化学与自然资源的开发利用

1、一、金属矿物的开发利用一、金属矿物的开发利用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一、金属矿物的开发利用一、金属矿物的开发利用1 1、金属元素的存在：、金属元素的存在： 除了金、铂等极少数金属外，绝除了金、铂等极少数金属外，绝大多数金属以化合物的形式存在于大多数金属以化合物的形式存在于自然界。自然界。 冶炼金属的实质是用还原的方冶炼金属的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属离子得法使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子。到电子变成金属原子。n+M得电子得电子M （被还原）（被还原）3、冶炼金属的方法、冶炼金属的方法a a、热分解法（对于不活泼金属，可以直接用、热分解法

2、（对于不活泼金属，可以直接用加热分解的方法将金属从其化合物中还原出加热分解的方法将金属从其化合物中还原出来来 ）2HgO = 2Hg + O2 加热加热2Ag2O = 4Ag + O2 加热加热b、电解法（适合一、电解法（适合一些非常活泼金属些非常活泼金属） MgCl2 (熔融熔融) = Mg + Cl2 电解电解电解什么状态的电解什么状态的金属化合物？金属化合物？2Al2O3 (熔融熔融) = 4Al + 3O2 电解电解冰晶石冰晶石2NaCl (熔融熔融) = 2Na + Cl2 电解电解c、热还原法在金属活动性顺序表中处于中间、热还原法在金属活动性顺序表中处于中间位置的金属，通常是用还原

3、剂（位置的金属，通常是用还原剂（C、CO、H2、活泼金属活泼金属等）将金属从其化合物中还原出来等）将金属从其化合物中还原出来 写出符合上述条件的几个方程式Fe2O3+3CO = 2Fe + 3CO2 高温高温CuO+H2 = Cu + H2O高温高温ZnO+C = Zn + CO 高温高温Fe2O3+2Al = 2Fe + Al2O3 高温高温铝铝热热反反应应 注意观察演示实验现象注意观察演示实验现象反应现象：反应现象：镁条剧烈燃烧，并发出耀眼的光芒。镁条剧烈燃烧，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。待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，可以

4、发现落下熔融物冷却后，除去外层熔渣，可以发现落下的是铁珠。的是铁珠。 其它铝热反应其它铝热反应 3MnO2+4Al = 3Mn+ 2Al2O3高温高温Cr2O3+2Al = 2Cr + Al2O3高温高温3Co3O4+8Al = 9Co + 4Al2O3高温高温铝热反应的原理可以应用在生产上，如用铝热反应的原理可以应用在生产上，如用于焊接钢轨等。在冶金工业上也常用于于焊接钢轨等。在冶金工业上也常用于冶炼冶炼高熔点金属高熔点金属 ，如冶炼钒、铬、锰等，如冶炼钒、铬、锰等铝铝热热反反应应的的应应用用小结：结合金属活动顺序表思考不同金属的冶炼方法电解法 热还原法 热分解法K Ca Na Mg Al

5、Zn Fe Sn PbK Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb（H H）Cu Hg AgCu Hg Ag 思考：思考：为什么人类使用铁器比使用铜器晚？金属使用的先后与金属冶炼的难易有关金属使用的先后与金属冶炼的难易有关 4、金属的冶炼的步骤：、金属的冶炼的步骤： 矿石的富集、冶炼、精炼矿石的富集、冶炼、精炼5、金属的回收和资源保护、金属的回收和资源保护 回收金属的意义：回收金属的意义：（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）减少环境污染环境污染回收金属的实例回收金属的实例（1 1）废旧钢铁用于炼钢；（）废旧钢铁用于炼钢；（2 2）废

6、铁屑用于制铁）废铁屑用于制铁盐；（盐；（3 3）定影液用于回收银）定影液用于回收银以铝为例，生产一吨原铝至少要消耗四吨铝土以铝为例，生产一吨原铝至少要消耗四吨铝土矿资源。当前全球原铝的年产量约矿资源。当前全球原铝的年产量约2500万吨，年万吨，年消耗铝土矿超过一亿吨，如果照此发展下去，地消耗铝土矿超过一亿吨，如果照此发展下去，地球上的铝土矿资源就会越来越少，直至有一天枯球上的铝土矿资源就会越来越少，直至有一天枯竭。如果人类消费的铝能够回收利用，只要回收竭。如果人类消费的铝能够回收利用，只要回收利用量达到产量的二分之一，每年就将减少铝土利用量达到产量的二分之一，每年就将减少铝土矿消耗量约矿消耗量

7、约5000万吨，这对保护全球铝土矿资源万吨，这对保护全球铝土矿资源具有极为重要的意义。其次，利用废杂原料生产具有极为重要的意义。其次，利用废杂原料生产一吨合金铝锭与用铝土矿原料生产一吨原铝锭相一吨合金铝锭与用铝土矿原料生产一吨原铝锭相比，可以节省比，可以节省95以上的能源消耗。以上的能源消耗。 据有关资料统计，每生产一吨原铝锭需要消耗能源2132TJ(电能约占82)，而生产一吨再生铝合金锭所需能源消耗为55TJ(燃料约占80)，仅为原铝锭生产能源消耗的26，优势比较明显。由于铝可以反复循环使用，从再生铝废料中再生产铝，其节能效果更加显著。另外，再生铝生产中二氧化碳的产生量和排放量与原铝生产相比

8、，大为减少。有资料统计，再生铝生产可比用水电生产原铝减少二氧化碳排放量91%，比用燃油发电减少二氧化碳排放量97以上，比用煤发电减少的二氧化碳排放量更多，环保效益十分显著。练习练习: : 1 1、冶炼金属一般有下列、冶炼金属一般有下列4 4种方法：种方法： 焦炭法焦炭法水煤气法（或水煤气法（或COCO、H H2 2法）法） 活泼活泼金属置换法金属置换法电解法，电解法，4 4种方法在工业上均种方法在工业上均有应用。古代有有应用。古代有( (I) )火烧孔雀石炼铜火烧孔雀石炼铜( (II) )湿湿法炼铜，法炼铜，现代有现代有( (III) )铝热法炼铬铝热法炼铬( (IV) )从光从光卤石中炼镁卤

9、石中炼镁，下列对这四种金属制备方法的，下列对这四种金属制备方法的分类中不正确的是（分类中不正确的是（ ） A A、 ( (I) ) B B、( (II) ) C C、 ( (III) ) D D、( (IV) ) B练习练习: : 2 2、根据下图所示实验室用一氧化碳还、根据下图所示实验室用一氧化碳还原氧化铁的实验装置，回答以下问题：原氧化铁的实验装置，回答以下问题： 反应过程中发生的现象是反应过程中发生的现象是 ； 塑料袋的作用是塑料袋的作用是 。石灰水石灰水FeFe2 2O O3 3COCO海水资源的开发和利用海水资源的开发和利用含含80多种元素，以氢、氧、多种元素，以氢、氧、氯、钠、镁、

10、硫、钙、钾等氯、钠、镁、硫、钙、钾等较多。被称为较多。被称为“元素的故乡元素的故乡”。海水中铀多达海水中铀多达45亿吨亿吨是已知陆地铀矿储量是已知陆地铀矿储量的的4500倍。氘有倍。氘有50亿亿吨足够人类用上千万吨足够人类用上千万年年海水中的化学资源海水中的化学资源海洋中的矿产资源海洋中的矿产资源海水资源的广泛性： 海洋中的资源 ： 动物动物:（鱼类、海狮、海马、贝类（鱼类、海狮、海马、贝类 植物植物:（海草、海带（海草、海带 矿物矿物:（各种盐、（各种盐、NaCl、MgCl2 . 海底金属结核矿、石油海底金属结核矿、石油 水水 : （水资源及各种溶解的盐类（水资源及各种溶解的盐类海水资源的多

11、样性： 海水中溶解和悬浮大量的无机物和有机物 按含量计：含O、H及Cl、Na、S、C、F、B、Br、Sr共13种元素的质量占总水量的99%，其余1%为70多种含量微少的元素。海水资源的分散性： 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 ，含量极微少 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0.000004g（10亿分之四克） （百分之0.000004克）海水中的水海水中的水1.3X109 亿亿吨吨 占地球总水量占地球总水量97% （3%在陆地、淡水）在陆地、淡水）海水中除了水以外，还含有海水中除了水以外，还含有80多种元素，有的含量多种元

12、素，有的含量很大（如很大（如NaCl ）有的含量很少（如）有的含量很少（如Au）海水资源的利用 海水水资源的利用 海水化学资源的利用1、从海水中提取淡水、从海水中提取淡水海水淡化海水淡化 海水淡化的方法主要有海水淡化的方法主要有蒸馏法蒸馏法、电渗电渗析法析法、离子交换法离子交换法等。等。 海水蒸馏原理示意图海水蒸馏原理示意图进进出出原理：原理：加热到水的加热到水的沸点，液态沸点，液态水变为水蒸水变为水蒸气与海水中气与海水中的盐分离，的盐分离，水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝得到淡水。得到淡水。太阳能蒸发海水示意图：太阳能蒸发海水示意图： 2、海水化学资源的利用、海水化学资源的利用 种类多，总储量大，种类多

13、，总储量大，富集程度低富集程度低。因此，从。因此，从海水中提取物质需要解决物质的富集的问题。海水中提取物质需要解决物质的富集的问题。从海水中提取食盐的主要工艺流程从海水中提取食盐的主要工艺流程 从海水中从海水中制取盐的方法制取盐的方法主要有：盐田主要有：盐田法、电渗析法法、电渗析法和冷冻法。和冷冻法。 海水晒盐（煮海为盐）海水晒盐（煮海为盐）A 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？ 阅读阅读P P9191实验实验4-2 4-2 化学方程式：化学方程式：2KI + H2O2 + H2SO4= I2+ K2SO4 + 2H2O海带提碘：海带提碘：海带海带海带灰海带灰

14、溶解过滤溶解过滤灼烧灼烧残渣残渣含含I- -的溶液的溶液稀稀H2SO4 H2O2含含I2的溶液的溶液含含I2的有机溶液的有机溶液萃取萃取证明海带中含有碘，有以下步骤证明海带中含有碘，有以下步骤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HH2 2SOSO4 4及及HH2 2OO2 2，然后加入，然后加入几滴淀粉溶液；几滴淀粉溶液；用剪刀剪碎海带，用酒精用剪刀剪碎海带，用酒精润湿，放入坩埚中；润湿，放入坩埚中； 海带灰转移到小烧杯，海带灰转移到小烧杯，加蒸馏水，搅拌、煮沸、过滤加蒸馏水，搅拌、煮沸、过滤. .(1)(1)合理的步骤是合理

15、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，溶液滴入淀粉溶液，溶液变蓝变蓝2I2I- - + 2H+ 2H+ + +H+H2 2O O2 2 I I2 2+2H+2H2 2O O 思考与交流：思考与交流： 如何将海水中的溴离子转变成溴单质？阅读教材如何将海水中的溴离子转变成溴单质？阅读教材P91页资料卡片页资料卡片海水提溴。海水提溴。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

16、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Cl2(3)从海水中提取溴的主要工艺流程从海水中提取溴的主要工艺流程用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。 用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质：为溴单质：2NaBr+Cl2=Br2+2NaCl2NaBr+Cl2=Br2+2NaCl向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，将溴单质向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，将溴单质吹入

17、盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的：吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的：BrBr2 2+SO+SO2 2+2H+2H2 2O=2HBr+HO=2HBr+H2 2SOSO4 4向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气：向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气： 2HBr+Cl2=2HCl+Br2HBr+Cl2=2HCl+Br2 22NaBr + Cl2NaBr + Cl2 2= Br= Br2 2+2NaCl+2NaCl2H2H2 2O + BrO + Br2 2+SO+SO2 2= H= H2 2SOSO4 4+2HBr+2HBr2HBr + Cl2HBr + Cl2 2= Br= Br2

18、 2+2HCl+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课堂练习 海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如下图所示：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 。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： MgClMgCl2 26H6H2 2O = Mg(OH)Cl+HCl+5HO = Mg(OH)Cl+HCl+5H2 2OO 在干燥的在干燥的HClHCl气流中，抑制了气流中，抑制了MgClMgCl2

19、2水解，且带走水解，且带走MgClMgCl2 26H6H2 2O O受热产生的水气，故能得到无水受热产生的水气，故能得到无水MgClMgCl2 2 MgClMgCl2 26H6H2 2O = MgO+HCl+5HO = MgO+HCl+5H2 2OO （2 2）Mg(OH)Mg(OH)2 2沉淀中混有的沉淀中混有的Ca(OH)Ca(OH)2 2应怎样除去？写出实应怎样除去？写出实验步骤。验步骤。 加入加入MgCl2MgCl2溶液，充分搅拌，过滤，沉淀用水洗涤。溶液，充分搅拌，过滤，沉淀用水洗涤。 （3 3）实验室里将粗盐制成精盐的过程中，在溶解、过）实验室里将粗盐制成精盐的过程中，在溶解、过滤

20、、蒸发三个步骤的操作中都要用到玻璃棒，分别说明滤、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：在这三种情况下使用玻璃棒的目的：溶解溶解过滤过滤蒸蒸发发搅拌，加速溶解搅拌，加速溶解 使待滤液体沿玻璃棒流入漏斗，防止外洒使待滤液体沿玻璃棒流入漏斗，防止外洒 搅拌，防止因局部过热液滴或晶体飞溅搅拌，防止因局部过热液滴或晶体飞溅 (4)(4)获得获得HClHCl的反应为的反应为2CH2CH4 4+O+O2 2+4Cl+4Cl2 2=2CO+8HCl(=2CO+8HCl(不考虑其他不考虑其他反应反应) )。事实上，生产中。事实上，生产中HClHCl一直在循环使用。试从理论

21、上分析是一直在循环使用。试从理论上分析是否需要补充否需要补充HClHCl，简要说明理由，简要说明理由 不需要补充不需要补充HCl,HCl,因为因为ClCl2 22HCl2HClMg(OH)Mg(OH)2 2MgClMgCl2 2ClCl2 2；依氯元素；依氯元素守恒可以看出理论上不要补充守恒可以看出理论上不要补充HClHCl。 二、海水资源的开发利用二、海水资源的开发利用海洋水资源海洋水资源：海水中水的储量约为海水中水的储量约为1.31.310 109 9亿吨，亿吨，约占全球总水量的约占全球总水量的9797。 化学资源化学资源：含元素含元素8080多种，海洋资源中，利用潜力最大多种，海洋资源中

22、，利用潜力最大的是海水中的化学资源。目前，在陆地上发现的的是海水中的化学资源。目前，在陆地上发现的多种化学元素，在海水中已找到多种，其中多多种化学元素，在海水中已找到多种，其中多种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有亿亿吨，镁约种可供提取。如，氯化钠（即食盐）有亿亿吨，镁约有万亿吨，钾有万亿吨，溴约有万有万亿吨，钾有万亿吨，溴约有万亿吨，核燃料约亿吨亿吨。亿吨，核燃料约亿吨亿吨。矿产资源：矿产资源：海洋中所贮存的各种矿物约海洋中所贮存的各种矿物约500500亿吨。亿吨。通常只要每平方米有通常只要每平方米有5 5的矿物。锰结核、可燃冰、的矿物。锰结核、可燃冰、砂和砾石，用于冶金、燃料、建筑、石英砂用

23、制玻砂和砾石，用于冶金、燃料、建筑、石英砂用制玻璃等。璃等。含含80多种元素，以氢、氧、多种元素，以氢、氧、氯、钠、镁、硫、钙、钾等氯、钠、镁、硫、钙、钾等较多。被称为较多。被称为“元素的故乡元素的故乡”。海水中铀多达海水中铀多达45亿吨亿吨是已知陆地铀矿储量是已知陆地铀矿储量的的4500倍。氘有倍。氘有50亿亿吨足够人类用上千万吨足够人类用上千万年年海水中的化学资源海水中的化学资源海洋中的矿产资源海洋中的矿产资源空间资源空间资源：海洋可利用空间包括海上、海中、海底三个海洋可利用空间包括海上、海中、海底三个部分。海洋空间利用已从传统的交通运输扩大到生产、部分。海洋空间利用已从传统的交通运输扩大

24、到生产、通信、电力输送、储藏、文化娱乐等诸多领域。我国拥通信、电力输送、储藏、文化娱乐等诸多领域。我国拥有有1800018000公里的大陆海岸线，管辖的海域面积近公里的大陆海岸线，管辖的海域面积近300300万平方万平方公里。公里。能源能源：海水运动中蕴藏着巨大的能量，包括潮汐能资源、海水运动中蕴藏着巨大的能量，包括潮汐能资源、波浪能资源、海流能资源、温差和盐差能资源、海上水波浪能资源、海流能资源、温差和盐差能资源、海上水能资源，它们都属于可再生能源，而且没有污染。能资源，它们都属于可再生能源，而且没有污染。 生物资源生物资源：由鱼、虾、贝、藻等组成的海洋生物资源，由鱼、虾、贝、藻等组成的海洋

25、生物资源，除了直接捕捞供食用和药用外，通过养殖、增殖等途径除了直接捕捞供食用和药用外，通过养殖、增殖等途径还可实现可持续利用。海洋生物品种繁多，我国就有还可实现可持续利用。海洋生物品种繁多，我国就有2027820278种，其中入药的有种，其中入药的有700700种。种。图4-5 海水综合利用联合工业体系一例1、海水水资源的利用、海水水资源的利用海水中水资源的利用：海水中水资源的利用：主要包括海水的淡主要包括海水的淡化和直接利用海水进行循环冷却。通过从化和直接利用海水进行循环冷却。通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去，海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去，都可以达到淡化海水的目的。都可以达

26、到淡化海水的目的。 海水淡化的方法主要有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。2、海水化学资源的利用、海水化学资源的利用a、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。海水中提取物质需要解决物质的富集的问题。b从海水中提取物质的方法从海水中提取食盐的主要工艺流程从海水中提取食盐的主要工艺流程 从海水中从海水中制取盐的方法制取盐的方法主要有：盐田主要有：盐田法、电渗析法法、电渗析法和冷冻法。和冷冻法。 盐田法制得的盐田法制得的粗盐中含较多的氯化镁粗盐中含较多的氯化镁和氯化钙及泥沙，和氯化钙及泥沙，请设

27、计实验室除去请设计实验室除去NaCl中混有的泥沙、中混有的泥沙、Ca2+、Mg2+离离子的方法（需要仪器及实验步骤）子的方法（需要仪器及实验步骤） 先将样品溶解，加稍过量的氢氧化先将样品溶解，加稍过量的氢氧化钙，再加入稍过量的碳酸钠溶液，过滤；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，蒸发结晶在滤液中加入稍过量的盐酸，蒸发结晶即可。即可。思考：思考：(2)从海水中提取溴的主要工艺流程从海水中提取溴的主要工艺流程用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质。 用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。用蒸馏法将海水浓缩，用硫

28、酸将浓缩的海水酸化。向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质：为溴单质：2NaBr+Cl2=Br2+2NaCl2NaBr+Cl2=Br2+2NaCl向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，将溴单质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：吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的：BrBr2 2+SO+SO2 2+2H+2H2 2O=2HBr+HO=2HBr+H2 2SOSO4 4向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气：向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气： 2HBr+Cl2=2HCl+Br2HBr+Cl2=2HCl+Br2 2海带中的碘元素主要以海带中的碘元素主要以I I- -的形式存在，提取时的形式存