2019-2020年高中化學(xué)必修2化石燃料與有機(jī)化合物教材分析三、從煤中獲得的有機(jī)化合物（一）煤的綜合利用人類利用煤炭的歷史悠久。煤可以分為無煙煤、煙煤、褐煤和泥煤等，它們的含碳量不同（見下表），發(fā)熱量也不同，一般含碳量高的，發(fā)熱量也高。煤除了主要含碳外，還含有少量的氫、氮、硫、氧等元素及無機(jī)礦物質(zhì)。各種煤的含碳量范圍煤的種類無煙煤煙煤褐煤泥煤碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%859570855070約50在煤的綜合利用過程中，人們最為關(guān)注并一直致力于研究的問題是：如何提高煤燃燒的熱效率，如何分離提取煤中的化工原料以及如何解決煤引起的污染。目前，已有實(shí)用價(jià)值的辦法主要是煤的干餾和煤的氣化、液化。1.煤的干餾（1）煤的干餾的涵義將煤隔絕空氣加強(qiáng)熱使其分解的過程，叫做煤的干餾。工業(yè)上煉焦的原理是將煤粉放在隔絕空氣的煉焦?fàn)t中加熱，煤分解得到焦炭、煤焦油、焦?fàn)t氣、粗氨水和粗苯等。（2）煤干餾的主要產(chǎn)品及其主要用途。煤干餾的主要產(chǎn)品和用途干餾產(chǎn)品主要成分主要用途出爐煤氣焦?fàn)t氣氫氣、甲烷、乙烯、一氧化碳?xì)怏w燃料、化工原料粗氨水氨氣、銨鹽氮肥粗苯苯、甲苯、二甲苯炸藥、染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、合成材料煤焦油酚類、萘醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥、合成材料瀝青電極、筑路材料焦炭碳冶金、燃料、合成氨造氣注意：在煤的干餾過程中所發(fā)生的變化是很復(fù)雜的化學(xué)、物理變化。將煤干餾的條件有兩個(gè)：一是要隔絕空氣，目的是防止煤在空氣中燃燒；二是要加強(qiáng)熱。碳、煤和炭三者既有聯(lián)系又有區(qū)別。碳是化學(xué)用語中常用文字，如碳元素、碳原子等。煤是古代的植物體在不透空氣或空氣不足的情況下，受到地下的高溫和高壓而變質(zhì)形成的黑色固體礦物，煤也叫煤炭。從組成元素上看，煤中的主要元素是碳，還含有氫、氧、氮、硫等多種元素；從組成物質(zhì)上看，煤是多種有機(jī)物和多種無機(jī)物組成的混合物。炭是碳元素單質(zhì)中的無定形碳木炭，焦炭、活性炭、炭黑。用X射線研究發(fā)現(xiàn)，木炭主要是由石墨的微小晶體和少量雜質(zhì)構(gòu)成的，活性炭、焦炭和炭黑等也具有類似的構(gòu)成。木材干餾所得的黑色固體就是木炭。在隔絕空氣的情況下，給木炭加強(qiáng)熱，并且不斷地通入水蒸氣，除去粘附在木炭表面的油質(zhì)，使管道暢通，來增加木炭的總表面積，經(jīng)過這樣加工的木炭叫做活性炭。煤干餾所得的黑色固體叫做焦炭。含碳元素的燃料不完全燃燒、甲烷高溫分解等形成的黑色固體叫做炭黑。2.煤的氣化和液化（1）煤的氣化原理、用途煤的氣化是把煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過程。煤氣化的主要化學(xué)反應(yīng)是碳和水蒸氣的反應(yīng)：C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g）這是一個(gè)吸熱反應(yīng)，所需熱量一般由同時(shí)進(jìn)行的碳的燃燒反應(yīng)來提供。C（s）+O2（g）CO2（g）碳燃燒時(shí)既可以使用空氣，也可以使用氧氣，但得到的煤氣的成分、熱值及用途都不同，分別叫做低熱值氣和中熱值氣。中熱值氣在適當(dāng)催化劑作用下，又可轉(zhuǎn)變成高熱值氣。（2）煤液化的原理、用途煤的液化是把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料的過程。把煤與適當(dāng)?shù)娜軇┗旌?，在高溫、高壓下（有時(shí)還使用催化劑），使煤與氫氣作用生成液體燃料，這就是把煤直接液化的一種方法。煤還可以進(jìn)行間接液化，就是先把煤氣化成一氧化碳和氫氣，然后再經(jīng)過催化合成，得到液體燃料。煤間接液化的產(chǎn)品和用途煤間接液化的前景3.煤綜合利用的重要意義煤燃燒時(shí)不僅產(chǎn)生我們所需的能量，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫、氮的氧化物、碳的氧化物和煙塵等污染物。為了減少煤燃燒時(shí)對(duì)環(huán)境造成的污染，人們一方面采取措施，改進(jìn)燃煤技術(shù)，改善燃煤和排煙設(shè)備；另一方面，設(shè)法把煤轉(zhuǎn)化成清潔的燃料。煤的氣化和液化就是使煤變成清潔能源的有效途徑，與此同時(shí)，煤的燃燒效率等也得到提高。在加工煤炭以及使用煤作燃料的過程中，對(duì)于所產(chǎn)生的煤灰、煤渣，“廢氣”“廢液”都加以合理的處理和利用，一定要做到消除污染，保護(hù)環(huán)境。我國是世界上最大的耗煤國家，但占總量70%的煤都被直接燒掉，既浪費(fèi)了資源，又污染了環(huán)境。因此開展煤的綜合利用是十分重要的。注意：蒸餾、分餾、干餾三個(gè)概念的區(qū)別。蒸餾：把液體加熱到沸騰變?yōu)檎魵?，再使蒸氣冷卻，凝結(jié)成液體的操作。蒸餾可使混合物中沸點(diǎn)較低的組分揮發(fā)而達(dá)到混合物分離或除雜質(zhì)的目的。被蒸餾的混合物中至少有一種組分為液體。各組分沸點(diǎn)差別越大，揮發(fā)出的物質(zhì)（餾分）越純。若不同組分之間沸點(diǎn)差小，或不同組分互溶形成恒沸液體，餾分則不純。分餾：對(duì)多組分混合物在控溫下先后、連續(xù)進(jìn)行兩次或多次蒸餾。分餾可使多組分混合物在一個(gè)完整的操作過程中分離為兩種或多種餾分而達(dá)到混合物分離或除雜質(zhì)的目的。干餾：把固態(tài)混合物（如煤、木材）隔絕空氣加強(qiáng)熱使它分解的過程叫做干餾。蒸餾和分餾同屬物理變化，干餾過程往往發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。（二）苯（C6H6）1.苯的物理性質(zhì)煤干餾得到的苯、甲苯、二甲苯等是重要的化工原料。苯是沒有顏色，帶有特殊氣味的液體，苯有毒，密度比水小，不溶于水，熔點(diǎn)是5.5，沸點(diǎn)是80.1，如果用冰來冷卻，苯可以凝結(jié)成無色的晶體。苯和水的物理性質(zhì)的比較狀態(tài)顏色氣味熔點(diǎn)沸點(diǎn)液態(tài)時(shí)的密度溶解性苯液體無色有特殊的氣味5.580.11 gcm3互不相溶水液體無色無味0100=1 gcm3說明：苯有毒，對(duì)中樞神經(jīng)和血液有較強(qiáng)的毒性作用，急性苯中毒在嚴(yán)重時(shí)可引起抽筋，甚至失去知覺。慢性苯中毒能損害造血功能。要注意防止苯蒸氣對(duì)空氣環(huán)境的污染。使用苯時(shí)注意防護(hù)，并保持良好的通風(fēng)條件。2.苯的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)探究：在兩支試管中各滴入2 mL 苯，向其中一支試管中滴入幾滴高錳酸鉀酸性溶液，向另一支試管中加入1 mL溴水。振蕩后靜置，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：苯不能使溴水和高錳酸鉀酸性溶液褪色。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在苯（C6H6）分子結(jié)構(gòu)中不存在簡單的單鍵或雙鍵結(jié)構(gòu)。德國化學(xué)家凱庫勒潛心研究苯的結(jié)構(gòu)式，一天夜晚，他在書房打起了瞌睡，眼前又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)的碳原子。夢(mèng)中的碳原子形成的長鏈像蛇一樣盤繞卷曲。忽見一蛇用口咬住了自己的尾巴，并旋轉(zhuǎn)不停，他像觸電一般地猛醒起來。整理出了苯環(huán)的結(jié)構(gòu)假說。多年的難題得到了解答。苯的結(jié)構(gòu)式不像其他化合物那樣是開放的，而是環(huán)形結(jié)構(gòu)。一直到現(xiàn)在，人們?nèi)匀涣?xí)慣上用凱庫勒結(jié)構(gòu)簡式表示苯的結(jié)構(gòu)：對(duì)苯分子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究表明，苯分子里不存在一般的碳碳雙鍵，苯分子里6個(gè)碳原子之間的鍵完全相同，這是一種介于單鍵和雙鍵之間的獨(dú)特的鍵。在苯分子里，6個(gè)碳原子連接成平面正六邊形，每個(gè)碳原子還分別結(jié)合一個(gè)氫原子。為了表示苯分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明：德國化學(xué)家凱庫勒（18291896）。 線式”，它以線段表示碳碳鍵，以線段的拐點(diǎn)表示碳原子。碳元素符號(hào)、氫元素符號(hào)以及碳?xì)滏I全省略，而其他的元素符號(hào)以及相應(yīng)的鍵不省略。 結(jié)構(gòu)的方法仍被沿用。在用凱庫勒式表示苯的分子結(jié)構(gòu)時(shí)，絕不應(yīng)認(rèn)為苯環(huán)是碳碳之間以單、雙鍵交替組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，苯分子里任意兩個(gè)直接相鄰的碳原子之間的化學(xué)鍵都是一種介于單、雙鍵之間的獨(dú)特的鍵。苯分子的幾何構(gòu)型是平面正六邊形。如下圖是苯分子的比例模型。它形象地表明了苯分子的幾何構(gòu)型。3.苯的化學(xué)性質(zhì)苯不能被高錳酸鉀氧化，一般情況下也不能與溴發(fā)生加成反應(yīng)，說明苯的化學(xué)性質(zhì)比烯烴、炔烴穩(wěn)定，但是苯的化學(xué)穩(wěn)定性是相對(duì)的，在一定條件下，苯也能發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)。由于苯分子里的碳碳鍵是介于單鍵和雙鍵之間的特殊的鍵，決定了苯的化學(xué)性質(zhì)易發(fā)生取代反應(yīng)，難發(fā)生加成反應(yīng)。（1）在空氣中燃燒像大多數(shù)有機(jī)化合物一樣，苯也可以在空氣中燃燒，苯完全燃燒生成二氧化碳和水。2C6H6+15O212CO2+6H2O苯燃燒時(shí)發(fā)出明亮的帶有濃煙的火焰，這是由于苯分子里碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很大的緣故與乙炔（C2H2）相同，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.3%。苯易燃燒，有毒，在苯的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中要注意防火。（2）取代反應(yīng)在一定條件下，苯能發(fā)生多種取代反應(yīng)，苯分子中的氫原子可被其他原子或原子團(tuán)取代，形成一系列重要的有機(jī)化合物。在有催化劑存在時(shí)，苯與溴發(fā)生反應(yīng)，苯環(huán)上的氫原子被溴原子取代，生成溴苯。苯與溴反應(yīng)的化學(xué)方程式是：苯與濃硝酸和濃硫酸的混合物共熱至5566，發(fā)生反應(yīng)，苯環(huán)上的氫原子被硝基（NO2）取代，生成硝基苯：苯與濃硫酸共熱至7080時(shí)發(fā)生反應(yīng)，生成苯磺酸：苯的各種取代物，可以作為多種染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、合成材料的原料。（3）苯的加成反應(yīng)雖然苯不具有典型的碳碳雙鍵所應(yīng)有的加成反應(yīng)的性質(zhì)，但在特定條件下，苯仍然能發(fā)生加成反應(yīng)。例如，在有鎳催化劑的存在和加熱至180250的條件下，苯可以與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)，生成環(huán)己烷C6H12。4.CxHy的燃燒規(guī)律CxHy的燃燒通式：CxHy+（x+）O2xCO2+H2O（1）等物質(zhì)的量的CxHy完全燃燒時(shí)，消耗氧氣的量決定于（x+）的值，此值越大，耗氧量越多。（2）等質(zhì)量的CxHy完全燃燒時(shí)，消耗氧氣的量決定于CxHy中y/x的值，此值越大，耗氧量越多。（3）若xy=12，則完全燃燒后生成的二氧化碳和水的物質(zhì)的量相等。（4）當(dāng)兩種有機(jī)物中x/y為一定值時(shí)，只要總質(zhì)量一定，無論以何種比例混合，完全燃燒時(shí)生成二氧化碳和水的量也一定。（5）CHy為氣態(tài)且完全燃燒生成CO2和H2O時(shí)當(dāng)H2O為液態(tài)時(shí)（t<100），燃燒前后氣體總體積的變化： V=1+。當(dāng)H2O為氣態(tài)時(shí)（t100），燃燒前后氣體總體積變化有以下三種情況：當(dāng)y=4時(shí)，V=0，反應(yīng)后氣體總體積不變。當(dāng)y4時(shí)，V=1，反應(yīng)后氣體總體積增大。當(dāng)y4時(shí)，V=1，反應(yīng)后氣體總體積減小。常溫常壓下呈氣態(tài)的烴中，只有甲烷乙烯、C3H4反應(yīng)前后氣體總體積（t100時(shí)）不變。