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

第八章 化学与可持续发展 第一节 自然资源的开发利用 课时1 金属矿物的开发利用 素元化学工作室 学习目标 1.了解金属在自然界中的存在形式，掌握金属冶炼的一般方法和原理。 2．以金属矿物的开发利用为例，了解依据物质的性质及其变化综合利用资源的方法，体会化学对促进人与自然和谐相处的意义。 素元化学工作室 多功能军工刀 高压钠灯 铜导线 铁锅 不锈钢锅 钛合金羽毛球拍 镍合金门锁 铂合金首饰 钠钾合金 人们在生活和生产中使用的金属材料多为合金，它是由金属单质加工获得的。 那么人们是如何获得金属单质？金属矿物又是如何开发和利用的呢？ 1.什么是自然资源？可持续发展的目标指什么？ 2.金属元素在自然界以化合态还是游离态存在？ 3.金属冶炼指什么？ 4.为什么不同金属的冶炼方法不同？ 5.金属活动顺序与金属冶炼有什么关系？ 6.铝热反应？ 7.合理开发和利用金属矿物资源有哪些主要途径？ 阅读课本P98—99，完成下列问题： 思、议 3分钟 土地与土壤资源 矿产资源 生物资源 水资源 能源资源 环境资源 自然资源 经济可持续发展、社会可持续发展 资源可持续发展、环境可持续发展 可再生资源 不可再生资源 植物、微生物、可降解塑料袋、水资源、地热资源等 金属矿产和非金属矿产 (煤、石油、天然气、土壤等)、核能等 可持续发展目标 一、自然资源分类与可持续发展目标 1.什么是自然资源？可持续发展的目标指什么？ 2.金属元素在自然界以化合态还是游离态存在？ 3.金属冶炼指什么？ 4.为什么不同金属的冶炼方法不同？ 5.金属活动顺序与金属冶炼有什么关系？ 6.铝热反应？ 7.合理开发和利用金属矿物资源有哪些主要途径？ 阅读课本P98—99，完成下列问题： 少数不活泼金属 例： 金、铂及少量铜、银、陨铁 金 铂 铜 银 陨铁 陨铁：从外太空陨落到地面的含铁较多的陨石或纯铁，陨铁的使用始于4500多年前。 二、金属元素在自然界中的存在形式 1. 游离态： 含铁的矿物 赤铁矿(Fe2O3) 磁铁矿(Fe3O4) 菱铁矿 含铜的矿物 黄铜矿 孔雀石 斑铜 含铝的矿物 铝土矿 明矾石矿 二、金属元素在自然界中的存在形式 绝大多数金属以矿物质形式存在 2. 化合态： 三、金属冶炼 1. 定义： 将金属从其化合物中还原出来的过程，工业上称之为金属的冶炼。 得电子，被还原 Mn+ M +ne- 2. 实质： 采矿→矿石富集→金属冶炼→精炼 金属活动性顺序 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au 约200年前 约3000年前 铁器时代 约5000年前青铜时代 约10000年前 铝是地壳中含量最高的金属元素，为什么铝的使用比铁、铜晚得多？ 金属冶炼和使用顺序与其活泼性有关，越不活泼的金属，冶炼方法越简单 实质：用还原的方法，使化合态的金属阳离子得到电子形成金属单质 富集：除杂，提高矿石中有用成分的含量。精炼：提纯金属。 金属冶炼方法的选择//取决于金属在自然界中的存在状态//和金属的活泼性。因为金属越活泼其还原性就越强，离子的氧化性越弱，得电子能力越弱，就越难被还原，冶炼时所需条件要求越高，在人类历史上出现相对晚一些。金属越不活泼，冶炼的方法越简单，人们使用的时间越早，所以有青铜、铁器等时代的发展历程。 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au MgCl2 (熔融) Mg ＋ Cl2 ↑ 电解 2NaCl (熔融) 2Na＋Cl2 ↑ 电解 2Al2O3 (熔融) 4Al ＋ 3O2 ↑ 电解 冰晶石 为什么不用AlCl3？ 为什么不用MgO？ MgO的熔点太高，能耗过大，成本高 AlCl3是共价化合物，没有自由移动的离子 三、金属冶炼 —— 电解法 物质 MgO Al2O3 MgCl2 AlCl3 熔点/oC 2852 2054 714 190（以分子形式存在） 沸点/oC 3600 2980 1412 180 必须是离子化合物 共价化合物熔融不导电 冰晶石：Na3AlF6 降低氧化铝的熔点 【阅读、讨论】中国是世界最早对金属资源进行利用的国家。 火法炼铜，将孔雀石和焦炭混合加热炼铜。先将孔雀石[Cu2(OH)2CO3]加热分解成黑色固体、水和二氧化碳三种氧化物，然后利用焦炭去高温还原获得金属铜。方程式为：Cu2(OH)2CO3 ==2CuO+CO2↑+H2O 2CuO+C===2Cu+CO2↑ △ 热还原法 Zn、Fe、Sn、Pb、Cu C、CO、H2和Al等。 三、金属冶炼 —— 热还原法 高温 (1)这种金属的冶炼方法称为什么方法？ (2)这种方法适用于什么类型的金属的冶炼? (3)这种方法常用的还原剂有哪些？ 古代高炉炼铁 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 三、金属冶炼 (1)镁条剧烈燃烧，发出耀眼白光，放出大量的热 (2)漏斗内剧烈反应，放出大量的热，火星四射 (3)纸漏斗的下部被烧穿，有红热熔融物落入沙中，冷却后变为黑色固体 实验现象： —— 热还原法 铝热法 铝热剂：Al与某些难熔金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3等) 铝热法：用Al作还原剂冶炼活泼性不如铝且“高熔点”的金属(Cu/Fe/V/Cr等) 2Al＋Fe2O3====2Fe＋Al2O3 高温 【思考】 (1)铝热反应需要高温条件，是否还需要持续加热？ (2)实验中，镁条、氯酸钾的作用是什么？蒸发皿中铺少量细沙的作用是什么？ (3)假设铝足量且反应充分，设计一种实验方案， 证明本实验中有单质铁生成。 (4)若将Fe2O3换成MgO，该反应能否发生？并说明理由。 三、金属冶炼 —— 热还原法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au (1)铝热反应为放热反应，放出的热可以维持反应继续进行，因此不需要持续加热。 (2)镁条是引燃剂，氯酸钾为助燃剂，点燃镁条，促使氯酸钾分解，释放出氧气，使镁条更剧烈燃烧，单位时间内放出更多热量，从而引发Al和Fe2O3发生反应。一是防止蒸发皿炸裂，二是防止生成的熔融物溅出。 (3)可取适量反应后的固体混合物，先用NaOH溶液除去铝，再加入盐酸或稀硫酸，根据有气泡冒出确定有铁生成；也可用磁铁靠近固体，根据固体可被磁铁吸引判断有铁生成。 (4)不能。镁比铝活泼，铝不能置换出镁。 应用： 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(固态)分离。 ①焊接钢轨； ②定向爆破； ③冶炼熔点高的金属(如钨、钒、铬、锰等) 三、金属冶炼 —— 热还原法 该铝热装置的缺点有哪些？ K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 铝热剂用量较大，反应过程中产生大量浓烟，不安全，不环保。镁条燃烧时发出耀眼的白光，产生光污染，对教师和学生视力造成损伤，对铁轨的焊接演示不够形象。 【阅读、讨论】以下资料中涉及哪些金属冶炼的方法？ 资料2：金在自然界中以游离态存在。沙里淘金：“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金” 三、金属冶炼 —— 热分解法、富集 资料1：古代炼丹术家葛洪的《抱朴子》中记载有“丹砂(HgS)烧之成水银” HgS == 2Hg + S △ 热分解法 2HgO == 2Hg + O2 ↑ 2Ag2O == 4Ag + O2 ↑ 淘金原理：金的密度比沙大 淘去粗沙后的砂金 混汞黄金提炼法 (汞齐化) 湿法黄金提练法 (王水溶解) △ △ 富集法 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 1.什么是自然资源？可持续发展的目标指什么？ 2.金属元素在自然界以化合态还是游离态存在？ 3.金属冶炼指什么？ 4.为什么不同金属的冶炼方法不同？ 5.金属活动顺序与金属冶炼有什么关系？ 6.铝热反应？ 7.合理开发和利用金属矿物资源有哪些主要途径？ 阅读课本P98—99，完成下列问题： 阅读课本P99并思考：为什么要合理开发和利用金属矿物资源？ 如何有效利用金属矿物? 四、合理开发和利用金属矿物资源 合理开发和利用金 属矿物资源的原因 (1)提高金属矿物的利用率 (2)开发环保高效的金属冶炼方法 (4)加强金属资源的回收和再利用 (5)使用其他材料代替金属材料，减少金属的使用量 (3)防止金属的腐蚀 合理开发和利用金属矿物资源的措施 (1)资源有限且分布不均 (2)金属的冶炼消耗许多能量 (3)金属冶炼造成环境污染 (4)金属腐蚀造成大量损失 课堂小结 第八章 化学与可持续发展 第一节 自然资源的开发利用 课时2 海水资源的开发利用 素元化学工作室 学习目标 1. 了解海水水资源及其利用，能准确说出海水淡化的方法。 2. 以海水资源中的氯化钠为原料，构建物质间的转化关系。 3. 通过海水提溴工艺流程图的设计与分析，形成工业上提取物质的一般思路和方法。 素元化学工作室 海水中的化学元素 最多： 常量元素：Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、F等11种元素 微量元素 种类很多，总储量很大，富集程度（浓度）却很低 O、H两种元素 一、水资源的利用 素元化学工作室 一、水资源的利用 1. 海水淡化 2. 海水循环冷却 服务于火电厂、核电厂的循环冷却 蒸馏法 将海水加热至沸腾汽化，然后将蒸气冷凝而得到蒸馏水 (历史最久，技术和工艺也比较成熟，但是成本较高) 电渗 析法 在外加直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，使溶液中的离子发生迁移从而达到除盐的目的 离子 交换法 用阴、阳离子交换树脂除去海水中的阴离子、阳离子，得到去离子水 —— 是分离提“纯液态”化合物的常用方法。 1. 原理： 利用有机物与杂质的沸点差异，将有机物以蒸汽的形式蒸出，再冷凝、收集产品。 2. 蒸馏提纯的条件： (1)互溶的液体混合物或液体和可溶性固体 (2)被提纯的有机物热稳定性较强(加热不分解) (3)有机物与杂质的沸点相差较大（一般相差30℃以上） 蒸馏烧瓶 碎瓷片或沸石 陶土网 气化 冷凝管 锥形瓶 温度计 牛角管(尾接管) 冷凝 接收 进水 出水 3. 蒸馏装置： 补充：蒸馏 为什么冷却水通入方向与被冷凝蒸气流向相反？——为了使蒸馏出的蒸气与冷却水长时间充分接触，带走尽可能多的热量。 为什么温度计水银球的顶端要与圆底烧瓶支管下沿处于同一水平线——对于蒸馏来说，只有精确控制蒸馏的温度才能达到分离提纯的目的，而蒸馏烧瓶支管口的温度正是被蒸馏变为气体某组分的温度，故温度计水银球顶端要与圆底烧瓶支管下沿处于同一水平线 4. 注意事项：整体——局部：由下到上，由左到右 ①使用前要检查装置的气密性 ②加热时应垫陶土网; ③烧瓶中放少量沸石或碎瓷片(防止暴沸) ④蒸馏烧瓶中所盛液体体积：1/3≤V≤2/3; ⑤温度计水银球的位置在蒸馏烧瓶支管口处 ⑥冷凝管中水的流向：下进上出 ⑦用锥形瓶收集馏分(蒸馏所得的产品) 思考：(1)先加热还是先通冷凝水？ 酒精灯迟到早退、冷凝水早出晚归 (2)实验中若发现未加沸石，应如何处理？ 立即停止加热，冷却后，补加沸石。 5. 检查装置气密性：用酒精灯对蒸馏烧瓶微热，伸入到水槽的牛角管有连续均匀的气泡冒出，且停止加热后，牛角管口形成一段水柱，说明不漏气. 补充：蒸馏 球形冷凝管 用于冷凝回流沸点高的液体 蛇形冷凝管 用于冷凝回流沸点低的液体 直形冷凝管（横着用） 球形冷凝管 (竖着用) 蛇形冷凝管 (竖着用) 例如 注意二者的区别 补充：蒸馏 二、水资源的开发 二、水资源的开发 1. 海水制盐 (1)定义：从海水中提取食盐的传统方法称为“盐田法”， 又称“滩晒法”，是最简便和经济有效的方法。 (2)原理： 蒸发、结晶 (3)过程： (4)用途： 食品、生产烧碱、纯碱、钠、氯气、盐酸的工业原料。 海水日晒制盐 盐水 滤液 适量 盐酸 溶解 BaCl2 NaOH Na2CO3 过滤 蒸发 结晶 方法 适用对象 实例 蒸发结晶 溶解度随温度变化不大的溶质 NaCl 降温结晶 溶解度随温度下降明显降低的溶质 KNO3 (1)定义：在一定条件下,溶液中的溶质以晶体的形式从溶液中析出的过程 不饱和溶液→饱和溶液→过饱和溶液→晶体析出 蒸发结晶(蒸发溶剂) 冷却结晶(冷却热饱和溶液) (2)方法 补充：结晶 蒸发至溶液中出现大量晶体，停止加热获取晶体，此法适用于溶解度随温度变化不大的物质。 蒸发至溶液出现晶膜，停止加热。将溶液慢慢冷却后析出晶体，此法适用于溶解度随温度变化较大的物质。 A溶液:NaCl(含少量KNO3);提纯NaCl 的方法是 。 B溶液:KNO3(含少量NaCI);提纯KNO3的方法是 。 2. 海水提溴 二、水资源的开发 “吹出法”海水提溴 环节 作用 化学方程式(或离子方程式) 氧化 吹出 吸收 蒸馏 用氯气氧化海水中的溴离子 利用溴挥发性用热空气将生成的溴吹出 用SO2作还原剂使溴转化为氢溴酸，以使其与空气分离 再用氯气将氢溴酸氧化为溴 后蒸馏分离 冷凝 将气态溴转化为液态溴 2Br-+Cl2=2Cl-+Br2 Br2+SO2+2H2O=H2SO4+2HBr Br2+SO2+2H2O=4H++SO42-+2Br- 2Br-+Cl2=2Cl-+Br2 2HBr+Cl2=2HCl+Br2 课本P101 练习：海水中溴元素以Br－形式存在，工业上用空气吹出法从海水中提取溴的工艺流程图如右所示： (1)步骤①反应的离子方程式是： ______________________。 (2)步骤③反应的化学方程式 是_______________________________。 (3)步骤②中，用热空气将Br2吹出，利用溴的性质为_______，从步骤②到步骤④的目的是__________________________。 2Br－＋Cl2===Br2＋2Cl－ SO2＋Br2＋2H2O===H2SO4＋2HBr 易挥发 将溴浓缩，提高Br2的提取率 (4)从理论上考虑，下列物质也能充分吸收Br2的是_______(填字母)。 A.NaOH B.FeCl2 C.Na2SO3 D.H2O ABC (5)步骤⑤蒸馏过程中，温度应控制在80～90 ℃。温度过高或过低都不利于生产，若温度过高，大量水蒸气随溴排出，溴蒸气中水分增加；若温度过低， 则 。 溴不能完全蒸出，产率太低 (1)实验步骤①会用到下列仪器中的________(填字母)。 a.酒精灯 b.漏斗 c.坩埚 d.泥三角 (2)步骤③的操作名称是______ (3)步骤④中反应的离子方程式为__________________________ a c d H2O2+2I- +2H+=I2＋2H2O 过滤 海带中含有碘元素。从海带中提取碘的实验过程如下图所示： 课堂练习4： 教材P106 T5 3. 海带中提碘I2 二、水资源的开发 课堂练习4： 教材P106 T5 3. 海带中提碘I2 二、水资源的开发 (5)海带灰中含有的硫酸盐、碳酸盐等，在实验步骤_______(填序号)中实现与碘分离。 (4)请设计一种检验水溶液中是否含有碘单质的方法：_______________ 取少量水溶液于试管中，加入几滴淀粉溶液，观察是否出现蓝色。 如果变蓝 ，则说明含有碘单质。 ⑤ (6)步骤⑥的目的是分离出碘和回收CCl4，操作方法是____ 装置选___ 蒸馏 C 课堂练习4： 教材P106 T5 3. 海带中提碘I2 二、水资源的开发 问题：含Br2或I2的水溶液中提取溴或碘的方法是什么？ 补充：萃取、分液 紫红 橙红 补充：萃取、分液 包括液-液萃取和固-液萃取。 1. 液-液萃取： 利用待分离组分在两种不互溶的溶剂中的溶解度不同，将其从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。 2. 萃取剂选择的条件： (1)萃取剂与原溶液的溶剂不互溶、不反应； (2)溶质在萃取剂中的溶解度要大于在原溶剂中的溶解度； (3)溶质与萃取剂不反应。 3. 萃取装置和操作： 分液漏斗(梨形) 烧杯 分液： 将两种互不相溶(分层)的液体混合物进行分离的操作 铁架台 (带铁圈) 振荡排气 静置分层 分液 检漏、装液 注意：分液和萃取是两个不同的操作方法, 分液可以单独进行, 但萃取之后一般要进行分液。 瓶塞(玻璃塞): 凹槽、小孔 分液漏斗：可将上下两层液体分离。 注意事项： 1.分液漏斗内液体的总体积不超过容积的2/3. 2.分液漏斗下端尖嘴部分紧靠烧杯内壁。 3.分液时应打开上口的玻璃塞或使塞上的凹槽对准漏斗口上的小孔，使液体能够顺利滴下； 4.下层液体从下口放出，及时关闭下口活塞; 上层液体从上口倒出。 注意：分液和萃取是两个不同的操作方法, 分液可以单独进行, 但萃取之后一般要进行分液。 4.海水提镁 3.沉淀池：MgCl2+Ca(OH)2 == Mg(OH)2↓+CaCl2 4.盐酸、浓缩：Mg(OH)2+2HCl == MgCl2+2H2O 6.电解：MgCl2(熔融) == Mg+Cl2↑ 电解 主要反应方程式： 二、水资源的开发 1.煅烧：CaCO3==CaO+CO2↑ 2.加水：CaO+H2O==Ca(OH)2 高温 5.脱水：MgCl2·6H2O == MgCl2+6H2O↑ HCl △ Ca(OH)2 过量 过滤 盐酸 MgCl2 (熔融) Mg ＋ Cl2 ↑ 电解 课堂练习5： 教材P106 T6 第八章 化学与可持续发展 第一节 自然资源的开发利用 课时3 煤、石油、天然气的综合利用 素元化学工作室 学习目标 1.通过煤、天然气和石油的化学组成和综合利用途径的学习，使学生能从化学的角度分析自然资源到产品的转化途径，认识化学方法在实现物质转化中的作用和贡献 2.通过介绍化石能源引发的环境问题，启发学生思考开发清洁新能源的绿色、可持续发展的新途径。 素元化学工作室 煤—工业粮食 石油—工业血液 天然气—清洁燃料 不可再生 利用率低 环境污染 应用 主要能源 化工原料 缺点 综合利用 提高效率 减少污染 措施 一、煤的综合利用 主要元素 其他元素 C H、O、N、S 等 煤直接燃烧产生大量的煤灰、煤渣、废气，污染环境、燃烧效率低！ (1)煤的干馏 (2)煤的气化 (3)煤的液化 煤的综合利用主要途径 1.煤的组成—有机物+少量无机物 （1）煤的干馏 将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，又称为煤的焦化。 产品 主要成分 用途 出炉煤气 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 化肥、炸药、染料、医药、农药、合成材料 粗苯 苯、甲苯、二甲苯 煤焦油 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、碳素电极 焦炭 碳 冶金、合成氨造气、电石、燃料 煤干馏的主要产品和用途 —化学变化 （2）煤的气化 —化学变化 将煤转化为可燃性气体的过程。 C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) 高温 煤气使用注意安全！ （3）煤的液化 —化学变化 直接液化： 煤与氢气作用生成液体燃料。 先转化为CO和H2，再在催化剂作用合成甲醇。 间接液化： CO + 2H2 CH3OH（甲醇） 催化剂 二、天然气的综合利用 天然气的主要成分是CH4，一种清洁的燃料。 可燃冰—天然气水合物 天然气作为化工原料：合成氨、生产甲醇、合成两碳或多碳有机物！ 三、石油的综合利用 各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。 分馏 催化裂化 裂解 催化重整 —化学变化 分馏 利用各组分沸点的不同进行分离的过程(蒸馏原理) 石油气（C≤4） 汽油（C5 ~ C11） 煤油（C11~C16） 柴油（C15~C18） 重油 轻质油 【概念辨析】比较蒸馏、分馏、干馏 蒸馏 分馏 干馏 操作过程 产物 反应类型 隔绝空气加强热使物质分解 液态混合物各组分沸点不同而分离 蒸馏原理 物理变化 物理变化 化学变化 混合物 纯净物 纯净物 在一定条件下把相对分子质量大、沸点高的重油断裂为相对分子质量较小、沸点较低的汽油。 催化裂化 C8H18 C4H10 + C4H8 催化剂 加热、加压 C16H34 C8H18+C8H16 催化剂 加热、加压 烷烃 烷烃 烯烃 又称深度裂化。采用比裂化更高的温度再断裂成乙烯、丙烯、甲烷等化工原料。 裂解 C4H10 CH4+C3H6 催化剂 加热、加压 C4H10 C2H4+C2H6 催化剂 加热、加压 催化重整 在加热和催化剂的作用下，通过结构的调整，使链状烃转化为环状烃。获得苯、甲苯等重要的化工原料。 煤、石油、天然气为原料生产合成高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维。 Lavf57.4.100 Lavf57.58.101 $$