第8章 化学与可持续发展（word版）-【精英1号】2024年高一化学学考名师解析与训练·知识梳理手册

第八章　化学与可持续发展 第一节　自然资源的开发利用 (一)金属矿物的开发与利用 1．金属的存在 (1)地壳中含量最高的金属元素是铝，人类最早使用的金属是铜，使用最广泛的金属是铁。 (2)金属元素在自然界中的存在形态。 2．金属冶炼的一般方法 (1)冶炼的原理。 ①原理：将金属从其化合物中还原出来。 ②实质：根据氧化还原反应，使金属矿物中的金属阳离子得到电子生成金属单质，Mn＋＋ne－===M。 (2)金属冶炼的常用方法。 ①电解法：适用于非常活泼金属的冶炼。例如，冶炼铝，2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。 ②热还原法：适用于大多数中等活泼金属的冶炼，常用的还原剂有C、H2、CO等。 例如，高炉炼铁，Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。 ③热分解法：适用于不活泼金属的冶炼。例如，分解HgO，2HgO2Hg＋O2↑。 ④其他方法：火法炼铜，Cu2S＋O22Cu＋SO2； 湿法炼铜，Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu 3．金属矿物资源的开发和利用措施 (1)提高金属矿物的利用率，开发环保高效的金属冶炼方法。 (2)加强废旧金属的回收和再利用，使用其他材料代替金属材料，减少金属的使用量。 (二)海水资源的开发利用 1．海水资源的特点 (1)潜力大：海洋约占地球表面积的71%，具有十分巨大的开发潜力。海水中水的储量约占地球上总水量的97%。 (2)多样性：海水与岩石、大气和生物的相互作用，使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，其总含量超过99%，其他元素为微量元素，总计含有80多种元素。 (3)分散性：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约为5×106t，而1t海水中金元素的含量仅有4×10－6g。 2．海水水资源的开发利用 包括海水的淡化(蒸馏法、电渗析法、离子交换法和膜分离法等)和直接利用海水进行循环冷却等。 3．海水中化学资源的开发利用 (1)海水制盐。 从海水中制得的氯化钠，可以食用，同时也是生产烧碱、纯碱、钠、氯气、盐酸等的化工原料。 ①氯碱工业：电解饱和食盐水，可生产氢氧化钠、氢气和氯气。 化学反应方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。 ②制钠和氯气：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。 ③制盐酸：H2＋Cl22HCl。 ④制漂白剂：2NaOH＋Cl2===NaClO＋NaCl＋H2O。 ⑤制纯碱：NaCl＋CO2＋H2O＋NH3===NH4Cl＋NaHCO3↓； 2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。 (2)海水提溴。 ①海水提溴的方法(吹出法)。 工艺流程 基本操作 浓缩 海水晒盐和海水淡化的过程中副产物Br－得到浓缩 氧化 向浓缩的海水中通入Cl2，将Br－氧化成Br2 吹出 利用溴的挥发性，通入热空气或水蒸气，吹出溴蒸气 吸收 吹出的溴蒸气用SO2吸收 蒸馏 再用Cl2将HBr氧化，得到产品溴后，蒸馏分离 　　 ②氧化、吸收环节主要离子方程式： 2Br－＋Cl2===Br2＋2Cl－，SO2＋Br2＋2H2O===4H＋＋SO＋2Br－。 (3)海水提碘。 海带中碘元素的检验。 ①关键反应的反应原理：2H＋＋2I－＋H2O2===I2＋2H2O。 ②实验步骤及证明方法： (4)海水提镁。 ①主要反应原理： CaCO3CaO＋CO2↑； CaO＋H2O===Ca(OH)2； Ca(OH)2＋MgCl2===Mg(OH)2↓＋CaCl2； Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O； MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。 ②工艺流程。 从海水中提取镁的步骤是将石灰乳加入海水沉淀池中，得到氢氧化镁沉淀，再将氢氧化镁与盐酸反应，将得到的溶液蒸发结晶可获得六水合氯化镁晶体(MgCl2·6H2O)。石灰乳可利用海边天然存在的贝壳煅烧而成的生石灰制得。将六水合氯化镁晶体在一定条件下加热生成无水氯化镁，电解熔融的氯化镁可以得到金属镁。 4．从海水中获取能量 (1)从海水中提取铀和重水，用于核能开发。 (2)开发潮汐能、波浪能等新型能源。 (三)煤、石油和天然气的综合利用 1．煤的综合利用 (1)煤的组成：煤是由有机物和少量无机物组成的复杂混合物，主要含有碳元素，还含有少量氢、氧、氮、硫等元素。 (2)煤的综合利用。 煤的综合利用的目的是获得清洁的燃料和多种化工原料。其主要途径如下： 2．石油的综合利用 3．天然气的综合利用 1．金属的冶炼方法与金属的活泼性相关 (1)金属活动性顺序中，金属位置越靠后，金属阳离子的氧化性越强，越容易被还原，用一般的还原方法就能使金属离子还原。 (2)金属活动性顺序中，金属的位置越靠前，金属阳离子的氧化性越弱，越难被还原，最活泼的金属只能用最强的还原手段(电解)来使金属离子还原。 2．铝热反应的原理及其应用 原理：铝作还原剂和金属氧化物在高温下发生剧烈氧化还原反应，并放出大量热。 2yAl＋3MxOyyAl2O3＋3xM(M为金属元素) 铝热剂：铝粉和某些金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3、V2O5等)组成的混合物。 反应特点：在高温下进行，反应迅速并放出大量的热，新生成的金属单质呈熔融态且易与Al2O3分离。 实验操作： 铝热反应实验中镁带和氯酸钾是引燃剂，镁带燃烧提供热量，并促使KClO3发生分解；KClO3分解放出O2，镁带剧烈燃烧，单位时间内放出更多的热量，以引发Al与Fe2O3的反应。 实验现象：镁条剧烈燃烧；氧化铁粉末和铝粉发生剧烈的反应；反应放出大量的热，并发出耀眼的白光；滤纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。 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。 3．海水淡化——蒸馏法 蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较成熟，但成本较高，其原理如下图所示。 注意事项： ①烧瓶需垫石棉网加热。 ②烧瓶所盛液体不能超过烧瓶容积的，也不能少于。 ③需向烧瓶中加几粒沸石或几片碎瓷片，以防液体暴沸。 ④冷凝器里的冷却水要从冷凝器的下口进、上口出。 蒸馏法设备简单、易操作，但是耗能大，成本较高，将发电厂等的工业余热用于海水淡化是一种经济合理的途径。 4．“三馏”和“两裂”概念比较 (1)“三馏”的比较。 　　(2)“两裂”的比较。 例1　海水综合利用符合可持续发展的原则，其联合工业体系(部分)如图所示，其中溴的提取经历了氧化、吹出、吸收、氧化等过程，下列说法中正确的是(　　) A．①中可通过电解熔融态的氧化镁制金属镁单质 B．②中只有蒸馏法一种方法 C．③中只用氯气作氧化剂，则获得1molBr2，消耗1molCl2 D．④的主要产品有烧碱、氯气、氢气等 【答案】D 【解析】A.氧化镁熔点高，电解熔融态的氧化镁耗能大，所以①中电解熔融的氯化镁制金属镁不合适，A错误；B.海水淡化的方法有蒸馏法、电渗析法和离子交换法，B错误；C.③中将海水浓缩，再通入过量氯气进行氧化得到溴单质，继而通入空气和水蒸气，将溴吹入吸收塔，使溴蒸气和吸收剂(如二氧化硫)发生作用转化成溴离子以达到富集溴的目的，然后再用氯气将溴离子氧化得到溴，整个过程中需要两次利用氯气氧化，所以每生成1molBr2，理论上共消耗2molCl2，C错误；D.从海水中得到氯化钠后，电解饱和氯化钠溶液，得氢氧化钠、氢气和氯气，D正确。 例2　下列转化不属于煤、石油、天然气的综合利用的是(　　) A．将煤制成蜂窝煤作燃料 B．天然气作为化工原料可用于合成氨 C．将煤转化为CO和H2，然后在催化剂的作用下合成甲醇 D．将石油分馏获得汽油、柴油等 【答案】A 【解析】A.将煤制成蜂窝煤作燃料，只改变煤制品的形状，没有改变煤的组成，仍属于原煤的直接使用，A符合题意；B.天然气作化工原料时，先使其与水反应制成水煤气，再分离出氢气，氢气可用于合成氨，属于天然气的综合利用，B不符合题意；C.煤与水蒸气反应转化为CO和H2，然后CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇，属于煤的综合利用，C不符合题意；D.将石油进行分馏，从而获得汽油、柴油等，可提高石油的使用效率，属于石油的综合利用，D不符合题意。 第二节　化学品的合理使用 (一)化肥、农药的合理施用 1．合理施用化肥 (1)施用化肥的目的：使农作物获得充分的养料，从而增产增收。 (2)施用化肥时需考虑的因素：土壤酸碱性，作物营养状况，化肥本身性质。应用实例：硝酸铵是一种高效氮肥，但受热或经撞击易发生爆炸，经过改性处理后才能施用。 (3)过量施用化肥的危害。 ①很多化肥易溶于水，过量施用会造成浪费。 ②部分化肥随着雨水流入河流和湖泊，造成水体富营养化，产生水华等污染现象。 ③不合理施用化肥会影响土壤的酸碱性和土壤结构。 2．合理施用农药 (1)施用农药的目的：农作物病虫害防治，减少农作物损失。 (2)农药的发展。 ①第一代农药：天然植物艾蒿、烟草(药效低)，有机氯农药[六六六和DDT(难代谢，污染环境)]。 ②第二代农药：元素有机农药，如含磷有机物、氨基甲酸酯，一般都具有较强的毒副作用。 ③第三代农药：对人无毒或毒性甚小的天然分子或模拟天然分子。例如，拟除虫菊酯(俗称除虫菊)和特异性农药都属于第三代农药。 发展方向：高效、低毒和低残留。 (3)不合理施用农药的危害。 ①农药可能会破坏害虫与天敌之间的生态平衡，可能会引起一些昆虫的大量死亡。 ②农药会造成土壤和作物的农药残留超标。 ③农药会造成大气、地表水和地下水的污染。 (4)长期使用DDT的危害。 ①害虫在体内将DDT转化为DDE，产生抗药性。原理： ②通过生物链在生物体内富集。 (二)合理用药 1．药物的分类 (1)药物按来源分为天然药物与合成药物。 (2)药物按使用严格程度分为处方药和非处方药。 2．药物的作用机理 (1)有的药物是通过改变机体细胞周围的物理、化学环境而发挥药效的，如抗酸药。 (2)更多药物是通过药物分子与机体生物大分子的功能基团结合而发挥药效，其分子结构与生物活性密切相关。 3．阿司匹林 (1)阿司匹林的化学名称为乙酰水杨酸，具有解热镇痛作用。 (2)以水杨酸和乙酸酐为原料生产阿司匹林的化学方程式如下： (3)不良反应：长期大量服用阿司匹林可能会导致胃痛、头痛、眩晕、恶心等不适症状。 4．合理用药遵循原则及因素 (1)药物的两面性：一方面能促进人体健康，另一方面可能会对机体产生有害作用。 (2)合理用药的原则：在医生、药师的指导下，遵循安全、有效、经济和适当等原则。 (3)合理用药主要考虑的两个方面问题。 ①药物方面：剂量、剂型、给药途径与时间等因素。 ②机体方面：患者年龄、性别、症状、心理与遗传等因素。 (4)拒绝毒品。 (5)滥用药物的表现及危害：无处方长期服用安眠药或镇静剂、滥用抗生素、服用兴奋剂等，会对个人机体产生严重的影响；吸毒对个人和社会带来极大危害。 (三)安全使用食品添加剂 1．食品添加剂的概念 食品添加剂是指为改善食品品质和色、香、味，以及防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的人工合成或天然物质。 2．食品添加剂的分类 按照来源不同，可分为天然的食品添加剂和人工合成的食品添加剂两大类。 3．几种常用食品添加剂 类别 功能 品种 着色剂 改善食品色泽 天然色素如红曲红等，合成色素如柠檬黄等 增味剂 增加食品鲜味 味精等 膨松剂 使食品松软或酥脆 碳酸氢铵、碳酸氢钠等 凝固剂 改善食品形态 盐卤、葡萄糖酸－δ－内酯等 防腐剂 防止食品腐败变质 苯甲酸及其钠盐、山梨酸及其钾盐等 抗氧化剂 防止食品因氧化而变质 抗坏血酸(即维生素C)等 营养强化剂 补充必要的营养成分 碘酸钾、维生素、碳酸钙、硫酸亚铁、硫酸锌等 　　 4.食品添加剂使用的基本要求 (1)不应对人体产生任何健康危害。 (2)不应掩盖食品腐败变质。 (3)不应掩盖食品本身或加工过程中的质量缺陷，或以掺杂、掺假、伪造为目的而使用食品添加剂。 (4)不应降低食品本身的营养价值。 (5)在达到预期效果的前提下，尽可能降低在食品中的使用量。 5．食品添加剂的利与弊 食品添加剂是用于改善食品品质、延长食品保存期、增加食品营养成分的一类化学合成或天然物质。食品添加剂的作用有4点：①控制食品的化学变化、物理变化、微生物变化，以减少因食品变质而引起的损耗，降低微生物的危害，保证食品的质量；②延长食品的有效保存期；③便于食品加工，有利于加工工艺；④改善食品的色、香、味和营养价值，如果使用不当也会对人体造成危害，过量使用防腐剂亚硝酸钠会有致癌的可能。 1．敌敌畏或甲胺磷农药都是酯类物质，若在使用过程中不慎接触了敌敌畏或甲胺磷农药，立即用肥皂反复擦洗可避免中毒，为什么？ 【解析】肥皂的碱性较强，敌敌畏和甲胺磷都属于酯类物质，在碱性条件下水解失去毒性。 2．“剧毒农药杀虫效果最好，在农业生产中应该大力提倡”这种观点正确吗？为什么？ 【解析】不正确。剧毒农药会对人体健康、生态环境造成危害，应避免使用剧毒农药。 3．“绝大多数食品添加剂在过量时对人体有害，所以应该禁止使用食品添加剂”这种观点正确吗？为什么？ 【解析】不正确。食品添加剂在规定范围内合理使用，对人体健康不会产生不良影响，正确使用食品添加剂能够延长食品保质期或增强食品营养，是有利的。应该合理使用食品添加剂，而不是禁止。 例1　某地筹建中的“生态农业科技园区”，不仅是农业高新技术示范和推广基地，也将是一个观光休闲的生态农业园区。对于下列生产思路你认为不妥当的是(　　) A．将农家肥与化肥综合使用，以提高增产效益 B．对大棚中的植物施加适量的CO2，以促进其光合作用 C．种植、养殖、制沼气相结合，既可改善环境又可提高农畜牧业的产量 D．将硝酸铵和熟石灰混合使用，在给作物提供营养元素的同时，又能降低土壤的酸性 【答案】D 【解析】A. 将农家肥与化肥综合使用，可以提高增产效益，A正确；B. 对大棚中的植物施加适量的CO2，以促进其光合作用，B正确；C. 种植、养殖、制沼气相结合，既可改善环境又可提高农畜牧业的产量，C正确；D. 将硝酸铵和熟石灰混合使用时，熟石灰和硝酸铵反应生成NH3逸出，会损失肥效，D错误。 例2　下列说法正确的是(　　) A．硝酸铵是一种高效氮肥，性质稳定，可以直接作肥料施用 B．处方药的包装上有“OTC”标识，无须凭医生处方，消费者可自行购买和使用 C．谷氨酸钠是一种常见的食品添加剂，其主要作用是防腐 D．抗坏血酸(维生素C)可用作水果罐头中的抗氧化剂 【答案】D 【解析】A.硝酸铵的性质不稳定，受潮易结块，受热、受撞击易爆炸，所以不可以直接作肥料施用，进行改性处理后方可作肥料，A不正确；B.包装上有“OTC”标识的药品为非处方药，消费者可自行到药店购买，B不正确；C.谷氨酸钠是味精的主要成分，其主要作用是提高食品的鲜味，C不正确；D.抗坏血酸(维生素C)具有较强的还原性，可防止水果中的花青素等被氧化，可用作水果罐头中的抗氧化剂，D正确。 第三节　环境保护与绿色化学 (一)化学与环境保护 1．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。 2．常见环境问题及危害见下表。 环境问题 主要污染物 主要危害 温室效应 CO2 造成全球气候变暖、水位上升、陆地面积减小等 酸雨 SO2、NOx 土壤酸化、水源污染、建筑物被腐蚀等 臭氧层空洞 氟氯代烷、NOx 到达地球表面的紫外线明显增多，给人类健康及生态环境带来多方面危害 光化学烟雾 碳氢化合物、NOx 刺激人体器官，特别是人的呼吸系统，使人生病甚至死亡 白色污染 废弃塑料制品 ①在土壤中影响农作物吸收水分和养分，导致农作物减产 ②混入生活垃圾中难处理、难回收 ③易被动物当作食物吞入，导致动物死亡 赤潮、水华 废水中含氮、 磷元素的营养物质 使水体富营养化，导致水中藻类疯长，消耗水中溶解的氧，使水体变得浑浊、水质恶化 PM2.5 颗粒物 污染空气，形成雾霾天气，增加交通事故，危害人体健康 　　 3.环境保护的主要任务。 (1)环境质量监测：对污染物的存在形态、含量等进行分析和测定，为控制和消除污染提供可靠的数据。 (2)工业“三废”治理：工业生产过程中产生大量废气、废水、废渣(简称“三废”)，处理不当就会污染环境。 ①大气污染物来源及次生污染物的形成。 除了自然因素外，大气污染物主要来自化石燃料的燃烧和工业生产过程中产生的废气及其携带的颗粒物，以及这些污染物形成的次生污染物。 在太阳辐射等因素作用下，经复杂变化形成次生污染物，在一定天气条件下会造成酸雨、雾霾、光化学烟雾等污染现象。 ②污水的处理。 a．常用的污水处理方法：物理法、化学法和生物法等。 b．污水中可溶性污染物处理的常用化学方法：中和法、氧化还原法、沉淀法等。 c．污水处理的一般流程见下图。 Ⅰ.一级处理：通常采用物理方法，即用格栅间、沉淀池等除去污水中不溶解的污染物。经一级处理后的水一般达不到排放标准，通常一级处理作为预处理。 Ⅱ.二级处理：采用生物方法(又称微生物法)及某些化学方法，除去水中的可降解有机物等污染物。经二级处理后的水一般可以达到国家规定的排放标准。 Ⅲ.三级处理：主要采用化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法和反渗透法等，对污水进行深度处理和净化。经三级处理后的水可作为绿化和景观用水等。 ③工业废渣和生活垃圾等固体废弃物的处理。 a．处理原则：无害化、减量化和资源化。 b．目的：减少环境污染和资源回收利用。 (3)寻找源头治理环境污染的生产工艺：杜绝污染物的排放，能从根本上解决环境问题。 (二)绿色化学 1．绿色化学的核心思想。 (1)核心：改变“先污染后治理”的观念和做法。绿色化学，又称为“环境无害化学”“环境友好化学”“清洁化学”。 (2)从学科观点看：绿色化学是化学基础内容的更新，即利用化学原理和技术手段，减少或消除产品在生产和应用中涉及的有害化学物质。(改变反应历程) (3)从环境观点看：强调从源头上减少或消除污染。 (4)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) 2．原子经济性反应：反应物的原子全部转化为期望的最终产物，原子利用率为100%。 原子利用率＝×100% 原子经济性反应：反应物的原子全部转化为期望的最终产物，原子利用率为100%。一般发生的反应类型为非可逆的化合反应、加成反应、加聚反应等。如：在一定条件下，二氧化碳和环氧化物共聚合成聚碳酸酯(可降解塑料材料)。 例1　合理利用自然资源关系到人类社会、经济和环境的可持续发展。下列说法错误的是(　　) A．改燃煤为燃气，可以减少废气中SO2等有害物质的排放量，是治理“雾霾”等灾害天气的一种措施 B．“绿色化学”是指依靠绿色植物来完成的化学过程 C．化石燃料的燃烧产物在一定的天气条件下会形成次生污染物 D．污水经一级处理后一般达不到排放标准，还要进行二级处理或三级处理 【答案】B 【解析】A.燃气中硫元素的含量比燃煤中低，废气中SO2的排放量减少，可治理“雾霾”等，A正确； B．绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学，核心思想是使污染消除在产生的源头，使整个合成过程和生产过程对环境友好，不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物，B错误；C.化石燃料的燃烧产物可能含CO、SO2、粉尘等，在一定的天气条件下会污染空气、形成酸雨等，C正确；D.污水处理有：①一级处理：用格栅间、沉淀池等除去污水中不溶解的污染物。经一级处理后的水一般达不到排放标准，一级处理作为预处理。②二级处理：除去水中的可降解有机物等污染物。经二级处理后的水一般可以达到国家规定的排放标准。③三级处理：对污水进行深度处理和净化。经三级处理后的水可用于绿化和景观用水等，D正确。 例2　在“绿色化学”工艺中，理想状态是反应物中的原子全部转化为目标产物，即原子利用率为100%。在下列反应中：①置换反应；②化合反应；③分解反应；④取代反应；⑤加成反应；⑥加聚反应；⑦乙烯在Ag作催化剂条件下被氧气氧化制环氧乙烷。能体现“原子经济性”原则的是(　　) A．①③⑤ B．②⑤⑥⑦ C．只有④ D．只有⑥⑦ 【答案】B 【解析】①置换反应是单质与化合物反应，产生新的单质和新的化合物，原子不能完全转化为生成物，所以不能体现“原子经济性”原则，①不符合题意；②化合反应是两种或两种以上的物质反应产生一种生成物，反应物利用率是百分之百，体现“原子经济性”原则，②符合题意；③分解反应是一种物质变为两种或两种以上的物质，不能体现“原子经济性”原则，③不符合题意；④取代反应是有机物中的一种原子或原子团被其他原子或原子团代替的反应，不能体现“原子经济性”原则，④不符合题意；⑤加成反应是不饱和的物质与其他物质反应产生一种物质，能体现“原子经济性”原则，⑤符合题意；⑥加聚反应是许多小分子变为一种大分子的反应，能体现“原子经济性”原则，⑥符合题意；⑦乙烯在Ag作催化剂条件下被氧气氧化制环氧乙烷中反应产物只有一种，原子的利用率达到100%，能体现“原子经济性”原则，⑦符合题意；综上，②⑤⑥⑦符合题意，故选B。 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