第四章 化学与自然资源的开发利用.docx
《第四章 化学与自然资源的开发利用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 化学与自然资源的开发利用.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第四章化学与自然资源的开发利用
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
一、金属矿物的开发利用
1、金属在自然界中的存在
除金、铂等极少数金属外，绝大多数金属元素以化合物的形式存在于自然界中。
在这些金属化合物里，金属元素都显正化合价。
2、金属冶炼的原理
金属冶炼是利用氧化还原反应将化合态的金属还原为游离态的金属。
3、金属冶炼的步骤
大多数金属矿石里含有杂质，其冶炼过程一般可以分为三个步骤：
第一步：
矿石的富集。
采矿、选矿、粉碎、筛选、洗矿等。
除去杂质，提高矿石中有用成分的含量。
第二步：
冶炼。
利用氧化还原反应原理，在一定条件下用还原剂或其它还原方法如电解，将金属化合物还原为金属单质。
得到粗金属的单质（仍含有少量杂质）
第三步：
精炼。
加入除杂剂或电解精炼。
提高金属纯度。
4、金属冶炼的方法
金属单质的还原性越强，其对应金属阳离子的氧化性越弱，在氧化还原反应中被还原的难度越大。
因不同金属的阳离子得电子的能力不同，故不同金属采取不同的冶炼方法。
（1）热分解法
对于不活泼金属，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+O2↑
2Ag2O
4Ag+O2↑
（2）热还原法
在金属活动性顺序表中处于中间位置的金属，通常是用还原剂（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↑
MgO+C
Mg（g）+CO（g）
Fe2O3+2Al
2Fe+Al2O3（铝热反应）
（3）电解法
非常活泼的金属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↑
4NaOH（熔融）
4Na+O2+2H2O
MgCl2（熔融）
Mg+Cl2↑
2Al2O3
4Al+3O2↑
一些对纯度要求较高的不活泼金属也可以采用电解其盐溶液的方法来进行冶炼，例如：
2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑
5、合理开发和有效使用金属资源的途径
（1提高金属矿物的利用率
（2用其他材料代替金属材料，减少金属的使用量。
（3加强金属资源的回收与再利用。
小知识：
1、活泼金属（K、Ca、Na、Mg、Al）的离子得电子能力弱，很难被还原，故通常用电解其熔融盐或熔融氧化物的方法来制取。
2、Al2O3熔点很高，通常要加入冰晶石（Na3AlF6）来降低其熔点，以节省能源。
3、工业电解铝采用Al2O3而不采用AlCl3是因为后者在熔融状态下不导电（共价化合物）；冶镁采用MgCl2而不采用MgO，是因为后者熔点更高，会浪费更多的资源。
4、工业生产钾是在850℃条件下用金属钠从熔化的KCl里把钾置换出来：
KCl+Na==NaCl+K↑从还原性强弱看，Na不能置换出Mg，但在850℃时，Na、
KCl、NaCl均熔化为液体，而K处于气态，把K蒸气抽走，将使平衡向右移动，反应得以进行。
【铝热反应】
现象：
镁条剧烈燃烧，发出耀眼的光，放出大量的热使
使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生反应；产
生大量的烟，纸漏斗下部被烧破，有红热的液
珠落在细沙上，冷却后变为黑色固体。
原理：
Fe2O3+2Al
2Fe+Al2O3
镁条作引燃剂，KClO3做助燃剂。
把铝粉和某些
金属氧化物（如：
Fe2O3、MnO2、V2O5、Cr2O3等）
的混合物叫做铝热剂，在高温下铝粉能置换出该金属氧化物中的金属。
（铝热反应放出大量的热，足以使高熔点的金属熔融成液态，这样就可以分离出熔融态的金属，达到冶炼这些金属的目的。
）
应用：
冶金工业上用此原理制取熔点较高的金属；在野外焊接钢轨。
注意事项：
1、镁带要打磨掉表面的氧化膜，混合物要干燥，采用还原铝粉。
2、氧化铁与铝粉的质量比大约3:
1，混合要均匀，保证充分反应。
3、纸漏斗内层滤纸用水润湿，以防纸漏斗损坏。
4、承接反应物的蒸发皿内要垫适量细沙，一是防止蒸发皿炸裂，而是防止熔融的液体溅出伤人。
二、海水资源的开发利用
1、海洋资源
海洋资源指能在海水中生存的生物，溶解于海水中的化学元素和淡水，海水运动所产生的能量，海水中贮存的热量，深层海底蕴藏的资源，特别是海底各种固态矿物，以及在深层海水中所形成的压力差、海水与淡水之间所具有的浓度差等
海洋中富含化学资源，蕴藏着大量的石油、天然气、煤、金、硫、铜、镍、磷、锰、铁、钴、锌、汞、铬、钼等许多矿藏
2、海水的淡化
从海水中提取淡水或从海水中分离出盐分，都可以达到淡化海水的目的。
海水淡化的方法主要有：
蒸馏法、电渗析法、离子交换法、膜分离法等。
蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较完善，但成本较高；目前，采用高分子分离膜淡化海水已经有了较大的突破，降低了能源的消耗。
海水淡化正向着多技术、多目的、综合利用的方向发展
3、海水提铀
主要方法是采用各种高效吸附剂富集铀，再分离得到铀
4、海水提溴
空气吹出法是用于工业规模海水提溴的常用方法
◤海水◢→（浓缩、酸化）◤浓缩海水Br-◢→（通入氯气）◤海水Cl-、Br2◢→（通入热空气）◤吸收塔SO2◢→（反应后富集溴）◤HBr、SO42-◢→（通入Cl2）◤Br2、Cl-◢→（分离）◤溴单质◢
主要反应：
Cl2+2Br-=Br2+2Cl-
Br2+SO2+2H2O=2HBr+2H2SO4
2HBr+Cl2=Br2+2HCl
前两步反应是为了富集溴元素，最后一步是为了制得溴单质
5、从还带中提取碘
◤海带◢→（晒干、灼烧）◤海带灰◢→（水、加热）◤含I-的水溶液◢→（滴入H2O2/H+）◤I2、H20◢→（淀粉）变蓝色
2H++2I-+H2O2=I2+2H20
（1海带不要用水洗，以免洗去海带中的碘
（2海带要用干的，因为湿的海带不易燃烧
（3灼烧海带的地方要注意通风，因为海带用酒精润湿过，酒精易挥发
6、从海水中提取镁
有关的化学反应：
MgCl2+Ca（OH）2=Mg（OH）2+CaCl2
Mg（OH）2+2HCl=MgCl2+2H20
MgCl2·6H20=（HCl）=MgCl2+6H20↑
MgCl2（熔融
Mg+Cl2↑
7、海水资源的综合利用
（1从海水中提取铀和重水，开发海洋药物，开发潮汐能、波浪能等新型能源
（2从海水中制得的氯化钠除用作食盐外，还用作工业原料，如生产烧碱、纯碱，金属钠以及氯气、盐酸、漂白粉等含氯化工产品
（3从海水中制取镁、溴、钾及其化工产品，是在传统海水制盐工业上的发展
【补充知识】
1、铝热法的应用
将铝粉和一定量的高熔点金属氧化物（如氧化铁）混合后，用镁条引燃，可以看到铝粉在较高温度下剧烈反应。
反应放出大量的热，温度可达25000C，并发出耀眼的光芒。
生成物为氧化铝和该高熔点金属的单质
铝热法的应用主要有：
（1在野外用于焊接金属等工程抢险作业
（2用于冶炼钒、铬、锰等高熔点金属
（3制造能熔穿装甲的穿甲弹
（4用于定向爆破：
计算槽钢厚度，估算铝热剂用量，在钢筋混凝土处挖槽，安放铝热剂，引燃时产生的温度高达25000C-35000C，足以使槽钢熔断
◆铝热法一般不会用于工业上大规模地冶炼钢铁，因为铝的成本比铁高的多
2、海水资源特点
（1广阔性：
海洋约占地球表面的70%，海洋中水的储量约为1.3×109亿吨，约占地球水量的97%
（2多样性：
元素周期表中112种元素有80多种存在于海洋中，海水中大约有4.5×109吨铀，相当于陆地上铀矿储量的4500倍
（3不均衡性：
不同的元素在海水中的含量不同，差别很大。
如1Kg海水中含氯19.10g，含钠10.62g，含金4×10-6g，只有氯的500万分之一
（4混溶性：
海水中的元素大部分以盐的形式溶解于水中，从某种意义上讲，海水是多种盐的混溶体
第二节资源综合利用环境保护
一、煤、石油、天然气的综合利用
【煤的干馏、气化和液化】
1、煤的组成
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。
2、煤的干馏
将煤隔绝空气加强热使其分解的过程叫做煤的干馏；工业上也叫做煤的焦化。
煤经过干馏能生产出焦炭、粗氨水和焦炉气等。
煤焦油是含有多种芳香族化合物如三苯（苯、甲苯和二甲苯）的复杂混合物（有几百种物质）
煤的干馏能够减少燃煤污染，提高燃煤的热效率，且能从煤种提取有价值的化工原料。
煤中并不含有苯、甲苯等物质，而是煤发生化学变化-----干馏后生成的煤焦油中含有此类物质。
3、煤的气化
煤的气化是指在一定条件下，将煤转化为可燃性气体的过程，主要反应是碳与水蒸气反应生成水煤气等。
C（s）+H2O（g）
CO（g）+H2（g）
4、煤的液化
煤的直接液化是指将煤与氢气作用生成液体燃料；煤也可以间接液化，先把煤转化为CO和H2，再在催化剂作用下合成甲醇。
【石油的炼制】
1、石油的成分
从组成元素上看，石油的成分主要是碳和氢；从组成物质种类上看，石油是有各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物；从组成物质状态上看，石油主要是液态烃的混合物，同时溶有气态烃和固态烃。
（还有水分、盐分等杂质）
2、石油的分馏
利用原油中各组分沸点的不同，将复杂的混合物分离成简单的和更有用的混合物的过程叫做分馏。
分馏是物理变化过程。
由于石油中有些物质的沸点很接近，所以石油分馏的产物仍然是多种烃的混合物。
工业上分馏石油的主要设备是分馏塔；分馏的产品主要有汽油、没有、柴油、石油气等。
<概念辨析>
3、石油的裂化
在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃的过程叫做石油的裂化。
在催化剂作用下的裂化又叫做催化裂化。
例：
C16H34
C8H18+C8H16
十六烷辛烷辛烯
（1石油的裂化方式主要是均裂，也就是平均分配碳原子
（2石油裂化的目的是为了提高轻质液体燃料的产量和质量，特别是提高汽油的质量。
（3石油分馏所得的汽油为直馏汽油，其成分多为饱和烃，燃烧质量差，爆震性强；石油裂化所得的汽油叫做裂化汽油，其成分含有较多像辛烯这样的不饱和烃，燃烧质量好，爆震性弱。
能使溴水和酸性高锰酸钾溶液褪色的是裂化汽油。
4、石油的裂解
在石油化工生产中，采用比石油裂化更高的温度（700--1000℃以上），使某些石油加工产品转化为分子内含碳原子数更少、沸点更低的气态化工原料。
例
C4H10
CH4+C3H6
丁烷甲烷丙烯
C4H10
C2H6+C2H4
丁烷乙烷乙烯
（1裂解是一种深度裂化，目的是以获得像乙烯、丙烯等不饱和烃为主要成分的基本化工原料。
石油裂解是工业上获得乙烯的主要方法。
5、催化重整
在加热和催化剂的作用下，通过结构的重新调整，使石油中的链状烃转化为环状烃，如苯和甲苯。
（1催化裂化和催化重整都可以提高汽油的质量。
【天然气的加工】
1、天然气的组成
天然气主要是气态烃，其中最主要的成分是甲烷（CH4）。
2、天然气的综合利用
天然气是一种清洁能源，可以直接用做燃料。
天然气作为化工原料，主要用于合成氨，生产甲醇以及合成分子内含两个或两个以上碳原子的其他有机化合物。
（1一碳化学以含一个碳原子的甲烷为原料，通过化学变化形成含两个碳原子（乙烯、乙炔、乙酸、乙醇等）或更多个碳原子的有机物的化学。
天然气重整：
CH4+H20
CO+H2
【生产合成材料】
1、三大合成材料
塑料、合成橡胶、合成纤维统称为三大合成材料，都主要以煤、石油、天然气为原料生产的。
2、高分子化合物
相对分子质量很大，一般从几万到几百万，甚至高达几千万的一类化合物，简称高分子化合物或聚合物。
高分子化合物分为天然高分子化合物（如淀粉、纤维素、蛋白质等）和合成高分子化合物（如塑料、合成橡胶、合成纤维等）
（1相对分子质量很大，一般从几万到几十万
（2由于结构中n不同，高分子化合物都属于混合物
（3废弃物一般难以降解
3、聚合反应
由相对分子质量小的化合物（如乙烯）生成相对分子质量很大的有机高分子化合物（如聚乙烯）的反应叫聚合反应
4、加聚反应
由不饱和的低分子化合物相互加成生成高分子化合物的聚合反应叫做加聚反应，如：
单体：
合成高分子化合物的小分子叫单体，如聚乙烯的单体是乙烯
链节：
高分子化合物中重复出现的结构单元称为链节，如聚乙烯的链节是：
-CH2-CH2-
聚合度：
高分子化合物中所含单体的数目，即链节的重复次数n称为聚合度
（1一个双键断开变单键，双键两边碳连成长链
（2反应前的单体和反应后的链中碳、氢原子数目相等，即没有加入或减少任何原子
5、缩聚反应
指两种或两种以上的单体相互结合生成聚合物，同时有小分子生成的反应，如酚醛树脂（电木）的合成：
六大纶（涤纶、锦纶、腈纶、维纶、氯纶、丙纶）及醇酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂等是以缩聚反应的方式形成的高分子化合物
【环境保护】
当前的环境状况：
人为地破坏环境造成了环境状况较差，环境问题突出
解决环境问题的主要任务：
一是治理已造成的和正在造成的环境污染；二是实施绿色化学战略，从源头上、从根本上彻底解决环境污染的问题
1、环境问题
含义：
通常所说的环境问题，主要是指由于人类不合理地开发和利用自然资源而造成的生态环境破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的环境污染
任务：
化学工作者所面临的重要任务是对环境情况的监测、三废的治理、寻找从源头上治理环境污染的生产工艺
2、环境监测
对污染物的存在形态、含量、分布和转化规律等方面进行分析和鉴定，提供可靠的分析数据；了解和掌握环境污染的规律，提出消除和控制污染的措施
3、环境污染
主要包括大气污染、水污染、土壤污染等，还包括固体废弃物、放射性、噪声污染等
（1工业三废：
废水、废气、废渣
（2粉尘：
指煤、矿石等物体物料在运输、筛选、粉碎、卸料等机械处理过程中产生的或是由风扬起的灰尘等
（3“白色污染”指的是聚乙烯等塑料垃圾
（4光化学污染形成的主要原因是汽车排出的碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳等造成的，危害人体健康，影响植物生长
（5引起赤潮的原因：
工农业及城市生活污水中含大量的磷、氮
（6氰化物：
CN-（电镀液中常含有）有剧毒，含CN-的污水、废气会严重污染环境
（7Cu、Hg、Pb、Ba、Sn等重金属盐可使人中毒，误食后应立即喝大量鸡蛋清或牛奶解毒
（8NaNO3有毒，外观类似于食盐，易误食。
进入血液，可把亚铁血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，使血液失去携氧功能，造成组织缺氧
（9从能源利用条件看，我国的主要大气污染是煤烟型及SO2和烟尘
（10城市大气中铅污染的主要来源是使用含铅汽油的汽车尾气
（11空气质量检测：
空气质量日报主要内容包括“空气污染指数”、“空气质量级别”、“首要污染”等；目前计入空气污染指数的项目暂定为：
二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物等
（12臭氧空洞：
主要是氮的氧化物、氟氯代烃等的排放引起的；使地球上的生物受太阳紫外线的伤害加剧
（13温室效应：
主要是由于大气中CO2含量的不断增加造成的
（14水吴病：
含汞工业废水引起的水体污染，可使鱼类中毒，人食用中毒的鱼会造成人体汞中毒
4、水污染
工业废水，生活污水，农田过度施肥，喷洒农药都会对水资源造成污染
（1水的富营养化：
水体中氮和磷等植物营养物质过多蓄积引起的污染，称为水的富营养化，形成原因是含磷洗衣粉的大量使用及生活污水的任意排放
（2水的富营养化会使水中微生物和藻类过度生长这些藻类和鱼类争夺溶解氧，同时有的藻类还分泌一些毒素造成鱼类大面积死亡，使水质恶化，若发生在淡水中称为“水华”，发生在海水中称为“赤潮”
（3防治措施：
工业、生活用水经处理后排放，限制使用含磷洗涤剂等
5、固体废弃物污染
（1白色污染：
指难降解的塑料对环境造成的污染
（2成因和危害：
塑料制品的过度使用，使我们周围环境中塑料垃圾越来越多。
塑料可以破坏土壤结构，使土壤的透水、透气性变差，塑料中的有毒物质在水中浸泡时会释放出来，用不正当方式焚烧塑料会造成空气质量恶化
（3防治措施：
限用、回收、研制可降解塑料等
6、大气污染
（1成因：
主要来自于化石燃料的燃烧和化工厂排放的硫氧化物和氮氧化物等废气及汽车尾气
（2酸雨的危害：
使水域和土壤酸化，损害农作物和林木的生长；危害渔业生成；腐蚀建筑物、工厂设备和文化古迹；也危害人类健康。
因此酸雨会破坏生态平衡，造成很大的损失
（3酸雨的防治
a.调整能源结构，发展清洁能源，优化能源质量，提高能源利用率，减少燃煤产生的二氧化硫和氮氧化物等有害气体的量
b.加强环境管理，强化环保意识，严格控制二氧化硫的排放量
c.研究、开发适合我国国情的二氧化硫治理技术和设备
①原煤脱硫技术，可以除去燃煤中大约40%-60%的无机硫
②改进燃煤技术，减少燃烧过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量
③对煤燃烧后形成的烟气脱硫，目前采用石灰法，此法脱硫效果好，可以除去烟气中85%-90%的二氧化硫，但是成本较高
目前采取的措施是对化石燃料进行脱硫处理，在煤炭中加入CaO作“固硫剂”，煤燃烧时产生的SO2可被CaO吸收。
对于化工厂排出的废气可以用氨水或氢氧化钠溶液吸收
【绿色化学】
绿色化学是指以绿色意识为指导，研究和设计没有环境副作用、在技术上和经济上可行化学制品的过程
1、目标：
研究与寻找利用无毒害原料最大限度地节约能源，在各个生产环节都实现净化为零排放或零污染，是提高经济效益和环境效益的根本措施
2、核心：
利用化学原理从源头上减少或消除工业生产对环境的污染
原子经济：
按绿色化学的原则，最理想的原子经济目标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%
3、从科学观点看：
是化学基础内容的更新（改变反应历程）
4、从环境观点看：
强调从源头上消除污染（从一开始就避免污染物的产生）
5、从经济观点看：
它提倡合理利用资源和能源，降低生产成本（尽可能提高原子利用率）
6、原子经济：
按绿色化学的原则，最理想的原子经济目标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%
原子利用率＝（期望产物的总质量/生成物的总质量）×100%
7、绿色化学的特点
a．开发绿色反应，将原子利用率提高到100%
b．使用无毒害的原料
c．选用无毒无害的催化剂
d．使用无毒无害的溶剂
e．发展“绿色工艺”
f．开发和生产绿色产品
【补充知识】
1、煤≠炭
（1煤是有机物和少量无机物组成的混合物，其主要成分为有机物；而炭的主要成分是碳单质
（2煤呈黑色，粉状或块状；炭是浅灰色，块状
（3煤既是燃料，又是重要的化工原料；炭主要用作燃料，也可以用作吸附剂等
（4煤主要来自于矿藏开采；而炭多来自于木材加工
2、煤气、液化气和天然气的区别
煤气是煤炭气化的产物，主要成分有H2、CO等
液化气是石油炼制厂的副产品压缩所得，主要成分有丙烷、丁烷等物质
天然气是采自天然气矿，主要成分是甲烷
民用液化石油气的代号为PLG，而压缩天然气的代号为CNG
升级会员 