第一节自然资源的开发利用

一、金属矿物的开发利用

1.1 概况

金属元素在自然界中的存在：
1. 游离态：极少数，如金，铂
2. 绝大多数：以化合态的形式存在
金属冶炼原理与实质：
1. 原理：将金属从其化合物中还原出来，从微观上讲是使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程。
2. 实质：用还原剂使得化合态的金属得到电子变成金属单质，\(\ce{M^{n+} + ne^{-} \xlongequal[]{} M}\)

1.2 金属的冶炼

1.常用方法：

原则：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，活泼性越强，冶炼所需要的条件就越高。

典型金属冶炼方法示例
1. 热分解法 ：
  1. 分解\(\ce{HgO}\)：\(\ce{2HgO \xlongequal[]{\Delta} 2Hg + O2 ^}\)
  2. 分解\(\ce{Ag2O}\) ：\(\ce{2Ag2O \xlongequal[]{\Delta} 4Ag + O2^ }\)
2. 热还原法 ：
  1. 高炉炼铁：\(\ce{Fe2O3 + 3CO \xlongequal[]{高温} 2Fe + 3CO2 }\)
  2. 铝热法炼铁：\(\ce{2Al + Fe2O3 \xlongequal[]{高温} 2Fe + Al2O3 }\) （反大量放热，用于焊接钢轨）
3. 电解法 ：使用熔融盐或者氧化物而不是盐溶液
  1. 冶炼钠：\(\ce{2NaCl(熔融) \xlongequal[]{电解} 2Na + Cl2 ^ }\)
  2. 冶炼镁：\(\ce{MgCl2(熔融) \xlongequal[]{电解} Mg + Cl2 ^ }\)
  3. 冶炼铝：\(\ce{2Al2O3(熔融) \xlongequal[冰晶石]{电解} 4Al + 3O2 ^}\)

2. 从矿石到金属单质（以铝土矿为例）

流程：\(\ce{NaOH}\) 溶液\(\ce{->[溶解]}\) 铝土矿\(\ce{->[过滤]}\) \(\ce{Na[Al(OH)4]}\) 溶液\(\ce{->[CO2]}\) \(\ce{Al(OH)3}\) \(\ce{->[灼烧]}\)\(\ce{Al2O3->[熔融电解][冰晶石]Al}\)
注意事项 ：
1. 金属元素通常容易富集，所以真实的工业生产中通常会同时冶炼好几种金属
2. \(\ce{Na[Al(OH)4]}\) ：四羟基合铝酸钠，常写作\(\ce{NaAlO2}\) 偏铝酸钠
3. 冰晶石：\(\ce{Na3AlF6}\) 作助熔剂，溶解\(\ce{Al2O3}\)

3. 铝热反应

概念	内容
定义	铝和金属氧化物在高温下发生的剧烈的放热反应
原理	\(\ce{Al}\) 作还原剂，金属氧化物作氧化剂，用铝将氧化物中的金属置换出来
铝热剂	铝粉和某些金属氧化物（\(\ce{Fe2O3、Cr2O3、V2O5等}\) 组成的混合物）
反应特点	①在高温下进行②反应迅速并放出大量的热③新生成的金属单质易与\(\ce{Al2O3}\)分离
应用	①冶炼难熔的、相对不活泼的金属，如\(\ce{V、Cr、Mn}\)等②焊接金属，如野外焊接钢轨

1.3 金属矿物资源的开发和利用措施

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
寻找替代材料，减少金属的使用量
加强废旧金属的回收和再利用

二、海水资源的开发利用

2.1 概况

利用途径：海水的淡化和直接利用海水进行循环冷却
海水淡化：通过海水中提取淡水或从海水中把盐分离出去。海水淡化的方法主要有蒸馏法、反渗透法、电渗析法

海水淡化方法	原理
蒸馏法	将海水加热至蒸发汽化，然后使水蒸气冷凝得到蒸馏水
电渗析法	利用阴阳离子交换膜的选择透过性，对外加电场作用下，分离阴阳离子
反渗透法	加压条件下，海水中的水分子能透过半透膜，离子等杂质无法透过半透膜

2.2 海水中化学资源的开发利用

1. 海水中化学资源的特点

多样性：含量最多的是\(\ce{O、H}\) 两种元素，加上\(\ce{Cl、Na、Mg}\)等元素
分散性：海水中元素种类很多，总储量很大，但许多元素富集程度很低

2. 海水制盐

方法：从海水中得到\(\ce{NaCl}\) 的方法有蒸发法（盐田法）、电渗析法等。目前主要以蒸发法和盐田法为主
原理：在太阳照射下，水分蒸发，当各种盐分分别达到其饱和浓度时，依次以固态形式析出
应用：从海水中制得的氯化钠除食用外，还作为化工原料生产烧碱、纯碱、钠、氯气、盐酸
海水中其他资源的开发利用 ：
1. 从海水中制取镁、钾、溴及其他化工产品
2. 从海水中提取铀和重水，用于核能开发
3. 开发朝汐能、波浪等新型能源
海水的综合利用 ：

2.3 海水提溴

1.空气吹出法的工艺流程：

工艺流程：

海水\(\ce{->[浓缩酸化]}\)浓缩海水（含\(\ce{Br^{-}}\)）\(\ce{->[通入Cl2][氧化]}\) 浓缩海水（含\(\ce{Cl^{-}、Br^{-}}\)）\(\ce{->[通入热空气][吹出]}\)吸收塔用\(\ce{SO2}\)和水吸收\(\ce{->[反应后富集溴]}\) \(\ce{Br^{-}、SO^{2-}4}\) \(\ce{->[通入Cl2][提取]}\) \(\ce{Br2、Cl^{-}}\)\(\ce{->[分离]}\) 溴单质

主要过程及方程式：
1. 浓缩：海水晒盐和海水淡化过程中\(\ce{Br^{-}}\) 得到浓缩
2. 氧化：像经过酸化的浓缩海水中通入\(\ce{Cl2}\) ，将\(\ce{Br^{-}}\) 氧化为\(\ce{Br2}\)，\(\ce{Cl2 + 2Br^{-} \xlongequal[]{} 2Cl^{-} + Br2}\)
3. 富集：利用溴的挥发性，通入热空气，吹出来的溴蒸气用\(\ce{SO2}\) 和水吸收，\(\ce{Br2 + SO2 + 2H2O \xlongequal[]{} H2SO4 + 2HBr }\)
  1. 其他富集方法：①吸收：\(\ce{3Br2 + 3Na2CO3 \xlongequal[]{} 5NaBr + NaBrO3 + 3CO2 ^}\)

②酸化：\(\ce{5NaBr + NaBrO3 + 3H2SO4 \xlongequal[]{} 3Br2 + 3Na2SO4 + 3H2O}\)

提取：用\(\ce{Cl2}\) 将\(\ce{HBr}\) 氧化得到产品溴

2.4 海水中提取镁

工艺流程：

主要化学方程式：
1. 制备石灰乳：\(\ce{CaCO3 \xlongequal[]{高温} CaO + CO2 ^ }\) ；\(\ce{CaO + H2O \xlongequal[]{} Ca(OH)2}\)
2. 沉淀\(\ce{Mg^{2+}}\) ：\(\ce{Mg^{2+} + Ca(OH)2 \xlongequal[]{} Mg(OH)2 + Ca^{2+}}\)
3. 制备\(\ce{MgCl2}\)：\(\ce{Mg(OH)2 + 2HCl \xlongequal[]{} MgCl2 + 2H2O}\)
4. 电解\(\ce{MgCl2}\)：\(\ce{MgCl2(熔融) \xlongequal[]{电解} Mg + Cl2 ^ }\)

2.5 从干海带中提取碘

概况：海带是一种含碘量很高的海藻，从中提取制得的碘和褐藻酸，广泛应用于医药、食品和化工。碘是人体必需的元素之一，缺碘会患甲状腺肿大，多食海带能防治此病，还能预防动脉硬化，降低胆固醇。
实验过程 ：
1. 用剪刀剪碎干海带，用酒精润湿，放入坩埚中
2. 灼烧海带至完全成灰，停止加热，冷却
3. 将海带灰加蒸馏水溶解、搅拌、煮沸、过滤
4. 在滤液中滴加稀硫酸及\(\ce{H2O2}\) 溶液，然后加入几滴淀粉溶液。如果变蓝色则证明海带中含碘元素。
5. 实验过程中碘离子转化为碘单质的离子方程式：\(\ce{2I^{-} + H2O2 + 2H^{+} \xlongequal[]{} I2 + 2H2O }\)
6. 提取\(\ce{I2}\) ：采用萃取的方法，利用\(\ce{CCl4}\)将\(\ce{I2}\) 从碘水中提取出来
7. 实验流程：干海带\(\ce{->[灼烧]}\)海带灰\(\ce{->[沸水][浸泡]}\)悬浊液\(\ce{->[过滤]}\) 滤液\(\ce{->[H^{+}][H2O2]}\) 含碘的水溶液\(\ce{->[CCl4]}\) \(\ce{I2的CCl4}\) 溶液\(\ce{->}\) 碘单质
8. 反萃取法：将富集的\(\ce{CCl4}\) 中的碘单质利用化学转化法重新富集在水中的方法为反萃取法

反应方程式：\(\ce{3I2 + 6NaOH \xlongequal[]{} 5NaI + NaIO3 + 3H2O }\)

三、煤的综合利用

3.1 煤的组成

由有机物和少量无机物组成的复杂混合物，组成以碳元素为主，主要含有少量氢、氧、氮、硫等元素

3.2 煤的综合利用

目的：煤的综合利用的目的是获得清洁的燃料和多种化工原料，提高煤的综合利用率。主要途径有煤的干馏、气化、液化
煤的干馏 ：属于化学变化
1. 定义：将煤隔绝空气加强热使之分解的过程，工业上也叫做煤的焦化
2. 主要产品：出炉煤气（包括焦炉气、粗氨水、粗苯）、煤焦油、焦炭
煤的气化 ：属于化学变化
1. 定义：将煤转化为可燃性气体的过程
2. 主要反应原理：\(\ce{C(s) + H2O(g) \xlongequal[]{高温} CO(g) + H2(g) }\)
煤的液化 ：属于化学变化
1. 直接液化：\(\ce{煤 + H2 -> }\) 液体燃料
2. 简接液化：煤\(\ce{->[转化]}\) \(\ce{CO和H2->}\) 甲醇等

四、天然气的综合利用

主要成分：甲烷（\(\ce{CH4}\)）是一种清洁的化工原料
用途：
1. 作为燃料，提供能量。\(\ce{CH4 + 2O2 \xlongequal[]{点燃} CO2 + 2H2O}\)
2. 化工生产中用于合成氨和生产甲醇等

五、石油的综合利用

5.1 概况

形成：石油是埋藏在地下不同地质年代的动植物遗体经过漫长的地质条件变化，在温度、压力等作用下形成的。
组成：由多种碳氢化合物组成的复杂混合物。石油所含元素以\(\ce{C、H}\) 为主，还有少量\(\ce{N、S、O}\)
物理性质 ：常温下呈液态，含多种液态烃，并溶有少量气态烃和固态烃。具有特殊香味，密度比水小，不溶于水。没有固定的熔、沸点。

5.2 石油的综合利用

分馏：（物理变化，由于石油中有些物质的熔沸点很接近，所以分馏产物一般为混合物）
1. 原理：利用石油中各组分沸点的不同进行分离的过程
2. 目的：获得汽油、煤油、柴油等含碳原子少的轻质油
3. 产物：石油分馏所得汽油为直馏汽油，多为饱和烃
裂化：
1. 原理：在加热、使用催化剂的条件下，将含碳原子较多、沸点较高的烃分裂为含碳原子较少、沸点较低的烃的过程
2. 目的：提高汽油等轻质液体燃料的产量和质量
裂解：
1. 原理：深度裂化
2. 目的：得到乙烯、丙烯、甲烷等重要的基本化工原料
催化重整 ：
1. 原理：在加热和催化剂的作用下，烃类分子结构进行重新排列，得到新的分子结构的过程
2. 目的：获得苯、甲苯等产品
石油的裂化、裂解方程式 ：
1. \(\ce{C16H34(十六烷) ->[催化剂][加热、加压] C8H18(辛烷) + C8H16(辛烯)}\)
2. \(\ce{C8H18(辛烷) ->[催化剂][加热、加压] C4H10(丁烷) + C4H8(丁烯) }\)
3. \(\ce{C4H10(丁烷) ->[催化剂][加热、加压] CH4(甲烷) + C3H6(丙烯) }\)
4. \(\ce{C4H10 ->[催化剂][加热、加压] C2H6(乙烷) + C2H4(乙烯) }\)

六、能源综合利用总结

6.1 化学中“三馏”的比较

名称	定义	目的	条件	变化类型	产物	举例
蒸馏	液态物质加热到沸腾，并使其蒸气冷凝的操作过程	从溶液中分离出某种或几种纯液态物质	其他组分难挥发或沸点与馏出物相差较大	物理变化	馏分常是纯净物	海水的蒸馏
分馏	液态物质加热至沸腾，并使其连续汽化、冷凝的操作过程	从溶液中分离出几种物质	沸点比较接近的液态化合物	物理变化	馏分常是混合物	石油的分馏
干馏	固体或有机物在隔绝空气条件下加热分解的反应过程	发生化学反应得到新的物质	隔绝空气加强热	物理、化学变化	多种产物	煤的干馏

6.2 化学能源与合成高分子材料

以煤、石油和天然气为原料，通过化学反应可获得许多性能优异的合成高分子材料，如塑料、合成橡胶和合成纤维
利用石油化工产品乙烯和丙烯合成聚乙烯和聚丙烯。如：
1. 乙烯制聚乙烯：\(\ce{nCH2=CH2 ->[催化剂] -[CH2-CH2]_n -}\)
2. 丙烯制聚丙烯：\(\ce{nCH2=CH-CH3 ->[催化剂] -[CH2-C(CH3)H]_n - }\)

6.3 重要工业气体的来源、成分与主要用途

名称	来源	成分	主要用途
天然气	天然蕴藏在地层内的一种可燃性气体	由\(\ce{CH4、C2H6}\)等小分子组成的混合物	作燃料、制炭黑等
水煤气	水蒸气通过炽热的炭层而生成的气体：\(\ce{C + H2O(g) \xlongequal[]{高温} H2 + CO}\)	\(\ce{CO、H2}\)还有少量\(\ce{CO2、N2}\)	作燃料
焦炉气	煤干馏	主要是\(\ce{H2、CH4}\)，还有少量的\(\ce{CO、C2H4}\)等	气体燃料、化工原料
高炉煤气	炼铁的废气	\(\ce{CO、CO2、N2、H2}\)等，还有少量矿尘	作燃料
裂解气	石油裂解得到的气态烃	乙烯、丙烯、\(\ce{CH4}\)、\(\ce{C2H6}\)，还有少量\(\ce{H2}\) 等	石油化工原料
液化石油气	石油的炼制	4个碳原子及以下烃的混合物	作燃料

第一节 自然资源的开发利用