最新人教版高中化学《石油煤和天然气的综合利用》课堂探究 1.docx
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最新人教版高中化学《石油煤和天然气的综合利用》课堂探究1
课堂探究
核心解读
一、石油和天然气
1．石油的成分
组成石油的基本元素是碳、氢（两者的质量分数之和可达97%～98%），同时还含有少量的硫、氧、氮等，它主要是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。
石油的化学成分主要是各种液态的烃，其中还溶有气态和固态的烃。
石油是烃的混合物，因此没有固定的熔沸点，直接使用的价值也不大。
石油炼制和加工的主要目的一方面是将这些混合物进行一定程度的分离，使它们各尽其用；另一方面是将含碳原子多的烃转变成含碳原子较少的烃，以提高石油的利用价值。
2．石油的分馏
（1）石油分馏的目的：
将石油进行一定程度的分离，让它们各尽其用。
（2）石油分馏的原理：
分子中碳原子数不同，烃的沸点就不同。
通常情况下，随着烃分子里碳原子数的增多，烃的沸点也相应升高。
加热石油，沸点低的烃（分子中碳原子数较少）先汽化，经冷凝后分离出来，随着温度的升高，较高沸点的烃再汽化，经过冷凝液化后又分离出来；这样，不断地加热汽化和冷凝液化，就可把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物，这一过程在石油工业中是在分馏塔内进行的，称为石油分馏。
分馏石油得到的各种馏分仍是混合物，石油的分馏属于物理变化，通过分馏而制得的汽油称为直馏汽油。
（3）石油的分馏产品及其主要用途
3．石油的裂化和裂解
（1）石油的裂化
①石油裂化的意义：
通过石油分馏获得的汽油、煤油、柴油等轻质油的产量比较低，仅占石油总产量的25%左右。
但社会需求量大的正是这些轻质油，为了提高轻质油的产量，特别是提高汽油的产量，可以采用裂化的方法从重油中获取轻质油。
②石油裂化的过程：
在加热或使用催化剂并加热的条件下，使相对分子质量较大、沸点较高的烃断裂成相对分子质量小、沸点低的烃的过程就是石油的裂化。
石油的裂化主要是长链烷烃发生分解的过程。
如：
十六烷的裂化反应：
C16H34C8H16＋C8H18。
③直馏汽油和裂化汽油的比较
获得方法
主要化学成分
燃烧质量
鉴别方法
直馏汽油
原油直接分馏，物理变化
含C5～C11的烷烃、环烷烃及少量的芳香烃等，性质稳定
差，爆震性强
能使溴的四氯化碳溶液褪色的是裂化汽油
裂化汽油
重油裂化，化学变化
含有较多的C5～C11的烷烃、烯烃、二烯烃等，性质活泼
好，爆震性弱
（2）石油的裂解
①裂解：
裂解是采用比裂化更高的温度（700～800℃，有时甚至高达1000℃以上），使长链烃断裂成气态短链不饱和烃如乙烯、丙烯等的加工过程。
②裂解的目的：
是为了获得乙烯、丙烯等小分子烯烃，作为有机化工原料。
③裂解的实质：
裂解又叫深度裂化，也是烷烃在一定条件下的分解，裂化和裂解都是化学变化。
裂解是目前生产乙烯的主要方法。
如辛烷裂解的反应有：
C8H18C4H10＋C4H8
C4H10C2H6＋C2H4
C4H10C3H6＋CH4
4．石油的各种炼制方法的比较
石油的炼
制方法
分馏
裂化
石油的裂解
常压
减压
热裂化
催化裂化
原理
用蒸发冷凝的方法把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物
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的烃
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
主要原料
原油
重油
重油
含直链烷烃的石油分馏产品（含石油气）
主要产品
溶剂油、汽油、煤油、柴油、重油
润滑油、凡士林、石蜡、沥青、石油焦
抗震性能好的汽油和甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯等
乙烯、丙烯、丁二烯
5．天然气
（1）天然气的主要成分是甲烷，是一种高效、低耗、污染小的清洁能源。
（2）天然气作为重要的化工燃料
①天然气可以作为合成氨工业所需H2的原料；②天然气制取乙烯；③天然气制取甲醇；④天然气合成液体燃料，替代石油生产清洁汽油、柴油等燃料油。
二、煤的综合利用
煤是人类开发利用较早的化石能源，在2000多年前我国古代就用煤作燃料，目前乃至今后很长一段时间，煤仍将是我国使用的主要能源。
直接烧煤可得到我们所需要的能量，但同时会带来大量的污染物，如碳的氧化物、氮的氧化物、硫的氧化物、烟尘等。
随着科学技术的迅速发展，煤在现代社会生产、生活中得到了广泛的应用，它不仅是重要的能源，而且从煤中还能够制取很多化学产品。
1．煤的种类和组成
（1）煤的种类：
煤
含C量逐渐降低
（2）煤的组成：
主要是C，还含有少量H、N、S、O等元素，以及无机矿物质。
2．煤的干馏
实验：
如下图，将煤粉放入铁管（或瓷管）中，隔绝空气加强热。
待玻璃管尖嘴处有气体逸出时，点燃该气体。
煤的干馏实验
煤粉受到强热后，有气体生成。
这些气体经过冷却，一部分在U形管中凝结，并分为两层，上层为澄清、透明的水溶液，下层为黑褐色黏稠的油状物——煤焦油。
另一部分没有凝结的气体可以点燃，这种气体叫做焦炉气。
反应完毕后，留在铁管中的黑灰色固体物质叫做焦炭。
显然，在上述实验里，煤发生了分解。
这种将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，叫做煤的干馏，也叫煤的焦化。
3．煤干馏的主要产品和用途
干馏产品
主要成分
主要用途
炉
煤
气
焦炉气
氢气、甲烷、乙烯、
一氧化碳
气体燃料、化工原料
粗氨水
氨、铵盐
氮肥
粗苯
苯、甲苯、二甲苯
炸药、染料、医药、农药、
合成材料
煤焦油
苯、甲苯、二甲苯
酚类、萘
染料、医药、农药、合成材料
沥青
筑路材料、制碳素电极
焦炭
碳
冶金、合成氨造气、电石、燃料
4．煤的气化与液化
煤的气化
煤的液化
产品
低热值气
中热值气
高热值气
直接液化产品
间接液化产品
原理
煤在空气中燃烧2CxHy＋xO22xCO＋yH2
煤在氧气中燃烧2CxHy＋xO22xCO＋yH2
将中热值气进行催化合成3H2＋COCH4＋H2O
煤＋H2液体燃料
煤CO和H2液体燃料
主要
成分
CO、H2、N2
CO、H2、CH4
CH4
芳香烃等
甲醇（CH3OH）等
目的
获得高效清洁燃料
三、煤化工和天然气化工的发展——一碳化学
一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。
（1）煤气化的主要反应
2C＋O2＝＝＝2CO
C＋H2O＝＝＝CO＋H2
CO＋H2O＝＝＝CO2＋H2
（2）高温条件，天然气重整：
CH4＋H2O＝＝＝CO＋3H2，由CO加氢合成一系列化合物的化学称合成气化学，由甲烷直接合成的称甲烷化学；由甲醇为原料合成一系列下游产品的为甲醇化学。
【自主思考】理解煤的干馏这一概念，要注意什么问题？
①隔绝空气：
这是煤干馏的先决条件，否则，强热条件下煤会燃烧生成CO2和H2O等物质；
②煤的干馏是化学变化：
煤在干馏过程中生成了许多新的物质，如苯、萘、蒽等，发生的是化学变化，是分解反应；
③煤中不含苯、萘、蒽等物质，煤是由有机物和无机物组成的复杂混合物，苯、萘、蒽等物质是煤分解的产物煤焦油中含有的，这一点一定要注意。
典题精讲
知识点1：
石油的炼制和石油化工
【例题1】将下图所列仪器组装为一套实验室蒸馏石油的装置，并进行蒸馏，得到汽油和煤油。
（三）
（一）
（五）
（二）
（六）
（四）
（1）图中A、B、C三种仪器的名称是________。
（2）将以上仪器用字母a，b，c…表示连接顺序：
e接（ ），（ ）接（ ）、（ ），（ ）接（ ），（ ）接（ ）。
（3）A仪器中c口是______，d口是______（填“进水口”或“出水口”）。
（4）蒸馏时，温度计水银球应在______位置。
（5）在B中注入原油后，加几片碎瓷片的目的是______________________________。
（6）给B加热，收集到沸点60℃～150℃间的馏分是______，收集到150℃～300℃间的馏分是______。
命题立意：
对于石油的分馏装置除了注意以上的问题外，还要注意掌握实验所需要仪器以及中学实验中常见涉及碎瓷片、温度计的实验。
解析：
实验装置的组装应本着“由下往上、从左向右”的原则进行，注意检查装置的气密性、冷凝管的水流方向是低进高出、温度计水银球应位于蒸馏烧瓶支管出口处。
沸点较低的馏分汽油先汽化，然后是煤油。
石油的分馏装置为：
答案：
（1）冷凝管、蒸馏烧瓶、锥形瓶
（2）i h a k b f g m
（3）进水口 出水口
（4）蒸馏烧瓶支管口
（5）防止暴沸
（6）汽油 煤油
几点说明：
（1）石油的分馏是物理变化。
（2）获得的不同沸点范围的馏分——汽油、煤油，仍都是多种烃的混合物。
（3）温度计水银球的位置，与蒸馏烧瓶支管口的下端持平。
温度计要测量馏出蒸气的温度，以收集不同沸点范围的馏分，这与实验室制乙烯装置不同，制乙烯时要测量的是反应混合物的温度，所以温度计的水银球要插到液面以下。
（4）冷凝器中水的进出方向应该是：
下口进，上口出，这样可以保证冷凝器中始终充满水，以防冷凝器破裂。
冷凝器的另一种常见放置方法如右图所示，其目的是使反应物蒸气冷凝回流，同时又能导出生成物的气体。
（5）接收冷凝液的容器应该用小口容器（如锥形瓶），以减少冷凝液的挥发。
（6）蒸馏是分离沸点不同液体混合物的方法，也是分离液体和可溶性固体（如制取蒸馏水）的方法。
知识点2：
煤的综合利用
【例题2】煤的干馏和石油的分馏，两种变化在本质上的差别是（ ）
A．加热的温度不同
B．得到的产品不同
C．前者要隔绝空气，后者不必
D．干馏是化学变化，分馏是物理变化
解析：
分馏：
用加热蒸馏、冷凝的方法把液体混合物分成不同沸点范围的产物，里面无新物质生成，属于物理过程。
煤的干馏是指把煤隔绝空气加强热，使煤分解的过程，是化学变化。
答案：
D
煤的综合利用方法，如下表：
原理
产物
加工目的
干馏
煤隔绝空气加强热使其分解为低级烃
焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水和粗苯等
获得用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等的化工原料
气化
把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程
CO、H2、CH4等可燃性气体
把煤变成清洁能源，提高煤的燃烧效率
液化
把煤转化成液体燃料的过程
甲醇、汽油等液体燃料
知识点3：
天然气的综合利用
【例题3】国家已规划建设从新疆至上海的天然气管道干线，实施“西气东输”。
（1）天然气的主要成分是______，它是由动、植物残体在隔绝空气的情况下，经______________形成的。
（2）天然气既是高效能源，也可作基本化工原料，生产乙炔、氢气、氯甲烷、甲醇、甲醛等化工产品，请写出天然气的主要成分经隔绝空气、高温反应生成乙炔和炭黑的化学方程式：
________________________________________________________________________。
（3）到2005年，我国许多地区都将用“西气东输”的天然气，家用燃具的喷嘴都需要改造。
试通过计算说明，同样燃烧1m3的水煤气（主要成分是CO和H2）和天然气，所需的氧气哪个多？
解析：
天然气的主要成分是甲烷，它是由动、植物残体在隔绝空气的情况下，经高温发酵后分解所得的。
甲烷隔绝空气后，反应物是唯一的，产物也告诉了我们，那么将方程配平后即得化学方程式。
CO和H2每1mol消耗的氧气是0.5mol，而1mol甲烷则需消耗2mol氧气，所以进气口需要扩大。
答案：
（1）甲烷 高温发酵后分解
（2）CH4高温,
（3）天然气所需的氧气多
天然气：
CH4，水煤气：
CO＋H2。
焦炉气：
H2、CH4、C2H4、CO等，煤的干馏产物。
高炉煤气：
炼铁余气CO、CO2、N2、O2及矿尘。
裂解气：
裂解石油得到的气态烃，C2H4和C3H6、C4H8、CH4、C2H6等，石油化工的原料。
液化石油气：
丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等。
管道煤气：
CH4（高热值气的主要成分）。
炼厂气：
石油炼制时的副产品，主要为气态烃的混合物，C4H8、C3H6、C2H4等。
石油气：
天然气、炼厂气、油田气的总称。
典题精讲
1实验室制乙烯和石油分馏实验，相同之处是（ ）
A．都需要加浓硫酸
B．都需加沸石或碎瓷片
C．都需要冷凝器
D．温度计水银球都要插入溶液中
解析：
对两套实验装置需详细了解。
制乙烯不需冷凝器，石油的分馏实验不能把温度计水银球插入反应混合物中，而是在蒸馏烧瓶支管口附近。
答案：
B
2下列说法正确的是（ ）
A．煤、石油、天然气是当今世界上最重要的三大矿物燃料，是取之不尽的
B．煤是由无机物和有机物所组成的复杂混合物，主要含有碳和氢两种元素
C．石油主要含有碳和氢两种元素，同时还含有少量的硫、氧、氮等元素
D．煤和石油都是由古代植物遗体埋在地层下或在地壳中经过一系列非常复杂的变化而形成的
解析：
煤、石油、天然气三大矿物燃料在地球上的蕴藏量是有限的，不是取之不尽的，A错；煤主要含有碳元素，而不是碳和氢两种元素，B错；C正确；石油是由古代动植物遗体在地壳中经过非常复杂的变化形成的，D不确切。
答案：
C
3最近我国将新疆的天然气引至上海，对于改善上海能源状况有着极其重要的意义。
关于天然气的下列叙述中不正确的是（ ）
A．天然气和沼气的主要成分都是甲烷
B．改液化石油气为天然气作燃料，燃烧时应减小进空气量或增大进天然气量
C．天然气燃烧的废气中，SO2等污染物的含量少
D．天然气与空气混合点燃，不会发生爆炸
解析：
天然气的主要成分为甲烷，它是烃中氢元素含量最高的，因此也是消耗氧气量最大的烃；液化石油气是一系列烯和烷烃的混合物。
将液化石油气改为天然气燃料后，耗氧量肯定增大，所以燃烧时应增大空气进气量。
天然气是动植物残骸分解产物，其中必有蛋白质降解产生的硫化物，但其含量与煤及液化石油气相比，还是要少得多。
可燃气体达到爆炸极限后都可以爆炸。
答案：
BD
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