开发利用矿物资源和海水

开发利用金属矿物和海水资源

知识点一 金属矿物的开发和利用

1．金属在自然界中存在的形态

除了____、____等极少数金属外，绝大多数金属以______的形式存在于自然界中。在这些金属化合物中，金属元素都显____化合价。

2．金属冶炼的实质

使金属化合物中的金属离子____电子被________为金属单质的过程：M n ＋n e ===M。

＋

－

3．金属冶炼的一般步骤

4．金属冶炼方法 (1)热分解法

例如：2HgO 2→Hg ＋O 2↑，2Ag 2O →4Ag ＋O 2↑。

用热分解冶炼法冶炼金属的特点是金属元素的金属性____，金属元素的原子________失去电子，其金属离子________得到电子，该金属元素所形成的化合物稳定性________。

(2)热还原法冶炼金属

①焦炭还原法。例如：C 还原ZnO 、CuO ，其化学方程式依次为

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②一氧化碳还原法。例如：CO 还原Fe 2O 3、CuO ，其化学方程式依次为

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③氢气还原法。例如：H 2还原WO 3、Fe 3O 4，其化学方程式依次为

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ④活泼金属还原法。例如：Al 还原Cr 2O 3、V 2O 5，其化学方程式依次为

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 做铝热反应实验时，铝热剂是指__________________________________。镁条和KClO 3

的作用是____________________。反应时的现象是____________________。常用铝热反应冶

炼________________的金属。

可用热还原法冶炼的金属，其金属性________，金属在常见金属活动性顺序表中居于________区域。

(3)电解法冶炼金属

例如：Al 2O 3、MgCl 2、NaCl 的电解反应，其化学方程式依次为

________________________________________________________________________； ________________________________________________________________________； ________________________________________________________________________。 问题思考

1．能否用电解AlCl 3和MgO 的方法冶炼Al 、Mg?

2．铝是地壳中含量最高的金属元素，为什么人类对铝的使用比铁、铜晚的多？

知识点二 海水资源的开发利用

海水资源的利用主要包括海水水资源的利用和海水化学资源的利用。 1．海水水资源的利用

海水淡化的方法主要有________、__________、________等。

3．为什么开发利用海水资源前景广阔？

2．海水化学资源的开发利用 (1)氯碱工业

海水→NaCl________、________、________。

电解饱和NaCl 溶液的方程式为

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)海水提镁

CaO 海水2________(溶液)MgCl 2·6H 2O →________Mg、Cl 2

(过滤)(3)海水提溴

海水(酸化)________――→――→________________(液) 。 吹出吸收问题思考

4．写出海水中提取镁的离子方程式。

一、金属冶炼方法与金属活动性的关系

1．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系(见下表)

空气、水蒸气SO 2

2. 2金属一般用较廉价的焦炭或CO 还原，纯度要求高的一般用H 2还原，而对于一些难熔的稀有金属一般需要用铝还原，该反应叫做铝热反应。

铝热反应的特点：①高温条件；②剧烈燃烧，放出大量的热；③新生成的液态金属单质易与Al 2O 3(固态) 分离。

典例导悟1 (2011·郑州质检) 氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼，下列说法不正确的是( )

A ．电解熔融氯化钠制取金属钠的反应中，钠离子被还原，氯离子被氧化 B ．湿法炼铜与火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应

C ．用磁铁矿炼铁的反应中，1 mol Fe3O 4被CO 还原成Fe ，转移9 mol e D ．铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化

二、海洋资源的开发利用 1．海水淡化

(1)海水淡化途径：通过从海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去。 (2)海水淡化的方法及其特点

海水淡化的方法主要有蒸馏法(如图所示) 、电渗析法、离子交换法等。其中蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较完善，但成本较高。

－

(3)原理：水的沸点低，蒸馏时水汽化，而其他物质沸点高，不能汽化，水蒸气冷却得到淡水。

(4)注意事项

①烧瓶内加少量碎瓷片以防暴沸。 ②冷凝水流向是低进高出。

典例导悟2 如果实行海水淡化来供应居民饮用水，下列方法中在原理上完全不可行的是( )

A ．加明矾使海水中的盐沉淀出来而淡化 B ．利用太阳能使海水升温，通过蒸馏而使其淡化 C ．将海水缓慢降温凝固以获取淡水

D ．将海水通过离子交换树脂以除去各种离子

2．海水中镁的提取 (1)流程

(2)有关反应的化学方程式

MgCl 2＋Ca(OH)2===Mg(OH)2↓＋CaCl 2 Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H 2O MgCl 2·6H 2O=====MgCl 2＋6H 2O ↑ △MgCl 2(熔融)Mg ＋Cl 2↑

典例导悟3 海水是镁的主要来源之一，从海水中提取金属镁的主要生产步骤有：①浓缩结晶 ②加熟石灰 ③加盐酸 ④过滤 ⑤熔融电解

(1)正确的生产顺序是______________。

(2)以上提取镁的全过程中，没有涉及的化学反应类型是________(填序号) 。

A ．分解反应 B ．化合反应 C ．置换反应 D ．复分解反应 (3)下列关于提取镁的说法中，不正确的是________(填序号) 。 A ．此法的优点之一是原料来自大海 B ．进行①②③步骤的目的是富集MgCl 2 C ．常用电解熔融氧化镁的方法制取镁 D ．电解冶炼镁要消耗大量电能

3．海水中溴的提取

(1)工艺流程：海水――→ ――→ Br 2(l) 杂质氧化(2)原理

①用________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，离子方程式是________________________________________________________________________。

③向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸气，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：Br 2＋SO 2＋2H 2O===_____________________________________ ___________________________________。

④向吸收塔内溶液中通入适量的氯气：

2HBr ＋Cl 2===___________________________________________________________

除去悬浮

氧化剂

HCl

________。

⑤用四氯化碳(或苯) 萃取吸收塔内溶液中的溴单质。 ⑥若要得到纯净的液溴，采用的分离方法是________。

4．海带中碘的提取 (1)流程

(2)主要化学原理：Cl 2＋2KI===2KCl＋I 2。

典例导悟4 (2011·山东荣成模拟) 海带中含有丰富的碘。为了从海带中提取碘，某研究性学习小组设计并进行了以下实验：

请填写下列空白：

(1)步骤①灼烧海带时，除需要三脚架外，还需要用到的实验仪器是______________(从下列仪器中选出所需的仪器，用标号字母填写在空白处) 。

A ．烧杯 B ．坩埚 C ．表面皿 D ．泥三角 E ．酒精灯 F ．干燥器 (2)步骤③的实验操作名称是______；步骤⑥的目的是从含碘苯溶液中分离出单质碘和回收苯，该步骤的实验操作名称是________。

(3)步骤④反应的离子方程式是

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)步骤⑤中，某学生选择用苯来提取碘的理由是

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)请设计一种检验提取碘后的水溶液中是否还含有单质碘的简单方法：

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

习题

1．(2009·广东，2) 广东正在建设海洋强省。下列说法不正确的是( ) A ．从海带中提取碘单质的过程涉及氧化还原反应

B ．往淡水中加入NaCl 等配成人造海水，可用于海产品的长途运输 C ．赤潮主要是由工农业生产和生活废水引起沿海水域的富营养化而造成的 D ．海洋经济专属区的资源开发可获得Fe 、Co 、K 、Au 、Mg 、B 等金属

2．(2009·天津理综，9) 海水是巨大的资源宝库，在海水淡化及综合利用方面，天津市位居全国前列。从海水中提取食盐和溴的过程如下：

(1)请列举海水淡化的两种方法：__________________、________________。

(2)将NaCl 溶液进行电解，在电解槽中可直接得到的产品有H 2、________________、__________________或H 2、__________________。

(3)步骤Ⅰ中已获得Br 2，步骤Ⅱ中又将Br 2还原为Br ，其目的为

________________________________________________________________________。 (4)步骤Ⅱ用SO 2水溶液吸收Br 2，吸收率可达95%，有关反应的离子方程式为________________________________________________________________________，

由此反应可知，除环境保护外，在工业生产中应解决的主要问题是

________________________________________________________________________。 (5)某化学研究性学习小组为了解从工业溴中提纯溴的方法，查阅了有关资料：Br 2的沸点为59℃，微溶于水，有毒性和强腐蚀性。他们参观生产过程后，绘制了如下装置简图：

－

请你参与分析讨论： ①图中仪器B 的名称：

________________________________________________________________________。

②整套实验装置中仪器连接均不能用橡胶塞和橡胶管，其原因是

________________________________________________________________________。 ③实验装置气密性良好，要达到提纯溴的目的，操作中如何控制关键条件： ________________________________________________________________________。 ④C 中液体产物颜色为________________。为除去该产物中仍残留的少量Cl 2，可向其中加入NaBr 溶液，充分反应后，再进行的分离操作是__________________。

题组一 金属的冶炼

1．在理论上我们可以用电解熔融KCl 的方法来制备金属钾，而实际上我们不用此法制备钾，而用熔融状态下的KCl 与Na 反应并及时抽走钾蒸气的方法制备钾，可能的原因是(双选)( )

A ．钾难溶于熔融的钾盐中 B ．钾蒸气易逸出但不会污染环境

C ．钾被氧化后的产物与K 作用具有爆炸性 D ．抽走钾的蒸气有利于钠与熔融的KCl 反应 2．下列化工生产原理错误的是( ) A ．可以电解熔融的氯化钠来制取金属钠 B ．不能将钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁 C ．用电解法冶炼铝时，原料是氯化铝

D ．炼铁时高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热。

3．冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法；②水煤气(氢气或一氧化碳) 法；③活泼金属置换法；④电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有(Ⅰ) 火烧孔雀石炼铜；(Ⅱ) 湿法炼铜；现代有(Ⅲ) 铝热法炼铬；(Ⅳ) 从光卤石中炼镁。对它们的冶炼方法的分析不正确的是( )

A ．(Ⅰ) 用① B ．(Ⅱ) 用② C ．(Ⅲ) 用③ D ．(Ⅳ) 用④ 题组二 海水资源的开发利用

4．从海藻灰中提取碘的方法是：往海藻灰浸取液中通入Cl 2后用升华的方法将置换出的碘提纯。但浸取液中通入Cl 2时会生成少量性质类似于Cl 2的ICl 和IBr ，为了消除这两种杂质，使其中的碘完全游离出来，可加入适量的( )

A ．CaO B ．KI C ．H 2O D ．酒精 5．(2011·长春质检) 从海水中可以提取溴，主要反应为2Br ＋Cl 2===Br2＋2Cl ，下列说法正确的是( )

A ．溴离子具有氧化性

－

－

B ．氯气是还原剂 C ．该反应属于复分解反应 D ．氯气的氧化性比溴单质强

6．下列关于海水淡化的叙述中不正确的是( )

A ．蒸馏法淡化海水(图甲) 原理简单，但消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水

B ．利用太阳能蒸发海水(图乙) 是一种环境友好、节约能源的好方法，也是一种古老的方法

C ．利用海水淡化产生的高浓度的卤水来提取有用物质，是海水利用的基本思路 D ．研制高性能的渗透膜来提高海水淡化效率，最终实现海水自动转化为淡水

题组三 化工工艺流程

7．假如你是一位企业家，在众多开发海水资源的项目中，选择了海水提镁，在前期考察过程中你将遇到许多问题，请根据背景材料的提示，按要求完成相关问题：

背景材料1：下表所示为海水中各元素含量情况(mg·L 1) 。

－

背景材料2(1)在海水提镁的过程中要实现对镁离子的富集、分离，有以下三个方案： 方案一：直接往海水中加入沉淀剂； 方案二：加热蒸发海水再加入沉淀剂； 方案三：在晒盐后的卤水中加入沉淀剂。

你认为方案________最合理。 不选方案________的理由是

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 不选方案________的理由是

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)应该选择________试剂作为镁离子的沉淀剂。不考虑其他费用，沉淀相同量的镁离子所用氢氧化钠和氧化钙的价格比为__________。

(3)为了节省成本，拟考虑以海边上的贝壳为原料，试简述其理由

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

开发利用金属矿物和海水资源课后练习题

1．(2010·大连市期末) 全球变暖给我们敲响了警钟，地球正面临巨大的挑战。下列说法不正确的是( )

A ．推广“低碳经济”，减少温室气体的排放

B ．推进小火力发电站的兴建，缓解地方用电困难，促进地方经济的快速发展

C ．推广“绿色自由”计划，吸收空气中的CO 2并利用廉价能源合成汽油 D ．利用晶体硅制作的太阳能电池可将太阳能直接转化为电能 2．下列说法正确的是( )

A ．有些活泼金属如铝可用作热还原法的还原剂 B ．用电解NaCl 溶液的方法来冶炼金属钠

C ．可用焦炭或一氧化碳还原氧化铝的方法来冶炼铝 D ．回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物

3．海水淡化可采用膜分离技术。如图所示，对淡化膜右侧的海水加压，水分子可以透过淡化膜进入左侧淡水池，而海水中其他各种离子不能通过淡化膜，从而得到淡水。对加压后右侧海水成分变化分析正确的是( )

A ．溶质质量增加 B ．溶剂质量减少

C ．溶液质量不变 D ．溶质质量分数减小

4．下列各种冶炼方法中，可制得相应金属的是( )

A ．加热Al 2O 3 B ．加热CaCO 3

C ．电解熔融NaCl D ．氯化钠与铝粉高温共热

5．下列说法正确的是( )

A ．使元素由化合态转化成游离态的过程就是还原的过程

B ．高炉炼铁的原料有铁矿石、焦炭和空气，工业上就是用焦炭还原铁矿石以制得生铁

C ．电解熔融氧化铝时，每还原出1 kg铝，必有111 mol电子转移

D ．工业上常用电解NaCl 水溶液的方法制取金属钠

6．从海水中提取金属镁的生产步骤有：①浓缩结晶 ②加熟石灰 ③加盐酸 ④过滤 ⑤熔融电解，正确的生产顺序是( )

A ．①②③④⑤ B ．⑤④③①②

C ．②④③①⑤ D ．③④②①⑤

7．钾是一种非常活泼的金属，易与氧气反应生成超氧化钾(KO2) ，KO 2具有很强的氧化性可与钾反应而发生爆炸。在理论上我们可以用电解熔融的KCl 的方法来制备金属钾，而实际我们不用此法制备钾，而用熔融状态下的KCl 与Na 反应并及时抽走钾蒸气的方法制备钾，可能的原因有以下四种，其中正确的是

( )

①钾易溶于熔融的钾盐中；②钾蒸气易逸出而污染环境；③钾被氧化后的产物与钾反应具有爆炸性；④抽走钾蒸气时有利于钠与熔融的KCl 反应

A ．全部 B ．①③

C ．①④ D ．②④

8．北京奥运会“水立方”游泳池中的水主要是通过砂滤、臭氧和活性炭来净化的，下列有关说法不正确的是( )

A ．砂滤是利用过滤原理除去水中较大的固体颗粒

B ．臭氧可以消毒杀菌是因为臭氧有强氧化性

C ．活性炭可以吸附水中悬浮的杂质

D ．游泳池水中的臭氧浓度越大越好

9．用铝热法还原下列氧化物，制得金属各1 mol，消耗铝最少的是( )

A ．MnO 2 B ．WO 3

C ．Cr 2O 3 D ．Co 3O 4

10．在实验室里用铁屑、氧化铜、稀硫酸为原料制取铜，有下列两种途径：

H 2SO 4CuO

(1)Fe――→H 2――→Cu

H 2SO 4Fe

(2)CuO――→CuSO 4――→Cu

若用这两种方法制得的铜质量相等，则下列有关说法符合实际情况的是

( )

A ．消耗氧化铜的质量相同

B ．消耗铁的质量相同

C ．消耗硫酸的质量相同

D ．生成硫酸亚铁的质量不同

11．海藻中含有丰富的碘元素(以I －形式存在) 。实验室中提取碘的流程如下： 灼烧浸泡①

海藻――→海藻灰――→悬浊液――→含I －的溶液

②③――→含I 2溶液――→碘的有机溶液―→晶体碘

适量Cl 2

(1)在虚线框内画出实验操作①的仪器装置示意图。实验操作③的名称是__________，所用主要仪器名称为__________。

说明：实验装置中仪器用下面方法表示。铁架台、连接胶管等不必画出，如需加热，在仪器下方用“△”表示。下列图示均为玻璃仪器，应标清液面或固体可视界面。

(2)提取碘的过程中，可供选择的有机试剂是__________(填序号) 。

A ．酒精(沸点78 ℃) B ．四氯化碳(沸点77 ℃)

C ．甘油(沸点290 ℃) D ．苯(沸点80 ℃)

(3)在操作②中，溶液中生成少量ICl ，为消除此杂质，使碘全部游离出来，应加入适量(填序号)__________溶液，反应的离子方程式为______________________。

A ．KIO 3 B ．HClO

C ．KI D ．Br 2

(4)为使从含碘有机溶液中提取碘并回收溶剂顺利进行，采用水浴加热蒸馏(如图所示) 。

请指出图中实验装置中错误之处(有几处填几处，下列空白可不填满，也可补充) 。

①____________________________，

②____________________________，

③____________________________，

④____________________________。

(5)实验中使用水浴的原因是_______________________，最后晶体碘聚集在__________(填仪器名称) 中。

12．海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如图所示：

(1)若在空气中加热MgCl 2·6H 2O ，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MgCl 2·6H 2O 时，能得到无水MgCl 2，其原因是__________。

(2)Mg(OH)2沉淀中混有的Ca(OH)2应怎样除去？写出实验步骤________________________________。

13．海洋中有大量宝贵资源。被称为“海洋元素”的溴，其工业制法为把海水浓缩得盐卤。然后加热到363 K，控制pH 为3.5，通入氯气把溴置换出来，然后用一种气体X 把溴吹出，再用纯碱溶液吸收，这时，溴转化为溴离子和溴酸根，最后用硫酸酸化，单质溴可从溶液中析出。

(1)把溴吹出的气体X ，最可能用下面的________(填序号) 。

A ．乙烯 B ．空气

C ．氩气 D ．CO 2

(2)某同学对上述工艺提出改进意见，认为氧化后直接用有机溶剂萃取出溴即可，你认为其建设是否合理。________(填“是”或“否”) ，并说出理由

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)提取溴的工厂往往会因为溴的挥发而造成空气污染，某实验小组准备测定工厂的空气中溴的含量，提供乙醇溶液、蒸馏水、饱和Na 2SO 3溶液、饱和NaBr 溶液，请你为他们设计收集一瓶工厂的空气的方法________________________________。

(4)纯碱溶液吸收溴的化学方程式为

______________________________。硫酸酸化得到单质溴的离子方程式为

______________________________。

(5)工业上曾用惰性电极电解盐卤的方法来获取溴，当用惰性电极电解MgBr 2溶液时，除得到溴之外，同时还能得到的产品是________。

14．以氯化钾和钛白厂的副产品硫酸亚铁为原料生产硫酸钾、过二硫酸铵和氧化铁红颜料，原料的综合利用率较高。其主要流程如下：

(1)反应Ⅰ前需在FeSO 4溶液中加入________(填字母) ，以除去溶液中的Fe 3＋。

A ．锌粉 B ．铁屑

C ．KI 溶液 D ．H 2

(2)反应Ⅰ需控制反应温度低于35℃，其目的是

________________________________________________________________________。

(3)工业生产上常在反应Ⅲ的过程中加入一定量的醇类溶剂，其目的是______________________。

(4)反应Ⅳ常被用于电解生产(NH4) 2S 2O 8(过二硫酸铵) 。电解时均用惰性电极，阳极发生的电极反应可表示为________。

11. 答案：(1) 萃取分液 分液漏斗

(2)B、D

－－(3)C ICl ＋I ===Cl＋I 2

(4)①缺石棉网 ②温度计插到了液体中 ③冷凝管进出水方向颠倒

(5)有机溶剂沸点较低，水浴加热可控制温度不致过高，避免碘蒸气进入冷凝管，且可使蒸馏烧瓶受热均匀 蒸馏烧瓶

△12. 答案：(1)MgCl2·6H 2O=====Mg(OH)Cl＋HCl ↑＋5H 2O ↑，

△△MgCl 2·6H 2O=====MgO ＋2HCl ↑＋5H 2O ↑(或Mg(OH)Cl=====

MgO ＋HCl ↑)

在干燥的HCl 气流中，抑制了MgCl 2水解，且带走MgCl 2·6H 2O 受热产生的水蒸气，故能得到无水MgCl 2

(2)加入MgCl 2溶液，充分搅拌、过滤、沉淀用水洗涤(答案不惟一，合理即可)

13. 答案：(1)B (2)否 需大量萃取剂，污染大，利用率低

(3)把装满饱和NaBr 溶液的试剂瓶带到工厂，在工厂内把其中的液体全部倒出，然后加盖密封

(4)3Br2＋3Na 2CO 3===5NaBr＋NaBrO 3＋3CO 2↑

－＋－5Br ＋6H ＋BrO 3===3Br2＋3H 2O

(5)Mg(OH)2和H 2

14. 答案：(1)B

(2)防止NH 4HCO 3分解(或减少Fe 2＋的水解)

(3)降低K 2SO 4的溶解度，有利于K 2SO 4析出

2－2－(4)2SO4－2e －===S2O 8