資源簡介

3.2 課時1　化石燃料　乙烯
【學習目標】
1.了解天然氣和煤的組成。
2.了解石油的組成,學習如何從石油中獲取燃料,了解石油的煉制方法。
3.能從有機化合物及其性質的角度對有關能源、材料、飲食、健康、環境等實際問題進行分析、討論和評價。
4.從乙烯的結構與性質的關系及實驗探究,構建“結構與性質”的關系模型,培養“證據推理與模型認知”的學科素養。
【自主預習】
一、從天然氣、石油和煤中獲取燃料
1.化石燃料
(1)含義:又叫作　　　　、　　　　,包括　　　　,屬于　　　　能源。
(2)現存問題:
①化石燃料存在著逐漸枯竭的危機;
②引起的環境問題:如溫室效應、有毒氣體和粉塵污染等。
2.天然氣和煤直接用作燃料
(1)天然氣
①主要成分:　　　。
②甲烷的物理性質
顏色 狀態 氣味 密度 水溶性
無色 　　 無味 比空氣　　 　　　
③用途:a.優良的氣體燃料,CH4燃燒的化學方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　。
b.化工原料,如CH4可與Cl2發生取代反應制取多種鹵代烴。
【微點撥】
沼氣、坑道氣(瓦斯)、天然氣水合物(可燃冰)的主要成分是甲烷。
(2)煤
①成分:　　　　和　　　　組成的復雜混合物。含有　　　　　　、　　　、氧、氮、硫等元素。
②用途:a.燃料,但直接燒煤會產生一些大氣污染物,如　　　　、氮的氧化物、煙塵等。
b.提取化工原料。
3.從石油中獲取燃料和化工原料
(1)石油的成分:石油是由分子含有不同數目碳原子的　　　　、　　　　等組成的復雜混合物。通常,　　　　、　　　　在石油中的質量分數之和高達98%。
(2)石油的煉制
分餾 裂化 裂解
原理 用　　　　和　　　的方法把石油分離成　　　　　　的產物 把相對分子質量較大、沸點較高的烴分解為　　　　　　　　、　　　　　　的烴 把石油產品中相對分子質量較大的烴分解成　　　　、　　　　等小分子烴
主要 原料 原油 重油 石油分餾產品(包括　　　　)
目的 將原油分離成　　　　　　　的產物 提高　　　　　　的產量和質量 得到氣態短鏈烴
主要變 化類型 　　　變化 　　　變化 　　　變化
主要 產物 　　　　、汽油、煤油、柴油、重油等 　　　　等輕質燃油 　　　　、　　　　等小分子烴
(3)按要求寫出相應的化學方程式
①十六烷的一種裂化方式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②辛烷的燃燒:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
二、乙烯
1.物理性質
顏色 氣味 狀態 密度 水溶性
無色 稍有氣味 氣體 比空氣　 難溶于水
2.化學性質
(1)氧化反應
(2)加成反應
①概念:有機化合物分子中　　　　上的碳原子與其他原子(或原子團)　　　　　　生成新的化合物分子的反應。
②乙烯的加成反應
有關反應的化學方程式為
a.CH2CH2+Br2
b.CH2CH2+H2
c.CH2CH2+HClCH3CH2Cl
d.CH2CH2+H2OCH3CH2OH
3.用途
乙烯是重要的有機化工基礎原料,　　　　　被用作衡量一個國家石油化工產業發展水平的標志。
【答案】一、1.礦石燃料　礦物燃料　天然氣、石油、煤　不可再生
2.(1)①甲烷　氣體　小　難溶于水　CH4+2O2CO2+2H2O
(2)①有機化合物　無機物　碳　氫　②硫的氧化物
3.(1)烷烴　環烷烴　碳元素　氫元素
(2)加熱　冷凝　沸點范圍不同　相對分子質量較小　沸點較低　乙烯　丙烯　石油氣　不同沸點范圍　輕質液體燃料　物理　化學　化學　石油氣　汽油　乙烯　丙烯
(3)C16H34C8H18+C8H16
　　十六烷　 　辛烷 　辛烯
2C8H18+25O216CO2+18H2O
二、1.小
2.(1)C2H4+3O22CO2+2H2O　明亮　黑煙　褪色　(2)①雙鍵　直接結合
3.乙烯的產量
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)
(1)石油、煤、天然氣、可燃冰、植物油都屬于化石燃料。 (　　)
(2)石油的分餾是化學變化。 (　　)
(3)石油裂化的目的是得到氣態短鏈烴。 (　　)
(4)乙烯完全燃燒生成水和二氧化碳的物質的量相等。 (　　)
(5)乙烯可與HCl發生加成反應。 (　　)
(6)裂化可以提高汽油等輕質油的產量和質量。 (　　)
(7)裂化汽油不能用于萃取溴水中的溴單質。 (　　)
(8)工業上可通過石油分餾直接得到甲烷、乙烯和苯。 (　　)
(9)用溴的四氯化碳溶液可鑒別分餾獲得的汽油和裂化獲得的汽油。 (　　)
(10)汽油為石油分餾產品,屬于純凈物。 (　　)
(11)十六烷的一種裂化方式為C16H34C8H18+C8H16。 (　　)
(12)石油經直接分餾后獲得的直餾汽油不可使溴水褪色,石油的分餾屬于物理變化。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　(6)√
(7)√　(8)×　(9)√　(10)×　(11)√　(12)√
2.乙烯和乙烷分子的空間結構差異在哪里
【答案】乙烯分子為平面結構,乙烷分子為立體結構。
3.已知:破壞1 mol化學鍵形成氣態原子所吸收的最低能量叫鍵能。乙烯分子中碳碳雙鍵的鍵能為610 kJ·mol-1,乙烷分子中碳碳單鍵的鍵能為345.6 kJ·mol-1,試分析碳碳雙鍵中的兩個鍵是否完全相同,推測乙烯和乙烷的化學性質是否相似。
【答案】碳碳雙鍵中的一個鍵比碳碳單鍵的鍵能小,即碳碳雙鍵中的一個鍵容易斷裂,乙烯的化學性質更活潑。
【合作探究】
任務1　從天然氣、石油和煤中獲取燃料
情境導入　迄今為止,煤、石油和天然氣仍是人類使用的主要能源,同時它們也是重要的化工原料。如何實現化石燃料的綜合利用,提高利用率,減少化石燃料燃燒所造成的環境污染,是人類面臨的重大挑戰。
問題生成
1.石油是純凈物還是混合物
【答案】混合物。
2.石油的成分是不是全部為有機化合物
【答案】不是。
3.石油通過分餾、裂化、裂解所得到的產品是純凈物嗎
【答案】不是。石油通過分餾、裂化、裂解得到的產物均是混合物。
4.石油的裂化和裂解有什么關系 其目的分別是什么
【答案】裂解是深度裂化。裂化的目的是獲取更多的輕質液體燃料,裂解的目的是得到乙烯、丙烯等小分子烴。
5.直餾汽油和裂化汽油的主要化學成分有什么區別 怎樣鑒別它們
【答案】直餾汽油中是C5~C11的烷烴及少量芳香烴,性質穩定,而裂化汽油含有C5~C11的烷烴和烯烴,性質活潑。其中能使溴的四氯化碳溶液褪色的是裂化汽油。
【核心歸納】
1.石油煉制的工藝流程簡圖
2.直餾汽油和裂化汽油的區別
獲得方法 主要化學成分 鑒別方法
直餾 汽油 原油直接分餾,物理變化 一般是C5~C11的烷烴及少量的芳香烴(以后會學到)等,性質穩定 能使溴的四氯化碳溶液褪色的是裂化汽油
裂化 汽油 重油裂化,化學變化 含有C5~C11的烷烴和烯烴,性質活潑
【特別提醒】
　有關石油煉制的三點說明
(1)外界壓強越小,物質的沸點就越低,減壓蒸餾可降低餾分的沸點,有機物在較低溫度下就可以沸騰,從而得到高沸點餾分。一方面可降低生產成本,另一方面可降低常壓分餾中發生炭化的可能性。
(2)石油的裂化和裂解均屬于烷烴的分解反應,且裂解就是深度裂化,采用的溫度比裂化的溫度更高。
(3)烷烴的分解反應中生成烯烴,因此裂化汽油的成分中含有烯烴,能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色。
【典型例題】
【例1】　石油分餾塔的示意圖如下。下列說法正確的是(　　)。
A.a的沸點最高
B.b的熔點最低
C.c的平均相對分子質量最大
D.每一種餾分都是純凈物
【答案】C
【解析】分餾塔內的溫度從下往上逐漸降低。石油蒸氣從分餾塔的底部進入,沸點低的餾分先汽化,冷凝后流出,沸點高的餾分后汽化,冷凝后流出,因此a、b、c的沸點依次升高。沸點高的物質熔點高、相對分子質量大。石油中有些成分的沸點很接近,因此石油分餾的餾分仍為混合物。
【例2】　實驗室用下列儀器組裝一套石油分餾的裝置,并進行相關實驗,可以得到汽油和煤油。
(1)寫出下列儀器的名稱:
①　　　　;②　　　　;③　　　　。
(2)將以上儀器按從左到右的順序進行連接:e→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　。(用字母表示)
(3)儀器②中A是　　　　(填“進水口”或“出水口”,下同),B是　　　　。
(4)蒸餾時,溫度計水銀球應在　　　　。
(5)在①中注入原油后,加幾片碎瓷片的目的是　　　　。
【答案】(1)蒸餾燒瓶　冷凝管　錐形瓶
(2)c　d　a　k　l　b　f　g　w
(3)進水口　出水口
(4)蒸餾燒瓶支管口處
(5)防止暴沸
【解析】(1)蒸餾需要的儀器有酒精燈、蒸餾燒瓶、鐵架臺、溫度計、導管、冷凝管、橡膠管、牛角管、錐形瓶,根據常見儀器的名稱可知,①為蒸餾燒瓶,②為冷凝管,③為錐形瓶。(2)按組裝儀器順序從左到右,從下到上,該裝置為蒸餾石油的裝置,冷凝管在中間,并用鐵架臺固定冷凝管,右邊為錐形瓶,故連接順序為e→c→d→a→k→l→b→f→g→w。(3)冷凝水應是下進上出,延長熱量交換時間,即A口用于進水,B口用于出水。(4)蒸餾裝置的溫度計插在蒸餾燒瓶中且水銀球在支管口處。(5)為防止燒瓶內液體受熱不均勻而局部突然沸騰(暴沸)沖出燒瓶,需要在燒瓶內加入幾塊沸石(或碎瓷片)。
任務2　乙烯的結構與性質
情境導入　
我們幾乎每天都可以看到水果,一般水果在成熟的季節,會由青色逐漸變為紅色或黃色。如果把青橘子和熟蘋果放在同一個塑料袋里,系緊袋口,一段時間后青橘子就可以變黃、變熟。這是誰的功勞 乙烯被稱為“石化工業之母”,是石油化學工業重要的基本原料之一,通過一系列化學反應,乙烯通過加工可得到有機高分子材料、藥物等成千上萬種有用的物質。乙烯的產量可以用來衡量一個國家石油化學工業的發展水平。那么,乙烯主要有哪些性質呢
問題生成
1.乙烯分子的球棍模型為,請推測出乙烯的空間結構。
【答案】根據乙烯分子的球棍模型,可推測出乙烯分子的空間結構為平面結構,即乙烯分子中的2個碳原子和4個氫原子處于同一個平面上。
2.乙烯既能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,又可使溴水褪色,二者原理是否相同
【答案】不相同。乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色,發生的是氧化還原反應;而乙烯使溴水褪色,發生的是加成反應。
3.如何區分乙烷和乙烯 乙烷中有乙烯如何除去
【答案】乙烯能使酸性KMnO4溶液或溴水褪色,由此可區別甲烷(烷烴)和乙烯(烯烴)。另外根據乙烯分子中含碳量大,燃燒火焰明亮,并伴有黑煙,而乙烷燃燒產生淡藍色火焰也可以區別。乙烯被酸性KMnO4溶液氧化的產物是CO2,因此C2H6中混有乙烯時,不能用酸性高錳酸鉀溶液除去(引入新的雜質),應用溴水洗氣除去。
4.能否用溴的四氯化碳溶液除去乙烷中的乙烯
【答案】不能。除去乙烷中的乙烯時,一般使用溴水,不能用溴的四氯化碳溶液,因為乙烷不溶于水,但易溶于四氯化碳等有機溶劑。
5.乙烷與Cl2的取代反應和乙烯與HCl的加成反應都能制得氯乙烷,哪種方法更好
【答案】乙烯與HCl的加成反應制取氯乙烷更好,因為乙烷與Cl2發生的是連續取代反應,反應產物是多種氯代物的混合物,得不到純凈的氯乙烷;乙烯與HCl發生的加成反應沒有副反應,可制得較純凈的氯乙烷。
【核心歸納】
1.乙烷和乙烯的結構與性質的比較
物質 乙烷 乙烯
結構式
碳碳鍵的類別 碳碳單鍵 碳碳雙鍵
分子內各原子的相對位置 C、H不全在一個平面內 6個原子全在一個平面內
相同點(都能燃燒) 2C2H6+7O24CO2+6H2O C2H4+3O22CO2+2H2O
特征性質 C2H6+Cl2C2H5Cl+HCl CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br
酸性KMnO4 不褪色 褪色
溴水 不褪色 褪色
2.加成反應與取代反應的比較
類型 取代反應 加成反應
反應物 結構特征 含有易被取代的原子或原子團 不飽和有機化合物(含等)
生成物 兩種(一般是一種有機化合物和一種無機物) 一種(有機化合物)
碳碳鍵 變化情況 無變化 打開變為
常用試劑 鹵素單質氣體 H2、X2、HX、H2O
結構變化 形式舉例 等價替換式 CH3CH3+Cl2CH3CH2Cl+HCl 開鍵加合式 CH2CH2+H2O CH3CH2OH CH2CH2+HX CH3CH2X
【典型例題】
【例3】　既可以用來鑒別乙烯和乙烷,又可以用來除去乙烷中混有的少量乙烯的最佳方法是(　　)。
A.混合氣體通過盛水的洗氣瓶
B.混合氣體通過裝有過量溴水的洗氣瓶
C.混合氣體和過量H2混合
D.混合氣體通過酸性KMnO4溶液
【答案】B
【解析】水既不能鑒別也不能除去乙烷中的乙烯;利用H2不能鑒別乙烯和乙烷,乙烯與氫氣在一定條件下反應生成乙烷,但H2的量不好控制;酸性KMnO4溶液可用于鑒別乙烷和乙烯,但不能用于除去乙烷中的乙烯,因為酸性KMnO4會將乙烯氧化生成CO2,引入新的雜質;溴水與乙烷不反應,與乙烯可發生加成反應而褪色,既可以鑒別乙烯和乙烷,又可以除去乙烷中的乙烯。
【例4】　某同學設計實驗探究工業制乙烯的原理和乙烯的主要化學性質,實驗裝置如圖所示(已知烴類都不與堿反應)。請回答下列問題:
(1)工業制乙烯的實驗原理是烷烴(液態)在催化劑和加熱條件下發生反應生成不飽和烴。例如,石油分餾產物之一的十六烷發生反應:C16H34C8H18+甲,甲4乙,乙的結構簡式為　　　　。
(2)B裝置中乙發生反應的化學方程式為　　　　　　　　　　　　。
(3)C裝置中可觀察到的現象是　,
反應類型是　　　　。
(4)查閱資料知,乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應產生二氧化碳。本實驗中能證明這一點的實驗現象是　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)乙與氫氣的加成產物與一定量的氯氣混合后在光照條件下反應,反應產物最多有　　　　種。
【答案】(1)CH2CH2
(2)CH2CH2+Br2BrCH2CH2Br
(3)溶液紫紅色褪去　氧化反應
(4)D裝置中的澄清石灰水變渾濁
(5)10
【解析】(1)C16H34C8H18+甲,根據原子守恒,甲的分子式為C8H16,依據反應方程式C8H164乙,結合原子守恒可知,乙的分子式為C2H4,為乙烯,結構簡式為CH2CH2。
(2)乙烯含有碳碳雙鍵,能夠與溴水發生加成反應而使溴水褪色,反應的化學方程式為CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br。
(3)乙烯具有還原性,能夠被酸性高錳酸鉀溶液氧化而使高錳酸鉀溶液褪色。
(4)乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應產生二氧化碳,二氧化碳能夠與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣沉淀,因此裝置D中的澄清石灰水變渾濁,可以證明乙烯與酸性高錳酸鉀溶液反應產生了二氧化碳。
(5)乙烯與氫氣的加成產物為乙烷,乙烷中含有6個氫原子,與Cl2發生取代反應生成的有機物有一氯乙烷(1種)、二氯乙烷(2種)、三氯乙烷(2種)、四氯乙烷(2種)、五氯乙烷(1種)、六氯乙烷(1種),還有氯化氫,最多有10種生成物。
【隨堂檢測】
1.《漢書》記載“高奴(縣)有洧水,可燃”;《夢溪筆談》描述“洧水”:“予疑其煙可用,試掃其煤以為墨,黑光如漆,松墨不及也……此物后必大行于世。”上述“洧水”和“煤”的主要成分分別是(　　)。
A.石油和炭黑 　　B.石油和焦炭　　C.油脂和木炭　　 D.油脂和石墨
【答案】A
【解析】根據“洧水”“可燃”“大行于世”,可知“洧水”是生產生活中重要的燃料,應是石油;“煤”指石油不完全燃燒產生的煙灰,根據“黑光如漆”“松墨不及”,可知“煤”應為炭黑,“洧水”和“煤”的主要成分分別是石油和炭黑。
2.石油在國民經濟中的地位和作用十分重要,被譽為“黑色的金子”“工業的血液”等。下列關于石油及其應用的說法正確的是(　　)。
A.液化石油氣的主要成分是甲烷
B.石油主要含有碳、氫兩種元素
C.石油的裂化是物理變化
D.石油分餾的各餾分均是純凈物
【答案】B
【解析】液化石油氣的主要成分是丙烷和丁烷,不是甲烷,A項錯誤;石油主要含有碳、氫兩種元素,同時還含有少量的硫、氧、氮等元素,B項正確;石油裂化生成了新物質,屬于化學變化,C項錯誤;石油分餾的各餾分均主要是沸點相近的幾種烴的混合物,不是純凈物,D項錯誤。
3.石油裂解的主要目的是(　　)。
A.提高輕質液體燃料的產量
B.便于分餾
C.獲得短鏈不飽和氣態烴
D.提高汽油的質量
【答案】C
4.下列反應屬于裂解反應的是(　　)。
A.+
B.2C8H18+25O216CO2+18H2O
C.C4H10C2H4+C2H6
D.+Cl—Cl+H—Cl
【答案】C
【解析】A項屬于裂化反應,B項屬于氧化反應,D項屬于取代反應。
5.檸檬烯具有良好的鎮咳、祛痰、抑菌作用,其鍵線式如圖所示。下列關于檸檬烯的說法正確的是(　　)。
A.1 mol檸檬烯只能與1 mol H2反應
B.能發生取代反應和加成反應
C.屬于乙烯的同系物
D.不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色
【答案】B
【解析】A項,1 mol檸檬烯能與2 mol H2發生加成反應,錯誤;B項,檸檬烯能與氣態鹵素單質在光照條件下發生取代反應,分子中含有碳碳雙鍵,能發生加成反應,正確;C項,一個檸檬烯分子中有兩個碳碳雙鍵,且分子中含有環狀結構,與乙烯的結構不相同,故其不屬于乙烯的同系物,錯誤;D項,檸檬烯分子中含有碳碳雙鍵,能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,錯誤。
6.利用如圖所示的實驗裝置進行實驗。
(1)裝置中碎瓷片的作用是　　　　　　,礦渣棉的作用是　　　　　。
(2)請設計實驗證明所得氣體生成物中含有不飽和氣態烴:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)作催化劑　作為石蠟油的載體
(2)將所得氣體通入酸性高錳酸鉀溶液或溴水中,若觀察到溶液褪色,則說明所得氣體中含有氣態不飽和烴
【解析】(1)根據上述分析可知,裝置中碎瓷片起到了催化劑的作用,礦渣棉用作石蠟油的載體。(2)因為石蠟油主要含碳、氫元素,經過裂化反應能生成氣態不飽和烴,如乙烯或丙烯等。這些氣態不飽和烴能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,也可以和溴水發生加成反應,所以可以將所得氣體通入酸性高錳酸鉀溶液或溴水中,若觀察到溶液褪色,則說明所得氣體中含有氣態不飽和烴。
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