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第四章

化学与自然资源的开发利用

第一节

开发利用金属矿物和海水资源

第1课时

金属矿物的开发利用

一、金属的冶炼

1．金属在自然界中存在的形态

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

2．金属冶炼的原理

金属的冶炼是利用________________________原理，在一定条件下，使金属离子________电子被还原成________________，从而获得金属单质。即：Mn++ne−===M。

3．金属的冶炼方法

(1)热分解法：适用于金属活动性顺序表中____及其以后的金属。

△

△

____________；2Ag2O

__________。

2HgO

(2)热还原法：适用于金属活动性顺序表中____、____之间的金属。

高温

_____________________________________________________________；

Fe2O3+3CO

高温

______________________________________________________________；

WO3+3H2

高温

_____________________________________________________________。

Cr2O3+2Al

(3)电解法：适用于金属活动性顺序表中________及其以前的金属。

电解冰晶石

________________________ _____________________________________；2Al2O3(熔融)

电解

_____________________________________________________________。

2NaCl(熔融)

【特别提醒】①电解熔融的NaCl和电解NaCl溶液的产物不同。

②工业上冶炼镁是电解MgCl2而不是MgO的原因是MgO的熔点比MgCl2的高，冶炼铝是电解Al2O3而不是AlCl3的原因是AlCl3是共价化合物，熔融状态不导电。

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__________________________。

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。

一、金属冶炼的原理与方法

1．金属活动性顺序与金属冶炼方法的关系

金属的活动性顺序

金属原子失电子能力

金属离子得电子能力

主要冶炼方法

2．常用的热还原法

K、Ca、Na、Mg、Al 强→弱

弱→强

电解法

热还原法

热分

解法

物理方法

Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu Hg、Ag Pt、Au

二、铝热反应

1．铝热反应的概念与特点

(1)概念：铝和金属氧化物在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应。

(2)原理：Al作还原剂，另一种氧化物作氧化剂，用铝将氧化物中的金属置换出来。

(3)铝热剂：铝粉和某些金属氧化物(Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。

(4)反应特点：

①在高温下进行。

②反应迅速并放出大量的热。

③新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离。

(5)应用：冶炼难熔的相对较不活泼的金属，如V、Cr、Mn等；焊接钢轨等。

2．铝热反应实验

实验操作

(1)镁条剧烈燃烧；

(2)氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应；

(3)反应放出大量的热，并发出耀眼的白光；

(4)纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。

在高温下，铝与Fe2O3发生反应，放出大量的热

实验现象

实验结论

典例1

(福建师大附中2017-2018学年高一期末考试)下列冶炼金属的原理正确的是

A．电解食盐水制备金属钠

B．电解氯化铝制备金属铝

C．用MgO与CO热还原法制备单质镁

D．加热分解Ag2O制备金属银

典例2

某研究性学习小组对铝热反应实验展开研究，对“铝热反应”的现象有这样的描述：“反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒”“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。已知Al、Al2O3、Fe、Fe2O3的熔、沸点数据如下表：

物质

熔点/℃

Al 660 Al2O3

2 054 Fe 1 535 Fe2O3

1 565

沸点/℃

2 467 2 980 2 750 ……

(1)某同学推测，铝热反应所得到的熔融物可能是铁铝合金。理由是_______________________。

(2)设计一个简单的实验方案，证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。该实验用的试剂是________，反应的离子方程式是_______________。

(3)实验室欲溶解该熔融物，下列试剂中最好选用________(填字母)。

A．浓硫酸

B．稀硫酸

C．稀硝酸

D．浓硝酸

E．氢氧化钠溶液

第2课时

海水资源的开发利用

一、海水水资源的开发利用

1．直接利用海水进行________________。

2．海水淡化：主要方法有____________、______________、____________________。

3．海水的蒸馏

(1)原理

(2)注意事项

①烧瓶需垫____________加热。

②烧瓶所盛液体不能超过烧瓶容量的________，也不能少于________。

③需向烧瓶中加几粒沸石或几片碎瓷片，________________________。

④冷凝器里的冷却水要从冷凝器的______进、______出。

二、海水化学资源的开发利用

1．海水中的化学资源

海水中H、O两种元素，加上__________________________________________________等11种元素的总量超过________，其他为微量元素，共计含有80多种。

2．海水制盐

海水日晒结晶提纯精盐。

粗盐3．海带提碘

灼烧________过滤(1)流程：海带Cl2提纯―→碘单________质。

(2)原理：_______________________________________________________________。

4．海水提溴

________________提取。

(1)过程：浓缩(2)原理：________________________________________________________________。

5．海水提镁

沉淀过滤溶解结晶(MgCl2·MgCl2晶体(1)过程：浓缩6H2O)

金属镁。

(2)原理：①_________________________________________________________________；

②Mg(OH)2+2HCl===MgCl2+2H2O；

HCl

△

MgCl2+6H2O；

③MgCl2·6H2O

④________________________________________________________________________。

6.新能源的开发

(1)从海水中提取铀和重水，铀和重水是核能开发的重要原料。

(2)潮汐能、波浪能是待开发的新型能源。

一、海带中碘的提取与检验

海水中碘的浓度很低，碘一般从海带或海藻等植物中提取。使I−变成单质碘，可供选择的常见氧化剂有Cl2和H2O2。单质碘用苯或四氯化碳萃取，分液后用蒸馏的方法将碘和有机溶剂分开。

−−反应原理

Cl2+2I===I2+2Cl

碘的提取

工艺流程

反应原理

碘元素的检验

2H++2I−+H2O2===I2+2H2O

操作步骤

二、海水提溴的方法

工艺流程

浓缩

氧化

基本操作

富集

提取

三、海水提镁的方法

海水晒盐和海水淡化的过程中副产物Br−得到浓缩

向浓缩的海水中通入Cl2，将Br−氧化成Br2，反应的离子方程式为Cl2+2Br−===Br2+2Cl−

利用溴的挥发性，通入热空气和水蒸气，吹出的溴蒸气用SO2吸收，反应方程式为Br2+SO2+2H2O===2HBr+H2SO4

再用Cl2将HBr氧化得到产品溴

工艺流程

高温

CaO+CO2↑

CaCO3

反应原理

CaO+H2O===Ca(OH)2

MgCl2+ Ca(OH)2===Mg(OH)2↓+CaCl2

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

第二节

资源综合利用

环境保护

【学习目标】

能说出煤、石油、天然气的主要成分，如何对它们进行综合利用。

【学习重点】煤、石油、天然气的综合利用，特别是石油的利用；

【学习难点】石油裂化的原理

【知识梳理】

一、煤、石油和天然气的综合利用

1.煤的综合利用：煤是由

有机物

和

无机物

组成的复杂混合物，主要含

碳

元素，还含有少量氢、氧、氮、硫等元素。

（1）煤的干馏

煤干馏是指

把煤隔绝空气加强热使它分解的过程

，得到焦炭、煤焦油、煤气。煤干馏过程中发生一系列复杂的化学反应，从煤干馏产物中可获得重要的化工原料，如氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳、苯、甲苯、二甲苯、萘、酚类等。

（2）煤的气化

将煤中的有机物转化为可燃性气体的过程，主要反应为：

C + H2O高温

CO +H2

。

（3）煤的液化

煤的直接液化：

煤与氢气生成液体燃料

。

煤的间接化：

煤→

CO +H2 →

甲醇

。

2.天然气的综合利用：天然气是一种

高效、清洁

的化石燃料；同时也是一种重要的

化工原料

，主要用于合成

氨

和生产

甲醇

。

3.石油的加工：石油主要是由

碳氢化合物

组成的混合物。

（1）石油的分馏

石油分馏是利用原油中各组分

沸点

的不同，将复杂的混合物分离成较简单和更有用的混合物的过程。石油分馏主要在分馏塔中进行，通过分馏可以获得

汽油

、

煤油

、

柴油

等轻质油。

（2）石油的催化裂化

石油的催化裂化是将含碳原子较

多

、沸点较

高

的烃断裂为含碳原子较

少

、沸点较

低

的汽油的过程。石油裂化的产品再经过进一步裂解，可以获得很多重要的化工原料。

乙烯

、

丙烯

、

甲烷

等都是通过石油裂化和裂解得到的重要化工原料。例如：

C16H34



CH + CH

加热、加压818816催化剂C8H18



CH +CH

加热、加压48410催化剂C4H10



CH +CH

加热、加压436催化剂

C4H10

加热、加压催化剂

C2H4

+ C2H6

（3）其它的石油加工

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，获得

苯

、

甲苯

等重要化工基本原料。

4.以煤、石油和天然气为原料生产合成其他材料

（1）主要以煤、石油和天然气为原料生产的三大合成材料是

塑料

、

合成橡胶

、

合成纤维

。

（2）聚乙烯塑料的生产原理：

在适当的温度、压强和催化剂存在的条件下，乙烯可以发生

加聚反应

，形成相对分子质量巨大的

高分子化合物——聚乙烯

。用化学方程式表示该反应：

nCH2=CH2

→_—【CH2—CH2】n—

像这种反应成称为

加成聚合反应

，简称

加聚反应

。聚乙烯分子中，

单体

；

重复结构单元－CH2－CH2－称为

链节

；n称为

聚合度

。

（3）高分子化合物的基本特征是相对分子质量巨大。高分子化合物有天然的，如

淀粉

、

纤维素

、

天然橡胶

等，也有人工合成的，如

塑料

、

合成纤维

、

合成橡胶

。人工合成的高分子由于在自然界中

降解速率很慢，会造成巨大的环境压力。

二、环境保护和绿色化学

在环境保护问题上，化学工作者面临的任务主要有以下三个方面：

（1）对环境情况的监测

：对污染物的存在形态、含量进行分析和鉴定。

（2）

三废的处理

：对生产过程中产生的废气、废水和废渣进行处理，减少环境污染，实现资源的回收利用。

（3）

寻找源头治理环境污染的生产工艺

：实施清洁生产——绿色化学。

绿色化学的核是

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

。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

，这时原子利用率为100%。