高中化学 21 自然资源的开发利用

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一、金属矿物的开发利用

金属在自然界中的存在形式：

游离态：少数化学性质不活泼的金属，如金、铂等，在自然界中以游离态存在。

化合态：大多数金属在自然界中是以化合态存在的，如铁、铜、铝等金属以氧化物、硫化物、碳酸盐等化合物形式存在。

金属的冶炼原理：金属的冶炼是将金属从其化合物中还原出来的过程。实质是利用氧化还原反应，使金属离子得到电子生成金属单质。例如，用一氧化碳还原氧化铁炼铁，化学方程式为\(Fe_{2}O_{3}+3CO\stackrel{高温}{=\!=\!=}2Fe + 3CO_{2}\)。

常见金属的冶炼方法：

热分解法：适用于不活泼金属的冶炼，如汞、银等。例如，氧化汞受热分解生成汞和氧气，化学方程式为\(2HgO\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}2Hg + O_{2}\uparrow\)。

热还原法：常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气等，适用于较活泼金属的冶炼。如用氢气还原氧化铜，化学方程式为\(CuO + H_{2}\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}Cu + H_{2}O\)；用焦炭还原氧化铁，化学方程式为\(2Fe_{2}O_{3}+3C\stackrel{高温}{=\!=\!=}4Fe + 3CO_{2}\uparrow\)。

电解法：适用于活泼金属的冶炼，如钠、镁、铝等。例如，电解熔融的氯化钠制取钠，化学方程式为\(2NaCl(熔融)\stackrel{电解}{=\!=\!=}2Na + Cl_{2}\uparrow\)；电解熔融的氧化铝制取铝，化学方程式为\(2Al_{2}O_{3}(熔融)\stackrel{电解}{=\!=\!=}4Al + 3O_{2}\uparrow\)。

二、海水资源的开发利用

海水水资源的利用：

海水淡化：主要方法有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等。蒸馏法是通过加热海水使其汽化，然后将蒸汽冷却凝结得到淡水，是一种历史悠久、技术成熟的海水淡化方法。

直接利用海水进行循环冷却：在工业生产中，利用海水作为冷却介质，可节约大量的淡水资源。

海水化学资源的开发利用：

海水制盐：从海水中提取食盐的方法主要是蒸发结晶法，将海水引入盐田，经过日晒风吹，使水分蒸发，食盐结晶析出。

海水提溴：一般先将海水浓缩，然后通入氯气，将溴离子氧化为溴单质，再用空气或水蒸气将溴吹出，用二氧化硫吸收，最后再用氯气氧化，得到溴单质。主要反应的化学方程式为\(Cl_{2}+2Br^{-}=2Cl^{-}+Br_{2}\)，\(Br_{2}+SO_{2}+2H_{2}O = 2HBr + H_{2}SO_{4}\)，\(Cl_{2}+2HBr = 2HCl + Br_{2}\)。

海水提镁：先将贝壳煅烧得到生石灰，再将生石灰加入海水中，沉淀出氢氧化镁，然后将氢氧化镁与盐酸反应生成氯化镁，最后电解熔融的氯化镁得到镁。主要反应的化学方程式为\(CaCO_{3}\stackrel{煅烧}{=\!=\!=}CaO + CO_{2}\uparrow\)，\(CaO + H_{2}O = Ca(OH)_{2}\)，\(MgCl_{2}+Ca(OH)_{2}=Mg(OH)_{2}\downarrow+CaCl_{2}\)，\(Mg(OH)_{2}+2HCl = MgCl_{2}+2H_{2}O\)，\(MgCl_{2}(熔融)\stackrel{电解}{=\!=\!=}Mg + Cl_{2}\uparrow\)。

三、煤、石油和天然气的综合利用

煤的综合利用：

煤的干馏：将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，叫做煤的干馏。煤干馏得到焦炭、煤焦油、焦炉气等产品，煤焦油中含有苯、甲苯、二甲苯等芳香烃。

煤的气化：是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有\(CO\)、\(H_{2}\)、\(CH_{4}\)等可燃气体和\(CO_{2}\)、\(N_{2}\)等非可燃气体的过程。主要反应方程式为\(C + H_{2}O(g)\stackrel{高温}{=\!=\!=}CO + H_{2}\)。

煤的液化：分为直接液化和间接液化。直接液化是指煤在氢气和催化剂作用下，通过加氢裂化转变为液体燃料的过程；间接液化则是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料，如甲醇等。

石油的综合利用：

石油的分馏：利用石油中各成分沸点不同，通过加热汽化和冷凝液化，将石油分成不同沸点范围的产物，如汽油、煤油、柴油等。石油分馏得到的各种馏分仍然是混合物。

石油的裂化：在一定条件下，将相对分子质量较大的烃断裂为相对分子质量较小的烃的过程。裂化的目的是提高轻质油的产量，特别是提高汽油的产量。例如，\(C_{16}H_{34}\stackrel{催化剂}{\underset{加热、加压}{\longrightarrow}}C_{8}H_{18}+C_{8}H_{16}\)。

石油的裂解：采用比裂化更高的温度，使石油分馏产物中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短链烃的加工过程。裂解是深度裂化，以获得短链不饱和烃为主要成分的石油加工过程，裂解气的主要成分是乙烯、丙烯、丁二烯等。

天然气的综合利用：天然气的主要成分是甲烷，它是一种清洁的化石燃料。除了作为燃料外，甲烷还可以用于合成氨、生产甲醇等化工原料。例如，甲烷与水蒸气在高温、催化剂的条件下反应生成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气可进一步合成甲醇，反应的化学方程式为\(CH_{4}+H_{2}O(g)\stackrel{催化剂}{\underset{高温}{\longrightarrow}}CO + 3H_{2}\)，\(CO + 2H_{2}\stackrel{催化剂}{\underset{高温、高压}{\longrightarrow}}CH_{3}OH\)。