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化学与可持续发展（工业流程及其应用）

本章内容对标 课本 必修二化学与可持续发展，主要讲解了自然资源的开发利用。

金属矿物的开发利用​

金属元素在自然界中的存在形式​

游离态（以单质形式存在）：金、铂等极少数不活泼金属；单质铁存在于陨石中；

化合态（以化合物形式存在）：钠、镁、铝等绝大多数金属。在化合物中金属元素的化合价都是正价。

金属的冶炼方法​

  1. 原理：将金属矿物中的金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程；

  2. 实质：使金属阳离子得到电子被还原成金属单质的过程。

  3. 常见的金属冶炼方法：根据金属活泼性的不同，采用不同的冶炼方法。

    热分解法：

    2 HgO =Δ 2 Hg+OX2↑2 AgX2O =Δ 4 Ag+OX2↑\ce{2HgO \xlongequal{\Delta} 2Hg + O2 ^}\\ \ce{2Ag2O \xlongequal{\Delta} 4Ag + O2 ^}

    电解法：

    2 NaCl(熔融) =通电 2 Na+ClX2↑MgClX2(熔融) =通电 Mg+ClX2↑2 AlX2OX3(熔融) =冰晶石通电 4 Al+3 OX2↑\ce{2NaCl(熔融) \xlongequal{通电} 2Na + Cl2 ^}\\ \ce{MgCl2(熔融) \xlongequal{通电} Mg + Cl2 ^}\\ \ce{2Al2O3(熔融) \xlongequal[冰晶石]{通电} 4Al + 3O2 ^}

    注意：

    1. 不能通过电解饱和食盐水获得单质钠，因为钠在水中又会生成氢氧化钠。
    2. 不能通过电解熔融的氧化镁获得镁单质，因为氧化镁熔点太高，提炼它会太耗能。
    3. 不能通过电解氯化铝获得铝单质，因为氯化铝在熔融态不导电。
    4. 加入冰晶石的目的是，如果单纯使用氧化铝电解，需要的温度太高，成本难以接受。

    热还原法：

    CuO+HX2 =高温 Cu+HX2OFeX2OX3+3 CO =高温 2 Fe+3 COX2FeX2OX3+2 Al =高温 2 Fe+AlX2OX3(铝热反应)\ce{CuO + H2 \xlongequal{高温} Cu + H2O}\\ \ce{Fe2O3 + 3CO \xlongequal{高温} 2Fe +3CO2}\\ \ce{Fe2O3 + 2Al \xlongequal{高温} 2Fe +Al2O3}(铝热反应)

    注意：铝热反应成本较高，一般使用较少。

    湿法炼铜：

    Fe+CuSOX4=FeSOX4+Cu\ce{Fe +CuSO4 = FeSO4 + Cu}\\

    火法炼铜：

    CuX2S+OX2 =Δ 2 Cu+SOX2\ce{Cu2S + O2 \xlongequal{\Delta} 2Cu + SO2}

海水水资源的利用​

海水淡化​

  1. 蒸馏法：将海水加热至沸腾气汽化，然后使水蒸气冷凝得到蒸馏水。

  2. 电渗析法：利用阴阳离子交换膜对水中阴阳离子的选择透过性，在外加直流电场的作用下，使水中一部分离子转移到另一部分水中，从而达到除盐的目的；

  3. 离子交换法：用离子交换树脂除去海水中的阴阳离子，得到去离子水。

    注意：必须先通过阳离子，再通过阴离子，因为如果先通过阴离子，氢氧根沉淀能力很强，会与其它金属离子形成沉淀。

海水提溴​

说明：

  1. 海水蒸馏浓缩后含有 BrX−\ce{Br-} 的海水称作苦卤；
  2. 第二步得到的含有 BrX2\ce{Br2} 的海水溴含量太少，需要通过富集使其增多。
  3. 第四步可通过可以通过还原剂 NaX2SOX3, NaX2COX3\ce{Na2SO3,Na2CO3} 增加溴的浓度；
  4. 第五步氯可以氧化形成成溴单质；
  5. 如果我们最后获得了 1 mol BrX2\ce{1mol~Br2} 则需要 2 mol ClX2\ce{2mol~Cl2}。

海带提碘​

海水中的碘的总储量很大，但由于其浓度很低，工业上并不直接通过海水来提取碘，而是以具有富集碘能力的海藻（如海带灯）为原料获取碘。

说明：

  1. 第四步加入氧化剂 HX2OX2\ce{H2O2} 会发生：2 IX−+HX2OX2+2 HX+=IX2+2 HX2O\ce{2I- + H2O2 + 2H+ = I2 + 2H2O}；
  2. 第五步由于碘单质在水中可能含有其它杂质，需要通过四氯化碳等萃取剂将碘单质转移到四氯化碳中。
  3. 如果使用易挥发的有机溶液可以通过蒸馏得到单质碘。
  4. 第六步与 NaOH\ce{NaOH} 溶液发生反应变成 IX−\ce{I-} 或 IOX3X−\ce{IO3-}：3 IX2+6 OHX−=5 IX−+IOX3X−+3 HX2O\ce{3I2 + 6OH- = 5I- +IO3- +3H2O}，将碘从有机溶剂重新换回到水中，称作反萃取。
  5. 第七步加入硫酸的反应：5 IX−+IOX3X−+6 HX+=3 IX2+3 HX2O\ce{5I- + IO3- +6H+ = 3I2 + 3H2O}。
  6. 强碱是歧化反应，强酸是归中反应。

海水提镁​

  1. 一般使用氢氧化钙沉淀，因为氢氧化钠更贵，成本更高；

  2. 制备 Ca(OH)X2\ce{Ca(OH)2}：

    CaCOX3 =高温 CaO+COX2↑CaO+HX2O=Ca(OH)X2\ce{CaCO3 \xlongequal{高温} CaO + CO2 ^}\\ \ce{CaO + H2O = Ca(OH)2}

  3. 沉淀 MgX2+\ce{Mg^2+}：MgX2++2 OHX−=Mg(OH)X2↓\ce{Mg^2+ + 2OH- = Mg(OH)2 v}；

  4. 制备 MgClX2\ce{MgCl2}：Mg(OH)X2+2 HCl=MgClX2+2 HX2O\ce{Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 +2H2O}；

  5. MgClX2 ⋅6 HX2O\ce{MgCl2 \cdot 6H2O} 晶体脱水：MgClX2 ⋅6 HX2O =ΔHCl MgClX2+6 HX2O↑\ce{MgCl2 \cdot 6H2O \xlongequal[\Delta]{HCl} MgCl2 + 6H2O ^}；

  6. 制取 Mg\ce{Mg}：MgClX2(熔融) =电解 Mg+ClX2↑\ce{MgCl2(熔融) \xlongequal{电解} Mg + Cl2 ^}；

煤的组成和综合利用​

说明：

  1. 煤干馏后的气体有 CHX4, HX2, CO\ce{CH4,H2,CO} 等，可做燃料。同时含有煤焦油，可以获得大量芳香烃。含有固体，主要是焦炭，可以作为燃料金属的还原剂。
  2. 注意煤的干馏、汽化和液化都是化学变化。

石油的综合利用​

说明：

  1. 通过分馏获得的汽油主要是直馏汽油，是烷烃。
  2. 通过催化裂化得到的是裂化汽油，含有烯烃。可以用溴水或高锰酸钾鉴别直馏汽油和液化汽油。
  3. 裂解的目的是获得乙烯、丙烯等重要的烯烃。

天然气的组成及其利用​

  1. 组成：主要成分是甲烷，还含有乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等；
  2. 综合利用：
    • 是一种清洁的化石燃料，可以直接用作燃料；
    • 重要的化工原料，主要用于合成氨和生产甲醇。