第二节　资源综合利用　环境保护教学教案设计

化石能源（煤、石油、天然气）的综合利用

[考纲要求]

1．科学、技术、社会的相互关系；“绿色化学”思想；

2．能源在人类生存和社会发展中的重要作用。

[必修2教学目标]

3．认识煤、石油和天然气等化石燃料综合利用的意义。

[知识框架]

石油的分馏

化石燃料

存在

石油

烃

煤

煤的干馏

来源

各类烃

乙烯

苯

（一）煤的综合利用

煤可以分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥煤等，它们的含碳量不同（见表1），发热量也不同，一般含碳量高的，发热量也高。煤是由

有机物和少量无机物

组成的复杂混合物，主要含

碳

元素，还含有少量

氢

、氧

、

氮

、

硫

等元素。（注意：“煤”不同于“炭”）

表1

各种煤的含碳量范围

煤的种类

碳的质量分数/% 无烟煤

85～95 烟煤

70～85 褐煤

50～70 泥煤

约50 在煤的综合利用过程中，人们最为关注并一直致力于研究的问题是：如何提高煤燃烧的热效率，如何分离提取煤中的化工原料以及如何解决燃煤引起的污染。目前，已有实用价值的办法主要是

煤的干馏

和

煤的气化、液化

。

1．煤的干馏：煤干馏是指将

煤隔绝空气加强热使之分解

的过程，得到

焦炭

、

煤焦油

和

焦炉煤气

。煤的干馏实验装置如图：

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，下层为黑褐色粘稠的油状物——煤焦油。另一部分没有凝结的气体可以点燃，这种气体叫做焦炉气。反应完毕后，留在铁管中的黑灰色的固体物质叫做

煤的干馏是一个复杂的物理变化和化学变化过程，从煤的干馏产物中可获得重要的化工第

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原料。

表2 煤干馏的主要产品和用途

干馏产品

出炉煤气

粗氨气

粗苯

煤焦油

焦炭

主要成分

氨、铵盐

苯、甲苯、二甲苯

苯、甲苯、二甲苯

酚类、萘

沥青

碳

主要用途

气体燃料、化工原料

氮肥

炸药、染料、医药、农药、

合成材料

染料、医药、农药、合成材料

筑路材料、制碳素电极

冶金、合成氨造气、电石、燃料

焦炉气

一氧化碳、氢气、甲烷、乙烯

2．煤的气化：将煤中的有机物转化为可燃性气体的过程，主要反应为：

C(s) + H2O(g) 高温

CO(g) + H2(g)

CO2(g) 该反应需要的热量可由碳的燃烧来提供：C(g) + O2(g) 说明：碳燃烧时可用空气或O2，但得到的煤气的成分、热值及用途都不同。

资料

煤气

利用焦炉煤气还是目前最便宜的生产煤气的方法。

煤气的主要成分是CO、氢和烷烃、烯烃、芳烃等。不同城市的煤气，CO、氢的含量可能相差比较大。煤气有毒主要是因为其中的CO能与人体中的血红蛋白结合，造成缺氧，使人昏迷不醒甚至死亡，在低浓度下也能使人头晕、恶心及虚脱。所以，使用煤气要特别小心、应经常检查输气管道、灶具和有关阀门，每次用完后应紧闭阀门，严防泄漏。

通常所说的煤气报警器一般是通过检测泄漏的一氧化碳气体浓度来作为报警判断的，如果是含氢大的煤气，可以采用检测泄漏氢气的浓度报警。

如果你对周围的事物仔细观察的话，一定会问：既然煤气没有臭味，为什么做饭用的管道煤气和液化石油气都有一股难闻的臭味呢？其实，煤气或者液化石油气，本来都没有臭味。煤气里的主要成分——

—氧化碳、甲烷或者氢气，都是无色无臭的气体。液化石油气的主要成分丙烷、丁烷、丙烯、丁烯，有点汽油那样的气味，也并不臭。没有臭味人们不知道空气里是不是有煤气，中毒了还不知道；有臭味可以使人警觉，很快发现漏气了，马上采取措施，防止发生爆炸、火灾和中毒事故。什么样的物质可以担任“臭味报警”的角色呢？人们发现，由硫醇担当这个角色再好不过。硫醇是一类奇臭难闻的物质，黄鼠狼的屁臭气熏天，第

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就是由于含有硫醇。人们的嗅觉对硫醇的臭味非常敏感。因此，生产煤气、液化石油气的工厂特意在燃料气里掺进一点点这种臭得出奇的硫醇，充当臭味报警员，以便人们闻到这种臭味时，可以及早发觉煤气泄漏，赶快采取应对措施。

3．煤的液化

煤的直接液化：使煤与

H2

作用生成液体燃料。

煤的间接液化：先将煤转化为

CO 和

H2

，再在催化剂作用下合成

甲醇

等。

如：CO+2H2

CH3OH

(甲醇——常温下为

液

体，可燃。) 甲醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成高级汽油。

我国是世界上最大的耗煤国家，但占总量70％的煤都被直接烧掉，既浪费了资源，又污染了环境。因此，积极开展煤的综合利用是十分重要的。

小结：

（二）石油的综合利用

石油主要是由多种

碳氢化合物（烷烃、环烷烃和芳香烃）组成的混合物，大多数是液态烃，同时溶有气态烃和固态烃（故

没有

固定的熔沸点）。以

C 、

H 元素为主，占97～第

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98％，还含少量S、N、O等元素。石油被称为“工业的血液”，炼制石油可以得到许多有机化合物。

未经加工的石油叫原油，是一种棕黑色粘稠液体。原油含有水、盐类。含水多，炼制时浪费燃料；含盐多会腐蚀设备。所以，原油必须先经

脱水

、

脱盐

等处理过程才能进行炼制。石油的分馏、催化裂化、裂解等都是炼制加工石油的重要手段。

（1）石油的一次加工——分馏：是利用原油中各组分

沸点

的不同进行分离的过程。

石油分馏

常压分馏

制得：

溶剂油、汽油、煤油、柴油、重油

减压分馏

制得：

重柴油、润滑油、凡士林、石蜡、沥青

如图5-23所示，将100 mL石油注入到蒸馏烧瓶中，再加入几片碎瓷片以防石油暴沸。然后加热，分别收集60℃～150℃和150℃～300℃时的馏分，就可以得到汽油和煤油。

石油是烃的混合物，因此没有固定的沸点。含碳原子数越少的烃，沸点越低。因此，在给石油加热时，低沸点的烃先汽化，经过冷凝后分离出来。随着温度的升高，较高沸点的烃再汽化，经过冷凝后又分离出来。这样不断地加热和冷凝，就可以把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物。这种方法就是石油的分馏。分馏出来的各种成分叫做

馏分

。每一种馏分仍然是多种烃的混合物。

在炼油厂中分馏石油的原理与上述实验是一样的，只是设备大、精度高，能进行连续生产。工业上分馏石油是在

分馏塔

内进行的，通过分馏（加热、蒸发、冷却）可以获得

汽油、煤油、柴油

等轻质油。产品特点是轻质油

少

（社会需要量

大

）、重油

多

（社会需要量

小

）。石油经过分馏及对某些馏分的进一步加工精制，就可以得到一系列石油分馏的产品。

说明：

①

两种或多种沸点相差较大且互溶的液体混合物，要进行分离时，常用

蒸馏

或

分馏

的分离方法。

②

分馏（蒸馏）实验所需的主要仪器：铁架台(带铁圈、铁夹)、石棉网、蒸馏烧瓶、带温度计的单孔橡皮塞、冷凝管、牛角管（承接管）、锥形瓶。

③

蒸馏烧瓶中加入碎瓷片的作用是：_防止暴沸

。

④

温度计水银球的位置：_位于蒸馏烧瓶支管口处_。

⑤

冷凝管中进、出水的原则：蒸气在冷凝管内管中的流动方向与冷水在外管中的流动方向

相反

，此时的冷凝效果最好。（

下

口进，

上

口出）

（2）石油的二次加工——裂化和裂解

石油通过分馏获得的轻质油的产量比较低，仅占石油总产量的25％左右。但社会需求量大的正是这些轻质油，为了提高轻质油的产量，特别是提高汽油的产量，还可以采用裂化的方法从重油中获取轻质油。

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石油的裂化是在一定条件下，将相对分子质量较大的烷烃加热分解，含碳原子较

多

、沸点较

高

的烃断裂为含碳原子较

少

、沸点较

低

的烃的过程，裂化所用的原料一般用重油、石蜡等；裂化产物是

汽油（主要）、煤油、柴油

等轻质油。裂化的方式有：热裂化和催化裂化（在催化作用下进行的裂化）。

热裂化：在500℃、20～30大气压进行，可将重油变成轻质油（主要是汽油）

裂化

催化裂化：使用催化剂，在低于热裂化温度下进行，使大分子变成小分子，而小分子则可异构化，从而得到质量较高的汽油。（目的：降低裂化温度、防止结焦）

按图

5-25的实验装置，在试管Ⅰ中放入4 g石蜡（可用蜡烛的蜡代替）和3 g粉末状的氧化铝（或无水氯化铝），加热试管Ⅰ。观察石蜡熔化后反应进行的情况。持续加热5 min～10 min后，观察试管Ⅱ中收集到的液体的颜色，闻它的气味；同时观察试管Ⅲ中酸性KMnO4溶液颜色的变化。

取少量试管Ⅱ中的液体，分别滴入盛有酸性KMnO4溶液和溴水的2支试管中。观察KMnO4溶液和溴水颜色的变化。

实验现象：石蜡加热一段时间后，试管Ⅱ中有无色带有汽油气味的液体生成。同时，试管Ⅲ中的KMnO4溶液的紫色逐渐褪去。试管Ⅱ中的液体，分别滴入盛有酸性KMnO4溶液和溴水，二者均褪色。这些现象说明，在催化剂作用下，石蜡受热裂化生成相对分子质量较低的烃，其中有烯烃。

裂解是石油化工生产过程中，以比裂化更高的温度（700℃～800℃，有时甚至高达1000℃以上），使石油分馏产物（包括石油气）中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短链烃的加工过程。可见，裂解是一种更深度的裂化，可以获得很多重要的化工原料。石油裂解的化学过程比较复杂，生成的裂解气是成分复杂的混合气体，除主要产品乙烯外，还有丙烯、异丁烯及甲烷、乙烷、丁烷、炔烃、硫化氢和碳的氧化物等。裂解气经净化和分离，就可以得到所需纯度的乙烯、丙烯等基本有机化工原料。目前，石油裂化和裂解已成为生产乙烯的主要方法。

例如：

C16H34

C8H18

C4H10

C4H10

+

+

+

+

（3）石油的催化重整，可以使

链状

烃转化为

环状

烃，获得苯、甲苯等重要化工基第

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本原料。所谓“重整”就是把汽油里直链烃类的分子的结构“重新进行调整”，使它们转化为芳香烃或具有支链的烷烃异构体，目的是提高汽油质量（提高异辛烷的含量）和获得芳香烃。重整需要特定的催化剂：一般选用铂或铼，故称铂重整或铼重整或铂铼重整。

小结：

石油气直馏汽油催化重整芳香烃优质汽油煤油石油常压分馏轻柴油重柴油减压分馏润滑油凡士林重油沥青裂化裂化汽油气态烃

石蜡石油的炼制

过程

脱水、脱盐

分馏

裂化

原理

除去原油中的盐和水

减少对设备的腐蚀和耗能

利用加热和冷凝，把石油分成不同沸点范围的产物。

在一定条件下加热，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量较小、沸点较低的烃。

在一定条件下使用催化剂并加热，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量较小、沸点较低的烃。

以石油分馏产品为原料，采用更高的温度，使其中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等小分子

产品及用途

石油气，轻质燃油，石蜡油、润滑油、重油

轻质液体燃料

（裂化汽油）

轻质液体燃料

（裂化汽油）

乙烯

（有机化工原料）

催化裂化

裂解

比较干馏、蒸馏、分馏的差别

类

型

项

目

操作方法

变化类型

目的

资料

液化石油气

城市中许多家庭中烧水、煮饭用的罐装“煤气”，实际上并不是煤气，而是液化石油气。它是石油化工生产过程中的一种副产品，它的主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等，此外，还有少量硫化氢。液化石油气是通过降温和加压压缩到耐压钢瓶中的，钢瓶中的压强约是大气压强的7倍～8倍。所以，瓶中贮存的液化石油气的量较大，可以使用较长的时间。

液化石油气在空气中达到一定比率时，遇到明火会引起燃烧，甚至爆炸，因此使用时要注意防止漏气。

汽油的辛烷值

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蒸馏 分馏

加热和冷凝

物理变化

分离

加热和冷凝

物理变化

精炼

干馏

隔绝空气加强热

复杂的物理变化和

化学变化

加工煤

“辛烷值”是人们用来衡量汽油质量的一种重要指标，它表示了汽油爆震程度的大小。什么是汽油的爆震呢？我们知道，汽油机吸气时，将汽油和空气的混合物吸入汽缸中，通过压缩使气体混合物产生热量，达到一定程度后经点火便会燃烧。

但是一部分汽油不等点火就超前发生了爆炸式燃烧，这种不能控制的燃烧过程，通过汽油机的响声或震动表现出来，这种现象就叫做爆震。汽油的爆震既损失能量、浪费燃料，又损坏汽缸。爆震现象与汽油的化学组成有关，汽油中直链烷烃在燃烧时发生的爆震程度比较大，芳香烃和带有支链的烷烃则不易发生爆震。经过比较发现，汽油中以正庚烷的爆震程度最大，而异辛烷的爆震性最小。人们把衡量爆震程度大小的标准叫做辛烷值，正庚烷的辛烷值定为0，异辛烷的辛烷值定为100。辛烷值越高，汽油的抗爆震性能就越好。

需要注意的是，辛烷值只表示汽油的爆震程度，并不表示汽油中异辛烷的真正含量。我国目前使用的车用汽油的牌号就是按照汽油辛烷值的大小划分的。例如，90号汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。

为了提高汽油的抗爆震性能，过去广泛采用的一种方法是在汽油中添加抗爆震剂四乙基铅[Pb(C2H5)4]。四乙基铅是一种带水果味、具有毒性的油状液体，它可以通过呼吸道、食道或皮肤进入人体，而且很难排泄出去。当人体内的含铅量积累到一定量（大约100 mL血液中含80 μg）时，就会发生铅中毒。加有四乙基铅的汽油称为“含铅汽油”。为了减少汽车等机动车尾气造成的大气铅污染，目前世界上许多国家都已限制汽油中铅的加入量，逐步实行低铅化和无铅化，推广使用无铅汽油。实现汽油无铅化，提高汽油辛烷值，目前主要是通过两种途径，一是改进炼油技术，发展能生产高辛烷值汽油组分的炼油新工艺；一是研究和开发新的提高汽油辛烷值的调合剂，代替四乙基铅作为汽油的抗爆震剂。现在广泛采用的无铅汽油抗爆震剂是

甲基叔丁基醚（MTBE）等。

（三）天然气的综合利用

我国的天然气资源很丰富,但分布很不均匀，为了改善我国东部的能源结构，制定了

西气东输

的计划。天然气的主要成分是甲烷。

天然气是一种高效、清洁的燃料。气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的利用率。气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。……

天然气作为化工原料，主要用于

合成氨

和生产

甲醇

等。

二、例题精选

例1．(07上海卷)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

例2．(07广东理基)下列关于煤、石油、天然气等资源的说法正确的是

A．石油裂解得到的汽油是纯净物

B．石油产品都可用于聚合反应

C．天然气是一种清洁的化石燃料

D．水煤气是通过煤的液化得到的气体燃料

例3．(07上海理综)煤的气化是煤高效、洁净利用的方向之一。

60H2下图为加热某地煤样所得煤气组成及体积分数随温度变化

CH440的曲线图。由图可知该煤气中

A．只含有碳、氢两种元素

20CnHmCOB．所含的有机物是CH4、CnHm、CO C．CO体积分数小于CH4体积分数

01000400600800t/ ℃D．氢气体积分数最大

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例4．(06上海卷)石油是一种重要能源，人类正面临着石油短缺、油价上涨的困惑。以下解决能源问题的方法不当的是

A．用木材作燃料

B．用液氢替代汽油

C．开发风能

D．开发地热

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专题训练：化石能源（煤、石油、天然气）的综合利用

1．我国最近从国外引进一套设备，能把废旧塑料加工成汽油、煤油等。分析该加工过程发生的主要反应类型为：

A．裂解

B．裂化

C．分馏

D．干馏

2．近年来，我国部分地区陆续发现了“毒油”，所谓“毒油”是指混有汽油的食用油，不宜食用。下列有关说法正确的是

A．汽油是纯净物，有固定的沸点

B．汽油只能由石油分馏得到

C．可用静置后看其是否分层来判断食用油中是否混有汽油

D．汽油是含碳原子数为5～11的多种烃的混合物

3．将固体石蜡用氯气漂白后，燃烧时会产生含氯的气体，这是由于石蜡在漂白时发生

A．加成反应

B．取代反应

C．聚合反应

D．催化裂化反应

4．下列关于石油加工的叙述中，不正确的是

A．石油分馏所得的馏分是一种具有固定熔沸点的纯净物

B．石油裂化的主要目的是提高汽油等轻质油的产量

C．石油裂解的原料是含直链烷烃的石油分馏产物，包括石油气

D．石油裂解的主要目的是为了获得乙烯等气态化工原料

5．石油加工的各种处理过程中，属于裂化过程的是

A．分离出汽油和煤油

B．原油脱盐、脱水

C．十六烷变为辛烷和辛烯

D．将直链烃变为芳香烃

6．下列关于石油裂解的说法，正确的是

A．使具有长链的烃深度裂化断裂成各种短链的气态不饱和烃和少量液态烃

B．使直链烃转化为芳香烃

C．避免炭化结焦

D．除去石油中的杂质

7．合理利用能源减少污染符合“绿色化学”的理念。下列关于燃料的说法正确的是

A．乙醇和汽油都是可再生能源，应大力推广“乙醇汽油”

B．含C18以上的烷烃的重油经过催化裂化可以得到汽油

C．煤的高温干馏的产物只有焦炉气，低温干馏的产物只有煤焦油

D．煤油是煤的液化产物，煤气是煤的气化产物

8．石油化工技术自主创新的先行者和绿色化学的开拓者闵恩泽院士，他研制的多种石油炼制催化剂极大地降低了我国石油化工产品的成本。下列说法中正确的是

A．硫酸工业的产量是衡量一个国家石油化工水平发展的标志

B．石油裂化的主要目的是为了获得短链的不饱和烃

C．臭氧空洞的形成与化石燃料煤、石油的大量使用无关

D．石油的主要成分是碳氢化合物

9．已知瓦斯气又叫煤层气，它与天然气成分无异，下列有关说法不正确的是

A．瓦斯气主要成分是甲烷

B．瓦斯气在空气中占任意体积分数时，均会发生爆炸

C．井下加强监测，通风透气、控制瓦斯气浓度并严禁明火，是安全生产的关键

D．煤层气直接排放到空气中，不仅浪费资源还会加剧温室效应

第28届国际地质大会提供的资料显示，深海海底蕴藏着大量的天然气水合物，它是在海底的高压、低温条件下形成的，外观像冰，俗称“可燃冰”。1体积“可燃冰”可贮藏100～200体积的天然气。“可燃冰”是一种晶体，晶体中平均每46个H2O分子构建成8个笼，每个笼内可容纳1个CH4分子或1个游离的H2O分子。若晶体中每8个笼有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离的H2O分子填充，请根据上述信息解答10～12题。

10．海底的天然气与H2O形成的晶体是：A．化合物

B．单质

C．混合物

D．纯净物

11．下列有关“可燃冰”的叙述中不正确的是

A．“可燃冰”也可能成为人类未来的重要能源

B．“可燃冰”是一种比较洁净的能源

C．“可燃冰”为水可能变成油提供了有利的证据

D．“可燃冰”的主要可燃成分是甲烷

12．“可燃冰”的平均组成可用下列的化学式表示

A．3CH4·H2O

B．CH4·3H2O

C．CH4·6H2O

D．CH4·8H2O

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理科基础（化学科）答卷情况反馈表

专题训练：化学能源的综合利用

题号

答案

题号

答案

例1 B 3 B 例2 C 4 A 例3 C 5 C 例4 A 6 A

7 B

8 D

9 B

10 C 1 B 11 C 2 D 12 D

5解析：（A）分离出汽油和煤油属于分馏。（B）脱盐、脱水是属于分馏之前的预处理过程。（C）裂化的目的是为了获得更多更好的汽油，汽油中的烃分子为5～11个碳原子，十六烷断裂为辛烷和辛烯，属于裂化过程。（D）直链烃转化为芳香烃的过程叫重整。所谓“重整”就是把汽油里直链烃类分子的结构“重新进行调整”，使它们转化为芳香烃或具有支链的烷烃异构体等。

6解析：（A）石油的裂解是深度裂化，目的是为了获取大量石油化工原料。作为合成原料主要是气态烯烃，其中以乙烯产量为最大，其次还有丙烯、丁二烯等。裂化产物中还有作为芳香烃的液态产品：苯、甲苯、二甲苯。（B）使直链烃转化为芳香烃属于重整。（C）重油采用减压蒸馏是为了避免炭化结焦。（D）与裂解原理和目的无关。

7解析：（B）含C18以上的固态烃利用率低，交通运输业需要更多的燃料油。使重油长链烃分子断裂就可以得到汽油。使长链烃分子断裂为C5～C11烷烃的过程采用催化裂化的方法。

8．解析：乙烯工业的产量是衡量一个国家石油化工水平发展的标志，选项A错，石油裂化的主要目的是为了得到高质量的汽油，选项B错，臭氧空洞的形成主要与氟氯烃的使用和氮氧化合物的排放有关，氮氧化合物主要来自煤、石油的燃烧及汽车尾气的排放。石油是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的，它们都是碳氢化合物。押题理由：2008年高考化学命题，高频呼声“改革考试内容，试题贴近生活”。能源是制约社会进步的关键，石油必将受到命题者关注。

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