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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)2CaCO3↓+CO2↑+H2OMg(HCO3)2MgCO3↓+ 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↓+2H2OMg(HCO3)2+2Ca(OH)2=Mg(OH)2↓+2CaCO3↓+2H2OMgSO4+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++2NaR MgR2+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 、Cl 2、H 2 , 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 - = H 2↑阳极:2Cl - -2e - = Cl 2↑总反应: 2H 2O + 2Cl - = H 2↑ + Cl 2↑ +2OH -2H 2O + 2NaCl = H 2↑ + Cl 2↑ +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)生产流程溶液 H 2O (含少量NaOH )电解 电解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Br 2。

化学方程式为:Cl 2 +2Br -=Br 2+ 2Cl -B.吹出然后用空气把Br 2吹出,再用Na 2C03溶液吸收,即得较浓的NaBr 和NaBrO 3溶液: 3CO 32- + 3Br 2 = 5Br - + BrO 3- + 3CO 2↑最后,用硫酸将溶液酸化,Br 2即从溶液中游离出来,.化学方程式为:5Br - + BrO 3- + 6H + = 3Br 2 + 3H 2OC.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:Br 2 + SO 2+2H 2O=2HBr+H 2SO 4Cl 2 +2Br -=Br 2+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+ H 2O== Ca(OH)2B.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CaCO 3 ==== CaO+ CO 2 ↑高温 Mg(OH)2 +2HCl= MgCl 2 + 2H 2OMgCl 2==== Mg+ Cl 2 ↑电解氢一样,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)煤的汽化与液化润滑油凡士林石蜡 沥青 石油焦 重油催化裂化 热裂化 减压 常压 乙烯、丙烯、丁二烯抗震性能好的气油和甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯等 溶剂油汽油煤油柴油重油 主要产品含直链烷烃的石油 分馏产品(含石油气) 重油 原油 主要原料 在高温下,把石油产品中具有长链分子的烃断裂 成为各种短链的气态烃或液态烃。

在加热或催化剂存在的条件下,把相对分子质量大,沸点高的烃断裂成相对分子质量小,沸点低的烃用蒸发冷凝的方法把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物 原理 石油的裂解裂化 分馏 石油的炼制方法(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。

→(CH2)n+nH2OnCO+2nH2nCO+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。

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