内容正文:
第2节 从化石燃料中获取有机化合物
第1课时 从天然气、石油和煤中获取燃料
课程标准
核心素养
1.了解天然气和煤的组成
2.通过学习认识天然气和煤用作燃料的优缺点
3.了解石油的组成,学习如何从石油获取燃料,认识石油的炼制方法
①宏观辨识与
微观探析
能够辨识天然气、煤和石油的组成,能从它们的宏观特征入手对它们进行分类和表征,能联系物质的组成和结构解释有关宏观现象
②科学态度与
社会责任
能运用所学知识分析和探讨煤的使用对社会可持续发展可能带来的双重影响,并对这些影响从多个方面进行评估
[知识梳理]
一、天然气和煤直接用作燃料
1.化石燃料
(1)含义:化石燃料又叫作 矿石燃料、矿物燃料 ,包括 天然气、煤和石油 ,属于 不可再生 能源。
(2)现存问题:
①化石燃料存在逐渐枯竭的危机;
②引起的环境问题:如温室效应、有毒气体和粉尘污染等。
2.天然气
(1)主要成分:甲烷。另外沼气、坑道气(瓦斯)、天然气水合物(可燃冰)的主要成分也是甲烷。
(2)甲烷的物理性质
颜色
状态
气味
密度
水溶性
无色
气体
无味
比空气 小
难溶于水
(3)甲烷的燃烧
化学方程式为 CH4+2O2CO2+2H2O 。
通常状况下,1 mol CH4完全燃烧可放出 802 kJ 的热量,是一种优良的气体燃料。
3.煤
(1)煤的组成
(2)燃煤面临的问题
直接燃煤会产生一些大气污染物,如硫的氧化物、氮的氧化物、烟尘等。因此燃煤面临的主要问题为①如何降低燃煤污染、提高燃煤的热效率;②煤的综合利用。
二、从石油中获取燃料
1.石油的组成
2.石油的炼制
分馏
裂化
裂解
目的
将石油分离成 沸点范围不同 的产物
提高 轻质液体燃料 的产量和质量
得到 气态 短链烃
主要变
化类型
物理 变化
化学 变化
化学 变化
主要
产物
石油气 、 汽油 、 煤油 、柴油、重油等
汽油 等轻质液体燃料
乙烯 、 丙烯 等小分子不饱和烃
3.按要求写出相应的化学方程式
(1)十六烷的一种裂化方式:
。
(2)辛烷的燃烧: 2C8H18+25O216CO2+18H2O 。
石油的炼制
1.石油炼制的工艺流程简图
2.直馏汽油和裂化汽油的比较
获得方法
主要化学成分
鉴别方法
直馏
汽油
原油直接分馏,物理变化
一般是C5~C12的烷烃及少量的芳香烃等,性质稳定
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C5~C12的烷烃和烯烃,性质活泼
[典例示范]
[典例1] 下列关于石油加工的叙述中,不正确的是( )
A.石油分馏所得的产物是具有恒定沸点的纯净物
B.石油裂化的目的是提高汽油等轻质燃油的产量和质量
C.石油裂解的原料是石油分馏产物,包括石油气
D.石油的分馏是物理变化过程
解析:A [石油分馏得到的馏分是不同沸点范围的产物,仍为混合物,A项错误,B、C两项正确;在石油常见的炼制方法中,分馏是物理变化,而裂化和裂解是化学变化,D项正确。]
[学以致用]
1.下列关于石油的说法不正确的是( )
A.石油主要含C、H两种元素
B.石油主要是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃所组成的混合物
C.石油有固定的熔点
D.石油分馏得到的汽油是混合物
答案:C
烃分子式的确定
只要计算求得1 mol烃分子中碳原子、氢原子的物质的量,即可写出烃的分子式。
(1)化学方程式法:写出烃(CxHy)燃烧生成CO2和H2O的化学方程式:CxHy+O2xCO2+H2O,根据化学方程式,结合已知条件可计算烃的分子式。
(2)原子守恒法:根据烃(CxHy)燃烧的化学方程式可直接找到烃(CxHy)、CO2、H2O之间的定量关系,若1 mol烃完全燃烧生成CO2和H2O的物质的量为n(CO2)、n(H2O),则有x=n(CO2),y=2n(H2O)。
(3)最简式法:根据分子式为最简式的整数倍,因此利用相对分子质量和最简式可确定分子式。即n(C)∶n(H)=∶=a∶b(最简整数比)。最简式为CaHb,则分子式为(CaHb)n,n=[Mr为烃的相对分子质量,(12a+b)为最简式的相对分子质量]。
[典例示范]
[典例2] 写出下列各烃的分子式。
(1)烷烃A在同温同压下蒸气的密度是H2的36倍,A的分子式为 ________ 。
(2)某气态烷烃20 mL完全燃烧时,正好消耗同温同压下100 mL氧气,该烷烃的分子式 ________ 。
解析:(1)Mr(A)=36×2=72
设烷烃A的分子式为CnH2n+2,有12n+(2n+2)=72,n=5,故A的分子式为C5H12。
(2)设该烷烃分子式为CnH2n+2,由
CnH2n+2+O2nCO2+(n+1)H2O
1
20 mL 100 mL
有1∶=20 mL∶100 mL,n=3。
故分子式为C3H8。
答案:(1)C5H12 (2)C3H8
[学以致用]
2.将0.1 mol两种气态烃组成的混合气体完全燃烧后得3.36 L(标准状况)CO2和3.6 g H2O。下列说法正确的是( )
A.一定有甲烷 B.一定有乙烷
C.一定没有甲烷 D.可能有乙烷
答案:A
1.近期我国冀东渤海湾发现储量达10亿吨的大型油田。下列关于石油的说法正确的是( )
A.石油属于可再生矿物能源
B.石油主要含有碳、氢两种元素
C.石油的裂化是物理变化
D.石油分馏的各馏分均是纯净物
解析:B [石油属于化石燃料,是不可再生能源;其主要的组成元素是碳、氢;裂化是石油中某些碳链较长的成分在较高温度或者是在催化剂作用下反应生成一些短链的烃类物质,该变化属于化学变化;分馏是在一定温度范围内把沸点较接近的成分蒸馏出来,所得的馏分是沸点在这个范围内的多种烃的混合物。]
2.一辆卡车在启动、刹车时排出黑烟,由此可推断这辆卡车所用的燃料是( )
A.酒精 B.汽油
C.柴油 D.液化石油气
解析:C [燃料油分子中碳的质量分数越大,燃烧时产生的烟越浓。题给四种燃料中,柴油含碳质量分数最大。]
3.下列气体的主要成分不是甲烷的是( )
A.沼气 B.天然气
C.煤气 D.坑道气
解析:C [煤气的主要成分是CO。]
4.2014年中国天然气实际消费量约在960~980亿立方米。下列有关天然气的说法不正确的是( )
A.天然气是一种混合物
B.天然气是一种清洁能源
C.可利用甲烷生产粮食
D.天然气的主要成分是一种只含碳、氢元素的化合物
解析:C [天然气主要成分是CH4,它燃烧产生CO2、H2O,不污染环境,A、B、D正确。]
5.能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础,常规能源的合理利用和新能源的合理开发是当今社会人类面临的严峻课题,回答下列问题:
(1)我国是世界上少数以煤为主要燃料的国家之一,下列关于煤做燃料的说法不正确的是 ________ 。
A.煤是重要的化工原料,把煤做燃料简单燃烧掉太可惜,应该综合利用
B.煤是发热很高的固体燃料,我国煤炭资源相对集中,开采成本低,用煤做燃料实惠
C.煤燃烧时产生大量的二氧化硫和烟尘,对环境污染严重
D.通过洁净煤技术,如煤的气化和液化以及烟气脱硫,不仅减轻了燃煤污染,还能提高煤燃烧的热利用率
(2)乌克兰科学家将铜和铁混合熔化制成多孔金属,用于制作太空火箭上使用的煤油燃料雾化器,该雾化器的作用是 _________ 。
解析:(1)煤可燃烧,燃烧时产生大量二氧化硫和烟尘,且燃烧效率较低,可通过洁净煤技术,如煤的气化和液化以及烟气脱硫,提高煤燃烧的热利用率,如用煤直接做燃料,可导致环境污染,造成较大浪费,因此ACD正确,B错误,故合理选项是B;
(2)物质气态时燃烧时更充分,因此煤油燃料雾化器能将煤油由液态雾化为气态,增大接触面积,使燃料燃烧更充分。
答案:(1)B (2)使煤油雾化,增大煤油与助燃剂的接触面积,提高燃烧效率
1.下列说法正确的是( )
A.煤中含有苯、甲苯、二甲苯等物质,通过煤的干馏即可得到这些物质
B.煤燃烧时,会产生大量的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等污染物
C.煤是以单质碳为主的复杂混合物
D.把煤高温加强热就是煤的干馏
解析:B [煤经干馏(即分解)得到的产物中有苯、甲苯、二甲苯等,而不是煤中本来就含有这些物质,A错;煤中除含有C、H元素外还含有N、S、O、Si、Al、Ca、Fe等元素,故燃烧时会产生一系列大气污染物,B正确;煤是由有机物和无机物组成的复杂混合物,C错;煤进行干馏时要隔绝空气,D错。]
2.下列有关煤的说法错误的是( )
A.煤是不可再生资源,储量有限,应停止使用
B.煤既是一种能源,又是宝贵的资源,要综合利用,提高煤的利用率
C.煤运输使用方便,我国应合理开采煤、使用煤
D.我国以煤炭为主要能源,这是造成酸雨的主要原因,煤在加工和燃烧时要进行脱硫处理
解析:A [天然气、石油、煤都是重要的化石燃料,是不可再生资源,但不是不能利用,而是要合理的利用,因为其中含有硫元素,故为了保护环境,应进行脱硫处理。由此可知B、C、D是正确的。A不能因为有限就停止使用,要合理、综合、充分利用。]
3.为了2030年实现碳达峰和2060年实现碳中和,“十四五”期间生态环境与资源综合利用发展途径对煤炭行业高质量发展具有重要意义。下列相关说法错误的是( )
A.开发煤炭废弃资源的高值、高效利用技术能降低二次污染
B.煤的综合利用有利于保护自然环境和社会的可持续发展
C.向煤中加人适量碳酸钙可减少燃烧产物中二氧化碳的量
D.利用太阳能等清洁能源代替煤炭,有利于节约资源、保护环境
解析:C [A.煤炭废弃资源如果不进行高值、高效利用,会被丢弃于大自然,废弃资源的高值、高效利用可减少环境污染,高值、高效利用技术能降低二次污染,故A正确;
B.煤的综合利用可使煤的使用更高效,减少污染,同时保护环境有利于社会的可持续发展,故B正确;
C.煤中加入适量碳酸钙,可达到钙基固硫的作用,减少燃烧产物中二氧化硫的量,但不能减少二氧化碳的排放量,故C错误;
D.利用太阳能等清洁能源代替煤炭,可减少二氧化硫等的排放,有利于节约资源、保护环境,故D正确。
故选C。]
4.“17世纪中国工艺百科全书”《天工开物》中记载“凡取煤经历久者,从土面能辨有无之色,然后挖掘。深至五丈许,方始得煤。”下列说法错误 的是( )
A.煤是不可再生能源
B.煤的组成以碳元素为主
C.煤的气化、液化过程均为物理变化
D.煤通过干馏可以得到煤焦油、焦炉煤气以及焦炭等
解析:C [A.煤是几亿年前的植物遗体被埋入地下,与空气隔绝,在长期的压力、高温的共同作用下,慢慢形成的,煤属于化石燃料,短期内不能再生的,是不可再生能源,故A正确;B.煤是多种复杂的有机物和无机物组成的混合物,主要组成元素为C、H,还含有少量的N、S、O等元素,故B正确;C.煤的气化(生成CO和氢气)和液化(生成甲醇),均有新物质生成,属于化学变化,故C错误;D.煤的干馏过程是隔绝空气加强热发生复杂的化学反应,通过干馏可以得到焦炉煤气、煤焦油、焦炭等产品,故D正确;答案为C]
5.石油裂化的主要目的是( )
A.提高轻质液体燃料的产量
B.便于分馏
C.获得短链不饱和气态烃
D.提高汽油的质量
解析:A [石油裂化的目的是提高轻质液体燃料的产量和质量,其中以提高产量为主要目的。]
6.下列说法正确的是( )
A.石油是混合物,汽油是纯净物
B.沸点:汽油>煤油>柴油>润滑油
C.直馏汽油和裂化汽油成分完全相同
D.石油的分馏是物理变化,而裂化属于化学变化
解析:D [石油含有烷烃、环烷烃、芳香烃等多种物质,属于混合物;汽油中含有多种烷烃,属于混合物,A错误;石油分馏时,首先分馏出的是汽油,其次是煤油,再次是柴油、润滑油,故沸点:汽油<煤油<柴油<润滑油,B错误;直馏汽油中不含烯烃,而裂化汽油中含有烯烃,两者组成上不完全相同,C错误;石油的分馏只是物质状态的变化,是物理过程,而裂化有新物质生成,属于化学过程,D正确。]
7.下列说法正确的是( )
A.石油是混合物,其分馏产品汽油为纯净物
B.煤油可由石油裂化获得,可用做燃料和保存少量金属钠
C.石油分馏得到大量的乙烯、丙烯等重要化工原料
D.用溴的四氯化碳溶液可鉴别石油分馏获得的汽油和石油裂化获得的汽油
解析:D [石油是多种烷烃和环烷烃等的混合物,其分馏产品汽油仍为混合物,故A错误;煤油是石油的分馏产品之一,能用于金属钠的保存,同时还是一种燃料,故B错误;石油分馏主要得到汽油、煤油等,乙烯、丙烯等可通过石油裂解获得,故C错误;分馏获得的汽油中的主要成分是饱和烃,裂化获得的汽油中含有不饱和烃,二者可用溴的四氯化碳溶液鉴别,故D正确。]
8.下列说法不正确的是( )
A.风力、化石燃料、天然铀矿都是一次能源
B.开发氢能、太阳能、风能、生物质能等新型能源是践行低碳生活的有效途径
C.用脱硫处理的煤代替原煤作燃料可以有效减少空气中CO2气体的含量
D.电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源
解析:C [A.风力、化石燃料、天然铀矿都是一次能源,A正确;B.开发氢能、太阳能、风能、生物质能等新型能源是践行低碳生活的有效途径,B正确;C.用脱硫处理的煤代替原煤作燃料可以有效减少空气中SO2气体的含量,但不能减少CO2的含量,C错误;D.电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源,D正确。]
9.下列说法不正确的是( )
A.煤油可由石油分馏获得,可用作燃料和保存少量金属钠
B.煤可与水蒸气反应制成水煤气,水煤气的主要成分为CO和H2
C.石油裂化主要目的得到乙烯、丙烯和甲烷
D.以石油、煤和天然气为原料,可生产塑料、合成橡胶和合成纤维
解析:C [A.石油分馏后可得到煤油,由于钠的密度大于煤油的密度,因此可用于保存少量的金属钠,A项正确;B.煤的组成主要以碳元素为主,可以和水蒸气反应制水煤气,发生的反应为:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),B项正确;C.石油裂解的主要目的是得到乙烯、丙烯和甲烷,C项错误;D.塑料、合成橡胶和合成纤维是三大合成材料,都主要是以石油、煤和天然气为原料生产的,D项正确。]
10.煤、石油、天然气是人类使用的主要能源,同时它们也是重要的化工原料。以下说法正确的是( )
A.煤中含苯、甲苯、二甲苯等有机物,可通过干馏获得
B.石油分馏可得到乙烯、丙烯、甲烷等重要化工基本原料
C.天然气和液化石油气都是清洁的化石燃料
D.石油裂解气可用于生产聚乙烯和聚氯乙烯,二者被广泛用于食品包装
解析:C [A.煤的干馏是化学变化,煤中不含苯、甲苯、二甲苯等,它们是干馏的产物,A错误;B.石油分馏是物理变化,可以得到汽油、煤油、柴油等,乙烯、丙烯等是裂解得到的,B错误;C.天然气主要成分为CH4,液化石油气主要成分为C3H8和C4H10,它们燃烧后只生成CO2和H2O,是清洁的化石燃料,C正确;D.聚氯乙烯有毒,因此不能用于食品包装,D错误;故选C。]
11.能源可划分为一级能源和二级能源。自然界中以现成形式提供的能源称为一级能源,需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效而又没有污染的二级能源,它可以由自然界中大量存在的水来制取,即2H2O(l)===2H2(g)+O2(g),但该反应为吸热反应。请回答下列问题:
(1)下列叙述中正确的是 ________ 。
A.电能是二级能源
B.水力是二级能源
C.煤、石油、天然气是一级能源
D.水煤气是一级能源
(2)关于用水制取二级能源氢气,以下研究方向不正确的是 ___________ 。
A.构成水的氢和氧都是可以燃烧的物质,因此可研究在水不分解的情况下,使氢成为二级能源
B.设法将太阳光聚焦,产生高温,使水分解产生氢气
C.寻找高效催化剂,使水分解产生氢气,同时释放能量
D.寻找特殊化学物质,用于开发廉价能源,同时释放能量
(3)为减少污染,提高燃料利用率,下列措施可以达到目的的是 ________ 。
A.城市居民不用天然气而烧煤,烧木柴
B.若将原来烧天然气的灶具改烧液化石油气(成份为C3H8、C4H10),应增大空气进入量或减少液化气的进入量
C.研制燃料电池
D.在农村大力发展沼气
(4)1 g氢气燃烧时约放热142.9 kJ ,而1 kg汽油燃烧时放热46 000 kJ。氢气被公认是21世纪替代矿物燃料的理想能源。你认为氢气作为能源的两个主要优点: ______________ , ______________________ 。
解析:(1)题中指出,只有自然界中以现成形式存在的能源才属于一级能源。因此,煤、石油、天然气等化石燃料当属一级能源;电能是由一级能源,由风能、潮汐能等转化而来的,因此属于二级能源,A、C项正确。水煤气是煤经一系列处理后间接制取的,应属二级能源。水力即利用水的动能和势能,应属于一级能源。
(2)A.不仅违背科学,也与常识不符。水分解成氢气和氧气的反应是一个吸热过程,在常温常压下几乎不能进行,故A错误;B.利用太阳能产生高温以分解水,是目前正在实际进行并且已经取得初步成果的一项研究工作,故B正确;C.催化剂只能改变化学反应速率,而不能改变化学反应的热效应。也就是说,企图利用催化剂改变水的分解这样一个吸热反应需要供给能量的事实是徒劳的,故C错误;D.应是一个可以被肯定的研究方向。水分解需要吸收能量,寻找可提供廉价能源的有效方法,当然可以解决由水制氢气的问题,故D正确。
(3)A.城市居民不用天然气而烧煤,烧木柴,天然气相比煤和木柴污染更小,A错误;B.液化石油气燃烧耗氧量比天然气大,故应增大空气进入量或减少液化气的进入量,B正确;C.目前燃料电池系统的燃料-电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%,C正确;D.沼气燃烧比柴草燃烧效率高,D正确;故合理选项是BCD;
(4)1 g氢气燃烧时约放热142.9 kJ ,则1 kg氢气燃烧放出的热量是142.9 kJ×1 000=142 900 kJ,远大于1 kg汽油燃烧时放出46 000 kJ的热量,而且其燃烧产物是水,不会产生污染,可以以水为原料来制取燃料氢气,因此燃料来源广泛,故作为能源的主要优点:单位质量热值高,燃烧产物又只有水,无污染,原料来源广泛。
答案:(1)AC (2)AC (3)BCD (4)单位质量热值高 燃烧产物又只有水,无污染 原料来源丰富(答出两条即可)
12.煤和石油等化石燃料对促进经济社会发展起到了重要的作用,这些燃料合理的综合利用是当前节能减排的要求。请回答下列问题:
(1)石油分馏是石油炼制的重要环节,这种操作是在 ________ (填设备名称)内完成的。工业上通常使用的分馏石油的目的是 ________ 。
(2)石油不仅是重要的燃料,还是重要的化工原料的来源。为了使石油分馏产物进一步生成更多的汽油等液态轻质燃料而采取 ________ 措施。
(3)目前石油资源逐渐匮乏,人们把目光聚集到储量相对丰富的煤上。目前煤综合利用的主要方法是 ________________ 、 ________ 和煤的气化,煤气化涉及的化学方程式有:C+O2CO2 2C+O22CO、 _____________ (写出第三个化学方程式)。
解析:(1)石油分馏是在分馏塔中完成的;分馏的目的是为了获得沸点范围不同的各种馏分;
(2)为了获得更多的汽油等液态轻质燃料,往往采用裂化的方式,这种反应属于化学反应;
(3)煤的干馏是化学变化,这是煤的综合利用,而煤的气化、液化也是近年来综合利用的重要方法,煤的气化涉及的化学方程式有:C+O2CO2、2C+O22CO、C+H2O(g)CO+H2。
答案:(1)分馏塔 为了获得沸点范围不同的各种馏分 (2)裂化 (3)煤的干馏 煤的液化 C+H2O(g)CO+H2
13.煤是一种常用燃料。由于煤燃烧产生的废气中含有SO2、CO、NO2和NO等多种有害气体和烟尘,会对环境造成污染,因此需要对煤进行加工后再燃烧,或将废气净化后再排放。
(1)煤的气化和液化能提高煤的利用率,又能减少有害气体的排放。写出煤气化的主要反应的化学方程式: ________ ;煤液化是 ________ (填“物理”或“化学”)变化。
(2)煤的干馏是煤综合利用的重要途径。煤干馏时得到的固体产品是 ________ ,其用途是 ________ 。
(3)将煤直接进行燃烧,造成环境污染的主要方面之一是形成硝酸型酸雨。写出有关物质转化为硝酸的化学方程式: ________ 。
(4)向煤中添加生石灰是燃煤脱硫的一种方法,而且能变废为宝,用化学方程式表示反应原理: ________ 。
解析:(1)水煤气是由碳与水蒸气高温下反应生成的一氧化碳和氢气的混合物,则其反应为:C+H2O(g)高温,CO+H2;煤的液化是指从煤中产生液体燃料的一系列方法的统称。最初的液化方法是先利用煤产生氢和一氧化碳的混合气体,然后使这种气体在催化作用下成为液态碳氢化合物燃料 ,属于化学变化;(2) 煤在隔绝空气条件下加热、分解,生成焦炭(或半焦)、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程,煤的干馏是属于化学变化,其中焦炭可用作燃料及工业原料的固体物质;(3) 由于煤燃烧产生的废气中含有SO2、CO、NO2和NO多种有害气体,其中NO2和NO时形成硝酸型酸雨的主要成分,则NO和NO2转化硝酸型酸雨的反应方程式为:2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO;(4)氧化钙为碱性氧化物,煤燃烧的废气中含有酸性气体二氧化硫,则氧化钙与二氧化硫反应生成亚硫酸钙;亚硫酸钙再被氧气氧化为硫酸钙,则其反应分别为:CaO+SO2===CaSO3,2CaSO3+O2===2CaSO4。
答案:(1)C+H2O(g)CO+H2 化学 (2)焦炭 可作燃料及工业原料 (3)2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO (4)CaO+SO2===CaSO3,2CaSO3+O2===2CaSO4
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