8.1 自然资源的开发利用（PPT课件）-2026-2027学年高一下学期化学同步课件（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 目 录 CONTENTS 1 2 金属矿物的开发利用 海水资源的开发利用 3 煤、石油、天然气的综合利用 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？ 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 任务一 金属元素在自然界的存在形式 黄铜矿CuFeS2 铝土矿Al2O3 赤铁矿Fe2O3 黄铁矿FeS2 辉铜矿Cu2S 天然金 金属矿物是如何开发利用的呢？ 存在形式 游离态(金、铂、银等) 化合态(绝大多数金属) 金 铂矿 任务二 金属的冶炼 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。 +ne- 得电子，被还原 Mn+ M 由化合态（化合物） 制备游离态（单质） 除去杂质 提高金属的比例 制备高纯度的金属 一、金属冶炼的本质 富集 冶炼 精炼 任务二 金属的冶炼 金属的使用时间 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 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。 金属越活泼，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。 任务二 金属的冶炼 富集法：适用于极不活泼的金属的冶炼如 Pt Au 1、物理方法 二、金属冶炼的方法 K Ca Na Mg Al︱Zn Fe Sn Pb (H) Cu ︱ Hg Ag ︱Pt Au 富集法 《浪淘沙》-刘禹锡 千淘万漉虽辛苦， 吹尽狂沙始到金。 美人首饰侯王印， 尽是沙中浪底来。 淘金原理：金的密度比沙大 淘金者 任务二 金属的冶炼 ① 热分解法：适用于不活泼的金属冶炼如 Hg Ag 2、化学方法 二、金属冶炼的方法 K Ca Na Mg Al︱Zn Fe Sn Pb (H) Cu ︱ Hg Ag ︱Pt Au 热分解法 富集法 古代炼丹术家葛洪，曾经在他的著作《抱朴子》中记载有“丹砂烧之成水银”。 HgS == Hg + S 2HgO == 2Hg+O2↑ 2Ag2O == 4Ag+O2↑ 任务二 金属的冶炼 2、化学方法 二、金属冶炼的方法 ② 热还原法：适用于中等活泼的金属冶炼 K Ca Na Mg Al︱Zn Fe Sn Pb (H) Cu ︱ Hg Ag ︱Pt Au 热分解法 富集法 热还原法 常用的还原剂一般选用 C、CO、H2及较活泼金属如Al等 初中已经学过的高炉炼铁和氢气还原氧化铜。 Fe2O3+3CO === 2Fe + 3CO2 高温 CuO+H2 === Cu + H2O 高温 铝热反应： Fe2O3+2Al === Al2O3+2Fe 高温 任务二 金属的冶炼 铝热反应 2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3 高温 ①镁条剧烈燃烧； ②铝热剂发生剧烈的反应； ③反应放出大量的热，并发出耀眼的白光； ④纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中。 铝和金属氧化物在高温下发生剧烈反应并放出大量热的化学反应。 探究课堂 1、铝热反应需要高温条件，是否还需要持续加热？ 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、实验中，镁条、氯酸钾的作用是什么？引发反应的操作是什么？ 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。 3、蒸发皿中铺少量细沙的作用是什么？ 一是防止蒸发皿炸裂，二是防止生成的熔融物溅出。 沙 任务二 金属的冶炼 ① 冶炼高熔点金属，如铬、锰、钨、钒等 ② 野外金属焊接，如焊接钢轨 3MnO2 + 4Al 3Mn + 2Al2O3 高温 Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3 高温 金属冶炼 焊接钢轨 铝热反应在工业上有哪些重要应用？ 任务二 金属的冶炼 2、化学方法 二、金属冶炼的方法 ③ 电解法：适用于非常活泼的金属冶炼 K Ca Na Mg Al︱Zn Fe Sn Pb (H) Cu ︱ Hg Ag ︱Pt Au 热分解法 富集法 热还原法 电解法 Na： Mg: Al: 2NaCl (熔融) 2Na ＋ Cl2 ↑ 电解 MgCl2 (熔融) Mg ＋ Cl2 ↑ 电解 2Al2O3 (熔融) 4Al ＋3O2 ↑ 电解 冰晶石 能否用MgO？ 1、能否用AlCl3？ 2、冰晶石的作用？ 思考与交流： 制备镁、铝时，原料为什么选择 MgCl2 、Al2O3，而不选择MgO、AlCl3？ 根据信息： 提示：AlCl3 是共价化合物 任务二 金属的冶炼 3、其他金属的冶炼方法 湿法炼铜 信州铅山县有苦泉，流以为涧。其水熬之，则成胆矾，烹胆矾则成铜。熬胆矾铁釜，久之异化为铜。 ——沈括《梦溪笔谈》 西汉《淮南万毕术》有“曾青得铁，则化为铜”的记载。 Fe+CuSO4 = FeSO4 + Cu 二、金属冶炼的方法 用矿(硫化矿，主要成分为Cu2S)二百五十箩……入大旋风炉，连烹(灼烧) 三日三夜，方见成铜。 ——明·陆容《菽园杂记》 火法炼铜 Cu2S+O2 = 2Cu + SO2 高温 探究课堂 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，前者的能耗仅为后者的3%～5%。通过对上述数据的分析和比较，结合图8-1和图8-2，你想到了什么？请将你的想法与同学交流。 图8-2 与生产1 kg铝相关联的消耗 图8-1铝的成产原理示意图 任务三 金属矿物的开发和利用 (1)_________________________； (2)开发环保高效的金属冶炼方法； (3)________________________； (4)_______________________________； (5)使用其他材料代替金属材料。 提高金属矿物的利用率 防止金属的腐蚀 加强废旧金属的回收和再利用 （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 1.原因： 2.措施： 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? 课堂小结 金属矿物的开发利用 金属冶炼 本质 Mn＋＋ne－===M，即金属元素由化合态转变为游离态的过程 金属利用 提高矿物利用率； 开发环保高效冶炼方法；防止金属的腐蚀； 回收和再利用等 地球表面海洋面积占到71%，海洋是人类千万年来取之不尽、用之不竭的巨大资源宝库，包括能源资源、生物资源、水资源及化学资源。其中的水资源和化学资源具有十分巨大的开发潜力。 你知道海水资源的特点吗？ 任务一 认识海水资源 分散性 广阔性 海水中水的储量约为1.3×109 亿吨，占地球总水量97% 元素种类很多，总计含有80多种元素 许多元素的富集程度很低（金总含量1x106t而1t海水仅含1x10-4t） 多样性 海洋中水资源能否直接利用？如何开发利用？ 任务二 海水水资源的利用 一、水资源的利用 海水 途径① 直接利用海水进行循环冷却 途径② 海水淡化 蒸馏法 电渗析法 反渗透法 提取出淡水 分离出盐分 1、蒸馏法 蒸馏法的历史最久，技术和工艺也比较成熟，但是成本较高。 任务二 海水水资源的利用 蒸馏实验原理： 一、水资源的利用 1、蒸馏法 利用各成分的沸点不同，分离互溶液态混合物的物理分离方法。 加入碎瓷片的目的：防止液体暴沸 蒸馏烧瓶 直形冷凝管 尾接管（牛角管） 温度计 锥形瓶 注意事项： ①烧瓶需垫石棉网加热，防止烧瓶炸裂。 ②烧瓶所盛液体不能超过烧瓶容积的 2/3 ③冷凝管内的冷凝水要下口进、上口出。 ④蒸馏时温度计水银球位于蒸馏烧瓶的支管口处。 任务二 海水水资源的利用 2、电渗析法 在外加直流电场的作用，利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，使水中的一部分离子转移到另一部分水中而达到除盐的目的。 一、水资源的利用 任务二 海水水资源的利用 一、水资源的利用 3、反渗透法 向海水施加大于渗透压的压力，利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。 任务三 海水化学资源的利用 二、化学资源的利用 海水中的化学元素 海中含盐主要是 NaCl、MgCl2 溴是海洋元素，地球上99%的溴元素分布在海洋中，以Br－的形式存在。 任务三 海水化学资源的利用 二、化学资源的利用 1、海水制盐 海水 引入 盐田 风吹日晒 饱和食盐水 粗盐 提纯 NaCl 可溶性杂质：Ca2+、 Mg2+ 、 SO42- 过滤除去泥沙 BaCl2 除杂试剂： Na2CO3 NaOH 先加BaCl2，后加Na2CO3 先过滤后再加稀盐酸 蒸发结晶 蒸发结晶 任务三 海水化学资源的利用 二、化学资源的利用 NaCl综合利用 ①氯碱工业 通电 2NaCl＋2H2O 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑ ②制钠和氯气 通电 2NaCl（熔融） 2Na＋Cl2↑ ③制盐酸 ④制漂白剂(84消毒液) ⑤侯氏制碱 Cl2＋2NaOH==NaCl＋NaClO＋H2O NaCl＋CO2＋H2O＋NH3==NH4Cl＋NaHCO3↓ Δ 2NaHCO3 Na2CO3＋CO2↑＋H2O 1、海水制盐 点燃 H2＋Cl2 2HCl 任务三 海水化学资源的利用 二、化学资源的利用 2、海水提溴 海水 富集 （浓缩） 氧化室 吹出塔 吸收塔 蒸馏塔 冷凝器 Br2 酸和Cl2 空气 SO2和H2O Cl2和H2O 目标产品 物质转化 分离提纯 工业原料 富集 2Br- +Cl2=2Cl- +Br2 Br2+SO2+2H2O=H2SO4+2HBr 2HBr+Cl2=2HCl+Br2 任务三 海水化学资源的利用 二、化学资源的利用 3、海水提镁 贝壳 CaO 石灰乳 沉淀池 海水 过滤 Mg(OH)2 MgCl2 Mg+Cl2 ④盐酸、浓缩 盐酸 Cl2循环利用 ①煅烧 ②水 ③ MgCl2·6H2O ⑤HCl气氛 中加热脱水 ⑥电解 引入 ① CaCO3 CaO＋CO2↑ ② CaO＋H2O=Ca(OH)2 加热 相关反应方程式 ③ Ca(OH)2＋MgCl2=Mg(OH)2↓＋CaCl2 Mg(OH)2＋2HCl==MgCl2＋2H2O MgCl2·6H2O MgCl2+6H2O 电解 ⑥ MgCl2(熔融) Mg＋Cl2↑ ④ ⑤ 任务三 海水化学资源的利用 二、化学资源的利用 4、海水提碘 海带 灼烧 海带 灰 溶解、 过滤 含I-的溶液 残渣 含碘单质的溶液 H2O2/Cl2 含碘单质的有机溶液 萃取分液 单质碘 蒸馏 2H+ + 2I- + H2O2 = I2 + 2H2O Cl2 + 2I- = 2Cl- + I2 课堂小结 海水的开发利用 海水水资源 海水淡化：电渗析法、蒸馏法、反渗透法、离子交换法 循环冷却：用于工业冷却用水或耐盐植物灌溉等 海水化学资源 海水提盐（盐田法）：海水 盐田 粗盐 精盐 食用盐、氯碱工业原料 引入 日晒 精制 海水提溴：海水 苦卤 海水（Br2） 吸收液 含Br2溶液 含溴有机溶液 Br2 提取 精盐 萃取 酸化 氧化 吹出 吸收 Cl2 氧化 蒸馏 海水提镁(贝壳)：Mg2+ Mg(OH)2 MgCl2 Mg 石灰 HCl 电解 煤—工业粮食 石油—工业血液 天然气—清洁能源 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 任务一 煤的综合利用 一、煤的综合利用 1、煤的组成 主要元素 其他元素 C H、O、N、S 等 多种有机物和少量无机物组成的复杂混合物 其氧化物会造成环境问题 CO2会加剧温室效应 煤的综合利用途径： 煤的干馏 煤的气化 煤的液化 任务一 煤的综合利用 一、煤的综合利用 2、煤的干馏 干馏产物 主要成分 主要用途 出炉 煤气 焦炉气 H2、CH4、乙烯、CO 气体燃料、化工原料 粗氨水 NH3、铵盐 氮肥 粗苯 苯、甲苯、二甲苯 炸药、燃料、医药、农药、合成材料 煤焦油 苯、甲苯、二甲苯 酚类、萘 医药、染料、农药、合成材料 焦炭 沥青 碳素电极、筑路材料 碳 冶金、燃料、合成氨 表8-1 煤干馏的主要产品和用途 将煤隔绝空气加强热使其分解的过程。 【思考】为什么一不小心将少量水洒在烧得通红的煤上时，火不但没有熄灭， 反而烧得更旺？ 任务一 煤的综合利用 一、煤的综合利用 3、煤的气化 将煤转化为可燃性气体的过程。 水煤气 C+H2O(g) CO + H2 高温 这就是煤的气化，烧得通红的煤与水蒸气反应生成可燃性气体H2和CO，所以燃烧更旺。 4、煤的液化 将煤转化为液体燃料的过程。 CO + 2H2 CH3OH（甲醇） 催化剂 直接液化： 使煤与氢气作用生成液体燃料 间接液化： 先转化为CO和H2，然后在催化剂作用下合成甲醇 任务二 天然气的综合利用 1、天然气组成 ——主要成分是甲烷 2、天然气用途 燃料——清洁能源 化工原料：生产甲醇、合成两碳或多碳有机物 液化天然气公交车 天然气灶 任务三 石油的综合利用 石油：各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。 石油不可以直接用作燃料，石油需要经过炼制，才能分离出能驱动汽车、飞机等的汽油、煤油等。 任务三 石油的综合利用 1、分馏 概念：利用各组分沸点的不同进行分离的过程 石油气（C≤4） 汽油（C5 ~ C11） 煤油（C11~C16） 柴油（C15~C18） 重油 获得轻质油 目的： 探究课堂 【概念辨析】比较蒸馏、分馏、干馏 干馏 蒸馏 分馏 原理 产物 反应类型 隔绝空气加强热使物质分解 根据液态混合物中各组分沸点不同进行分离 与蒸馏原理相同 产物为沸点不同的各组分组成的混合物 产物为单一组分的纯净物 产物为混合物 化学变化 物理变化 物理变化 任务三 石油的综合利用 2、裂化 加工方法 定义 主要原料 主要目的 主要产品或原理 裂化 提高轻质液体燃料的产量和质量 一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃的过程 直链烷烃 C16H34 C8H18＋C8H16 C8H18 C4H10 + C4H8 催化剂 加热、加压 【思考】 裂化汽油可以使溴的四氯化碳溶液褪色，其原因是什么？ 裂化汽油中含有烯烃，能与Br2发生加成反应，可以使溴的四氯化碳溶液褪色。直馏汽油的成分为饱和烃，故直馏汽油不能使溴的四氯化碳溶液褪色。 任务三 石油的综合利用 3、裂解——深度裂化 加工方法 定义 主要 原料 主要目的 主要产品或原理 裂解 催化重整 生产乙烯 等气态化工原料 采用比裂化更高的温度，使石油分馏产品中长链的烃分裂成乙烯、丙烯等小分子的过程 烷烃 乙烯、丙烯、甲烷 C4H10 CH4＋C3H6 C4H10 C2H6＋C2H4 生产环状烃 在加热和催化剂的作用下，使链状烃发生结构的重新调整而转化为环状烃的过程 链状烃 环状烃（苯、甲苯等芳香烃） 4、催化重整 任务三 石油的综合利用 煤、天然气、石油的综合利用 高分子材料 基础化工原料 更高价值生活用品 塑料 合成橡胶 合成纤维 1.加聚反应 2.缩聚反应 纺织品 药品 日用化学品 课堂小结 化石燃料 煤 干馏：隔绝空气强热，产品焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水、粗苯 主要成分：CH4，清洁燃料，重要化工原料。 裂化：大、高→小、低，提高汽油等轻质油的产量和质量 石油 天然气 液化：直接液化煤+氢气→液体燃料；间接液化煤→水煤气→甲醇 气化：制水煤气C + H2O（g） CO + H2 高温 分馏：获得汽油、煤油、柴油等轻质油及重油 裂解：深度裂化，获得短链不饱和烃如乙烯、丙烯、丁烯、甲烷等 催化重整：链状烃→环状烃 Lavf58.20.100 $