归纳与整理教学设计实例

第四章

化学与自然资源的开发利用

教材分析：

本章知识既突出主题，科学教育与人文教育融为一体，又体现基础性、时代性和选择性，紧紧围绕金属矿物、海水和化石燃料这些重要自然资源综合利用中的化学基本原理和基础知识。有利于加深体会化学在综合利用自然资源中的作用，学会辩证地看待人类和自然协调发展中可能会遇到的问题，培养做出明达决策的意识和能力。

学科教学方面——有利于将前面所学过的知识和技能进行必要的梳理、归纳和拓展。

对于学生进一步确定学习后续选修模块，乃至升学、就业方向也可能会产生影响。

教学目标：

【知识与技能】

1、以金属矿物的开发和利用为例，掌握金属冶炼的一般原理基础，了解适用于不同金属的冶炼方法。

2、了解海水资源开发和利用的前景及化学在其中可以发挥的作用。

3、认识煤、石油和天然气等化石燃料综合利用的意义；以聚乙烯合成为例，认识加聚反应、单体、链节和聚合度等概念。

4、认识到化工生产中遵循“绿色化学”思想的重要性念。

【过程与方法】

1、通过对金属矿物的开发和利用的学习，体会化学物质间的转化关系。

2、通过对海水淡化和海水中碘元素的检验方法及溴、镁的提取的学习，体会在分离和提纯物质时化学实验的重要作用。

【情感态度与价值观】

体会化学对环境保护的意义，培养学生关注社会的意识和生态责任感；在交流讨论的过程中，培养学生的合作意识。

教学重点：

1．了解化学方法在金属矿物开发（主要是金属冶炼）及海水资源开发中的作用。

2．煤、石油、天然气的综合利用，特别是石油的利用；通过环境保护和绿色化学的有关知识，使学生加强环保意识并培养绿色化学的理念。

教学难点：

1．学生在掌握金属冶炼的一般原理基础上，了解适用于不同金属的冶炼方法。

2．石油裂化的原理。

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：金属单质的还原性减弱，金属离子的氧化性增强

K Ca Na Mg Al

Zn Fe Sn Pb Cu

Hg Ag 电解法

热还原法

热分解法

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：2HgO

△

2Hg+O

2↑

2Ag2O

△

4Ag+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：

Fe

2O3 + 3CO

高温

2Fe + CO2↑

WO3 + 3H2

高温

W +3H2O ZnO + C

高温

Fe2O3 + 2Al

高温

Zn + CO↑

2Fe + Al2O3（铝热反应）

Cr2O3 + 2Al

高温

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）

电解

电解

2Na + Cl2↑

MgCl2（熔融）

Mg + Cl2↑

2Al2O3

（熔融）电解

4Al + 3O2 冰晶石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

高温

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）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

2.海水中的化学资源的开发利用：

（1）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。

（2）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。

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：

溶液

海水（主要

含NaCl 和MgSO4）

试剂①

Mg(OH)2

试剂②

2 电解

MgCl2 MgCl沉淀

溶液

无水

Mg 熔融

（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）

电解

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：

试剂

海带

灼烧

海带灰

溶解，过滤

含碘元素的溶液

含碘单质的溶液

残渣

含碘单质的有机溶液

【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

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

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

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）

③煤的液化

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）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。主要目的：制得石油裂解气，进行三大合成。

高温裂解

主要产品：汽油

石油裂解气（含乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯）

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。

（2）合成纤维

（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：

（1）加聚反应

①由乙烯制聚乙烯：n CH2===CH2

[ CH2－CH2 ] n

乙烯

聚乙烯

单体：CH2===CH2

；

链节：－CH2－CH2－；

高聚物：[CH2－CH2]；

聚合度：n

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% 。