高考化学一轮复习 专题5.1 开发利用金属矿物和海水资源(金属综合)讲案(含解析)

专题5.1 开发利用金属矿物和海水资源（金
属综合）讲案（含解析）
复习目标：
1、了解金属冶炼的基本方法，能够选择合理的方法冶炼金属。

2、掌握海水资源的综合开发与利用。

能够从海水中得到Mg 、I 2、Br 2等物质。

了解氯碱工业。

基础知识回顾：
一、合金的概念及其重要应用
1、合金
（1）概念：合金是指两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。

（2）性能：合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能。

①熔点：一般比它的各成分金属的低；
②硬度和强度：一般比它的各成分金属的大。

2、常见金属材料
金属材料—⎣⎢⎡ 黑色金属材料：铁、铬、锰以及它们的合金有色金属材料：除黑色金属以外的其他金属及其合金
（1）重要的黑色金属材料——钢
钢是用量最大、用途最广的合金。

钢⎩⎨⎧ 碳素钢⎩⎪⎨⎪⎧ 低碳钢：韧性、焊接性好，强度低中碳钢：强度高，韧性及加工性好高碳钢：硬而脆，热处理后弹性好合金钢：具有各种不同的优良性能，用于制不锈钢及各种特种钢
（2）几种有色金属材料
错误!
【典型例题1】钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们具有很多优良的性能，如熔点
高、密度小、可塑性好、易于加工、耐腐蚀等，尤其是钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”。

根据它
们的主要性能，下列用途不切合实际的是 ( )
A ．用来做保险丝
B ．用于制造航天飞机
C ．用来制造人造骨
D ．用于家庭装修，做钛合金装饰门
【迁移训练1】铝镁合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料，
主要用于制作窗
框、卷帘门、防护栏等。

下列与这些用途无关的性质是
( ) A ．不易生锈
B ．导电性好
C ．密度小
D ．强度高 二、金属的冶炼
1、金属在自然界中存在的形态
除了Au 、Pt 等极少数金属外，绝大多数金属以化合态的形式存在于自然界中。

在这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。

2、金属冶炼的实质
使金属化合物中的金属离子得电子被还原为金属单质的过程：M n ＋＋n e －=M 。

3、金属冶炼的一般步骤
4、金属冶炼方法
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 （1）热分解法
例如：2HgO=====△2Hg ＋O 2↑，2Ag 2O=====△4Ag ＋O 2↑。

用热分解冶炼法冶炼金属的特点是：金属元素的金属性弱，金属元素的原子难失
去电子，其金属离子容易得到电子，该金属元素所形成的化合物稳定性较差。

（2）热还原法冶炼金属
①焦炭还原法。

例如：C 还原ZnO 、CuO ，。

②一氧化碳还原法。

例如：CO 还原Fe 2O 3、CuO 。

（3）电解法冶炼金属
例如：Al 2O 3、MgCl 2、NaCl 的电解反应。

5、铝热反应
（1）本质
利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来：
2m Al ＋3M n O m =====高温 m Al 2O 3＋3n M
（2）实验(以Al 和Fe 2O 3的反应为例)
①实验过程
A 、把两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起使四周都有四层。

把内层滤纸
取出，在其底部剪一个孔，用水润湿，再套回架在铁圈上的玻璃漏斗上(如图
所示)，下面放置一盛沙子的蒸发皿。

B 、把5 g 干燥的氧化铁粉末和2 g 铝粉混合均匀，放在纸漏斗上，上面加少量
氯酸钾固体并在混合物中间插一根镁条。

C 、用燃着的小木条点燃镁条，观察发生的现象。

②实验现象：当外露部分镁条刚刚燃毕时，纸漏斗内的混合物立即剧烈反应，发出耀眼的光芒，产生大量的烟。

纸漏斗被烧破，有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上，液珠冷却后变为黑色固体。

③实验结论：在高温下，铝与氧化铁反应，放出大量的热，化学方程式：Fe 2O 3＋2Al=====
高温2Fe ＋Al 2O 3。

（3）反应特点
在高温下进行，反应迅速，放出大量的热。

新生成的金属单质呈液态且易与Al 2O 3分离。

（4）应用
①在生产上，可用于焊接钢轨等。

②在冶金工业上用于冶炼难熔金属。

（5）铝热剂
①在铝热反应中，反应混合物(铝、金属氧化物)称为铝热剂。

②能与Al 组成铝热剂的金属氧化物常见的有Fe 2O 3、Fe 3O 4、Cr 2O 3、MnO 2、V 2O 5等。

【典型例题2】下列有关金属的工业制法中正确的是
( )
A ．制钛：用金属钠置换氯化钛(TiCl 4)溶液中的钛
B ．炼铁：用焦炭和空气反应产生的CO 在高温下还原铁矿石中铁的氧化物
C ．制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl 溶液
D ．炼铜：用黄铜矿经电解精炼得到纯度为99.9%的铜
【迁移训练2】2005年诺贝尔化学奖获得者施罗克等人发现金属钼的卡宾化合物可以作为非
常有效的烯烃复分解催化剂。

工业上冶炼钼的化学原理为
①2MoS 2＋7O 2=====高温2MoO 3＋4SO 2；
②MoO 3＋2NH 3·H 2O===(NH 4)2MoO 4＋H 2O ；
③(NH 4)2MoO 4＋2HCl===H 2MoO 4↓＋2NH 4Cl ；
④H 2MoO 4=====△MoO 3＋H 2O ；
⑤用还原剂将MoO 3还原成金属钼。

则下列说法正确的是 ( )
A ．MoS 2煅烧产生的尾气可直接排入空气中
B ．MoO 3是金属氧化物，也是碱性氧化物
C ．H 2MoO 4是一种强酸
D ．利用H 2、CO 和铝分别还原等量的MoO 3，所消耗还原剂的物质的量之比为3∶3∶2
【答案】D
三、海洋资源的开发利用
1、海水淡化
（1）海水淡化途径：通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去。

（2）海水淡化的方法及其特点
海水淡化的方法主要有蒸馏法(如图所示)、电渗析法、离子交换法等。

其中蒸馏法的历史最久，技术
和工艺也比较完善，但成本较高。

2、海水中镁的提取
（1）流程
（2）有关反应的化学方程式
MgCl 2＋Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋CaCl 2
Mg(OH)2＋2HCl===MgCl 2＋2H 2O
MgCl 2·6H 2O=====HCl △
MgCl 2＋6H 2O↑ MgCl 2(熔融)=====电解Mg ＋Cl 2↑
3、海水提溴
（1）工艺流程：海水———→除去悬浮杂质 ——→浓缩 ———→氧化剂氧化
——→提取Br 2(l) （2）原理
①用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。

②向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质：2Br －＋Cl 2=Br 2＋2Cl －。

③向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸气，将溴单质吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的：Br 2＋SO 2＋2H 2O=2HBr ＋H 2SO 4。

④向吸收塔内溶液中通入适量的氯气：2HBr ＋Cl 2=2HCl ＋Br 2。

⑤用四氯化碳(或苯)萃取吸收塔内溶液中的溴单质。

⑥若要得到纯净的液溴，采用的分离方法是蒸馏。

4、海带中碘的提取
（1）流程
（2）主要化学原理：Cl 2＋2KI=2KCl ＋I 2。

5、氯碱工业
以氯碱工业以电解饱和食盐水为基础的化工生产及产品的工业。

（1）食盐水精制
由于粗盐水中含有泥沙、Cu 2+、Mg 2+、Fe 3+、SO 2-4
杂质，不符合电解要求，因此必须经过精制。

精制食盐水时经常加入Na 2CO 3、NaOH 、BaCl 2等，使杂质成为沉淀过滤除去，然后加入盐酸调节盐水的pH 。

例如：
加入Na 2CO 3溶液以除去Ca 2+： Ca 2++CO 2-3
=CaCO 3↓ 加入NaOH 溶液以除去Mg 2+、Fe 3+等：Mg 2+＋2OH -＝Mg(OH)2↓；Fe 3+＋3OH -＝Fe(OH)3↓
为了除去SO 2-4
，可以先加入BaCl 2溶液，然后再加入Na 2CO 3溶液以除去过量的Ba 2+：
Ba 2++ SO 2-4
=BaSO 4↓ Ba 2++CO 2-3
=BaCO 3↓ 这样处理后的盐水仍含有一些Ca 2+、Mg 2+等金属离子，由于这些阳离子在碱性
环境中会生成沉淀，损坏离子交换膜，因此该盐水还需送入阳离子交换塔，进一步通过阳离子交换树脂除去Ca 2+、Mg 2+
等。

这时的精制盐水就可以送往电解槽中进行电解了。

（2）离子交换膜法电解
阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和
气体通过，也就是说只允许Na +通过，而Cl -、OH -和气体则不能通过。

这样既能防止阴极产生的H 2和阳极产生的Cl 2相混合而引起爆炸，又能避免Cl 2和NaOH 溶液作用生成NaClO 而影响烧碱的质量。

精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH 溶液）加入阴极室。

通电时，H 2O 在
阴极表面放电生成H 2，Na +穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH ；Cl -则在阳极表面放电生成Cl 2。

电解后的淡盐水从阳极导出，可重新用于配制食盐水。

离子交换膜法电解制碱的主要生产流程可以简单表示如上图所示：
（3）基本原理
电解饱和食盐水的总反应可以表示为：
2NaCl+2H 2O=====电解 2NaOH+H 2↑+Cl 2↑
阳极反应：2Cl -－2e -=Cl 2↑（氧化反应）
阴极反应：2H +＋2e -＝H 2↑（还原反应）
【典型例题3】(2011·江苏，9)NaCl 是一种化工原料，可以制备一系列物质(如下图)。

下列说法正确的是( )
A ．25 ℃，NaHCO 3在水中的溶解度比Na 2CO 3的大
B ．石灰乳与Cl 2的反应中，Cl 2既是氧化剂，又是还原剂
C ．常温下干燥的Cl 2能用钢瓶贮运，所以Cl 2不与铁反应
D ．图中所示转化反应都是氧化还原反应
【迁移训练3】空气吹出法工艺，是目前“海水提溴”的最主要方法之一。

其工艺流程如下：
（1）步骤③的离子方程式：____________________________________________。

（2）步骤⑤中溴蒸气冷凝后得到液溴与溴水的混合物，可利用它们的相对密度相差很
大的特点进行分离。

分离仪器的名称是__________。

（3）溴水混合物Ⅱ中溶有一定量的氯气，因此在步骤⑤中可将蒸馏产生的气体通过
__________(填试剂名称)溶液，以除去氯气。

（4）步骤⑤的蒸馏过程中，温度应控制在80～90 ℃。

温度过高或过低都不利于生产，
请解释原因：________________________________________________________。

（5）步骤①中用硫酸酸化可提高Cl2的利用率，理由是____________________________________。

（6）提取溴单质，采用蒸馏“溴水混合物Ⅱ”而不是蒸馏“溴水混合物Ⅰ”，
请说明原因：_____________________________________________________________。

考点详析：
考点：化工流程题目在流程上一般分为3个过程：
原料处理―→分离提纯―→获得产品
1、原料处理阶段的常见考点与常见名词
①加快反应速率
②溶解：通常用酸溶。

如用硫酸、盐酸、浓硫酸等
水浸：与水接触反应或溶解
浸出：固体加水(酸)溶解得到离子
浸出率：固体溶解后，离子在溶液中含量的多少(更多转化)
酸浸：在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去的溶解过程
③灼烧、焙烧、煅烧：改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质高温下氧化、分解
④控制反应条件的方法
2、分离提纯阶段的常见考点
①调pH值除杂
a．控制溶液的酸碱性使其某些金属离子形成氢氧化物沉淀
例如：已知下列物质开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表所示
提示：先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调溶液的pH到3.7。

b．调节pH所需的物质一般应满足两点：
能与H＋反应，使溶液pH值增大；不引入新杂质。

例如：若要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH值。

②试剂除杂
③加热：加快反应速率或促进平衡向某个方向移动
如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物，则要注意对温度的控制。

如：侯氏制碱中的NaHCO3；还有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)
等物质。

④降温：防止某物质在高温时会溶解(或分解)、为使化学平衡向着题目要求的方向移动
⑤萃取
3、获得产品阶段的常见考点
①洗涤(冰水、热水)洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。

②蒸发、反应时的气体氛围抑制水解：如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，
应在HCl的气流中加热，以防其水解。

③蒸发浓缩、冷却结晶：如除去KNO3中的少量NaCl。

④蒸发结晶、趁热过滤：如除去NaCl中的少量KNO3。

⑤重结晶
4、其他常见考点
①化学方程式②实验仪器③计算④信息
【典型例题4】(2012·广东理综，32)难溶性杂卤石(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)属于“呆矿”，在水中存在如下平衡：
K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O(s)2Ca2＋＋2K＋＋Mg2＋＋4SO2－4＋2H2O
为能充分利用钾资源，用饱和Ca(OH)2溶液溶浸杂卤石制备硫酸钾，工艺流程如下：（1）滤渣主要成分有________和________以及未溶杂卤石。

（2）用化学平衡移动原理解释Ca(OH)2溶液能溶解杂卤石浸出K＋的原因：_________________。

（3）“除杂”环节中，先加入________溶液，经搅拌等操作后，过滤，再加入_________溶液调滤液pH至中性。

（4）不同温度下，K＋的浸出浓度与溶浸时间的关系见右图。

由图可得，随着温度升高，
①________________，
②__________________。

【迁移训练4】铝是重要的金属材料，铝土矿(主要成分是Al2O3
和少量的SiO2、Fe2O3杂质)是工业上制取
铝的原料。

实验室模拟工业上以铝土矿为原料制取Al2(SO4)3和铵明矾晶体[NH4Al(SO4)2·12H2O]的工艺流程
如图所示：
请回答下列问题：
（1）固体a的化学式为________，Ⅲ中通入足量CO2气体发生反应的离子方程式为
____________。

（2）由Ⅴ制取铵明矾溶液的化学方程式为________，从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的实验操作依次为(填操作名称)________、冷却结晶、过滤洗涤。

（3）以1 000 kg含氧化铝36%的铝土矿为原料制取Al2(SO4)3，需消耗质量分数98%的硫酸(密度1.84 g·c m－3)________ L(保留一位小数)。

（4）若同时制取铵明矾和硫酸铝，通过控制硫酸的用量调节两种产品的产量。

若欲使制得的铵明矾和硫酸铝的物质的量之比为1∶1，则投料时铝土矿中的Al2O3和H2SO4的物质的量之比为_____。