第八章化學與可持續發展人教版高中化學必修第二冊第一節自然資源的開發應用第1課時金屬礦物的開發利用

金屬礦物海水資源化石燃料法國皇帝拿破侖三世是一個奢靡的人，同時也喜歡炫耀自己。他常常大擺宴席，宴請天下賓客。每次宴會，餐桌上的用具幾乎全是用銀制成的，唯有他自己用的那一個碗卻是鋁制品。為什么貴為法國皇帝，卻不用高貴而亮麗的銀碗，而用色澤要暗得多的鋁碗呢?《拿破侖的鋁碗》任務一

金屬材料的發展歷史1.金屬元素的存在黃銅礦赤鐵礦鋁礦錳礦鎢礦自然金自然銀自然銅自然鐵(1)極少數的不活潑金屬(金、鉑等)以游離態的形式存在。(2)絕大多數金屬以化合物的形式存在。(3)在地殼中，含量最高的金屬元素是鋁，其次是鐵。2.金屬材料的發展歷史任務一

金屬材料的發展歷史1)從古到今的社會發展：數字時代（硅）原始社會

奴隸社會農業社會現代社會未來社會石器時代青銅器時代鐵器時代合金時代（鋼、鋁、鈦等）2)對應的材料發展：KCaNaMgAlZnFeSnPbCuHgAgPtAu約200年前約3000年前鐵器時代約5000年前青銅時代約10000年前金屬在自然界中的存在狀態和金屬的活潑性。問題：金屬在歷史上出現的時間和哪些因素有關呢？任務二

金屬材料的冶煉方法根據歷史文獻記載，總結下列有關金屬的冶煉方法：朝代利用礦物

歷史記載的材料冶煉方法夏朝金礦“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金”東晉硫化汞礦煉丹家葛洪《抱樸子》“丹砂(HgS)燒之成水銀”。西漢硫酸銅礦西漢劉安《淮南萬畢術》“曾青得鐵則化為銅”。商朝孔雀石礦Cu2(OH)2CO3西漢賈誼《鵬鳥賦》且夫天地為爐兮，造化為工；陰陽為炭兮，萬物為銅。戰國赤鐵礦《秋浦歌》爐火照天地，紅星亂紫煙。物理富集法熱分解法濕法煉銅熱還原法熱還原法2HgS+3O2=2HgO+2SO2加熱Fe+CuSO4=Cu+FeSO42CuO+C=2Cu+CO2↑Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2↑高溫高溫火約200年前火法煉銅任務二

金屬材料的冶煉方法問題：濕法煉銅的本質是利用鐵與銅鹽溶液置換出金屬銅（Fe+CuSO4=Cu+FeSO4）。舉例說明金屬在非水溶液體系中也存在的置換反應嗎？鋁熱反應的應用：早期應用于野外鐵軌焊接；2.冶煉難熔金屬如鎢、鉻、錳等。鋁熱反應：2Al+Fe2O3=2Fe+Al2O3高溫Na(l)+KCl=K(g)+NaCl高溫約850℃時反應,鉀沸點比鈉低,鉀以氣體形式離開反應體系,平衡就不斷右移。引燃劑助燃劑鋁熱劑：蒸發皿中鋪少量細沙的作用：1、防止蒸發皿炸裂；2、防止生成的熔融物濺出。鋁和比鋁活潑性弱的金屬的氧化物組成的混合物。任務二

金屬材料的冶煉方法人類歷史冶煉金屬時間表：金屬元素符號冶煉時間冶煉原理冶煉條件金Au前6000年物理富集、篩選法銀Ag前5000年熱分解法400℃汞Hg前3000年熱分解法500℃銅、錫Cu、Sn前5000年800℃1200℃鐵Fe前2500年鋅Zn1746年鋁Al1827年鎂、鈣Mg、Ca1808年鈉、鉀Na、K1807年熱還原法漢弗萊·戴維(H.Davy，1778-1829)？1807年戴維用電解的方法得到鈉、鉀，1808年又電解得到鎂、鈣、鍶、鋇。電解法任務二

金屬材料的冶煉方法19世紀初，戴維成功地利用電化學方法從KOH、NaOH中制得K、Na，他也從開始嘗試氧化鋁中提取鋁。氧化鋁高溫熔融液態氧化鋁電解鋁問題：氯化鋁熔點比氧化鋁低得多，工業上為什么不采用電解氯化鋁來制備鋁呢？物質Al2O3AlCl3熔點2015℃195℃制取流程：氯化鋁是分子晶體，在熔融狀態下不導電！2Al2O3(熔融)=4Al+3O2↑電解冰晶石MgCl2(熔融)=Mg+Cl2↑電解CaCl2(熔融)=Ca+Cl2↑電解2NaCl(熔融)=2Na+Cl2↑電解2KCl(熔融)=2K+Cl2↑電解任務二

金屬材料的冶煉方法KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu活潑電解法(氧化物、氯化物)較活潑熱還原法(C、CO、H2、Al等)不活潑熱分解法(氧化物)物理方法釩、鉻、錳、鈷很穩定金屬的冶煉實質

冶煉金屬的實質是用還原的方法使金屬化合物中的金屬離子得到電子變成金屬單質。（化合態）Mn+得電子M（游離態）（被還原）任務二

金屬材料的冶煉方法問題：如何從鋁土礦(主要成分為Al2O3還有雜質Fe2O3、MgO、SiO2等)中獲得鋁單質？途徑一先酸后堿Al2O3Fe2O3SiO2Al3+、Fe3+Fe(OH)3AlO2-Al(OH)3加HCl后過濾SiO2Al2O3加NaOH后過濾過量CO2灼燒電解AlAl2O3+6HCl=2AlCl3+3H2OAlCl3+4NaOH=NaAlO2+3NaCl+2H2OFeCl3+3NaOH=Fe(OH)3↓+3NaClHCl+NaOH=NaCl+H2OFe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2ONaAlO2+H2O+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3NaOH+CO2=NaHCO3Al(OH)3Al2O3+3H2O加熱Al2O3(熔融)

4Al+3O2電解核心思路：除雜提取出純凈的氧化鋁再電解任務二

金屬材料的冶煉方法問題：如何從鋁土礦(主要成分為Al2O3還有雜質Fe2O3、MgO、SiO2等)中獲得鋁單質？途徑二先堿后酸Al2O3Fe2O3SiO2AlO2-、SiO3-H2SiO3Al3+Al(OH)3NH3?H2O加NaOH后過濾Fe2O3Al2O3加HCl后過濾灼燒電解AlAl2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2OSiO2+2NaOH=NaSiO3+H2ONa2SiO3+2HCl=H2SiO3↓+2NaClNaAlO2+4HCl=NaCl+AlCl3+2H2ONaOH+HCl=NaCl+H2OAlCl3+3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4ClHCl+NH3·H2O=NH4Cl+H?OAl(OH)3Al2O3+3H2O加熱Al2O3(熔融)

4Al+3O2電解核心思路：除雜提取出純凈的氧化鋁再電解任務二

金屬材料的冶煉方法無機工業制備流程的主要設計模型原料原料預處理

核心化學反應反應條件的控制目標產物產品的分離與提純原料的循環利用排放物的無害化處理規律：“主線主產品，分支副產品，回頭為循環。”任務三

金屬礦物的合理開發與利用問題：計算表明，生產1mol鋁消耗的電能至少為1.8×106J，回收鋁質飲料罐得到鋁與從鋁土礦制鋁相比較，前者的能耗僅為后者的3%~5%。通過對上述數據的分析與比較，結合書本P99的圖8-1