8.1 自然资源的开发利用 课件 2024-2025学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

人教版化学必修二 第八章 化学与可持续发展 第1节 自然资源的开发利用 世界各国冲突——自然资源的争夺 世界铁矿储量图示 世界锂矿储量图示 一、常见金属元素在地壳中的存在 游离态矿物(极少量金属) 金矿石(Au) 银矿石(Ag) 铂矿石(Pt) 铜矿石(Cu) 陨铁（Fe） 化合态矿物(多数金属) 赤铁矿（Fe2O3） 黄铜矿（CuFeS2） 磁铁矿（Fe3O4） 黄铁矿（FeS2） 钙钛矿（CaTiO3） 铝土矿（ AI2O3 ） 二、冶金方法 1.从古到今的社会发展： 数字时代（硅） 引领社会发展 原始社会 奴隶社会 农业社会 现代社会 未来社会 发展生产力 资源争夺战 石器时代 青铜器时代 铁器时代 合金时代（钢、铝、钛等） 2.对应的材料发展： 3.材料作用： 适应自然 改造自然 现代文明需要 阅读历史文献记载，总结下列有关金属的冶炼方法： 朝代 利用矿物 历史记载的材料 冶炼方法 夏朝 金矿 “千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金” 东晋 硫化汞矿 炼丹家葛洪《抱朴子》“丹砂（HgS）烧之成水银”。 西汉 硫酸铜矿 西汉刘安《淮南万毕术》“曾青得铁则化为铜”。 商朝 孔雀石矿 西汉贾谊《鹏鸟赋》且夫天地为炉兮，造化为工；阴阳为炭兮，万物为铜。 战国 赤铁矿 《秋浦歌》炉火照天地，红星乱紫烟。 物理富集法 热分解法 湿法炼铜 热还原法 热还原法 利用矿物 冶炼方法 化学反应方程式 丹砂硫化汞矿（HgS） 热分解法 硫酸铜矿 湿法炼铜 孔雀石矿 Cu2(OH)2CO3 热还原法 赤铁矿 热还原法 写出冶炼汞、铜、铁方程式及冶炼原理 2HgO = 2Hg + O2 ↑ 加热 2HgS + 3O2 = 2HgO+2SO2 加热 Fe+CuSO4 = Cu + FeSO4 Cu2(OH)2CO3=2CuO+H2O↑+CO2↑ 高温 高温 2CuO+C = 2Cu + CO2 ↑ CuO+CO = Cu + CO2 ↑ 高温 Fe2O3+3CO = 2Fe + 3CO2 ↑ 高温 ——氧化还原的方法 热还原法： ——不起眼的木炭，开启了人类金属时代！ 问题1：新石器时期，人类就发明了制陶术，窑温达1000多℃ ，请评价此窑温冶炼出的铁质量？(铁熔点1535.4℃) 问题2：热还原法中,还原CuO、Fe2O3固体时可以用木炭(C)也可以用一氧化碳(CO) ，你能评价一下这两种还原剂使用效果？ 现代炼铁高炉 燃烧温度控制在 2250-2350 ℃ 问题3：湿法炼铜的本质是利用铁与铜盐溶液置换出金属铜（Fe+CuSO4 = Cu + FeSO4）。你能举例说明金属在非水溶液体系中也存在的置换反应吗？ 铝热反应的应用： 早期应用于野外铁轨焊接； 2.冶炼难熔金属如钨、铬、锰等。 铝热反应： 2Al+Fe2O3 = 2Fe + Al2O3 高温 Na(l)+KCl = K(g) + NaCl 高温 约850℃时反应,钾沸点比钠低,钾以气体形式离开反应体系,平衡就不断右移。 三、金属冶炼规律 人类历史冶炼金属时间表： 金属 元素符号 冶炼时间 冶炼原理 冶炼条件 金 Au 前6000年 物理富集、筛选法 银 Ag 前5000年 热分解法 400℃ 汞 Hg 前3000年 热分解法 500℃ 铜、锡 Cu、Sn 前5000年 800℃ 1200℃ 铁 Fe 前2500年 锌 Zn 1746年 铝 Al 1827年 镁、钙 Mg、Ca 1808年 钠、钾 Na、K 1807年 热还原法 汉弗莱·戴维 (H.Davy，1778-1829) ？ 1807年戴维用电解的方法得到钠、钾，1808年又电解得到镁、钙、锶、钡。 电解法 10 19世纪初，戴维成功地利用电化学方法从KOH、NaOH中制得K、Na，他也从开始尝试氧化铝中提取铝。 氧化铝 高温熔融 液态氧化铝 电解 铝 铝的制备 思考1：氯化铝熔点比氧化铝低得多，工 业上为什么不采用电解氯化铝来制备铝呢？ 物质 Al2O3 AlCl3 熔点 2015℃ 195℃ 制取流程： 由于氧化铝熔点（2015℃）太高，要融化耗能太多，故工业生产中往往加入冰晶石，以降低融化温度。 氯化铝的分子结构示意图 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Al Al 氯化铝是分子晶体，在熔融状态下不导电！ 总结并写出电解法取活泼金属钾、钙、钠、镁、铝等化学方程式？ 思考2：一般情况下，同种金属的氧化物的熔点要大于氯化物的熔点。钠、镁的两种常见化合物熔点如下，四种物质都是离子化合物，则制取钠、镁单质时一般电解那类物质？ 氯化镁 氧化镁 氯化钠 氧化钠 熔点 7120C 28000C 8010C 12750C MgCl2 (熔融) = Mg + Cl2↑ 电解 2Al2O3 (熔融) = 4Al + 3O2 ↑ 电解 冰晶石 CaCl2 (熔融) = Ca + Cl2↑ 电解 2NaCl (熔融) = 2Na + Cl2↑ 电解 2KCl (熔融) = 2K + Cl2↑ 电解 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 活泼 电解法 (氧化物、氯化物) 较活泼 热还原法 (C、CO、H2、Al等) 不活泼 热分解法 (氧化物) 物理方法 钒、铬、锰、钴 制备方法模型：金属使用、冶炼与金属活动性的关系 很稳定 铜、银、金器约5000年前 铁器约2500年前 铝器约200年 总结：人类使用金属年代的先后跟金属的那些因素有关？ ①金属的活动性 ②与人类的冶炼技术有关 例：铝土矿的主要成分为氧化铝、氧化铁和二氧化硅。工业上经过下列工艺可以冶炼金属铝： 铝土矿 a 过量的NaOH b 盐酸 ① ② ③ c ④ d 电解 Al ⑤ 请判断流程中的a、b、c、d分别是什么物质？写出反应①、②、③、④、⑤5步反应反应方程式。 *从铝土矿提取铝 Al2O3 Fe2O3 SiO2 ①HCl AlCl3 FeCl3 SiO2固体 ②过量NaOH 过滤 Na[Al(OH)4] Fe(OH)3固体 ③通过量CO2 Al(OH)3 ④加热 Al2O3 过滤 电解 ⑤ Al 原料预处理（得到纯度高、含量高的氧化铝固体） 核心反应 无机工业制备流程的主要设计模型 原料 原料预处理 核心化学反应 反应条件的控制 目标产物 产品的分离与提纯 原料的循环利用 排放物的无害化处理 规律：“主线主产品，分支副产品，回头为循环。” 思考与讨论： 计算表明，生产1mol铝消耗的电能至少为1.8×106J，回收铝质饮料罐得到铝与从铝土矿制铝相比较，前者的能耗仅为后者的3%~5%。通过对上述数据的分析与比较，结合书本P99的图8-1与图8-2，你想到了什么？请将你的想法与同学交流。 铝土矿 氧化铝 萤石 冰晶石 石油焦和沥青焦 碳素电极 液态铝 铝锭 阅读书本P99页 树立环保意识，践行可持续发展理念 合理开发和利用资源 ？ 资源有限、环境污染、能耗很大 加强废旧金属回收再利用 提高金属矿物的利用率 开发环保高效的金属冶炼方法 防止金属的腐蚀 使用其他材料代替金属 四、海水资源的开发利用 海洋约占地球表面积的71%。海洋中水的储量约为1.3×1018吨，约占地球上总水量的97%。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。海水中主要含有H、O元素，还含有丰富的Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、F等多种元素。 海水资源 化学资源 水资源 新型能源 1. 海水水资源的利用 海水淡化的方法主要有： 蒸馏法、电渗析法、离子交换法 主要包括海水淡化和直接利用海水进行循环冷却。 电渗析法 离子交换法 蒸馏法 主要仪器：蒸馏烧瓶(A)，直形冷凝管(B)，锥形瓶(C)。 冷凝水的流向：a口进，b口出。（下进上出） A中加入碎瓷片的作用：防止液体暴沸。 （最先使用，技术成熟，但成本高） 蒸馏法 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： 常见的有阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。 在阳离子交换树脂中，钙、镁等阳离子与氢离子等电荷交换；在阴离子交换树脂中，硝酸根离子、硫酸根离子等阴离子与氢氧根离子等电荷交换。交换出氢离子与氢氧根离子中和成水。 离子交换法 海水晒盐（煮海为盐） 2. 海水中化学资源的利用 （1）海水制盐 侯德榜（化学家） 侯氏制碱法流程图 煅烧炉 合成氨 沉淀池 CO2 NH3 NH3 母液 食盐水 CO2 NH4Cl NaCl Na2CO3 循环Ⅰ 循环Ⅱ ①Na2CO3 ②NaOH ③BaCl2 ②③①或③②①或③①② 粗盐中的杂质：泥沙、Ca2+、Mg2+、SO42- 除杂试剂： 试剂加入顺序： 主要操作： 溶解、过滤、蒸发 ④盐酸 粗盐 淡水 卤水 海水 盐水 滤液 沉淀 适量 盐酸 溶解 （含Mg+） BaCl2 NaOH Na2CO3 过滤 蒸发 结晶 海水制盐应用 ①NaCl的水溶液制NaOH（氯碱工业） ②制金属Na 2NaOH + CO2= Na2CO3 + H2O 2NaCl + 2H2O 电解 H2 + Cl2 + 2NaOH 2NaCl（熔融）电解 2Na + Cl2 ③制Na2CO3 海水 氧化室 吹出塔 吸收塔 蒸馏塔 冷凝器 Br2 SO2和H2O Cl2和H2O 酸和Cl2 空气 溴 的 富 集 主要反应：Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－(氧化) Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4(富集) Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－(提取) （2）海水提溴 （吹出法） 卤水 Ｍg(OH)2 ＭgCl2 金属Mg 电解 海水 富集 加碱 过滤 盐酸 蒸发 干燥 （3）海水提镁 引入海水 贝壳（CaCO3) 过滤网 工业制镁流程 沉降池 过滤槽 Mg(OH)2 盐酸 蒸发 干燥 锻烧产物 电解 MgCl2 金属镁 MgCl2溶液 锻烧 与水反应 氯气 灼烧 加水 加热 溶解 过滤 稀硫酸 过氧化氢溶液 CCl4 蒸馏 海带灰 海带 悬浊液 滤液 碘水 碘的CCl4溶液 单质碘 操作1 操作2 操作3 操作4 操作5 试剂1 试剂2 萃取 分液 生物 富集 海水 2KI+H2O2+H2SO4 = I2+2H2O+K2SO4 （4）海水提碘 海水 淡水 钾盐 溴化物 食盐 钾 溴 镁盐 镁 火电厂、核电厂的循环冷却水 氢气 烧碱 纯碱 氯气 钠 3、海水资源的综合利用 1. 已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是（ ） A.电解法 B.热还原法 C.热分解法 D.铝热法 2. 人类对某金属冶炼技术的掌握程度决定了其应用的广泛性。影响冶炼方法的主要因素是（ ） A.金属的活泼性强弱 B.金属在地壳中的含量多少 C.金属的化合价高低 D.金属的导电性强弱 A A 随堂练习 3. 若将海水淡化作为饮用水使用，下列方法在原理上完全不可行的是（ ） 　 A A. 加明矾使海水中的盐分沉淀而淡化 B. 利用太阳能使海水蒸馏淡化 C．利用电渗析法可以获取淡化的饮用水 D．将海水通过离子交换树脂，以除去所含离子 4、下图为海水提镁的工艺流程，写出下列步骤中的化学方程式。 (1)分解贝壳(主要成分是CaCO3)、制备Ca(OH)2：_______________________， _____________________________。 (2)沉淀Mg2＋：____________________________________(离子方程式)。 (3)制备MgCl2：__________________________________________________。 (4)制取Mg：___________________________________________。 CaO＋H2O===Ca(OH)2　 Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓ Mg(OH)2＋2HCl===MgCl2＋2H2O CaCO3 === CaO＋CO2↑ 高温 MgCl2(熔融) === Mg＋Cl2↑ 电解 33 一、煤的综合利用 （1）煤的组成 有机物+少量无机物组成的复杂混合物 主要元素 其他元素 氧化物会造成环境问题 CO2会加剧温室效应 C H、O、N、S 等 煤直接作燃料——利用率低并污染环境。 五、煤的综合利用 ①煤的干馏：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 黑褐色粘稠的油状物生成，这是煤焦油 成分：苯、甲苯、二甲苯等 点燃，导管尖嘴处有淡蓝色火焰。 出炉煤气：氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳 玻璃管中的烟煤粉最后变成黑灰色固体物质这是焦炭 表8-1 煤干馏的主要产品和用途 干 馏 产 品         主 要 成 分          主 要 用 途 出炉煤气 (气) 焦炉气 氢气、甲烷、乙烯、 一氧化碳   气体燃料、化工原料 粗氨水    氨、铵盐    氮肥 粗苯    苯、甲苯、二甲苯 炸药、染料、医药、农药、合成材料   煤 焦 油 (液)    苯、甲苯、二甲苯    酚类、萘 染料、医药、农药、合成材料    沥青    筑路材料、制碳素电极      焦 炭(固)    碳 冶金、合成氨造气、电石、燃料 36 ②煤的气化：将煤转化为可燃性气体的过程 主要反应是： C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) 高温 水煤气（管道煤气） ③煤的液化：将煤转化为液体燃料的过程，包括直接液化和间接液化 ◆直接液化: 煤与氢气作用生成液体燃料。 ◆间接液化: 先转化为CO和H2，再在催化剂作用合成甲醇等。 C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) 高温 CO + 2H2 CH3OH（甲醇） 一定条件 （2）煤的综合利用 煤的干馏 煤的气化 煤的液化 都属于化学变化 六、天然气的综合利用 （1）主要成分：甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷等 （2）综合利用： 天然气水合物主要成分是甲烷水合物，其组成可表示为CH4·nH2O 又称可燃冰 天然气水合物海底:可燃冰(CH4·nH2O) （1）组成：由多种碳氢化合物组成的混合物 （2）综合利用： 石油分馏 石油裂化 石油裂解 催化重整 石油的分馏是物理变化，获得的是轻质油（混合物） 石油气(C1～C4) 汽油(C5~C12) 煤油(C12~C16) 柴油(C15~C18) 重油(C20以上) 原油 脱盐脱水 石油 常压分馏 柴油、燃料油、石蜡、润滑油、沥青 减压分馏 轻质液体燃料 ②石油的分馏：利用石油中各组分沸点的不同进行分离的过程叫做分馏 石油气 沥青 汽油 煤油 柴油 润滑油 溶剂油 分馏塔 直馏汽油 化学变化 C16H34 C8H18+C8H16 催化剂 加热、加压 烷烃 烷烃 烯烃 裂化的主要产物：汽油、煤油、柴油、润滑油等 ②石油的裂化：将重油裂化为汽油，提高轻质液体燃料的产量 ③石油的裂解：裂化后再进一步裂解 C4H10 丁烷 CH4 甲烷 ＋ C3H6 丙烯 催化剂 加热、加压 C2H6 乙烷 C4H10 丁烷 ＋ C2H4 乙烯 催化剂 加热、加压 C8H18 辛烷 C4H10 丁烷 ＋ C4H8 丁烯 催化剂 加热、加压 获得乙烯、丙烯、甲烷、丁二烯等重要化工基本原料 化学变化 ④催化重整：通过结构的调整，使链状烃转化为环状烃，获得苯、甲苯 【思维拓展】 什么叫裂化汽油和直馏汽油？怎么鉴别它们？ 通过分馏得到的汽油叫直馏汽油，直馏汽油中没有不饱和烃。 通过裂化得到的汽油叫裂化汽油，裂化汽油中含有不饱和烃。 鉴别它们可以使用溴水，能使溴水褪色的为裂化汽油，不能使溴水裉色的为直馏汽油。 七、石油的综合利用 目前大多数石油产品仍作为燃料使用，只有一部分转化为化工、纺织、建材、医药、日用化学品等行业的基本原料 煤、石油和天然气的综合利用 煤的组成及其综合利用 天然气的组成及其综合利用 石油的组成及其综合利用 合成高分子材料 煤的干馏 煤的气化 煤的液化 石油的分馏 石油的裂解 催化重整 塑料 合成橡胶 干馏 蒸馏 分馏 原理 产物 反应类型 隔绝空气、高温下使物质分解 根据液态混合物各组分沸点不同分离 与蒸馏原理相同 产物为混合物 产物为单一组分的纯净物 产物为沸点相近的各组分组成的混合物 化学变化 物理变化 物理变化 化学“三馏”的比较 高炉 煤气 水煤气 天然气 液化石油气 焦炉气 裂解气 主要成分 CO、CO2 H2、CO CH4 C3H8、C4H10 H2、CH4、C2H4、CO C2H4、C3H6、C4H8、CH4 化学“六气”的主要成分 $$