2025年上學(xué)期高一化學(xué)專題突破（化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展）一、自然資源的開發(fā)利用：從金屬冶煉到能源革新金屬礦物的冶煉技術(shù)是化學(xué)推動資源轉(zhuǎn)化的典型范例。根據(jù)金屬活動性順序的差異，工業(yè)上采用電解法、熱還原法和熱分解法等不同工藝。以鋁的冶煉為例，電解熔融氧化鋁時加入冰晶石降低熔點，陽極生成氧氣并與石墨電極反應(yīng)生成CO?，這一過程不僅需要消耗大量電能（每生產(chǎn)1噸鋁耗電約13000千瓦時），還面臨著溫室氣體排放的挑戰(zhàn)。相比之下，鋁的回收利用僅需原生產(chǎn)能耗的5%，且可減少90%以上的污染物排放，這體現(xiàn)了資源循環(huán)利用對可持續(xù)發(fā)展的重要意義。在鐵的冶煉中，高爐煉鐵通過CO還原氧化鐵生成生鐵，而現(xiàn)代煉鋼則采用純氧頂吹轉(zhuǎn)爐，將生鐵中的碳含量從4%降至0.03%-2%，同時去除硫、磷等雜質(zhì)。我國鋼鐵工業(yè)通過引入高爐煤氣回收發(fā)電技術(shù)，噸鋼能耗已從2000年的1200千克標準煤降至2025年的580千克，資源利用效率的提升顯著降低了環(huán)境負荷。海水資源的綜合利用展現(xiàn)了化學(xué)技術(shù)對淡水資源短缺問題的解決方案。蒸餾法通過加熱使海水汽化再冷凝，雖能耗較高（生產(chǎn)1噸淡水需耗電8-10千瓦時），但技術(shù)成熟可靠；膜分離技術(shù)中的反滲透法，利用半透膜在壓力差（通常5-10兆帕）作用下截留鹽分，能耗已降至3-5千瓦時/噸，成為沿海地區(qū)主要的海水淡化手段。海水提溴工藝則通過"氧化-吹出-吸收"三步法實現(xiàn)：先用氯氣將海水中的Br?氧化為Br?，再用空氣將Br?吹出并通入SO?水溶液吸收生成HBr，最后再次氧化得到高純度液溴，每立方米海水可提取約0.14千克溴單質(zhì)。海帶提碘實驗中，學(xué)生通過灼燒、溶解、過濾、氧化（Cl?或H?O?）、萃?。ㄋ穆然迹┑炔襟E，能直觀理解從自然資源中提取有用物質(zhì)的化學(xué)原理，培養(yǎng)實驗操作與物質(zhì)分離能力?；剂系那鍧嵒檬悄茉崔D(zhuǎn)型的關(guān)鍵。煤的干餾在隔絕空氣條件下加熱至1000℃，可獲得焦炭（用于煉鐵）、煤焦油（提取苯、甲苯等芳香烴）和焦爐煤氣（含H?、CH?等燃料氣）；氣化過程則將煤與水蒸氣在高溫下反應(yīng)生成CO和H?的混合氣（水煤氣），進一步合成甲醇或通過燃料電池發(fā)電。石油煉制中的分餾利用各組分沸點差異（如汽油60-220℃、柴油200-350℃）分離出不同產(chǎn)品，而催化裂化通過分子篩催化劑將重質(zhì)油斷裂為輕質(zhì)汽油組分，提高燃油產(chǎn)量。天然氣作為相對清潔的化石燃料，其主要成分甲烷可通過蒸汽重整（CH?+H?O→CO+3H?）制備合成氣，進而生產(chǎn)氨、甲醇等化工原料。值得注意的是，我國每千瓦時火電煤耗已從2010年的333克標準煤降至2025年的280克，但與國際先進水平（250克）仍有差距，這要求持續(xù)推進燃燒技術(shù)優(yōu)化與碳捕集利用（CCUS）技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。二、化學(xué)品的合理使用：平衡效益與風(fēng)險化肥與農(nóng)藥的科學(xué)施用是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。氮肥中的尿素[CO(NH?)?]含氮量高達46.7%，通過脲酶水解為NH??被植物吸收，但過量施用會導(dǎo)致土壤酸化（pH值降低0.5-1.0）和水體富營養(yǎng)化。磷肥生產(chǎn)以磷礦石[Ca?(PO?)?]為原料，通過與濃硫酸反應(yīng)生成過磷酸鈣[Ca(H?PO?)?+CaSO?]，可提高磷的水溶性；鉀肥則主要利用氯化鉀（KCl）和硫酸鉀（K?SO?），需根據(jù)作物類型選擇（如煙草忌氯需用硫酸鉀）。農(nóng)藥發(fā)展經(jīng)歷了從有機氯（如DDT，因生物富集性已禁用）到有機磷（如敵敵畏）再到生物農(nóng)藥（如蘇云金桿菌Bt蛋白）的歷程，現(xiàn)代農(nóng)藥強調(diào)高效低毒，如擬除蟲菊酯類殺蟲劑對害蟲毒性是哺乳動物的1/1000，且在環(huán)境中半衰期小于10天。學(xué)生通過設(shè)計"不同濃度生長素類似物對插條生根的影響"實驗，能理解化學(xué)品劑量與效應(yīng)的關(guān)系，建立科學(xué)施用觀念。藥物的合理使用關(guān)乎人體健康與資源節(jié)約?？顾崴幫ㄟ^中和胃酸（主要成分為HCl）緩解胃痛，如氫氧化鋁[Al(OH)?+3HCl=AlCl?+3H?O]、碳酸氫鈉[NaHCO?+HCl=NaCl+CO?↑+H?O]，但鋁制劑可能導(dǎo)致便秘，鈉制劑則不適用于高血壓患者?？股厝缜嗝顾赝ㄟ^抑制細菌細胞壁合成發(fā)揮作用，但其濫用導(dǎo)致耐藥菌出現(xiàn)，我國住院患者抗生素使用率已從2010年的68%降至2025年的35%，逐步接近國際合理水平（30%以下）。非處方藥（OTC）如阿司匹林（乙酰水楊酸）具有解熱鎮(zhèn)痛作用，但長期大量服用可能引發(fā)胃黏膜損傷。學(xué)生通過"抗酸藥成分檢測"實驗（如用鹽酸滴定測定中和能力），結(jié)合pH傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程，可深化對藥物作用機理的理解，培養(yǎng)科學(xué)用藥意識。食品添加劑的功能與安全控制體現(xiàn)了化學(xué)對生活品質(zhì)的提升。防腐劑如苯甲酸鈉（C?H?COONa）通過抑制微生物細胞呼吸酶系統(tǒng)，在pH<4.5時效果最佳，最大使用量為0.1g/kg（以碳酸飲料為例）；抗氧化劑如維生素C（VC）能清除自由基，在肉制品中添加0.02%即可延長保質(zhì)期3-5倍。膨松劑碳酸氫鈉在加熱時分解產(chǎn)生CO?（2NaHCO?△Na?CO?+CO?↑+H?O），使饅頭、餅干等食品形成多孔結(jié)構(gòu)；而復(fù)合膨松劑（如小蘇打+明礬）則通過酸堿反應(yīng)（Al3?+3HCO??=Al(OH)?↓+3CO?↑）提高產(chǎn)氣效率。我國《食品添加劑使用標準》（GB2760-2024）嚴格規(guī)定了2300余種添加劑的使用范圍和限量，如亞硝酸鈉在肉制品中最大使用量為0.15g/kg，且殘留量不得超過30mg/kg，通過"食品中亞硝酸鹽的比色法檢測"實驗，學(xué)生可掌握分光光度法原理，理解食品安全檢測的化學(xué)方法。三、環(huán)境保護與綠色化學(xué)：從末端治理到源頭預(yù)防大氣污染治理需要化學(xué)技術(shù)與工程手段的協(xié)同。酸雨形成源于SO?和NO?的排放，SO?在空氣中經(jīng)催化氧化（主要催化劑為飄塵中的Fe?O?、MnO?）生成SO?，再與水結(jié)合形成H?SO?（pH<5.6）；NO?則來自汽車尾氣（N?+O?高溫2NO，2NO+O?=2NO?）和工業(yè)排放，可引發(fā)光化學(xué)煙霧。脫硫技術(shù)中，石灰石-石膏法通過CaCO?+SO?=CaSO?+CO?，2CaSO?+O?=2CaSO?（石膏），脫硫效率達95%以上；脫硝則采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，在催化劑（如V?O?-WO?/TiO?）作用下，用NH?將NO?還原為N?（4NH?+6NO催化劑5N?+6H?O）。汽車尾氣凈化裝置通過三元催化劑（Pt、Rh、Pd）實現(xiàn)：2CO+2NO催化劑2CO?+N?，C?H?+(x+y/4)O?→xCO?+y/2H?O，使污染物轉(zhuǎn)化率超過90%，這些技術(shù)的應(yīng)用使我國酸雨發(fā)生率從2005年的30%降至2025年的8%。水污染控制與治理依賴于化學(xué)分離與轉(zhuǎn)化原理。物理法中的吸附法利用活性炭多孔結(jié)構(gòu)（比表面積500-1500m2/g）吸附有機物；化學(xué)法通過混凝沉淀（如Al?(SO?)?水解生成Al(OH)?膠體吸附懸浮物）、氧化還原（如用ClO?去除水中酚類）、中和法（酸性廢水用CaO中和）處理不同污染物。生物處理技術(shù)則利用微生物代謝分解有機物，如活性污泥法中好氧菌將有機物氧化為CO?和H?O，COD（化學(xué)需氧量）去除率可達85%-95%。學(xué)生設(shè)計"模擬污水處理"實驗時，可通過調(diào)節(jié)pH、加入絮凝劑、過濾等步驟，將濁度從100NTU降至5NTU以下，直觀體驗污水處理過程。對于重金屬污染（如Hg2?、Cr??），常用螯合沉淀法（加入EDTA）或離子交換樹脂吸附，使處理后水中重金屬濃度低于0.01mg/L，達到飲用水標準。綠色化學(xué)理念的核心是從源頭減少污染。原子經(jīng)濟性概念由美國化學(xué)家Trost提出，計算公式為"目標產(chǎn)物分子量/所有產(chǎn)物總分子量×100%"，理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)是反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物（原子利用率100%）。例如，環(huán)氧乙烷傳統(tǒng)生產(chǎn)采用氯乙醇法（ClCH?CH?OH+Ca(OH)?→C?H?O+CaCl?+H?O），原子利用率僅25%；而現(xiàn)代催化氧化法（2C?H?+O?催化劑2C?H?O）原子利用率達100%，且避免了氯化鈣廢渣的產(chǎn)生。催化劑的應(yīng)用能降低反應(yīng)活化能、提高選擇性，如Ziegler-Natta催化劑使乙烯聚合反應(yīng)條件從高壓（100-300MPa）降至常壓，能耗降低70%。超臨界CO?萃取技術(shù)利用CO?在臨界狀態(tài)（31.1℃、7.38MPa）下的強溶解能力，替代有機溶劑提取天然產(chǎn)物，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。學(xué)生通過計算"乙烯制備環(huán)氧乙烷的原子利用率"、設(shè)計"綠色合成阿司匹林"方案（用乙酸酐替代乙酰氯，減少HCl排放）等活動，可深化對綠色化學(xué)原則的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。固廢資源化體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟的核心思想。垃圾分類中的可回收物通過物理方法（如磁選分離鐵、渦流分選鋁）和化學(xué)方法（如塑料裂解制燃料油）實現(xiàn)再生利用，我國2025年廢紙回收率已達65%，再生紙生產(chǎn)可節(jié)約木材30%、節(jié)水50%。廚余垃圾通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣（主要成分為CH?55%-65%、CO?30%-40%），每噸廚余垃圾可產(chǎn)沼氣100-150立方米，發(fā)電200-300千瓦時；焚燒發(fā)電則利用垃圾燃燒熱量產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動渦輪機，我國垃圾焚燒發(fā)電效率已從2015年的15%提升至2025年的28%，接近燃煤電廠水平。電子廢棄物中的貴金屬回收采用"破碎-分選-浸出"工藝，如用王水溶解金（Au+HNO?+4HCl=H[AuCl?]+NO↑+2H?O），再通過電解沉積獲得純金，回收率可達95%以上，這不僅減少資源浪費，還降低了重金屬污染風(fēng)險。通過本專題的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠系統(tǒng)理解化學(xué)在資源開發(fā)、化學(xué)品應(yīng)用