8.1 自然资源的开发利用（第3课时 煤、石油和天然气的综合利用）（解析版）-2022-2023学年高一化学同步素养目标精品讲义（人教版2019必修第二册）

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第八章 第一节 化学与可持续发展
第3课时 煤、石油和天然气的综合利用
【学习目标】
1．以煤、石油、天然气等的开发利用为例，了解依据物质性质及其变化综合利用资源和能源的方法。
2．结合石油化工等实例了解化学在生产中的具体应用，认识化学工业在国民经济发展中的重要地位。
【素养目标】
1．通过对煤、石油、天然气的综合利用学习，认识化学对人类文明的伟大贡献。培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。
2．通过运用所学的化学知识与方法解决煤、石油、天然气等综合利用中简单的化学问题。培养学生“科学探究与创新意识”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：煤的组成及其综合利用
1．煤的组成
2．煤的综合利用
【点拨】煤的干馏、气化和液化属于化学变化。
典例1．有关煤的叙述中正确的是(　　)
A．煤在空气中加强热可得焦炭，煤焦油，粗苯，粗氨水和焦炉气
B．煤是由有机物和少量无机物组成的复杂的混合物，内含煤焦油等成分
C．煤的气化主要反应是C(s)+H2O(g) ===CO(g)+H2(g)
D．推广使用煤液化和气化技术，可减少二氧化碳等温室气体的排放
【答案】C
【解析】A. 将煤在隔绝空气时加强热，使它发生发生分解反应，可得焦炭，煤焦油，粗苯，粗氨水和焦炉气，选项A错误；B. 煤是由多种有机物和无机物组成的复杂的混合物，煤干馏后得到的煤焦油，原物质中不含煤焦油，选项B错误；C. 煤的气化主要是使煤与水蒸气在高温下发生反应，C(s)+H2O(g) === CO(g) + H2(g)，产生氢气和CO气体，选项C正确；D. 推广使用煤液化和气化技术，可减少二氧化硫等有害气体的排放，选项D错误。故合理选项是C。
典例2．我国在“煤变油”技术上已取得了重大突破，达到5吨煤可以合成1吨成品油的水平。下列有关叙述错误的是(　　)
A．煤的组成元素主要是C，还含有少量的H、N、S、O等元素
B．“煤变油”的方法之一是使煤与H2作用生成液态有机物
C．煤之所以能变“油”，是因为煤中含有大量的汽油、柴油和煤焦油
D．煤变成成品油需要经过一系列工艺流程，发生复杂的物理、化学变化才能实现
【答案】C
【解析】本题考查煤的组成及综合利用。煤之所以能变“油”，是通过煤的液化将煤中的有机物转化为可燃性液体燃油，并不是因为煤中含有汽油、柴油和煤焦油。
典例3．下列说法不正确的是(　　)
A．煤的干馏为化学变化
B．煤的气化和液化是物理变化，是三态间的变化
C．以煤为主要原料,可以合成甲醇
D．煤干馏得到的焦炉气可以与溴水反应而褪色
【答案】B
【解析】煤的气化是把煤中的有机物转化成可燃性气体，主要原理是其中的碳元素与H2O(g)反应：C(s)+ H2O(g) CO(g)+H2(g)； 煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程，如将煤与氢气在一定条件下作用生成液体燃料，也发生了化学变化，故煤的气化和液化不仅是状态上发生了变化，而且发生了化学变化；煤干馏得到的焦炉气主要成分为氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳，因含有乙烯故能使溴水褪色。
知识点二：石油的组成和综合利用
1．组成：石油是由多种碳氢化合物组成的混合物。
2．综合利用
(1)分馏
①定义：利用石油中各组分沸点的不同进行分离的过程叫做石油的分馏。
②石油经分馏后可以获得汽油、煤油、柴油等含碳原子少的轻质油，但其产量难以满足社会需求，而含碳原子多的重油却供大于求。
(2)催化裂化
①目的：将重油裂化为汽油等物质。
②例如：C16H34C8H18＋C8H16
(3)裂解
①目的：得到乙烯、丙烯、甲烷等重要的基本化工原料。
②例如：C8H18C4H10＋C4H8
C4H10CH4＋C3H6
C4H10C2H6＋C2H4。
(4)催化重整：石油在加热和催化剂的作用下，可以通过结构调整，使链状烃转化为环状烃。
【点拨】石油的分馏为物理变化，石油的裂化、裂解、催化重整均为化学变化。
典例4．下列有关石油的炼制工艺中，属于获得汽油的主要途径的是(　　)
A．裂化 B．裂解 C．常压分馏 D．减压分馏
【答案】A
【解析】石油的催化裂化的目的是获得轻质油，提高汽油、煤油和柴油等轻质油的质量和产量，属于获得
汽油的主要途径，裂解是采取比裂化更高的温度，使石油分馏产物中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短链烃
的过程，答案选A。
典例5．下列关于石油及石油炼制的叙述中，错误的是(　　)
A．通过石油的催化裂化和裂解可以得到较多的轻质油和气态稀烃
B．含C20以上烷烃的重油经减压分馏可以得到煤油和柴油
C．裂化汽油不能用于萃取溴水，催化重整可得芳香烃
D．石油分馏是物理变化，分馏得到的各馏分仍是多种烃的混合物
【答案】B
【解析】A.石油的催化裂化的目的是获得轻质油，提高轻质油特别是汽油的产量和质量；而裂解的目的是获得气态短链不饱和烃，提高烯烃特别是乙烯的产量，选项A正确；B. 煤油和柴油是石油的常压分馏产物，含C20以上烷烃的重油经减压分馏可以得到润滑油、石蜡油等，选项B错误；C. 裂化汽油中含烯烃，能和溴发生加成反应，所以不能用于萃取溴水中的溴，催化重整可得芳香烃，选项C正确；D. 石油分馏得到的馏分仍然是多种物质的混合物，没有固定的熔沸点，选项D正确；故合理选项是B。
典例6．下列说法不正确的是(　　)
A．石油的裂解可以提高汽油等轻质油的质量和产量
B．在一定条件下煤和氢气作用得到液体燃料的过程是煤的液化途径之一
C．石油气通入溴水中不能使溴水褪色
D．煤焦油经过分馏可以获得苯
【答案】A
【解析】A、石油裂化是提高轻质液体燃料特别是汽油的产量和质量，裂解的目的是为了提高乙烯的产量，故A错误； B、煤的液化是将煤在氢气和催化剂作用下通过加氢裂化转变为液体燃料的过程，故B正确；C、石油气中没有不饱和烃，通入溴水中不能使溴水褪色，故C正确；D、煤焦油中含有苯等芳香烃，经过分馏可以获得苯，故D正确；故选A。
【归纳比较】 化学中“两裂”的比较
名称 定义 目的
裂化 在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃 提高轻质油的产量，特别是提高汽油的产量
裂解 在高温下，使具有长链分子的烃断裂成各种短链的气态烃和少量液态烃 获得短链不饱和烃
“三馏”比较
干馏 蒸馏 分馏
原理 隔绝空气加强热使物质分解 根据液态混合物中各组分沸点不同进行分离 与蒸馏原理相同
产物 产物为混合物 产物为单一组分的纯净物 产物为沸点不同的各组分组成的混合物
反应类型 化学变化 物理变化 物理变化
【点拨】减压可以降低物质的沸点，石油的减压蒸馏可以在较低温度下，使重油、柴油等常压蒸馏产品继续分离，可得到燃料油、润滑油、石蜡等石油产品。
知识点三：天然气的组成和利用
典例7．SO2是常见的大气污染物之一，我国规定空气中SO2含量不得超过0.02 mg·L 1。下列措施中能够减少SO2排放量且合理的是(　　)
①用天然气代替煤炭作民用燃料　②提高热能利用率　③使用CS2萃取煤炭中的硫　④燃煤中加入石灰后使用
A．全部 B．①②④
C．①②③ D．①③④
【答案】B
【解析】①天然气含硫量很低，用天然气代替煤炭作民用燃料能够减少SO2排放量，①项正确；②提高热能利用率，减少煤炭的使用量，能够减少SO2排放量，②项正确；③煤炭中的硫元素是化合态，不是单质硫，不能用CS2萃取煤炭中的硫，③项错误；④燃煤中加入石灰，煤燃烧过程中发生反应：2SO2+O2+ 2CaO ===2CaSO4，CaSO4是熔点较高的固体，所以燃煤中加入石灰后使用，能够减少SO2排放量，④项正确；答案选B。
【归纳比较】 化学“六气”的主要成分
高炉煤气 水煤气 天然气 液化石油气 焦炉气 裂解气
主要成分 CO、CO2、N2 H2、CO CH4 C3H8、C4H10 H2、CH4、C2H4、CO C2H4、C3H6、C4H8、CH4
知识点四：以煤、石油、天然气为原料生产合成材料
1．三大合成材料：塑料、合成橡胶、合成纤维，这三大合成材料，是以煤、石油和天然气为原料生产的。
①乙烯制聚乙烯：nCH2===CH2CH2—CH2。
②丙烯制聚丙烯：。
2．随着合成材料的大量生产和使用，急剧增加的废弃物对人类社会造成巨大的环境压力。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
【跟踪练习】 基础过关
下列说法不正确的是(　　)
A．煤的干馏和石油分馏都是物理变化
B．石油主要是由多种烃组成的混合物
C．石油分馏得到的汽油是混合物
D．石油主要含有碳、氢两种元素
【答案】A
【解析】A.煤的干馏是化学变化，石油分馏都是物理变化，故A错误；B.石油主要是由各种烷烃、环烷烃、芳香烃组成的混合物，故B正确；C.石油分馏得到的各种馏分是沸点在一定范围内的混合物，汽油是一种馏分，也是混合物，故C正确；D.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，故D正确；本题答案为A。
下列变化属于物理变化的是(　　)
A．用石油分馏炼制汽油 B．用煤干馏制备焦炭
C．用铝土矿冶炼铝 D．用海带提取碘单质
【答案】A
【解析】化学变化是指有新物质生成的变化，物理变化是指没有新物质生成的变化，化学变化和物理变化的本质区别是否有新物质生成，据此分析判断。A．石油分馏得到汽油，利用液态物质沸点不同的原理，将石油中的碳氢化合物予以分离，属于物理变化，A正确；B．煤通过干馏获得焦炭等重要化工原料，有新物质生成，属于化学变化，B错误；C．用铝土矿冶炼铝，在高温条件下，铝粉把某些金属氧化物中的金属置换出来的反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；D．用海带提取碘单质，有新物质碘单质生成，属于化学变化，D错误；故合理选项是A。
下列说法错误的是(　　)
A．石油中含有C5～C11的烷烃，可以通过石油的分馏得到汽油
B．含C18以上烷烃的重油经过催化裂化可以得到汽油
C．煤是由有机物和无机物组成的复杂的混合物
D．煤中含有苯和甲苯，可以用先干馏后分馏的方法把它们分离出来
【答案】D
【解析】汽油是C5～C11的烷烃，可以通过石油的分馏得到，也可由C18以上的烷烃经过裂化反应得到，A、B正确；煤是由有机物和无机物所组成的复杂混合物，其干馏产物中有苯和甲苯等，故C正确，D错误。
下图是实验室模拟煤的干馏的实验装置。下列叙述错误的是(　　)
A．上图实验中发生了化学变化
B．液体X的pH＞7，液体Y是黑色黏稠状的煤焦油
C．气体Z易燃，可还原CuO，也可使溴水褪色
D．液体Y是一种纯净物
【答案】D
【解析】煤的干馏产物有NH3，易溶于水而呈碱性，pH>7，同时还生成了煤焦油，它的主要化学成分为芳香族化合物，是难溶于水的黏稠液体。煤干馏的气体产物中的氢气、一氧化碳具有还原性，可以还原CuO，气体产物中的C2H4可使溴水褪色。
5．“煤制油”的关键技术是煤的气化，而目前煤的气化主要是煤中的碳和水蒸气的反应：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)，该反应是吸热反应，反应所需能量是由间歇进行的碳的燃烧(氧气用空气代替)来提供的：C+O2CO2，下面关于该过程的说法不正确的是(　　)
A．煤的气化可以减少煤直接燃烧对环境造成的粉尘污染
B．第一个反应需要吸热，所以煤的气化从能量角度来看，得不偿失
C．煤气化后作为燃料，燃烧充分，热利用率高
D．上述两个反应后的混合气体中除去CO、CO2后主要就是合成氨的两种原料
【答案】B
【解析】虽然在煤的气化过程中，会有一部分煤的潜在能量受到损失，但由于加工后得到的气态燃料的热利用率高，且较清洁,故从总体来看煤气化或液化后使用是较合理的，B项错误，A、C项正确；因反应C+O2CO2中的氧气用空气代替，故反应后混合气体成分为N2、CO、CO2和H2等,除去CO、CO2后主要就是合成氨的原料N2、H2,D项正确。
能力达成
6．某市家用燃料的更新经历了如图几个过程：
历史悠久的燃料—煤使用方便的燃料—液化石油气或管道煤气清洁的燃料—天然气
请回答下列问题:
(1)为了使煤充分燃烧，可采取的措施是____________________________。
(2)煤的气化可产生管道煤气，其主要反应是碳与水蒸气在高温下生成两种常见的可燃性气体,这两种气体是_____________________。
(3)液化石油气的主要成分是丙烷(C3H8),丙烷完全燃烧的化学方程式是___________________。
(4)天然气作燃料比煤更清洁的原因是________________________________(答一条即可)。
【答案】(1)通入足量的空气或将煤粉碎　 (2)CO和H2
(3)C3H8+5O23CO2+4H2O (4)减少了粉尘污染(答案合理即可)
【解析】(1)为了使煤充分燃烧,可以通入足量的空气或增大固体表面积(即将煤粉碎)。
(2)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),即碳与水蒸气在高温条件下反应生成CO和H2。
(3)丙烷完全燃烧生成二氧化碳和水:C3H8+5O23CO2+4H2O。
(4)天然气燃烧生成二氧化碳和水,无粉尘污染。
7． 下图是实验室干馏煤的装置图：
(1)指出图中仪器名称：a．________，d．________。
(2)仪器d的作用是________________________________________，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。
(3)e处点燃的气体主要成分有_______________________________(填化学式)，火焰的颜色是________。【答案】(1)酒精喷灯 烧杯
(2)盛装冷水对蒸气进行冷却　粗氨水　煤焦油　氨　酚酞溶液(答案合理即可)　分馏
(3)H2、CH4、CH2==CH2、CO　淡蓝色
【解析】本题是关于煤干馏的实验，根据煤干馏的主要产品，b中得到的应是焦炭，c中得到的应是粗氨水和煤焦油，e处点燃的应是焦炉气。其中粗氨水中溶有氨，呈碱性，可用酚酞溶液等检验；煤焦油主要是苯、甲苯、二甲苯的混合物，应用分馏的方法分离；焦炉气的主要成分有CH4、CO、H2、CH2==CH2，燃烧时呈淡蓝色火焰。
(1)如图是石油分馏塔的示意图。关于a，b，c三种馏分，下列说法正确的是________(填字母)。
A．a的沸点最高
B．b的熔点最低
C．c的平均相对分子质量最大
D．每一种馏分都是纯净物
(2)裂化汽油中除含有C5～C11的烷烃外，还含有C5～C11的烯烃及甲苯、二甲苯等苯的同系物。已知甲苯、二甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色。要用化学方法检验某裂化汽油样品中含有烯烃及苯的同系物，实验步骤如下：
①先逐滴加入________，振荡，如果看到________，则证明有________存在。
②继续逐滴加入________至________为止，静置，用分液漏斗分出________(填“上”或“下”)层的裂化汽油样品，再加入________振荡，如果看到________，则证明裂化汽油中有________存在。
【答案】(1)C
(2)①溴水　溴水褪色　烯烃　②溴水　不褪色　上　酸性KMnO4溶液　溶液褪色　苯的同系物
【解析】(1)由题图可知，a先分馏出来，c较a、b最后分馏出来，故熔沸点高低顺序为a＜b＜c，熔沸点越高，烃中含碳原子数越多，其相对分子质量越大。
(2)因为烯烃可使溴水、酸性KMnO4溶液褪色，而苯的同系物只能使酸性KMnO4溶液褪色，根据这一性质差异，则先用溴水检验烯烃的存在，再用酸性KMnO4溶液检验苯的同系物的存在。①向样品中逐滴加入溴水，振荡，如看到溴水褪色，则证明有烯烃存在。②继续逐滴加溴水至不再褪色为止，用分液漏斗分出上层的裂化汽油样品，因为加足量溴水后，生成的卤代烷及水的密度均比烷烃和苯的同系物大，所以上层应是烷烃和苯的同系物的混合物。向分出的上层样品中加入酸性KMnO4溶液，如果紫色褪去，则证明有苯的同系物存在。
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