化学与资源综合利用、环境保护教案一

化学

第二节 化学与资源综合利用、环境保护

学习目标

1．了解煤、石油、天然气作为能源及化工原料的综合利用。

2．掌握煤的干馏、液化、气化的原理及利用。

3．掌握石油的裂化、裂解反应及聚合反应的定义及应用。

4．了解环境污染及其治理、绿色化学的含义。

5．认识到关心科学、研究科学和探索科学的精神。

教学重难点：

本节教学重点：煤的干馏、液化、气化的原理及利用，石油的裂化、裂解反应及聚合反应的定义及应用，环境污染及其治理、绿色化学的含义。

本节教学难点：石油裂化的原理

课时安排：两课时

教学过程：

前言：工业生产需要大量的原料，消耗大量的能源。在得到所需的产品的同时产生了大量的废气、废水和废渣。处理不当就会污染环境。气候变暖、臭氧层破坏、酸雨和赤潮等全球性和区域性环境问题，正在威胁着人类的生存和发展，保护自然环境已成为实现人类社会可持续发展的重要课题。

【新课】第一课时 煤、石油和天然气的综合利用

迄今为止，煤、石油、天然气仍是人类使用的主要能源，同时也是重要的化工原料。如何实现化石燃料的综合利用，提高利用率，减少化石燃料燃烧所造成的环境污染，是人类面临的重大挑战。

一、煤的组成及其综合利用

1． 煤的组成

煤是由有机物和少量的无机物组成的复杂混合物。主要含C元素，还含有少量的H、O、N、S等元素。

2．煤的综合利用

煤的综合利用主要是通过煤的干馏、煤的液化、和气化，获得洁净的燃料和多种化工原料。

（1）煤的干馏

煤干馏是指将煤隔绝空气加高温使之分解，得到焦炭、煤焦油、煤气。煤干馏过程中

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发生一系列复杂的化学反应，从煤干馏产物中可获得重要的化工原料，如氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳、苯、甲苯、二甲苯、萘、酚类等。

煤的干馏实验装置如图：

煤干馏的主要产品和用途

煤的汽化和液化就是使煤变成清洁能源的有效途径，与此同时煤的燃烧效率等也得到提高

（2）煤的气化

将煤中的有机物转化为可燃性气体的过程，主要反应为：

C (s)+H2O(g) 高温 CO(g)+H2(g)

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+热

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+热

利用焦炉煤气还是目前最便宜的生产煤气的方法。

（3）煤的液化

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煤的直接液化：使煤与氢气作用生成液体燃料。

煤的间接液化：先将煤转化为CO和H2，再在催化剂作用下合成甲醇等。

二、天然气的组成及其综合利用

天然气主要成分是甲烷。天然气是一种清洁燃料，可以直接用作燃料。天然气更是一种重要的化工原料，主要用于合成氨和生产甲醇及分子内含两个或两个以上碳原子的其他有机化合物。

关于甲烷水合物的介绍

甲烷水合物是由甲烷和水在高压（>100大气压或>10MPa）和低温（0～10℃）条件下合成的一种固态结晶物质，可表示为CH4 H2O,甲烷分子处于由多个水分子形成的笼中。甲烷水合物多呈白色或浅灰色晶体，外貌类似冰雪，可以象酒精块一样被点燃，故也有人叫它“可燃冰”。

甲烷水合物被认为是21世纪新型洁净的能源。但是储量巨大的甲烷水合物的分解和释放，会诱发海底地质灾害，还会加重温室效应，会诱发海底地质灾害，还会加重温室效应。目前，甲烷水合物已经成为关注和研究的重要领域，并取得了多项进展。

三、石油的组成及其综合利用

石油主要是由多种碳氢化合物组成的混合物。

1．石油的分馏

石油分馏是利用原油中各组分沸点的不同，将复杂的混合物分离成较简单和更有用的混合物的过程。

石油分馏主要在分馏塔中进行，通过分馏可以获得汽油、煤油、柴油等轻质油。

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干馏、分馏和蒸馏的区别：

干馏是固态物质隔绝空气加强热发生分解反应的过程，属于化学反应。如：煤

的干馏。

蒸馏是液态混合物在不需要隔绝空气情况下加热发生的液体气化再冷凝的过

程。属于物理变化。

分馏是分离提纯沸点相近的混合液体的一种方法，它实质上就是多次蒸馏。如

石油的分馏。

2．石油的催化裂化

石油的催化裂化是将含碳原子较多、沸点较高的烃断裂为含碳原子较少、沸点较低的汽油的过程。石油裂化的产品再经过进一步裂解，可以获得很多重要的化工原料。例如， C16H34 CH+CH 818816催化剂

加热、加压

催化剂

C8H18 CH+ CH 41048

加热、加压

催化剂

C4H10 CH+CH 2624

加热、加压

催化剂

C4H10 CH+CH 438

加热、加压

乙烯、丙烯、甲烷等都是通过石油裂化和裂解得到的重要化工原料。

3．其它的石油加工

石油经过催化重整，可以使链状烃转化为环状烃，获得苯、甲苯等重要化工基本原料。

4．聚合反应和高分子化合物

由低分子（相对分子质量小）生成高分子化合物（相对分子质量巨大）的反应叫做聚合反应。例如，

n CH2=CH22－CH2 n

聚乙烯是由成千上万个乙烯分子在一定条件下发生聚合反应生成的相对分子质量巨大的高分子化合物。相对分子质量巨大是高分子化合物的基本特征，也是它们与低分子化合物的根本区别。高分子化合物有天然的，如蛋白质、纤维素、淀粉等，也有人工合成的，如聚乙烯、聚丙烯等。塑料、合成橡胶和合成纤维三大人工合成的高分子材料。

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[课堂练习]

1． 地球大气中因二氧化碳含量增加而引起“温室效应”，下面关于大气中二氧化碳增加的主要来源的说法中，最不合理的一种是（ ）

A．人和动物呼出的二氧化碳

B．石油产品大量燃烧

C．森林大面积缩小，吸收二氧化碳的能力减少

D．煤的燃烧

2、煤在干馏时得到气态产物是（ ）

A．天然气 B．水煤气

C．焦炉气 D．高炉煤气

3．下列物质属于纯净物的是（ ）

①酒精②天然气③煤焦油④甲醇⑤煤⑥石油⑦冰醋酸⑧工业酒精⑨焦炉气⑩汽车废气

A．①③④⑨

B．②⑤⑦⑧

C．①②④⑦⑨

D．①④⑦

4. 下列变化属于物理变化的是（ ）

A. 煤的干馏 B. 裂解

C.从煤焦油中得到苯、甲苯、二甲苯等

D.古代植物变质成煤

5．丁烷裂解时可有两种方式断裂，生成两种烷烃和两种烯烃。如果丁烷裂解率为90%，又知裂解生成的两种烯烃的质量相等，那么裂解后所得到的混合气体中，分子量最小的气体占有的体积为分数为（ ）

A．19% B．25% C．36% D．40%

6．在人们的印象中，塑料是常见的绝缘材料，但2000年3名诺贝尔化学奖得主的研究成果表明，塑料经改造后能像金属一样具有导电性。要使塑料聚合物导电，其内部的碳原子之间必须交替地以单键和双键结合(再经掺杂处理)。目前导电聚合物已成为物理学家和化学家研究的重要领域。由上述分析，下列聚合物经掺杂处理后可以制成“导电塑料”的是

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课堂练习答案：1A 2 C 3 D 4C 5A 6B

【作业】同步练习题

【新课】第二课时 环境保护与绿色化学

前言：通常所说的环境问题，主要是指由于人类不合理的开发和利用自然资源而造成的生态环境破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的环境污染。

一、 环境污染的分类

1．按环境要素分：大气污染、水体污染、土壤污染；

2．按人类活动分：工业环境污染、城市环境污染、农业环境污染；

3．按造成污染的性质、来源分：化学污染、生物污染、物理污染（噪声、放射性、热、电磁波等）、固体废物污染、能源污染

二、化学在环境保护上的应用主要有以下几个方面：

1．对环境情况进行监测：对污染物的存在形态、含量进行分析和鉴定。

2．治理三废：对生产过程中产生的废气、废水和废渣进行处理，减少环境污染，实现资源的回收利用。

3．寻找源头治理环境污染的生产工艺，实施清洁生产——绿色化学

三、介绍几类环境污染及其防治

1．大气污染

对大气造成污染的污染物有：SO2、NO、NO2、H2S、CxHy、粒子状污染物、氟化物（F）、铅及其化合物（Pb）、挥发性有机物和放射性元素等。SO2、NO、NO2等物质主要来源于用煤、硝酸工业、硫酸工业、汽车尾气等。它们可以形成酸雨（酸雨是指pH≤5.6的酸性降水，其主要成分是硫酸和硝酸，属于严重的大气污染现象），使湖泊水质酸化，毒害水生物、植物，以及使土壤酸化，破坏农作物、森林等；氟化物（F）、氮氧化物可以破坏臭氧层。

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CO、NO能与人体血红蛋白结合，使动物因缺氧而死亡。NO、NO2、CO、CxHy等还参与光化学烟雾的形成。

大气污染物主要通过呼吸道进入人体，也有少量通过接触和刺激体表进入人体。人体吸入的空气经过鼻腔、咽部、喉头、气管、支气管后进入肺泡，并在肺泡上进行气体交换。当血液通过肺泡毛细管时，放出二氧化碳，吸收氧气。含氧的血液被输送到人体各部分，供人体组织和细胞新陈代谢用。如果生活在烟雾迷漫的环境中，空气中的有毒、有害污染物就会溶于体液或沉积在肺泡上，轻者会使上呼吸道受到刺激而有不适感，重者会引起疾病，使呼吸道和肺功能损害，引起病变。

大气污染对人体健康的危害大致可分为急性中毒、慢性中毒和致畸致癌作用等三种。震惊世界的伦敦烟雾事件就是典型的急性中毒事件。

1952年12月5日至8日，英国首都伦敦市上空烟雾弥漫，煤烟粉尘积蓄不散，造成了震惊一时的烟雾事件。这起事件使4000名健康市民因此死亡。在毒雾事件之后的两个月内，8000名患肺部疾病的人也因吸入过多的有毒物质而停止呼吸。据调查．英国伦敦从1873年一1962年共发生过6次重大的烟雾公害事件，每次都造成成千上万的人发病，甚至死亡。直至1965年以后，伦敦由于采取了排烟脱硫等治理措施，才没再出现烟雾杀人的事件。 治理：调整资源结构，开发新能源（太阳能、氢能、风能、地热等），减少使用煤、石油、天然气等化石燃料（或对燃料进行脱硫使用），减少工业废气排放，对废气进行回收净化再利用等。大力植树造林严禁乱砍滥伐。政府部门合理规划、制定标准、加强监测。

2．水体污染

水污染的来源：

水体污染主要来自工业废水、农业用水、生活污水。

水污染的危害：

水体污染影响工业生产、增大设备腐蚀、影响产品质量，甚至使生产不能进行下去。水的污染，又影响人民生活，破坏生态，直接危害人的健康，损害很大。水体被污染必将影响整个地球的环境，对人类产生严重的危害。

(1)危害人的健康：水污染后，通过饮水或食物链，污染物进入人体，使人急性或慢性中毒。

砷、铬、铵类、苯并芘等，可诱发癌症。

被寄生虫、病毒或其它致病菌污染的水，会引起多种传染病和寄生虫病。

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重金属污染的水，对人的健康均有危害。被镉污染的水、食物，人饮食后，会造成肾、骨骼病变，摄入硫酸镉20毫克，就会造成死亡。铅造成的中毒，引起贫血，神经错乱。六价铬有很大毒性，引起皮肤溃疡，还有致癌作用。饮用含砷的水，会发生急性或慢性中毒。（日本水俣病：日本熊本县水俣市因含无机汞的工业废水污染了水体,使水俣湾的鱼中毒,人食鱼后受害。在先后几年中河流下游汞中毒者达一千多，死亡一百多人，2万多人受到不同程度的危害。受害者的症状有：神经衰弱、痴呆和视力下降，成年人小脑、大脑半球受损严重。胎儿患类似脑性麻痹，3至4岁仍然表情漠视、流口水、不会吃食、不会爬、语音发育迟缓。）

砷使许多酶受到抑制或失去活性，造成机体代谢障碍，皮肤角质化，引发皮肤癌。 有机磷农药会造成神经中毒，有机氯农药会在脂肪中蓄积，对人和动物的内分泌、免疫功能、生殖机能均造成危害。

稠环芳烃多数具有致癌作用。

氰化物也是剧毒物质，进入血液后，与细胞的色素氧化酶结合，使呼吸中断，造成呼吸衰竭窒息死亡。

世界上80%的疾病与水有关。伤寒、霍乱、胃肠炎、痢疾、传染性肝炎是人类五大疾病，均由水的不洁引起。

(2)对工农业生产的危害

水质污染后，工业用水必须投入更多的处理费用，造成资

源、能源的浪费，食品工业用水要求更为严格，水质不合格，

会使生产停顿。农业使用污水，使作物减产，品质降低，甚至

使人畜受害，大片农田遭受污染，降低土壤质量。海洋污染的

后果也十分严重，如石油污染，造成海鸟和海洋生物死亡。

(3)水的富营养化的危害

在正常情况下，氧在水中有一定溶解度。溶解氧不仅是水生生物得以生存的条件，而且氧参加水中的各种氧化还原反应，促进污染物转化降解，是天然水体具有自净能力的重要原因。含有大量氮、磷、钾的生活污水的排放，大量有机物在水中降解放出营养元素，促进水中藻类丛生，植物疯长，使水体通气不良，溶解氧下降，甚至出现无氧层。以致使水生植物大量死亡，水面发黑，水体发臭形成“死湖”、“死河”、“死海”，进而变成沼泽。这种现象称为水的富营养化。富营养化的水臭味大、颜色深、细菌多，这种水的水质差，不能直接利用，水中断鱼大量死亡。

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水华是淡水中的一种自然生态现象，是由于水的富营养化引起藻类 （如蓝藻 、绿藻、硅藻等）的迅猛生长，水一般呈蓝色或绿色。

淡水中“水华”造成的最大危害是：饮用水源受到威胁，藻毒素通过食物链影响人类的健康，蓝藻“水华”的次生代谢产物MCRST能损害肝脏，具有促癌效应，直接威胁人类的健康和生存。

赤潮是由于海水中浮游藻类、原生动物或细菌异常增殖或聚集而

引起海水变色的现象。实际上，赤潮并不一定都是红色的，它可因引

发赤潮的生物种类和数量不同而呈现出不同颜色。赤潮发生必须具备

以下条件：

①海域水体高营养化；

②某些特殊物质参与作为诱发因素，如：维生素B1、B12、铁、锰、脱氧核糖核酸； ③环境条件，如水温、盐度等也决定着发生赤潮的生物类型。

赤潮不仅给海洋环境、海洋渔业和海水养殖业造成严重危害，而且对人类健康甚至生命都有影响。主要包括两个方面：

①引起海洋异变，局部中断海洋食物链，使海域一度成为死海；

②有些赤潮生物分泌毒素，这些毒素被食物链中的某些生物摄入，如果人类再食用这些生物，则会导致中毒甚至死亡。

3．固体废弃物污染及其治理

（1）固体废弃物污染

固体废弃物是指人类在生产和生活中丢弃的固体和泥状物，如采矿业的废石、尾矿、煤矸石；工业生产中的高炉渣、钢渣；农业生产中的秸秆、人畜粪便；核工业及某些医疗单位的放射性废料；城市垃圾等等。若不及时清除，必然会对大气、土壤、水体造成严重污染，导致蚊蝇孳生、细菌繁殖，使疾病迅速传播， 危害人体健康。

（2）处理固体废弃物的方法：

目前世界上生活垃圾处理主要是卫生填埋、堆肥和回收利用三种方式。

回收利用废旧合成材料主要有三种途径，一是通过熔融再生重新做成多种有用的材料；二是采用热裂解或化学处理的方法使其分解，用于制备多种化工原料；三是将废旧合成材料作为燃料使用。

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四、化学与环境知识总结

五、绿色化学与清洁生产

绿色化学的核心是要利用化学原理从源头消除污染。绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，实现“零排放”。不仅充分利用资源，而且不产生污染；并采用无毒、无害的溶剂、助剂和催化剂，生产有利于环境保护、社区安全和人身健康的环境友好产品。绿色化学化工的目标是寻找充分利用原材料和能源，且在各个环节都洁净和元污染的反应途径和工艺。对生产过程来说，绿色化学包括：节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，在生产过程排放废物之前减降废物的数量和毒性；对产品来说，绿色化学旨在减少从原料的加工到产品的最终处置的全周期的不利影响。

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绿色化学示意图

[课堂练习1]

[答案]以乙烯为原料通过氯代乙醇法生产环氧乙烷，其原子利用率为：

采用银催化一步合成环氧乙烷的原子利用率为：100％。

要发展绿色化学意味着要从过去的污染环境的化工生产转变为安全的、清洁的生产。 清洁生产的重点在于：①设计比现有产品的毒性更低或更安全的化学品，以防止意外事故的发生；②设计新的更安全的、对环境良性的合成路线，例如尽量利用分子机器型催化

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剂、仿生合成等，使用无害和可再生的原材料；③设计新的反应条件，减少废弃物的产生和排放，以降低对人类健康和环境产生的危害。

[课堂练习2]

绿色化学对于化学反应提出了“原子经济性”（原子节约）的新概念及要求。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子全部转变成所需产物，不产生副产物，实现零排放。下列几种生产乙苯的方法中，原子经济性最好的是（反应均在一定条件下进行）：

A

B

C

D

＋C2H5Cl→＋C2H5OH→＋CH2＝CH2→→＋HCl ＋H2O ＋HBr；＋H2→

解析：依据题目中的信息要点：“原料分子中的原子全部转变成所需产物，不产生副产物，实现零排放”，观察四个选项中的化学方程式，找出“零排放”的反应（C）

答案：C

[课堂练习3]

某工厂利用铜屑制硝酸铜。你认为可以用哪些方法？哪种最好？

解析及答案：利用铜屑制硝酸铜可以采用以下三种方法：铜与浓硝酸反应；铜与稀硝酸反应；铜与氧气反应后，再与硝酸反应。从原子经济性的角度考虑，从最大限度地减少废物的排放的角度考虑，采用铜与氧气反应后，再与硝酸反应的方法是最好的。

[课堂练习4]

为了降低硫氧化物造成的污染，一种方法是在含硫燃料（如煤）中加入生石灰，这种方法称作“钙基固硫”．采用这种方法“固硫”的反应为（ ） A.2CaO+2S===2CaS+O2

B.S+O2===SO2

C.CaO+SO2===CaSO3

D.2CaSO3+O2===2CaSO4

解析：含硫燃料燃烧时产生二氧化硫，二氧化硫会与加入的生石灰发生反应，产生CaSO3，而CaSO3在灼热的空气中不稳定，会被氧气氧化成硫酸钙。

答案：CD

[课堂练习5]

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工、农业及城市生活污水中含磷，家用洗涤剂是污水中磷的一个重要来源(洗涤剂中含有磷酸钠)，对于处理污水时要不要除去磷，下列说法中正确的是( )

A.磷是生物的营养元素，不必除去

B.含磷的污水是很好的肥料，不必除去

C.含磷污水引起藻类增殖，使水变质，必须除去

D.磷对人无毒，除去与否都无关紧要

答案：C

[课堂练习6]

汽车尾气（含有烃类、CO、SO2与NO等物质）是城市空气的污染源。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”（用铂、钯合金作催化剂）。它的特点是使CO与NO反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使烃类充分燃烧及SO2的转化。

（1）写出一氧化碳与一氧化氮反应的化学方程式

（2）“催化转换器”的缺点是在一定程度上提高空气的酸度，其原因是

（3）控制城市空气污染源的方法可以有 （多选扣分）

a 开发氢能源 b 使用电动车 c 植树造林 d 戴上呼吸面具

2CO2+N2 (2)SO2转化为SO3，产生硫酸酸雾 (3)a b 答案：（1）2CO+2NO 催化剂

作业：同步练习题

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