2019-2020年高中化学必修2化石燃料与有机化合物教材分析.doc

2019-2020年高中化学必修2化石燃料与有机化合物教材分析三、从煤中获得的有机化合物（一）煤的综合利用人类利用煤炭的历史悠久。煤可以分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥煤等，它们的含碳量不同（见下表），发热量也不同，一般含碳量高的，发热量也高。煤除了主要含碳外，还含有少量的氢、氮、硫、氧等元素及无机矿物质。各种煤的含碳量范围煤的种类无烟煤烟煤褐煤泥煤碳的质量分数/%859570855070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（1）煤的干馏的涵义将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，叫做煤的干馏。工业上炼焦的原理是将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，煤分解得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水和粗苯等。（2）煤干馏的主要产品及其主要用途。煤干馏的主要产品和用途干馏产品主要成分主要用途出炉煤气焦炉气氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳气体燃料、化工原料粗氨水氨气、铵盐氮肥粗苯苯、甲苯、二甲苯炸药、染料、医药、农药、合成材料煤焦油酚类、萘医药、染料、农药、合成材料沥青电极、筑路材料焦炭碳冶金、燃料、合成氨造气注意：在煤的干馏过程中所发生的变化是很复杂的化学、物理变化。将煤干馏的条件有两个：一是要隔绝空气，目的是防止煤在空气中燃烧；二是要加强热。碳、煤和炭三者既有联系又有区别。碳是化学用语中常用文字，如碳元素、碳原子等。煤是古代的植物体在不透空气或空气不足的情况下，受到地下的高温和高压而变质形成的黑色固体矿物，煤也叫煤炭。从组成元素上看，煤中的主要元素是碳，还含有氢、氧、氮、硫等多种元素；从组成物质上看，煤是多种有机物和多种无机物组成的混合物。炭是碳元素单质中的无定形碳木炭，焦炭、活性炭、炭黑。用X射线研究发现，木炭主要是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，活性炭、焦炭和炭黑等也具有类似的构成。木材干馏所得的黑色固体就是木炭。在隔绝空气的情况下，给木炭加强热，并且不断地通入水蒸气，除去粘附在木炭表面的油质，使管道畅通，来增加木炭的总表面积，经过这样加工的木炭叫做活性炭。煤干馏所得的黑色固体叫做焦炭。含碳元素的燃料不完全燃烧、甲烷高温分解等形成的黑色固体叫做炭黑。2.煤的气化和液化（1）煤的气化原理、用途煤的气化是把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程。煤气化的主要化学反应是碳和水蒸气的反应：C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g）这是一个吸热反应，所需热量一般由同时进行的碳的燃烧反应来提供。C（s）+O2（g）CO2（g）碳燃烧时既可以使用空气，也可以使用氧气，但得到的煤气的成分、热值及用途都不同，分别叫做低热值气和中热值气。中热值气在适当催化剂作用下，又可转变成高热值气。（2）煤液化的原理、用途煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当的溶剂混合，在高温、高压下（有时还使用催化剂），使煤与氢气作用生成液体燃料，这就是把煤直接液化的一种方法。煤还可以进行间接液化，就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。煤间接液化的产品和用途煤间接液化的前景3.煤综合利用的重要意义煤燃烧时不仅产生我们所需的能量，同时还会产生大量的二氧化硫、氮的氧化物、碳的氧化物和烟尘等污染物。为了减少煤燃烧时对环境造成的污染，人们一方面采取措施，改进燃煤技术，改善燃煤和排烟设备；另一方面，设法把煤转化成清洁的燃料。煤的气化和液化就是使煤变成清洁能源的有效途径，与此同时，煤的燃烧效率等也得到提高。在加工煤炭以及使用煤作燃料的过程中，对于所产生的煤灰、煤渣，“废气”“废液”都加以合理的处理和利用，一定要做到消除污染，保护环境。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。因此开展煤的综合利用是十分重要的。注意：蒸馏、分馏、干馏三个概念的区别。蒸馏：把液体加热到沸腾变为蒸气，再使蒸气冷却，凝结成液体的操作。蒸馏可使混合物中沸点较低的组分挥发而达到混合物分离或除杂质的目的。被蒸馏的混合物中至少有一种组分为液体。各组分沸点差别越大，挥发出的物质（馏分）越纯。若不同组分之间沸点差小，或不同组分互溶形成恒沸液体，馏分则不纯。分馏：对多组分混合物在控温下先后、连续进行两次或多次蒸馏。分馏可使多组分混合物在一个完整的操作过程中分离为两种或多种馏分而达到混合物分离或除杂质的目的。干馏：把固态混合物（如煤、木材）隔绝空气加强热使它分解的过程叫做干馏。蒸馏和分馏同属物理变化，干馏过程往往发生复杂的物理、化学变化。（二）苯（C6H6）1.苯的物理性质煤干馏得到的苯、甲苯、二甲苯等是重要的化工原料。苯是没有颜色，带有特殊气味的液体，苯有毒，密度比水小，不溶于水，熔点是5.5，沸点是80.1，如果用冰来冷却，苯可以凝结成无色的晶体。苯和水的物理性质的比较状态颜色气味熔点沸点液态时的密度溶解性苯液体无色有特殊的气味5.580.11 gcm3互不相溶水液体无色无味0100=1 gcm3说明：苯有毒，对中枢神经和血液有较强的毒性作用，急性苯中毒在严重时可引起抽筋，甚至失去知觉。慢性苯中毒能损害造血功能。要注意防止苯蒸气对空气环境的污染。使用苯时注意防护，并保持良好的通风条件。2.苯的结构实验探究：在两支试管中各滴入2 mL 苯，向其中一支试管中滴入几滴高锰酸钾酸性溶液，向另一支试管中加入1 mL溴水。振荡后静置，观察发生的现象。实验现象：苯不能使溴水和高锰酸钾酸性溶液褪色。实验结论：在苯（C6H6）分子结构中不存在简单的单键或双键结构。德国化学家凯库勒潜心研究苯的结构式，一天夜晚，他在书房打起了瞌睡，眼前又出现了旋转的碳原子。梦中的碳原子形成的长链像蛇一样盘绕卷曲。忽见一蛇用口咬住了自己的尾巴，并旋转不停，他像触电一般地猛醒起来。整理出了苯环的结构假说。多年的难题得到了解答。苯的结构式不像其他化合物那样是开放的，而是环形结构。一直到现在，人们仍然习惯上用凯库勒结构简式表示苯的结构：对苯分子结构的进一步研究表明，苯分子里不存在一般的碳碳双键，苯分子里6个碳原子之间的键完全相同，这是一种介于单键和双键之间的独特的键。在苯分子里，6个碳原子连接成平面正六边形，每个碳原子还分别结合一个氢原子。为了表示苯分子结构特点，说明：德国化学家凯库勒（18291896）。 线式”，它以线段表示碳碳键，以线段的拐点表示碳原子。碳元素符号、氢元素符号以及碳氢键全省略，而其他的元素符号以及相应的键不省略。 结构的方法仍被沿用。在用凯库勒式表示苯的分子结构时，绝不应认为苯环是碳碳之间以单、双键交替组成的环状结构。实际上，苯分子里任意两个直接相邻的碳原子之间的化学键都是一种介于单、双键之间的独特的键。苯分子的几何构型是平面正六边形。如下图是苯分子的比例模型。它形象地表明了苯分子的几何构型。3.苯的化学性质苯不能被高锰酸钾氧化，一般情况下也不能与溴发生加成反应，说明苯的化学性质比烯烃、炔烃稳定，但是苯的化学稳定性是相对的，在一定条件下，苯也能发生某些化学反应。由于苯分子里的碳碳键是介于单键和双键之间的特殊的键，决定了苯的化学性质易发生取代反应，难发生加成反应。（1）在空气中燃烧像大多数有机化合物一样，苯也可以在空气中燃烧，苯完全燃烧生成二氧化碳和水。2C6H6+15O212CO2+6H2O苯燃烧时发出明亮的带有浓烟的火焰，这是由于苯分子里碳的质量分数很大的缘故与乙炔（C2H2）相同，含碳质量分数为92.3%。苯易燃烧，有毒，在苯的运输、储存和使用过程中要注意防火。（2）取代反应在一定条件下，苯能发生多种取代反应，苯分子中的氢原子可被其他原子或原子团取代，形成一系列重要的有机化合物。在有催化剂存在时，苯与溴发生反应，苯环上的氢原子被溴原子取代，生成溴苯。苯与溴反应的化学方程式是：苯与浓硝酸和浓硫酸的混合物共热至5566，发生反应，苯环上的氢原子被硝基（NO2）取代，生成硝基苯：苯与浓硫酸共热至7080时发生反应，生成苯磺酸：苯的各种取代物，可以作为多种染料、医药、农药、炸药、合成材料的原料。（3）苯的加成反应虽然苯不具有典型的碳碳双键所应有的加成反应的性质，但在特定条件下，苯仍然能发生加成反应。例如，在有镍催化剂的存在和加热至180250的条件下，苯可以与氢气发生加成反应，生成环己烷C6H12。4.CxHy的燃烧规律CxHy的燃烧通式：CxHy+（x+）O2xCO2+H2O（1）等物质的量的CxHy完全燃烧时，消耗氧气的量决定于（x+）的值，此值越大，耗氧量越多。（2）等质量的CxHy完全燃烧时，消耗氧气的量决定于CxHy中y/x的值，此值越大，耗氧量越多。（3）若xy=12，则完全燃烧后生成的二氧化碳和水的物质的量相等。（4）当两种有机物中x/y为一定值时，只要总质量一定，无论以何种比例混合，完全燃烧时生成二氧化碳和水的量也一定。（5）CHy为气态且完全燃烧生成CO2和H2O时当H2O为液态时（t100），燃烧前后气体总体积的变化： V=1+。当H2O为气态时（t100），燃烧前后气体总体积变化有以下三种情况：当y=4时，V=0，反应后气体总体积不变。当y4时，V=1，反应后气体总体积增大。当y4时，V=1，反应后气体总体积减小。常温常压下呈气态的烃中，只有甲烷乙烯、C3H4反应前后气体总体积（t100时）不变。