01 自然资源的开发利用

金属矿物的开发利用

金属元素在自然界中的存在形式：

金属元素在自然界中，以单质形式存在的，称为游离态，以化合物形态存在的，则为化合态。

游离态：金、铂等极少数不活泼金属；单质铁存在于陨石中。

化合态：钠、镁、铝等绝大多数金属。在化合物中金属元素的化合价都是正价。

金属矿物的开发利用：金属的冶炼方法

一、原理：

将金属矿物中的金属从其化合物中还原出来用于生产和制造各种金属材料的过程。

二、实质

使金属阳离子得到电子被还原为金属单质的过程，即 $M^{n+}+n{e}^{-}\stackrel{}{=}M$

三、常见的金属冶炼方法

根据金属活泼性的不同，采用不同的冶炼方法

热分解法

单质如果越稳定，其化合物越不稳定

热还原法

通过还原剂，将金属从化合物中还原为金属单质

电解法

特别活泼的金属单质，代表其化合物越稳定。

所以只有使用电解法，将其从化合物中还原出来。

几个重要方程式：

TIP

为什么使用 $NaCl,MgC{l}_2$，而不使用氧化物呢，因为氧化物如 $MgO$ 熔点非常高 2850 摄氏度，为了降低成本。

但冶炼 $Al$ 使用 $A{l}_2{O}_3$，因为 $AlC{l}_3$ 是共价化合物，熔融状态下不导电。

海水淡化

1. 蒸馏法：将海水加热至沸腾汽化，然后使水蒸气冷凝得到蒸馏水

蒸馏水

蒸馏水就是去离子水，离子的浓度非常少

2. 电渗析法：利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，在外加直流电场的作用下，使水中的一部分离子转移到另一部分水中，从而达到除盐的目的

TIP

离子都跑到电极附近了，中间水的粒子浓度很少。

3. 离子交换法：用离子交换树脂除去海水中的阴、阳离子，得到去离子水

交换树脂

交换树脂就是一个巨大的高分子，它上面挂了很多的 $H^{+}$ 或 $O{H}^{-}$，当水流经它时，它的 $H^{+}$ 就会被海水的阳离子替换，

但是注意，一定是先通过阳离子交换树脂，再通过阴离子交换树脂。

因为阴离子交换树脂是 $R-OH$ 交换树脂，如果是 $O{H}^{-}$ 先出来，$O{H}^{-}$ 的沉淀能力特别强，这时其它的阳离子还没处理完比如 $M{a}^{2+}$，那么就形成 $Mg(OH{)}_2$ 沉淀，把装置堵住

海水提溴

TIP

• 海水经第一步的蒸馏浓缩后，得到的溶液就叫苦卤，苦卤里含有 $B{r}^{-}$
• 先用硫酸酸化，再用 $C{l}_2$ 氧化 $B{r}^{-}$；因为硫酸可以抑制 $C{l}_2$ 与水反应，提高反应效率；
• 获得含 $B{r}_2$ 的海水后，因为 $B{r}_2$ 的浓度过少，所以需要进行富集
• 因为 $B{r}_2$ 的挥发性强，所以用热空气吹出含有 $B{r}_2$ 的蒸气。
• 因为 $B{r}_2$ 在水中的溶解度不高，所以用 $S{O}_2$ 进行吸收
• 理论上，获得 $1molB{r}_2$，需要 $2molC{l}_2$，因为整个过程经历了 2 次 $C{l}_2$ 将 $B{r}_2$ 氧化。
• 最后，通过蒸馏得到液溴（$B{r}_2$ 的沸点较低）

海带提碘

海水中碘的总储量很大，但由于其浓度很低，工业上并不直接通过海水提取碘，而是以具有富集碘能力的海藻 (如海带等) 为原料获取碘。

TIP

• 海带灰悬浊液里有 $I^{-}$
• 酸化可以提高 $H_2{O}_2$ 的氧化性

$2\mathrm{I}{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{}{=}\mathrm{I}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

• 可以使用有机溶剂（$CC{l}_4$ 或苯）将 $I_2$ 从水溶液中萃取到有机溶剂里，得到含 $I_2$ 的有机溶剂

接下来，有 2 中方法。

可以直接蒸馏得到 $I_2$

也可以为了获得更高纯度的 $I_2$，加 $NaOH$ 与 $I_2$ 反应，将 $I_2\to I^{-}$（反萃取）

$3\mathrm{I}{\phantom{A}}_2+6\mathrm{OH}{\phantom{A}}^{-}\stackrel{}{=}5\mathrm{I}{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{IO}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

再加硫酸，在酸性条件下，又发生反应

$5\mathrm{I}{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{IO}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}+6\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{}{=}3\mathrm{I}{\phantom{A}}_2+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

海水提镁

煤的组成和综合利用

TIP

• 干馏，属于化学变化
• 气化，属于化学变化（制水煤气）
• 液化，也属于化学变化

石油的综合利用

TIP

裂化、裂解，会将大烷转化为小烷，并且生成一些小烯。

$\mathrm{大}\mathrm{烷}⟶\mathrm{小}\mathrm{烷}+\mathrm{小}\mathrm{烯}$

天然气的组成及其综合利用

1. 天然气的组成：天然气的主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。

2．天然气的综合利用

• （1）天然气是一种清洁的化石燃料，可以直接用作燃料；
• （2）重要的化工原料，主要用于合成氨和生产甲醇。