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自然资源的开发利用 ​

概览

自然资源是化工生产的基础。本笔记重点讲解两大部分：一是金属的冶炼（依据金属活动性选择电解法、热还原法、热分解法）；二是煤、石油、天然气三大化石燃料的综合利用（干馏、分馏、裂化、裂解等）。这些内容综合运用了氧化还原反应与元素化合物的知识。

核心概念 ​

1. 金属在自然界的存在形态 ​

  • 极不活泼的金属（$\ce{Au}$、$\ce{Ag}$、$\ce{Pt}$）以游离态存在。
  • 绝大多数金属以化合态存在（金属活动性强，易失去电子）。

2. 金属冶炼的实质 ​

把金属阳离子还原为金属单质的过程： $$\ce{M^{n+} + ne- -> M}$$

冶炼方法由金属的活动性（失电子能力）决定：活动性越强，越难还原，需要越强的还原手段。

重点知识 ​

1. 金属冶炼的三种方法 ​

方法适用范围（金属活动性）原理实例
电解法$\ce{K}$、$\ce{Ca}$、$\ce{Na}$、$\ce{Mg}$、$\ce{Al}$（很活泼）电解熔融化合物$\ce{2Al2O3 ->[电解,冰晶石] 4Al + 3O2 ^}$；电解熔融 $\ce{NaCl}$ 制钠
热还原法$\ce{Zn}$、$\ce{Fe}$、$\ce{Sn}$、$\ce{Pb}$、$\ce{Cu}$（中等活泼）用 $\ce{C}$、$\ce{CO}$、$\ce{H2}$、$\ce{Al}$还原金属氧化物$\ce{Fe2O3 + 3CO ->[高温] 2Fe + 3CO2}$；$\ce{ZnO + C ->[高温] Zn + CO}$
热分解法$\ce{Hg}$、$\ce{Ag}$（不活泼）加热分解金属氧化物$\ce{2HgO ->[Δ] 2Hg + O2 ^}$

电解法详解

  • 工业炼铝：电解熔融的 $\ce{Al2O3}$（加冰晶石作助熔剂降低熔点），不能电解 $\ce{AlCl3}$（其是共价化合物，熔融不导电）。
  • 工业制钠：电解熔融 $\ce{NaCl}$：阳极 $\ce{2Cl- - 2e- -> Cl2 ^}$，阴极 $\ce{2Na+ + 2e- -> 2Na}$。
  • 工业制镁：电解熔融 $\ce{MgCl2}$（不用 $\ce{MgO}$，因 $\ce{MgO}$ 熔点太高）。

热还原法典型反应：

  • 高炉炼铁：$\ce{Fe2O3 + 3CO ->[高温] 2Fe + 3CO2}$。
  • 铝热反应（可焊接钢轨）：$\ce{2Al + Fe2O3 ->[高温] Al2O3 + 2Fe}$（铝作还原剂，金属活动性比铁强）。

2. 煤的综合利用 ​

  • 煤主要含碳元素（还有 $\ce{H}$、$\ce{O}$、$\ce{N}$、$\ce{S}$ 等），是复杂的混合物。
  • 干馏：将煤隔绝空气加强热，使其分解，得到焦炭、煤焦油、焦炉煤气。是化学变化。
  • 气化：煤与水蒸气反应生成气体燃料（水煤气等）：$\ce{C + H2O(g) ->[高温] CO + H2}$。
  • 液化：把煤转化为液体燃料（甲醇、汽油等）。

3. 石油的综合利用 ​

  • 石油是多种烃（主要烷烃、环烷烃、芳香烃）的混合物。
  • 分馏：利用沸点不同，把石油分离成不同沸点范围的馏分（石油气、汽油、煤油、柴油、重油等）。是物理变化。
  • 裂化：在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃（提高汽油产量）。是化学变化。
  • 裂解：深度裂化，得到乙烯、丙烯等气态烃（化工原料）。是化学变化。

分馏 vs 裂化 vs 裂解

分馏是物理变化（无新物质生成）；裂化、裂解是化学变化（大分子烃断裂成小分子烃）。裂化旨在提高轻质油（汽油）产量，裂解旨在获得气态烯烃（乙烯、丙烯）。

4. 天然气的利用 ​

  • 主要成分：甲烷（$\ce{CH4}$），是重要的清洁能源和化工原料。
  • 燃烧：$\ce{CH4 + 2O2 ->[点燃] CO2 + 2H2O}$。

5. 节约与综合利用的意义 ​

  • 金属资源有限，应提高冶炼技术、加强废旧金属回收。
  • 化石燃料不可再生，应发展新能源（太阳能、风能、氢能、生物质能等）。

典型例题 ​

例题 1：金属冶炼方法的选择 ​

题目：下列金属的冶炼方法正确的是（　） A. 电解熔融 $\ce{AlCl3}$ 冶炼铝 B. 用 $\ce{CO}$高温还原$\ce{Fe2O3}$ 冶炼铁 C. 电解 $\ce{NaCl}$ 溶液冶炼钠 D. 加热分解 $\ce{Fe2O3}$ 冶炼铁

分析：$\ce{AlCl3}$是共价化合物，熔融不导电，工业上电解熔融$\ce{Al2O3}$ 炼铝（A 错）；铁是中等活泼金属，用热还原法（$\ce{Fe2O3 + 3CO ->[高温] 2Fe + 3CO2}$）（B 对）；钠是活泼金属，必须电解熔融 $\ce{NaCl}$（电解 $\ce{NaCl}$溶液得到的是$\ce{NaOH}$、$\ce{H2}$、$\ce{Cl2}$，无钠）（C 错）；$\ce{Fe2O3}$ 热分解无法炼铁（D 错）。

解答：选 B。

点评：方法选择看金属活动性——活泼金属（$\ce{K}$–$\ce{Al}$）电解熔融物；中等活泼（$\ce{Zn}$–$\ce{Cu}$）热还原；不活泼（$\ce{Hg}$、$\ce{Ag}$）热分解。注意电解的是熔融物而非溶液。

例题 2：石油综合利用的判断 ​

题目：下列过程属于物理变化的是（　） A. 煤的干馏　B. 石油的裂化　C. 石油的分馏　D. 石油的裂解

分析：煤的干馏（隔绝空气加热分解）、石油的裂化（大分子烃断裂）、石油的裂解（深度裂化）都生成了新物质，是化学变化；石油的分馏只是按沸点分离，无新物质生成，是物理变化。

解答：选 C。

点评：判断物理/化学变化的关键看"是否有新物质生成"。分馏是物理变化，干馏、裂化、裂解、气化、液化都是化学变化，这是高频考点。

资源保护与新能源 ​

金属资源的保护 ​

  • 金属矿藏不可再生，应提高冶炼技术、加强废旧金属回收利用。
  • 防止金属腐蚀（如钢铁生锈），延长金属制品寿命。

常见新能源 ​

能源优点化学原理/说明
氢能燃烧热值高、产物只有水、无污染$\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$
太阳能清洁、可再生光能→电能/热能
风能清洁、可再生机械能→电能
生物质能可再生、碳中性植物光合作用固定太阳能
核能能量密度极大核裂变/聚变

煤、石油的综合利用小结 ​

  • 煤：干馏（化学变化）得焦炭、煤焦油、焦炉煤气；气化得水煤气；液化得液体燃料。
  • 石油：分馏（物理变化）得各种馏分；裂化提高轻质油产量；裂解得乙烯等气态烯烃。

资源综合利用的意义 ​

  • 提高资源利用率、减少废弃物、降低环境污染，实现"变废为宝"。

易错提醒 ​

常见错误

  • "电解 $\ce{NaCl}$溶液制钠"❌ —— 应电解熔融$\ce{NaCl}$；电解食盐水得到 $\ce{NaOH}$、$\ce{Cl2}$、$\ce{H2}$。
  • "电解熔融 $\ce{AlCl3}$制铝"❌ ——$\ce{AlCl3}$是共价化合物，应电解熔融$\ce{Al2O3}$。
  • "石油分馏是化学变化"❌ —— 分馏是物理变化（利用沸点不同）。
  • "煤的干馏是物理变化"❌ —— 干馏是隔绝空气加强热的化学变化。
  • "金属冶炼都用电解法"❌ —— 活泼金属用电解法，中等活泼用热还原法，不活泼用热分解法。
  • "天然气主要成分是氢气"❌ —— 天然气主要成分是甲烷。

与其他知识关联 ​

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