人教版2018-2019学年同步备课一体资料之化学必修2讲义：第四章 化学与自然资源的开发利用 第1节 第1课时

第一节开发利用金属矿物和海水资源
第1课时金属矿物的开发利用
[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：M n＋＋n e－===M。

3．冶炼方法
【自主思考】
工业上利用电解熔融MgCl2来制取Mg，而MgO比MgCl2更易获得，为什么不电解熔融MgO 制取镁呢？
(MgO的熔点：2 852 ℃，MgCl2的熔点：714 ℃)
提示由于MgO的熔点远远高于MgCl2的熔点，将MgO熔融需要能量较多，所以采用电解熔融MgCl2的方法制取Mg，冶炼金属也要考虑节能减排。

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。

[效果自测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)黄金的冶炼可用热分解法()
(2)金属阳离子被还原，一定会得到金属单质()
(3)工业上电解MgCl2溶液制取Mg()
答案(1)×(2)×(3)×
2．冶炼金属常用以下几种方法：
①以C、CO或H2作还原剂还原。

②用较活泼金属Na、Mg等还原。

③利用铝热反应原理用Al还原。

④电解法。

⑤热分解法。

下列金属各采用哪种方法还原最佳？(填序号)
(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属________。

(2)Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属________。

(3)Hg、Ag等不活泼金属________。

(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属________。

答案(1)①(2)④(3)⑤(4)③
探究一、金属的活泼性与冶炼方法
【合作交流】
1．人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系？
提示金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。

金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现的相对晚一些。

金属越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以有青铜、铁器等时代的发展历程。

2．从自然界中获得金属单质，是否都必须发生氧化还原反应？
提示否。

有些金属单质化学性质稳定，如金、铂等，在自然界中主要以游离态形式存在，获得这些金属就不需要发生氧化还原反应，用富集的方法就可以，如淘金。

3．在金属中，铝元素在地壳中的含量居第一位，为什么铝的发现和使用比铜和铁要晚得多？
提示金属的发现和使用与金属的活动性密切相关，金属活动性越强，其相应的金属阳离子得电子的能力越弱，冶炼难度越大。

铝是一种活动性较强的金属，用一般的还原剂很难将其还原，工业上采用最强有力的氧化还原手段——电解法进行冶炼，而铜和铁用一般的还原剂就可以达到目的，所以铝的发现和使用比铜和铁要晚得多。

【点拨提升】
1．金属的冶炼原理
金属冶炼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：M n ＋＋n e－===M。

2．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系
3.
【典题例证1】下列金属冶炼原理错误的是()
A ．2NaCl(熔融)=====电解2Na ＋Cl 2↑
B ．MgO ＋H 2=====△Mg ＋H 2O
C ．Fe 3O 4＋4CO=====高温3Fe ＋4CO 2
D ．2HgO=====△2Hg ＋O 2↑
解析 Na 、Mg 通常用电解法制取，Fe 用还原剂法制取，Hg 可用加热其化合物的方法制取。

Mg 的活动性比H 2强，H 2不能置换出Mg ，B 项错。

答案 B
【学以致用1】 冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法 ②水煤气(或氢气，或一氧化碳)法 ③活泼金属置换法 ④电解法。

四种方法在工业上均有应用。

古代有(Ⅰ)火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ)湿法炼铜；现代有(Ⅲ)铝热法炼铬；(Ⅳ)从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是
( )
A ．(Ⅰ)用①
B ．(Ⅱ)用②
C ．(Ⅲ)用③
D ．(Ⅳ)用④
解析 选择金属的冶炼方法要考虑金属在自然界中存在的状态及金属的活动性。

(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)发生的反应分别是
(Ⅰ)：Cu 2(OH)2CO 3=====△2CuO ＋CO 2↑＋H 2O ，C ＋2CuO=====△2Cu ＋CO 2↑，符合①；
(Ⅱ)：Fe ＋CuSO 4===FeSO 4＋Cu ，符合③；
(Ⅲ)：2Al ＋Cr 2O 3=====高温Al 2O 3＋2Cr ，符合③；
(Ⅳ)：先从光卤石中提取MgCl 2，再电解MgCl 2：MgCl 2(熔融)=====电解Mg ＋Cl 2↑，符合④。

答案 B
探究二、铝热反应
【合作交流】
1．铝热反应实验中镁条与氯酸钾的作用是什么？
提示 镁条的作用是燃烧放出大量的热引发KClO 3分解，氯酸钾的作用是供氧剂。

2．为什么要在承接反应物的蒸发皿中垫有细沙？
提示 因为铝热反应是一个典型的放热反应，反应中放出的大量热能够使铁熔化，为了防止蒸发皿炸裂及熔融的金属溅出伤人，所以要垫细沙。

3．铝热反应在工业上有哪些重要应用？
提示 (1)冶炼熔点高的金属，如钒、铬、锰等；(2)在野外焊接钢轨。

【点拨提升】
1．铝热反应
2.
【斗状，套在一起，使四周都有四层。

把内层漏斗取出，在底部剪一个孔，
用水润湿，再跟另一纸漏斗套在一起，架在铁圈上，下面放置盛沙的蒸
发皿。

把5 g 炒干的氧化铁粉末加2 g 铝粉混合均匀，放在纸漏斗中，上面
加少
量氯酸钾并在混合物中间插一根镁条，用小木条点燃镁条。

观察发生的现象。

通过以上实验信息，回答下列问题。

(1)写出该反应的化学方程式：______________________________________________
________________________________________________________________________；
在该反应中，______________(填化学式，下同)是氧化剂，________是还原剂，该反应称为________反应。

(2)选出该实验的实验现象：________(填写在横线上)。

①镁条剧烈燃烧；②放出大量的热，并发出耀眼的光芒，火星四射；③纸漏斗的下部被烧穿；④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)写出下列操作或物质的作用：内层纸漏斗底部剪一个孔：______________________； 蒸发皿盛沙：_______________________________________________________________； 镁条：____________________________________________________________________； 氯酸钾：__________________________________________________________________。

(4)如何用简单的方法证明生成物中有金属铁？
解析 (1)铝热反应为2Al ＋Fe 2O 3=====高温2Fe ＋Al 2O 3，该反应中Fe 2O 3作氧化剂，Al 作还原剂。

(2)①②③④均为铝热反应的现象。

(3)铝热反应实验中为使熔融物易落下，通常在内层纸漏斗底部剪一个孔；为防止溅落物炸裂蒸发皿，蒸发皿内盛沙子；反应中镁条提供热量使氯酸钾分解；氯酸钾分解引发铝热反应。

答案 (1)2Al ＋Fe 2O 3=====高温2Fe ＋Al 2O 3 Fe 2O 3 Al 铝热 (2)①②③④ (3)使熔融物易于
落下 防止溅落物炸裂蒸发皿，同时防止溅落物迸溅过远对周围人造成伤害 引燃剂，引起氯酸钾分解 助燃剂，为镁条继续燃烧提供氧气，引发铝热反应 (4)用磁铁吸引生成物，磁铁上有黑色物质被吸附，则证明生成物中有金属铁。

【学以致用2】 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)利用镁条燃烧放热从而引发铝热反应，同时促使KClO 3分解产生O 2，使镁条快速燃烧。

(2)Mg 比Al 活泼，Al 不能从MgO 中置换出Mg 。

答案 (1)镁条和氯酸钾 在混合物中间插一根镁条，将氯酸钾放在混合物上镁条的周围，点燃镁条
(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．下列金属元素在自然界中可以以游离态形式存在的是( )
A ．K
B ．Na
C ．Ca
D ．Au
答案 D
2．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：
①2C(焦炭)＋O 2(空气)=====高温2CO ②2Fe 2O 3＋3CO=====高温2Fe ＋3CO 2
该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远高于按照化学方程式计算所需，其主要原因是
( )
A ．CO 过量
B ．CO 与铁矿石接触不充分
C ．炼铁高炉的高度不够
D ．CO 与Fe 2O 3的反应有一定限度
解析 高炉炼铁的反应Fe 2O 3＋3CO=====高温2Fe ＋3CO 2为可逆反应，所以对焦炭的实际使用量
要远高于按化学方程式计算所需，这样可以提高CO 的浓度，促进该反应正向移动。

答案 D
3．用铝热法还原下列化合物，若获得金属各1 mol ，消耗铝最少的是( )
A ．MnO 2
B ．Cr 2O 3
C ．WO 3
D ．CuO 解析 制备1 mol 金属，根据氧化还原反应中得失电子数相等的原理，金属离子得电子数越多，需要铝的质量越大。

而生成1 mol 金属，该金属在化合物中化合价越高，则消耗铝越多；反之则越少。

在这四种化合物中只有D 项中Cu 的化合价最低，故选D 。

答案 D
4．下列反应原理不符合工业实际的是( )
A ．2Ag 2O=====高温4Ag ＋O 2↑
B ．4Al ＋3MnO 2=====高温3Mn ＋2Al 2O 3
C ．2MgO=====电解2Mg ＋O 2↑
D ．2CuO ＋C=====高温2Cu ＋CO 2↑
解析 根据金属的活动性和特点，这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
5．(1)Al 与Fe 3O 4发生铝热反应的化学方程式为_______________________________
________________________________________________________________________， 该反应中氧化剂是____________，还原剂是__________________________________。

(2)工业上电解冶炼铝的化学方程式为________________________________________
________________________________________________________________________。

若电路中通过1 mol 电子，可以得到Al________g 。

答案 (1)8Al ＋3Fe 3O 4=====高温4Al 2O 3＋9Fe Fe 3O 4 Al
(2)2Al 2O 3(熔融)=====电解冰晶石
4Al ＋3O 2↑ 9
课时作业
1．从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。

如图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后，主要取决于( )
A ．金属的导电性强弱
B ．金属在地壳中的含量多少
C ．金属的化合价高低
D ．金属的活动性强弱
解析 由于人类掌握科学知识的局限性，越活泼的金属越难以冶炼，故发现年代越晚。

答案 D
2．下表中金属的冶炼原理与方法不完全正确的是( )
解析 活泼金属K 、Ca 、Na 、Mg 、Al 等用电解法冶炼，中等活泼金属Zn 、Fe 、Sn 、Pb 、Cu 等用热还原法冶炼，不活泼金属Hg 、Ag 利用热分解法冶炼，故A 、B 、D 正确，C 错误。

答案 C
3．成语、诗词话科学——对下列成语或诗句所描述现象的解释，你认为错误的是( )
解析 诗句“粉身碎骨浑不怕”，描述的是生石灰遇水生成氢氧化钙的过程，是化学过程。

答案 C
4．下列冶炼方法中，不能将化合物中的金属元素还原为金属单质的是( )
A ．加热Al 2O 3
B ．加热HgO
C ．电解熔融NaCl
D ．铝粉和Fe 2O 3共热
解析 金属钠是活泼金属，用电解法制取；汞用加热HgO 制取；加热Al 2O 3难以分解；铝粉和Fe 2O 3组成铝热剂，可将Fe 2O 3中的铁还原成单质。

答案 A
5．下列化工生产原理错误的是( )
①可以电解熔融的氯化钠来制取金属钠 ②可以将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁 ③用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝 ④炼铁时高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热
A ．②③
B ．①③
C ．①②③
D ．②③④
解析 钠特别活泼，加入氯化镁溶液时钠先与水反应生成NaOH 和H 2，Mg 2＋和OH －反应生成Mg(OH)2沉淀，②错；冶炼铝使用的是Al 2O 3，③错；高炉炼铁中所发生的反应并不都是放热
反应，如C ＋CO 2=====高温2CO 为吸热反应，高炉炼铁仍需加热，④错。

答案 D
6．金属K 与Na 金属性相近，用K 与钠盐共熔时，很难将Na 从混合物中分离。

若调整温度到一定程度，则可用Na 与KCl 反应制取金属K 。

已知四种物质的熔、沸点如下：
A ．97.8～770 ℃
B ．770～774 ℃
C ．774～882.9 ℃
D ．1 413～1 500 ℃
解析 在金属活动性顺序表中，Na 排在K 的后面，似乎不能从K 的熔融盐中置换出K 。

但将Na 与KCl 共熔，其共熔体中Na ＋、K ＋、Cl －和e －自由移动，如果继续加热，则Na 、K 、NaCl 和KCl 首先沸腾者先逸出。

工业上，就是采用这种原理用Na 还原K 的，因为K 的沸点比Na 、
NaCl 、KCl 的沸点都低，且低于NaCl 的熔点。

答案 C
7．金属锂是密度最小的金属，等质量的金属锂能释放出更多的电子，故常用来制造高能量电池。

已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是( )
A ．电解法
B ．热还原法
C ．热分解法
D ．铝热法
解析 可以根据金属活动性与金属冶炼方法之间的联系来判断，锂的金属性介于钠和镁之间，应该与钠、镁的冶炼方法相同，都用电解法才能得到金属单质。

答案 A
8．化学学科的发展对人类文明进步起到了极为重要的作用。

下列认识正确的是( )
A ．人类对金、银、铜、铁、铝的认识与其在自然界的分布无关
B ．人类解决吃、穿、住、行最有效的方法就是大力开发石油及其产品
C ．工业上可用电解熔融态的MgCl 2、AlCl 3来制备Mg 、Al
D ．工业上可用空气、Cu 、稀硫酸来制备CuSO 4
解析 选项A ，人类对金属的认识与其在自然界中的分布有着密切的关系。

选项B ，石油是不可再生资源，总有一天，石油会消耗殆尽，它不是解决人类吃、穿、住、行最有效的方法。

选项C ，AlCl 3是共价化合物，熔融AlCl 3不导电。

选项D ，将铜粉放在稀硫酸中，不断通入空气，加热即可生成CuSO 4。

答案 D
9．铁是地壳中含量很丰富的元素， 金属铁是在高炉中冶炼的，在冶金工业中，常用焦炭来冶炼铁。

(1)写出焦炭在高炉中所参与的两个反应的化学方程式：
________________________________________________________________________。

(2)写出赤铁矿被CO 还原成铁的化学方程式：_________________________________
________________________________________________________________________。

(3)实验室中可用CO 还原Fe 2O 3，在加热Fe 2O 3前应________，直到无________现象时才能点燃酒精灯加热，否则可能发生________现象，未反应完全的CO________(填“能”或“不能”)排放到大气中，应做________处理。

解析 (1)在冶炼铁的过程中，为提高C 的利用率，先发生反应C ＋O 2=====点燃CO 2，再发生反
应：CO 2＋C=====高温2CO ，用CO 还原Fe 2O 3，接触更充分，效果更好。

(3)加热Fe 2O 3之前应先检验CO 的纯度，否则会发生爆炸，由于CO 有毒，故未完全反应的CO 应点燃，以防污染环境。

答案 (1)C ＋O 2=====点燃CO 2，C ＋CO 2=====高温2CO
(2)3CO ＋Fe 2O 3=====高温2Fe ＋3CO 2
(3)验纯 爆鸣 爆炸 不能 点燃
10．钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。

工业上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用以冶炼钛，主要有以下五个反应：
①FeTiO 3＋2H 2SO 4===TiOSO 4＋FeSO 4＋2H 2O
②TiOSO 4＋2H 2O===H 2TiO 3↓＋H 2SO 4
③H 2TiO 3=====△TiO 2＋H 2O
④TiO 2＋2C ＋2Cl 2=====△TiCl 4↑＋2CO ↑
⑤TiCl 4＋2Mg=====△2MgCl 2＋Ti
(1)针对以上五个反应，下列叙述错误的是________。

A ．反应①是非氧化还原反应
B ．反应②生成了两种酸
C ．反应④中的TiO 2是氧化剂
D ．反应⑤表现了金属镁比金属钛的还原性强
(2)钛具有很强的耐腐蚀性，以下对其原因的分析正确的是________。

A ．钛是像金、铂一样的不活泼金属
B ．金属钛的表面易形成致密的氧化膜
C ．钛与氧气、酸等腐蚀剂不反应
D ．钛有很高的强度
解析 (1)在反应①中没有化合价的变化，反应②中，化学式H 2TiO 3符合酸的一般化学式，它是钛酸的化学式；反应④中，钛元素的化合价保持不变，氯气是氧化剂，碳是还原剂；反应⑤，镁是还原剂，钛是还原产物，所以镁的还原性强于钛。

(2)题目中一开始就指出：钛是一种活泼的金属，但是钛耐腐蚀性强，联系金属铝的性质，铝表面易形成致密的保护膜，阻止反应继续进行，以此类推钛，很容易选择B 。

答案 (1)C (2)B
11．铁是应用最广泛的金属，自远古时代人类就学会了炼铁，到目前为止，人类研制出了很多炼铁的方法。

某研究性学习小组同学在实验室中模拟工业炼铁的过程，实验装置如下：
(1)写出得到单质铁的化学方程式：__________________________________________
________________________________________________________________________。

(2)实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑，请设计一个实验来验证生成了单质铁：_____________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(3)装置末端气球的作用：__________________________________________________。

实验结束时，应该先停止加热还是先停止通入CO ？原因是什么？________________
________________________________________________________________________。

解析 (2)检验是否生成铁单质，在反应结束后，待玻璃管内的固体冷却，取少量放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体(H 2)，则证明生成了单质铁。

(3)反应结束后，得到的铁还是炽热的，若先停止通入CO ，会导致铁又被氧化，所以，应该先停止加热，待玻璃管内的固体冷却后，再停止通入CO 。

答案 (1)Fe 2O 3＋3CO=====高温2Fe ＋3CO 2
(2)取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单质铁(答案合理即可)
(3)收集CO ，防止污染空气 先停止加热，防止生成的铁再次被氧化
12．黄铜矿(CuFeS 2)是制取铜及其化合物的主要原料之一，还可制备硫和铁的化合物。

(1)冶炼铜的反应为：8CuFeS 2＋21O 2=====高温8Cu ＋4FeO ＋2Fe 2O 3＋16SO 2。

若CuFeS 2中Fe 的化合价为＋2，反应中被还原的元素是________(填元素符号)。

(2)上述冶炼过程产生大量SO 2。

下列处理方案中合理的是________(填序号)。

A ．高空排放
B ．用于制备硫酸
C ．用纯碱溶液吸收制Na 2SO 3
D ．用浓硫酸吸收
(3)利用黄铜矿冶炼铜产生的炉渣(含Fe 2O 3、FeO 、SiO 2、Al 2O 3)可制备Fe 2O 3。

方法为： ①用稀盐酸浸取炉渣，过滤。

②滤液先氧化，再加入过量NaOH 溶液，过滤，将沉淀洗涤、干燥、煅烧得Fe 2O 3。

根据以上信息回答下列问题：
a ．除去Al 3＋
的离子方程式是____________________________________________。

b ．选用提供的试剂，设计实验验证炉渣中含有FeO 。

提供的试剂：稀盐酸、稀硫酸、KSCN 溶液、KMnO 4溶液、NaOH 溶液、碘水。

所选试剂为________。

证明炉渣中含有FeO 的实验现象为________。

解析 (1)分析化学方程式中各元素化合价可知：Cu 由＋2价→0价，O 由0价→－2价，铜元素、氧元素在反应中被还原。

(2)二氧化硫污染环境，不能排入空气中。

浓硫酸不能吸收二氧化硫，也不能消耗二氧化硫。

二氧化硫可以“变废为宝”制硫酸，也可以用纯碱溶液吸收制亚硫酸钠。

(3)Al3＋与过量的氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠溶液，而Fe3＋与氢氧化钠溶液反应生成氢氧化铁沉淀，过滤，将Al3＋除去。

反应的离子方程式为：Al3＋＋4OH－===AlO－2＋2H2O。

若要证明炉渣中含有FeO需要首先将其溶解，生成可溶性的亚铁盐，结合试剂分析可知，将该溶液加入到高锰酸钾溶液中，亚铁离子具有强还原性，因此，可以使高锰酸钾溶液褪色。

选用的试剂是稀硫酸和高锰酸钾溶液。

答案(1)Cu、O(2)BC
(3)a.Al3＋＋4OH－===AlO－2＋2H2O
b．稀硫酸、KMnO4溶液用稀硫酸浸取炉渣所得的溶液能使KMnO4溶液褪色。