案例一：化工生产与自然资源利用

新闻背景： 04年4月16日，重庆天原化工总厂液氯罐发生了爆炸。爆炸现场，人们看到一股黄色气体直冲天空并闻到一股强烈的刺激性气味。接着，一些居民中毒（造成7死3伤）；树木变枯黄而死去。事故发生后，有关部门紧急疏散民众；为了防止氯气罐发生更大规模爆炸，消防官兵对3个总容量达十几吨的氯罐实施紧急排放；与此同时，消防队员用水枪向空中喷射稀碱液来消除空气中的氯气……

探究一：为什么要大规模生产氯气？工业上如何大规模生产氯气？

剖析：1．氯气用途相当广泛。主要用于盐酸及漂粉精、次氯酸钠等漂白消毒产品，以及用于制造有机氯农药、聚氯乙烯等合成材料生产等；此外还用于卤水中提炼溴和碘及某些金属或硅的提纯、治炼等。

2．工业生产流程及原理。

（1）工业生产流程（如图）

（2）生产原理：工业上通过氧化还原反应（在电解槽中进行）将化合态的氯（通常为Cl^—）氧化为单质氯。反应可以表示为：

3．原料来源：蒸发海水得到粗盐，将粗盐精制获得精盐；或者将海水经过特殊处理，得到饱和食盐水。

拓展探究：海水的综合利用。

海水蕴涵丰富的资源。海水资源的开发利用包括海水水资源利用、海水化学资源利用以及从海水中获得能量（主要有潮汐能、波能等）等。海水水资源利用包括海水淡化（利用蒸馏法、电渗析法和离子交换法等）和直接利用海水进行循环冷却等；海水化学资源利用主要通过一定的方法从海水中获取有用的化学物质，如海水制盐、海水制取镁、溴等。下图表示工业上对海水化学资源的几项综合利用：

探究二：氯气有哪些典型的性质？

剖析：氯气，黄绿色有刺激性气味的气体，密度比空气大，能溶于水，易液化，有毒。

由于氯原子最外层有7个电子，反应过程中容易得到一个电子还原为Cl ^‑ 。因此，氯气是强氧化剂，性质相当活泼。一定条件下能于金属、非金属、水、碱溶液以及有机物等发生反应。

请同学们思考：氯气的用途与它的哪些性质有关呢？

探究三：氯气泄露事故的处理与预防？

剖析：氯为被人吸入后，迅速附着于呼吸道黏膜。呼吸道黏膜中末梢感受器受刺激，造成局部平滑肌痉挛，再加上黏膜充血、水肿及灼伤，可引起严重的通气障碍甚至死亡。一旦发生氯气泄漏事故，应立即用湿毛巾捂住嘴、鼻，背风快跑到空气新鲜的高处；如果空气中氯气浓度大，可通过往空中喷洒稀碱液来降低或消除空气中的氯含量。人体受氯气中毒，可吸入酒精和乙醚的混合蒸气，作为解毒剂；或者让患者吸入适量的氨气解毒（生成氮气、氯化氢或氯化铵）。

探究四：化工生产和使用氯气过程中有哪些值得注意的问题呢？

剖析：随着化工生产的迅猛发展，化工生产面临严重的安全问题。安全专家认为，有效防止事故发生的前提是对危险做出正确的分析和评价，所以研究危险化学品风险评价对减少化工生产、储存、运输、使用及废物处理等过程所发生的伤亡事故具有重要意义。关于氯气生产与使用等的注意事项：

1．生产注意事项：（1）工业上用立式隔膜电解槽电解饱和食盐水制取氯气和烧碱时，要用石棉绒隔开阴、阳两极；（2）氯碱工业的原料是饱和食盐水，由于粗盐中含有泥沙、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、SO₄^2—杂质，会在碱性溶液中形成沉淀，损坏离子交换膜，所以必须要对粗盐水进行净化。那么，如何除去泥沙？用什么试剂除去Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、SO₄^2—？（3）工业生产过程中，含有氯气的尾气应该如何处理后才能排放？

2．贮存注意事项：

氯气常液化后罐装保存。由于液氯是纯氯气加压后液化所得，储存压力较大，加之氯气的化学活泼性，所以氯气必须用特制的储气罐（一般为特制的钢瓶）高密封装。密封接合口必须内镶嵌特殊的不与氯气直接发生化学作用的惰性金属，而且接合口不能留有水分，封装氯气必须较为干燥。如果发现储气罐有破损、油漆脱落、老化等现象，必须及时予以更换。

3．使用注意事项：

氯气是一种有毒物质，使用时，必须格外小心。使用氯气工厂的厂房结构，应充分利用自然通风条件换气，在环境、气候条件允许下，可采用半敞开式结构；不能采用自然通风的场所，应采用机械通风，但不宜使用循环风。涉及氯气利用的生产，应该定期清除滞留在反应设备和管道内的反应生成物，消除堵塞。

案例二：自然资源开发利用及安全问题

新闻链接：1、新华网记者2日早上从山西省煤矿安全监察局获悉，1日晚上7时许，山西省晋城煤业集团所属寺河煤矿发生瓦斯爆炸事故，已造成23名矿工遇难，另有53人一氧化碳中毒，中毒者正在当地医院接受治疗，除一人中毒严重外，其余人员目前均无生命危险。2、（山西日报）记者日前从山西省发改委获悉，山西省将投资20亿元用于煤层气开发利用。该项目已通过国家发改委正式批复，是亚洲目前规模最大的煤层气开发利用工程。

探究一：何谓“瓦斯”、“煤层气”？它是如何形成的？

剖析：煤层气，俗称煤层瓦斯或瓦斯，又称为煤层甲烷，指自生自储于煤层中的气体。其主要成分是甲烷，同时含有含少量其它气体成分。

当植物体被埋藏后，经过微生物的生物化学作用转化为泥炭(称为泥炭化作用)，泥炭经物理化学作用为主的地质作用，转化为褐煤、烟煤和无烟煤(称为煤化作用)。在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，生成煤的同时也生成了以甲烷为主的气体。

探究二：煤层气、瓦斯为何容易爆炸？

剖析：煤层气的主要成分是甲烷。甲烷的化学式为CH₄，是最简单的烃。它是一种没有颜色、没有气味的气体，密度比空气小，极难溶于水。通常情况下，甲烷的化学性质稳定，不与高锰酸钾等强氧化剂、强酸和强碱反应。但一定条件下，可以燃烧、能发生取代反应；且高温下分解生成碳黑等。

由于甲烷是一种可燃性气体。煤层气进入矿井内巷道，与空气充分混合。如果甲烷的体积分数到达爆炸极限（在空气中的体积分数为4%-16%），遇到明火，将迅速剧烈燃烧。由于剧烈燃烧发生在有限的巷道空间内，短时间内积聚大量的热，使气体的体积迅速膨胀而引发爆炸。

探究三：煤层气、瓦斯的应用

剖析：在长期的地下采煤过程中，煤层气（瓦斯）一直被视为有害气体。因为，在煤炭采掘过程中，煤层气进入矿井内巷道，用火不慎，极易引发爆炸。70年代末，由于能源危机，有关国家开始研究煤层气的利用。处理后的煤气气是一种很清洁的能源，不仅具有燃烧热高、燃烧不产生有害物质等优点，因此被广泛用作民用燃气，也可用于发电或作为其他燃料，还可用作化肥、碳黑和甲醇等化工产品的原料。

拓展：化石燃料的综合利用

煤、石油和天然气（包括煤层气）是当今世界三大化石燃料，它们都是不可再生的能源。它们燃烧都将释放出大量的热，工业上常被用做燃料。将煤、石油等用作燃料，是一种浪费，因为从煤和石油中可以得到大量的基本化工原料。因此，必须对煤和石油等化石燃料进行综合利用。

乙烯、苯都是煤、石油综合处理后的产物，它们都是基本的化工原料。乙烯可发生加成、加聚等反应，被用于制乙醇、聚乙烯塑料（纤维）、涤纶等物质；苯是一种很好的溶剂，在一定条件下可发生取代和加成反应等，常用作溶剂、洗涤剂、合成聚苯乙烯塑料等。

探究四：如何解决煤炭开采中的安全问题？

剖析：1、煤矿瓦斯爆炸的预防。煤层气爆炸是有煤层气燃烧引发的，而可燃物燃烧必须具备两个基本的条件：可燃物与空气接触、温度达到着火点。因此，要预防爆炸，就是要消除煤层气燃烧的两个条件之一；此外，可染性气体在空气中发生爆炸，该气体的体积分数要达到爆炸极限。请同学们根据燃烧的条件以及可燃物爆炸的条件，分析如何采取有效措施预防煤矿瓦斯爆炸？

为防止煤矿中瓦斯二次爆炸，应立即切断通往事故地点的一切电源、恢复通风、扑灭明火等措施。

2、煤矿瓦斯爆炸时的自救措施。一旦不慎发生爆炸事故，立即采取有效措施进行自救。急救的方法是：听到爆炸声后，千万不可惊慌，应迅速背朝爆炸冲击波传来的方向卧倒，脸部朝下，把头放低，尽力屏住呼吸，防止吸入有毒高温气体；若眼前有水，应俯卧或侧卧于水中。迅速用湿毛巾捂住鼻孔迅速辨认方向，按照避灾线路以最快的速度到新鲜风流方向。

3、煤矿采掘的安全原则：我国安全监管局提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”三项措施。“先抽后采”旨在降低井下瓦斯浓度、“监测监控”是指建立和完善井下瓦斯浓度的监测监控手段、“以风定产”是指有多大的通风能力就维持多大的产量规模，防止井下瓦斯积聚。

案例三：化工制品的应用和环境污染

社会话题：塑料制品作为一种新型材料，塑料集金属的坚硬性、木材的轻便性、玻璃的透明性、陶瓷的耐腐蚀性、橡胶的弹性和韧性于一身，且具有质轻、防水、耐用、生产技术成熟、成本低的优点，在全世界被广泛应用且呈逐年增长趋势。然而，大量使用的塑料及其制品，被丢弃在环境中，不仅影响景观，造成“视觉污染”，而且因其难以降解对生态环境造成潜在危害。

探究一：塑料制品的主要成分是什么？如何合成塑料制品？

剖析：塑料是一种用途广泛的合成高分子材料，但塑料有多种多样，不同的塑料其主要成分各不相同，有的是聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯，有的是酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂。而且，为增强塑料的性能，往往其中添加了填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等辅助材料。

工业生产通过聚合反应得到塑料，如通过乙烯、苯乙烯的加聚反应，得到聚乙烯、聚苯乙烯等。反应表示如下：

探究二：塑料制品对环境造成怎样的危害？

剖析：塑料制品造成的污染主要是“白色污染”。“白色污染”主要是指塑料垃圾没有得到妥善管理和处理，对环境造成的污染。“白色污染”主要包括两个方面：

1、“视觉污染”。它指散落在环境中的塑料废弃物对市容、景观的破坏，如散落在自然环境、铁道两旁、江河湖泊的一次性发泡塑料餐具和漫天飞舞或悬挂枝头的超薄塑料袋，给人们的视觉带来不良刺激。

2、“潜在危害”。它指塑料废弃物进入自然环境后难以降解而带来的长期的深层次环境问题，主要包括以下几个方面：（1）塑料地膜废弃物在土壤中大面积残留，长期积累，造成土壤板结，影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产；（2）抛弃在陆地上或水体中的塑料废弃物，被动物当作食物吞食，导致动物死亡；（3）进入生活垃圾中的塑料废弃物质量轻、体积大，很难处理。如果将其填埋会占用大量土地，且长时间难以降解。

拓展探究：化工产品与环境污染

化工产品如塑料、农药、化肥以及合成洗涤剂等给人类的生产与生活带来很大的便利和改善。但如果使用不善，也将给人类、社会带来危害。最为典型的危害之一是造成环境污染。

1、农药的污染：农药本身对人蓄有毒，使用不慎将导致人蓄等中毒。此外，喷施的农药进入水体和土壤，会造成水体和土壤的污染；而且农药包装物危害很大，上面的药物残留极易污染土壤和水源，。而且这些包装物本身不易自然分解，留置田野里能够存在上百年而不消失，长期累积必将祸害于下一代。

2．化肥的污染：化学肥料施于土壤中，被作物吸收的只是其中小部分，大部分在雨水作用下或者渗透到地下，污染地下水，或者随地表径流进入河流、稻田、池塘。地下水目前是农村生活饮用水的主要来源，化学肥料将导致水中硝酸盐、亚硝酸盐含量增加。硝酸盐进入人体后，会转化形成亚硝酸基化合物，引起消化系统的癌症。同样，在这些土壤里生长的农作物也会含有有害成分。此外，化肥的大量使用，也将造成水体富营养化。

3、合成洗涤剂的污染：人们熟知的有洗衣粉、清洗剂、洗发剂、餐具洗涤剂、洗厕所等均属于合成洗涤剂。工业上的清洗使用，洗衣工厂的废水，居民生活上应用产生的生活污水，都含有大量合成洗涤剂，是水源污染的主要来源。洗涤剂的排入到水中，影响了水质，在水体中形成"富营养化"现象，消耗水中溶解氧，影响鱼等水生物的生存等。

探究三：如何解决塑料制品造成的白色污染

剖析：我国防治“白色污染”提出 “以宣传教育为先导，以强化管理为核心，以回收利用为主要手段，以替代产品为补充措施”的原则。具体来说：防治“白色污染”，首先要解决“视觉污染”问题，使市容、景观有明显改善。这主要是靠宣传教育，引导市民形成良好的生活习惯；同时要依法强化管理，促使企业和个入对自己产生的废旧塑料包装物妥善收集、处理。防治“白色污染”，更重要的是解决废旧塑料包装物对生态环境长期的、深层次的危害。这主要是通过制定和实施有利于回收利用的法规和经济政策，对废旧塑料包装物实施全面回收利用；防治“白色污染”，还应加强研究开发符合实际的替代（绿色）包装用品。

请同学们通过查阅资料或者访问因特网，了解目前投入使用的塑料替代品的组成与结构上有什么特点？具有什么性质？为何可用于替代塑料制品而有效避免“白色污染”？

案例四：工业生产和发展循环经济

社会热点：循环经济是一种以资源高效利用和循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源化”为原则，以“低消耗、低排放、高效率”为基本特征，符合可持续发展理念的经济增长模式。随着社会和经济发展以及人类对生存环境日益提高的要求，对钢铁行业提出越来越严格的资源、能源与环保要求。生态环境问题已成为影响钢铁工业发展的根本性问题。因此，发展循环经济是钢铁工业可持续发展的唯一出路。

探究一：工业生产中采用什么原理炼铁的？

剖析：高炉炼铁是目前炼铁采用的主要方法，该方法以铁矿石、焦炭、空气、石灰石等为原料，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳为还原剂，将铁矿石中的铁还原出来。具体反应为：

请同学们通过查阅资料或访问因特网，了解生铁和钢在组成上有什么不同？由于两者组成上的差异，又导致它们在性质和用途上有什么差异？如何将生铁炼制成钢？

拓展探究：金属的冶炼

1、把金属从矿石中提炼出来，这个过程就叫金属的冶炼。该过程的实质为：金属化合物（金属矿物）中的金属离子还原成金属单质。

2、金属冶炼的方法：由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子，还原成金属原子的能力也不同，所以采用不同的冶炼方法。

从金属活动顺序表可知，越活泼的金属，其阳离子的氧化性越弱；反之，越不活泼的金属，其阳离子的氧化性越强。因此，金属的位置越靠后，越容易被还原，用一般的还原方法就能使金属还原；金属的位置越靠前，越难被还原，最活泼的金属只能用最强的还原手段(电解)来还原。具体如下：

（1）热分解法：直接加热金属氧化物分解得到金属。该方法适用于排在金属活动顺序表中后面位置的金属（如Hg、Ag等）。

（2）电解法：电解对应金属的盐或氧化物（熔融）得到金属。该方法适用于排在金属活动顺序表中前面位置、金属活动性很强的钾、钙、钠、铝等活泼金属。

（3）热还原法：采用合适的还原剂（通常为焦炭、一氧化碳、氢气等）、在加热的条件下将金属从其矿物中还原出来。该方法适用于排在金属活动顺序表中中间位置大部分金属（铁、铜等）。

3、从金属矿石中提炼金属一般需经过三个步骤：（1）矿石的采集；（2）冶炼；（3）精炼。

探究二：高炉炼铁（如图所示）仍然是目前工业生产钢铁的主要方法。炼铁过程中，从高炉顶端排放出的气体（简称高炉煤气）中含有一定浓度的一氧化碳，从而影响焦炭的利用率。工业生产中，为什么不进一步增高高炉的高度，促进一氧化碳与铁矿石反应，从而实现节约焦炭的目的？

剖析： 氧化铁和一氧化碳的反应属于可逆反应。在该反应中，正反应（氧化铁    铁）和逆反应（铁    氧化铁）是同时进行的。当正反应和逆反应进行到一定程度时，两者的反应速率相等，此时反应处于平衡状态。在该状态下，反应物和生成物的浓度将保持不变。因此，在这种条件下，即使增加高炉的高度，也无法使CO完全反应，且CO的浓度不会发生改变。

探究三、循环经济“减量化、再利用、资源化”的含义是什么？

剖析：循环经济的“减量化”原则是指在生产和服务过程中，尽可能地减少资源消耗和废弃物的产生，核心是提高资源利用效率；“再利用”原则是指产品多次使用或修复、翻新或再制造后继续使用，尽可能地延长产品的使用周期，防止产品过早地成为垃圾；“资源化”原则是指废弃物最大限度地转化为资源，变废为宝、化害为利，既可减少自然资源的消耗，又可减少污染物的排放。

探究四、钢铁工业如何发展循环经济？

剖析：根据循环经济“减量化、再利用、资源化”的原则，从一个侧面讲，钢铁工业要实现发展循环经济，就是要提高钢铁工业生产中资源的利用率，对生产过程中产生的废弃物进行综合利用，并延伸到废旧物质的回收和再生利用。下面重点介绍钢铁冶炼中高炉煤气和高炉钢渣的利用

1、高炉煤气综合利用：

（1）高炉煤气的产生及其特点：炼铁时，高压鼓风机在高炉底部鼓入大量的风（空气）通过热风炉加热后进入了高炉内。这种热风和焦炭作用产生二氧化碳和一氧化碳，而二氧化碳又和炙热的焦炭作用产生一氧化碳。一氧化碳在上升的过程中，还原了铁矿石中的铁，使之成为生铁。在高炉的上部，有大量温度相当高、压力相当大的炉气。这种炉气就是“高炉煤气”。

同学们，你能分析出该气体的含有哪些主要成分吗？

（2）高炉煤气的综合利用：

①发电：将压力相当大的高炉煤气通过透平发电机，可以实现将高压高炉煤气变成低压高炉煤气，既对钢铁生产和设备没有丝毫影响，又达到了发电和降低噪声的双重目的。利用气体压力差发电，是不用消耗任何燃料的发电方式。据报道，鞍钢高炉煤气余压年发电1.5亿度，创效8000万元。

②提供热能：高炉煤气温度相当高，该热量一方面可以用来加热炼铁中高压鼓风机鼓入大量的风，而且还可以提供给居民冬天取暖等。

③提供燃料。请同学们思考高炉煤气为何可用作燃料？

2、钢铁冶炼中炉渣的综合利用：

（1）钢铁冶炼中炉渣的形成及其主要成分：铁矿石中不仅含有铁的氧化物，同时还有二氧化硅以及含磷、镁、硫以及过渡金属元素的物质，在高温条件下与高炉内发生复杂的变化后，将会形成含硅酸盐、磷酸盐等成分相当复杂的炉渣。

（2）高炉钢渣的综合利用：如果将炉渣堆放在室外不加以综合处理，不仅导致资源浪费，而且造成固体废物污染。目前对炉渣的综合利用主要有：将炉渣处理后，用来做钢渣水泥、玻璃、陶瓷、磷肥等。还有报道利用炉渣提炼二氧化钛等。

思考：

1、有人提出：“化学是一面双刃剑，既能造福人类，又能给人类带来灾难。”通过阅读本文，你是如何理解这句话的含义的？

2、通过阅读本文，你使如何理解化学与可持续发展之间的关系的？