第二节　资源综合利用　环境保护教学目标设计

1第二节资源综合利用和环境保护

第二节

资源综合利用与环境保护

知识与技能：

1、知道化石燃料是重要的自然资源

2、了解化石燃料燃烧对环境的影响，懂得选择对环境污染较小的燃料

3、认识化石燃料综合利用和开发新能源的重要意义

过程与方法：课前学生对学习内容进行社会调查和查阅相关资料；自主学习、培养学生自学能力。

情感态度价值观：培养学生对社会的关注意识；知道学好化学等科学知识，为保护环境，解决能源危机作出贡献。

教学重点：

煤、石油、天然气的综合利用，特别是石油的利用；通过环境保护和绿色化学的有关知识，加强环保意识并培养绿色化学的理念

教学难点：石油裂化的原理

教学过程：

[引言]煤、石油、天然气只人类使用的主要能源，同时也是重要的化工原料。化石燃料的综合开发和利用，在资源的日益匮乏的今天，提高资源的利用率，减少浪费和污染，是人类面临的重大挑战。

一、煤、石油和天然气的综合利用

（一）煤的加工

1、煤的组成

（1）煤的形成：煤的形成有两个阶段，第一阶段是植物残体在化学和生物化学的作用下转变为泥炭，这一阶段是在地面上的泥炭沼泽中进行。第二阶段是煤化作用阶段，生成的泥炭由于地壳的运动下沉被粘土、泥沙埋藏，在温度和压力等物理化学作用下转化为褐煤、烟煤、无烟煤。

总之，煤是由古代植物遗体埋在地层下或在地壳中经过一系列非常复杂的物理、化学等作用而形成的。

（2）煤的分类：根据含碳量的多少，可以把煤分为如下几类：无烟煤（含碳85%-95%左右）、烟煤（含碳70%-85%）、褐煤（含碳50%-70%）、泥煤（含碳50%-60%）。煤的含碳量越高，燃烧热值也越高，质量越好。

（3）煤的组成：是由有机物和无机物所组成的复杂的混合物，主要含有碳元素，此外还含有少量的氢、氮、硫、氧等元素以及无机矿物质（主要含硅、铝、钙、铁等元素）。

（二）综合利用

1、煤的干馏：把煤隔绝空气加强热使它分解的过程，叫煤的干馏。

OOO在炼焦炉里，把煤隔绝空气加强热到1000C以上，叫高温干馏；500C-600C叫低温干馏。干馏是复杂的化学、物理变化。工业上炼焦就是利用了煤的干馏的原理。

在煤分解的过程中，可以生成焦炭、煤焦油、粗氨水和焦炉气等。其中焦炭是冶金工业的重要原料；煤焦油中含有各种烃的同系物和酚类，是重要的化工原料，焦炉气中含有甲烷、乙烯、一氧化碳等气体燃料，是重要的燃料；粗氨水可以生产化肥。这样，煤就可以得到综合利用。

2、煤焦油的分馏

苯、甲苯、二甲苯和其它苯的同系物

2第二节资源综合利用和环境保护

煤焦油

酚类和萘

复杂的芳香族化合物（如蒽）

煤焦油在分馏后剩下的稠厚的黑色物质是沥青。

[表4-2]煤干馏的主要产品和用途

产品

主要成分

用途

气体燃料、化工原料

化肥、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

氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳

出炉煤气

粗氨水

氨、铵盐

粗苯

煤焦油

焦炭

苯、甲苯、二甲苯

苯、甲苯、二甲苯

酚类、萘

沥青

碳

从上可知，煤是个宝，人们爱称它是“乌金”。但煤加工或燃烧时产生的废气废渣等也会造成环境污染。

【复习】几种混合气体的主要成分

炼厂气（石油炼制的副产气）：主要为丁烯、丙烯、乙烯等气态混合气。

[过渡]为了提高煤的热值、防止污染，我们可将煤气化和液化。

3、煤的气化：把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程。

煤的气化主要是将煤与水作用生成水煤气。

 CO(g)+H2(g) 主要反应为：C (s)+H2O(g) 高温

说明：煤气化后得到的气态燃料，其成分、热值及用途不尽相同，但是燃烧后的产物均为二氧化碳和水，比较清洁。而且与煤的直接燃烧相比，热利用率也提高了。

4、煤的液化：把煤转化成液体燃料的过程。

直接液化：煤溶于有机溶剂与H2在高温高压、催化剂的作用下得到液体燃料。

间接液化：（如表）先将煤转化为CO和H2，

3第二节资源综合利用和环境保护

再在催化剂作用下合成甲醇等。

[总结]煤的干馏、气化、液化的比较

煤的综合利用

原理

干馏

气化

液化

将煤隔绝空气加强把煤中的有机物转把煤转化成液体燃热，使其分解的过化为可燃性气体的料的过程

程

过程

煤

煤

煤

液体燃料（甲醇、汽油等）

焦炭、煤焦油、粗H2、CO 氨水、焦炉气等

原料

产品

（二）天然气

（1）做燃料（2）做化工原料：用于合成氨和生产甲醇等，合成多碳有机物等。

（三）石油加工

1、形成过程：是各种有机物特别是低等植物的藻类、细菌、蚌壳、鱼类等死后埋藏在不断下沉的缺氧的海湾、泻湖、三角洲、湖泊等地下，经过许多物理化学作用，最终逐渐形成的液体。

2、石油的成分：主要是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的有机化合物。主要含C、H元素（占质量分数平均为97%—98%），还有少量的O、N、S、P等元素。

直接开采出来的原油可直接利用的价值不高，必须将石油中的各成分进一步分离从而各尽其用。

3、石油的分馏

石油是混合物，没有固定的熔、沸点，而所含的烃含碳原子数不同，其熔、沸点不同。含碳原子数越少的烃，沸点越低。加热时先汽化，可先分离出来。所以用蒸馏的方法进行分馏。

分馏可分为常压分馏和减压分馏。如对石油常压分馏后的重油，要想再分离，必须再升温才能得到其他馏分；但高温下，一些烃会分解，更严重的是会炭化结焦，损坏设备，影响正常生产。所以降低压强，使物质的沸点降低，进行分馏。

分馏的产物：

[注意]常压蒸馏得到的是：C4以下的液化石油气，直馏汽油（烷烃混合物）、煤油、柴油等。

重油减压蒸馏可得到润滑油、石蜡等产品。

石油分馏得到的汽油、煤油、柴油等轻质液体燃料仅占石油产量的25%左右。为了提高液体燃料，尤其是汽油的产量，工业上采用裂化的方法。

4、石油的催化裂化和裂解

4第二节资源综合利用和环境保护

催化剂

例、

裂化：在一定条件下，将相对分子量较大、沸点较高的烃断裂为相对分子量较小的烃、沸点较低的烃的过程。使用催化剂作用下的热裂化叫催化裂化。

[理解]①所得产物为烷烃和烯烃的混合物。裂化汽油不能用作卤素的萃取剂。

②裂化遵循质量守恒定律。

③裂化的形式多，所得的产物种类多。如、丁烷的裂化产物是甲烷、丙烯、乙烷、乙烯的混合物。

④石油化工生产过程中，用石油分馏产品作原料，采用高温700～800℃或1000℃以上，使长链分子的烃断裂为各种短链的气态烃和少量的液态烃，这个过程叫石油裂解。石油裂解为深度裂化。石油裂解气主要含乙烯、丙烯、丁烯等。把裂解气分离，可以得到化工原料。乙烯、丙烯、甲烷等都是通过石油裂化和裂解得到的重要化工原料。

5、其它的石油加工

石油经过催化重整，可以使链状烃转化为环状烃，获得苯、甲苯等重要化工基本原料。

[讲解]我国是世界上最早发现和利用石油的国家之一，石油资源很丰富。先后开发和建立了胜利、华北、中原、大港等石油基地。我国沿海海底也发现石油资源。目前，我国已向世界上许多国家和地区提供原油和石油产品，在发展石油工业过程中，必须注意废水、废气、废渣的处理。海上采油要防止对江河湖海的污染，注意保护环境和保障人民健康。

[小结]石油的分馏、裂化、裂解比较

炼制方法

分馏

原理

裂化

裂解

利用各成分沸点不同

把相对分子质量大、沸点高深度裂化

分离成不同物质

的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃

重油、石蜡等

石油分馏产品

乙烯、丙烯、丁二烯等

C16H34加热加压

C8H16+ C8H18主要原料

原油

主要产品

溶剂油、汽油、煤油、汽油

航空煤油等

[练习]1、丁烷催化裂化时，碳链按两种方式断成的两种烯烃的质量相等，同时生成两种烷烃，假定裂解率为90%，试求所得混合气体中，甲烷的体积分数。（答案：18.95%）

2、C8H18在一定条件下受热裂化可生成CH4、C2H6、C3H6、C2H4、C4H8

5种气体组成的混合气体，此混气的平均式量为（C）

A、14 B、15 C、38 D、无法确定

（提示：按等碳裂化得38，按任意裂化得5种产物得大于28.5。故得范围值）

二、以煤、石油和天然气为原料生产合成材料

我们熟悉的塑料、合成橡胶、合成纤维都主要是以石油、煤、天然气为原料生产的。

1、聚合反应和高分子化合物

由低分子（相对分子质量小）生成高分子化合物（相对分子质量巨大）的反应叫做聚合反应。分加聚和缩聚两种。

加聚反应，如：n CH2=CH2

CH2－CH2

n 缩聚反应，如：

5第二节资源综合利用和环境保护

聚乙烯是由成千上万个乙烯分子在一定条件下发生聚合反应生成的相对分子质量巨大的高分子化合物。相对分子质量巨大是高分子化合物的基本特征，也是它们与低分子化合物的根本区别。高分子化合物有天然的，如蛋白质、纤维素、淀粉等，也有人工合成的，如聚乙烯等。塑料、合成橡胶和合成纤维三大人工合成的高分子材料。

三、环境保护和绿色化学

［引言］俗话说：“明枪易躲，暗箭难防”。难防，不等于不触防

。隐藏在我们身边的无形杀手究竟是什么? （一）化石燃料对环境的影响

由于化石燃料是目前世界一次能源的主要部分，其开采、燃烧、耗用等方面的数量及对环境的影响也令人关注．

对环境的影响最典型的是煤炭开采，包括开采对土地的损害、对村庄的损害和对水体的污染，据不完全统计，迄今为止平均每开采1万吨煤炭塌陷农田0.2公顷，平均每年塌陷2万公顷．开采时水污染对生态环境的影响也量大面广，平均每开采1吨原煤需排放2吨污水．有些地区，由于水体的严重污染，造成居民用水短缺．

化石燃料在利用过程中对环境的影响主要是燃烧时的各种气体与固体废物和发电时的污染．化石燃料产生的污染物对环境的影响主要有两个方面．一是全球气候变化．燃料中二氧化碳进入大气，使大气中二氧化碳的浓度增大，从而导致温室效应，改变了全球的气候，这是热污染．火电站发电所剩“余热”被排出到河流、湖泊、大气或海洋中，在多数情况下，会使水温升高．例如，这种废热水进入水域时，其温度比水域的温度平均要高出7～8度，以致明显改变水域周围的环境．

（二）原子能化石燃料对环境的影响

核动力是利用铀—235(或钚—239)在中子轰击下发生裂变，同时释放出核能，将能量用来驱动发电机组，发出电来作为动力．由于核动力的燃料是核燃料(铀或钚)，相比于煤或石油具有无气污染，无漏油等问题．它的缺点是存在放射性污染，因此为了保证安全，要求由反应产生的废物应与环境隔离，不让它进入生态环境．目前国内外公认比较好的处理技术是深部地下将反应完全的放射性废物进行玻璃固化后，将其埋藏于数百米深的岩层中．

首先在深部岩层中开挖洞室，将玻璃固化体装入不锈钢容器内，然后把容器放入洞底，用湿润土材料进行密闭，阻止万一情况下发生的放射性物质向周围的扩散和转移．

（三）水力发电对环境的影响

水库建造的过程与建成之后，对环境的影响主要包括以下几个方面：

自然方面：巨大的水库可能引起地表的活动，甚至有可能诱发地震．此外，还会引起水位改变．如下游水位降低或来自上游的泥沙减少等．水库建成后，由于蒸发量大，气候凉爽，炎热天气减少．

生物方面：对陆生动物而言，水库建成后，可能会造成大量的野生动植物被淹没死亡灭绝．对水生动物而言，由于上游生态环境的改变，会使鱼类受到影响，导致灭绝或种群数量减少．由于上游水域面积的扩大，使某些生物(如钉螺)的栖息地点增加，为一些地区性疾病的传播、蔓延创造了条件．

物理化学性质方面：流入和流出水库的水在颜色和气味等物理化学性质方面发生改变，深层水的密度、温度，甚至溶解氧等有所不同，深层水的水温低，而且沉积库底的有机物由于厌氧分解，水体的二氧化碳含量明显增加．

社会经济方面：修建水库可以防洪、发电，也可以改善水的供应和管理，增加农田的产量．不利之处，如受淹地区城市搬迁、农村移民安置会对社会结构、地区经济发展等产生影

6第二节资源综合利用和环境保护

响，若大局计划不周，社会生产和人民生活安排不当，还会引起一系列的社会问题．另外，自然景观的淹没与破坏，更是文化和经济上的一大损失．应当事先制定保护规划和落实保护措施． ［总结］“要增强全民族的环境意识，保护和合理利用土地、矿藏、森林、水等自然资源，努力改善生态环境”。这是社会对我们提出的要求。环境保护这一功在千秋大业的工作，决不仅仅是少数专业人员的责任。地球上每一个公民，都有义务来维护周围的环境。

作为肩负新世纪历史重任的青年一代，我们应从小做起、从身边做起，树立环保意识，增强保护环境的社会责任感和紧迫感，并自觉地投入到保护环境的行动中去。

古人说：“千里之行，始于足下。”如果每个人都能从身边做起，会是怎样的结果? 有人做过这样一个算术题：如果把世界上所用纸张的一半加以回收利用，就可满足人们对新纸张需求量的75%，这样不仅可使8万平方千米的森林免于因造纸而惨遭砍伐，而且可使环境污染显著减轻。又如，使用易拉罐作为饮料容器将消耗大量的铝，而炼铝又消耗大量能源并产生环境污染。而节纸用纸、不喝易拉罐饮料，回收易拉罐却是每个人日常生活中很容易做到的事件。因此，环境保护就在我们每一位的身边。

“一室不扫，何以扫天下”。胸怀大志的青年朋友，让我们携起手来从身边做起吧! 四、探究活动

(一)探究煤的燃烧形成的酸雨及其危害

煤的主要成分是碳，但含有较多的硫元素，燃烧时产生SO2，SO2与CO2一样，也能和水反应，生成亚硫酸(H2SO3)，亚硫酸在空气中的铁锰氧化物的催化作用下，最终转化为硫酸，另外，煤燃烧时还能产生二氧化氮气体，这也是形成酸雨的一种有害气体．

酸雨主要是由大气中二氧化硫成分增多所致，二氧化硫及其氧化物和生成的水化物随雨雪、雾降到地面就形成了酸雨．酸雨能使土壤酸化、养分淋溶、肥力降低；使地面水、地下水酸化，影响植物生长；使水中生物和鱼类大批死亡，甚至绝迹；破坏生态平衡；酸雾能附着在人们的支气管粘膜上，使呼吸道感染，危及人体健康．

(二)汽车用燃料的燃烧

目前，多数汽车使用的燃料是汽油或柴油，它们燃烧时产生的一些物质会直接排放到空气中，对空气造成污染．尾气中的一氧化碳、未燃烧的碳氢化合物、氮的氧化物、含铅化合物等都是污染物．

为了减少汽车尾气对空气的污染，目前在燃料使用和汽车制造技术方面已采取了一些措施，如：(1)改进发动机的燃烧方式，以使汽油能充分燃烧；(2)使用催化净化装置，使有害气体转化为无害物质；(3)使用无铅汽油，禁止含铅物质排放．同时，在管理上，加大检测尾气的力度，禁止没达到环保标准的汽车上路．

目前，一些城市的部分汽车已改用压缩天然气(CNG)或液化石油气(LPG)作燃料，以减少对空气的污染．

综合上述讨论，可知煤和石油等化石燃料燃烧造成对空气的污染，主要有以下几方面原因：

(1)燃烧中的一些杂质如硫等燃烧时，产生空气污染物如二氧化硫等；

(2)燃料燃烧不充分，产生一氧化碳；

(3)未燃烧的碳氢化合物及碳粒、尘粒等排放到空气中．

（三）化学与环境保护的关系

化学在环境保护上的应用主要有以下几个方面：

（1）对环境情况进行监测：对污染物的存在形态、含量进行分析和鉴定。

（2）治理三废：对生产过程中产生的废气、废水和废渣进行处理，减少环境污染，实现资源的回收利用。

（3）寻找源头治理环境污染的生产工艺，实施清洁生产——绿色化学

7第二节资源综合利用和环境保护

绿色化学的核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。按照绿色化学的原则，最理想的“原子经济”就是反应物的原子全部转化为期望的最终产物，这是原子利用率为100%。