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第四章第一节矿物、海水利用


§4-1开发利用金属矿物和海水资源

一、金属矿物的开发和利用 金属活动性顺序
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 金属活动性由强逐渐减弱

你能否给金属的冶炼下一个定义?

金属元素种类多,分布广,活动性差别大,在自 然界的存在形式各异,少数不活泼金属

以游离态存在 (如金和铂等),多数金属以化合态存在。人们在生 活和生产中使用的金属材料多是合金或纯金属,这就 需要把金属从矿石中提炼出来,提炼的过程就是金属 元素还原过程。 金属的冶炼的步骤: 矿石的富集、冶炼、精炼
冶炼金属的实质是用还原的方法使金属化合物中的金 属离子得到电子变成金属原子。 M n+ 得电子 M(被还原)

金属冶炼的方法

冶炼金属的方法
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 1、物理提取法: 适用于极不活泼的金属——Pt、Au K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 2、热分解法(适合一些不活泼金属) 加热

2HgO === 2Hg + O2 ↑
加热

2Ag2O === 4Ag + O2 ↑

K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 2、电解法(适合一些非常活泼金属) 电解

MgCl2 (熔融) === Mg + Cl2 ↑
电解

2Al2O3 (熔融) === 4Al + 3O2 ↑
冰晶石 电解
降低Al2O3的熔点

2NaCl (熔融) === 2Na + Cl2 ↑

K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au

3、热还原法(适合大部分金属)

CuO+H2 === Cu + H2O
Fe2O3+3CO === 2Fe + 3CO2 ↑
金属冶炼的小结:
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag 电解法 热还原法 热分解法 Pt Au 物理提取法

高温

高温

铝热反应 现象 剧烈反应,发出强光, 纸漏斗被烧穿,沙子上 落有黑色铁珠。 高温

Fe2O3+2Al === 2Fe + Al2O3

高温

Fe2O3+2Al === 2Fe + Al2O3

铝热剂
铝——还原剂 (活泼金属——可作还原剂)

铝热反应的应用

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这一反应原理,使铝与金属 氧化物反应,冶炼钒、铬、锰等

其 它 铝 热 反


高温 3Fe3O4+8Al === 9Fe + 4Al2O3

3MnO2+4Al === 3Mn+ 2Al2O3
Cr2O3+2Al === 2Cr + Al2O3 3Co3O4+8Al === 9Co + 4Al2O3
高温 高温

高温

电解法

K Ca Na Mg Al

热还原法 Zn Fe Sn Pb (H) Cu
热分解法

Hg Ag

物理提取法 Pt Au

金属的回收和资源保护
1、回收金属的意义:

(1)节约矿物资源;
(2)节约能源;

(3)减少环境污染

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2500万吨,年消耗 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,每年就将减少铝土矿消耗量约 5000万吨,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95% 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 213.2TJ(电能约 占82%),而生产一吨再生铝合金锭所需能源消耗为5 .5TJ(燃料约占80%),仅为原铝锭生产能源消耗的2 .6%,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,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。

2、回收金属的实例 (1)废旧钢铁用于炼钢;

(2)废铁屑用于制铁盐;
(3)定影液用于回收银

1、下列各种冶炼方法中,可以制得 相应金属的是( C ) A、加热氧化铝 B、加热碳酸钙 C、电解熔融氯化钠 D、氯化钠与铝粉高温共热

2、根据金属在金属活动顺序表中的位置 及性质,推测制取下列金属最适宜的方法: ①Na 电解法 ②Zn 加热还原法 ③Hg 加热分解法 ④Au 物理提取法

实验室制取乙酸乙酯的实验装置如下图所示。请回答下列问题。

(1)加热前在A试管中加
试管B内盛放的液体是



,其作用是防止加热过程中液体爆沸。
碳酸钠溶液的作用是




(2)A中反应的化学方程式为





(3)反应结束后,试管B内的液体分成两层, ⑤ 乙酸乙酯在 层(填写“上”或“下”)。

海洋水资源:海水中水的储量约为1.3×109亿吨, 约占全球总水量的97%。

化学资源:含元素80多种,海洋资源中,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1 00多种化学元素,在海水中已找到80多种,其中 70多种可供提取。如,氯化钠(即食盐)有4亿亿 吨,镁约有1800万亿吨,钾有500万亿吨,溴 约有90万亿吨,核燃料约40亿吨-50亿吨。
矿产资源:海洋中所贮存的各种矿物约500亿吨。通常只 要每平方米有5㎏的矿物。锰结核、可燃冰、砂和砾石, 用于冶金、燃料、建筑、石英砂用制玻璃等。

问题与讨论 海水中蕴含着丰富的水资源和化学资源, 21世纪人类将重点开发海洋资源。

海水中的化学资源

海水中铀多达45亿吨 是已知陆地铀矿储量 的4500倍。氘有50亿 吨足够人类用上千万 年

含80多种元素,以氢、氧、 氯、钠、镁、硫、钙、钾等 较多。被称为“元素的故乡”。

生物资源:由鱼、虾、贝、藻等组成的海洋生物资源, 除了直接捕捞供食用和药用外,通过养殖、增殖等途 径还可实现可持续利用。海洋生物品种繁多,我国就 有20278种,其中入药的有700种。 能源: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 能资源,它们都属于可再生能源,而且没有污染。

空间资源: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、通信、电力输送、储藏、文化娱乐等诸多 领域。我国拥有18000公里的大陆海岸线,管辖的 海域面积近300万平方公里。

二、海水资源的开发利用
1、海水淡化 海水中水资源的利用: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。

海水淡化的主要方法 蒸馏法、 电渗析法、 离子交换法等。

太阳能蒸发海水示意图:

2、海水中的化学资源 由于与岩石、大气、生物的相互作用,海水中溶 解和悬浮有大量的无机物和有机物,按含量计,水 中的H、O两种元素,加上Cl、Na、K、Mg、Ca、 S、C、F、B、Br、Sr等11种超过总量的99%,其 他为微量元素,总计含有80多种元素。 海洋有取之 不尽的化学资源。 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。

⑴.从海水中提取食盐

从海水中制取盐的方法 主要有:盐田法等。

过量的 粗盐 (SO42-、 Ca2+ 、 Mg2+)BaCl2

过量的 Na2CO3

过量的 NaOH

过滤

适量的 盐酸

蒸发 精盐 结晶

除去 SO42-

除去
Ba2+ 、 Ca2+

除去 Mg2+

除去 除去 除去水 沉淀 OH- 、 CO32-

(2).从海水中提取Br2
海 ①浓缩,含 ②适量 含 ③用SO 含 ④通入 含 ⑤加入CCl4 溴的 2 水 硫酸酸化Br- 氯气 Br 溶液吸收 Br- 氯气: Br 萃取、分液 CCl4 2 2 溶液 Br

富集Br② 2NaBr+Cl2=Br2+2NaCl ③Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4 ④2HBr+Cl2=2HCl+Br2

(3).从海带中提取I2 海 海 ①酒精润 ②溶解 带 过滤 湿灼烧 带 灰 (I-)
I2 的 ④加入 CCl 4 ③稀硫酸 含I2 CCl4 萃取、分液 滤液 酸化H2O2溶液 溶液

含 I-

残 渣

④ 2I-+H2O2+2H+=I2+2H2O

酒精润湿的目的:使海带易于燃烧。

(4).从海水中提取Mg: 海 水
① 生石灰

过滤

Mg(OH)2

②过量的

盐酸

MgCl2 溶液

③在HCl 气氛蒸发

MgCl2 ④电解 Mg 晶体

Mg2+

富集MgCl2
① CaO+H2O=Ca (OH)2

MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2↓+CaCl2
电解

②Mg(OH)2+2HCl=MgCl2+2H2O ④ MgCl2(熔融) ===Mg+Cl2↑

3.海水综合利用联合工业体系一例(如下图)

海水资源的开发利用简述
(1)从海水中提取淡水——海水淡化 (2)海水制盐 (3)从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品

(4)从海水中获取铀和重水作为核能开发的重要原料 (5)从海水中获取其他物质和能量


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