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化学与可持续发展:从矿石到绿色化学

Sustainable Chemistry · 资源、能源与环境
这是必修一的收官章,把前面学过的金属冶炼、化石燃料、环境保护串起来。人类怎么从矿物、海水里把资源挖出来?煤石油天然气怎么综合利用?什么叫绿色化学?学完你会用化学眼光看身边的环境问题。
①
资源开发

金属矿物/海水

②
化石能源

煤石油天然气

③
综合利用

干馏/分馏/裂化

④
绿色化学

原子经济零排放

开场场景:一吨海水里只含 4 克黄金,但海水总量 13 亿亿吨——海水中的黄金比陆地上所有金矿还多,只是提取成本太高。化学要解决的不是'有没有',而是'划不划算'。

卡必背方程式 / 概念
金属冶炼三法:电解法(K~Al)、热还原法(Zn~Cu,用 CO/C/Al)、热分解法(Hg、Ag)
铝的冶炼:电解熔融 Al₂O₃(加冰晶石降熔点):2Al₂O₃ --电解--> 4Al+3O₂↑
海水资源:晒盐得 NaCl;提镁 Mg(OH)₂→MgCl₂→电解得 Mg;提溴 Cl₂ 置换 Br⁻
煤的综合利用:干馏(隔绝空气加强热得焦炭、煤焦油、焦炉气)、气化、液化
石油:分馏(物理,按沸点得石油气/汽油/煤油/柴油/重油);裂化、裂解(化学,把长链变短链)
乙烯主要来自石油裂解;甲烷来自天然气/沼气
绿色化学核心:从源头减少污染,原子经济性——反应物原子全部进入目标产物
主要环境问题:酸雨(SO₂/NOₓ)、光化学烟雾(NOₓ/烃)、温室效应(CO₂/CH₄)、白色污染(塑料)
口诀:活泼电解、不活泼热分解;石油分馏是物理、裂化裂解是化学。

义是什么

为什么不同金属用不同冶炼法:金属越活泼,其离子越难得电子,还原它消耗能量越大。Na、Al 太活泼,连 CO 都还原不动,只能用电解;Hg、Ag 不活泼,氧化物一加热就分解。铝冶炼耗电极大,所以回收铝罐比从矿石炼铝节能 95%。

化石燃料综合利用:煤直接烧是浪费且污染;干馏把煤变成焦炭(炼钢)、煤焦油(提取芳香烃)、焦炉气(燃料)。石油直接烧汽油也浪费,裂化把重质长链剪成轻质短链提高汽油产量,裂解进一步得乙烯、丙烯等化工原料。

路怎么学 / 怎么想

分馏 vs 裂化 vs 裂解:分馏是物理过程,利用沸点不同把原油分成不同馏分,不改变分子;裂化、裂解是化学过程,把大分子烃断裂成小分子。裂化目的是提高汽油产量,裂解目的是获得乙烯、丙烯等基础化工原料。

绿色化学十二原则核心两条:①污染预防优于末端治理;②原子经济性——设计反应时让原料原子尽可能多地进入产物,减少废物。理想反应是化合反应 A+B=C,原子利用率 100%。

典型例题:三道

例1:工业冶炼铝为什么要加冰晶石?
审题:电解冶炼。
Al₂O₃ 熔点 2050℃ 太高,加冰晶石 Na₃AlF₆ 作助熔剂,使熔点降到约 1000℃,大幅节电。
例2:下列属于物理变化的是?A 煤的干馏 B 石油分馏 C 石油裂化 D 煤的气化
审题:过程辨析。
选 B。分馏只按沸点分离,分子不变;其余都有新物质生成。
例3:你认为下列哪种反应原子经济性最高?
审题:绿色化学。
化合反应/加成反应:反应物全部进入产物,无副产物,原子利用率 100%。取代、消去、酯化都会出小分子废物。

用途与案例

生活:白色污染

塑料难降解,回收分类再利用;可降解塑料(PLA)用玉米淀粉制。

新能源:氢能

燃烧只生成水,零碳排放;但廉价制氢(光解水)和储运仍待突破。

展往哪儿长

初中衔接:你学过燃烧三条件、燃料充分燃烧;高中把视角扩大到资源全生命周期。

大学/未来:碳中和、CCUS(碳捕集利用封存)、动力电池回收都是这章思想的延伸。

防坑警示

把石油分馏当成化学变化:错。分馏是物理过程,沸点不同而已;裂化裂解干馏才是化学。另外煤的干馏必须隔绝空气,否则煤就直接烧了。

练习

基础:下列金属适合热还原法冶炼的是?A Na B Fe C Hg D Al

查看解答选 B。Fe 处于中间活动性,用 CO 还原;Na、Al 用电解,Hg 用热分解。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。

进阶:煤的干馏产物不包括?A 焦炭 B 煤焦油 C 焦炉气 D 汽油

查看解答选 D。汽油来自石油分馏/裂化;煤干馏得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水、粗苯。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。

奥数:为减少'白色污染',下列做法不合理的是?A 用布袋代替塑料袋 B 焚烧废弃塑料 C 回收废塑料 D 开发可降解塑料

查看解答选 B。焚烧塑料会产生二噁英等有毒气体。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。

证教材级补充:铝的电解冶炼

2Al₂O₃ --(冰晶石,电解)--> 4Al + 3O₂↑。阳极碳块不断被生成的 O₂ 氧化成 CO₂ 消耗,需定期更换。

Al₂O₃ 是离子晶体但熔点极高,纯电解需 2050℃;冰晶石作助熔剂形成低熔点共熔体。阴极得液态铝(密度大于熔液沉在底部),阳极出 O₂。这就是为什么电解铝是'电老虎'。

基础例题:为什么提倡回收铝罐?回收铝再熔比从铝土矿电解节能约 95%,减少 CO₂ 排放。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。
进阶例题:海水提镁流程中为什么加石灰乳沉淀 Mg²⁺?Mg²⁺+Ca(OH)₂=Mg(OH)₂↓+Ca²⁺,把海水中低浓度 Mg²⁺ 富集为沉淀,再转化为 MgCl₂ 电解。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。
记
小结卡

① 冶炼法随金属活泼性选择:电解/热还原/热分解。

② 石油分馏物理、裂化裂解化学;煤干馏隔绝空气。

③ 绿色化学从源头防污染,追求原子经济 100%。

费曼学习法:讲给别人听
合上书本,假装对面坐着一个刚上高中的同学,把这三件事说清楚——说不清楚的地方,就是你没真懂。
  1. 用自己的话讲:本章核心是「资源开发、化石燃料利用与绿色化学」,合上书用自己的话讲一遍,不许照抄。
  2. 举个反例 / 什么时候最容易错:对照上面「防坑警示」,挑一条讲明白为什么那是坑。
  3. 哪里还卡壳(标记薄弱点):哪一句你要翻书才说得顺?那个地方就是你的薄弱点,拿笔圈出来。