高中化学必修第二册 金属与海水化石燃料知识清单

高中化学必修第二册金属与海水化石燃料知识清单一、金属矿物的开发利用：从矿石到单质的核心路径（一）金属冶炼的本质与存在形态【基础】金属冶炼的实质是将金属从其化合态还原为游离态的过程，即利用氧化还原反应原理，使矿物中的金属阳离子获得电子，被还原为金属原子。在自然界中，除金、铂等极少数化学性质不活泼的金属以游离态（单质）形式存在外，绝大多数金属元素因化学性质活泼，均以化合态形式存在于各种矿物之中，如氧化物、硫化物、碳酸盐等。（二）金属活动性顺序与冶炼方法的选择【非常重要】【高频考点】金属的冶炼方法直接取决于金属离子的氧化能力，其规律与金属活动性顺序表高度一致。金属越活泼，其阳离子氧化性越弱，越难以被还原，对冶炼技术的要求也就越高。1.电解法：适用于冶炼金属活动性顺序中铝及铝之前的非常活泼金属（K、Ca、Na、Mg、Al）。由于这些金属的阳离子极难得到电子，一般的还原剂无法将其还原，必须借助直流电的强制作用，使熔融态的化合物在电极上发生氧化还原反应。例如：电解熔融氯化钠：2NaCl（熔融）电解2Na+Cl₂↑电解熔融氯化镁：MgCl₂（熔融）电解Mg+Cl₂↑电解熔融氧化铝：2Al₂O₃（熔融）冰晶石电解4Al+3O₂↑【难点】冶炼铝为何不用氯化铝？氯化铝（AlCl₃）是共价化合物，熔融态不导电，无法电解，因此只能电解其离子化合物氧化铝（Al₂O₃）。但氧化铝熔点极高（约2050℃），需加入冰晶石（Na₃AlF₆）作为助熔剂，降低熔融温度，节约能源。2.热还原法：适用于冶炼金属活动性顺序中位于锌到铜之间的中等活泼金属（Zn、Fe、Sn、Pb、Cu）。这些金属的阳离子氧化性适中，常用的还原剂包括C、CO、H₂以及活泼金属（如Al）等。这是冶金工业中应用最广泛的方法。CO作还原剂：Fe₂O₃+3CO高温2Fe+3CO₂（高炉炼铁）H₂作还原剂：WO₃+3H₂高温W+3H₂OC作还原剂：2CuO+C高温2Cu+CO₂↑铝热反应（活泼金属作还原剂）：2Al+Fe₂O₃高温2Fe+Al₂O₃3.热分解法：适用于冶炼金属活动性顺序中位于氢之后的不活泼金属（Hg、Ag）。这些金属的化合物热稳定性较差，通过直接加热即可分解得到金属单质。2HgO△2Hg+O₂↑2Ag₂O△4Ag+O₂↑4.物理提取法：适用于金、铂等以游离态存在的极不活泼金属，利用其密度大或其他物理特性，通过砂水冲洗等物理方式进行富集和提取。（三）铝热反应深度剖析【重要】【实验探究】铝热反应不仅是冶炼金属的方法，更是体现“铝的强还原性”和“反应放热”的经典实验。1.实验原理：铝粉与某些金属氧化物（如Fe₂O₃、Cr₂O₃、MnO₂、V₂O₅等）的混合物，在引发剂作用下发生剧烈氧化还原反应，放出大量热，将还原出的金属熔化成液态。2.实验装置与操作：通常用镁条和氯酸钾作为引燃剂。镁条燃烧提供初始高温，氯酸钾受热分解放出氧气，支持反应剧烈进行。3.实验现象：镁带剧烈燃烧，放出耀眼白光；纸漏斗内物质迅速反应，发出强热，并有熔融物（铁水）落入下方沙土中。4.化学方程式：2Al+Fe₂O₃高温Al₂O₃+2Fe（该反应的还原剂是Al，氧化剂是Fe₂O₃）5.【热点】应用领域：冶炼难熔金属：利用铝的强还原性，冶炼钒、铬、锰等高熔点金属。如：3MnO₂+4Al高温3Mn+2Al₂O₃；Cr₂O₃+2Al高温2Cr+Al₂O₃。野外焊接钢轨：利用反应释放的巨大热量，使生成的铁单质呈熔融状态，流入钢轨缝隙，冷却后形成牢固的焊缝。6.【易错点】铝热反应的关键辨析：铝热反应一定是置换反应，但必须是单质铝与化合物之间的置换。铝热反应属于放热反应，反应中断裂化学键吸收的总能量低于形成化学键释放的总能量。铝热剂是指铝粉和金属氧化物的混合物，不仅仅局限于铝和氧化铁。二、海水资源的开发利用：液体矿山的综合利用海水是一个巨大的化学资源宝库，蕴含着淡水、化学元素（如Cl、Na、Mg、Br、I等）以及多种能源。（一）海水水资源的利用【基础】主要包括海水的淡化和直接利用。1.海水淡化：即通过脱除海水中的盐分以获得淡水的过程。主要方法包括：蒸馏法：历史最悠久、技术最成熟，但能耗高。电渗析法：利用离子交换膜在电场作用下选择性透过阴、阳离子，从而分离盐分和淡水。离子交换法：通过离子交换树脂吸附海水中的盐分离子。2.直接利用：用作工业冷却水，如沿海许多核电站和火电厂的循环冷却水。（二）海水化学资源的提取【非常重要】【高频考点】海水中溶解有大量的无机盐，其中NaCl、Mg、Br₂、I₂的提取是工业生产与高考命题的核心。1.氯碱工业（粗盐的精制）：粗盐中含有泥沙（不溶性杂质）以及Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄²⁻等可溶性杂质离子。精制过程中需遵循“不增、不减、易分离”的原则。除杂顺序：a.加入过量BaCl₂溶液，除去SO₄²⁻（反应：Ba²⁺+SO₄²⁻→BaSO₄↓）。b.加入过量NaOH溶液，除去Mg²⁺（反应：Mg²⁺+2OH⁻→Mg(OH)₂↓）。c.加入过量Na₂CO₃溶液，除去Ca²⁺和过量的Ba²⁺（反应：Ca²⁺+CO₃²⁻→CaCO₃↓；Ba²⁺+CO₃²⁻→BaCO₃↓）。d.过滤，除去所有沉淀。e.向滤液中加入适量盐酸，除去过量的CO₃²⁻和OH⁻（反应：CO₃²⁻+2H⁺→H₂O+CO₂↑；H⁺+OH⁻→H₂O）。【易错点】Na₂CO₃溶液必须在BaCl₂溶液之后加入，以保证过量的Ba²⁺能被CO₃²⁻完全沉淀。盐酸必须放在过滤之后加入，否则会溶解部分沉淀（如CaCO₃、Mg(OH)₂），引入新杂质。2.海水提镁：工艺流程：海水（含Mg²⁺）→加石灰乳（Ca(OH)₂）→Mg(OH)₂沉淀→加盐酸酸化、浓缩→MgCl₂·6H₂O→在HCl气流中脱水→无水MgCl₂→电解熔融→Mg。关键反应：沉淀：Mg²⁺+Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓+Ca²⁺（或离子方程式：Mg²⁺+2OH⁻→Mg(OH)₂↓）。溶解：Mg(OH)₂+2HCl→MgCl₂+2H₂O。电解：MgCl₂（熔融）电解Mg+Cl₂↑。【难点】由MgCl₂·6H₂O制取无水MgCl₂时，为何要在HCl气流中加热？因为MgCl₂是强酸弱碱盐，直接加热脱水会发生水解反应：MgCl₂·6H₂O△Mg(OH)Cl+HCl↑+5H₂O，甚至生成MgO。在HCl气流中加热，可以抑制Mg²⁺的水解，从而获得纯净的无水MgCl₂。3.海水提溴（空气吹出法）【热点】：溴在自然界中以Br⁻形式存在，提取过程涉及氧化—富集—再氧化的核心思想。工艺流程：海水（浓缩后，含Br⁻）→酸化→通入Cl₂氧化→含Br₂的海水→用空气吹出Br₂→用SO₂吸收塔吸收→富集后的含Br⁻溶液→再次通入Cl₂氧化→蒸馏、冷凝→粗溴。核心化学反应：第一次氧化（富集前）：Cl₂+2Br⁻→2Cl⁻+Br₂。吸收反应（富集过程）：Br₂+SO₂+2H₂O→2HBr+H₂SO₄（或SO₂+Br₂+2H₂O→4H⁺+SO₄²⁻+2Br⁻）。这一步将Br₂还原成Br⁻，目的是将微量溴富集在吸收液中。第二次氧化（提取前）：Cl₂+2Br⁻→2Cl⁻+Br₂。【解题要点】为什么要用SO₂吸收？是为了将分散的溴单质转化为高浓度的溴离子，实现“富集”的目的，同时避免在吹出过程中造成溴的损失和环境污染。4.海带提碘【重要】【实验】：碘在海带中以有机碘化物或I⁻形式存在。工艺流程：干海带（含I⁻）→灼烧（除去有机物，使碘以I⁻形式进入灰分）→海带灰→浸泡、过滤→含I⁻的滤液→酸化、加入氧化剂（H₂O₂或Cl₂）→含I₂的溶液→萃取、分液→含I₂的有机溶液→蒸馏→碘单质。核心反应与实验操作：灼烧：在坩埚中进行，使用酒精灯、三脚架、泥三角。氧化：常用氧化剂为H₂O₂（绿色氧化剂，无污染，离子方程式：2I⁻+H₂O₂+2H⁺→I₂+2H₂O）或Cl₂（2I⁻+Cl₂→I₂+2Cl⁻）。萃取与分液：利用I₂在有机溶剂（如CCl₄、苯）中的溶解度远大于在水中的溶解度，且有机溶剂与水不互溶。I₂的CCl₄溶液呈紫红色（CCl₄密度比水大，在下层）；I₂的苯或汽油溶液呈橙红色（密度比水小，在上层）。分液时，下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出。检验：利用I₂遇淀粉变蓝的特性。（三）新型能源的展望海洋中蕴藏着潮汐能、波浪能、温差能等，以及从海水中提取的铀和重水可用于核能开发，这些都是未来能源的重要方向。三、煤、石油和天然气的综合利用：化石燃料的深度加工化石燃料既是能源，也是宝贵的化工原料。其综合利用的核心在于通过化学变化，将复杂的混合物转化为更洁净、附加值更高的燃料和化工产品。（一）煤的综合利用【重要】【概念辨析】煤是由有机物和无机物组成的复杂混合物，主要含有碳元素，还含有少量的H、O、N、S等元素。1.煤的干馏：将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，属于化学变化。主要产品及其用途：焦炭：冶金（炼铁）、电石生产。煤焦油：分离得到苯、甲苯、二甲苯、酚类等化工原料。粗氨水：制取化肥。焦炉气（主要成分H₂、CH₄、CO、C₂H₄）：气体燃料、化工原料。【易错点】煤中并不含有苯、甲苯等芳香烃，这些物质是通过煤干馏这一复杂的化学反应过程生成的。2.煤的气化：将煤转化为可燃性气体的过程，属于化学变化。主要反应：C+H₂O（g）高温CO+H₂（水煤气）。3.煤的液化：将煤转化为液体燃料的过程，属于化学变化。直接液化：煤与氢气作用，在催化剂作用下生成液体燃料。间接液化：先气化得到CO和H₂，再在催化剂作用下合成甲醇等液体燃料。（二）天然气的综合利用天然气的主要成分是甲烷（CH₄），是一种清洁的化石燃料。1.用作燃料：提供热能。2.用作化工原料：主要用于合成氨（制取氢气）和生产甲醇。海底存在的“可燃冰”是甲烷的水合物（CH₄·nH₂O），是潜在的未来能源。（三）石油的综合利用【非常重要】【高频考点】石油是由多种碳氢化合物（烷烃、环烷烃、芳香烃等）组成的复杂混合物。1.石油的分馏：利用原油中各组分沸点的不同，通过加热和冷凝，将其分离成不同沸点范围的馏分的过程。这是一个物理变化。常压分馏：得到石油气（C₁C₄）、汽油（C₅C₁₁）、煤油（C₁₁C₁₆）、柴油（C₁₅C₁₈）等。减压分馏（在降低压强下进行，以降低重油沸点，防止高温下烃的分解）：从重油中得到润滑油、石蜡、燃料油、沥青等。【易错点】分馏得到的各馏分仍然是混合物，没有固定的沸点。2.石油的裂化：在加热、加压或催化剂作用下，将长链烃断裂成短链烃的过程，属于化学变化。目的：提高轻质液体燃料（特别是汽油）的产量和质量。例如：C₁₆H₃₄催化剂加热、加压C₈H₁₈+C₈H₁₆（辛烷与辛烯）。催化裂化得到的汽油称为裂化汽油，其中含有烯烃，性质活泼，不如分馏得到的直馏汽油（主要含烷烃）稳定。3.石油的裂解（深度裂化）：在更高的温度下，使长链烃断裂成乙烯、丙烯、甲烷等短链气态烃的过程，属于化学变化。目的：获得气态烯烃（乙烯、丙烯）作为化工基本原料。例如：C₄H₁₀高温CH₄+C₃H₆；C₄H₁₀高温C₂H₄+C₂H₆。【热点】乙烯的产量常被用作衡量一个国家石油化工发展水平的标志。4.石油的催化重整：在加热和催化剂作用下，使链状烃转化为芳香烃（如苯、甲苯）或异构化得到高辛烷值汽油的过程。（四）三大合成材料与化石燃料的关系以煤、石油、天然气为原料，通过聚合反应，可以制得塑料（如聚乙烯）、合成橡胶、合成纤维这三大合成材料，它们极大地丰富了人类的物质生活。四、考点整合与解题策略【必考】（一）常见考查方式1.选择题：判断金属冶炼方法的正误；辨析煤的干馏、气化、液化与石油分馏、裂化、裂解的概念及变化类型（物理/化学）；判断海水提溴、提镁、提碘流程中的离子方程式正误；分析实验操作（如分液、萃取、灼烧）的规范性。2.工艺流程题：以海水资源（镁、溴、碘）或金属冶炼为背景，考查基本化学原理、离子方程式的书写、分离提纯的操作名称及目的、绿色化学思想（如循环利用、原子经济性）等。（二）【解题步骤与要点】1.概念辨析：首先明确题干描述的变化过程是物理变化还是化学变化。牢记“一变二”是分解，但必须看本质；分馏是“分离”基于沸点，物理变化；干馏是“分解”基于隔绝空气加强热，化学变化；裂化、裂解、重整均是化学变化。2.流程分析（以海水提溴为例）：第一步：定位。找到流程中目标元素（Br）的存在形式（Br⁻→Br₂→Br⁻→Br₂）。第二步：对应。每一次形态变化对应一个化学反应，分析该反应是氧化还是还原。第三步：解读。思考每一步操作的目的，如“吹出”是利用溴的挥发性，“吸收”是为了富集。3.信息整合：遇到陌生物质（如UF₄、WO₃）的冶炼，要类比已知金属的冶炼方法。活泼金