高中化学 第二单元 化学与资源开发利用 2.3 石油、煤和天然气的综合利用学案 新人教版选修2-新人

2.3 石油、煤和天然气的综合利用
探究一石油
问题导引
观察课本中原油分裂及裂化的产品和用途示意图，回忆学过的有关石油的知识，互相交流石油炼制的方法及石油化工产品的主要用途。

并完成下列问题：
(1)石油的分馏产品及主要用途：
提示：
名师精讲
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。

2．石油炼制和加工的主要目的
(1)将石油中烃的混合物进行一定程度的分离，使它们各尽其用，如石油的分馏。

(2)将石油中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，如石油的裂化和裂解。

3．石油的分馏
(1)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，经冷凝液化后分离出来，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，就可以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。

(2)石油分馏的装置。

工业上对石油的分馏既有常压分馏又有减压分馏，往往是常压分馏、减压分馏在一起连续进行。

(如下流程图
)
石油分馏工艺流程示意图
(3)减压分馏的原因、原理及目的。

①减压分馏原因：随着石油中烃分子里含碳原子数的增大，其沸点会逐渐升高；要把它们从混合物中分离出来，就必须再升高温度。

但是，在高温下，高沸点的烃会分解，更严重的还会出现炭化结焦，损坏设备、影响生产。

为了解决这一问题，故采用减压分馏。

②减压分馏原理：利用外界压强对物质沸点的影响。

因为外界压强越大，物质的沸点就越高；外界压强越小，物质的沸点就越低。

通过降低分馏塔内的压强，使重油在较低温度沸腾，这种过程称为减压分馏。

③减压分馏目的：防止炭化结焦，从重油中分离出润滑油、石蜡等成分。

减压分馏的原料是重油。

4．石油的裂化和裂解
(1)直馏汽油和裂化汽油的比较。

得到的重油进行裂化可以获得更多的轻质燃油。

资料1：石蜡是含有20～30个碳原子的烷烃的混合物，常温下呈固态。

资料2：石油催化裂化中通常使用Al2O3作催化剂。

某研究性学习小组在实验室中模拟石油的催化裂化，装置如图。

实验过程中可观察到烧瓶Ⅰ中固体石蜡先熔化，试管Ⅱ中有少量液体凝结，试管Ⅲ中酸性高锰酸钾溶液褪色，实验后闻试管Ⅱ中液体气味，具有汽油的气味。

(1)该装置仪器连接的顺序应遵循的原则为________________，为保证实验成功，实验前必须进行的操作是______________，装置中较长导管的作用是______________；
(2)试管Ⅱ中少量液体凝结说明了________________；
(3)试管Ⅲ中溶液褪色说明了____________________；
(4)能否用试管Ⅱ中的液体萃取溴水中的溴，理由是____________________。

(5)写出二十烷裂化得到癸烷和癸烯的化学方程式____________________。

(6)石油裂化的重要意义是____________________。

解析：仪器连接的顺序应遵循从下往上，从左到右的原则，装入药品之前要检验装置的气密性。

依据石油分馏工业的分馏塔原理，设置了长导管，其作用除导气外，兼起冷凝气体的作用；依据催化裂化原理，下列反应皆有可能发生：
a．C20H42C10H20＋C10H22
b．C10H22C5H12＋C5H10
c．C5H12C2H4＋C3H8
d．C5H12CH4＋C4H8
试管Ⅱ中有液体生成，说明生成5个碳原子数以上的烃，因为常温常压下，5个碳原子数以上的烃多数呈液体，试管Ⅲ中KMnO4溶液褪色说明生成常温常压下呈气态的5个碳原子数以下的烯烃；由于裂化产物中有烯烃生成，易与溴发生加成反应，所以不能用来萃取卤素单质；从以上变化可以看出，石油裂化的主要意义是可提高轻质燃油特别是汽油的产量和质量。

答案：(1)从下往上，从左往右检验装置的气密性导气、冷凝气体
(2)裂化生成了5个碳原子数以上的烃
(3)裂化生成了碳原子数小于5的烯烃
(4)不能，因为裂化产物中有烯烃，易与溴发生加成反应
(5)C20H42C10H22＋C10H20
(6)可提高石油产品中轻质燃油特别是汽油的产量和质量
变式训练1为了提高汽油产量，在石油提炼过程中常采用的化学方法是( )
A．常压分馏 B．催化裂化
C．减压分馏 D．高压分馏
解析：提高汽油产量的化学方法是催化裂化。

答案：B
探究二煤的综合利用
问题导引
煤是人类较早开发利用的化石燃料。

它不仅是重要能源而且能从中制取很多化工原料。

煤的干馏是获取化工原料的主要方法之一。

煤的干馏实验：如下图，将煤粉放入铁管中，隔绝空气加强热。

待玻璃管尖嘴处有气泡时，点燃该气体。

认真记录U形管中的现象，并作出解释。

煤的干馏实验
提示：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，这种气体叫作焦炉气。

反应完毕后，留在铁管中的黑灰色固体物质叫作焦炭。

显然，在上述实验里，煤发生了分解。

名师精讲
1．煤的组成和种类
(1)煤的组成。

煤是由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。

煤除了主要含碳外，还含有少量的氢、氮、硫、氧等元素以及无机矿物质。

(2)煤的种类。

煤可以分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥煤，它们的含碳量不同(见下表)，发热量也不同，一般含碳量高的，发热量也高。

各种煤的含碳量范围
2.
炉煤气
碳
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
煤焦油焦炭
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
碳
冶金、合成氨造气、
电石、燃料
①煤的干馏发生的条件有两个：一是隔绝空气以防止煤燃烧；二是加强热。

②煤的干馏发生了复杂的物理、化学变化。

③碳、煤、炭三者是相互联系的——都含碳元素，又是相互区别的：
碳：化学元素C的名称。

煤：远古时代的植物被埋于土中，经长期复杂变化而形成的固体矿物，叫煤或煤炭。

炭：碳元素单质中的无定形体——木炭、焦炭、炭黑等。

3．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：
2C x H y＋
x O22x CO
＋y H2
煤在氧气中燃
烧：
2C x H y＋
x O22x CO
＋y H2
将中热值气进
行催化合成：
3H2＋
CO CH4
＋H2O
煤＋H2液
体燃料
煤CO和
H2液
体燃料
主要
成分CO、H2、N2CO、H2、CH4CH4芳香烃等
甲醇
(CH3OH)等
目的获得高效清洁燃料
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：分馏是用加热蒸馏、冷凝的方法把液体混合物分成不同沸点范围的产物，无新物质生成，属于物理过程。

煤的干馏是把煤隔绝空气加强热，使煤分解的过程，是化学变化。

答案：D
概念辨析学习过程中，要不断地将相似、易混的概念加以比较。

如煤的干馏与石油的分馏、煤的气化与液化、石油的裂化与裂解、石油的常压分馏与减压分馏等。

变式训练2下图是实验室干馏煤的装置图，回答下列问题：
(1)煤的干馏是指__________________的过程。

(2)仪器a的名称是______，装置d的作用是___________
__________________________。

(3)反应后，U形管c中液体有______和______，其中无机物里溶有______，可用______检验出来。

有机物可以通过______的方法使其中的重要成分分离出来。

(4)反应后b中黑灰色固体的主要成分是______。

(5)e处点燃的气体主要是______，火焰的颜色是______。

解析：煤的干馏需要较高的温度，因此热源应用酒精喷灯。

煤高温下分解产物为气态，要得到产物应进行冷凝，所得混合物可利用其物理性质进行分离提纯。

答案：(1)将煤隔绝空气加强热使其分解
(2)酒精喷灯冷凝
(3)煤焦油粗氨水氨酚酞分馏
(4)焦炭
(5)CH4、H2淡蓝色。