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
一、金属的冶炼
1. 金属元素在自然界存在的形态
(1)极少数的不活泼金属(金、铂等)以游离态的形式存在。 (2)绝大多数金属以化合物的形式存在。
(3)在地壳中, 含量最高的金属元素是铝, 其次是铁。 2. 金属冶炼原理与实质
(1)原理：将金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程。 (2)实质：用还原剂使化合态的金属得到电子变成金属单质。 3. 金属冶炼方法 (1)常用方法
(2)其他方法
4. 金属矿物资源的开发和利用 (1)原因
①地球上金属矿物资源有限； ②金属冶炼消耗很多能量； ③金属冶炼造成环境污染。 (2)措施
①提高金属矿物的利用率；
②使用其他材料代替金属材料, 减少金属的使用量； ③加强金属资源的回收和再利用。
金属的活泼性与冶炼方法的关系
金属单质还原性、失电子能力依次减弱 金属阳离子氧化性、得电子能力依次增强
(1)金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子失去电子被氧化为金属单质的过程(×) (2)自然界中的金属都以化合态存在(×)
(3)通过电解法冶炼Na、Mg、Al, 是因为Na、Mg、Al还原性很强(√) (4)利用CO冶炼铁的反应是置换反应(×)
(5)对一些不活泼的金属如Hg、Ag、Pt、Au可直接用加热分解的方法从其化合物中还原出来
(×)
(6)采用热还原法冶炼金属时, 常用的还原剂有C、CO、H2、Al等(√) (7)由于地球上金属矿物资源有限, 因此要加强金属资源的回收和再利用(√)
1. 为什么冶炼镁时电解MgCl2而不是MgO, 冶炼铝时电解Al2O3而不是AlCl3？(已知：MgO的熔点为2 852 ℃, MgCl2的熔点为118 ℃)
提示 工业上采用电解法冶炼铝的材料是Al2O3, 而不是AlCl3, 这是因为AlCl3是共价化合物, 熔融时无法电离出自由移动的离子, 不能导电；工业上采用电解法冶炼镁的材料是MgCl2, 而不是MgO, 这是因为MgO虽是离子化合物, 但其熔点太高, 熔融时会消耗大量热能, 成本较
高。
2. 为什么越活泼的金属被人类利用越晚？
提示 因为金属越活泼, 其离子的氧化性越弱, 就越难被还原, 故制取和利用的时间越晚。 3. 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 C. (Ⅲ)用③ 答案 B
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)：Cu2(OH)2CO3=====2CuO＋CO2↑＋H2O, C＋2CuO=====2Cu＋CO2↑, 符合①； (Ⅱ)：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu, 符合③； (Ⅲ)：2Al＋Cr2O3=====Al2O3＋2Cr, 符合③； (Ⅳ)：先从光卤石中提取MgCl2, 再电解MgCl2： MgCl2(熔融)=====Mg＋Cl2↑, 符合④。
4. 关于废旧金属处理的下列说法中不正确的是( ) A. 对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用
B. 重金属对人体有害, 对废旧重金属材料的处理方法是填埋 C. 废旧钢铁可用于炼钢, 废铁屑可用于制铁盐
D. 照相业、科研单位和医院X光室回收的定影液中, 可以提取金属银 答案 B
解析 重金属材料填埋将会对环境造成污染。
(1)从金属矿石中提炼金属一般需要经过三个步骤：
步骤 一般方法和原理 采矿、选矿、粉碎、筛矿、洗矿等 利用氧化还原反应原理, 在一定条件下用还原剂把金属矿石中的化合态金属元素还原成金属单质 加入除杂试剂除去杂质或电解精炼 目的 除去杂质、提高有用成分的含量 得到粗金属(含少量杂质)单质 提炼纯金属 电解
高温
高温
△
B. (Ⅱ)用② D. (Ⅳ)用④
(2)金属冶炼的注意事项
①根据金属离子得电子能力的强弱, 采用不同的冶炼方法。
②采用热分解法冶炼的金属的化合物不稳定, 受热易分解, 不需要太高的温度；而热还原法往往在高温下进行；电解法的温度因物而定。
③因MgO熔点很高, 故冶炼金属镁采用电解熔融MgCl2的方法, 而不采用电解熔融MgO的方法。因AlCl3属于共价化合物, 熔融态不导电, 故冶炼金属铝采用电解熔融Al2O3和Na3AlF6(冰晶石)混合物的方法, 而不采用电解熔融AlCl3的方法。
④用电解法冶炼活泼金属时, 电解的是熔融的金属化合物, 而不是金属化合物的水溶液。因为在其水溶液中, 阴极放电的是H, 而不是金属阳离子, 故得不到金属单质。
＋
二、铝热反应
1. 实验探究
实验装置 (1)镁带剧烈燃烧。 实验现象 (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)纸漏斗的下部被烧穿, 有熔融物落入沙中, 熔融物冷却后变为黑色物质 实验结论 化学方程式 2.注意事项
(1)镁带要打磨净表面的氧化膜, 否则难以点燃；氧化铁粉末与铝粉要选择干燥的；铝粉要用没有被氧化的, 否则反应难以进行。
(2)氧化铁粉末与铝粉两者要混合均匀, 以保证氧化铁与铝都完全反应。 (3)内层滤纸要用水润湿, 以防纸漏斗燃烧。
(4)蒸发皿中的细沙要适量, 既要防止蒸发皿炸裂, 又要防止熔融的液体溅出伤人。
1. 铝热反应中, 镁条和氯酸钾分别有什么作用？
提示 点燃镁条用来提供引发反应的热能, 氯酸钾的作用是分解提供氧气, 使镁条快速充分
在高温下, 氧化铁与铝发生置换反应, 并放出大量的热 2Al＋Fe2O3=====2Fe＋Al2O3 高温燃烧。
2. 铝热反应现象中纸漏斗的下部被烧穿, 有熔融物落入沙中, 经分析熔融物为铁单质, 还原产物铁熔化说明什么？
提示 说明铝热反应放出大量的热使铁熔化, 铁的熔点高达1 538 ℃, 更说明放出的热量更显著。
3. 用如图所示的装置做铝热反应实验, 回答下列问题：
(1)写出该反应的化学方程式_____________________________________________________。 (2)该反应中还原剂是____________, 还原产物是________________, 二者还原性比较________________________________________________________________________。 (3)选出该实验的实验现象：______________(填序号)。
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 (4)下列氧化物不能与铝粉组成铝热剂的是________(填字母)。 A. Cr2O3 C. Na2O
高温
B. MnO2 D. V2O5
答案 (1)8Al＋3Fe3O4=====9Fe＋4Al2O3 (2)Al Fe Al>Fe (3)①②③④ (4)C
解析 (1)(2)该铝热反应8Al＋3Fe3O4=====9Fe＋4Al2O3中, Al作还原剂, Fe作还原产物, 还原剂Al还原性强于还原产物Fe。(3)①②③④全为该反应现象。(4)C项, Al不能置换Na, 因为Na比Al活泼, 所以不能组成铝热剂。
铝热反应的相关概念和应用
概念 原理 铝热剂 反应特点 应用 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 Al作还原剂, 另一种金属氧化物作氧化剂, 用铝将金属氧化物中的金属置换出来 铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物 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 冶炼难熔的活泼性比铝差的金属(V、Cr、Mn等)、焊接钢轨等 高温
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