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第八章 化学与可持续发展
第一节 自然资源的开发利用
第 1 课时 金属矿物的开发利用
学业要求 核心素养对接
1.了解金属在自然界中的存在形式。
2．掌握金属的冶炼方法。 1.通过对金属的冶炼方法的学习，培养
学生科学探究与创新意识。
3．掌握铝热反应原理及实验。
2．通过金属回收和资源保护的学习，培
4．了解金属回收和资源保护的意义，认
养学生科学态度与社会责任。
识和体会化学在自然资源开发和利用中
的意义和作用。
[知 识 梳 理]
知识点一 金属的冶炼
如图是我国古代和现代冶金的两张图片，那么金属是如何冶炼的，请完成下列知
识点：
1．金属在自然界中存在的形态
除了金、铂等极少数金属以外，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界。在这些金属化合物中，金属元素都显正化合价。
2．金属冶炼的原理
金属冶炼的实质是根据氧化还原反应，使金属矿物中的金属阳离子得到电子生成
金属单质的过程：Mn＋＋ne－===M。
3．冶炼方法
知识点二 金属矿物的开发利用
1．合理开发利用金属资源
金属的冶炼需要消耗大量的资源和能源，还会造成环境污染，地球上的金属资源
是有限的，是不可再生的，因此金属资源应合理地开发利用。
2．有效利用金属资源的途径
（1）提高金属的利用率，减少金属的使用量。
（2）加强金属资源的回收和再利用。
（3）使用其他材料代替金属材料。
微判断
（1）黄金的冶炼可用热分解法（ ）
（2）金属阳离子被还原，一定会得到金属单质（ ）
（3）工业上电解MgCl 溶液制取Mg（ ）
2答案 （1）× （2）× （3）×
微训练
1．工业上获得金属镁采用的冶炼方法是（ ）
A．加热分解镁氧化物
B．电解熔融氯化镁
C．高温下发生铝热反应
D．高温下用氢气还原
解析 由于金属镁的活泼性较强，因此工业上一般采用电解熔融氯化镁制备金属
镁。
答案 B
2．下列有关金属的工业制法中，正确的是（ ）
A．制钠：用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液
B．制铁：以铁矿石为原料，CO还原得铁
C．制镁：用海水为原料，经一系列过程制得氧化镁固体，H 还原得镁
2
D．制铝：从铝土矿中获得氧化铝再得到氯化铝固体，电解熔融的氯化铝得到铝
解析 电解法制取金属钠时，需要电解熔融的NaCl，而不是其溶液，A项错误；镁
的还原性很强，不能用热还原法来制取，而应用电解熔融氯化镁的方法，C项错
误；熔融的氯化铝不导电，故不能电解其熔融物制取金属铝，而应电解熔融的氧
化铝，D项错误。
答案 B
微思考
1．从自然界中获得金属单质，是否都必须发生氧化还原反应？
提示 否。有些金属单质化学性质稳定，如金、铂等，在自然界中主要以游离态形
式存在，获得这些金属就不需要发生氧化还原反应，用富集的方法就可以，如淘
金。
2．人类使用金属的年代先后顺序与金属的活动性有什么关系？
提示 金属冶炼方法的选择取决于金属在自然界中的存在状态和金属的活泼性。
金属越活泼，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现的相对晚一些。金属
越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以有青铜、铁器等时代的
发展历程。3．在金属中，铝元素在地壳中的含量居第一位，为什么铝的发现和使用比铜和铁
要晚得多？
提示 金属的发现和使用与金属的活动性密切相关，金属活动性越强，其相应的
金属阳离子得电子的能力越弱，冶炼难度越大。铝是一种活动性较强的金属，用
一般的还原剂很难将其还原，工业上采用最强有力的氧化还原手段——电解法进
行冶炼，而铜和铁用一般的还原剂就可以达到目的，所以铝的发现和使用比铜和
铁要晚得多。
学习任务 （核心素养）金属的活泼性与冶炼方法
一、知识要点
1．金属的冶炼原理
金属冶炼的实质是使金属化合物中的金属阳离子得到电子被还原为金属单质的
过程，即：Mn＋＋ne－===M。
2．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系
金属的活动性顺
K、Ca、Na、Mg、
Zn、Fe、Sn、Pb
Hg、Ag Pt、Au
序 （H）、Cu
Al
金属原子失电子
强→弱
能力
金属离子得电子
弱→强
能力
主要冶炼
电解法 热还原法 热分解法 物理方法
方法
3.常用的热还原法
二、核心素养
冶炼方法的选择⇒提高学生的实验探究与创新意识
【素养解题】
[典例示范] 金属材料在日常生活、生产中有着广泛的运用，下列关于金属的说
法不正确的是（ ）A．越活泼的金属越难冶炼
B．合金的性质与其成分金属的性质不完全相同
C．金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子
D．工业上金属Mg、Al都是用电解熔融的氯化物制得的
[冶炼金属习题解题思路]
思考角度 金属冶炼方法的选择取决于金属活动性
金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子被还原成金属原子，因此金属
越活泼，对应金属阳离子氧化性越弱，则金属越难冶炼，A、C正确；合
选项分析 金要比各成分金属的熔、沸点低，硬度大，B正确；因AlCl 为共价化合
3
物，其熔融态不导电，因此不能用电解AlCl 的方法来冶炼铝，而通常
3
电解Al O 。
2 3
得到答案 D
K、Ca、Na、Mg、Al 电解法
Zn、Fe、Sn、Pb、Cu 热还原法
知识熟记
Hg、Ag 热分解法
Pt、Au 富集法
三、对点训练
1．冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法 ②水煤气（或氢气，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
解析 选择金属的冶炼方法要考虑金属在自然界中存在的状态及金属的活动性。
（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）、（Ⅳ）发生的反应分别是
（Ⅰ）：Cu（OH）CO =====2CuO＋CO ↑＋H O，C＋2CuO=====2Cu＋CO ↑，
2 2 3 2 2 2
符合①；
（Ⅱ）：Fe＋CuSO ===FeSO ＋Cu，符合③；
4 4
（Ⅲ）：2Al＋Cr O =====Al O ＋2Cr，符合③；
2 3 2 3
（Ⅳ）：先从光卤石中提取MgCl ，再电解MgCl ：MgCl（熔融）=====Mg＋Cl ↑，
2 2 2 2
符合④。
答案 B2．在冶金工业上，均能用化学还原剂制得的一组金属是（ ）
A．Na、Mg、Al B．Na、Zn、Fe
C．Zn、Fe、Cu D．Mg、Al、Zn、Fe
解析 Na、Mg、Al的冶炼方法为电解法；Zn、Fe、Cu的冶炼方法为化学还原剂还
原法。
答案 C
3．下列反应原理不符合工业实际的是（ ）
A．2Ag O=====4Ag＋O ↑
2 2
B．4Al＋3MnO =====3Mn＋2Al O
2 2 3
C．2MgO=====2Mg＋O ↑
2
D．2CuO＋C=====2Cu＋CO ↑
2
解析 根据金属的活动性和特点，这四种金属选用的冶炼方法看似都正确，但是
工业上冶炼镁时，并不是电解熔融的氧化镁，而是电解熔融的氯化镁。因为氧化
镁的熔点很高，与电解熔融的氯化镁相比会消耗更多的能量。
答案 C
4．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：
①2C（焦炭）＋O （空气）=====2CO ②Fe O ＋3CO=====2Fe＋3CO
2 2 3 2
该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远高于按照化学方程式计算所需，其主
要原因是（ ）
A．CO过量
B．CO与铁矿石接触不充分
C．炼铁高炉的高度不够
D．CO与Fe O 的反应有一定限度
2 3
解析 高炉炼铁的反应Fe O ＋3CO=====2Fe＋3CO 为可逆反应，所以对焦炭的
2 3 2
实际使用量要远高于按化学方程式计算所需，这样可以提高CO的浓度，促进该
反应正向移动。
答案 D
5 ． （ 1 ） Al 与 Fe O 发 生 铝 热 反 应 的 化 学 方 程 式 为
3 4
_____________________________
______________________________________________________________，该反应中氧化剂是 ，还原剂是__________________________。
（2）工业上电解冶炼铝的化学方程式为___________________________
_____________________________________________________________。
若电路中通过1 mol电子，可以得到Al g。
答案 （1）8Al＋3Fe O =====4Al O ＋9Fe Fe O Al
3 4 2 3 3 4
（2）2Al O （熔融）=====4Al＋3O ↑ 9
2 3 2
[学 考 练]
1．我国古代炼丹家魏伯阳所著《周易参同契》是世界上现存最早的一部炼丹专著
书中描写到：“金入于猛火，色不夺精光。”这句话的意思是指黄金的性质在强
热条件下（ ）
A．活泼 B．稳定
C．易氧化 D．易还原
解析 金的性质稳定，在强热条件下也不反应。
答案 B
2．下列说法错误的是（ ）
A．对废旧金属的最好处理方法是回收、再利用
B．提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步
C．活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液
D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等
解析 活泼金属的冶炼是电解其熔融盐（如MgCl 、NaCl等）或熔融氧化物（如
2
Al O 等）制得的，电解其盐溶液得不到金属单质，C错误。
2 3
答案 C
3．除去Cu粉中的Al粉，下列方法不可取的是（ ）
A．加入稀H SO ，过滤
2 4
B．加入NaCl溶液，过滤
C．加入NaOH溶液，过滤
D．加入CuSO 溶液，过滤
4
解析 A、C、D项均可溶解Al使其进入溶液，从而与Cu分离，故选B项。答案 B
4．下列物质投入溶液中，溶液质量减轻的是（ ）
A．CaCO 投入到HCl溶液中
3
B．Na CO 投入稀硫酸中
2 3
C．Fe粉投入CuSO 溶液中
4
D．Fe粉投入稀HCl溶液中
解析 A、B项相当于把CaO、Na O分别投入到酸溶液中，故其溶液质量增加；C
2
项Fe元素进入溶液、Cu以单质形式析出，Fe（56）相对原子质量小于Cu（64），故
C项符合题意；D项Fe元素进入溶液（HCl），H以单质形式析出，故D项溶液质
量增加。
答案 C
5．有0.4 g铁的氧化物，用足量的CO在高温下将其还原，把生成的CO 全部通入
2
足量澄清石灰水中，得到0.75 g沉淀。这种铁的氧化物的化学式是（ ）
A．FeO B．Fe O
2 3
C．Fe O D．FeO和Fe O
3 4 2 3
解析 CO和铁的氧化物反应时，氧化物中的一个O原子对应一个CO 分子，每
2
一个CO 分子对应一个CaCO ，所以有下列的关系式，假设0.4g该氧化物中含
2 3
xgO。
O ～ CO ～ CaCO
2 3
16 100
x g 0.75 g
解得x＝0.12
N（Fe）∶N（O）＝∶＝2∶3。
答案 B
6．金属K与Na金属性相近，用K与钠盐共熔时，很难将Na从混合物中分离。若
调整温度到一定程度，则可用Na与KCl反应制取金属K。已知四种物质的熔、沸
点如下：
K Na KCl NaCl
熔点/℃ 63.65 97.8 770 801
沸点/℃ 774 882.9 1500（升华） 1431根据平衡移动原理可推知，用Na与KCl反应制K的适宜温度是（ ）
A．97.8～770 ℃ B．770～774 ℃
C．774～882. 9℃ D．1413～1 500 ℃
解析 在金属活动性顺序表中，Na排在K的后面，似乎不能从K的熔融盐中置
换出K。但将Na与KCl共熔，其共熔体中Na＋、K＋、Cl－和e－自由移动，如果继续
加热，则Na、K、NaCl和KCl先沸腾者先逸出。工业上，就是采用这种原理用Na
还原K的，因为K的沸点比Na、NaCl、KCl的沸点都低，且低于NaCl的熔点。
答案 C
7．下列金属冶炼原理错误的是（双选）（ ）
A． AlCl （熔融）=====2Al＋3Cl ↑
3 2
B．MgO＋H =====Mg＋H O
2 2
C．Fe O ＋4CO=====3Fe＋4CO
3 4 2
D．2HgO=====2Hg＋O ↑
2
解析 Na、Mg通常用电解法制取，Al用电解熔融Al O 制取，Fe用还原剂法制取，
2 3
Hg可用加热其化合物的方法制取。Mg的活动性比H 强，H 不能置换出Mg，A、
2 2
B项错误。
答案 AB
8．热还原法冶炼金属的反应一定是（ ）
A．氧化还原反应 B．置换反应
C．复分解反应 D．分解反应
解析 热还原法冶炼金属的反应一定不是复分解反应，也一定不是分解反应，不
一定是置换反应，如3CO＋Fe O =====2Fe＋3CO ，但一定是氧化还原反应。
2 3 2
答案 A
9．铝的活泼性较强，直到十八世纪人类才开始将Al从它的化合物中冶炼出来。
当时铝价格十分昂贵，拿破仑的头盔就是用铝制作的，现在还保存在大英博物馆
中，下列冶炼铝的方法正确的是（ ）
A．Al O （熔融）――→Al
2 3
B．Al O ――→AlCl （熔融）――→Al
2 3 3
C．Al（OH） ――→Al
3
D．Al O ――→Al
2 3解析 H 、CO、C等皆不能将Al O 或A（l OH）还原为Al，C、D不正确。AlCl 是
2 2 3 3 3
共价化合物，熔融后不导电，B不正确。
答案 A
10．以辉铜矿（Cu S）为原料冶炼铜，其反应原理可表示为Cu S＋O =====2Cu＋
2 2 2
SO 。下列说法不正确的是（双选）（ ）
2
A．化合价发生变化的元素有3种
B．Cu S在该反应中作还原剂
2
C．1 mol O 参加反应时，上述反应转移电子总物质的量为4 mol
2
D．SO 被分离、回收后氧化生成SO ，作为制取硫酸的原料
2 3
解析 分析反应中化合价的变化：Cu S＋O =====2Cu＋SO ，反应过程中Cu、S、
2 2 2
O三种元素的化合价均发生改变；Cu S中Cu元素化合价降低，S元素化合价升
2
高，因此Cu S既是氧化剂又是还原剂；根据S元素化合价的改变可知，当1 mol
2
O 参加反应时，共转移电子6 mol；SO 催化氧化可得SO ，SO 被水吸收可得
2 2 3 3
H SO 。
2 4
答案 BC
11．钛是一种活泼金属，具有密度小、熔点高、可塑性强、机械强度高等性能。工业
上常用硫酸分解铁钛矿石来制备二氧化钛，用以冶炼钛，主要有以下五个反应：
①FeTiO ＋2H SO ===TiOSO ＋FeSO ＋2H O
3 2 4 4 4 2
②TiOSO ＋2H O===H TiO ↓＋H SO
4 2 2 3 2 4
③H TiO =====TiO ＋H O
2 3 2 2
④TiO ＋2C＋2Cl =====TiCl ＋2CO
2 2 4
⑤TiCl ＋2Mg=====2MgCl ＋Ti
4 2
（1）针对以上五个反应，下列叙述错误的是 。
A．反应①是非氧化还原反应
B．反应②生成了两种酸
C．反应④中的TiO 是氧化剂
2
D．反应⑤表现了金属镁比金属钛的还原性强
（2）钛具有很强的耐腐蚀性，以下对其原因的分析正确的是 。
A．钛是像金、铂一样的不活泼金属
B．金属钛的表面易形成致密的氧化膜C．钛与氧气、酸等腐蚀剂不反应
D．钛有很高的强度
解析 （1）在反应①中没有化合价的变化；反应④中，钛元素的化合价保持不变，
氯气是氧化剂，碳是还原剂；反应⑤，镁是还原剂，钛是还原产物，所以镁的还原
性强于钛。
（2）题目中一开始就指出：钛是一种活泼的金属，但是钛耐腐蚀性强，联系金属铝
的性质，铝表面易形成致密的保护膜，阻止反应继续进行，以此类推钛，很容易选
择B。
答案 （1）C （2）B
12．铁是应用最广泛的金属，自远古时代人类就学会了炼铁，到目前为止，人类研
制出了很多炼铁的方法。某研究性学习小组同学在实验室中模拟工业炼铁的过程
实验装置如下：
（1）写出得到单质铁的化学方程式：______________________________
______________________________________________________________。
（2）实验过程中看到玻璃管内的粉末由红棕色逐渐变黑，请设计一个实验来验证
生成了单质铁：_________________________________________________
_________________________________________________________________。
（ 3 ） 装 置 末 端 气 球 的 作 用 为
______________________________________________
______________________________________________________________。
实 验 结 束 时 ， 应 该 先 停 止 加 热 还 是 先 停 止 通 入 CO 并 说 明 原 因
_____________________________________________________________。
解析 检验是否生成单质铁，在反应结束后，待玻璃管内的固体冷却，取少量放
于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体（H ），则证明生成了单质铁；反应结
2
束后，得到的铁还是赤热的，若先停止通入CO，会导致铁又被氧化，所以，应该先
停止加热，待玻璃管内的固体冷却后，再停止通入CO。
答案 （1）Fe O ＋3CO=====2Fe＋3CO
2 3 2（2）取少量粉末放于试管中，加少量盐酸，若产生无色无味气体，则证明生成了单
质铁
（3）收集未反应的CO，防止污染空气 先停止加热，防止生成的铁再次被氧化
[能 力 练]
13．在某次探究性学习中，老师要求同学们在实验室中用氧化铜、稀硫酸和铁来
制取纯净的铜，并用所制得的铜进行一系列的探究性实验。
甲、乙两位同学分别设计了如下两个制铜实验方案。
甲：①CuO溶于适量稀硫酸中；
②在①的溶液中加入稍过量的铁，充分反应后，过滤、烘干，即得纯净的铜。
乙：①铁与稀硫酸反应得氢气；
②用氢气还原氧化铜，充分反应后即得纯净的铜。
（1）若两位同学消耗的稀硫酸和铁的量分别相同，请判断他们所制得铜的质量大
小关系 （填字母）。
A．相同 B．甲多
C．乙多 D．以上三种情况均有可能
（2）丙同学认为上述两种方案都难以保证所制的铜的纯度，应对上述两种方案加
以 完 善 。 甲 同 学 的 方 案 不 完 善 的 原 因 ：
______________________________________
____________________________________________________________，
完善乙同学的方案的一种方法是将所得的铜粉放入烧杯中，加入 ，不断
搅拌，然后 即得到纯净的铜。
解析 （1）在用氢气还原氧化铜的反应中，应先通入H ，赶走空气，然后才能加
2
热，并且反应结束后应先撤去酒精灯，再停止通入H ，因此所制得的H 并没有全
2 2
部参与CuO的还原，故生成的铜少。
（2）甲方案中铁过量，并且过滤后没有洗涤，产物中混有铁粉也可能混有FeSO 。
4
而乙方案中可能混有CuO，应加入稀硫酸除去CuO。
答案 （1）B （2）产物中可能混有铁并且没有洗涤 过量稀硫酸 过滤、洗涤，
烘干
14．钛（Ti）被称为继铁、铝之后的第三金属，钛白（TiO ）是目前最好的白色颜料。
2
制备TiO 和Ti的原料是钛铁矿，我国的钛铁矿储量居世界首位。用含Fe O 的钛
2 2 3铁矿（主要成分为FeTiO ）制备TiO 流程如下：
3 2
（1）步骤①加Fe的目的是__________________________________________
步骤②冷却的目的是____________________________________________。
（2）上述制备TiO 的过程中，可以利用的副产物是 ；考虑成本和废物综
2
合利用因素，废液中应加入 处理。
（3）由金红石（TiO ）制取单质钛（Ti），涉及到的步骤为
2
―→――→
反 应 TiCl ＋ 2Mg===2MgCl ＋ Ti 在 Ar 气 氛 中 进 行 的 理 由 是
4 2
__________________________________________________________
____________________________________________________________。
解析 （1）分析框图知，铁最终转化成副产品绿矾，所以要将＋3价Fe转化为＋2
价Fe，降温减小FeSO ·7H O的溶解度，有利于绿矾结晶。
4 2
（2）水浸后发生的离子反应为TiO2＋＋2H O===H TiO ↓＋2H＋，废液主要呈酸性
2 2 3
所以应加入CaO、CaCO 或碱。
3
（3）反应后Ti和Mg易与空气中O 、N 等反应，故应在Ar气氛中进行。
2 2
答案 （1）将Fe3＋还原为Fe2＋ 析出绿矾（FeSO ·7H O）
4 2
（2）绿矾（FeSO ·7H O） 生石灰（或碳酸钙、废碱）
4 2
（3）防止高温下镁或钛与O 、N 等反应
2 2
