课题3　石油、煤和天然气的综合利用教学设计(第一课时)

煤的综合利用 一碳化学

学案

【学习目标】

1.了解煤的组成和用途以及深加工产品的广泛用途

2.了解一碳化学的含义，掌握煤的干馏、气化和液化原理。

3.了解煤的干馏产品和用途。【重点难点】

煤的干馏、气化和液化原理

[来源学科网ZXXK]

课前预习

【情景材料】世界各国正致力于煤炭转化技术的开发利用，期望通过把煤炭转化为洁净的二次能源（流体燃料）减轻对大气环境的破坏；也需要以煤为原料为人们的生产和生活提供更多化工产品和制品。包括煤的焦化、加氢、液化、气化、氧化以及用煤制造电石以获取更多的乙炔，去制造各种化工原料。煤经气化制合成气（CO和H2），再由CO（即C1化学）可制造多种化学品。煤液化制取苯等芳香烃已日益引起人们的关注。

【预习内容】

根据教材有关内容填写下列空白：

一、煤的综合利用

1.组成成分

主要含

元素，是多种

和

组成的复杂混合物。

2.分类

、

、

、

等。

3.的干馏

将煤

叫做煤的干馏。

4.煤的气化和液化

(1)煤的气化

煤的气化是

过程，煤气化的主要化学反应是碳和水蒸气的反应：

。

(2)煤的液化

煤的液化是

。煤的液化分直接液化和间接液化。

①直接液化是

生成液体燃料。主要产品是

、

、

和其他化工原料，并同时副产

、

、

和

等。

②间接液化则是先把煤转化成一氧化碳和氢气(合成气)，然后再经过催化合成得到烃类燃料、醇类燃料及其他化学品。

二、一碳化学

1．一碳化学是以

来合成一系列化工原料和燃料的化学。也可以说，一碳化工就是新

一代的

和

。

2．煤气化的主要反应式：

。

3．天然气重整：

。

4．使用不同的催化剂，可以从合成气制出不同的产物，这就是

，由CH4、CH3OH等含一个碳原子，通过催化反应直接生成新的化合物，叫

和

。

预习内容答案

一、碳 有机物 无机矿物 无烟煤 烟煤 褐煤 泥煤 隔绝空气加强热使其分解的过程 [来源学科网ZXXK]把煤中的有机物转化为可燃性气体的 C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)

把煤转化成液体燃料的过程

把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压和有催化剂的条件下，使煤与氢气作用

优质汽油

柴油

芳香烃

燃料气

液化石油气

硫黄

氨气

二、分子中只含一个碳原子的化合物(如CO、CH4、CH3OH等)为原料

煤化工

天燃气化工

2C＋O2CH4＋H2O(g)

2CO

C＋H2O(g)

CO＋H2

CO＋H2O(g)

CO2＋H2

CO＋3H2

合成气化学

甲烷化学

甲醇化学

堂中互动

【问题探究1】天然气、石油气、裂解气、焦炉气、水煤气的来源及主要成分区别？

【教师点拨】参考必修2教材P95的资源综合利用表4-2和选修2教材P40～P41。

分析解答: 来源

矿藏

主要成分

甲烷

分馏

短链烷烃

烯、丁二烯

裂解

乙烯、丙

干馏

H2、CH4、

C2H4、CO 水蒸气反应

CO、H2

天然气

地下

石油气

石油的

裂解气

石油的

焦炉气

煤的

水煤气

碳与高温

【即学即练1】某混合气体通过溴水(使其褪色)，再通过灼热的氧化铜(使其由黑色变红色)，再通过无水CuSO4白色粉末(使其变蓝色)，再通过澄清石灰水(石灰水由澄清变浑浊，再变澄清)，最后剩余气体在空气中点燃，火焰呈蓝色，这种混合气体是(

) A.水煤气

B.焦炉煤气

C.石油液化气

D.高炉煤气

1.B【解析】水煤气主要成分为CO、H2等，焦炉煤气主要成分为H2、CH4、C2H4、CO等，石油液化气主要成分为C3H4、C4H10，高炉煤气主要成分为CO2、CO、N2等。能符合题意的气体只有焦炉煤气。

【问题探究2】煤的干馏与石油的分馏本质上有何差别？

【教师点拨】把握概念的内涵，找到区别的本质在是否化学反应。

分析解答：分馏：用加热蒸馏、冷凝的方法把液体混合物分成不同沸点范围的产物，里面无新物质生成，属于物理过程。煤的干馏是指把煤隔绝空气加强热，使煤分解的过程，是化学

变化。

【即学即练2】下列说法正确的是(

) A.把煤加强热使之分解的过程叫干馏

B.煤的干馏属于化学变化

C.煤是工业上获得芳香烃的一种重要来源，主要存在于煤干馏所得的焦炉气中

D.煤中含有苯和甲苯，可以用先干馏后分馏的方法把它们分离出来

2.B【解析】煤的干馏是将煤隔绝空气加强热的过程，选项A中没有强调“隔绝空气”这个重要条件，因此是错误的；煤干馏时发生了分解反应，是化学变化，故选项B正确；煤高温干馏的产物主要是焦炭，同时得到焦炉气、煤焦油、粗氨水等。焦炉气的主要成分是H2和CO等气体，芳香烃主要存在于煤焦油中，故选项C不正确；煤经过干馏发生复杂的物理、化学变化后得到煤焦油等物质，煤焦油是含有多种芳香族化合物的复杂混合物，煤焦油在170 ℃以下蒸馏出来的馏出物中主要含有苯、甲苯、二甲苯和其他苯的同系物等，所以不能说煤中含有苯和甲苯，故选项D不正确。

[来源学科网]练案

（课堂反馈 满分50分）

一、选择题（每小题5分，共35分）

1.我国多位工程院士指出：发展生物柴油具有战略意义。所谓生物柴油就是以大豆、油菜子等油料作物，油棕、黄连木等油料林木果实，工程微藻等水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的汽油、柴油代用品。据以上信息，下列有关生物柴油的说法中错误的是( )

A.生物柴油是可再生能源

B.生物柴油的组成成分与矿物柴油完全相同

C.发展生物柴油有益于保护生态环境

D.发展生物柴油有利于调整产业结构，增加农民收入

1.B【解析】这是一道涉及环境、能源、产业结构调整等多学科问题。矿物柴油主要是石油分馏后的C15~C18的多种烃的混合物，而生物柴油的组成成分主要为甘油与高级脂肪酸形成的酯。根据题中叙述不难得出答案。

2.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

2.C【解析】本题主要考查煤、石油和天然气的综合利用，对所给选项分析如下:A项汽油是多种烃的混合物；B项石油产品包含烷烃、烯烃等物质；C项天然气的主要成分是CH4，是一种清洁能源；D项水煤气是指CO与H2的混合气,是由C+H2O(g)CO+H2反应得到的。

3.煤的干馏和石油的分馏，两种变化在本质上的差别是( ) A.加热的温度不同 B.得到的产品不同

C.前者要隔绝空气，后者不必 D.干馏是化学变化，分馏是物理变化

3.D【解析】分馏：用加热蒸馏、冷凝的方法把液体混合物分成不同沸点范围的产物，里面无新物质生成，属于物理过程。煤的干馏是指把煤隔绝空气加强热，使煤分解的过程，是化学变化。

4.下列说法中正确的是(多选)(

) A.煤是各种芳香烃组成的混合物

B.煤燃烧时，会产生大量二氧化硫、氮氧化合物、碳氧化合物和烟尘等污染物

C.煤是以单质碳为主的复杂混合物

D.以煤为主要原料，不仅可以合成甲醇，还可以加工成高级汽油

4.BD【解析】煤是由复杂的无机物和有机物组成，除主要含有C元素外，还含有H、O、S、N等元素，但不含碳单质和简单的有机物，因此A、C是错误的。煤燃烧会产生大量的二氧化硫等污染物，所以B正确。

5.利用合成气(H2+CO)生产汽油、甲醇和氨等已经实现了工业化，合成气也可转化成醛、酸、酯等多种产物。下列表述正确的是( )

①以合成气为原料的反应都是化合反应

②改变合成气中CO与H2的体积比，可以得到不同产物

③合成气的转化反应需在适当的温度和压强下通过催化完成

④从合成气出发生成液态烃或醇类有机物是实现“煤变油”的有效途径

⑤以合成气为原料的反应产物中不可能有烯烃或水

A. ①②④

B. ②③④

C. ②④⑤ D. ③④⑤ 5.B【解析】本题主要考查对化学反应的基本类型、化学反应条件及产物判断等方面的掌握情况。以合成气为原料的反应不一定都是化合反应，所以①错；以合成气为原料的反应产物中可能有烯烃或水，可通过题设条件来判断，所以⑤错。

6.为了更好地解决能源问题，人们一方面研究如何提高燃煤的燃烧效率，另一方面寻找能源，以下做法不能提高燃烧效率的是(

) A.煤的气化与液化

B.液体燃料呈雾状喷出

C.通入大量的空气

D.将煤粉碎

6.C【解析】A、B、D都是通过改变燃料的状态，来增大反应物的接触面积，使其充分燃烧；C通入大量空气，也能使燃料充分燃烧，但大量气体逸出时会带走热量。

7.下图是模拟煤的干馏的实验装置，下列有关叙述错误的是(

) ．．[来源学#科#网Z#X#X#K]

A.图示实验中发生了化学反应

B.实验后水溶液的pH＞7，溶液Y是黑色黏稠的煤焦油，上层X是粗苯等

C.气体Z中有些成分易燃，且可以还原氧化铜

D.液体Y是一种纯净物

7.D【解析】将煤隔绝空气加强热使其分解，可得到多种物质，属于化学变化，A正确。所得到的产物为焦炉气(含有甲烷、氢气、乙烯、二氧化碳等)、煤焦油(不溶于水的一种多成分混合物)、粗氨水(溶于水)、粗苯、焦炭等，焦炉气中的氢气等可以还原氧化铜，且易燃，C正确。氨水的pH＞7，煤焦油居于水层以下，粗苯等居于水层以上，故B正确。由于煤焦油中含多种物质成分，故属于混合物，D错误。

二、填空题（共15分）

8.(6分)目前上海大部分城市居民所使用的燃料主要是管道煤气，浦东新区居民开始使用天然气作为民用燃料。管道煤气的主要成分是CO、H2和少量烃类，天然气的主要成分是CH4。它们的燃烧反应式如下：

2CO＋O22CO2

2H2＋O22H2O

CH4＋2O2CO2＋2H2O 根据以上化学方程式判断：燃烧相同体积的管道煤气或天然气，消耗空气体积较大的是

________。因此燃烧管道煤气的灶具如需改燃烧天然气，灶具的改进方法是________(填“增大”或“减小”)进风口，如不作改进可能产生的不良后果是________。管道煤气中含有的烃类，除甲烷外，还有少量乙烷、丙烷、丁烷等，它们的某些性质见下表：

熔点/℃

沸点/℃

乙烷

－183.3 －88.6 丙烷

－189.7 －42.1 丁烷

－138.4 －0.5 试根据以上某个关键数据解释严寒的冬天有时管道煤气火焰很小，并且呈断续状态的原因是___________________。

8.天然气

增大

不能充分燃烧，生成有毒的CO 丁烷遇冷凝结为液体使管道内气流不畅【解析】由反应方程式可知，燃烧相同体积的管道煤气和天然气，天然气消耗O2的体积大。因此，由管道煤气改烧天然气，就必须增大进氧气的量，以保证天然气充分燃烧，以防天然气不完全燃烧生成C0，造成一氧化碳中毒。由表中数据知，丁烷沸点为－0.5 ℃，易液化。在寒冷的冬季由于温度偏低使丁烷液化，导致管道内气流不畅，出现火焰很小且呈断续状态。

9.(9分)

下图为实验室干馏煤的装置图，请回答下列问题：

(1)指出图中各仪器的名称：a________；b：________；c：________；d：________。

(2)装置c的作用是________，d中的液体有________和________。其中的无机物里溶有________，可用________检验出来；有机化合物可以通过________的方法使其中的重要成分分离出来。在170～230 ℃时可得到________，加热到230 ℃以上可以得到________。

(3)e处点燃的气体主要是________，火焰的颜色是________色。

3.(1)酒精喷灯

铁管

烧杯

U形管

(2)冷水浴

煤焦油

粗氨水

氨

酚酞

分馏

酚类和萘

更复杂的芳香族化合物(如蒽) (3)CH4、H2

淡蓝

【解析】

煤干馏是将煤隔绝空气加强热使其发生分解的过程，煤干馏后得到焦炭、煤焦油、焦炉气和出炉煤气。

[来源学科网]（课后拓展）

1.煤干馏制得的煤焦油中含一种烃A，A的相对分子质量为128，则其分子式可能是________或________。若A是易升华的块状晶体(芳香烃)，则其结构简式可能为________。

1.C9H20

C10H8

【解析】本题考查烃的化学式与相对分子质量的关系以及如何根据相对分子质量推导化学式。烃是由碳氢两种元素组成的有机物，CH2是烃骨架的基础，CH2的式量是14，若用烃的相对分子质量被14除后，正好除尽的是烯烃或环烷烃，若除不尽，余2的是烷烃；加2就可除尽的是炔烃及其同系物。本题是相对分子质量为128的烃，除以14后，商为9余2，就可确定是烷烃C9H20，然后我们又可考虑分子中减少或增加1个碳原子，同时必然增加或减少12个氢原子，此时C10H8符合题意，又因为A是易升华的片状晶体，所以是萘。

2.煤是一种常用的燃料，由于煤中含有硫元素，其直接燃烧产生

的有害气体会对环境造成污染，因此需要对煤进行加工，或将废气净化后再排放。

(1)煤直接燃烧产生的废气，直接排放到空气中，导致的环境问题是 ；该过程发生反应的化学方程 。

(2)下图是对煤燃烧产生的废气进行常温脱硫处理的基本流程图．写出废气脱硫过程中

发生的主要反应的化学方程式 。

(3)根据上图分析，若在煤中直接添加一种物质，即可有效降低煤燃烧产生的废气中SO2的含量，你认为可以添加的物质是 。

2.(1)空气污染、酸雨(2分)；2SO2+ O2 =2SO3

SO3+H2O=H2SO4(或SO2+H2O=H2SO3

2H2SO3+O2=2H2SO4) (2)CaCO3+SO2=CaSO3+CO2↑

2CaSO3+O2=2CaSO4

CaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O (3)CaO [或石灰石均可得分] 【解析】在燃煤废气脱硫的过程中，CaSO3转化为CaSO4·2H2O时通入空气，的是补充氧气，使CaSO3充分转化为CaSO4。

3.已知煤的结构模型如下图所示：

回答下列问题：

(1)从煤的结构模型来看，煤是工业上获得___________烃的重要来源。

(2)我国大约70%的煤是直接用于燃烧的。从煤的结构模型来看，在提供热量的同时产生大量的___________、___________等气体物质，造成严重的大气污染。

(3)“型煤”技术不仅可以减少87%的废气排放量，烟尘排放量也可减少80%，致癌物苯并［a］芘的排放量也减少，同时节煤20%~30%。“型煤”技术的原理是利用固硫剂在燃烧过程中生成稳定的硫酸盐。某“型煤”生产厂利用石灰石作固硫剂，试用化学方程式表示其“固硫”过程：______________________、______________________。

(4)为了解决煤燃烧所造成的污染问题和提高煤的利用价值，煤资源的综合利用方法还有___________、___________、___________等。

3.(1)芳香

(2)SO2 氮的氧化物

(3)CaCO3CaO+CO2↑ O2+2CaO+2SO2=2CaSO4

(4)干馏 气化 液化

【解析】从煤的结构模型图可以看出，它是工业上芳香烃的重要来源；直接燃烧会产生二氧化硫及氮的氧化物而污染大气；石灰石固硫，实际上是利用CaCO3分解产生的CaO结合SO2，在煤燃烧时生成CaSO4；煤的干馏、气化、液化等是对煤资源综合利用的重要方法。