化学与技术.docx
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化学与技术
化学与技术
主题1化学与资源开发
［课程标准示意］课标要点解析
1.通过调查讨论煤、石油和天然气等综合利用的最新进展。
2．了解我国基本化工的生产资源、基本化工产品的主要种类和发展概况。
3．了解海水的综合利用，认识化学科学发展对自然资源利用的作用。
4．以废旧塑料的再生利用为例，认识化学对废旧物资再生与综合利用的作用，讨论其可能的途径。
知识集成
一、水的处理
（一）天然水的净化
1．混凝法
水中呈胶体状态的污染物质，通常都带有负电荷，若向水中投加带相反电荷的电解质（混凝剂），可是污水中的胶体颗粒失去稳定性，并在分子引力作用下凝聚成大颗粒而下沉。
通过混凝法可除去污水中细分散固体颗粒、乳状油及胶状物质。
目前常用的混凝剂有：
明矾、碱式氯化铝、铁盐等。
明矾净水原理：
Al3＋+3H2O
Al（OH）3（胶体）+3H＋Al（OH）3胶体具有吸附性，能水中的悬浮物。
铁盐净水原理：
Fe3＋+3H2O
Fe（OH）3（胶体）+3H＋Fe（OH）3胶体具有吸附性，能水中的悬浮物。
2．化学软化
（1）软水和硬水
硬水：
溶有较多量的Ca2＋和Mg2＋的水。
软水：
只溶有少量或不含有Ca2＋和Mg2＋的水。
（2）暂时硬度：
水的硬度由Ca（HCO3）2或Mg（HCO3）2引起的（加热时由于生成CaCO3或Mg（OH）2沉淀而使硬度减小）称暂时硬度。
（3）永久硬度：
水的硬度由钙、镁的硫酸盐、氯化物引起的（加热时水的硬度不发生变化的）。
一般天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度。
（4）硬水的危害：
水的硬度过高会使洗涤衣物时，耗肥皂太多，衣物也不易洗净；锅炉用水如果硬度太高，长期烧煮后，水里的钙盐和镁盐会在锅炉内结成锅垢，使锅炉内金属管道的导热能力大大降低，不但浪费燃料，而且会使管道局部过热，使锅炉管道变形或损坏，严重时会引起爆炸事故；长期饮用硬度过高的水也对身体不利。
（5）软化硬水的方法
常用的方法有加热煮沸法、药剂软化法和离子交换法
A．加热煮沸法只能软化暂时硬水，其作用原理为
Ca（HCO3）2
CaCO3↓+CO2↑+H2O
Mg（HCO3）2
MgCO3↓+CO2↑+H2O
继续煮沸时MgCO3可转化为更难溶的Mg（OH）2。
MgCO3+H2O
Mg（OH）2↓+CO2↑
水垢的成分为CaCO3和Mg（OH）2。
B．药剂法：
a．石灰纯碱法用石灰纯碱法时应先加Ca（OH）2，将Mg2+引起的硬度转化为由Ca2+形成的硬度；再加Na2CO3，将过量的Ca2+沉淀出来，可消除水的暂时硬度，其作用原理如下
Ca（HCO3）2+Ca（OH）2=2CaCO3↓+2H2O
Mg（HCO3）2+2Ca（OH）2=Mg（OH）2↓+2CaCO3↓+2H2O
MgSO4+Ca（OH）2=Mg（OH）2↓+CaSO4
加入纯碱的作用是将过量的Ca2+沉淀出来
Ca2++CO32-=CaCO3↓
b．磷酸盐法：
对于工业锅炉用水，用Na3PO4作药剂处理方法，使沉淀物悬浮在水面上不结垢。
3Mg2++2PO43-=Mg3（PO4）2↓3Ca2++2PO43-=Ca3（PO4）2↓
C．离子交换法利用了离子交换反应原理，软化水的质量高，常用磺化煤（NaR）作离子交换剂
2NaR+Ca2+=CaR2+2Na+2NaR+Mg2+=MgR2+2Na+。
用5%～8%的食盐溶液可使失去软化能力的磺化煤再生
CaR2+2Na+=Ca2++2NaRMgR2+2Na+=Mg2++2NaR。
（二）污水处理
1.污水处理方法很多，一般可分为物理法、化学法以及生物法。
根据污水处理的程度又分为一级、二级和三级。
（1）一级处理通常采用物理方法，即用格栅间（除去污水中的大块物体）、沉淀池等除去污水中不溶解的污染物。
经一级处理后的水一般达不到排放标准，所以通常作为预处理。
（2）二级处理采用生物方法（又称微生物法）及某些化学方法，除去水中可降解有机物和部分胶体污染物。
经二级处理后的水一般可达到农灌标准和废水排放标准。
（3）三级处理主要采用化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法和反渗透法等，对污水进行深度处理和净化。
经三级处理后的水可用于绿化和景观用水等。
2.污水处理的化学方法。
（1）中和法：
对酸性废水和碱性废水，可用中和法进行处理。
如用熟石灰来中和钢铁厂、电镀厂等产生的酸性废水；用硫酸或二氧化碳中和造纸厂的产生的碱性废水。
对高浓度的酸、碱废水，应优先考虑回收利用的问题。
如可用浓缩水回收其中的酸或碱。
（2）沉淀法：
对于含有重金属离子的工业废水，可加入某些化学物质作为沉淀剂：
如含Hg2+离子、Pb2+离子、Cu2+离子的废水，可向其中加入硫化钠，使之变成难溶物除去。
Hg2++S2-=HgS↓；Pb2++S2-=PbS↓；Cu2++S2-=CuS↓
（3）氧化还原法：
利用氧化还原反应除去有害污染物。
（三）海水淡化方法
1．蒸馏法：
蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。
将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。
其特点是设备简单、易操作、淡水质量好，但能耗大，今后发展的趋向是：
将工业余热用于海水淡化，这是一条经济合理的途径。
2．电渗析法：
该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。
离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为阳离子交换膜（阳膜）与阴离子交换膜（阴膜）。
电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。
电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。
二、海水的综合利用
1．海水制盐的方法：
盐田法、电渗析法和冷冻法。
盐田法历史最悠久，而且也是最简便和经济有效的方法，现在还在广泛采用。
2．食盐资源的利用----氯碱工业
以食盐为原料制取NaOH、Cl2、H2，再进一步生产一系列的化工产品的工业
（1）电解饱和食盐水反应原理
阴极：
2H++2e-=H2↑
阳极：
2Cl--2e-=Cl2↑
总反应：
2H2O+2Cl-=H2↑+Cl2↑+2OH-
2H2O+2NaCl=H2↑+Cl2↑+2NaOH
（2）离子交换膜法制烧碱
A．示意图：
B．生产设备名称：
离子交换膜电解槽
阳极：
金属钛网（涂钛钌氧化物）
阴极：
碳钢网（有镍涂层）
阳离子交换膜：
只允许阳离子通过，把电解槽隔成阴极室和阳极室。
C．离子交换膜的作用：
（1）防止氯气和氢气混合而引起爆炸
（2）避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量
（3）生产流程
3.海水提溴
（1）示意图
（2）生产过程
A.氧化
工业上从海水中提取溴时，首先通氯气于pH为3.5左右晒盐后留下苦卤（富含Br-离子）中置换出Br2。
化学方程式为:
Cl2+2Br-=Br2+2Cl-
B.吹出
然后用空气把Br2吹出，再用Na2C03溶液吸收，即得较浓的NaBr和NaBrO3溶液：
3CO32-+3Br2=5Br-+BrO3-+3CO2↑
最后，用硫酸将溶液酸化，Br2即从溶液中游离出来,.化学方程式为:
5Br-+BrO3-+6H+=3Br2+3H2O
C.吸收
用还原剂二氧化硫使溴单质变为HBr，再用氯气将其氧化成溴产品。
化学方程式为:
Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4
Cl2+2Br-=Br2+2Cl-
4.海水提镁
（1）示意图
（2）生产过程
A.将贝壳制成石灰乳。
化学方程式为:
CaO+H2O==Ca（OH）2
B.在引入的海水中加入石灰乳、沉降、过滤、洗涤沉淀物。
C.将沉淀物与盐酸反应、结晶、过滤、干燥产物。
化学方程式为:
D.将产物熔融后电解。
化学方程式为:
5.从海水中提取重水
氘是氢的同位素。
氘的原子核除包含一个质子外，比氢多了一个中子。
氘的化学性质与氢一样，但是一个氘原子比一个氢原子重一倍，所以叫做“重氢”。
氢二氧一化合成水，重氢和氧化合成的水叫做“重水”。
重水主要赋存于海水中，总量可达250亿吨。
重水现在已是核反应堆运行不可缺少的辅助材料，也是制取氘的原料。
制备重水有两种方法，
蒸馏法：
这种方法只能得到纯度为92%的重水；
电解法：
可得99.7%的重水，但消耗电能特别大。
三、石油、煤和天然气的综合利用
1．石油的综合利用
2．煤的综合利用
煤除了主要含碳外还含有少量的S、P、N、H、O等元素以及无机矿物质（主要有硅、铝、钙、铁等元素）煤是有机物和无机物组成的复杂混合物
（1）煤的干馏——把煤隔绝空气加强热使它分解的过程叫煤的干馏。
是一个化学变化过程。
（2）煤的汽化与液化
（A）汽化
煤的汽化就是将煤中的有机物转化为可燃性气体的过程。
煤汽化的主要化反应是指碳和水蒸气的反应。
C+H2O===CO＋H2
这是一个吸热反应，所需热量一般都由同时进行的碳的燃烧反应来提供。
C＋O2===CO2
碳燃烧时可以使用空气，也可以使用氧气，但得到的煤气成分、热值及用途都不同，分别叫低热值气和中热值气。
中热值气在适当催化剂的作用下，又可以转变成高热值气。
即把中热值煤气里的CO和H2用催化剂合成甲烷。
CO＋3H2→CH4＋H2O
（B）液化
煤的液化是将煤转化为液体燃料的过程。
直接法：
把煤粉和煤液化过程中产生的油跟氢气混合，在高温下经催化剂催化，进行加氢解聚反应，同时脱去硫、氮、氧等原子，生成固-液混合物的油、液化的煤以及含有未液化的煤和炭等固态物质。
经过分离可以得到油，成为低氢、低硫的重质液体燃料。
间接法：
首先把煤气化为H2、CO和CH4。
用催化剂把气态物质转变为液态。
nCO＋2nH2→（CH2）n＋nH2O
2nCO＋nH2→（CH2）n＋nCO2
（3）煤化工和天然气化工的发展—碳化学
碳化学是指以分子中只含一个碳原子的化合物如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工的方法制造一系列化工原料和燃料的化学。
煤汽化的主要反应：
2 C＋O=2CO，C+H2O=CO＋H2，CO+H2O===CO2＋H2。
高温条件，天然气重整：
CH4＋H2O=CO＋3H2
应考指南
1．本单元考点：
（1）混凝法净水的原理；
（2）硬水及其软化方法；
（3）污水处理方法；
（4）海水淡化、海水提溴、海水提镁方法；
（5）石油的分馏、裂化、裂解方法；
（6）煤的干馏、汽化、液化方法；
（7）煤化工和天然气化工原理。
2．题型
主要以填空题、实验题和计算题为主，有时也有选择题出现。
3．命题特点与趋势
以本单元中出现的化工生产中的化学反应原理、化学反应方程式为考试的主要内容，同时也考查化工生产中的主要设备及其功能和用途。
有时也会以上述内容为背景，以计算题的形式出现，考查学生的计算能力和推理能力。
拓展阅读
1．臭氧技术在水处理方面的应用
“臭氧”一词，因保护“大气臭氧层”而广为人知。
由于臭氧冰箱除臭器、臭氧消毒碗柜等家电产品上市，人们对臭氧的作用也逐渐熟悉。
臭氧的应用按用途分为水处理、化学氧化、食品加工与医疗四个领域，各个领域的应用研究与适用设备开发都达到很高水平。
臭氧在水中对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速率快，对有机化合物等污染物质去除彻底而又不产生二次污染，因此饮用水杀菌消毒是当前臭氧应用的最主要方面。
自来水行业是臭氧的最大市场。
随着水源受有机化学工业产物的污染，氯消毒后会产生氯仿、二氯甲烷、四氯化碳等氯化有机物，这些物质具有致癌性，而臭氧处理后不会产生二次污染物。
我国瓶装水采用臭氧杀菌净化工艺最为普遍、积极。
粗略估计，矿泉水、纯净水、洁净水厂一千多家，约60%已采用臭氧杀菌消毒工艺。
游泳池水臭氧消毒应用广泛，其处理效果和优点已被公认，国外应用极为普遍。
我国广州天河游泳馆、北京亚运村东游泳馆等都采用臭氧消毒，池水清澈透明，彻底解决了氯消毒刺激眼睛、皮肤及使头发变黄的难题。
2．水污染
在生产生活中，水使用后混进各种污染物，丧失利用价值成为废水。
排放后使自然水体中的污染物超过其自净能力，从而引起复杂的物理化学变化，使水质变坏，造成污染。
而造纸工业每年排放的废水量占全国工业废水排放总量的10%以上。
“黑液”中污染物浓度很高，生物耗氧量高达5000-40000mg/L,还含有大量纤维、无机盐、色素等，污染十分严重。
水污染的种类共有八类，其中主要是生活污水和工业污水造成的。
水体污染，特别是淡水水体污染不但影响工农业生产，危害生态系统的生存和发展，而且直接威胁人类健康。
研究水体污染，研究污染物进入水体后的迁移、转化、归宿，提高水体净化能力，采取适当措施净化污水，控制水体污染的任务成为环境化学的一项紧迫任务。
经典试题示范
[例1]磺化煤（代表式NaR）是一种钠型离子交换剂，它能
使硬水的Ca2+、Mg2+离子通过离子交换柱除去而软化。
现代海
水（已知海水中含Na+、Ca2+、Mg2+阳离子）的淡化方法是使海水
按顺序通过两种离子交换树脂，其流程如图所示。
（1）现有氢型阳离子交换树脂（HR）和羟型阴离子交换树脂
（ROH），则图中离子交换柱中分别装入的离子交换树脂（填代表式）：
A柱是；B柱是。
（2）按上述顺序装柱的理由是。
解析：
要使海水淡化，必须借助离子交换树脂的作用除去海水中Na+、Ca2+、Mg2+及Cl-等离子，但若先将海水通过ROH溶液中会生成较多的OH-使Mg2+转化成Mg（OH）2沉淀而堵塞交换柱，故必须先将海水通过HR。
答案：
（1）HR；ROH
（2）若使海水先通过ROH树脂，溶液中会有较多的OH－，这样使海水中Mg2+转化为Mg（OH）2沉淀，造成堵塞而使海水淡化无法继续进行。
[例2]如下图甲所示，某河流经工业城市Y市，a处为上游、d处为下游，经对河水检测绘制出图乙，请回答：
（1）构成该河的污染主要分布在（）
A.ab段B.bc段C.cd段D.bd段
（2）列举造成该河污染的三种可能污染源
；
；
。
（3）对c处水样进行检测，发现其中含有Cu2+，要把Cu2+变成铜单质回收，请写出两种可行的方法:
；
；
（4）d处污染明显降低，请从物理、化学、生物三个方面简单分析原因。
。
解析：
生活污水、工业废水是水体的两个主要污染源，河流经市区必定造成污染，到下游时经过沉降，生物降解，物质之间的反应会使污染程度下降。
对于铜的回收需把铜离子变成铜单质即可。
答案：
（1）B
（2）
工业废水；
生活污水；
生活垃圾及工业废渣
（3）
：
加过量铁粉，过滤后加入盐酸，清洗干燥得铜；
：
用电解法，使用惰性电极电解，阴极上生成铜
（4）物理沉降，化学处理，生物分解
[例3]工业上从海水中提取溴可采用如下方法：
⑴向海水中通入Cl2，将海水中的溴化物氧化，其离子方程式为___________。
⑵向上述混合液中吹入热空气，将生成的溴吹出用纯碱溶液吸收，其方程式为_________。
⑶将⑵所得溶液中用H2SO4酸化，使NaBr、NaBrO3中的溴转化为单质溴，再用有机溶剂提取溴后还可得到副产品Na2SO4，写出这一过程的化学方程式_____。
⑷这样得到的溴中还混有少量Cl2，怎样除去？
________________________。
解析：
根据卤素的性质和氧化还原知识作答。
答案：
（1）Cl2+2Br-=Br2+2Cl-
（2）3Na2CO3+3Br2=5NaBr+NaBrO3+3CO2（3）5NaBr+NaBrO3+3H2SO4=Br2+3Na2SO4+3H2O（4）加入适量溴化钠：
Cl2+2Br-=Br2+2Cl-
[例4]氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下：
粗盐H2ONaOHNa2CO3Cl2H2
10%NaOH、16%NaCl溶液
沉渣NaCl晶体
50%NaOH溶液
依据上图，完成下列填空：
（1）在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生反应的化学方程式为，与电源负极相连的电极附近，溶液pH值
（选填：
不变、升高或下降）。
（2）工业食盐含Ca2+、Mg2+等杂质。
精制过程发生反应的离子方程式为，
（3）如果粗盐中SO
含量较高，必须添加钡式剂除去SO
，该钡试剂可以是
（选填a、b、c，多选扣分）
A.Ba（OH）2B.Ba（NO3）2C.BaCl2
（4）为有效除去Ca2+、Mg2+、SO
，加入试剂的合理顺序为（选填a，b，c多选扣分）
A.先加NaOH，后加Na2CO3，再加钡试剂
B.先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3
C.先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3
（5）脱盐工序中利用NaoH和NaCl在溶解度上的差异，通过、冷却、（填写操作名称）除去NaCl（6）在隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，防止Cl2与NaOH反应；采用无隔膜电解冷的食盐水时，Cl2与NaOH充分接触，产物仅是NaClO和H2，相应的化学方程式为
解析：
在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生反应为氧化反应；Cl-失电子；与电源负极相连的电极发生2H++2e-=H2,由于H+消耗，OH-浓度增大，pH升高。
答案：
（1）2Cl--2e→Cl2升高
（2）Ca2++CO
→CaCO3↓Mg2++2OH-→Mg（OH）2↓（3）A.C.
（4）B.C.（5）蒸发过滤（6）NaCl+H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH
［必练训练题库］
1．为了提高生活用水的卫生标准，自来水厂常用Cl2和FeSO4·7H2O同时使用进行消毒、净化改善水质，其原理是：
。
2．某硬水中主要含有Mg（HCO3）2,现拟用两种方法将其软化：
（1）加热法，
（2）加石灰法。
请写出有关化学方程式。
3．某1mol链烃A在一定条件下完全裂化成1mol烷烃B和1mol烯烃C，生成的混
合气体相对分子质量为29，试通过计算回答下列问题。
（1）写出链烃A可能的结构简式和名称
（2）烷烃B和烯烃C可能各是什么?
（3）如果要求1molB完全燃烧时需要氧气的物质的量是整数，那么C只能是什么烯烃?
4．某些废旧塑料可采用下列方法处理：
将废塑料隔绝空气加强热，使其变成有用的物质，实验装置如右
图。
加热聚丙烯废塑料得到的产物如下表：
产物
氢气
甲烷
乙烯
丙烯
苯
甲苯
碳
质量分数（%）
12
24
12
16
20
10
6
（1）试管A中残余物有多种用途，如下列转化就可可制取高聚物聚乙炔。
A中残留物
电石
乙炔
聚乙炔
写出反应②~③的化学方程式
（2）试管B收集到的产品中，能使酸性高锰酸钾溶液褪色的物质，其一氯代物有种。
（3）锥形瓶C中观察到的现象。
经溴水充分吸收，剩余气体经干燥后的平均相对分子质量为。
（4）写出C中逸出的气体在工业上的两种用途、。
5．海水的综合利用可以制备金属镁，其流程如下图所示：
（1）若在空气中加热MgCl2·6H2O，生成的是Mg（OH）Cl或MgO，写出相应反应的化学方程式。
用电解法制取金属镁时，需要无水氯化镁。
在干燥的HCl气流中加热MgCl2·6H2O时，能得到无水MgCl2，其原因是。
（2）Mg（OH）2沉淀中混有的Ca（OH）2应怎样除去？
写出实验步骤。
。
（3）实验室里将粗盐制成精盐的过程中，在溶解、过滤、蒸发三个步骤的操作中都要用到玻璃棒，分别说明在这三种情况下使用玻璃棒的目的；溶解时：
。
过滤时：
。
蒸发时：
。
［参考答案］
1．Cl2与水反应生成HClO能杀死水中细菌，起消毒作用；Cl2能将Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+水解：
Fe3++3H2O
Fe（OH）3+3H+；生成Fe（OH）3胶体吸附能力很强，可吸附水中悬浮的杂质，并形成沉淀，使水净化。
2．
（1）Mg（HCO3）2
MgCO3↓+CO2↑+H2O
MgCO3+H2O
Mg（OH）2↓+CO2↑
（2）Mg（HCO3）2+2Ca（OH）2=Mg（OH）2↓+2CaCO3↓+2H2O
3．
（1）CH3CH2CH2CH3正丁烷
异丁烷。
（2）B为甲烷，C为丙烯。
或B为甲烷，C为乙烯。
（3）丙烯。
4．
（1）CaC2＋2H2O→Ca（OH）2＋C2H2↑nHC≡CH→[HC＝CH]
（2）4
（3）棕黄色溶液变无色或褪色4.8
（4）合成氨原料，作燃料或有机化工原料（其他合理答案均给分）
5．
（1）MgCl2·6H2OMg（OH）Cl+HCl↑+5H2O↑MgCl2·6H2OMgO+HCl↑+5H2O↑或Mg（OH）ClMgO+HCl↑在干燥的HCl气流中，抑制了MgCl2水解，且带走MgCl2·6H2O受热产生的水气，故能得到无水MgCl2。
（2）加入MgCl2溶液，充分搅拌，过滤，沉淀用水洗涤。
（3）搅拌，加速溶解；使待滤液体沿玻璃棒流入漏斗，防止外洒；搅拌，防止因局部过热液滴或晶体飞溅。
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