2022年高中化学《开发利用金属矿物和海水资源》教案8 新人教版必修2

2022年高中化学开发利用金属矿物和海水资源教案8 新人教版必修2第一节 开发利用金属矿物和海水资源（第1课时）【导入】人们通常将化学物质进行分类，在原子、分子乃至超分子等不同的结构层次上研究物质及其发生化学变化的规律，认识物质在变化过程中表现出的性质。所有这些都是人类利用自然资源、丰富物质世界的重要科学依据。本节课我们主要以金属矿物和海水资源的充分利用为例，认识和体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用。 超分子：通常是指由两种或两种以上的分子依靠分子间作用力结合在一起的具有一定结构和功能的聚集体。 【资料卡片】自然资源与可持续发展1.自 然 资源：指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称。2.可持续发展：包括经济的可持续发展，社会的可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展和全球可持续发展。一.金属矿物的开发和利用1.金属元素在自然界存在的形态：（1）游离态：极少数的不活泼金属（金、铂等）以游离态存在（单质的形式）（2）化合态：绝大多数金属在自然界中是以化合态（化合物的形式）存在，如铝以铝土矿形式存在，铁以铁矿石形式存在。2.金属的冶炼：金属冶炼是工业上将金属从含有金属元素的矿石中还原出来的生产过程。（1）金属冶炼的一般方法：金属的活动性不同，冶炼的方法不同。热分解法：对于不活泼金属（活动顺序中，Hg及Hg以后）可以直接用加热分解的方法将金属从其化合物中还原出来，例如：2HgO2Hg+O22Ag2O4Ag+O2热还原法：在金属活动性顺序表中处于中间位置的金属（Zn-Cu), 通常是在高温下用还原剂（C、CO、H2、活泼金属等）将金属从其化合物中还原出来，例如： Fe2O3+3CO 2Fe + CO2WO3 + 3H2 W +3H2OZnO + C Zn + COFe2O3+2Al 2Fe + Al2O3（铝热反应） Cr2O3+2Al 2Cr+ Al2O3（铝热反应）【实验41】铝热反应I.操作：(1)把两张滤纸分别折叠成漏斗状套在一起（内层滤纸底部剪一小孔，用水湿润）架在铁架台上，下面放置一 盛沙子的蒸发皿。(2)将5g干燥的氧化铁粉末和2g铝粉均匀混合后放入纸 漏斗中，混合物上面加少量氯酸钾固体，中间插一 根用砂纸打磨过的镁条。(3)用燃着的小木条点燃镁条，观察现象。.现象：(1)镁条剧烈燃烧，并发出耀眼的白光。(2)引起混合物剧烈燃烧，发光发热。(3)纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。待熔融物冷却后，除去外层熔渣（Al2O3)，可以发现落下的是铁珠。.反应： Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3（铝热反应）.铝热剂及应用： (1)铝热剂：铝粉与某些金属（比铝不活泼的金属）氧化物的混合物。在高温下发生反应，放出大量的热，其混合物称为铝热剂；反应称为铝热反应。(2)铝热反应的特点：在高温下引燃后剧烈反应，放出大量的热，产生高温，使被还原出来的金属熔化，与熔渣分离。体现铝的还原性、氧化铝高熔点的性质。(3)铝热反应的应用：焊接钢轨冶炼高熔点金属：V、Cr、Mn等。电解法：非常活泼的金属（活动顺序中：K- Al）用一般的还原剂很难将它们还原出来，通常采用电解熔融的金属化合物的方法冶炼活泼金属，例如：2NaCl（熔融） 2Na + Cl2MgCl2（熔融） Mg + Cl2 2Al2O3 （熔融）4Al + 3O2 有些金属可以利用氧气从其硫化物中冶炼出来，例如：冶炼铜Cu2S + O2 2Cu + SO2【总结】金属活动顺序表中不同金属冶炼方法的选择电解法 热还原法 热分解法K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag 【表41】常见金属的冶炼原理 金 属 冶 炼 原 理 Fe Fe2O3+3CO 2Fe + CO2 Fe2O3+2Al 2Fe + Al2O3（铝热反应） Cu Cu2S + O2 2Cu + SO2(火法炼铜) Fe CuSO4 = FeSO4 Cu(湿法炼铜) Mg MgO C Mg(g) CO(g) MgCl2（熔融） Mg + Cl2 Al 2Al2O3 （熔融）4Al + 3O2 Na 2NaCl（熔融） 2Na + Cl2（2）金属提炼一般步骤：矿石的富集、除杂； 冶炼； 精炼。3.金属的利用、回收和资源的保护（1）矿产资源是有限的： 矿产资源是大自然赋予人类的宝贵财富，但并非取之不尽用之不竭，是不可再生的。随着人们的开发利用，将会日渐减少。我国幅员辽阔，是世界上矿产资源比较丰富、矿产品种比较齐全的国家。我国矿产资源总值居世界第3位，但人均拥有量约为世界人均水平的。因此，我们要合理开发和利用这些矿物资源。（2）合理开发、有效利用、金属的回收和资源保护：合理开发和利用这些矿物资源。有效地使用金属产品、材料。主要途径有：提高金属矿物的利用率。减少金属的使用量。加强金属资源的回收和再利用，使用代用材料节约矿产资源、保护矿产资源。【随堂练习】1. 冶炼金属一般有下列四种方法：焦炭法，水煤气（或H2或CO）法，活泼金属置换法，电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有（）火烧孔雀石法炼铜，（）湿法炼铜，现代有（）铝热法炼铬，（）从光卤石（KClMgCl26H2O）中炼镁，对它们的冶炼方法分析不正确的是-（ B ） A（）用 B（）用C（）用 D（）用2工业上用铝土矿（主要成分是Al2O3）生产铝的过程，可用简单示意图表示如下（图中字母代表有关物质的分子式）请写出反应的方程式。 Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O ； 2NaAlO2 + CO2 + 3H2O = 2Al(OH)3+ Na2CO3 ； Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3+ 2NaOH ； 2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O 。3.关于金属元素在自然界存在的情况的叙述中，正确的是-（CD）A、金属元素仅存在于矿物中。B、金属元素存在于矿物和动物体內，但植物体內不含。C、少数金属元素以游离态存在，大多数金属元素以化合态存在。D、金属元素不仅存在矿物中，动物和植物体內也存在少量金属元素。4.下列化学方程式，能用于工业上冶炼金属镁的是-( BD)A、2Na+MgCl2=2NaCl+Mg B、MgCl2(熔化)MgO+Cl2C、2MgO2Mg+O2 D、MgO+CMgO+C5.下列金属铁、镁、锰、矾、铬。可用铝热法制备的有-( C ) A. B. C. D.6在冶金工业上，通常均不能用化学还原剂制得的金属组是-( A ) ANa、Ba、Mg、A1 BZn、Fe、Cu、Ag CNa、K、Zn、Fe DMg、Al、Zn、Fe第一节 开发利用金属矿物和海水资源（第2课时）二、海水资源的开发利用 1.海水水资源的利用：海水中水的储量约占全球总水量的97。海水中水资源的利用，主要包括 海水的淡化 和直接利用海水进行 循环冷却 。 海水淡化的方法：主要有 蒸馏法 、电渗析 法 、离子交换 法等。 海水蒸馏原理示意图 太阳能蒸发原理示意图2.海水中的化学资源的开发利用： （1）海洋是一个远未开发的巨大化学资源宝库：海洋资源中，利用潜力最大的是海水中的化学资源。由于与岩石、大气、生物的相互作用，海水中溶解和悬浮有大量的无机物和有机物，目前，在陆地上发现的多种化学元素， 在海水中已找到多种（包括超过总量99%的H、O、CL、Br、Na、K、Mg、Ca、S、C等11种元素和其他微量微量元素）其中多种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有亿亿吨，镁约有万亿吨，钾有万亿吨，溴约有万亿吨，核燃料约亿吨亿吨。（2）海水中含有的各种元素的特点：种类多，总储量大，富集程度低。因此，从海水中提取物质需要解决物质的富集的问题。（3）从海水中提取物质的方法 I. 从海水中提取食盐的主要工艺流程：从海水中制取盐的方法主要有：盐田法、电渗析法和冷冻法。其中盐田法（又叫滩晒法）历史最悠久，而且也是最简便和经济有效的方法。现在还在广泛采用。 盐田法：盐田建在海滩边，借用海滩逐渐升高的坡度，开出一片片象扶梯一样的池子。利用涨潮或用风车和泵抽取海水到池内。海水流过几个池子，随着风吹日晒，水份不断蒸发，海水中的盐浓度愈来愈高，最后让浓盐水进入结晶池，继续蒸发，直到析出食盐晶体。我国是世界上最大的产盐国，年产盐量近xx万吨，占世界食盐产量的80%。 长声盐场.从海水中提取镁的主要工艺流程：镁是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁从海水中提取。主要步骤如下：海水（主要含NaCl和MgSO4）溶液试剂熔融Mg无水MgCl2MgCl2溶液Mg(OH) 2沉淀电解试剂（1）为了使MgSO4转化为Mg（OH）2，试剂可以选用NaOH ，要使MgSO4完全转化为沉淀，加入试剂的量应过量 ；验证MgSO4已完全转化为Mg（OH）2的方法是 取上层清液，加入NaOH溶液，不生成沉淀 。（2）加入试剂后，能够分离得到Mg（OH）2沉淀的方法是过滤 。（3）试剂可以选用HCl 。（4）无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl2，写出该反应的化学方程式： MgCl2（熔融） Mg + Cl2 . 从海水中提取溴的主要工艺流程 （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。反应的化学方程式为：2NaBr + Cl2 = Br2 + 2NaCl ；（3）向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，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，反应的化学方程式为：Br2 + SO2 + 2H2O = 2HBr + H2SO4（4）向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气，反应的化学方程式为：2HBr+ Cl2 = 2HCl+ Br2（5）用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质，得到产品溴。【实验42】从海带中提取碘（1）反应原理：海带中的碘元素主要以I-的形式存在，提取时用适当的氧化剂（H2O2)将其氧化成I2，再用有机溶剂将I2萃取出来。 用H2O2做氧化剂，反应的离子方程式是：2I-+ H2O2 + 2H+ = I2 + 2H2O 。（2）操作步骤：取约3g干海带，把表面的浮着物用刷子刷净（不要用水冲洗，以免 洗去表面的碘化物），用剪刀剪碎后，用酒精湿润，放入坩埚中。点燃酒精灯，灼烧海带至完全变为灰烬（注意通风）停止加热，冷却。将海带灰转移到小烧杯中，向其中加入10ml蒸馏水，搅拌、煮沸23min ,过滤。 在滤液中滴入几滴稀硫酸（3mol/l）,再加入1mL H2O2（3%），现象：溶液 变棕黄色 。 再加入几滴淀粉溶液，现象是：溶液 变蓝色 。（3）提取I2流程： 含碘单质的有机溶液含碘单质的溶液试剂残渣含碘元素的溶液灼烧海带溶解，过滤海带灰 【总结】海水资源的开发利用： 从海水中提取淡水海水淡化 海水制盐海水资源的开发利用 从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品 从海水中获取铀和重水作为核能开发的重要原料 从海水中获取其他物质和能量海水综合利用联合工业体系一例（如下图）【随堂练习】1.从海水中提取金属镁的生产步骤有：浓缩结晶，加熟石灰，加盐酸，过滤，熔融电解，正确的生产步骤顺序是_ 。2.按下述实验过程填空：（1）写出上述反应的化学方程式： 2FeBr2 3Cl2 = 2FeCl3 2Br2 ； 2FeCl3 2KI =2FeCl2 2KCl I2 ； 2KI Br2 =2KBr I2 。（2）溶液的颜色：a： 棕黄色 ； b：橙红色 ； c： 蓝色 ； d：蓝色 。3.海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如下图所示：（1） 若在空气中加热MgCl26H2O，生成的是Mg(OH)Cl或MgO，写出相应反应的化学方程式MgCl26H2O = Mg(OH)Cl+HCl+5H2O 。（2）用电解法制取金属镁时，需要无水氯化镁。在干燥的HCl气流中加热MgCl26H2O时，能得到无水MgCl2，其原因是： 在干燥的HCl气流中，抑制了MgCl2水解，且带走MgCl26H2O受热产生的水气，故能得到无水MgCl2（3）Mg(OH)2沉淀中混有的Ca(OH)2应怎样除去？写出实验步骤。步骤：加入 MgCl2 溶液，充分搅拌，过滤 ，沉淀用水 洗涤 。（4）实验室里将粗盐制成精盐的过程中，在溶解、过滤、蒸发三个步骤的操作中都要用到玻璃棒，分别说明在这三种情况下使用玻璃棒的目的；溶解时： 搅拌，加速溶解 。过滤时：使待滤液体沿玻璃棒流入漏斗，防止外洒 。蒸发时：搅拌，防止因局部过热液滴或晶体飞溅 。(5) 获得HCl的反应为2CH4+O2+4Cl2=2CO+8HCl(不考虑其他反应)。事实上，生产中HCl一直在循环使用。试从理论上分析是否需要补充HCl，简要说明理由：答：不需要补充HCl,因为Cl22HClMg(OH)2MgCl2Cl2；依氯元素守恒可以看出理论上不要补充HCl。