高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 自然资源的开发利用导学案及答案

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一、煤、石油的综合利用
1．煤的组成
煤是由有机物和少量无机物组成的复杂混合物，主要含有碳元素，还含有少量氢、氧、氮、硫等元素。
2．煤的综合利用
(1)煤的干馏：将煤隔绝空气加强热使之分解的过程，工业上也叫煤的焦化。
主要产品：出炉煤气(包括焦炉气、粗氨水、粗苯)、煤焦油、焦炭
(2)煤的气化：
定义：将煤转化为可燃性气体的过程。
主要反应：C+H2Oeq \(=====,\s\up7(高温))CO+H2
(3)煤的液化：
①直接液化：煤＋H2―→液体燃料；
②间接液化：煤 eq \(――→,\s\up7(气化)) CO和H2 eq \(――→,\s\up7(催化剂)) 甲醇等
(4)煤的综合利用的意义
①减少污染物的排放；减少煤燃烧产生的SO2、NOx、CO和粉尘等污染物的排放。
②提高煤燃烧的效率；煤的气化、液化都是使煤变成清洁能源的有效途径，煤的燃烧效率也有很大的提高。
③获得重要的化工原料：通过煤的干馏，获得大量重要的化工原料。
3．天然气的成分及应用
(1)天然气是一种清洁的化石燃料，主要成分是CH4，常用作燃料，作为化工原料主要用于合成氨和生产甲醇等。
(2)天然气水合物是天然气与水在高压、低温条件下形成的类似冰状物质，主要成分是甲烷水合物，组成可表示为CH4·nH2O，甲烷分子处于由多个水分子形成的笼中。又称为“可燃冰”。
二、石油的综合利用
1．石油的组成
由多种碳氢化合物组成的混合物。
2．石油的综合利用
(1)分馏
概念：利用石油中各组分沸点的不同进行分离的过程。
目的：获得汽油、煤油、柴油等轻质油。
(2)裂化
概念：将含碳原子较多、沸点较高的烃（重油）分裂为含碳原子较少、沸点较低的烃的过程。
目的：提高轻质液体燃料的产量，特别是汽油的产量。
原理：C16H34 eq \(――――――→,\s\up7(催化剂),\s\d7(加热、加压)) C8H18＋C8H16。
十六烷 辛烷 辛烯
(3)裂解
概念：裂解就是深度裂化。
目的：获得乙烯、丙烯、甲烷等重要的基本化工原料。
原理：C4H10 eq \(――――――→,\s\up7(催化剂),\s\d7(加热、加压)) CH4＋C3H6 C4H10 eq \(――――――→,\s\up7(催化剂),\s\d7(加热、加压)) C2H4＋C2H6。
(4)催化重整
概念：石油在加热和催化剂的作用下，可以通过结构的调整，使链状烃转化为环状烃。
目的：获得苯、甲苯等产品。
3．化石能源与合成高分子材料
(1)三大合成高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维。
(2)以煤、石油、天然气为原料，通过化学反应可以制得合成高分子材料。例如：
①乙烯制聚乙烯：nCH2==CH2eq \(――→,\s\up7(催化剂))
②丙烯制聚丙烯：nCH2==CH—CH3eq \(――→,\s\up7(催化剂))。
►问题一 煤和天然气的综合利用
【典例1】某实验小组在实验室中用下图模拟煤的干馏，按要求回答相关问题：
(1)仪器d的作用是__________________，e处点燃的气体主要有____________________。
(2)c中液体分层，其中水层里溶有____________，有机物层可以通过________的方法使其中的重要成分分离出来。
答案：(1)冷却 H2、CO、CH4、C2H4
(2)粗氨水 蒸馏
解析：该实验为煤的干馏，其产品为焦炉气、粗氨水、粗苯、煤焦油和焦炭，d装置为冷却作用，液体分层，水层中含有粗氨水，有机物层可以通过蒸馏加以分离。
【变式练1-1】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。下列叙述错误的是( )
A．煤的组成元素主要是碳，但煤是混合物
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
【变式练1-2】有关煤的综合利用如图所示。下列说法正确的是( )
A．煤和水煤气都属于化石燃料
B．煤中含有焦炉气、煤焦油、焦炭等物质
C．①是将煤在空气中加强热使其分解的过程
D．②是煤的气化方式之一
答案：D
解析：水煤气属于二次能源，不是化石燃料，A错误；煤干馏后能得到这些物质，但煤本身并不含这些物质，B错误；①是煤的干馏，需隔绝空气，C错误；煤的气化是将煤转化为气体燃料的过程，煤干馏得到的焦炭和水蒸气在高温下生成水煤气是煤的气化方式之一，D正确。
►问题二 石油的综合利用
【典例2】某研究学习小组在实验室中模拟石油的炼制，设计了如图的装置。
实验过程中，可观察到b中试管内有少量液体凝结且闻到有汽油的气味，c中试管内酸性高锰酸钾溶液褪色。
(1)实验研究小组模拟的是________________(填化工工艺名称)。
(2)c中试管内酸性KMnO4溶液褪色，体现了酸性KMnO4溶液的________性。
(3)写出十六烷裂化得到辛烷和辛烯的化学方程式：______________________________。
(4)实验过程中，装置d中的溴水褪色，写出验证烯烃与溴水的反应是加成反应而不是取代反应的方法：
________________________________________________________________________。
答案：(1)石油的裂化
(2)氧化
(3)C16H34eq \(――→,\s\up7(催化剂),\s\d5(△))C8H18＋C8H16
(4)向反应后的溶液中滴加石蕊溶液，溶液不变红，则说明该反应为加成反应而非取代反应
【归纳小结】
(1)煤的干馏、气化和液化都是化学变化。
(2)石油分馏属于物理变化，由于石油中有些物质的沸点很接近，所以分馏产物一般为混合物。常压蒸馏的原料为石油，减压蒸馏的原料为重油。分馏时沸点低(相对分子质量小)的烃类先汽化，沸点高(相对分子质量大)的烃类后汽化。
(3)石油分馏所得汽油为直馏汽油，多为饱和烃。石油裂化所得汽油叫裂化汽油，其中含有不饱和烃，能与卤素单质反应。
(4)裂化是为了提高汽油等的产量和质量，而裂解采用比裂化更高的温度，是为了获得大量的乙烯、丙烯等不饱和气体产物作化工原料。
【变式练2-1】下列关于化石燃料的说法不正确的是( )
A．石油是混合物，汽油也是混合物
B．石油分馏可以得到乙烯，煤干馏可以得到苯
C．“西气东输”的“气”指的是甲烷
D．石油的分馏是物理变化，而裂化和裂解属于化学变化
答案：B
解析：石油是多种烃的混合物，汽油是石油的馏分，是多种液态短链烃的混合物，如辛烷、庚烷等，A正确；石油分馏可以得到的气态烃主要是石油气，乙烯是石油裂解的主要产品，煤干馏指煤在隔绝空气条件下加强热使之分解，生成焦炭、煤焦油、粗苯、焦炉气等产物的过程，可以得到苯，B不正确；“西气东输”的“气”指的是天然气，主要成分是甲烷，C正确；石油的分馏是利用各成分沸点的不同分离石油，属于物理变化，而裂化和裂解是将长链烃转化为短链烃，属于化学变化，D正确。
【变式练2-2】石油蒸馏装置如图所示，下列说法正确的是( )
A．仪器W的名称：圆底烧瓶
B．碎瓷片的作用：催化剂
C．冷却水的流向：X进水，Y出水
D．收集到的60～150 ℃的馏分为混合物
答案：D
解析：A错，仪器W的名称是蒸馏烧瓶；B错，碎瓷片的作用是防止暴沸，不是催化剂；C错，冷凝管中冷却水从下口通入，上口流出，故X是出水口，Y是进水口；D对，石油分馏得到汽油、煤油、柴油等馏分，都是多种烃的混合物。
【基础强化】
1．天然气水合物外形似冰，被人们称为“可燃冰”。天然气的主要成分是( )
A．氢气 B．一氧化碳 C．二氧化碳 D．甲烷
答案：D
解析：天然气的主要成分是甲烷。
2．下列属于物理变化的是( )
①石油的分馏 ②煤的干馏 ③石油的裂化 ④铝热反应 ⑤由乙烯制备聚乙烯 ⑥将氧气转化为臭氧 ⑦乙烯催熟果实 ⑧将苯加入溴水中 ⑨海水蒸馏制取淡水
A．①②③④ B．①②⑤⑦ C．①⑧⑨ D．①②⑥⑨
答案：C
解析：蒸馏和分馏的原理相同，都是利用沸点不同分离物质，将苯加入溴水中不发生化学反应，而是苯萃取溴水中的溴，故①⑧⑨均属于物理变化，其余各项均发生了化学变化。
3．下列不属于煤的综合利用的是( )
A．将煤干馏制得煤焦油和焦炭
B．在一定条件下将煤与氢气转化为液体燃料
C．煤变为煤饼
D．将煤气化为可燃性气体
答案：C
解析：将煤干馏制得煤焦油和焦炭，属于煤的综合利用，故A项不符合题意；在一定条件下将煤与氢气转化为液体燃料，属于煤的综合利用，故B项不符合题意；将煤变为煤饼，只是其物理形态发生了改变，并未改变其成分及结构，不属于煤的综合利用，故C项符合题意；将煤气化为可燃性气体，属于煤的综合利用，故D项不符合题意。
4．煤、石油、天然气等化石燃料都是不可再生资源。下列关于煤、石油、天然气等资源的说法正确的是( )
A．干馏所得气体中只含无机气体
B．天然气、天然气水合物都是清洁的化石燃料
C．石油裂解气中主要成分为甲烷
D．石油产品都能发生加聚反应
答案：B
解析：煤干馏所得的气体中含有CH4等有机物气体，A错误；天然气和天然气水合物燃烧充分，生成物都为CO2和H2O，为清洁的化石燃料，B正确；石油裂解气的主要成分有乙烯、丙烯、甲烷、乙烷等，C错误；石油加工得到的产品烷烃不能发生加聚反应，D错误。
5．下列说法正确的是( )
A．煤和石油都是混合物，都只由碳和氢两种元素组成
B．石油含有烷烃、环烷烃、芳香烃，煤含有苯、甲苯、二甲苯等有机物
C．煤的气化、液化是使煤变成清洁能源、减小环境污染的有效途径
D．沸点范围：汽油>煤油>柴油>重油
答案：C
解析：石油含有烷烃、环烷烃、芳香烃；煤干馏后生成苯、甲苯、二甲苯等芳香烃，故B错误；煤的气化、液化是使煤变成清洁能源的有效途径，故C正确；石油分馏时，首先分馏出的是汽油，其次是煤油，再次是柴油、重油，故其沸点：汽油