化学与自然资源的开发利用.ppt

第四章化学与自然资源的开发利用,黑龙江省庆安一中孙秀民,人教版必修2,化学研究和应用在自然资源的合理开发和综合利用中发挥着重要的作用。利用化学变化，可以改变物质原有的组成、结构，使之具有更加优异的性质和功能；可以合成自然界原本没有的物质；可以开发人类社会发展所需的能源；还可以不断地扩大可利用自然资源的范围；等等。化学在提高资源的利用率、保护自然环境等方面也同样发挥着重要作用。,第一节开发利用金属矿物和海水资源,自然资源与可持续发展广义地讲，所谓自然资源，是指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称。可持续发展的目标是满足人类需要，强调人类的行为要受到自然界的制约、强调代际之间、人类和其它生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。它包括经济的可持续发展，社会的可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展和全球可持续发展。,思考：1.金属冶炼指什么？2.为什么不同金属的冶炼方法不同？3.金属活动性顺序与金属冶炼有什么关系？,阅读教材P88,一、金属矿物的开发和利用,思考与交流：请同学们列举出常见金属的名称？这些金属以何种形式存在于自然界中？,金属元素种类多，分布广，活动性差别大，在自然界的存在形式各异，少数不活泼金属以游离态存在（如金和铂等），多数金属以化合态存在。人们在生活和生产中使用的金属材料多是合金或纯金属，这就需要把金属从矿石中提炼出来，提炼的过程就是金属的冶炼过程。,将金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程，在工业上称为金属的冶炼。金属冶炼的步骤：第一步：矿石的富集。除去杂质，提高矿石中有用成分含量。第二步：冶炼。利用氧化还原反应，在一定条件下，把金属离子还原成单质。第三步：精炼。采用一定方法，提炼纯金属。,大多数金属矿石里含有杂质，如石英、石灰石等，因此在冶炼金属时首先需要富集矿石。,在富集好的矿石中利用不同方法将金属还原出来，最后进行提纯。,(一)金属冶炼的方法,1.热分解法,2.电解法,3.热还原法,4.物理提取法：适用于极不活泼的金属：Pt、Au,1.热分解法:适用于金属活动性顺序表中氢以后的金属冶炼。,2.电解法:适用于钾、钙、钠、镁、铝等非常活泼金属的冶炼。,3.热还原法:适用于金属活动性顺序表中部的金属冶炼。,原理：在高温下发生氧化还原反应，常用的还原剂有焦炭(C)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)等，以及一些活泼金属(如Al)也可做还原剂。,利用热还原法冶炼的金属还有:,“金属的冶炼”的实质是什么？,冶炼金属的实质是用还原的方法使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子。,(二)不同金属冶炼方法的选择,KCaNaMgAlZnFeSnPb（H）CuHgAg,电解法,热还原法,热分解法,要根据金属的活动性顺序不同，采取不同的冶炼方法,教材P89表4-1常见金属的冶炼原理,实验探究,铝热反应：,1.实验步骤2.实验现象3.实验原理,注：(1)镁条、氯酸钾的作用引燃剂(2)Al和Fe2O3的混合物称为“铝热剂”,反应现象：,镁条剧烈燃烧，放出一定的热量，使氧化铁粉末和铝粉在较高温度下发生剧烈的反应。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。待熔融物冷却后，除去外层熔渣，仔细观察，可以发现落下的是铁珠。,反应原理：,在高温下，Al作还原剂，将金属氧化物中的金属迅速置换出来，并放出大量的热，新生成的金属单质呈熔融态易于和Al2O3分离。,铝热反应的应用,你能总结出铝热反应的规律吗？,铝热反应的原理可以应用在生产上，如用于焊接钢轨等。在冶金工业上也常用这一反应原理，使铝与金属氧化物反应，冶炼钒、铬、锰等高熔点的金属。,3MnO2+4Al=3Mn+2Al2O3,高温,Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3,高温,3Co3O4+8Al=9Co+4Al2O3,高温,其它的铝热反应,(三)金属的回收,金属回收的意义,金属回收的实例,金属的回收和资源保护,合理开发和利用矿物资源，主要途径有：,练习,1、下列各种冶炼方法中，可以制得相应金属的是（）A、加热氧化铝B、加热碳酸钙C、电解熔融氯化钠D、氯化钠与铝粉高温共热2、根据金属在金属活动顺序表中的位置及性质，推测制取下列金属最适宜的方法：NaZnHgAu,C,电解法,加热还原法,加热分解法,物理提取法,二、海水资源的开发和利用,海洋约占地球表面积的71%，具有十分巨大的开发潜力。仅以海水资源为例，海水水资源的利用和海水化学资源的利用具有非常广阔的前景。,为什么中日在钓鱼岛问题上互不相让?,钓鱼岛又称钓鱼台、钓鱼台群岛、钓鱼台列岛（日本人称其为“尖阁列岛”），位于中国东海大陆架的东部边缘，在地质结构上是附属于台湾的大陆性岛屿。钓鱼列岛周围海域面积约为17万平方公里，相当于5个台湾本岛面积。钓鱼诸岛及其附近海域，不仅蕴藏有大量石油资源，在其他方面也有巨大的经济价值。,问题与讨论,海水中蕴含着丰富的水资源和化学资源，未来人类将重点开发海洋资源。,1、海水资源,海洋约占地球表面积71%海洋中的资源：动物:（鱼类、海狮、海马、贝类植物:（海草、海带矿物:（各种盐、NaCl、MgCl2、海底金属结核矿、石油水:海水中的水约1.3X109亿吨,占地球总水量97%还含有80多种元素,二、海水资源的开发和利用,1、海水水资源的利用,海水淡化的方法:蒸馏法（最先使用，技术成熟，但成本高）电渗析法（成本低，但未能大量生产）离子交换法（目前正迅速发展，但需要不断更新离子交换树脂）,大连石化公司海水淡化处理,海水过滤器,经处理后海水就变成了可以饮用的纯净的水,它是利用离子交换膜的选择透过性，在直流电场的作用下使水中的离子有选择的定向迁移，使溶液中阴阳离子发生分离的一种理化过程，由于其能耗低、产水量大、脱盐率高稳定性强等特点，现已被广泛的用于医药、电子、化工、食品、硬水软化、海水淡化等方面。,电渗析法：,2、海水水化学资源的开发利用,由于与岩石、大气和生物的相互作用，海水中溶解和悬浮着大量的无机物和有机物，按含量计，H2O中的H、O两种元素，加上Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、Br、Sr等11种元素超过总量的99%，其他为微量元素，总计含有80多种元素。虽然海水中元素的种类很多，总储量很大，但许多元素的富集程度却很低。例如，海水中金元素的总储量为5107t，而1t海水中的含量仅有410-6g。因此，海洋是一个远未完全开发的巨大化学资源宝库。,2、海水水化学资源的开发利用,我国海水制盐具有优久的历史。目前，从海水中制得的氯化钠除食用外，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。从海水中制取镁、钾、溴及其化工产品，是在传统海水制盐工业上的发展。,海水的综合利用,海水制盐生产NaClNaCl的水溶液制NaOH制金属Na,2NaCl+2H2O电解H2+Cl2+2NaOH,2NaCl（熔融）电解2Na+Cl2,制Na2CO3,从海水中提取溴,2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O,从海水中制取金属镁,空气吹出法制溴的实验设计,问题：海水里有大量的Br，工业上需用Br2,实现该转化的原理是什么？,原理：,BrBr2,加氧化剂,在实际生产Br2中，过程比较复杂，请设计制溴的步骤（根据书第91页资料卡片，用框图表示步骤，标出每步所加的物质）写出相关的化学反应方程式。,思考与交流：,空气吹出法制溴步骤：,浓缩海水,产品溴,HBr,溴水,将Br2吹入吸收塔,化学反应方程式：2NaBr+Cl2=2NaCl+Br2Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO42HBr+Cl2=2HCl+Br2,蒸馏法(或电渗析法、离子交换法等),Cl2+2Br=Br2+2Cl,Br2+SO2+2H2O=H2SO4+2HBr,Cl2Br2SO2,1,从海水中制取金属镁化学反应方程式：MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2Mg(OH)2+2HCl=MgCl2+H2O,第二步：海水Mg(OH)2盐酸、浓缩、脱水MgCl2电解Mg,第一步：制石灰乳：贝壳煅烧CaO水石灰乳,石灰乳,(在HCl气流保护下加热),1.从海水中提取下列物质,可以不涉及到化学变化的是()AMgBNaClCBr2DK2.医生建议因缺少某种元素而患甲状腺肿大的病人多食用海带,这是因为海带中含有较丰富的()A碘元素B铁元素C钾元素D锌元素,B,A,练习,3.从海水中提取镁的主要流程是(),A,A海水Mg(OH)2盐酸MgCl2电解Mg,B海水盐酸MgCl2电解Mg,C海水NaOHMg(OH)2电解Mg,D海水Cl2MgCl2电解Mg,加入MgCl2溶液，充分搅拌，过滤，沉淀用水洗涤。,搅拌，加速溶解,引流，使滤液沿玻璃棒流入漏斗，防止外溅,搅拌，防止因局部过热而使液体或晶体飞溅,教材P91实验4-2海带中提取碘的实验,加氧化剂,原理:,用淀粉溶液检验，看它是否变蓝。,检验I2:,过滤。操作时注意：一贴二低三靠。,问题:怎样分离溶液与不溶物，操作时应注意些什么？,教材P91实验4-2海带中提取碘的实验,在滤液中滴入几滴稀H2SO4，再加入约1mLH2O2。,加H2O2溶液变褐色,加淀粉变蓝。,现象:,2I-+2H+H2O2=I2+2H2O,从海带中提取碘的步骤,化学反应原理与实际应用有相当大的距离。,结论：,问题：,化学原理和实际应用只有一步之遥,对吗？,萃取、分液,分液漏斗,BD,C,ICl+I=I2+Cl,海水提Mg,海水晒盐,Na的提取,溴碘的提取,教材P93习题4,4.镁及其合金是一种用途很广的金属材料，目前世界上60%的镁是从海水中提取的。主要步聚如下：,(1)为了使MgSO4转化为Mg(OH)2，试剂可以选用，要使MgSO4完全转化为沉淀，加入试剂的量应；,(2)加入试剂后，能够分离得到Mg(OH)2沉淀的方法是；,(3)试剂可能选用；,(4)无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl2，该反应的化学方程式为：；,过量,NaOH,过滤,盐酸,第四章化学与自然资源的开发利用,第二节资源综合利用环境保护,工业生产需要大量的原料，消耗大量的能源，在得到所需产品的同时产生了大量废气、废水和废渣，处量不当就会污染环境。气候变暧、臭氧层破坏、酸雨和赤潮等全球性和区域性环境问题，正在威胁着人类的生存和发展，保护自然环境已成为实现人类社会可持续发展的重要课题。,一、煤、石油和天然气的综合利用,1.从煤、石油和天然气中获得基本化工原料,煤是人类历史上最古老的能源之一。在几千万年甚至几亿年以前，当时的气候及环境条件都适合许多种植物的生长，在沼泽地区出现了大量生长繁茂的植物。后来随着时间的推移，这些植物逐渐死亡，它们在细菌的作用下逐渐变成黑色或褐色的有机物质，经过长久的日积月累，形成一层厚厚的泥炭。随着地壳的变迁，这些泥炭被深深地埋在地下，在与空气完全隔绝的条件下，由于水分减少再加上地热和高压的作用，经过极其漫长的岁月之后，当时的泥炭就变成了今天的煤。根据煤化程度将煤分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤四类。各类煤除主要含碳外，还含有少量氢、氧、氮、硫、磷等元素及其分矿物质。煤的含碳量随煤化程度加深而增加，而含氢量随煤化程度加深而减少。硫是煤中的有害成分。,煤是不可再生的能源!,煤是由有机物和少量无机物组成的复杂混合物，其组成以碳元素为主，还含有少量的氢、氧、氮、硫等元素。,煤的结构模型,煤的综合利用,(1)煤的干馏是指将煤隔绝空气加强热使之分解的过程，工业上也叫煤的焦化。,通过煤的干馏、煤的气化和液化而获得洁净的燃料和多种化工原料，是目前实现煤的综合利用的主要途径。,实验装置1,实验装置2,从煤干馏产物中可获得重要的化工原料如下表：,P95表4-2煤干馏的主要产品和用途,(2)煤的气化：,将煤中的有机物及碳转化为可燃性气体的过程。,中热值气,高热值气,将煤转化液体燃料的过程。,（3）煤的液化：,如：,分为直接液化和间接液化。,煤的综合利用,煤的干馏,煤的气化,煤的液化,获得洁净的燃料和多种化工原料物尽其用，保护环境,煤直接作燃料利用率低并污染环境,煤的用途,一、石油的组成元素:,主要是碳、氢元素,石油是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。（还有水分、盐分等杂质）,石油的主要成分：,二、石油的炼制(除水脱盐后),（1）石油的分馏：,利用原油中各组分的沸点不同将复杂的混合物分离成简单混合物的过程。,石油的综合利用,石油分馏示意图,比较蒸馏、分馏、干馏,三、石油的裂化和裂解(1)裂化的目的：(2)裂化的原理：石油的裂化是在催化剂的作用下将含碳原子较多的重油(烃)断裂成含碳原子较少的烃的过程。,提高轻质液体(汽油)燃料的产量和质量。,(3)裂解:是深度的裂化。,裂解的目的：获得乙烯、丙烯、甲烷等重要化工基本原料。,(乙烯的产量是衡量一个国家石油化工发展水平的标志),P97,石油的裂化和裂解,石油的综合利用,天然气既是一种清洁的化石燃料，更是一种重要的化工原料，作为化工原料，它主要用于合成和生产等。天然气化工以含一个碳原子的甲烷为原料，通过化学变化形成含两个或多个碳原子的其他有机化合物。实现天然气的有效转化是一项具有挑战性的课题。,氨,甲醇,天然气的综合利用,2.以煤、石油和天然气为原料生产合成材料,(1)三大合成材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,催化剂,石油、煤、天然气,相对分子质量很大，属于高分子化合物。,加聚反应、缩聚反应,合成材料,1.原料：,2.合成材料基本特征：,3.合成材料的合成原理：,(例如由乙烯合成聚乙烯为加聚反应),加聚反应：小分子的烯烃或烯烃的取代衍生物在加热和催化剂作用下，通过加成反应结合成高分子化合物的反应，叫做加成聚合反应，简称加聚反应。,聚合反应：由相对分子质量小的化合物分子互相结合成相对分子质量大的高分子的反应。,四个概念,聚丙烯：,单体：,CH2CHCH3,链节：,聚苯乙烯,单体：,聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）,单体：,酚醛塑料(电木),单体：,苯酚、甲醛,聚四氟乙烯,单体：,CF2CF2,思考与交流：1、目前，回收利用废旧合成材料有很多途径，请查阅资料了解有哪些途径？并试着从环境保护和经济成本等方面作出评价。2、你认为应该限制生产、使用聚苯乙烯塑料快餐盒，还是回收利用？请用必要资料和数据作为论据。,1、回收利用废旧合成材料主要有三种途径：一是通过熔融再生重新作成多种有用的材料；二是采用热裂解或化学处理的方法使其分解，用于制备多种化工原料；三是将废旧合成材料作为燃料使用。,练习：,1.石油加工的主要目的是（）A.将石油按其成分的沸点不同加以分离B.将石油按饱和与不饱和烃加以分离C.得到碳原子数多的烃类D.将石油中烷烃、环烷烃和芳香烃分开,A,2.用重油制取丙烯的方法是（）A.减压分馏B.干馏C.裂化D.裂解,D,3.石油裂解的目的是（）A.提高轻质液体燃料的产量B.主要提高汽油的产量C.获得短链不饱和烃D.改善汽油的质量,C,石油裂化的目的,二、环境保护与绿色化学,求知课堂互动1、环境保护(1)在环境问题面前，化学工作者所面临的重要问题在环境问题日益突出的今天，化学工作者所面临的重要任务是对的检测、的治理、寻找从源头上治理的生产工艺。(2)化学在三废治理过程中的重要作用,环境情况,三废,环境污染,环境：主要是指人类的生存环境。环境问题：主要是指由于人类不合理开发和利用自然资源而造成生态环境的破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的环境污染问题。环境污染：人类排放的污染物质超过了环境的自净能力，引起环境质量发生不良变化从而危害人类健康和生存的现象。因此，要随时进行环境监测！如：水华、赤潮、酸雨、光化学烟雾,环境污染的分类：,按环境要素：分大气污染、水体污染、土壤污染。按人类活动分：工业环境污染、城市环境污染、农业环境污染。按造成污染的性质、来源分：化学污染、生物污染、物理污染（噪声、放射性、热、电磁波等）、固体废物污染、能源污染。,大气污染,酸雨（P101思考与交流1）,臭氧层空洞,全球气候变暖,简单介绍光化学烟雾,水污染,水华、赤潮（含磷洗衣粉等、太湖蓝藻事件）,重金属盐污染,太湖蓝藻事件,电池（Cd、Hg等）,土壤污染,白色污染（结合P99思考与交流）,合理使用农药化肥,思考与交流(P101):1、硫氧化物和氮氧化物是形成酸雨的主要物质。工业上常利用它们与一些廉价易得的化学物质发生反应加以控制、消除或回收利用。请举例说明这些方法的化学反应原理和类型。,酸雨是指PH5.6的酸性降水，其主要成分是硫酸和硝酸，属于严重的大气污染现象，会区域性或随风漂移形成对土壤肥力、森林、水生动植物和建筑物等的大范围危害。酸雨主要是由化石燃料的燃烧、金属矿物的冶炼、生产和使用硫酸、硝酸的工厂等排放的硫氧化物和氮氧化物所造成的。,2、水华是淡水中的一种自然生态现象，是由于水的富营养化引起藻类（如蓝藻、绿藻、硅藻等）的迅猛生长，水一般呈蓝色或绿色。,淡水中“水华”造成的最大危害是：,饮用水源受到威胁，藻毒素通过食物链影响人类的健康，蓝藻“水华”的次生代谢产物MCRST能损害肝脏，具有促癌效应，直接威胁人类的健康和生存。,赤潮是由于海水中浮游藻类、原生动物或细菌异常增殖或聚集而引起海水变色的现象。实际上，赤潮并不一定都是红色的，它可因引发赤潮的生物种类和数量不同而呈现出不同颜色。,绿色化学理念（防治优于治理）,核心：利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境造成的污染。又称为“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”。从学科观点看：是化学基础内容的更新。（改变反应历程）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）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）热点：原子经济性反应物原子全部转化为最终的期望产物，原子利用率为100%。,图4-13绿色化学示意图,体会绿色化学的思想及对生产和环境的重要作用,经典：氯代乙醇法25%现代：银催化法100%,练习：1.绿色化学对于化学反应提出了“原子经济性”（原子节约）的新概念及要求。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子全部转变成所需产物，不产生副产物，实现零排放。下列几种生产乙苯的方法中，原子经济性最好的是（反应均在一定条件下进行）（）,C,2.某工厂利用铜屑制硝酸铜。你认为可以用哪些方法？哪种最好？,利用铜屑制硝酸铜可以采用以下三种方法：铜与浓硝酸反应；铜与稀硝酸反应；铜与氧气反应后，再与硝酸反应。从原子经济性的角度考虑，从最大限度地减少废物的排放的角度考虑，采用铜与氧气反应后，再与硝酸反应的方法是最好的。,解析：选D。在通风橱中制取Cl2，不用NaOH溶液吸收尾气，Cl2逸到空气中，污染环境。,D,课堂互动讲练,1化学“三馏”,2.化学“两裂”,3.化学“六气”,特别提醒：(1)由于石油中有些物质的沸点很接近，所以每种石油的馏分仍然是多种烃的混合物。(2)因为裂解气中含有烯烃，因此把裂解气通入溴水或酸性KMnO4溶液，二者会褪色。,D,【解析】A项，天然气的主要成分是CH4，完全燃烧生成CO2和H2O，对环境无污染，而煤或柴油燃烧能产生污染环境的SO2、NOx等气体；B项，C2H5OH完全燃烧生成CO2