資源簡(jiǎn)介

第8章 化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展
第一節(jié) 自然資源的開(kāi)發(fā)利用
第1課時(shí) 金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
導(dǎo)入一
在自然界中,除了金、鉑等極少數(shù)金屬,絕大多數(shù)金屬元素以化合物的形式存在于自然界。但我們往往使用的金屬材料是純金屬或合金,那么如何從礦石中得到金屬單質(zhì)呢?
導(dǎo)入二
我國(guó)晉代煉丹術(shù)士葛洪所著《抱樸子》中記載:“丹砂燒之成水銀?！北彼慰茖W(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中記載有:“信州鉛山縣有苦泉,流以為澗。挹其水熬之,則成膽礬,烹膽礬則成銅。熬膽礬鐵釜,久之亦化為銅。”
以上文獻(xiàn)中涉及了哪些金屬的冶煉?
導(dǎo)入三
冶金,是指從礦物中提取金屬或金屬化合物,用各種加工方法將金屬制成具有一定性能的金屬材料的過(guò)程和工藝。冶金具有悠久的發(fā)展歷史,從石器時(shí)代到隨后的青銅器時(shí)代,再到近代鋼鐵冶煉的大規(guī)模發(fā)展,人類發(fā)展的歷史融合了冶金的發(fā)展歷史。冶金的技術(shù)主要包括火法冶金、濕法冶金以及電冶金。隨著物理化學(xué)在冶金中成功的應(yīng)用,冶金從工藝走向科學(xué),于是有了大學(xué)里的冶金工程專業(yè)。
金屬礦物是如何開(kāi)發(fā)利用的呢? 這節(jié)課我們一起來(lái)探討。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
播放視頻“鋼鐵是怎樣煉成的”。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
閱讀教材,思考并交流以下幾個(gè)問(wèn)題。
1.金屬的冶煉指什么?
2.金屬冶煉有哪些方法? 金屬活動(dòng)性順序與金屬冶煉方法有沒(méi)有聯(lián)系? 如果有,有什么規(guī)律嗎?
1.金屬冶煉：將金屬?gòu)钠浠衔镏羞€原出來(lái)，用于生產(chǎn)各種金屬材料，這一過(guò)程在工業(yè)上稱為金屬的冶煉。例如：
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
2.金屬冶煉的實(shí)質(zhì):用還原的方法,使金屬化合物中的金屬離子得到電子變成金屬原子。
3.金屬的冶煉方法:
(1)物理提取法:用于提取最不活潑的金屬。Au、Pt等金屬在自然界中主要以單質(zhì)的形式存在,可用物理方法分離得到,如“沙里淘金”。
特點(diǎn):適用于極不活潑的金屬的冶煉。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
(2)熱分解法:對(duì)一些不活潑金屬(如 Hg、Ag),可以直接用加熱分解的方法將它們從其化合物中還原出來(lái)。例如:
2HgO 2Hg+O2↑、2Ag2O 4Ag+O2↑
特點(diǎn):適用于一些不活潑的金屬(如 Hg、Ag)。
思考:古代煉丹術(shù)士葛洪,曾經(jīng)在他的著作《抱樸子》中記載有“丹砂燒之成水銀”。此冶煉方法涉及的化學(xué)反應(yīng)是什么呢?
HgS Hg+S
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
(3)電解法:對(duì)一些非常活潑的金屬,采用一般的還原劑很難將它們從其化合物中還原出來(lái),工業(yè)上常用電解法冶煉。例如:
2NaCl(熔融) 2Na + Cl2↑
MgCl2(熔融) Mg + Cl2↑
2Al2O3(熔融) 4Al + 3O2↑
特點(diǎn):適用于 K、Ca、Na、Mg、Al等非常活潑的金屬。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
思考：為什么冶煉鎂時(shí)電解 MgCl2而不是 MgO,冶煉鋁時(shí)電解 Al2O3而不是 AlCl3? (已知:MgO的熔點(diǎn)為2 852 ℃,MgCl2的熔點(diǎn)為118 ℃)
工業(yè)上采用電解法冶煉鋁的材料是 Al2O3,而不是 AlCl3,這是因?yàn)?AlCl3是共價(jià)化合物,熔融時(shí)無(wú)法電離出自由移動(dòng)的離子,不能導(dǎo)電;工業(yè)上采用電解法冶煉鎂的材料是MgCl2,而不是 MgO,這是因?yàn)?MgO雖是離子化合物,但其熔點(diǎn)太高,熔融時(shí)會(huì)消耗大量熱能,成本較高。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
(4)熱還原法:大部分金屬的冶煉都是通過(guò)在高溫下發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來(lái)完成的,常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣等,如用氫氣還原氧化銅、用一氧化碳還原氧化鐵。一些活潑金屬也可作還原劑,將相對(duì)不活潑的金屬?gòu)钠浠衔镏兄脫Q出來(lái),如鋁熱反應(yīng)。
CuO + H2 Cu + H2O
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
特點(diǎn):適用于大多數(shù)中等活潑金屬的冶煉,用于冶煉較活潑的金屬,在金屬活動(dòng)性順序表中居于中間區(qū)域的金屬(如Zn、Fe、Sn、Pb、Cu)可用此法。
思考:當(dāng)鐵軌有縫隙時(shí),維修工人常將鋁粉與氧化鐵的混合物點(diǎn)燃,讓熔融的鐵水流入鐵軌的裂縫,冷卻后就將鐵軌牢牢的黏結(jié)在一起。其中的原理是什么呢?
鋁熱反應(yīng)
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
播放視頻“鋁熱反應(yīng)”。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
實(shí)驗(yàn)原理
劇烈燃燒,火花四射,放出大量的熱,紙漏斗被燒穿,有灼熱的熔融物落入沙中,待冷卻后變成黑色固體
在高溫下,鋁與Fe2O3 發(fā)生反應(yīng),放出大量的熱
Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3
觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
1.鋁熱反應(yīng)利用鋁的強(qiáng)還原性,在高溫條件下將某些金屬?gòu)钠溲趸镏羞€原出來(lái)。鋁熱反應(yīng)是個(gè)放熱反應(yīng),其中的鎂條為引燃劑，氯酸鉀為助燃劑。鋁熱反應(yīng)可以應(yīng)用在生產(chǎn)上，如用于焊接鋼軌等。在冶金工業(yè)上也常用這一反應(yīng)原理,使鋁與金屬氧化物反應(yīng),冶煉釩、鉻、錳等。
2.其他冶煉金屬的方法:濕法煉銅、火法煉銅。
CuSO4 + Fe Cu + FeSO4(濕法煉銅)
Cu2S + O2 2Cu + SO2(火法煉銅)
一、金屬礦物的開(kāi)發(fā)利用
歸納總結(jié)-金屬冶煉方法與金屬活潑性的關(guān)系
二、合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源
生產(chǎn) 1 mol 鋁消耗的電能至少為 1.8×106 J,回收鋁質(zhì)飲料罐得到鋁與從鋁土礦制鋁相比,前者的能耗僅為后者的 3%~5%。通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析和對(duì)比,你想到了什么?
用鋁土礦生產(chǎn)鋁,能耗高,資源消耗量大,在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢液及廢渣,對(duì)大氣、水體及土壤會(huì)產(chǎn)生很大污染;而用廢舊飲料罐生產(chǎn)鋁,能耗低,資源消耗量小,對(duì)環(huán)境污染很小,變廢為寶,既可以減少?gòu)U舊金屬對(duì)環(huán)境的污染,還可以提高礦物的有效利用率,是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。
二、合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源
閱讀教材,歸納合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源的主要途徑。
(1)提高金屬礦物的利用率。
(2)開(kāi)發(fā)環(huán)保高效的金屬冶煉方法。
(3)防止金屬的腐蝕。
(4)加強(qiáng)廢舊金屬的回收和再利用。
(5)使用其他材料代替金屬材料。
二、合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源
拓展延伸-自然資源與可持續(xù)發(fā)展
自然資源是人類社會(huì)發(fā)展不可或缺的自然物質(zhì)基礎(chǔ),包括土地與土壤資源、礦產(chǎn)資源、生物資源、水資源、能源資源、環(huán)境資源等,根據(jù)其能否再生可以分為可再生資源和不可再生資源。可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)是在滿足人類需要的同時(shí),強(qiáng)調(diào)人類的行為要受到自然界的制約,強(qiáng)調(diào)人類代際之間、人類與其他生物種群之間、不同國(guó)家和不同地區(qū)之間的公平。它包括經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、社會(huì)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)展等方面。
二、合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源
小試牛刀
1.判斷正誤。
(1)利用化合物冶煉金屬時(shí),金屬元素一定發(fā)生還原反應(yīng)。 ( )
(2)越活潑的金屬,人類利用得越晚。 ( )
(3)可以通過(guò)電解飽和食鹽水的方法獲取金屬鈉。 ( )
(4)可以通過(guò)電解熔融的 MgO和 AlCl3來(lái)制備金屬 Mg、Al。 ( )
(5)鋁熱反應(yīng)的本質(zhì)是用鋁將活潑性比鋁弱的金屬?gòu)钠浠衔镏兄?
換出來(lái)。 ( )
√
√
√
×
×
二、合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源
2.如圖為鋁熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,請(qǐng)回答下列問(wèn)題:
(1)寫出該鋁熱反應(yīng)的化學(xué)方程式:___________________________。
(2)若將氧化鐵換成氧化鎂,該反應(yīng)_____ (填“能”或“不能”)發(fā)
生,理由是__________________________。
Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3
不能
鎂比鋁活潑,鋁不能置換出鎂
二、合理開(kāi)發(fā)和利用金屬資源
(3)若將所得產(chǎn)品置于足量的 NaOH 溶液中,可能看到的現(xiàn)象是
__________________________。
(4)假設(shè)鋁足量且反應(yīng)充分,設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)方案,證明本實(shí)驗(yàn)中有
單質(zhì)鐵生成:___________________________________________
_____________________________________________________
_________________________。
部分固體溶解,有氣泡產(chǎn)生
取適量反應(yīng)后的固體混合物,先用足量 NaOH 溶液除去鋁,
再加入稀硫酸,有氣泡冒出,說(shuō)明有鐵生成(或用磁鐵靠近固體,有固體可
被磁鐵吸引,說(shuō)明有鐵生成)
三、鋁的冶煉
播放視頻:“鋁土礦冶煉 Al”。
三、鋁的冶煉
小試牛刀
用鋁土礦(主要成分是 Al2O3,含SiO2、Fe2O3、MgO等雜質(zhì))冶煉 Al,流程 Ⅰ 如下:
三、鋁的冶煉
寫出與 Al有關(guān)的離子方程式:
①___________________________________;
②___________________________________;
③___________________________________。
Al2O3+6H+ 2Al3+ +3H2O
Al3+ +4OH- [Al(OH)4]-
CO2+[Al(OH)4]-????Al(OH)3↓+HCO3-
三、鋁的冶煉
流程Ⅱ:
寫出與 Al有關(guān)的離子方程式:
④___________________________________;
⑤___________________________________;
⑥___________________________________。
Al2O3+3H2O+2OH-????2[Al(OH)4]-
[Al(OH)4]- +4H+????Al3+ +4H2O
Al3+ +3NH3·H2O????Al(OH)3↓+3NH4+
總結(jié)
課堂練習(xí)
1.下列有關(guān)金屬冶煉的說(shuō)法中不正確的是 ( )
A.金屬冶煉的實(shí)質(zhì)是金屬陽(yáng)離子被還原成單質(zhì)
B.用炭粉或鋁粉還原鐵礦石可以獲取金屬Fe
C.通過(guò)電解 NaCl溶液的方法可以獲取金屬 Na
D.冶煉銅的常用方法有火法煉銅和濕法煉銅
C
課堂練習(xí)
2.西漢劉安所著的《淮南萬(wàn)畢術(shù)》中有“曾青得鐵,則化為銅,外化而內(nèi)
不化”,該反應(yīng)被認(rèn)為是現(xiàn)代濕法冶金術(shù)之祖。下列說(shuō)法正確的是 ( )
A.硫酸銅晶體的化學(xué)式為 CuSO4·5H2O,是混合物
B.“內(nèi)不化”是因?yàn)閮?nèi)部的鐵活潑性比表面的鐵活潑性差
C.上述反應(yīng)的離子方程式為 2Fe + 3Cu2+ 2Fe3+ +3Cu
D.“化為銅”表明發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)
D
課堂練習(xí)
3.化學(xué)要研究如何合理、高效地利用金屬礦物。下列金屬的冶煉方法
與工業(yè)上冶煉鋁相同的是 ( )
A.Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
B.2NaCl(熔融) 2Na + Cl2↑
C.Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
D.2Ag2O 4Ag + O2↑
B
謝謝！

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