8.1 自然资源的开发利用课件（共79张ppt）人教版（2019）必修第二册

(共79张PPT)
第八章
化学与可持续发展
第一节
自然资源的开发利用
我们的身边离不开自然资源，无论是汽车、飞机、轮船还是我们身上的衣服、鞋子、帽子，以及我们的食物，都是从自然界中得到的，那么这些资源都是怎么进入我们的生活的，我们就简单的来了解一下吧。
化学是人类利用自然资源和应对环境问题的重要科学依据。本节我们将以金属矿物、海水资源和化石燃料的综合利用为例，认识化学的应用价值，了解与此有关的环境与发展问题。
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自然资源与可持续发展
自然资源是人类社会发展不可或缺的自然物质基础，包括土地与土壤资源、矿产资源生物资源、水资源、能源资源环境资源等，根据其能否再生可以分为可再生资源和不可再生资源。
可持续发展的目标是在满足人类需要的同时，强调人类的行为要受到自然界的制约，强调人类代际之间、人类与其他生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。它包括经济可持续发展、社会可持续发展、资源可持续发展,环境可持续发展等方面。
一
金属矿物的开发利用
1. 存在：除了金、铂等极少数金属，绝大多数金属以化合物的形式存在于自然界。 少数不活泼金属(如金和铂)以游离态存在.
把金属从矿石中提炼出来，这个过程就叫金属的冶炼。
金矿石
铁矿
铝矿
朱砂
化学要研究如何合理、高效地开发利用这些金属矿物，将其中的金属从其化合物中还原出来，用于生产各种金属材料，这一过程在工业上称为金属的治炼。根据金属活泼性的不同，可以采用不同的治炼方法。对一些不活泼金属，可以直接用加热分解的方法将它们从其化合物中还原出来。
金属的冶炼
某些不活泼金属，可以使用加热分解的方法得到，
热分解法：
2HgO ══ 2Hg＋O2↑　
△
2Ag2O ══ 4Ag＋O2 ↑
△
活泼金属，采用电解法制得。
MgCl2(熔融) ════ Mg＋Cl2↑
　
2Al2O3 (熔融) ════ 4Al＋3O2↑
　
2NaCl(熔融) ════ 2Na＋Cl2↑ 　　
电解
电解
电解
冰晶石
Fe2O3＋3CO ════ 2Fe＋3CO2↑
高温
大部分金属采用氧化还原反应制得，如铁、铜等。
高温
C＋2CuO ════ CO2↑＋2Cu
某些活泼金属也可做还原剂，如铝热反应。
Fe2O3＋2Al ════ 2Fe＋Al2O3
高温
地球上的金属矿物资源是有限的，且分布不均。人类通过金属的治炼，每年从自然界中提取数以亿吨计的金属这个过程中会消耗许多能量，也易造成环境污染。而金属腐蚀现象普遍存在，也造成了大量损失。因此，合理开发和利用金属资源显得尤为重要，其主要途径有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，加强废旧金属的回收和再利用，使用其他材料代替金属材料，等等。
合理开发和利用矿物资源的途径
(1) 开发环保高效的冶炼方法
(2) 防止金属腐蚀；
(3) 加强废旧金属回收；
(4) 寻找金属替代品。
？
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，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。
积极开展废弃金属的回收利用，是实现我国金属工业持续发展的重要途径，不仅可以在相当程度上解决国内金属矿山原料不足的问题，而且有助于保护自然资源，减少金属生产和消费过程中对生态环境的影响和破坏。可以大大缓解社会和经济发展对矿产资源不断增长的需求，明显降低金属生产过程中的煤炭，电力等能源消耗，减少环境污染，实现有金属工业的可持续发展，创造节约性社会。
二
海水资源的开发利用
海洋资源的存在
① 海洋约占地球表面积的71%，其中的水资源和其他化学资源具有十分巨大的开发潜力。
海水中水的储量约为1.3×1018 t，约占地球上总水量的97%。
②海水水资源的利用包括：
Ⅰ、海水淡化
Ⅱ、利用海水进行循环冷却。
③海水淡化的方法：
蒸 馏 法(最先使用，技术成熟，但成本高)
电渗析法(成本低，但未能大量生产)
离子交换法(目前正迅速发展，但需要不断更新离子交换树脂)
海水的综合利用
我国海水制盐具有悠久的历史。目前，从海水中制得的氯化钠除了供食用，还作为化工原料用于生产烧碱、纯碱、钠、氯气、盐酸等。从海水中制取镁、钾、溴及其他化工产品，就是在传统海水制盐工业的基础上发展起来的海水淡化与化工生产、能源开发等相结合已经成为海水综合利用的重要方向(如图8—3 )。
(3) 海水提镁： MgCl2(熔融) ════ Mg＋Cl2↑
电解
另外还可以提取纯碱，盐酸、氯气、钾、溴等。
(1) NaCl的水溶液制 NaOH：
2NaCl＋H2O ════ H2 ↑＋ Cl2↑＋2NaOH
电解
(2) 制金属Na： 2NaCl(熔融) ════ 2Na＋Cl2 ↑
电解
海水综合利用示意图
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海水中的化学元素
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。海水中含量最多的O、H两种元素，加上Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、F等11种元素，其总含量超过99%，其他元素为微量。
虽然海水中元素的种类很多，总储量很大，但许多元素的富集程度却很低。
例如，海水中金元素的总储量约为5×106t，而 1 t 海水中金元素的含量仅为4×10─6。海洋还是一个远未充分开发的巨大化学资源宝库。
海水中含80多种元素，以氢、氧、氯、钠、镁、硫、钙、钾等
较多，被称为“元素的故乡”。
海水中铀多达45亿吨，是已知陆地铀矿储量的4500倍。氘有50亿吨足够人类用上千万年。
？
思考与讨论
溴及其化合物在医药、农药、染料和阻燃剂等的生产中有广泛应用。目前，人们主要从海水和盐湖水中提取溴。
工业上常用的一种海水提溴技术叫做“吹出法”，其过程主要包括氧化 (用氯气氧化海水中的溴离子 )、吹出(用空气将生成的溴吹出 )、吸收(用二氧化硫作还原剂使溴转化为氢溴酸，以使其与空气分离 )、蒸馏(再用氯气将氢溴酸氧化为溴后蒸馏分离 ) 等环节(如图8─4)。请分析并讨论以上生产流程，写出氧化和吸收环节主要反应的离子方程式。
通入水蒸气和Cl2，蒸馏
海水提溴：空气吹出法
海水
浓缩酸化
通入氯气
海水
Cl─、Br2
通入空气水蒸气(吹入)
反应后
富集溴
HBr、SO42－
Br2蒸气
冷凝器溴单质
通入SO2
提溴步骤：氧化；富集；提取。
反应离子方程式：
2Br－＋Cl2 ═══ Br2＋2Cl－
2H2O＋Br2＋SO2 ═══ 4H＋＋SO4 2─ ＋2Br─
2Br＋Cl2═══ Br2＋2Cl─
置换反应得到的 Br2 的浓度很低，难以收集，用空气吹出 Br2 后用 SO2 吸收，使溴得到富集
除了上面一些实例，从海水获得其他物质和能量也具有广阔的前景。
例如，铀和重水是核能开发中的重要原料从海水中提取铀和重水具有一定的战略意义：潮汐能、波浪能等新型能源的开发和利用也越来越受到重视。
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以“海水淡化”“海水制盐”“海水提澳”等为关键词，在网络上搜集相关资料，进一步了解海水资源综合利用的途径。
三
煤、石油和天然气的综合应用
迄今为止，煤、石油和天然气仍是人类使用的主要能源，同时它们也是重要的化工原料。如何实现化石燃料的综合利用，提高利用率，减少化石燃料燃烧所造成的环境污染，是人类面临的重大挑战。
煤是由有机物和少量无机物组成的复杂混合物，其组成以碳元素为主，还含有少量氢、氧、氮、硫等元素。
通过煤的干馏、气化和液化获得清洁的燃料和多种化工原料是目前实现煤的综合利用的主要途径。
方法 变化类别 处理过程 产 物
煤的干馏 化学变化 隔绝空气高温分解 粗苯等多种化工原料
煤的气化 化学变化 将煤转化为 可燃性气体 水煤气
直接液化 化学变化 煤与氢气作用生成 液体燃料
间接液化 化学变化 先转化成CO和H2 甲醇
煤的干馏是指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。从煤的干馏产物中可以获得重要的化工原料(如表8—1)。
表8—1 煤干馏的主要产品和用途
产品 主要成分 用途
出炉煤气 焦炉气 氯气、甲烷、乙烯、一氧化碳 气体燃料、化工原料
产品 主要成分 用途
出炉煤气 粗氨水 氨、铵盐 化肥、炸药、燃料、医药、农药、合成材料
粗苯 苯、甲苯、二甲苯
粗焦油 苯、甲苯、二甲苯
酚类、萘 燃料、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
煤的气化是将煤转化为可燃性气体的过程，主要反应是碳与水蒸气反应生成水煤气等。
C＋H2O (g) ════ CO＋H2
高温
煤可以直接液化，使煤与氢气作用生成液体燃料；煤也可以间接液化，一般是先转化为一氧化碳和氢气，然后在催化剂的作用下合成甲醇等。
天然气
天然气是一种清洁的化石燃料，它作为化工原料则主要用于合成氨和生产甲醇等。
以含一个碳原子的甲烷为原料，通过化学变化合成含两个或多个碳原子的其他有机化合物，是一项具有重大实用价值的研究课题。
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天然气水合物
天然气水合物是天然气与水在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质，主要成分是甲烷水合物，其组成可表示为CH4·nH2O，甲烷分子处于由多个水分子形成的笼中。天然气水合物的外观像冰，具有可燃性，故又被称为“可燃冰”。它被认为是21世纪的高效清洁能源。
但是，储量巨大的天然气水合物的分解和甲烷释放，可能会诱发海底地质灾害，加重温室效应。目前，开发利用天然气水合物已经成为人们关注的重要领域，相关研究取得了多项进展。我国的
天然气水合物开采技术处于
世界先进水平。
石 油
① 石油是由多种碳氢化合物组成的混合物，成分复杂需要先在炼油厂进行精炼。利用石油中各组分沸点的不同进行分离的过程叫做分馏。
石油经分馏后可以获得汽油、煤油、柴油等含碳原子少的轻质油，但其产量难以满足社会需求，而含碳原子多的重油却供大于求。
因此，需要通过催化裂化过程将重油裂化为汽油等物质，再进一步裂解，可以获得很多重要的化工原料。
② 石油裂化：在催化剂的作用下将含碳原子多的重油(烃) 断裂成碳原子数少的烃的过程。
催化剂
加热、加压
C16H34
C8H18＋ C8H16
辛烷
辛烯
十六烷
催化剂
加热、加压
C4H10 ＋ C4H8
C8H18
甲烷
丙烯
辛烷
催化剂
加热、加压
CH4 ＋ C3H6
C4H10
甲烷
丙烯
丁烯
C4H10
催化剂
加热、加压
C2H6 ＋ C2H4
乙烷
乙烯
丁烷
通过石油裂化和裂解可以得到乙烯、丙烯、甲烷等重要的基本化工原料。另外，石油在加热和催化剂的作用下，可以通过结构的调整，使链状烃转化为环状烃，如苯或甲苯等。
目前，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。
以煤、石油和天然气为原料，通过化学反应获得许多性能优异的合成高分子材料，如我们熟悉的塑料、合成橡胶和合成纤维，使人类在利用自然资源的进程中前进了一大步。
例如，在石油工业发展的早期，乙烯和丙烯都曾被当作炼油厂的废气而白白烧掉，聚乙烯和聚丙烯的研制成功使乙烯、丙烯这些曾经的“废弃物”得到了充分利用。
随着合成材料的大量生产和使用，急剧增加的废弃物也给人类社会造成了巨大的环境压力。
绿色化学又称“环境无害化学”，利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。
“原子经济”：化学反应中应该最大限度地利用原料分子中的每一个原子，使它们都结合到目标分子(目标中的产物)中去，从而达到零排放(即没有副反应，不生成副产物，便不能产生废弃物)。
科学·技术·社会 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
生物质资源的利用
人类对生物质资源的开发利用具有悠久的历史。古代人类在长期实践中学会了种植农作物、用薪柴生火、酿酒、造醋、制作俗糖、植物药用，等等。现代科技的发展为开发利用生物质资源奠定了更加坚实的基础。人们利用物理、化学和生物方法将生物质资源转化为材料(如木材、纸张)、
燃料(如生物乙醇生物柴油 )，以及基本化工原料(如木炭、乙醇、甲醇、甲烷)等。目前，我国可供开发利用的生物质资源主要有农业、林业产品的废弃物(如农作物秸秆、林木加工余料)，生产和生活的废弃物(如厨余垃圾、畜禽粪便 ) 等随着科技和社会的发展，以来自生物质的纤维素、淀粉和油脂等为原料的化工生产路线，替代以煤、石油和天然气为原料的路线，将是一条绿色的可持续发展途径。
随堂练习
1. 下列各种冶炼方法中，可以制得 相应金属的是( )
A、加热氧化铝
B、加热碳酸钙
C、电解熔融氯化钠
D、氯化钠与铝粉高温共热
C
2. 一位遇上海难的水手，随着木排在海上漂流。他用完了淡水，感到异常的口渴，但是他不喝海水，因为他知道海水会致命，原因( )
A.海水有苦涩味，根本喝不下去.
B.海水中含有多种盐，能使肠胃溃烂导致人死亡.
C.海水中有多种微生物，有些微生物可以使人死亡.
D.海水会造成水分从血液和组织内脱离出来，进入肠胃中，使人脱水死亡.
D
3、1995年诺贝尔化学奖授予致力于研究臭氧被破坏问题的三位科学家，他们研究发现氟氯烃破坏臭氧的机理是按链反应进行的。CF2Cl2可在紫外光作用下产生Cl原子，对臭氧会产生长久的破坏作用。据统计，一个氟氯烃分子可以破坏数万个臭氧分子，这个循环包括下列三个化学方程式：
①CF2Cl2＋hν ═══ Cl＋CF2Cl
②O3＋Cl ═══ O2＋ClO
③O＋ClO ═══ Cl＋O2上述反应过程中，Cl是( )
A.反应物 B.生成物
C.中间产物 D.催化剂
D
练习与应用
1. 下列过程属于物理变化的是( ).
A. 煤的干馏 B. 石油分馏
C. 石油裂化 D. 乙烯聚合
B
2. 完成下列反应的化学方程式，并指明其中的氧化剂和还原剂。
SnO2＋C——Sn＋CO
SnO2＋2C ════ Sn＋2CO
高温
氧化剂：SnO2；还原剂：C；
WO3＋H——W＋H2O
WO2＋2H2 ════ W＋2H2O；
高温
氧化剂：WO2；还原剂： H2；
PbS＋O2——PbO＋SO2
2PbS＋3O2 ════ 2PbO＋2SO2
高温
氧化剂：O2；还原剂：PbS；
UF4＋Mg —— U＋MgF2
UF4＋2Mg ═════ U＋2MgF2
高温
氧化剂：UF4；还原剂：Mg；
3. 蓝铜矿的主要成分为2CuCO3·Cu(OH)2，将它与焦炭一起加热时，可以生成Cu、CO2和H2O。请写出该反应的化学方程式，并注明反应类型。
② 2C＋2CuO2 ════ Cu＋CO2↑，置换反应
高温
① 2CuCO3·Cu(OH)2 ════ 3CuO＋2CO2↑＋H2O，
分解反应；
△
4. 某种磁铁矿样品含Fe3O4， 76.0%，SiO2 11.0%，其他不含铁的杂质13.0%，请计算这种矿样中铁的质量分数。
磁铁矿样品中含Fe3O4 76%，则铁的质量分数为×76% ═ 55%。
答：这种矿石中铁的质量分数为55%。
5. 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：
(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.甘场 d.泥三角
acd
(2)步骤③的操作名称是______________。
(3)步骤④中反应的离子方程式为_________________
_______________________________。
(4)请设计一种检验水溶液中是否含有碘单质的方法：______________________________________________。
(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。
过滤
2I─＋H2O2＋2H＋ ══ I2＋2H2O
取少量滴加淀粉，溶液变蓝，可证明含碘单质
③
6. 镁及其合金是用途很广的金属材料，可以通过以下步骤从海水中提取镁。
(1) 为了使MgSO4转化为Mg(OH)2，试剂①可以选用_________；要使MgSO4.完全转化为沉淀加入试剂①的量应_________。
NaOH
过量
(2)加人试剂①后，能够分离得到Mg(OH)2沉淀的方法是________。
(3)试剂②可以选用______________。
(4)无水MgCl2在熔融状态下，通电后会产生Mg和Cl，该反应的化学方程式为_______________________。
过滤
盐酸
MgCl2 ════ Mg＋Cl2↑
通电
7. 制取非金属单质(如O2、Br2和Cl2等 ) 与制取金属单质的化学原理类似，也是主要利用氧化还原反应，采用热分解、置换、电解等方法，使非金属元素由化合态转变为游离态.请结合具体实例，写出有关反应的化学方程式.
KCIO3 ════ 2KCl＋3O2 ↑，
MnO2
△
Cl2＋2KBr ══ 2KCl＋Br2
2NaC1＋2H2O ════ 2NaOH＋Cl2↑＋H2↑
电解
8. 由金属矿物转变成金属，一般要经过采矿、选矿和冶炼等过程。在这些过程中可能会产生噪声、粉尘、烟雾、有害气体、污水、固体废物等，造成环境污染。请你查阅有关资料，总结采矿、选矿和冶炼这三个阶段可能产生的主要污染，以及为减轻和消除污染应采取的措施。
答：采矿阶段，主要有噪音污染、粉尘和烟雾污染，可采取的措施：采用无声爆破技术或设置消音器；
对粉尘和烟雾，可采用烟雾聚集器使其聚集并回收再利用这些物质；
选矿阶段，主要污染有水污染和固体废弃物污染，可采取的措施：对污染的水要先净化、消毒再排放或循环使用；对固体废料要回收利用；
冶炼阶段，主要有粉尘和烟雾污染有害气体和固体废料污染，可采取的措施：对有害气体要将其中的有害成分吸收转化为化工原料或燃料；对粉尘和烟雾以及固体废料要回收利用。
9. 20世纪70年代以来，人们逐渐认识到，如果继续过分依赖化石燃料作为主要能源，有可能出现严重的能源危机。因此，必须在节约使用的同时寻找新的替代能源。请回答下列问题。
(1)以石油为例，请你分析和归纳，一种比较好的能源应该具有哪些特点。
答：无污染、使用方便 (答案合理即可)
(2)如果用氢能、生物质能、核能、风能等来代替石油作为主要能源，这样做可能带来哪些问题 你认为应该怎样做会更好些
答：另一问题是技术问题。开发既能保证有长期足够的供应量又不会造成环境污染的能源并不是想象中那么简单，就算人类攻克了技术问题，新型能源必定要面临进入市场的局面。应该开发新技术，减少污染的同时使新能源能够长期供应；
(3) 煤、石油和天然气等化石燃料应该作为能源使用，还是应该作为原料加工成医药、化工产品 对这样有争议的问题，你的看法是什么 请查阅有关资料说明你的观点。
答：不管煤、石油、天然气等化石燃料应作为能源使用，还是应该作为原料加工成医药化工产品都应该遵循“节约为先”这一条规。
本课结束
This lesson is over
THANKS!