开发利用金属矿物和海水资源

1、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

2、。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步骤:矿石的富集:除杂,提高矿石中有用成分的含量。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。精炼:提纯金属。 方法:热分解法:(Hg 、Ag 2Hg O 2Hg + O 2 2Ag O 2Ag + O 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 2Fe+3CO 2 制还原铁粉:Fe 2O 3+3H 2=2Fe+3H 2O铝

3、热反应:Fe 2O 3 + 2Al 高温 Al 2O 3+2Fe (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。电解法:(K-AI电解熔融的KCI、CaCI2、NaCI、MgCI2、AI2O3 2Na Cl(熔Cl2 + 2NaMgCI2(熔Cl2

4、 + 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:热分解法焦炭法水煤气法(H2,CO活泼金属置换法电解法.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B B用C C用D D用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: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 CI

5、2 = TiCI4 + 2C 该反应还原剂C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: Ti的原子序数为22,Ti位于元素周期表中第_周期,第_族。步骤加Fe的目的是_;步骤冷却的目的是_。上述制备TiO2的过程中,可以利用的副

6、产物是_;考虑成本和废物综合利用因素,废液中应加入_处理。由金红石(TiO2制取单质Ti,涉及到的步骤为: 己知:C (s +O2 (g=CO2 (g;H =-393.5 kJ·mol-12CO (g + O2 (g=2CO2 (g;H =-566 kJ·mol-1TiO2(s + 2Cl2 (g=TiCl4(s + O2(g;H = +141 kJ·mol-1则TiO2(g+2Cl2(g+2C(s =TiCl4(s + 2CO (g的H= _ _。反应TiCl4 +2Mg=2MgCl2 + Ti在Ar气氛中进行的理由是_。答案:(1 4B (2将Fe3+还原为F

7、e2+析出(或分离、或得到FeSO4·7H2O(3 FeSO4·7H2O 石灰(或碳酸钙、废碱(4-80 kJ·mol-1 防止高温下Mg(Ti与空气中的O2(或CO2、N2作用4.孔雀石的主要成分是Cu(OH2CuCO3.设计由孔雀石冶炼铜的方案.将孔雀石粉碎后加过量的烯H2SO4反应后混合物过滤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CuCO3·Cu(OH2(碱式碳酸铜,受热易分解.下图中的F是.(2写出

8、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 (2Al3+4OH-=AlO2-2H2O (33CuO+2Al3Cu+Al2O3(43/46.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

9、实验信息,回答下列问题: 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。选出该实验的实验现象(将序号填写在横线上:。镁条剧烈燃烧;放出大量的热,并发出耀眼的光芒,火星四射;纸漏斗的下部被烧穿;熔落物能够被磁铁吸引。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。乙醇四氯化碳硝酸 答案:Fe2O3+2Al Al2O3+2Fe;Fe2O3;Al;铝热;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

10、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

11、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。镁的提取贝壳(CaCO 3 水 海水(或苦卤 Mg (OH 2 MgCI 2溶液 MgCI 26H 2OMg MgCI 2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: 蒸馏法浓缩海水,用H 2SO 4酸化 通入适量氯气,使Br -氧化成Br 2 2Cl 2 + 2NaBr = 2NaCl + Br 2 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 2+SO 2 +2H 2O =H 2SO 4 +2HBr 熟石灰 过滤 HCI 浓缩结晶 脱水电解向吸收塔内通入适

12、量氯气 Cl2 +2HBr2HCl+ Br2 吸收塔内通入适量氯气 或苯萃取吸收塔内的溴单质（ 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（ 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， 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， 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

13、蒸馏水浸泡，煮沸，冷却。得到含碘离子的溶液。 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， 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） （ ） 氯碱工业 原理： 原理：电解饱和食盐水 2+ 2+ 3+ 2粗食盐水的精

14、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

15、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： 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

16、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。 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。 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。 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