第28讲化石原料与有机化合物

一、天然气的利用甲烷一、天然气的利用甲烷 1天然气 (1)天然气的主要成分是甲烷。(2)天然气的主要用途：气体燃料、化工原料 。2甲烷 (1)甲烷的存在和物理性质 天然气和沼气的主要成分都是甲烷(CH4)，天然气(甲烷等)的水合物易燃烧，外形似冰，被称为“可燃冰”。甲烷是一种无色、无气味的气体，难溶于水，密度比空气的一半略大。(2)甲烷的分子组成和结构 甲烷分子式的推导 若已知甲烷的密度在标准状况下是0.717 gL-1，含碳75%，含氢25%，请确定它的分子式。写出甲烷分子式的推导过程：M=r22.4 Lmol-1=0.717 gL-122.4 Lmol-1=16 gmol-1=1。含碳原子的个数：=1 含氢原子的个数：N(H)=4 所以，甲烷的分子式为CH4。甲烷的分子结构和特点 a请写出甲烷的分子式、电子式、结构式。分子式为 b空间构型：CH4是正四面体形。其中，碳原子位于四面体的中心，四个氢原子分别位于四面体的顶点。碳原子与四个氢原子形成四个完全相同的共价键(键长、键能和键角都相同)。(3)甲烷的化学性质 氧化反应甲烷的燃烧：a写出甲烷完全燃烧的化学方程式：b不完全氧化：写出一定条件下被氧化成一氧化碳和氢气的化学方程式：2CH4+O2 2CO+4H2 写出用一氧化碳和氢气在催化剂和一定压力、温度下合成甲醇的化学方程式：CO+2H2 CH3OH一定条件一定条件 取代反应 a定义：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应叫取代反应。b与氯气的取代反应：在室温下，甲烷和氯气的混合物可以在黑暗中长期保存而不起任何反应。但把混合气体放在光亮的地方就会发生反应。将盛有甲烷和氯气混合气的集气瓶瓶口倒扣在盛有饱和食盐水的水槽中，并用光照集气瓶。现象是集气瓶中气体的黄绿色越来越浅，瓶壁上有油状液滴出现，水进入集气瓶中，在水槽中有NaCl晶体析出。写出甲烷和氯气反应的方程式。CH4+Cl2 CH3Cl+HCl，CH3Cl+Cl2 CH2Cl2+HCl，CH2Cl2+Cl2 CHCl3+HCl，CHCl3+Cl2 CCl4+HCl 甲烷的高温分解反应：在1500 以上高温下完全分解，生成碳黑和氢气。反应的化学方程式为：CH4 C+2H2光光光光高温 (4)甲烷的用途(根据甲烷的化学性质说出它的用途)：能够燃烧放出热量，所以做气体燃料；制造甲醇；制造碳黑等。3烷烃 (1)烃：只由碳和氢两种元素组成的化合物叫碳氢化合物，也叫烃。(2)烷烃：烃的分子里碳原子间都以单键互相相连接成链状，碳原子的其余的价键全部跟氢原子结合，达到饱和状态。所以这类型的烃又叫饱和烃。由于CC连成链状，所以又叫饱和链烃，或叫烷烃。(若CC连成环状，称为环烷烃。)(3)烷烃的组成通式为：CnH2n+2(n1)(4)烷烃的简单命名：碳原子数在十个以内时，用天干表示。即用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示。碳原子数在十个以上时，直接用汉字数字来表示。如：CH4：甲烷；C4H10：丁烷；C7H16：庚烷；C12H26：十二烷；C17H36十七烷。二、石油炼制乙烯二、石油炼制乙烯 1石油炼制 (1)石油的组成成分：元素组成：组成石油的基本元素是碳和氢，同时还有少量的硫、氧、氮等。物质组成：石油的化学成分主要是各种液态烃，同时还溶有气态和固态烃。(2)炼制加工石油的重要手段：有分馏、催化裂化、裂解等。(3)石油的炼制 石油的分馏 a分馏的原理：加热石油，沸点低的物质先汽化，经冷凝后收集，沸点较高的物质随后汽化、冷凝这样不断加热和汽化冷凝能使沸点不同的成分分离出来。这一过程在石油工业中是在分馏塔内进行的，称为石油分馏。b石油分馏实验：使用温度计的目的：从溶液中分离出沸点差别较大的馏出物(馏分)，使用温度计便于观察馏分馏出时的温度。使用温度计的方法：温度计的水银球与蒸馏烧瓶的支管口持平，从而测出馏出蒸气的温度。加入碎瓷片的作用：是为了防止石油在蒸馏时发生暴沸。冷凝器的用法：冷凝器使用时一般是冷凝水的流向和气体的流向相反。冷凝水的流向是下口进上口出，这样可以达到充分冷凝的目的。c馏分的成分：仍是混合物，石油的分馏属于物理变化。d石油分馏产品及主要用途：石油的裂化 a裂化的目的：是为了提高汽油等轻质油的产量和质量。b裂化的原理：以石油分馏产品原料，在加压、加热和催化剂存在下使相对分子质量较大、沸点较高的烃断裂成相对分子质量小、沸点低的烃的过程就是石油的裂化。以C16H34为例表示出裂化的反应原理。石油的裂解 a裂解的目的：是为了获得乙烯、丙烯等烯烃。b裂解的原理：以比裂化更高的温度(700800，有时甚至高达1000 以上)，使长链烃断裂成气态短链烃的加工过程。以C8H18、C4H10、C4H8为为例表示出裂解的反应原理C8H18 C4H10+C4H8；C4H10 C2H6+C2H4；C4H10 C3H6+CH4；C4H8 2C2H4。催化剂加热、加压催化剂加热、加压催化剂加热、加压催化剂加热、加压 2乙烯 (1)乙烯的分子组成和结构 组成：写出乙烯的分子式、电子式、结构式、结构简式 分子式：C2H4 结构式：电子式：结构简式：CH2=CH2 结构：乙烯是平面结构分子，而且双键不能转动。结构特点：分子里含有一个碳碳双键，碳碳双键不稳定，其中有一个容易断列而发生氧化反应和加成反应。(2)乙烯的化学性质 氧化反应 a与氧气反应 燃 烧(写 出 乙 烯 燃 烧 的 热 化 学 方 程 式)：C2H4(g)+3O2(g)2CO2(g)+2H2O(l)DH=1411 kJ/mol点燃 b与高锰酸钾溶液反应：现象：使高锰酸钾溶液褪色 加成反应 a加成反应有机物分子里不饱和的碳原子跟其他原子或原子团直接结合生成别的物质的反应叫做加成反应。b写出乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色的反应方程式：产物的名称：1,2二溴乙烷 c写出乙烯与氢气、氯气、氯化氢和水反应的化学方程式：CH2=CH2+H2 CH3CH3；CH2=CH2+Cl2 CH2ClCH2Cl；CH2=CH2+HCl CH3CH2Cl；CH2=CH2+H2O CH3CH2OH催化剂催化剂加热、加压 3烯烃 (1)定义：分子里含有一个碳碳双键，碳原子剩余的价键全部被氢原子所饱和的链烃叫单烯烃。(2)单烯烃的通式：CnH2n(n2)。(3)结构特点和化学性质：由于分子里都含有一个碳碳双键，而碳碳双键能被高锰酸钾酸性溶液所氧化而使之紫色褪去；又能和溴等发生加成反应而使溴的四氯化碳溶液或溴水褪色。4乙炔和炔烃 (1)乙炔的分子组成：写出乙炔的分子式、电子式、结构式、结构简式 分子式：C2H2 电子式 结构式 结构简式 (2)乙炔的分子结构：乙炔分子是 直线 型分子。(3)结构特点：碳碳之间有叁键，其中有两个不稳定，容易断裂。(4)化学性质 氧化反应 a燃烧方程式为：2C2H2+5O2 4CO2+2H2O b酸性高锰酸钾溶液：乙炔气体通入酸性高锰酸钾溶液，现象是高锰酸钾溶液褪色。点燃 加成反应 a乙炔通入溴的四氯化碳溶液，溴的四氯化碳溶液褪色。化学反应方程式为：b乙炔可以与氯化氢发生加成反应，得到氯乙烯。化学反应方程式为：HCCH+HCl CH2CHCl 三、煤的综合利用苯三、煤的综合利用苯 1煤的综合利用 (1)煤的组成 煤是由有机物和无机物组成的复杂的混合物，除含有C、H元素外，还含有N、S、O等元素。(2)煤的气化 煤的气化就是把煤转化为气体，作为燃料或化工原料气。(3)煤的液化 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后，在高温、高压及催化剂存在下，使煤气化成一氧化碳和氢气，然后再合成液体燃料。煤液化可获得洁净的燃料油、化工原料、液态烃、甲醇等含氧有机物。发生的反应有：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)；8CO(g)+17H2(g)=C8H18(l)+8H2O(g)；CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l)高温催化剂催化剂 (4)煤的干馏 煤干馏得到的固体、液体和气体产物分别是焦炭、煤焦油和焦炉煤气，其中从液体产物煤焦油中可以可以分离得到苯、甲苯、二甲苯等有机化合物。利用苯、甲苯、二甲苯等有机物可以制备染料、化肥、农药、溶剂和多种合成材料。2苯 (1)苯分子的组成和结构 写出苯的分子式、结构式和结构简式：分子式：C6H6 结构式：结构简式：(现代价键理论)苯的分子构型：平面正六边形，其中六个碳和六个氢均在该平面内。结构特点：苯分子中不存在碳碳双键，不存在碳碳单键和碳碳双键交替出现的结构，碳原子之间的化学键是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的独特的键。(2)苯的物理性质 苯是一种无色、有特殊气味、挥发性很强的液体，不溶于水，密度比水小，有毒。(3)苯的化学性质 氧化反应：a空气中的燃烧：写出燃烧的化学方程式 2 +15O2 12CO2+6H2O 现象是：火焰明亮，有浓烟。b与高锰酸钾酸性溶液混合：现象是：不褪色。说明：苯不能被高锰酸钾所氧化。点燃 加成反应 与溴水混合振荡，静置，现象：分层，上层油层为橙红色，下层几乎无色。说明了：苯和溴不发生加成反应。取代反应 a苯跟硝酸的反应：写出反应方程式：b苯和卤素的反应 写出反应方程式：在一定条件下，苯能发生多种取代反应，形成一系列重要的有机化合物，如苯取代后的生成物如氯苯()、溴苯()、苯磺酸()都是重要的化工原料。考点一 脂肪烃的性质 例例1 把1体积CH4和4体积Cl2组成的混合气体充入大试管中，将此试管倒立在盛有饱和食盐水的水槽里，放在光亮处，试推测可观察到的现象是：(1)_(2)_(3)_(4)_黄绿色逐渐消失 试管壁上有黄色油珠 水位在试管内上升 水槽内有少量晶体析出 【解析】CH4和Cl2光照生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl等物质，随着Cl2不断消耗，黄绿色逐渐消失，又由于CH2Cl2、CHCl3、CCl4常温下为无色液体，Cl2易溶于有机溶剂，试管壁上有黄色油珠。因生成的HCl易溶于水，反应后试管内气体压强减小，水位在试管内上升。HCl溶于水后，饱和食盐水中Cl-浓度增大，使结晶速率溶解速率。故水槽内有少量晶体析出。【方法技巧点拨】(1)烷烃的取代反应的条件是光照，反应物是纯卤素，如甲烷通入溴水中不发生反应。(2)甲烷的取代反应是一种连锁反应，即第一步反应一旦开始，后续反应立即进行，生成物中各物质均含有，其中HCl最多。生成有机产物均不溶于水，常温下只有CH3Cl是气体，其余是液体，CHCl3、CCl4是重要的工业溶剂。考点二 烃的分子式、结构简式的推断 例例2 (1)相对分子质量为70的烯烃的分子式为_；若该烯烃与足量的H2加成后能生成含3个甲 基 的 烷 烃，则 该 烯 烃 的 可 能 的 结 构 简 式_。(2)有机物A的结构简式为 若A是单烯烃与氢气加成后的产物。则该单烯烃可能有_种结构；若A是炔烃与氢气加成的产物，则此炔烃可能有_种结构。【解析】(1)由M(CnH2n)=70,14n=70，n=5，得烯烃的分子式为C5H10；该烯烃加成后所得的产物(烷烃)中含有3个甲基，表明在烯烃分子中只含有一个支链。当主链为4个碳原子时，支链为1个CH3，此时烯烃的碳骨架结构为 其双键可在、三个位置，有三种可能的结构，当主链为C=CC时，其支链为C2H5，只能连在中间的碳原子上，所以共有四种结构简式。(2)有机物A的碳骨架结构为 其双键可处于、五个位置，而叁键只能处于一个位置。【答案】(1)C5H10(2)51 【方法技巧点拨】一般情况下，烷烃可以由相应的烯烃或炔烃催化加氢得到。烯键上加氢后的两个碳原子必定至少各带有一个氢原子，故连接有四个碳原子的碳原子(即季碳原子)是不可能由烯烃加氢得到的；叁键上充分加氢后的两个碳原子必定至少各带有两个氢原子，故连接有支链的碳原子(即季碳原子或叔碳原子)是不可能由炔烃加氢得到的。考点三 烃的结构和性质分析 例例3 苯环结构中不存在碳碳单、双键的交替结构，下列可以作为证据的事实是()苯不能使高锰酸钾酸性溶液褪色苯不能使Br2水因发生化学反应而褪色苯在加热和有催化剂存在的条件下能氧化成环己烷苯中碳碳键长完全相等邻二氯苯只有一种间二氯苯只有一种 A B C DD 【解析】本题考查苯分子结构的证明方法。应抓住单双键性质的不同进行对比思考。如果苯中存在交替的单双键结构，则会出现下列几种情况：因为含单个的C=C双键，具有烯烃的性质，则既能使溴水褪色，也能使KMnO4酸性溶液褪色；苯环中CC和C=C键长不可能相等；邻二氯苯会有两种，即 和 。而题中和的性质不管苯环中单、双键是否有交替，结果都一样。中也要用对比法得出结论。【方法技巧点拨】利用对比法，找出异同点，再进行判断。该方法在化学中应用很多，如，结构的对比，性质的对比，反应条件不同造成产物不同的对比等等，注意相同点和相异点。考点四 烃燃烧耗氧量 例例4 一定量CH4恰好与一定量的O2完全反应得CO2、CO、H2O(g)产物总质量为49.6 g，将其通过足量的浓H2SO4后，洗气瓶增重25.2 g，则CH4完全燃烧还需O2的体积(标况)为()A8.96 L B2.24 L C4.48 L D6.72 LC 【解析】本题首先根据氢的守恒，水的物质的量为1.4 mol，所以得到甲烷为0.7 mol；这样就知道一氧化碳和二氧化碳的物质的量的和也是0.7 mol，再根据两者的总质量是24.4克，减去碳的质量，就求出与碳结合的氧的质量，同理可以求出与氢结合的氧的质量，利用氧的守恒就可以求出氧气的物质的量。【方法技巧点拨】确定烃燃烧耗氧量或根据耗氧情况以及产物的量来确定烃的组成等一类题目，经常根据烃燃烧前后，碳原子、氢原子守恒，再结合质量守恒定律来解决。(守恒法)考点五 石油化学工业 例例5 将下图所列仪器组装成一套实验室蒸馏石油的装置，并进行蒸馏得到汽油和煤油。(1)上 图 中 A、B、C 三 种 仪 器 的 名 称 是_。(2)将以上仪器(一)(六)，按连接顺序表示(用字母a，b，c表示)：e接i；_接_；k接l；_接_；_接_。(3)A仪器中，c口用于_，d口用于_。A是冷凝管，B是蒸馏烧瓶，C是锥形瓶 h a b f g q 进水口 出水口 (4)蒸馏时，温度计水银球应在_位置。(5)在B中注入原油后，加几片碎瓷片的目的是_。(6)给B加热，收集到沸点在60 150 间的馏分是_，收集到150 300 之间的馏分是_。蒸馏烧瓶支管口处 防止暴沸 溶剂油和汽油 煤油 【解析】此实验装置的安装应本着“由下往上，由左到右”的原则进行。注意检查装置气密性，及冷凝管的水流方向是低进高出，温度计水银球的位置应在蒸馏烧瓶支管口附近。收集到汽油和煤油(沸点范围分别在60 150 和150 300)。【方法技巧点拨】实验时要注意的问题：石油及其分馏产品都易燃烧，实验中最好用隔火板将酒精灯和锥形瓶隔开，在锥形瓶的口部塞一团疏松的棉花，以防发生火灾；一定要垫石棉网加热，防止烧瓶炸裂引起火灾；必须在加热前加入碎瓷片，不加碎瓷片或反应过程中加入都有可能引起暴沸；烧瓶中的原油量不要超过烧瓶容积的1/2；冷凝管内的冷却水要从下口入，上口出，这样会使馏分的冷却效果最好；汽油、柴油等对橡胶有较强的腐蚀性，实验中所用的橡胶塞要用锡箔包起来，防止被腐蚀；温度计的最大量程要不低于300。温度计的水银球要置于蒸馏烧瓶支管口附近。1.1.在1.01105 Pa下，测得某些烷烃的沸点见下表。分析表中数据，判断下列选项中正确的是()A.在标准状况下，新戊烷是气体 B在1.01105 Pa、20 时，C5H12是液体 C烷烃随分子碳原子数的增加，沸点逐渐降低 DC5H12随着分子中支链数的增加，沸点逐渐降低 【解析】新戊烷的沸点是9.5，标准状况下是液体，20 时是气体，则A、B两项均错误；烷烃随分子中碳原子数的增加，沸点逐渐升高，C项错误；C5H12的三种同分异构体中，随分子中支链数的增加，沸点逐渐降低，D项正确。【答案】D 2.干洗是一种不用水的洗涤方法，让有机溶剂渗入衣物就可以从纺织纤维表面除去油污，且这种洗涤方 法 不 会 使 衣 物 变 形 褪 色。常 用 的 干 洗 剂 有CCl4、等。下列有关说法中正确的是()A以上三种干洗剂都易燃烧 B以上三种干洗剂都能使溴水因发生化学反应而褪色 C干洗剂去污主要发生物理变化 D以上三种干洗剂的分子中所有原子都在同一平面内 【解析】利用题给信息：油污等有机物易溶于干洗剂CCl4、，主要发生物理变化；上述三种干洗剂均不易燃烧，CCl4还可作灭火剂；CCl4可以萃取溴水中的溴而使水层褪色；CCl4分子呈正四面体结构，1个碳原子与4个氯原子一定不共平面。【答案】C 3.3.根据下表中烃的分子式排列规律，判断空格中烃的同分异构体数目是()A12345678CH4C2H4C3H8C4H8C6H12C7H16C8H16 A.3 B4 C5 D6 【解析】分析上表得出规律：1、2组，3、4组，5、6组，7、8组的H原子个数相差4，故第5种物质的分子式应为C5H12，它有3种同分异构体：4.下列现象中，不是因为发生化学反应而产生的是()A乙烯使酸性KMnO4溶液褪色 B将苯滴入溴水中，振荡后水层接近无色 C 乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色 D甲烷与氯气混合，光照一段时间后黄绿色消失B 【解析】A项中乙烯使酸性KMnO4溶液褪色，是由于发生了氧化还原反应，是化学变化；B项苯使溴水变成无色，是发生了萃取，是物理变化，由于溴易溶于苯，从而使水层接近无色；C项乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色是发生了加成反应，是化学变化；D项甲烷和氯气混合，在光照条件下发生了取代反应，所以黄绿色消失，是化学变化。5.烯烃与溴化氢、水加成时，产物有主次之分，例如：下面框图中B、C、D都是相关反应中的主要产物(部分条件、试剂被省略)，且化合物B中仅有4个碳原子、1个溴原子、1种氢原子。根据框图分析不正确的是()AB的结构简式有多种 B属于取代反应的有 C属于消去反应的有 D属于加成反应A 【解析】因为化合物B中仅有4个碳原子、1个溴原子、1种氢原子，则B的结构简式只为 ；B水解生成C，C的结构简式为 ；B、C均 可 发 生 消 去 反 应 生 成 D，D 的 结 构 简 式为 。由题给信息可知D与溴化氢加成的主要产物为B，D与水加成的主要产物为C，该反应的化学方程式为：CH2=C(CH3)2+H2O (CH3)3COH。H 6.(2011四川四川)25 和101 kPa时，乙烷、乙炔和丙烯组成的混合烃32 mL，与过量氧气混合并完全燃烧，除去水蒸气，恢复到原来的温度和压强，气体总体积缩小了72 mL，原混合烃中乙炔的体积分数为()A12.5%B25%C50%D75%B 【解析】4CnHm+(4n+m)O2 4nCO2+2mH2ODV 4 4n+m 4n 4+m 32 72 所以m=5，即氢原子的平均值是5，由于乙烷和丙烯均含有6个氢原子，所以利用十字交叉法可计算出乙炔的体积分数：=。7.有A、B两种烃，其相关信息如下：回答下列问题：(1)烃A的最简式为_。(2)烃A的结构简式为_。(3)烃B的三种二溴代物的结构简式为_。(4)烃C为烃B的同系物，常温下为气态且只有一种一 溴 代 物，则 烃 C 的 一 溴 代 物 的 结 构 简 式 为_(填一种即可)。【解 析】(1)烃 A 完 全 燃 烧 的 产 物 中n(CO2)n(H2O)=2 1，故烃A的最简式为CH。(2)因28M(A)60，所以烃A的分子式为C3H3或C4H4，结合另外两个信息可知烃A的结构简式为 (3)烃B为饱和链烃，通常情况下呈气态，则烃B为CH4或C2H6或C3H8或C4H10；有同分异构体，则不可能为 C H4、C2H6、C3H8，所 以 烃 B 为 C4H1 0。CH3CH2CH2CH3的二溴代物有6种，故B为 ，它的三种二溴代物的结构简式分别为 (4)烃B的同系物中常温下为气态的是CH4、C2H6、C3H8，C3H8有两种一溴代物，CH4、C2H6都只有一种一溴代物，分别为CH3Br、C2H5Br。【答案】(1)CH(2)(3)(4)CH3Br(或C2H5Br)