(教案)高中化学必修二：化学与自然资源的开发利用.doc

第一章 工程概况

第四章 化学与自然资源的开发利用
一、开发利用金属矿物和海水资源
1.1 金属矿物的开发和利用
金属的冶炼：金属冶炼是工业上将金属从含有金属元素的矿石中还原出来的生产过程。
常见金属（金属活动顺序表）冶炼的一般方法：金属的活动性不同，冶炼的方法不同。
电解法 热还原法 热分解法
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag

①热分解法：不活泼金属（Hg及Hg以后）可以直接用加热分解的方法将金属从其化合物中还原出来，例如：
2HgO2Hg+O2↑
2Ag2O4Ag+O2↑
②热还原法：一般活泼的金属（Zn---Cu), 通常是在高温下用还原剂（C、CO、H2、活泼金属等）将金属从其化合物中还原出来，例如：
Fe2O3 + 3CO 2Fe + CO2↑
WO3 + 3H2 W +3H2O
ZnO + C Zn + CO↑
Fe2O3 + 2Al 2Fe + Al2O3（铝热反应）
Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3（铝热反应）
③电解法：非常活泼的金属（K---Al）用一般的还原剂很难将它们还原出来，通常采用电解熔融的金属化合物的方法冶炼活泼金属，例如：
2NaCl（熔融） 2Na + Cl2↑
MgCl2（熔融） Mg + Cl2↑
2Al2O3 （熔融） 4Al + 3O2↑
有些金属可以利用氧气从其硫化物中冶炼出来，例如：冶炼铜
Cu2S + O2 2Cu + SO2
1.2 铝热反应
I.操作：
(1)把两张滤纸分别折叠成漏斗状套在一起（内层滤纸底部剪一小孔，用水湿润）架在铁架台上，下面放置一盛沙子的蒸发皿。
(2)将5g干燥的氧化铁粉末和2g铝粉均匀混合后放入纸漏斗中，混合物上面加少量氯酸钾固体，中间插一根用砂纸打磨过的镁条。
(3)用燃着的小木条点燃镁条，观察现象。
Ⅱ.现象：
(1)镁条剧烈燃烧，并发出耀眼的白光。
(2)引起混合物剧烈燃烧，发光发热。
(3)纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。待熔融物冷却后，除去外层熔渣（Al2O3)，可以发现落下的是铁珠。
Ⅲ.反应： Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3（铝热反应）
Ⅳ.铝热剂及应用：
(1)铝热剂：铝粉与某些金属（比铝不活泼的金属）氧化物的混合物。在高温下发生反应，放出大量的热，其混合物称为铝热剂；反应称为铝热反应。
(2)铝热反应的特点：在高温下引燃后剧烈反应，放出大量的热，产生高温，使被还原出来的金属熔化，与熔渣分离。体现铝的还原性、氧化铝高熔点的性质。
(3)铝热反应的应用：①焊接钢轨
②冶炼高熔点金属：V、Cr、Mn、W等。
1.3 金属提炼一般步骤：
①矿石的富集、除杂； ②冶炼； ③精炼。
1.4 金属的利用、回收和资源的保护
（1）矿产资源是有限的：矿产资源是大自然赋予人类的宝贵财富，但并非取之不尽用之不竭，是不可再生的。随着人们的开发利用，将会日渐减少。我国幅员辽阔，是世界上矿产资源比较丰富、矿产品种比较齐全的国家。我国矿产资源总值居世界第3位，但人均拥有量约为世界人均水平的。因此，我们要合理开发和利用这些矿物资源。
（2）合理开发、有效利用、金属的回收和资源保护，主要途径有：
①提高金属矿物的利用率。
②减少金属的使用量。
③加强金属资源的回收和再利用，使用代用材料节约矿产资源、保护矿产资源。
二、海水资源的开发利用
1.海水水资源的利用：海水中水的储量约占全球总水量的97％。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 。
海水淡化的方法：主要有 蒸馏法 、 电渗析 法 、 离子交换 法等。

海水蒸馏原理示意图 太阳能蒸发原理示意图
2.海水中的化学资源的开发利用：
（1）海洋是一个远未开发的巨大化学资源宝库：海洋资源中，利用潜力最大的是海水中化学资源。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，目前，在陆地上发现的１００多种化学元素，在海水中已找到８０多种（包括超过总量99%的H、O、CL、Br、Na、K、Mg、Ca、S、C等11种元素和其他微量微量元素）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。
（2）海水中含有的各种元素的特点：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。
（3）从海水中提取物质的方法
I.从海水中提取食盐的主要工艺流程：从海水中制取盐的方法主要有：盐田法、电渗析法和冷冻法。其中盐田法（又叫滩晒法）历史最悠久，而且也是最简便和经济有效的方法。现在还在广泛采用。
※盐田法：盐田建在海滩边，借用海滩逐渐升高的坡度，开出一片片象扶梯一样的池子。
利用涨潮或用风车和泵抽取海水到池内。海水流过几个池子，随着风吹日晒，水份不断蒸发，海水中的盐浓度愈来愈高，最后让浓盐水进入结晶池，继续蒸发，直到析出食盐晶体。我国是世界上最大的产盐国，年产盐量近2000万吨，占世界食盐产量的80%。

长声盐场
Ⅱ.从海水中提取镁的主要工艺流程：镁是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁从海水中提取。主要步骤如下：
海水（主要
含NaCl
和MgSO4）
溶液

试剂①

Mg
熔融
无水
MgCl2

MgCl2
溶液
试剂②Mg(OH)2
沉淀

电解

（1）为了使MgSO4转化为Mg（OH）2，试剂①可以选用 NaOH ，要使MgSO4完全转化为沉淀，加入试剂①的量应 过量 ；验证MgSO4已完全转化为Mg（OH）2的方法是 取上层清液，加入NaOH溶液，不生成沉淀。
（2）加入试剂①后，能够分离得到Mg（OH）2沉淀的方法是 过滤 。
（3）试剂②可以选用 HCl 。
（4）无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl2，写出该反应的化学方程式：
MgCl2（熔融） Mg + Cl2↑
Ⅲ.从海水中提取溴的主要工艺流程
（1）用蒸馏法将海水浓缩。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。反应的化学方程式为：
2NaBr + Cl2 == Br2 + 2NaCl ；
（3）向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸汽，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，反应的化学方程式为：Br2 + SO2 + 2H2O == 2HBr + H2SO4
（4）向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气，反应的化学方程式为：2HBr + Cl2 == 2HCl + Br2
（5）用四氯化碳（或苯）萃取吸收塔内的溶液中的溴单质，得到产品溴。
Ⅳ.【实验4-2】从海带中提取碘
（1）反应原理：海带中的碘元素主要以I-的形式存在，提取时用适当的氧化剂（H2O2)将其氧化成I2，再用有机溶剂将I2萃取出来。
用H2O2做氧化剂，反应的离子方程式是：2I- + H2O2 + 2H+ == I2 + 2H2O 。
（2）操作步骤：
①取约3g干海带，把表面的浮着物用刷子刷净（不要用水冲洗，以免洗去表面的碘化物），用剪刀剪碎后，用酒精湿润，放入坩埚中。点燃酒精灯，灼烧海带至完全变为灰烬（注意通风）停止加热，冷却。
②将海带灰转移到小烧杯中，向其中加入10ml蒸馏水，搅拌、煮沸2～3min,过滤。
③在滤液中滴入几滴稀硫酸（3mol/l）,再加入1mL H2O2（3%），现象：溶液 变棕黄色 。再加入几滴淀粉溶液，现象是：溶液 变蓝色 。
（3）提取I2流程：
含碘单质的有机溶液
含碘单质的溶液
试剂
残渣
含碘元素的溶液
灼烧
海带
溶解，过滤
海带灰

【总结】海水资源的开发利用：
①从海水中提取淡水——海水淡化
②海水制盐
海水资源的开发利用 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
※海水综合利用联合工业体系一例（如下图）

三、化学与资源综合利用、环境保护
3.1 煤、石油、天然气的综合利用：从煤、石油、天然气获得基本化工原料。
1.煤的综合利用：
(1)煤的成分：煤是又有机物和少量的无机物组成的复杂混合物。其组成以碳元素为主，还含有H、O、N、S等元素。
(2)煤的综合利用途径：通过煤的干馏、煤的气化和液化获得洁净的燃料和多种化工原料。
①煤的干馏：将煤隔绝空气加强热使之分解的过程叫做没得干馏，也叫煤的焦化。
气体：焦炉气：H2、CH4、C2H4、CO（燃料、化工原料）
粗氨水：氨、铵盐（化肥）
液体： 粗 苯：苯、甲苯、二甲苯（炸药、染料、合成材料）
煤干馏的主要产品 酚类、奈 （染料、农药、合成材料）
煤焦油
沥青 （筑路材料、制碳素电极）
固体 ：焦炭 （冶金、合成氨造气、电石、燃料）
②煤的气化：将煤转化为可燃性气体 过程。（主要反应是碳和水蒸气反应生成水煤气等）
高温

主要反应： C(s) ＋ H2O(g) CO(g) ＋ H2(g)

水煤气
直接液化：煤 + H2 液体燃料
催化剂
③煤的液化
间接液化：煤 H2 ＋ CO 甲醇（CH3OH）
3.2 天然气的综合利用
（1）气体燃料的优点：气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的利用率。气体燃料便于管道运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。
（2）天然气是一种高效、清洁的燃料：随着我国“西气东输”管线全面贯通，越来越多的地区将使用天然气。
（3）天然气是一种重要的化工原料，主要用于合成氨和生产甲醇以及合成分子内含两个或多个碳原子的其他有机化合物。
3.3 石油的综合利用
石油炼制后的产品绝大多数用作燃料使用，不到10%的石油转化为化工原料。
I.石油的成分：石油是由多种碳氢化合物（烷烃、环烷烃及少量的芳香烃）组成的混合物。（没有固定的沸点）
原油：未经加工的石油叫原油，是一种棕黑色粘稠液体，不能直接使用。
Ⅱ.石油的炼制
（1）石油的分馏（物理加工过程）：
A.石油分馏的原理：利用各种烃的沸点不同，将石油不断的加热--汽化--冷凝--液化，把石油分离成不同沸点范围的蒸馏产物（叫做馏分，仍然是混合物）的过程叫做石油的分馏。
B.实验室蒸馏石油的装置（如下图）：
仪器名称：① 温度计 ；② 蒸馏烧瓶 ；③ 冷凝器 ；④ 接收器 ；
⑤ 冷 水进口；⑥是 热 水出口。装置②中要加 碎瓷片 ，以防止 暴沸 。
石油气 液化石油气。
C.石油分馏主要产品：
汽油、煤油、柴油、重油 等。
（2）石油的裂化（化学加工过程）：在一定条件下，将相对分子质量较大、沸点较高的烃断裂为相对分子质量较小的烃的过程。
主要目的：提高轻质油（汽油、煤油、柴油）的产量，同时得到石油裂化气。
原 料：石油分馏产品（重油）
加热、加压
催化剂
反 应：以十六烷的催化裂化反应为例：
C16H34 C8H18 ＋ C8H16
加热、加压
催化剂
十六烷 辛烷 辛烯
C8H18 C4H10 ＋ C4H8
加热、加压
催化剂
辛烷 丁烷 丁烯
C4H10 CH4 ＋ C3H6
加热、加压
催化剂
丁烷 甲烷 丙烯
C4H10 C2H6 ＋ C2H4
丁烷 乙烷 乙烯
催化裂化
裂化气（含乙烯、丙烯、甲烷等）
主要产品：重油 汽油、煤油、柴油
分馏所得汽油（直镏汽油）：烷烃
汽油：C5～C11的烃的混合物
裂化所得汽油：烷烃和不饱和烃（具有烯烃的性质）
（3）石油的裂解（深度裂化—化学加工过程）：采用比催化裂化更高的温度，使碳碳键断裂的更彻底，主要目的得到气态的不饱和烃。
原 料：汽油高温裂解
。主要目的：制得石油裂解气，进行三大合成。
主要产品：汽油 石油裂解气（含乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯）
（4）石油的催化重整：石油在加热和催化剂的作用下，可以通过结构的重新调整，使链状烃转化为环状烃（如苯或甲苯等）

图4—6原油的分馏及裂化的产品和用途示意图
煤 气（主）：CO、H2
清洁燃料 天 然 气（主）：CH4
压缩天然气（主）：甲醇（CNG）
液化石油气（主）：烃类（丙烷）(LPG)
四、以煤、石油、天然气为原料生成合成材料
4.1 三大合成材料（合成有机高分子）
（1）合成塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。
①塑料的主要成分：合成树脂+添加剂（增塑剂、防老化剂等）
热塑性塑料：可以反复加工，多次使用（聚乙烯聚氯乙烯等）
②塑料的性能
热固性塑料：一次加工成型，受热不软化（酚醛塑料）
（2）合成纤维
植物纤维：棉花、木材、亚麻（成分：纤维素）
天然纤维
动物纤维：羊毛、蚕丝（成分：蛋白质）
纤维
人造纤维：人造棉、人造丝、人造毛（成分：纤维素）
化学纤维
合成纤维：六大纶（涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶）（是利用石油、天然气、煤和农副产品为原料制成的）
（3）合成橡胶：顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶等。
4.2 合成有机高分子的反应：
聚合反应：在一定条件下，由小分子（单体）合成高分子（分子量巨大的化合物）的反应。
聚合反应 加成聚合（加聚反应）：由单体生成高分子的反应。
缩合聚合（缩聚反应）：由单体生成高分子的同时还有小分子生成。
CH3
（1）加聚反应：
n
①由乙烯制聚乙烯：n CH2===CH2 [ CH2－CH2 ]
乙烯 聚乙烯
单体：CH2===CH2 ； 链节：－CH2－CH2－； 高聚物：[CH2－CH2]
； 聚合度：n
n
②由丙烯制聚丙烯：n CH2===CH－GH3 [ CH2－CH ]
③由甲基丙烯酸甲酯制聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）：
CH3
CH3

n
n CH2===CH－COOCH3 [ CH2－CH ]
COOCH3

（2）缩聚反应：制涤纶、尼龙（锦纶）、醇酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂
O

O

n HO－C－－ －G－OH + n HO－CH2－CH2－OH

（对苯二甲酸） （乙二醇）
O

O

n
[ C－－ －G－O －CH2－CH2－O ] + （2n－1）H2O

聚酯纤维（涤纶）
五、环境保护与绿色化学
5.1 环境保护：
（1）环境问题：指不合理的开发和利用自然资源而造成的资源短缺、环境污染和生态破坏。
（2）环境污染：包括大气污染、水污染、土壤污染、食品污染和噪声污染等。
污 染 源：主要来自化石燃料燃烧和工业生产的“三废”（废气、废水、废渣）的排放。
（3）环境问题的八大公害：
①酸雨：pH 小于 5.6 的雨水叫做酸雨。
主要成因：化石燃料燃烧排放到大气中的SO2 \NOX 。
防 治：改变能源结构，硫酸厂的尾气经过处理后再排放。
②温室效应：大气中的 CO2 含量增多引起地表面温度升高。
主要成因：含碳燃料燃烧产生的CO2 排放到大气中。
防 治：改变能源结构，植树造林。
③臭氧空洞：大气平流层中的臭氧层被破坏引起“臭氧空洞”。
主要成因：氟氯烃（氟里昂）、 NO2、NO 在破坏臭氧层中起催化剂作用。
防 治：逐步减少、禁止使用氟氯烃。
④白色污染：一些塑料制品废弃物对环境的污染。
主要成因： 聚乙烯 等固体废旧塑料随意丢弃引起土壤及水的污染。
治 理：①减少使用加强回收塑料制品
②开发可降解塑料（淀粉塑料、水溶性塑料、光解塑料）
⑤光化学烟雾：空气中的 NO2 在紫外线照射下，发生一系列的 光化学 反应产生一种有毒的烟雾。
主要成因：NO2主要来自石油产品和煤的燃烧产物、汽车尾气及硝酸厂的废气
治 理：①硝酸厂的废气经回收处理后再排放
②加强对汽车尾气的治理（汽车排气管上安装转化器）
⑥赤潮（水华）：水体的富营养化污染（水中的藻类超常繁殖，覆盖在水表面）
主要成因：使用含 磷 洗衣粉的污水的排放。不合理的使用化肥。
治 理：禁止生产使用含 磷 洗衣粉。
⑦城市大气的铅污染：含铅化合物对大气的污染。
主要成因：使用含 铅 汽油（汽油中加入抗爆震剂四乙基铅）的汽车排放的尾气。
治 理：禁止使用含铅汽油。
⑧环境的新公害：废旧电池对 水 及 土壤 的污染。
主要成因：废旧电池中含有酸、碱、重金属盐（Pb2+ 、Hg2＋、Ni2+、cd2+） 等污染物，废旧电池的随意丢弃引起的污染。
治 理：设立废旧电池回收站。
5.2 绿色化学：绿色化学的核心就是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。
原子经济：按照绿色化学的原则，最理想的“原子经济”就是反应物的原子全部转化为期望的最终产物。这时原子的利用率为100% 。
（1）开发绿色反应，提高原子利用率
原子经济性可用原子利用率来衡量，其定义可表示为：

期望产物的总质量
生成物的总质量
原子利用率 == × 100%
（2）经济性的反应有两个显著优点：①是最大限度地利用了原料；
②是最大限度地减少了废物的排放。
化学与可持续发展：化学在资源开发、资源利用、环境监测、环境保护和清洁生产等方面发挥着重要的作用。资源的开发和环境保护关系到人类可持续发展。
经济可持续发展
社会可持续发展
可持续发展 资源可持续发展
环境可持续发展
全球可持续发展

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