化学与可持续发展:从矿石到绿色化学
资源开发
金属矿物/海水
化石能源
煤石油天然气
综合利用
干馏/分馏/裂化
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'。
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
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。
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
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选 B。Fe 处于中间活动性,用 CO 还原;Na、Al 用电解,Hg 用热分解。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
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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。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
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选 B。焚烧塑料会产生二噁英等有毒气体。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
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。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。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。
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%。
- 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。
- 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。
- 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。