第八章 化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展
第一節(jié) 自然資源的開發(fā)利用
第一課時(shí) 金屬礦物的開發(fā)利用
1.了解金屬在自然界中的存在形式，掌握金屬冶煉的一般方法和原理。2．以金屬礦物的開發(fā)利用為例，了解依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化綜合利用資源的方法，體會(huì)化學(xué)對(duì)促進(jìn)人與自然和諧相處的意義。
1.科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)：能從自然資源的開發(fā)利用的問題出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。2．科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：能分析化學(xué)科學(xué)在開發(fā)利用自然資源，促進(jìn)科技發(fā)展和社會(huì)文明等方面的價(jià)值和貢獻(xiàn)。
金屬活動(dòng)性順序與金屬冶煉方法的關(guān)系
閱讀課本P98資料卡片自然資源與可持續(xù)發(fā)展，聯(lián)系生活，了解自然資源的分類和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)和分類。
經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展資源可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展
一、自然資源分類與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)
植物、微生物、可降解塑料袋、水資源、地?zé)豳Y源等
金屬礦產(chǎn)和非金屬礦產(chǎn)(煤、石油、天然氣、土壤等)、核能等
二、金屬元素在自然界中存在的形態(tài)
1、生活中常用到哪些金屬？2、它們?cè)谧匀唤绯Ｒ允裁葱螒B(tài)存在？
(1)極少數(shù)的不活潑金屬(金、鉑等)以游離態(tài)的形式存在。
(2)絕大多數(shù)金屬元素以化合物的形式存在于自然界。
(3)在地殼中，含量最高的金屬元素是____，其次是____。
1、原理：將金屬從化合物中_______出來。2、實(shí)質(zhì)：化合物中金屬_______電子被_______生成金屬單質(zhì)。
深度思考：如圖表示金屬活動(dòng)性順序表中銅、錫、鐵和鋁元素被人類大規(guī)模開發(fā)利用的大致年限。
(1)地殼中鋁的含量比鐵和銅高，但是鋁使用的時(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于銅和鐵，這是為什么呢？
鋁的活動(dòng)性強(qiáng)，自然界中沒有單質(zhì)鋁，鋁元素在自然界中主要存在于鋁土礦中。
(2)根據(jù)以上金屬的活動(dòng)性和人類開發(fā)利用這些金屬時(shí)間的數(shù)據(jù)，你發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？
金屬的活動(dòng)性越弱，人類開發(fā)、利用它的時(shí)間越早；金屬的活動(dòng)性越強(qiáng)，人類開發(fā)、利用它的時(shí)間越遲。
(4)金屬活動(dòng)性不同，還原方法一樣嗎？金屬活動(dòng)順序與金屬冶煉有關(guān)系嗎？
(3)找出你熟悉的2～3種金屬單質(zhì)，說明它們的制備方法，寫出有關(guān)的化學(xué)方程式。
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H) Cu Hg Ag Pt Au
(1)物理方法——富集法適用于極不活潑的金屬（如：鉑Pt、金 Au ）
《浪淘沙》 -劉禹錫日照澄洲江霧開，濤金女伴滿江隈。 美人首飾侯王印，盡是沙中海底來。
思考：沙里淘金的分離原理？
淘金原理：金的密度比沙大，淘去粗沙后的砂金。
古代煉丹術(shù)士葛洪的《抱樸子》中“丹砂(HgS)燒之成水銀”
(2)熱分解法——適用于不活潑的金屬（Ag、Hg）
3000多年前我國古代勞動(dòng)人民就掌握了孔雀石煉銅工藝，他們將孔雀石（主要成分）Cu2(OH)2CO3和木炭一起加熱就可得到紅色的金屬銅。請(qǐng)同學(xué)們寫出化學(xué)方程式。
【討論】（1）這種金屬的冶煉方法稱為什么方法？（2）這種方法適用于什么類型的金屬的冶煉？（3）這種方法常用的還原劑有哪些？
適用于金屬活動(dòng)性介于Zn-Cu之間的大多數(shù)金屬的冶煉。
C、CO、H2和Al等。
（3）化學(xué)法——熱還原法（大部分活潑金屬）
常用還原劑：C、H2 、CO、 活潑金屬
高爐煉鐵：H2還原氧化銅：
1、鎂條劇烈燃燒2、氧化鐵與鋁粉發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，放出耀眼的白光，火星四射3、漏斗下部燒穿，有熔融物落入細(xì)沙中
2、反應(yīng)原理(以鋁和氧化鐵反應(yīng)為例)：Fe2O3＋2Al 2Fe＋Al2O3，實(shí)驗(yàn)如圖。
1、定義：鋁與某些難熔金屬氧化物(如Fe2O3、Cr2O3、MnO2等)在高溫條件下發(fā)生的置換反應(yīng)稱為鋁熱反應(yīng)。
3、現(xiàn)象：（1）鎂條劇烈燃燒（2）氧化鐵與鋁粉發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，放出耀眼的白光，火星四射（3）漏斗下部燒穿，有熔融物落入細(xì)沙中
鋁粉 + 金屬氧化物 (V2O5 Cr2O3 MnO2 FexOy等)
注意：只有Al和比Al活動(dòng)性弱的金屬形成的氧化物組成的混合物才能稱之為鋁熱劑。
點(diǎn)燃鎂條，促使氯酸鉀分解，釋放出氧氣，使鎂條更劇烈燃燒，單位時(shí)間內(nèi)放出更多熱量，從而引發(fā)Al和Fe2O3發(fā)生反應(yīng)。
想一想：能否利用鋁熱反應(yīng)制取鎂？
（1)鋁熱反應(yīng)需要高溫條件，是否還需要持續(xù)加熱？（2)實(shí)驗(yàn)中，鎂條、氯酸鉀的作用是什么? （3)蒸發(fā)皿中鋪少量細(xì)沙的作用是什么？
防止蒸發(fā)皿炸裂，防止熔融的液體濺出傷人
5、反應(yīng)特點(diǎn)：在高溫下進(jìn)行，反應(yīng)迅速并放出大量的熱，新生成的金屬單質(zhì)呈熔融態(tài)且易與Al2O3(固態(tài))分離。
【討論1】回憶如何制備金屬鈉？
適合冶煉活動(dòng)性很強(qiáng)的金屬K~Al（排在Zn前）
消耗大量的電能，成本較高
【討論2】這種方法適用于什么類型的金屬的冶煉？
【討論3】用這種方法冶煉金屬有什么缺點(diǎn)？
(4)電解法——適用于很活潑的金屬（K Ca Na Mg Al ）
①制Mg：______________________。②制Al：_______________________。③制Na：_______________________。
注：①“熔融” 而不是水溶液。②必須是離子化合物，共價(jià)化合物熔融不導(dǎo)電。
思考：冶煉金屬鋁時(shí)為啥要定期更換碳素電極？
高溫下，碳會(huì)被氧氣氧化
【思考2】能否電解飽和的氯化鈉溶液來制取鈉？
Na3AlF6 降低氧化鋁的熔點(diǎn)
【思考1】已知有關(guān)物質(zhì)的熔沸點(diǎn)數(shù)據(jù)如下表:
參考上述數(shù)據(jù)填空和回答問題.(1)工業(yè)上為什么常用電解熔融MgCl2的方法生產(chǎn)金屬鎂,而不用電解MgO的方法生產(chǎn)鎂?
(2)工業(yè)上為什么常用電解Al2O3冰晶石熔融混合物的方法生產(chǎn)金屬鋁,而不用電解AlCl3的方法生產(chǎn)鋁?
因?yàn)镸gO的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于MgCl2,所以電解熔融的MgO需要更多的能量,更高的溫度,成本更高。
從表中可以發(fā)現(xiàn),AlCl3的熔點(diǎn)很低,且沸點(diǎn)比熔點(diǎn)低,易升華; 是共價(jià)化合物，熔融時(shí)不存在離子,不能導(dǎo)電,故不能被電解。??
（3）常用電解Al2O3為什么加冰晶石？
（2）濕法煉銅
拓展視野之二——銅的冶煉
用礦(硫化礦，主要成分為Cu2S)二百五十籮……入大旋風(fēng)爐，連烹(灼燒) 三日三夜，方見成銅。 ——明·陸容《菽園雜記》
CuO + H2SO4 == CuSO4 + H2O
CuSO4 + Fe == Cu + FeSO4
（3）火法煉銅
2CuFeS2→Cu2S+2FeS+S
Cu2O+FeS→Cu2S+FeO
Cu2S+O2 == 2Cu+SO2
難揮發(fā)性物質(zhì)制備易揮發(fā)性的物質(zhì)
利用細(xì)菌將礦石分化得到銅
拓展視野之三——鉀的冶煉
(1)在自然界中金屬元素都以化合態(tài)的形式存在(　　)(2)利用化合物冶煉金屬時(shí)，金屬元素一定發(fā)生還原反應(yīng)(　　)(3)越活潑的金屬元素，人類利用的越晚(　　)(4)用熱還原法冶煉金屬時(shí)，可以用H2將Mg從化合物中還原出來(　　)(5)鋁熱反應(yīng)的本質(zhì)是用鋁將比鋁活潑性弱的金屬從其化合物中置換出來( )(6)可以通過電解飽和食鹽水的方法獲取金屬鈉(　　)(7)可以通過電解熔融的MgO和AlCl3來制備金屬M(fèi)g、Al(　　)
2.冶煉金屬常用以下幾種方法：①以C或H2、CO作為還原劑還原法 ；②熱分解法 ；③電解法 ；④鋁熱法。現(xiàn)冶煉下列金屬：Al、Mg、Cu、Hg、Mn，試標(biāo)明適宜的冶煉方法。 Al： ；Mg： ；Cu： ； Hg： ；Mn： 。
思考：地殼中含量最多的金屬元素是什么？鋁元素在地殼中主要以鋁土礦（主要成分是Al2O3和SiO2、Fe2O3等）的形式存在，那么如何從鋁土礦中提取鋁呢？
采礦→礦石富集→金屬冶煉→精煉
除雜,提高礦石中有用成分的含量
啟示1:從鋁土礦制鋁消耗的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于回收鋁質(zhì)飲料罐得到鋁消耗的能量，可知在實(shí)際生產(chǎn)過程中必須考慮投入與產(chǎn)出，要考慮成本。
啟示2:加強(qiáng)度舊金屬的回收和再利用是合理開發(fā)和利用金屬資源的重要途徑。要樹立金屬垃圾也是一種寶貴資源的理念。在日常生活中，要大力倡導(dǎo)金屬垃圾的分類回收和再利用，養(yǎng)成自覺珍惜自然資源、節(jié)約資源、愛惜環(huán)境和保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。
啟示3:實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，從金屬礦物到純凈金屬的冶煉過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，往往涉及許多其他物質(zhì)和反應(yīng)，在得到所需產(chǎn)品的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生廢棄物。因此必須考慮廢棄物的處理和生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響，形成綠色化學(xué)觀念和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。
鉛、鋅、銻金、銅、鐵汞等
銅、鉛、鋅、金、銀、鐵、錳等
鐵礦、重晶石、石灰石等
閱讀課本P99第一自然段思考：為什么要合理開發(fā)和利用金屬礦物資源？如何有效利用金屬礦物?
(1)_________________________；(2)開發(fā)環(huán)保高效的金屬冶煉方法；(3)________________________；(4)_______________________________；(5)使用其他材料代替金屬材料。
提高金屬礦物的利用率
加強(qiáng)廢舊金屬的回收和再利用
四、合理開發(fā)和利用金屬資源的原因及途徑
（1）資源有限且分布不均
（2）金屬的冶煉消耗許多能量
（3）金屬冶煉造成環(huán)境污染
（4）金屬腐蝕造成大量損失
一、金屬元素在自然界中的存在形式
二、金屬的冶煉原理及步驟
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
四、合理開發(fā)和利用金屬礦物資源
1.鋁能用于冶煉難熔的金屬(如Cr、V、Mn等)，這不是因?yàn)椋? ）A.鋁具有還原性 B.鋁具有導(dǎo)電性C.鋁較Cr、V、Mn等價(jià)格便宜 D.冶煉反應(yīng)放出大量的熱
2.在熔融狀態(tài)下 可用Na與KCl反應(yīng)制金屬K，Na+KCl=K+NaCl。調(diào)整合適的溫度，可以分離出K單質(zhì)。已知四種物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)如下：
根據(jù)上表數(shù)據(jù)，用Na與KCl反應(yīng)制K的適宜溫度是(　　)A．97.8～770 ℃ B．770～774 ℃ C．774～882.9 ℃ D．1 413～1 500 ℃
4.在冶金工業(yè)上,①均能用熱還原法制得的一組金屬是(　　)。Na、Mg、Al B. Na、Zn、Fe C. Zn、Fe、Cu D. Mg、Al、Zn、Fe②常采用電解法冶煉的金屬是（ ）A.Fe B.Cu C.Al D.Ag③可用熱分解法就可能制得的金屬有（ ）A. Cu Zn B. Ca K C. Ag Hg D. Na Al
3.已知一些金屬的發(fā)現(xiàn)和使用與其金屬活動(dòng)性有著必然的聯(lián)系。據(jù)此推測(cè)，下列事件發(fā)生在鐵器時(shí)代之前的是（ ）A.金屬鈉的使用 B.青銅器的大量使用C.海水提鎂 D.鋁熱法制鉻
5、鋁土礦的主要成分是Al2O3和SiO2、Fe2O3等。因此從鋁土礦中提Al2O3的流程可以設(shè)計(jì)成兩種方案。
上述過程殘?jiān)统恋淼幕瘜W(xué)式分別為_______、 _______前后濾液的主要陽離子的符號(hào)分別為_______________、_______寫出該過程①②離子方程式分別為①___________________________________________________________________ ② ；
a．酸溶法的工藝流程：
AlO2-＋2H2O＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO3-
Al3+ Fe3+
Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O
Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O
上述過程殘?jiān)统恋淼幕瘜W(xué)式分別為_______、_______前后濾液的主要陽離子的符號(hào)分別為_______、_______寫出該過程①②離子方程式分別為__________________________________________________________________________________________；反應(yīng)③的化學(xué)方程式_______________________________
b．堿溶法的工藝流程：
SiO2＋2OH－===SiO32-＋H2O

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