必修2第四章 化学与自然资源的开发利用第一节 开发利用金属矿物和海水资源教案设计

教学过程

一、课堂导入

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。

二、复习预习

1、金属元素在自然界存在的形态：

2、金属冶炼的一般方法

3、金属的利用、回收和资源的保护

三、知识讲解

知识点1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。

①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+O2↑

2Ag2O4Ag+O2↑

②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 + CO2↑

WO3  + 3H2 W  +3H2O

ZnO +  C  Zn  + CO↑

Fe2O3+2Al 2Fe + Al2O3（铝热反应）

     Cr2O3+2Al 2Cr+ Al2O3（铝热反应）

③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 + Cl2↑

MgCl2（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

金属活动顺序表中不同金属冶炼方法的选择

K Ca Na Mg Al  Zn  Fe  Sn Pb Cu  Hg Ag

 常见金属的冶炼原理

（2）金属提炼一般步骤：

①矿石的富集、除杂；  ②冶炼；  ③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：

①提高金属矿物的利用率。

②减少金属的使用量。

③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。

知识点2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１００多种化学元素，  在海水中已找到８０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７０多种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有４亿亿吨，镁约有１８００万亿吨，

钾有５００万亿吨，溴约有９０万亿吨，核燃料约４０亿吨－５０亿吨。

（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2000万吨，占世界食盐产量的80%。

长声盐场

Ⅱ.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：

 试剂①

 试剂②

（1）为了使MgSO4转化为Mg（OH）2，试剂①可以选用 NaOH ，要使MgSO4完全转化为沉淀，加入试剂①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①后，能够分离得到Mg（OH）2沉淀的方法是 过滤  。

（3）试剂②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↑                                                                         

 Ⅲ. 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。

四、例题精析

【例题1】请为下列过程选择正确的转化或分离方法

a.蒸馏  b.裂解   c.过滤   d.裂化  e.干馏  f.分馏  g.皂化

【答案】（1）bc；（2）e；f；d；a；g；

【解析】①把煤转化为焦炉气、煤焦油和焦炭等，用干馏的方法，故答案为：e；②从原油中分离出汽油、煤油、柴油等，可利用分馏的方法，利用物质的沸点不同进行分离，故答案为：f；③将重油转化为汽油，可通过裂化，而裂解主要是得到烯烃，故答案为：d；④将海水淡化，可用蒸馏的方法，故答案为：a；⑤用油脂制肥皂，油脂与氢氧化钠混合，得到高级脂肪酸的钠盐和甘油的反应，故答案为：g；

课堂运用

【基础】海洋资源的利用具有广阔前景。

(1)从海水中提取溴的主要步骤是向浓缩的海水中通入氯气，将Br一氧化，该反应的离子方程式为                                        。

(2)从海水中提取镁的主要步骤如下：

请回答：

①试剂A可从贝壳中获得，A的化学式为                         。

②步骤I的离子方程式为                                     。

③步骤Ⅱ的化学方程式为                                      。

(3)实验室从海带中提取碘的主要步骤如下：

干海带  灼烧  海带灰   水     滤液     酸化          CCl 4            多步操作           I2

过滤          过氧化氢溶液

①应将干海带放入   (填仪器名称)中灼烧至灰烬。

②向酸化的滤液中加入过氧化氢溶液，该反应的离子方程式为  。

反应结束后，再加入CCl4作萃取剂，振荡、静置，可以观察到CCl4层呈   色。

【答案】（1）Cl2+ 2Br-= 2Cl-+ Br2；（2）①石灰乳或氧化钙；②Mg(OH)2+ 2H+= Mg2++ 2H2O ；
③MgCl2(熔融）Mg+Cl2↑（3）①坩埚；②2I-+ H2O2+ 2H+= I2+ 2H2O③紫色。

【解析】（1）Cl2+ 2Br-= 2Cl-+ Br2；（2）可用可溶性碱与镁离子反应生成 Mg(OH)2沉淀。Mg(OH)2+ 2H+= Mg2++ 2H2O；MgCl2(熔融）Mg+Cl2↑；（3）①坩埚可以直接在酒精灯上加热的仪器有试管、圆底烧瓶、蒸发皿、坩埚。坩埚可以加强热。②2I-+ H2O2+ 2H+= I2+ 2H2O；③紫色，碘被萃取。

【巩固】“绿色化学”的主要内容之一是指从技术、经济上设计可行的化学反应，使原子充分利用，不产生

污染物。下列化学反应符合“绿色化学”理念的是（　 　）

       A．制CuSO4：Cu+2H2SO4(浓)=CuSO4+SO2↑+2H2O  

       B．制CuSO4：2Cu+O2=2CuO；Cu+H2SO4(稀)=CuSO4+H2O

       C．制Cu(NO3)2：Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

       D．制Cu(NO3)2：3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O

【答案】B

【拔高】明代《天工开物》记载“火法”冶炼锌：“炉甘石十斤，装载入一泥罐内，…然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红，…冷淀，毁罐取出，…，即倭铅也”（注：炉甘石的主要成分为碳酸锌，泥罐中掺有煤炭）．下列说法不正确的是（　　 ）

       A．倭铅是指金属锌和铅的混合物

       B．煤炭中起作用的主要成分是C

       C．冶炼Zn的反应方程式为：ZnCO3+2CZn+3CO↑

       D．该冶炼锌的方法属于热还原法

【答案】A

课程小结

1、金属矿物的开发利用             

1．冶炼步骤                

2．冶炼原理 （1）热分解法；（2）热还原法 ；（3）电解法

3.冶炼方法            

4.金属的回收和资源保护

2、海水资源的开发利用

1．水资源的利用  （1）淡化   （2）循环冷却

2．制备化工产品（1）镁（2） 溴    （3）钾            

3. 树立资源保护意识及合理开发意识

【基础】如右图所示，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。在内层滤纸的底部剪一个孔并湿润内层滤纸，下面放置盛沙的蒸发皿。把5 g炒干的氧化铁粉末和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：

(1)写出该反应的化学方程式：                            ；其中             是氧化剂，             是还原剂，该反应称为                    反应。

(2)该实验的实验现象为________(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熔落物能够被磁铁吸引

(3)写出对应下列操作或物质的作用(填字母)：

内层滤纸漏斗底部剪一个孔：________；内层滤纸漏斗用水湿润：________；蒸发皿盛沙：________；镁条：________；氯酸钾：________。

a．防止纸漏斗着火

b．使熔融物易于落下

c．引发铝热反应

d．引燃KClO3

e．防止溅落物炸裂蒸发皿

(4)若将氧化铁换成氧化镁，则该反应能否发生？_______(填“能”或“不能”)，理由是                  

________________________。

【答案】 (1)Fe2O3＋2AlAl2O3＋2Fe；Fe2O3；Al；铝热   (2)①②③④    (3)b；a；e；d；c

(4)不能；镁比铝活泼，铝不能置换镁

【巩固】细菌铁矿被空气氧化为Fe2(SO4)3，使溶液的酸性增强，其反应如下：4FeS2＋15O2＋2H2O===2Fe2(SO4)3＋2H2SO4。下列不属于“细菌冶金”特点的是(     )

  A．对贫矿、尾矿的开采利用更有价值                 B．反应须在高温下方能进行

  C．可以获得一些重要的副产物                       D．该方法能大大降低能源消耗、减少污染

【答案】B

【拔高】

从自然界中获取金属单质，下列冶炼金属的方法不正确的是（　　）

A．电解法：MgCl2Mg+Cl2↑

B．热还原法：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

C．热分解法：2Al2O3===4Al+3O2↑

D．物理方法：利用密度大的性质水洗矿物提取金

【答案】C

2.. 铝热反应”的化学方程式为：2Al+ Fe2O3Al2O3+ 2Fe。某同学对“铝热反应”的现象有这样的描述：“反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒”。“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。查阅《化学手册》知，Al、Al2O3、Fe、Fe2O3熔点、沸点数据如下：

（1）该同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金。这种推测有一定的道理，理由是：       ________________________________ 。
（2）设计一个简单的实验方案，证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。该实验所用试剂是        _________________，当观察到__________现象时，说明熔融物中含有金属铝。
（3）实验室溶解该熔融物，最好选用下列试剂中的_____________（填序号）。
     A．浓硫酸         B．稀硫酸          C．稀硝酸          D．氢氧化钠溶液

【答案】(1)该反应温度下铝已熔化未反应的铝与生成的铁熔合在一起  (2)NaOH溶液；有气泡生成  (3)B