开发利用金属矿物资源课件

第四章第四章 化学与可持续发展化学与可持续发展 第一节第一节 开发利用金属矿物和海水资源开发利用金属矿物和海水资源 殷墟考古发现，殷墟考古发现，3000多年前我国多年前我国古代劳动人民就掌握了孔雀石炼古代劳动人民就掌握了孔雀石炼铜工艺。铜工艺。孔雀石孔雀石Cu2(OH)2CO3Cu2(OH)2CO3 2CuO +H2O +CO2 孔雀石孔雀石C+2CuO =CO2 +2Cu高温高温他们将孔雀石，主要成分他们将孔雀石，主要成分Cu2（OH）2CO3和木炭一起加和木炭一起加热就可得到红色的金属铜热就可得到红色的金属铜秦始皇地宫埋秦始皇地宫埋“水银水银”之谜之谜史记记载：始皇陵有大量水银。地质学家先后两次来始史记记载：始皇陵有大量水银。地质学家先后两次来始皇陵采样。发现始皇陵封土土壤样品中果然出现皇陵采样。发现始皇陵封土土壤样品中果然出现“汞异常汞异常”。科学家由此得出初步结论科学家由此得出初步结论:史记中关于始皇陵中埋藏史记中关于始皇陵中埋藏上百吨汞的记载是可靠的。地宫埋上百吨汞的记载是可靠的。地宫埋“水银水银”的千古谜案终于解开的千古谜案终于解开了。了。单质的汞，在自然界中是极为罕见的。为什么两千多年前单质的汞，在自然界中是极为罕见的。为什么两千多年前就能得到上百吨的水银呢？就能得到上百吨的水银呢？汞矿汞矿(HgO)秦始皇陵墓秦始皇陵墓世界文化遗产世界文化遗产2HgO 2Hg O2 加热加热炼丹术起于战国兴于汉初炼丹术起于战国兴于汉初九转大还丹九转大还丹将天然丹砂（将天然丹砂（HgS）在空气）在空气中加热炼成水银，再将水银和硫混合后放在密闭的鼎中加热炼成水银，再将水银和硫混合后放在密闭的鼎中升炼成纯的硫化汞，硫化汞再加热炼成水银，水银中升炼成纯的硫化汞，硫化汞再加热炼成水银，水银再炼成硫化汞如此反复九次，就炼成了再炼成硫化汞如此反复九次，就炼成了“九转大还丹九转大还丹”。上述材料中发生了什么反应？上述材料中发生了什么反应？HgS+O2=Hg+SO2Hg+S=HgS加热加热常见的金属矿物资源金矿金矿Au铂矿铂矿Pt人类最早发现和应用的金属分别是：人类最早发现和应用的金属分别是：天然金天然金朱砂朱砂HgS翠铜矿翠铜矿CuSiOCuSiO3 3.6H6H2 2O O 黄铁矿FeSFeS2 2 钙铀云母钙铀云母 Ca(UO Ca(UO2 2)2 2(PO(PO4 4)2 212H12H2 2O O 黄铜矿黄铜矿赤铁矿赤铁矿铝矿铝矿锰矿锰矿钨矿钨矿锌矿锌矿白云石白云石CaMgCO32辰砂辰砂HgS黄铜矿黄铜矿CuFeS2菱镁矿菱镁矿MgCO3 大多数金属以大多数金属以化合态存在化合态存在如果需要金如果需要金属单质，那属单质，那怎么办？怎么办？冶炼金属冶炼金属 人类最早是在由天而降的陨石中获得单质人类最早是在由天而降的陨石中获得单质铁的，陨石中含铁量高达铁的，陨石中含铁量高达90%以上。以上。古代阿拉伯人曾传说古代阿拉伯人曾传说“天上的金雨落进沙漠里变天上的金雨落进沙漠里变成了黑色的铁成了黑色的铁”。济济 南南 陨陨 铁铁新新 疆疆 陨陨 铁铁南南极极洲洲陨陨铁铁在公元前在公元前60006000年到年到70007000年左右，年左右，人们就能冶炼出铜人们就能冶炼出铜铜铜 镜镜汉武帝时铜币汉武帝时铜币先秦刀币先秦刀币冶炼金属要追溯到古代冶炼金属要追溯到古代因为我们的生活生产需要金属，所以必须要开因为我们的生活生产需要金属，所以必须要开发利用金属资源发利用金属资源但金属资源是不可再生资源，不是取之不尽的但金属资源是不可再生资源，不是取之不尽的利用化学知识利用化学知识，在科学开发利用金属矿在科学开发利用金属矿物的基础上，使金属矿物资源得到可持物的基础上，使金属矿物资源得到可持续发展续发展那如何解决那如何解决金、铂等为游离态金、铂等为游离态得电子，被还原得电子，被还原Mn+M+n e-主要是化合态主要是化合态 将金属从其化合物中将金属从其化合物中还原还原出来，使之转变出来，使之转变为单质的过程。为单质的过程。(1)(1)金属在自然界中的存在形式？金属在自然界中的存在形式？(2)(2)金属冶炼指的是什么？金属冶炼指的是什么？一、金属矿物的开发利用一、金属矿物的开发利用 1 1、金属的冶炼、金属的冶炼冶炼金属的步骤：冶炼金属的步骤：矿石富集矿石富集金属冶炼金属冶炼精炼精炼 法法国国皇皇帝帝拿拿破破仑仑是是一一个个喜喜欢欢炫炫耀耀自自己己的的人人。他他常常常常大大摆摆宴宴席席，宴宴请请天天下下宾宾客客。每每次次宴宴会会，他他总总是是摆摆出出一一副副高高人人一一等等的的样样子子。餐餐桌桌上上的的用用具具几几乎乎全全是是用银制成的，唯有他自己用的那一个碗却是铝制品。用银制成的，唯有他自己用的那一个碗却是铝制品。思考与交流思考与交流 为什么贵为法国皇帝，在当时却不用高贵而亮为什么贵为法国皇帝，在当时却不用高贵而亮丽的银碗，而用色泽要暗得多的铝碗呢？丽的银碗，而用色泽要暗得多的铝碗呢？100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，英国多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比黄金还要贵重的奖杯皇家学会不惜重金制作了一个比黄金还要贵重的奖杯铝杯，赠送给门捷列夫。铝杯，赠送给门捷列夫。由于早期炼铝十分困难，所以铝的价格十分昂贵，一度由于早期炼铝十分困难，所以铝的价格十分昂贵，一度超越金银之上，直至超越金银之上，直至19世纪上半叶，铝还是欧洲许多高级珠宝世纪上半叶，铝还是欧洲许多高级珠宝店的高档货。店的高档货。为什么铝比黄金还要贵？为什么铝比黄金还要贵？自从美国青年化学家自从美国青年化学家霍尔发明电解制铝法后，霍尔发明电解制铝法后，制铝工制铝工 艺不断改进，艺不断改进，现在现在人们已经熟练掌握了从铝人们已经熟练掌握了从铝土矿（主要成土矿（主要成 分是分是Al2O3）中冶炼铝的技术，使得制中冶炼铝的技术，使得制铝成本大大下降，使铝走铝成本大大下降，使铝走入千家万户。入千家万户。电解槽电解槽2Al2O3(熔融熔融)4Al 3O2 电解电解冰晶石冰晶石反应原理反应原理:降低熔点降低熔点 古代中国劳动古代中国劳动人民用木炭炼铁人民用木炭炼铁 西汉初时，用木炭与铁矿石混合高温冶炼生铁，南西汉初时，用木炭与铁矿石混合高温冶炼生铁，南宋末年的工匠又掌握了用焦炭炼铁，而欧洲最早的英宋末年的工匠又掌握了用焦炭炼铁，而欧洲最早的英国直到国直到500年后（相当于清朝乾隆末年），才掌握这年后（相当于清朝乾隆末年），才掌握这一技术。一技术。反应原理反应原理:Fe2O33CO 2Fe3CO2高温高温铁矿石铁矿石焦炭焦炭空气空气石灰石石灰石主主要要原原料：料：电解法电解法热还原法热还原法热分解法热分解法工业上工业上如何冶炼铝和铁如何冶炼铝和铁?为什么铁和铝的为什么铁和铝的冶炼方法不同？冶炼方法不同？金属越活泼，越难冶炼金属越活泼，越难冶炼2 2、金属冶炼方法的确定、金属冶炼方法的确定由金属活泼性决定由金属活泼性决定K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb（H）Cu Hg Ag弱弱强强电解法电解法还原法还原法 Fe2O33CO 2Fe3CO2 高温高温2Al2O3(熔融熔融)4Al 3O2 电解电解 冰晶石冰晶石 3 3、金属冶炼的方法举例、金属冶炼的方法举例（1）热分解法）热分解法2HgO 2Hg O2 加热加热2Ag2O 4AgO2 加热加热适合一些不活泼金属（一般是适合一些不活泼金属（一般是H后的金属）后的金属）Cu2S+O2 2Cu+SO2 高温高温火法炼铜火法炼铜（2）电解法）电解法MgCl2(熔融熔融)Mg Cl2 电解电解2NaCl(熔融熔融)2NaCl2 电解电解2Al2O3(熔融熔融)4Al 3O2 电解电解冰晶石冰晶石铝土矿铝土矿适合一些非常活泼金属（适合一些非常活泼金属（Zn前金属）前金属）（常用的还原剂有：焦炭、（常用的还原剂有：焦炭、CO、H2 等）等）（3 3）热还原法）热还原法（ZnZnCuCu中等活泼金属中等活泼金属）Fe2O33CO 2Fe3CO2 高温高温2CuO +C 2Cu+CO2 高温高温高炉炼铁高炉炼铁主要反应主要反应WO3+3H2 W+3H2O 高温高温 常用的还原剂还有哪些常用的还原剂还有哪些?实验实验41 反应现象反应现象：镁条剧烈燃烧，放出大量的热，发出耀：镁条剧烈燃烧，放出大量的热，发出耀眼的白光，纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入漏斗。眼的白光，纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入漏斗。铝热反应的应用：铝热反应的应用：2AlFe2O3 2FeAl2O3高温高温3MnO24Al 2Al2O33Mn高温高温Cr2O3+2Al 2Cr+Al2O33Co3O4+8Al 9Co+4Al2O3高温高温高温高温其它铝热反应：其它铝热反应：铝热反应：铝热反应：铝某些金属氧化物铝某些金属氧化物 Al2O3金属金属高温高温铝铝热热剂剂铝热反应的应用：铝热反应的应用：铝热反应应用铝热反应应用冶炼难熔的金属冶炼难熔的金属焊接钢轨焊接钢轨 （冶练常用的还原剂有：（冶练常用的还原剂有：焦炭、焦炭、CO、H2 、Al等活泼金属等活泼金属）4 4、合理开发和利用矿物资源的途径：、合理开发和利用矿物资源的途径：（1 1）废旧金属回收；）废旧金属回收；（2 2）矿物资源保护；）矿物资源保护；（3 3）寻找金属替代品。）寻找金属替代品。金属铝的回收与利用金属铝的回收与利用（1 1）节约矿物资源；）节约矿物资源；（2 2）节约能源；）节约能源；（3 3）减少环境污染）减少环境污染（1 1）废旧钢铁用于炼钢；）废旧钢铁用于炼钢；（2 2）废铁屑用于制铁盐；）废铁屑用于制铁盐；（3 3）定影液用于回收银）定影液用于回收银回收金属的意义回收金属的意义回收金属的实例回收金属的实例古代炼铜比炼铁早得多。原因在于：古代炼铜比炼铁早得多。原因在于：一、一、铜矿石比铁矿石易识别。孔雀石颜色呈翠绿铜矿石比铁矿石易识别。孔雀石颜色呈翠绿(即即铜绿铜绿)，易引起人们的注意联想。进而用其炼铜。，易引起人们的注意联想。进而用其炼铜。二、二、早在新石器时代，人类就发明了制陶术。窑温达早在新石器时代，人类就发明了制陶术。窑温达1000多度，已超过铜的熔点多度，已超过铜的熔点(10834)，而远低于，而远低于铁的铁的(1536)，可炼得红铜。，可炼得红铜。开阔视野开阔视野课堂练习课堂练习:2 2、下列关于金属冶炼的说法不正确的是、下列关于金属冶炼的说法不正确的是()()A A、金属冶炼是由人类生产生活需要发展起来的、金属冶炼是由人类生产生活需要发展起来的 B B、天然矿藏很少只含一种金属元素往往含有较多、天然矿藏很少只含一种金属元素往往含有较多杂质杂质 C C、金属的冶炼主要有矿石的富集、冶炼还原和精、金属的冶炼主要有矿石的富集、冶炼还原和精炼三个步骤炼三个步骤 D D、金属冶炼一定要用到还原剂、金属冶炼一定要用到还原剂D D1 1、金属冶炼的目的是、金属冶炼的目的是 （）A A、把金属化合物还原为金属单质、把金属化合物还原为金属单质 B B、除去金属中的杂质、除去金属中的杂质 C C、把金属单质变为氧化物、把金属单质变为氧化物 D D、把电能转变为化学能、把电能转变为化学能A5 5、冶炼金属常用以下几种方法：、冶炼金属常用以下几种方法：以以C C或或H H2 2、COCO作作为还原剂还原法为还原剂还原法 ；热分解法热分解法 ；电解法电解法 ；铝铝热法。现冶炼下列金属：热法。现冶炼下列金属：AlAl、MgMg、CuCu、HgHg、MnMn，试，试标明适宜的冶炼方法。标明适宜的冶炼方法。Al Al：；MgMg：；CuCu：；HgHg：；MnMn：。3 3、工业上常采用电解法冶炼的金属是、工业上常采用电解法冶炼的金属是 （）A A、Fe BFe B、Cu CCu C、Al DAl D、AgAg4 4、可用热分解法就可能制得的金属有（、可用热分解法就可能制得的金属有（）A.Cu Cr B.Ti W A.Cu Cr B.Ti W C.Ag Hg D.Na Al C.Ag Hg D.Na AlCC FeCu2+CuFe2+6 6、宋代时期，人们发现江西上饶有一口、宋代时期，人们发现江西上饶有一口苦泉，蒸发这种苦泉水会得到胆矾，熬苦泉水苦泉，蒸发这种苦泉水会得到胆矾，熬苦泉水的铁锅用久了会变成铜锅，这是湿法炼铜的起的铁锅用久了会变成铜锅，这是湿法炼铜的起源，请写出该反应的离子方程式源，请写出该反应的离子方程式 。二、海水资源的开发和利用二、海水资源的开发和利用 从太空观察地球，看到地球上有七片从太空观察地球，看到地球上有七片陆地陆地“漂浮漂浮”在一大片蓝色的海洋之中在一大片蓝色的海洋之中是“历史留给人类人类的资源储备”海洋是美丽的，海洋是美丽的，也是富饶的也是富饶的 海水资源主要分为几大类？海水资源主要分为几大类？海水中蕴含着的丰富资源。海水中蕴含着的丰富资源。2121世纪人类世纪人类将重点开发海洋资源。将重点开发海洋资源。海水资源的多样性海水资源的多样性水资源生物资源能源化学资源 海水水资源海水水资源u海水中的水海水中的水1.3X109亿亿吨吨u占地球总水量占地球总水量97%（3%在陆地、淡水）在陆地、淡水）海洋生物资源海洋生物资源 海水能源海水能源具有商业开发价值的：潮汐发电和波浪发电具有商业开发价值的：潮汐发电和波浪发电含含8080多种元素，多种元素，含含O、H及及Cl、Na、S、C、F、B、Br、Sr共共13种元素的质量占总水量种元素的质量占总水量的的99%，其余，其余1%为为70多种含多种含量微少的元素。量微少的元素。被称为被称为“元元素的故乡素的故乡”。大陆架的浅海海底：石油、天然大陆架的浅海海底：石油、天然气、煤、硫、磷等气、煤、硫、磷等 近岸带的滨海砂矿：砂、贝壳等近岸带的滨海砂矿：砂、贝壳等建筑材料和金属矿产建筑材料和金属矿产海水化学资源海水化学资源u海水因为量太大、面太广，大多数元素尽管海水因为量太大、面太广，大多数元素尽管总量很大但由于太分散总量很大但由于太分散，含量极微少，含量极微少如：海水中金元素总含量约为如：海水中金元素总含量约为50000000t（5千万吨）但一顿海水中只含金元素千万吨）但一顿海水中只含金元素0.000004g（10亿分之四克）亿分之四克）海水资源的特点海水资源的特点分散性分散性海水水资源的利用：海水水资源的利用：主要有：主要有：u1.海水中水资源的利用海水中水资源的利用海水的淡化（咸水海水的淡化（咸水淡水）淡水）u2.直接利用海水进行循环冷却（作冷却用直接利用海水进行循环冷却（作冷却用水）水）海水蒸馏原理示意图海水蒸馏原理示意图 1 1、海水淡化、海水淡化 原理原理：加热到：加热到水的沸点，液态水水的沸点，液态水变为水蒸汽与海水变为水蒸汽与海水中的盐分离，水蒸中的盐分离，水蒸汽冷凝得到淡水汽冷凝得到淡水如何用海水制备淡水？如何用海水制备淡水？海洋中海洋中的化学资源的提取和检验的化学资源的提取和检验 太阳能蒸发海水示意图：太阳能蒸发海水示意图：2、科学探究：科学探究：如何将海水中的如何将海水中的Br-转变成转变成Br2？1 1、推测海水提溴的步骤和实验装置；、推测海水提溴的步骤和实验装置；2 2、写出相关的化学方程式。、写出相关的化学方程式。浓缩海水浓缩海水溴单质溴单质氢溴酸氢溴酸单质溴单质溴通入通入Cl2通入空气，通入空气，SO2吸收吸收通入通入Cl22NaBr+Cl2=Br2+2NaCl2H2O+Br2+SO2=H2SO4+2HBr2HBr+Cl2=Br2+2HCl海水提溴的实验室模拟装置海水提溴的实验室模拟装置溴的用途溴的用途v溴化银是一种重要的感光材料，被用于制作胶卷和相纸等。当按下快门的时候，溴化银是一种重要的感光材料，被用于制作胶卷和相纸等。当按下快门的时候，相片上的部分溴化银就分解出银，从而得到我们所说的底片。相片上的部分溴化银就分解出银，从而得到我们所说的底片。v溴化锂制冷技术则是最近广为使用的一项环保的空调制冷技术，其特点是不会有溴化锂制冷技术则是最近广为使用的一项环保的空调制冷技术，其特点是不会有氟利昂带来的污染，所以很有发展前景。氟利昂带来的污染，所以很有发展前景。v灭火器中也有溴，我们平时看到的诸如灭火器中也有溴，我们平时看到的诸如“1211”“1211”灭火器，就是分子里面有一个溴灭火器，就是分子里面有一个溴原子的多卤代烷烃，不仅能扑灭普通火险，在泡沫灭火器无法发挥作用的时候，原子的多卤代烷烃，不仅能扑灭普通火险，在泡沫灭火器无法发挥作用的时候，例如油火。例如油火。v现在医院里普遍使用的镇静剂，有一类就是用溴的化合物制成的，如溴化钾、溴现在医院里普遍使用的镇静剂，有一类就是用溴的化合物制成的，如溴化钾、溴化钠、溴化铵等，通常用以配成化钠、溴化铵等，通常用以配成“三溴片三溴片”，可治疗神精衰弱。，可治疗神精衰弱。v大家熟悉的红药水，也是溴与汞的化合物。大家熟悉的红药水，也是溴与汞的化合物。v青霉素等抗菌素生产也需要溴，溴还是制造农业杀虫剂的原料。青霉素等抗菌素生产也需要溴，溴还是制造农业杀虫剂的原料。v溴可以用来制作防爆剂。把溴的一种化合物与铅的一种有机化合物同时掺入汽油溴可以用来制作防爆剂。把溴的一种化合物与铅的一种有机化合物同时掺入汽油中，可以有效地防止发动机爆炸。只不过这种含铅汽油燃烧会造成空气污染，在中，可以有效地防止发动机爆炸。只不过这种含铅汽油燃烧会造成空气污染，在我国许多大城市已不再允许销售、使用掺加这种防爆剂的汽油。我国许多大城市已不再允许销售、使用掺加这种防爆剂的汽油。3、科学探究：科学探究：如何证明海带中有碘离子？如何证明海带中有碘离子？灼烧海带至完全生成灰，停止加热，冷却；灼烧海带至完全生成灰，停止加热，冷却；在滤液中滴加稀在滤液中滴加稀H2SO4及及H2O2，然后加入几滴淀粉溶液；，然后加入几滴淀粉溶液；用剪刀剪碎海带，用酒精润湿，放入坩埚中；用剪刀剪碎海带，用酒精润湿，放入坩埚中；海带灰转移到小烧杯，加蒸馏水，搅拌、煮沸、过滤。海带灰转移到小烧杯，加蒸馏水，搅拌、煮沸、过滤。(1)(1)合理的步骤是：合理的步骤是：(2)2)证明含碘的步骤是：证明含碘的步骤是：现象是：现象是：反应的离子方程式是：反应的离子方程式是：滴入淀粉溶液，溶液变蓝。滴入淀粉溶液，溶液变蓝。2I-+2H+H2O2 I2+2H2O证明海带中有碘，有以下步骤证明海带中有碘，有以下步骤提取海带中的碘元素得到单质碘提取海带中的碘元素得到单质碘思考与归纳思考与归纳燃烧燃烧加水加水加热加热溶解溶解过滤过滤稀硫酸稀硫酸过氧化氢溶液过氧化氢溶液CClCCl4 4蒸馏蒸馏海带灰海带灰海带海带悬浊液悬浊液滤液滤液碘水碘水碘的碘的CClCCl4 4溶液溶液单质碘单质碘操作操作1 1操作操作2 2操作操作3 3操作操作4 4操作操作5 5试剂试剂1 1试剂试剂2 2萃取萃取分液分液生物生物富集富集海水海水海水晒盐海水晒盐（煮海为盐）（煮海为盐）4、从海水中提取从海水中提取NaCl方案方案蒸发法：得到粗盐蒸发法：得到粗盐粗盐提取粗盐提取NaClNaCl方案方案Na2CO3NaOHBaCl2或或 粗盐中的杂质：粗盐中的杂质：泥沙、泥沙、Ca2+、Mg2+、SO42-除杂试剂：除杂试剂：试剂加入顺序：试剂加入顺序：主要操作：主要操作：溶解、过滤、蒸发溶解、过滤、蒸发盐酸盐酸滤液滤液沉淀沉淀适量适量盐酸盐酸溶解溶解BaCl2NaOHNa2CO3过滤过滤蒸发蒸发结晶结晶海水海水淡水淡水粗盐粗盐盐水盐水操作操作（）5 5、实验方案设计：实验方案设计：从海水中提取镁元素得到单质镁从海水中提取镁元素得到单质镁 卤水卤水g(OH)2gCl2金属金属Mg 电解电解 海水海水富富集集加碱加碱过滤过滤盐酸盐酸蒸发蒸发 干燥干燥海水提取镁的工艺流程图海水提取镁的工艺流程图 从海水中的从海水中的MgMg2+2+到金属镁，经历了哪些化学变到金属镁，经历了哪些化学变化，用化学方程式表示。化，用化学方程式表示。这个生产流程采用了哪些措施来提高经济这个生产流程采用了哪些措施来提高经济效益？你获得了哪些启示？效益？你获得了哪些启示？就地取材、使用廉价原料，充分利用副产物引入海水引入海水贝壳贝壳（CaCO3)过滤网过滤网 工业制镁流程工业制镁流程沉降池沉降池过滤槽过滤槽 Mg(OH)2盐酸盐酸蒸蒸发发干干燥燥锻烧产物锻烧产物电解电解 MgCl2金属镁金属镁MgCl2溶液溶液锻烧锻烧与水反应与水反应氯气氯气海水提海水提镁镁的步骤为：的步骤为：贝壳贝壳 生石灰生石灰 石灰乳石灰乳 氢氧化镁氢氧化镁 氯化镁氯化镁 镁镁写出有关的化学反应方程式：写出有关的化学反应方程式：a a、；b b、；c c、；d d、；e e、。煅烧煅烧 a a水水 b b海水海水 c cde海水综合利用联合工业体系一例谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生