优化方案版高考化学大一轮复习 第二讲 化学与资源的开发利用讲义选修2.docx

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优化方案版高考化学大一轮复习第二讲化学与资源的开发利用讲义选修2

第二讲　化学与资源的开发利用

[2017高考导航]

考纲要求

真题统计

命题趋势

1.了解海水的综合利用。

了解化学科学发展对自然资源利用的作用。

2．了解化学在水处理中的应用。

3．了解煤、石油和天然气等综合利用的意义。

2015，卷Ⅰ36T；

2015，卷Ⅱ36T；

2014，卷Ⅰ36T；

2014，卷Ⅱ36T；

2013，卷Ⅰ36T

　　本部分内容的考查主要有三方面：

（1）天然水净化、污水处理的方法，从海水中提取溴和镁的工艺流程；

（2）氯碱工业的生产原理及工艺流程；（3）石油的裂化、裂解的比较，分馏产品及煤的综合利用等。

预计2017年高考将会着重考查海水综合利用特别是溴和镁的提取工艺流程，氯碱工业的应用主要以综合流程题的形式出现。

化石燃料的综合利用可能以选择题的形式出现。

另外新型有机物的制备工艺流程题是近几年的一个新方向需加以重视。

考点一　硬水的软化与污水处理[学生用书P280]

一、硬水软化的化学方法和原理

1．加热法

该方法主要软化钙、镁离子的碳酸氢盐所引起的硬度，其原理如下：

（1）Ca（HCO3）2

CaCO3↓＋CO2↑＋H2O，

（2）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↑。

水垢的主要成分是CaCO3和Mg（OH）2。

2．药剂法（石灰纯碱法）

反应原理：

（1）Ca（HCO3）2＋Ca（OH）2===2CaCO3↓＋2H2O，

Mg（HCO3）2＋2Ca（OH）2===2CaCO3↓＋Mg（OH）2↓＋2H2O，MgSO4＋Ca（OH）2===Mg（OH）2↓＋CaSO4。

（2）Ca2＋＋CO

===CaCO3↓。

3．离子交换法

利用离子交换反应原理，软化水的质量高。

常用离子交换树脂作离子交换剂，其软化硬水和再生的过程如图所示：

二、污水处理

1．基本流程

2．污水处理的常用方法

污水处理方法

原理

方法

物理法

利用物理原理和机械作用对废水进行处理

沉淀、均衡调节、过滤、离心分离

化学法

使用化学试剂或其他化学手段处理废水

（1）中和法：

处理酸性废水和碱性废水

（2）沉淀法：

处理含有重金属离子的废水

（3）氧化还原法：

除去油类、氮化物、硫化物等物质

生物法

利用微生物的作用除去废水中的溶胶物质及有机物

活性污泥法、生物滤池法、厌气处理法

　（教材改编）水处理技术在生产、生活中应用广泛。

（1）含有较多________的水称为硬水。

硬水加热后产生碳酸盐沉淀的离子方程式为________________________________________________________________________

（写出一个即可）。

（2）将RH型阳离子交换树脂和ROH型阴离子交换树脂串接来软化天然硬水，应先使硬水通过________（填“RH”或“ROH”）型离子交换树脂，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）通过施加一定压力使水分子通过半透膜而将大分子或离子截留，从而获得纯净水的方法称为________。

（4）检验蒸馏水的纯度时，最简单易行的方法是测定水的________________。

解析：

（1）含有较多Ca2＋、Mg2＋的水称为硬水；加热硬水时可发生反应：

Ca2＋＋2HCO

CaCO3↓＋CO2↑＋H2O、Mg2＋＋2HCO

△,MgCO3↓＋CO2↑＋H2O。

（2）软化硬水时，应先使硬水通过RH型离子交换树脂；若让水先通过ROH型离子交换树脂会产生Mg（OH）2等沉淀而影响树脂交换效果。

（3）通过压力使水分子通过半透膜而获得纯净水的方法称为反渗透法。

（4）检验蒸馏水的纯度时，最简单易行的方法是测定水的电导率（或电阻率）。

答案：

（1）Ca2＋、Mg2＋　Ca2＋＋2HCO

CaCO3↓＋CO2↑＋H2O（或Mg2＋＋2HCO

MgCO3↓＋CO2↑＋H2O）

（2）RH　若先通过阴离子交换树脂可能产生Mg（OH）2等沉淀而影响树脂交换效果

（3）反渗透法

（4）电导率（或电阻率）

名师点拨

（1）水垢的主要成分是CaCO3和Mg（OH）2，而不是CaCO3和MgCO3，原因是Mg（OH）2的溶解度小于MgCO3的溶解度，加热煮沸和石灰纯碱法除去Mg2＋时都转化为更难溶的Mg（OH）2。

（2）石灰纯碱法软化后的硬水，仍然会有一定的硬度，原因是生成的钙镁化合物仍然有一定的溶解度。

（3）鉴别硬水和软水可利用肥皂水，加肥皂水硬水会产生较多的沉淀，软水会产生较多的泡沫。

（4）离子交换树脂不只有阳离子交换树脂，也有阴离子交换树脂。

　（2016·哈尔滨高三模拟）自来水生产的流程示意图如下：

―→

―→

―→

―→

（1）混凝剂除去悬浮物质的过程________（填写序号）。

①只是物理变化　②只是化学变化

③是物理和化学变化

FeSO4·7H2O是常用的混凝剂，它在水中最终生成________________沉淀。

（2）若要除去Ca2＋、Mg2＋可以往水中加入石灰和纯碱，试剂添加时先加__________后加__________，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）下列物质中，________可以作为氯气的代用品（填写序号）。

①臭氧　②NH3（液）　③K2FeO4　④SO2

[解析]　（3）臭氧和K2FeO4具有强氧化性，可用作饮用水的消毒剂。

[答案]　

（1）③　Fe（OH）3

（2）石灰　纯碱　过量的钙离子可通过纯碱沉淀下来

（3）①③

题组一　硬水及其软化

1．水是一种重要的自然资源，是人类赖以生存不可缺少的物质。

水质优劣直接影响人体健康。

请回答下列问题：

（1）天然水中溶解的气体主要有________、________。

（2）天然水在净化处理过程中加入的混凝剂可以是__________________________（填两种），其净水作用的原理是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）硬度为1°的水是指每升水含10mgCaO或与之相当的物质（如7.1mgMgO）。

若某天然水中c（Ca2＋）＝1.2×10－3mol·L－1，c（Mg2＋）＝6×10－4mol·L－1，则此水的硬度为________。

（4）若（3）中的天然水还含有c（HCO

）＝8×10－4mol·L－1，现要软化10m3这种天然水，则需先加入Ca（OH）2________g，然后加入Na2CO3________g。

解析：

（1）天然水中溶解的气体主要是空气，空气由N2、O2、CO2、水蒸气等气体组成。

（2）混凝剂的作用是净化水，即除去水中悬浮的杂质，能作混凝剂的物质为铁盐或铝盐，其净水原理是应用Al3＋（或Fe3＋）的水解：

Al3＋＋3H2O

Al（OH）3（胶体）＋3H＋，Fe3＋＋3H2O

Fe（OH）3（胶体）＋3H＋，由于生成的胶体中胶粒有较大的比表面积，可以吸附水中的悬浮物，并且金属氢氧化物形成的胶粒吸附阳离子后带正电荷，破坏天然水中其他带异电胶粒的胶体，使其聚沉达到净水的目的。

（3）取1L该硬水，其中n（Ca2＋）＝1.2×10－3mol，m（CaO）＝1.2×10－3mol×56g·mol－1＝6.72×10－2g，则由CaO引起的硬度为

＝6.72°，该硬水中n（Mg2＋）＝6×10－4mol，m（MgO）＝6×10－4mol×40g·mol－1＝2.4×10－2g，则由MgO引起的硬度为

≈3.38°，则此水的硬度为6.72°＋3.38°＝10.1°，约为10°。

（4）10m3天然水中，n（Ca2＋）＝1.2×10－3mol·L－1×10m3×1000L·m－3＝12mol，n（Mg2＋）＝6×10－4mol·L－1×10m3×1000L·m－3＝6mol，n（HCO

）＝8×10－4mol·L－1×10m3×1000L·m－3＝8mol，应用石灰纯碱法软化硬水生成的沉淀为Mg（OH）2和CaCO3，其中发生的离子反应方程式为HCO

＋OH－===CO

＋H2O，Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓，Ca2＋＋CO

===CaCO3↓，设加入Ca（OH）2的物质的量为x，Na2CO3的物质的量为y，则反应体系中n（Ca2＋）＝12mol＋x，n（OH－）＝2x，n（CO

）＝8mol＋y，可得如下方程组：

求得x＝10mol，y＝14mol，所以m[Ca（OH）2]＝10mol×74g·mol－1＝740g，m（Na2CO3）＝14mol×106g·mol－1＝1484g。

答案：

（1）O2　CO2（或N2）

（2）明矾、硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁（任填两种）　铝盐或铁盐在水中发生水解生成相应氢氧化物胶体，它可吸附天然水中悬浮物并破坏天然水中的其他带异电胶粒的胶体，使其聚沉，达到净化目的

（3）10°

（4）740　1484

题组二　污水的处理

2．水处理主要包括水的净化、污水处理、硬水软化和海水淡化等。

（1）水处理技术的核心是减少或除去水中的各种杂质离子。

目前，________和________是主要的去离子方法。

（2）根据废水中所含有害物质的不同，工业上有多种废水的处理方法。

①废水Ⅰ若采用CO2处理，离子方程式是________________________________________________________________________。

②废水Ⅱ常用明矾处理。

实践中发现废水中的c（HCO

）越大，净水效果越好，这是因为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

③废水Ⅲ中的汞元素存在如下转化（在空格上填相应的化学式）：

Hg2＋＋________===CH3Hg＋＋H＋。

我国规定，Hg2＋的排放标准不能超过0.05mg/L。

若某工厂排放的废水1L中含Hg2＋3×10－7mol，是否达到了排放标准________（填“是”或“否”）。

④废水Ⅳ常用Cl2氧化CN－成CO2和N2。

若参加反应的Cl2与CN－的物质的量之比为5∶2，则该反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

解析：

（2）①废水Ⅰ的处理方法是中和法，由于CO2水溶液显酸性，所以该方法是去除OH－，离子方程式为OH－＋CO2===HCO

。

②废水Ⅱ的处理方法是混凝法，目的是使悬浮的固体小颗粒沉降。

常用明矾作净水剂。

在实践中发现废水中的c（HCO

）越大，净水效果越好，这是因为HCO

会促进Al3＋水解，水解的程度越大，产生的Al（OH）3就越多，吸附效果就越好，因而净水效果增强。

③根据质量守恒定律可得缺少的物质应该为CH4。

在1L的废水中含有的Hg2＋的质量为3×10－7mol×201g/mol＝6.02×10－5g＝6.02×10－2mg＞0.05mg，因此不符合排放标准。

④废水Ⅳ常用Cl2氧化CN－成CO2和N2，若参加反应的Cl2与CN－的物质的量之比为5∶2，根据质量守恒定律及电荷守恒可得该反应的离子方程式为5Cl2＋2CN－＋4H2O===10Cl－＋2CO2＋N2＋8H＋。

答案：

（1）离子交换法　膜分离法

（2）①OH－＋CO2===HCO

　②HCO

会促进Al3＋的水解，净水效果增强　③CH4　否　④5Cl2＋2CN－＋4H2O===10Cl－＋2CO2＋N2＋8H＋

考点二　海水的综合利用

一、氯碱工业（离子交换膜法电解食盐水）

1．设备

离子交换膜电解槽。

离子交换膜只允许阳离子通过。

2．原理

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。

3．工艺流程

粗盐水

过滤

离子交换树脂―→精盐水―→阳极室。

4．粗盐的精制

（1）目的：

除去泥沙，使Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO

等离子的含量达到要求。

（2）原因：

Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等会在碱溶液中形成沉淀，损坏离子交换膜，泥沙及SO

会引入杂质。

（3）试剂：

BaCl2、Ca（OH）2、Na2CO3、稀盐酸

用BaCl2除去SO

，用Ca（OH）2除去Mg2＋、Fe3＋，用Na2CO3除去Ba2＋及Ca2＋，为保证将杂质离子除尽，所加试剂总是略有过量，过量的试剂需依靠后续试剂除去。

因此试剂的加入要有一定的顺序。

例如：

纯碱须加在氯化钡试剂后，过滤后才能在溶液中加入稀盐酸。

5．产品

（1）阳极室产品：

氯气，补充饱和食盐水，流出淡盐水。

（2）阴极室产品：

氢气和NaOH，补充纯水（加入一定量的NaOH），流出NaOH溶液。

二、海水提溴

1．生产流程

2．反应原理

Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2，

3Br2＋3Na2CO3===5NaBr＋NaBrO3＋3CO2↑，

5NaBr＋NaBrO3＋3H2SO4===3Br2＋3Na2SO4＋3H2O，

Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4，

2HBr＋Cl2===2HCl＋Br2。

三、海水提镁

1．生产流程及反应原理

2．平衡原理在海水提镁中的应用

（1）沉淀溶解平衡原理

海水（Mg2＋）

Mg（OH）2↓[Mg（OH）2溶解度小于Ca（OH）2]

（2）水解平衡原理

MgCl2·6H2O

MgCl2（HCl气氛抑制MgCl2水解）

　（教材改编）海水是巨大的资源宝库，从海水中提取食盐和溴的过程如下：

（1）请列举海水淡化的两种方法：

________、________。

（2）将NaCl溶液进行电解，在电解槽中可直接得到产品有H2、____________或H2、____________。

（3）步骤Ⅰ中已获得Br2，步骤Ⅱ中又将Br2还原为Br－，其目的为________________________________________________________________________。

（4）步骤Ⅱ用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可达95%，有关反应的离子方程式为________________________________________________________________________，

由此反应可知，除环境保护外，在工业生产中应解决的主要问题是________________________________________________________________________。

解析：

本题包含海水淡化、海水提溴等知识。

其中海水提溴涉及到的反应为第一步：

Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2；第二步：

SO2＋Br2＋2H2O===2HBr＋H2SO4；第三步：

Cl2＋2HBr===2HCl＋Br2。

（1）海水淡化的方法有：

蒸馏法、离子交换法、电渗析法等。

（2）根据2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑以及Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O可得到答案。

（3）根据框图可知先前得到的溴浓度较低，这样做是使溴富集。

（4）由Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋SO

＋2Br－，可知反应产生大量的酸，会腐蚀设备。

答案：

（1）蒸馏法、电渗析法、离子交换法等（任意两种即可）

（2）Cl2、NaOH　NaClO　（3）富集溴元素

（4）Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋SO

＋2Br－　强酸对设备的严重腐蚀

名师点拨

1海水提溴通氯气前要将海水酸化，pH为3.5时，氯气的氧化效果最好。

2用空气或H2Og将溴吹出，而不用CCl4萃取，因后者工艺复杂，设备投资大，经济效益低且对环境污染严重。

3电解熔融MgCl2生成的Cl2可用于制盐酸，循环使用，节省成本。

　（2016·泉州高三模拟）海水中含有丰富的化学元素，下面是某化工厂从海水中提取NaCl、Mg（以MgCl2形式存在）和Br2（以NaBr的形式存在）及综合利用的生产流程简图：

请回答：

（1）Mg（OH）2中加入盐酸后，要获得MgCl2·6H2O晶体，需要进行的实验操作依次为________。

A．蒸馏　　　　　　　　B．灼烧

C．过滤D．蒸发

E．冷却结晶

（2）利用MgCl2·6H2O可制得无水氯化镁，应采取的措施是________________________________________________________________________。

（3）目前工业上主要采用隔膜法电解饱和食盐水，下列关于隔膜电解槽的叙述错误的是________。

A．隔膜的作用，防止氯气和氢氧化钠、氯气和氢气接触而发生反应

B．电解之前应除去Ca2＋、Mg2＋，以防止电解时生成Ca（OH）2、Mg（OH）2堵塞隔膜

C．阴极产物为氢氧化钠和氢气

D．电解槽的阳极用金属铁网制成

[解析]　

（1）由溶液中提纯易溶于水的晶体，常用蒸发、冷却结晶、过滤的方法。

（2）如果直接加热MgCl2·6H2O不能得到无水MgCl2，应将MgCl2·6H2O在干燥的HCl气流中加热得无水MgCl2。

（3）隔膜电解槽的阳极用碳棒制成，阴极为铁网，所以D错误。

[答案]　

（1）DEC　

（2）在HCl气流中脱水，防止MgCl2水解　（3）D

题组　海水的综合利用

（2014·高考全国卷Ⅱ，36,15分）将海水淡化与浓海水资源化结合起来是综合利用海水的重要途径之一。

一般是先将海水淡化获得淡水，再从剩余的浓海水中通过一系列工艺流程提取其他产品。

回答下列问题：

（1）下列改进和优化海水综合利用工艺的设想和做法可行的是________（填序号）。

①用混凝法获取淡水　　

②提高部分产品的质量

③优化提取产品的品种　

④改进钾、溴、镁等的提取工艺

（2）采用“空气吹出法”从浓海水中吹出Br2，并用纯碱吸收。

碱吸收溴的主要反应是Br2＋Na2CO3＋H2O―→NaBr＋NaBrO3＋NaHCO3，吸收1molBr2时，转移的电子为________mol。

（3）海水提镁的一段工艺流程如下图：

浓海水的主要成分如下：

离子

Na＋

Mg2＋

Cl－

SO

浓度/（g·L－1）

63.7

28.8

144.6

46.4

该工艺过程中，脱硫阶段主要反应的离子方程式为________________________________________________________________________

____________________，产品2的化学式为________，1L浓海水最多可得到产品2的质量为________g。

（4）采用石墨阳极、不锈钢阴极电解熔融的氯化镁，发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________；

电解时，若有少量水存在会造成产品镁的消耗，写出有关反应的化学方程式：

________________________________________________________________________。

解析：

（1）将海水经过处理得到淡水和浓海水，这是综合利用海水的重要途径之一，从而可以提高部分产品的质量，优化提取产品的品种，改进钾、溴、镁等的提取工艺。

（2）根据反应原理，将方程式配平：

3Br2＋6Na2CO3＋3H2O===5NaBr＋NaBrO3＋6NaHCO3。

每3molBr2被吸收时转移5mole－，则吸收1molBr2转移

mole－。

（3）工艺流程中，脱硫加入的是得到产品2过程中过滤时的滤液，而此滤液中所含的能够脱硫的离子来源于合成步骤中的石灰乳，故脱硫阶段的主要离子方程式为Ca2＋＋SO

===CaSO4↓；而产品2是由加入石灰乳之后得到的沉淀得来的，即Mg2＋＋Ca（OH）2===Mg（OH）2＋Ca2＋，故产品2为Mg（OH）2；1L浓海水中Mg2＋为28.8g，故可得到产品2即Mg（OH）2的质量为

×58g·mol－1＝69.6g。

（4）电解熔融MgCl2会得到Mg和Cl2，故化学方程式为MgCl2

Mg＋Cl2↑。

因为Mg会与H2O发生反应生成Mg（OH）2和H2，故水存在会造成产品Mg的消耗，有关反应的化学方程式为Mg＋2H2O

Mg（OH）2＋H2↑。

答案：

（1）②③④　

（2）

　（3）Ca2＋＋SO

===CaSO4↓　Mg（OH）2　69.6　（4）MgCl2

Mg＋Cl2↑　Mg＋2H2O

Mg（OH）2＋H2↑

海水中溴的提取流程

（1）用蒸馏法将海水浓缩，用硫酸将浓缩的海水酸化。

（2）向酸化的海水中通入适量的氯气，使溴离子转化为溴单质。

2NaBr＋Cl2===Br2＋2NaCl

（3）向含溴单质的水溶液中通入空气和水蒸气，将溴单质吹入盛有二氧化硫溶液的吸收塔内以达到富集的目的。

Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4

（4）向吸收塔内的溶液中通入适量的氯气。

2HBr＋Cl2===2HCl＋Br2

（5）用蒸馏法蒸出溴蒸气，然后凝结器中冷凝得到液溴。

考点三　化石燃料的综合利用

1．石油的炼制

炼制方法

原理

变化

主要原料

主要产品

分馏

常压

利用烃的不同沸点，将其分离成沸点不同的产物

物理变化

原油

石油气、汽油、煤油、柴油、重油等

减压

重油

柴油、燃料油等

裂化

在一定条件下，使长链烃断裂为短链烃

化学变化

重油、石蜡等

汽油、煤油、柴油等轻质油

裂解

深度裂化（更高温度下的裂化）

化学变化

石油分馏产物（包括石油气）

主要是乙烯、丙烯、丁烯、甲烷等