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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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