开发利用金属矿物和海水资源.doc

第一节 开发利用金属矿物和海水资源 目的要求 1、掌握金属矿物的冶炼原理、步骤、方法。 2、了解金属元素在自然界中存在形态及与化学性质的关系 3、了解海水中水资源和化学资源的开发利用。 重点金属矿物的冶炼原理、步骤、方法,海水化学资源的开发利用。 难点金属矿物的冶炼原理、步骤、方法,海水化学资源的开发利用。 教学过程 【复习讨论1】从古至今,人类先后冶炼利用了哪些金属。铜铁铝钛 【复习讨论2】金属元素在自然界中以哪些形态存在与其化学性质有何关系 【板书】 第一节 开发利用金属矿物和海水资源 一.金属矿物的开发利用 1. 金属元素在自然界中的存在形态 化合态化学性质活泼的金属。 游离态化学性质不活泼的金属。 故除Pt 和Au 以外的金属元素均以化合态形式存在,且金属都呈正价。 2.金属的冶炼 ⑴原理依据氧化还原反应原理,将矿石中的金属阳离子用还原剂还原成金属单质。 M n ne - M ⑵步骤 ①矿石的富集除杂,提高矿石中有用成分的含量。 ②冶炼利用氧化还原反应,将矿石中的金属阳离子用还原剂还原成金属单质。 ③精炼提纯金属。 ⑶方法 ①热分解法Hg 、Ag 2Hg O △ 2Hg O 2↑ 2Ag O △ 2Ag O 2↑ ②热还原法Zn---Cu 还原剂一般选择C 、CO 、AI 、H 2等 高炉炼铁Fe 2O 3 3CO △ 2Fe3CO 2 制还原铁粉Fe 2O 33H 22Fe3H 2O 铝热反应Fe 2O 3 2Al 高温 Al 2O 32Fe 液 在高温下铝将金属氧化物中化合态金属Fe 2O 3、Fe 3O 4、MnO 2、V 2O 5、Cr 2O 3还原为 金属单质。铝热剂铝粉和金属氧化物的混合物。 实验现象 1镁条剧烈燃烧,放出大量的热使铝热剂发生反应。 2发出耀眼的光。 3产生大量的烟。 4纸漏斗下部被烧破,有红热状态的液珠落入蒸发皿内的细沙上。冷却观察为铁珠。铝热反应的用途焊接铁轨;炼制钒V、铬Cr、锰Mn等金属。 ③电解法K---AI电解熔融的KCI、CaCI2、NaCI、MgCI2、AI2O3 2Na Cl熔Cl2↑ 2Na MgCI2熔Cl2↑ Mg 2AI2O3 熔3O2↑ 4AI 【总结】金属的冶炼依据氧化还原反应原理。根据金属活泼性的不同或金属阳离子得电子能力的不同确定金属的冶炼方法。 【典型例题】 1.冶炼金属一般有下列几种方法①热分解法②焦炭法③水煤气法H2,CO④活泼金属置换法⑤电解法.这几种方法各有优缺点,在工业上有应用。古代有A火烧孔雀石B湿法炼铜现代有C铝热法炼铁D光卤石法炼镁。对它们的冶炼方法分析不正确的是 A A用② B B用③ C C用④ D D用⑤ 2.地壳中含钛矿石之一是金红石主要成分TiO2。目前大规模生产钛的方法 ①金红石与碳粉混合高温下通入CI2制得TiCI4和一种可燃气体。 化学方程式TiO2 2C 2 CI2 TiCI4 2C 该反应还原剂C ②在氩气的气氛中,用过量的镁在加热条件下与TiCI4反应得Ti 化学方程式TiCI4 2Mg Ti 2Mg CI2 步骤先加入足量的稀盐酸,除去镁,过滤,用蒸馏水洗涤固体,干燥后得钛. 氩气的作用______________________ 3.钛Ti被称为继铁、铝之后的第三金属,钛白TiO2是目前最好的白色颜料。制备TiO2和Ti的原料是钛铁矿,我国的钛铁矿储量居世界首位。含有Fe2O3的钛铁矿主要成分为FeTiO3制取TiO2的流程如下 ⑴Ti的原子序数为22,Ti位于元素周期表中第_____________周期,第__________族。 ⑵步骤①加Fe的目的是____________________________________________________; 步骤②冷却的目的是___________________________________________________。 ⑶上述制备TiO2的过程中,可以利用的副产物是_____________;考虑成本和废物综合利用因素,废液中应加入__________________处理。 ⑷由金红石TiO2制取单质Ti,涉及到的步骤为 己知①C s O2 gCO2 g;△H -393.5 kJmol-1 ②2CO g O2 g2CO2 g;△H -566 kJmol-1 ③TiO2s 2Cl2 gTiCl4s O2g;△H 141 kJmol-1 则TiO2g2Cl2g2Cs TiCl4s 2CO g的△H _____ __________。 反应TiCl4 2Mg2MgCl2 Ti在Ar气氛中进行的理由是_______________________。 答案 1 4ⅣB 2将Fe3还原为Fe2析出或分离、或得到FeSO47H2O 3 FeSO47H2O 石灰或碳酸钙、废碱 4-80 kJmol-1 防止高温下MgTi与空气中的O2或CO2、N2作用 4.孔雀石的主要成分是CuOH2CuCO3.设计由孔雀石冶炼铜的方案. ①将孔雀石粉碎后加过量的烯H2SO4 ②反应后混合物过滤 ③向滤液中加入一种金属粉末 回答 第一步现象__________________________ 金属粉末可以是什么___________,原因__________________________________ 设计从滤液中制得铜的另一种方案_____________________________________ 5.在一定条件下可实现下图所示物质之间的变化 请填写以下空白 1孔雀石的主要成分是CuCO3CuOH2碱式碳酸铜,受热易分解.下图中的F是. 2写出明矾溶液与过量NaOH溶液反应的离子方程式 . 3图中所得G和D都为固体,混和后在高温下可发生反应,写出该反应的化学方程式 . 4每生成1摩D,同时生成摩E. 答案 1CO2或二氧化碳 2Al34OH-AlO2-2H2O 33CuO2Al3CuAl2O343/4 6.如下图所示,用两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状,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炒干的氧化铁粉未和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 ⑴写出该反应的化学方程式;并指出是氧化剂,是还原剂,该反应称为反应。 ⑵选出该实验的实验现象将序号填写在横线上。 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熔落物能够被磁铁吸引。 ⑶写出下列操作或物质的作用内层滤纸漏斗底部剪一个孔;内层滤纸漏斗用水润湿;蒸发皿盛沙;镁条;氯酸钾。 ①乙醇②四氯化碳③硝酸 答案⑴Fe2O32Al Al2O32Fe;Fe2O3;Al;铝热;⑵①②③④;⑶使熔融物易于落下;防止纸漏斗着火;防止溅落物炸裂蒸发皿;引燃氯酸钾;引发铝热反应 二.海水资源的开发利用 海水是一个大的混合物。若将海水中的盐结晶后平铺于陆地上,地球将增高150米。海水中平均含盐3.5,含多种矿物质,如钠、钙、镁、钾、氯、溴、碘、锶等。海洋中还有大量的生物,是人类食物的来源之一。海水资源包括能量、生物、化学、矿物、及空间资源。利用潮汐能量发电,各种化学物质被综合利用,海洋生物为人类提供食物和保健用品;海水还是人类未来重要的淡水来源、新的能源和人类的空间资源。大海也是人类智慧的来源和情感的寄托之一 1.水资源的开发利用 海水淡化把海水中的盐与水分离,得到淡水。常用方法蒸馏法、电渗析法、离子交换法。 2.化学资源的利用 ⑴食盐的提取 精盐 钠 氯气 【思考】请设计实验室除去NaCl 中混有的Ca2、Mg2离子的方法需要仪器及实验步骤 溶解,加稍过量的氢氧化钙,再加入稍过量的碳酸钠溶液,过滤;在滤液中加入稍过量的盐酸,蒸发结晶。 ⑵镁的提取 贝壳CaCO 3 水 海水或苦卤 Mg OH 2 MgCI 2溶液 MgCI 26H 2O Mg MgCI 2 ⑶溴单质的提取将海水中的溴离子Br -氧化成溴单质Br 2 具体步骤如下 ① 蒸馏法浓缩海水,用H 2SO 4酸化 ② 通入适量氯气,使Br -氧化成Br 2 2Cl 2 2NaBr 2NaCl Br 2 ③ 通入空气和水蒸气,将Br 2吹入盛SO 2溶液的吸收塔内富集 Br 2SO 2 2H 2O H 2SO 4 2HBr 熟石灰 过滤 HCI 浓缩结晶 脱水 电解 ④向吸收塔内通入适量氯气 Cl2 2HBr＝2HCl Br2 吸收塔内通入适量氯气 ＝ 或苯萃取吸收塔内的溴单质（ ⑤用 CCI4 或苯萃取吸收塔内的溴单质（Br2） 碘的提取将海水中的碘离子I- 氧化成碘单质 氧化成碘单质（ ⑷碘的提取将海水中的碘离子 氧化成碘单质（I2） 克干海带，用刷子除去表面附着物， ①取 3 克干海带，用刷子除去表面附着物，剪碎后用适量酒精润湿放入坩埚 把泥三角放在三脚架上，把坩埚放在泥三角上，点燃酒精灯，将海带灼烧至完全成灰烬， ②把泥三角放在三脚架上，把坩埚放在泥三角上，点燃酒精灯，将海带灼烧至完全成灰烬， 停止加热，冷却至室温。 停止加热，冷却至室温。 将海带灰转移至烧杯中，加适量蒸馏水浸泡，煮沸，冷却。得到含碘离子的溶液。 ③将海带灰转移至烧杯中，加适量蒸馏水浸泡，煮沸，冷却。得到含碘离子的溶液。 酸化， ④在滤液中滴几滴稀 H2SO4 酸化，再加 1ml 3％双氧水（或碘酸钾溶液） 溶液由无色变 ％双氧水（或碘酸钾溶液） 溶液由无色变 ， 成深黄色，加入淀粉溶液呈蓝色，说明有碘单质。 成深黄色，加入淀粉溶液呈蓝色，说明有碘单质。 2KI H2O2 H2SO4 I2 K2SO4 2H2O 或 5KI KIO3 3H2SO4 3K2SO4 3I2 3H2O） （ ） ⑸氯碱工业 原理 ①原理电解饱和食盐水 2 2 3 2粗食盐水的精制从海水中获得的粗盐中含有泥沙、 等杂质， A.粗食盐水的精制从海水中获得的粗盐中含有泥沙、Ca 、Mg 、Fe 、SO4 等杂质，必须 22 3 进行精制。加药顺序是 进行精制。加药顺序是先加足量的 BaCI2 除 SO4 ，再加足量的 NaOH 除 Mg 、Fe ，再加 2 然后过滤除去沉淀， 足量的 Na2CO3 除 Ca 和过量的 BaCI2，然后过滤除去沉淀，最后用盐酸调节 PH 值除去过量 2 2 的 Na2CO3。这样处理后的盐水仍含少量的 Ca 、Mg ，还需通过阳离子交换树脂进一步除 得到精制饱和食盐水。 精制饱和食盐水 去，得到精制饱和食盐水。 B. 饱和食盐水的电解 阳极 阳极2CI- -- 2e- CI2 阴极 阴极2H 2e- H2 总反应2NaCl 2H2O 总反应 H2↑ Cl2↑ 2NaOH 生产设备 ②生产设备电解槽 电解槽的结构阳极（钛网） 阴极（碳钢网） 阳离子交换膜、电解槽框、导电铜棒等阳 、阴极 、阳离子交换膜 电解槽的结构阳极（钛网） 阴极（碳钢网） 阳离子交换膜、电解槽框、导电铜棒等阳 、 、 离子交换膜的作用 阳离子交换膜有一种特殊的性质，它只允许阳离子通过， 离子交换膜的作用阳离子交换膜有一种特殊的性质，它只允许阳离子通过，即只让 Na、 H通过，而 OH-、CI-和气体不能通过。这样既能防止阴极产生的 H2 和阳极产生的 CI2 相混 通过， 和气体不能通过 不能通过。 反应影响烧碱的质量。 合而爆炸， 合而爆炸，又能避免 CI2 和 NaOH 反应影响烧碱的质量。 ③氯碱工业产品及用途 烧碱用于有机合成、造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染等工业。 烧碱用于有机合成、造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染等工业。 氯气用于有机合成、氯化物合成、农药、含氯漂白剂、盐酸等工业。 氯气用于有机合成、氯化物合成、农药、含氯漂白剂、盐酸等工业。 氢气用于有机合成、金属冶炼。 氢气用于有机合成、金属冶炼。 联合制碱法 溶液中通入二氧化碳气体， 生成小苏打沉淀和氯化铵溶液。 ⑹联合制碱法 在氨饱和的 NaCl 溶液中通入二氧化碳气体， 生成小苏打沉淀和氯化铵溶液。 小苏打加热分解生成纯碱。 年由侯德榜先生发明。 小苏打加热分解生成纯碱。1940 年由侯德榜先生发明。 ①原理粗食盐水经过精制后得到饱和食盐水。在饱和食盐水中先通入足量的氨气，再通 原理粗食盐水经过精制后得到饱和食盐水。在饱和食盐水中先通入足量的氨气， 入过量的二氧化碳气体，溶液中就会析出小苏打晶体， 入过量的二氧化碳气体，溶液中就会析出小苏打晶体，过滤洗涤干燥后加热使之分解为纯 具体反应如下 碱。具体反应如下 第一步 第一步NH3 CO2 H2O NH4HCO3 6 第二步 第二步NH4HCO3 NaCl NaHCO3↓ NH4CI 总反应 总反应NH3NaClH2OCO2＝NaHCO3↓NH4Cl △ 2NaHCO3 Na2CO3 CO2↑ H2O ②思考 思考 气体 为什么先通入 NH3 后通入 CO2 气体 气体 为什么通入足量的氨气和过量的 CO2 气体 为什么用饱和的食盐水为什么小苏打能从溶液中析出 溶液中析出 为什么用饱和的食盐水为什么小苏打能从溶液中析出 7