8.1.3煤、石油和天然气的综合利用 课件-2025-2026学年人教版高一下学期化学必修第二册

第八章 化学与可持续发展 第一节 自然资源的开发利用 （8.1.3 煤、石油和天然气的综合利用） 课堂导入 矿产资源 化学资源 生物资源 【思考】你能区分这些燃料哪些是不可再生的化石燃料吗？ 迄今为止，煤、石油、天然气仍是人类使用的主要能源，同时它们也是重要的化工原料。如何实现化石燃料的综合利用，提高利用率，减少化石燃料燃烧所造成的环境污染，是人类面临的重大挑战。 1. 煤的形成 在沼泽和森林生长的植物死后，就会腐烂，并被泥沙覆盖起来，形成很多腐化植物层和泥沙层,这些腐化植物层屡受到地热和细菌分化作用，就成为煤层 工业的粮食 黑色的金子 我国煤炭资源丰富，石油和天然气资源却相对不足， 煤炭保有储量超过1万亿吨，占我国化石能源总储量的90%以上。 一、煤的综合利用 煤中的有机质分子是以芳香族为主的稠环为单元核心，由桥键互相连接，并带有各种官能团的大分子结构。 稠环 桥键 杂环 2. 煤的组成 (1) 物质组成：由有机物和少量无机物组成的复杂混合物 (2) 元素组成：主要含有C元素，另有少量H、O、N、S等元素 由于煤中含有N、S等元素，煤燃烧产生大量的煤灰、煤渣外，还产生废气（SO2、氮的氧化物、碳的氧化物和烟尘等），污染环境，燃烧效率低 【思考1】若直接将煤作为燃料有什么缺点？ 综合利用： 转化成清洁的燃料和多种化工原料 煤的干馏 煤的气化 煤的液化 煤直接作燃料——利用率低并污染环境 【思考2】煤是碳吗？ 煤不是碳，煤是有机物和少量无机物组成的复杂混合物 3. 煤的综合利用 (1) 定义 Ⅰ 煤的干馏 煤的干馏是指将煤_______空气加强热使煤中的有机物分解的过程，是一个复杂的_______变化和_______变化过程，工业上也叫煤的焦化。 隔绝 物理 化学 注意：干馏：化学变化 蒸馏：物理变化 点燃，导管尖嘴处有淡蓝色火焰。 出炉煤气：氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳 黑色黏稠的油状物：煤焦油 成分：苯、甲苯、二甲苯等。 上层水溶液使得红色石蕊试纸变蓝：有氨生成 烟煤粉最后变成黑灰色固体物质，是焦炭 (2) 主要产品及用途 【思考3】煤属于芳香烃吗？如何从煤焦油中获取苯？ 煤中不含有苯等芳香烃，在干馏时生成了芳香烃 煤焦油：主要是由各种芳香烃组成的液态混合物，根据各种芳香烃的沸点不同，利用蒸馏法进行分离可以得到芳香烃 在一定条件下将煤转化为可燃性气体的过程 C(s)＋H2O(g) ==== CO(g)＋H2(g) 高温 水煤气 【思考4】为什么一不小心将少量水洒在烧得通红的煤上时，火不但没熄灭，反而烧得更旺？ 这就是煤的气化，烧得通红的煤与水蒸气反应生成可燃性气体H2和CO，故燃烧更旺 ⅠI 煤的气化 煤的综合利用 III 煤的液化（煤变“油”） (1)直接液化： (2)间接液化： 使煤与氢气作用生成液体燃料 煤 CO和H2 甲醇等 气化 催化剂 以煤为原料，先气化制成一氧化碳和氢气，然后在催化剂的作用下再合成烃类燃料、醇类燃料的过程 CO + 2H2 CH3OH（甲醇） 催化剂 C(s) + H2O === CO(g) + H2(g) 高温 【思考】煤的气化和液化属于物理变化还是化学变化？煤的干馏呢？ 煤的干馏、煤的气化和液化，都属于化学变化 第 页 9 (1)煤中含有甲苯、二甲苯等芳香烃，通过煤的干馏可以得到它们。 × (2)煤俗称煤炭,因此可看作碳元素形成的单质。 × (3)煤里主要含碳及少量的其他元素,但绝大多数都含硫,工业上大量燃烧含硫燃料会形成“酸雨”。 √ (4)煤的气化是物理变化。 × 1.判断 (6)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。 × (5)在一定条件下，煤可以和氢气直接反应生成液体燃料 √ 第 页 10 二、天然气的组成、利用 3H2+N2 2NH3 高温、高压 催化剂 2. 作为清洁型燃料 3. 应用于化工生产 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 点燃 主要用于合成氨和生产甲醇、以及合成多个碳原子的有机化合物 CH4 C + 2H2 高温 CH4 + H2O(g) CH3OH + H2 催化剂 一定条件 1. 主要成分 CH4 (甲烷) 4.天然气水合物—可燃冰 天然气水合物是天然气与水在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质。 主要成分是甲烷水合物，其组成可表示 为 CH4 • nH2O 甲烷分子处于多个水分子形成的笼中 天然气水合物的外观像冰，具有可燃性，故又被称为：“可燃冰”。 储量巨大的天然气水合物分解和甲烷释放，可能引发地质灾害，加重温室效应 三、石油 1. 物理性质 石油 被称为 “工业的血液”是一种黑色或深棕色粘稠液体，有特殊气味，比水稍轻，不溶于水，无固定沸点。 2. 组成 石油是由多种碳氢化合物组成的混合物 (1) 元素 碳 (83%-87%)、氢(11%-14%)、硫、氮、氧及微量金属元素 (2) 物质 含有1~50个碳原子的烷烃、环烷烃和芳香烃(一般不含烯烃) (3) 状态 固态、液态、气态，大部分是液态烃 烃类 烷烃 CnH2n+2 环烷烃 CnH2n 芳香烃 CnH2n-6 等 3、石油的综合利用 汽油、煤油、柴油等 直接从矿井里开采出来的石油 分馏、裂化、裂解、催化重整 加工处理 原油 石油的综合利用 Ⅰ分馏 利用各组分沸点的不同进行分离的过程(多次蒸馏)为物理变化。 (1) 原理 (2) 分馏产品 石油 常压 蒸馏 石油气(C4以下) 汽油(C5-C11) 煤油(C11-C16) 柴油(C15-C18) 重油(C20以上) 减压 蒸馏 沥青 润滑油 石蜡 轻质液态油 【注】通过减压蒸馏可以降低重油的沸点，使重油转化为气体挥发 3、石油的综合利用 低于20℃ 20-200℃ 175-275℃ 250-400℃ 重油(C20以上) 减压 蒸馏 沥青 润滑油 石蜡 若要将重油进一步分离，则要在更高的温度，而在高温下，高沸点的烃会分解，更严重的是还会炭化结焦，损坏设备，影响正常生产。由于同一种物质，在不同的压强下，沸点不同。因为外界压强越大，物质沸点就越高；外界压强越小，物质沸点就越低。因此要将重油进行减压分馏。 【思考】为什么要减压分馏？ 易混淆概念 概念区分 干馏 分馏 蒸馏 原理 隔绝空气加强热 各组分沸点的不同进行分离 产物 出炉煤气、煤焦油、焦炭等混合物 沸点相近的各组分 组成的混合物 单一组分的纯净物 反应类型 化学变化 物理变化 第 页 17 【思考】石油经分馏后可以获得汽油、煤油、柴油等含碳原子数少的轻质油，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。如何把重油变汽油？ 重油 (C20以上的烃) 汽油 (C5～C12的烃) 大分子烃 小分子烃 需要通过催化裂化将重油裂化为汽油等物质，并进一步裂解，得到化工原料。 Ⅱ 裂化 (1) 原理 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。 (2) 目的 C16H34 十六烷 C8H18 辛烷 ＋ C8H16 辛烯 催化剂 加热、加压 汽油、煤油、柴油、润滑油等 提高轻质汽油（裂化汽油）的产量 (3) 裂化主要产物 注意：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 C8H18 C4H10 + C4H8 催化剂 加热、加压 辛烷 丁烷 丁烯 Ⅲ 裂解 (1) 原理：采用比裂化更高的温度，使其中相对分子质量较大的烃断裂 成小分子烃（小分子烃是有机化工的重要原料）。 催化剂 加热、加压 C8H18 辛烷 C4H10 丁烷 ＋ C4H8 丁烯 C2H6 乙烷 ＋ C2H4 乙烯 C4H10 丁烷 催化剂 加热、加压 CH4 甲烷 ＋ C3H6 丙烯 C4H10 丁烷 催化剂 加热、加压 (2) 目的：石油分馏出的轻质油产量较少，重油供过于求，因此需要通 过催化裂化将重油裂化为汽油等物质，并进一步裂解，获得 乙烯、丙烯、甲烷等重要化工基本原料。 分馏与裂化、裂解的对比 方法 石油的分馏 石油的裂化 石油的裂解 主要 原料 原油 重油、石蜡 石油分馏产品（包括石油气） 主要 产品 石油气、汽油、煤油、柴油及重油等 抗震性能好的汽油和甲烷、乙烷、丙烷、乙烯等 乙烯、丙烯等 主要反应类型 物理变化 化学变化 化学变化 炼制主要目的 制得不同用途的石油分馏产品 提高轻质液体燃料的产量和质量 将长链断裂成小分子烃用作有机化工原料 备注 它们得到的产物仍是混合物 核心内容 目的：①获得苯、甲苯等产品；②获得副产物氢气 石油的分馏是物理变化; 裂化、裂解、催化重整是化学变化 (一物三化) 石油在加热和催化剂的作用下，通过结构的调整，使链状烃转化为环状烃的过程 煤、石油、天然气是当今世界上最重要的三大化石燃料，它们也是脂肪烃的来源 IV 催化重整 1.生活中汽车的车用燃料一般为裂化汽油，这种汽油和直馏汽油有何区别？ 通过分馏得到的汽油叫直馏汽油，直馏汽油中没有不饱和烃 通过裂化得到的汽油叫裂化汽油，裂化汽油中含有不饱和烃 鉴别它们可以使用溴水，能使溴水褪色的为裂化汽油，不能使溴水裉色的为直馏汽油 【思考与交流】 2.目前，多数石油产品仍作为燃料使用，如把石油产品来合成高分子材料，其价值将成倍提升，试写出用汽油(主要成分为辛烷C8H18)为原料，生成聚乙烯塑料的合成原理？ C8H18 辛烷 C4H10 丁烷 ＋ C4H8 丁烯 C4H10 丁烷 C2H6 乙烷 ＋ C2H4 乙烯 n CH2= CH2 催化剂 CH2－CH2 [ ] n 石油的综合利用 常压蒸馏 减压蒸馏 催化裂化、裂解 石油的综合利用 石油的裂化是物理变化还是化学变化？ 四、化石能源的用途 目前，多数石油产品仍作为燃料使用，只有一部分转化为化工、纺织、建材、医药、日用化学品等行业的基本原料。 塑料 合成橡胶 合成纤维 纺织品 日用化学品 药物 汽车用化学品 农药 生物柴油 五、生物质资源的利用 知识概览 小结 1、下列过程属于物理变化的是（ ） A.煤的干馏 B.石油分馏 C.石油裂化 D.乙烯聚合 B B 2.关于煤和石油的综合利用，下列说法正确的是（ ） A.煤中含有甲苯、二甲苯等有机物，可以通过干馏得到 B.以煤为主要原料，可以合成甲醇 C.石油裂化的目的是获取短链不饱和气态烃 D.石油裂化生产的汽油不能使溴水褪色 A C 4、下列有关煤、石油、天然气等资源的说法错误的是（ ） A.天然气是一种清洁的化石燃料 B.石油是由多种烃组成的混合物 C.煤的气化和煤的液化都属于物理变化 D.通过石油的裂化可以提高汽油的产量 D 5、下图是实验室模拟干馏的实验装置，下列有关叙述错误的是 （ ） A.图示实验中发生了化学变化 B.实验后的水溶液的pH>7，液体是 黑色黏稠的煤焦油，上层X是粗苯等 C.气体Z易燃，可以还原氧化铜 D.液体Y是一种纯净物 $