同时促使 KClO3分解产生 O2， 使镁带快
10、速燃烧。(2)Mg 比 Al 活泼，Al 不能从 MgO 中置换出 Mg。 答案 (1)镁带和氯酸钾 在混合物中间插一根镁带，将氯酸钾放在混合物上镁 带的周围， 点燃镁带 (2)不能 镁比铝活泼， 铝不能置换镁 (3)用于焊接钢轨； 冶炼某些熔点高的金属(答案合理即可) 1.五金 铁中记载：“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内，低下数寸，筑 一方塘，短墙抵之。其铁流入塘内，数人执柳木排立墙上众人柳棍疾搅，即 时炒成熟铁。”以下说法不正确的是( ) A.金属冶炼方法由金属活动性决定 B.生铁比熟铁质地更硬，延展性稍差 C.炒铁是为了提高铁水中的碳含量 D.该法与近代往生铁水中吹空气炼钢异曲同工
11、解析 A.活泼性不同的金属，其冶炼方法不同，即金属冶炼方法由金属活动性决 定，故 A 正确；B.熟铁比生铁质地更软，且延展性好，生铁比熟铁质地更硬， 延展性稍差，故 B 正确；C.炒铁过程中降低了铁水中的碳含量，从而将生铁转化 成熟铁，故 C 错误；D.该冶炼方法和近代往生铁水吹空气炼钢，都是利用空气 中氧气氧化 C 元素，其原理基本相同，故 D 正确。 答案 C 2.下列反应原理不符合工业实际的是( ) A.2Ag2O= 高温 4AgO2 B.4Al3MnO2= 高温 3Mn2Al2O3 C.2MgO= 电解 2MgO2 D.2CuOC= 高温 2CuCO2 解析 根据金属的活动性和特点，这
12、四种金属选用的冶炼方法看似都正确，但是 工业上冶炼镁时，并不是电解熔融的氧化镁，而是电解熔融的氯化镁。因为氧化 镁的熔点很高，与电解熔融的氯化镁相比会消耗更多的能量。 答案 C 3.金属是重要的资源，下面有关金属及其化合物的说法错误的是( ) A.电解熔融 MgCl2制备 Mg B.钛和钛合金被誉为“21 世纪最有发展前景的金属材料”，主要用来制作飞机 发动机部件 C.高铁对钢轨强度、韧性和易加工要求很高，适合做高铁钢轨的是中碳钢 D.因为 Al2O3的硬度很大，所以可用于制造耐高温材料 解析 A.工业上制备 Mg 是电解熔融 MgCl2，生成镁和氯气，A 正确；B.钛和钛 合金密度小，可塑性
13、好，容易加工，可用来制作飞机发动机部件，B 正确；C. 中碳钢具有强度大、韧性好和易加工等优点，所以中碳钢适合做高铁钢轨，C 正 确；D.Al2O3的熔点很高，所以可用于制造耐高温材料，D 错误。 答案 D 4.如图是铝热反应的实验装置，有关该反应的下列说法中一定正确的是( ) A.a 为镁条 B.b 为氧化铁与铝粉的混合物 C.2 mol 氧化剂参与反应则电子转移 6NA个(设 NA为阿伏加德罗常数) D.还原剂与氧化产物的物质的量之比为 12 解析 铝与氧化铁的铝热反应为 2AlFe2O3= 高温 Al2O32Fe。 A 项， a 为镁条， 起引燃作用，正确；B 项，b 为氯酸钾，作氧化剂
14、，以保证镁条的继续燃烧，同 时放出足够的热量引发氧化铁和铝粉的反应，其中 c 为氧化物与铝粉的混合物， 错误；C 项，2AlFe2O3= 高温 Al2O32Fe，该反应中氧化剂是氧化铁，2 mol 氧 化剂参与反应则电子转移 12NA个，错误；D 项，该反应中还原剂是铝，氧化产 物是氧化铝，还原剂和氧化产物的物质的量之比为 21，错误。 答案 A 5.铝土矿的主要成分是 Al2O3 3H2O，还含有 SiO2、Fe2O3等杂质。工业上从铝土 矿中提取 Al 可采用如图所示工艺流程。(部分操作名称及反应条件已略去) (1)B 是 ，X 是 ，若将盐酸与 X 互换，则 B 是 。 (2)生成 C
15、的离子方程式是_。 (3)D 中 的 溶 质 是 ， 通 入 CO2后 生 成 F 的 化 学 方 程 式 是 _， F 的一种用途是_。 (4)由 M 生成铝的化学方程式是_ _， 当有 5.4 g 铝生成时，转移电子 mol。 (5)上述流程中的 CO2能否用盐酸代替？理由是_ _。 解析 铝土矿的主要成分是 Al2O3 3H2O，还含有 SiO2、Fe2O3等杂质，加入过量 盐酸后， Al2O3 3H2O 转化为 AlCl3和水， Fe2O3转化为 FeCl3和水， SiO2不溶解， 所以溶液A的成分为AlCl3、 FeCl3和过量盐酸， 沉淀B为SiO2； 加入过量NaOH(X) 后，
16、 Fe3 生成 Fe(OH) 3而成为沉淀 C 的主要成分， 此时溶液 D 的成分为 NaAlO2、 NaCl和NaOH； 通入过量CO2后， 所以沉淀F为Al(OH)3， 溶液E为NaCl、 NaHCO3； F 加热分解生成 M 为 Al2O3，熔融电解生成铝和氧气。(1)由以上分析知，B 是 SiO2，X 是 NaOH，若将盐酸与 X 互换，则先加 NaOH 溶液，不溶解的物质是氧 化铁，所以 B 是 Fe2O3。(2)C 为 Fe(OH)3，则由 FeCl3与 NaOH 反应生成 Fe(OH)3 的离子方程式是 Fe3 3OH=Fe(OH) 3。(3)由前面分析可知，D 中的溶质是 Na
17、Cl、NaOH、NaAlO2，通入 CO2后与 NaAlO2反应生成 Al(OH)3和 NaHCO3， 化学方程式是 NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3，Al(OH)3的一种用 途是做胃药，用于中和胃酸过多。(4)由 Al2O3熔融电解可生成铝和氧气，化学方 程式是 2Al2O3(熔融) = 电解 冰晶石4Al3O2，当有 5.4 g 铝(物质的量为 5.4 g 27 g/mol0.2 mol)生成时， 转移电子 0.2 mol 30.6 mol。 (5)上述流程中的若用盐酸代替 CO2， 则过量的盐酸会溶解 Al(OH)3，最终得不到 Al(OH)3沉淀，所以理由是：不能， 若用盐酸代替，则过量盐酸会溶解 Al(OH)3，无法得到沉淀。 答案 (1)SiO2 NaOH Fe2O3 (2)Fe3 3OH=Fe(OH) 3 (3)NaCl、NaOH、NaAlO2 NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3 中和 胃酸过多 (4)2Al2O3(熔融) = 电解 冰晶石4Al3O2 0.6 (5)不能，若用盐酸代替，则过量盐酸会溶解 Al(OH)3，无法得到沉淀