.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复原出来的生产过程。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 热复原法 热分解法K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag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复原出来，例如：2HgO2Hg+O22Ag2O4Ag+O2热复原法：一般活泼的金属Zn-Cu), 通常是在高温下用复原剂C、CO、H2、活泼金属等将金属从其化合物中复原出来，例如： Fe2O3+3CO 2Fe + CO2WO3 + 3H2 W +3H2OZnO + CZn + COFe2O3+2Al 2Fe + Al2O3铝热反响 Cr2O3+2Al 2Cr+ Al2O3铝热反响电解法：非常活泼的金属K-Al用一般的复原剂很难将它们复原出来，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 + Cl2MgCl2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 + SO21.2 铝热反响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枯燥的氧化铁粉末和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。.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。.反响：Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3铝热反响.铝热剂及应用： (1)铝热剂：铝粉与*些金属比铝不活泼的金属氧化物的混合物。在高温下发生反响，放出大量的热，其混合物称为铝热剂；反响称为铝热反响。(2)铝热反响的特点：在高温下引燃后剧烈反响，放出大量的热，产生高温，使被复原出来的金属熔化，与熔渣别离。表达铝的复原性、氧化铝高熔点的性质。(3)铝热反响的应用：焊接钢轨冶炼高熔点金属：V、Cr、Mn、W等。1.3 金属提炼一般步骤：矿石的富集、除杂；冶炼；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珍贵财富，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：提高金属矿物的利用率。减少金属的使用量。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展循环冷却。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，在陆地上发现的多种化学元素，在海水中已找到多种包括超过总量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多种可供提取。如，氯化钠即食盐有亿亿吨，镁约有万亿吨，钾有万亿吨，溴约有万亿吨，核燃料约亿吨亿吨。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.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Mg熔融无水MgCl2MgCl2溶液试剂Mg(OH)2沉淀电解1为了使MgSO4转化为MgOH2，试剂可以选用NaOH ，要使MgSO4完全转化为沉淀，参加试剂的量应过量；验证MgSO4已完全转化为MgOH2的方法是取上层清液，参加NaOH溶液，不生成沉淀。2参加试剂后，能够别离得到MgOH2沉淀的方法是过滤。3试剂可以选用HCl。4无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl2，写出该反响的化学方程式：MgCl2熔融 Mg + Cl2.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。反响的化学方程式为：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到达富集的目的，反响的化学方程式为：Br2 + SO2 + 2H2O = 2HBr + H2SO44向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气，反响的化学方程式为：2HBr+ Cl2 = 2HCl+ Br25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。.【实验4-2】从海带中提取碘1反响原理：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，反响的离子方程式是：2I-+ H2O2 + 2H+ = I2 + 2H2O 。2操作步骤：取约3g干海带，把外表的浮着物用刷子刷净不要用水冲洗，以免洗去外表的碘化物，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顿加热，冷却。将海带灰转移到小烧杯中，向其中参加10ml蒸馏水，搅拌、煮沸23min,过滤。在滤液中滴入几滴稀硫酸3mol/l,再参加1mL H2O23%，现象：溶液变棕黄色。再参加几滴淀粉溶液，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：从海水中提取淡水海水淡化海水制盐海水资源的开发利用从海水中提取镁、钾、溴、碘等化工产品从海水中获取铀和重水作为核能开发的重要原料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以下图三、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、天然气获得根本化工原料。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干净的燃料和多种化工原料。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、燃料煤的气化：将煤转化为可燃性气体过程。主要反响是碳和水蒸气反响生成水煤气等高温主要反响：C(s) H2O(g) CO(g) H2(g)水煤气直接液化：煤 + H2 液体燃料催化剂煤的液化间接液化：煤 H2 CO 甲醇CH3OH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穿，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。.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，把石油别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以下图：仪器名称：温度计；蒸馏烧瓶；冷凝器；接收器；冷水进口；是热水出口。装置中要加碎瓷片，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、加压催化剂反响：以十六烷的催化裂化反响为例：C16H34C8H18C8H16加热、加压催化剂十六烷辛烷辛烯C8H18 C4H10C4H8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 C2H6C2H4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：C5C11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，进展三大合成。主