高中化學(xué) 《石油和煤 重要的烴》素材1 魯科版必修2

1、 第二節(jié) 石油和煤 重要的烴【閱讀材料】煤的液化及轉(zhuǎn)化簡談“煤變油”技術(shù) 1.煤變油的必要性迄今為止，人類使用的燃料主要是礦物燃料(也叫化石燃料)，包括石油、油頁巖、煤和天然氣，而用得最多的是石油和煤。自從19世紀中葉和20世紀初在美洲和中東發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的石油礦藏以來，人們廣泛使用石油為能源。隨著工業(yè)化程度的提高，石油的用量猛增，科學(xué)家估計，地球上石油和天然氣資源將在100年內(nèi)枯竭。煤是地殼中儲量最豐富的礦物燃料，全世界煤的可開采量估計要比石油多2040倍，供應(yīng)年代遠大于石油。但是，作為燃料，煤有兩大缺點：一是不干凈，煤中所含的硫燃燒生成二氧化硫，造成對大氣和周圍環(huán)境的嚴重污染；二是從原子結(jié)構(gòu)上

2、看，煤的氫一碳比(HC)還不到石油的一半，限制了它的綜合利用。 近年來，隨著石油資源日益減少，國際石油市場動蕩不定，給各國經(jīng)濟發(fā)展帶來不利影響。同時，由于石油是規(guī)模巨大的石油化工的基礎(chǔ)，除用于塑料、纖維、油漆、醫(yī)藥等工業(yè)外，還用于生產(chǎn)食用油脂、蛋白質(zhì)、糖類及合成甘油等基本食品，石油資源的枯竭，必將影響到石化工業(yè)。因此，從經(jīng)濟和社會效益來看，煤經(jīng)過轉(zhuǎn)化(煤變油)再利用是值得提倡的發(fā)展方向。 2.煤變油的可能性 石油是一種氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)碳氫化合物的混合物，也可能是由古代的動植物長期被埋藏在地下而形成的，儲集在地下的多孔性巖石里。石油中碳氫化合物(包括烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴)占98以上。w.w.w.

3、g.k.x.x.c.o.m 煤是一種碳質(zhì)巖石，是古代森林由于地殼的變動被埋人地下，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代的生物化學(xué)作用和地質(zhì)作用而形成的。按煤化作用程度的不同，可分為泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤四大類。它是多種高分子有機化合物和礦物質(zhì)的混合物，其中有機化合物以碳為主，氫、氧、氮、硫等次之。 由此可見，煤和石油都是主要由碳和氫元素組成的。此外，煤是化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的復(fù)合體，而油比煤的結(jié)構(gòu)簡單得多。因此，人類產(chǎn)生了由煤液化轉(zhuǎn)化為油的想法。 3.煤變油的關(guān)鍵是煤液化技術(shù) 要將煤變成油，首先要將煤液化，然后進行分解，因而煤變油的關(guān)鍵是煤的液化技術(shù)。 所謂煤的液化，就是將煤通過化學(xué)加工轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品的過程，煤的

4、液化可分為直接液化和間接液化兩個體系 4.煤變油在我國w.w.w.g.k.x.x.c.o.m 利用豐富的煤資源，采用直接和間接煤液化技術(shù)，人類已經(jīng)實現(xiàn)了煤轉(zhuǎn)化為油的夢想。我國對煤的液化及轉(zhuǎn)化也非常重視，1980年重新開展煤直接液化研究，1983年和1990年兩次從日本和德國引進的煤直接液化技術(shù)和設(shè)備，至今還在繼續(xù)使用和運行，中國煤種液化特性評價和液化工藝的研究及對費托合成的研究也一直在進行。目前我國在煤制取合成氣方面已取得較好的成果，并正向世界一流技術(shù)水平進軍。 我國對煤制甲醇也做了大量工作。甲醇是用含有H2和CO的原料氣制作的，可用作化工原料、溶劑和燃料。甲醇用作汽車燃料，可在汽油中摻人5、

5、15、25 (M-5、M-15、M口25)或用純甲醇(M- 100)。甲醇和異丁烯合成甲基叔丁基醚 (MTBE)，用作無鉛汽油辛烷值添加劑；或直接合成低碳混合醇(甲醇70，低碳醇 30)，用作汽油辛烷值添加劑。甲醇還可 制取合成汽油。目前，我國甲醇年產(chǎn)能力超 過60萬噸，其中約20用作燃料。煤用間接液化制成燃料甲醇已有了成熟技術(shù)。乙烯-石油化學(xué)工業(yè)水平的標志石油化學(xué)工業(yè)中大多數(shù)中間產(chǎn)品（有機化工原料）和最終產(chǎn)品（三大合成材料）均以烯烴和芳烴為原料，除由重整生產(chǎn)芳烴以及由催化裂化副產(chǎn)物中回收丙烯、丁烯和丁二烯外，主要由乙烯裝置生產(chǎn)各種烯烴和芳烴。乙烯裝置在生產(chǎn)乙烯的同時，副產(chǎn)大量的丙烯、丁烯、丁

6、二烯、苯、甲苯和二甲苯，成為石油化工基礎(chǔ)原料的主要來源。除生產(chǎn)乙烯外，世界上約70的丙烯、90的丁二烯、30的芳烴均來自乙烯的副產(chǎn)。以三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）和三苯（苯、甲苯、二甲苯）總量計，約65來自乙烯生產(chǎn)裝置。乙烯裝置代表著一個國家的設(shè)備和技術(shù)狀況。因為在乙烯裝置中有1100高溫壓和-175低溫壓，有大型離心壓縮機組，有各種苛刻條件下使用的塔釜設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，一套30萬噸乙烯裝置，要用2.2萬噸鋼材，大小塔40余座，設(shè)備近800臺，機泵300臺，儀器儀表7000余臺，乙烯裝置的建設(shè)和管理，足可以反映出現(xiàn)代工業(yè)的綜合技術(shù)水平。正因如此，常常以乙烯生產(chǎn)作為衡量一個國家和地區(qū)石油化工生產(chǎn)水平的

7、標志。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m乙烯由兩個碳原子和4個氫原子構(gòu)成，碳碳之間由雙鍵連接，具有很強的反應(yīng)能力。在石油乙烯出現(xiàn)之前，乙烯主要由糧食酒精脫水以及電石乙炔加氫得到。美國于第一次世界大戰(zhàn)期間開始由石油烴裂解制取乙炔-乙烯混合氣，用于生產(chǎn)軍用芥子氣（毒瓦斯）。1930年，美國利用裂解天然氣制乙烯，合成出合成酒精。1937年，美孚油公司利用管式爐裂解石腦油，制取高辛烷值汽油同時，從副產(chǎn)的烯烴氣體中回收乙烯，成功地生產(chǎn)出汽油抗爆劑-四乙基鉛。從20世紀50年代開始，研究提高反應(yīng)溫度(7001000)、加入水蒸氣、縮短反應(yīng)時間的裂解方法，裝置生產(chǎn)能力由20世紀50年代的2萬-3萬噸年提

8、高到80年代的75萬噸年。目前，全世界的乙烯年產(chǎn)量已經(jīng)超過了8000萬噸。乙烯之所以成為石油化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料，是由于它易于加工利用。例如乙烯和水反應(yīng)就可生成乙醇（酒精），這就可以節(jié)省大批用于生產(chǎn)酒精的糧食，用乙烯生產(chǎn)的酒精成本只有以糧食生產(chǎn)酒精成本的1/4。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m乙烯的自身聚合，是乙烯的最大用量。例如高密度聚乙烯和低密度聚乙烯總量占乙烯總產(chǎn)量的60%以上，再加上聚苯乙烯、聚氯乙烯等塑料樹脂，使乙烯在塑料樹脂生產(chǎn)中占有絕對優(yōu)勢。乙烯的選擇性聚合可生成丁烯-1、己烯-1、辛烯-1等烯烴，這些烯烴是聚乙烯的共聚單體和表面活性劑原料，也是高檔合成潤滑油的優(yōu)質(zhì)原料。石油

9、烴熱裂解有多種方法，如蓄熱爐裂解、流動床裂解、管式爐裂解等。前兩種都因投資高、物耗能耗高、污染嚴重等被淘汰。管式爐具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)比較簡單、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好和烯烴收率高等優(yōu)點，現(xiàn)在世界上約99的乙烯是由管式爐裂解法生產(chǎn)的。我們通常說的乙烯裝置，主要包括管式爐裂解和深冷分離。裂解混合碳四須經(jīng)丁二烯抽提才能得到丁二烯；裂解汽油須經(jīng)汽油加氫和芳烴抽提才能得到苯、甲苯和二甲苯。除了烴類裂解生產(chǎn)乙烯外，由煉廠氣回收乙烯、丙烯，也是工業(yè)上生產(chǎn)烯烴的主要來源之一。煉廠中的熱裂化裝置、催化裂化裝置、延遲焦化裝置副產(chǎn)的輕烴含有大量的烯烴，由這些煉廠氣回收的烯烴在烯烴生產(chǎn)中占有相當重要的地位，尤其在丙烯和碳四烯烴生

10、產(chǎn)中的地位不亞于烴類裂解法。兩夢定乾坤的凱庫勤 以碳、氫、氧三種元素為主組成的有機化合物是一個龐大的集團，尤其是道出在這些 復(fù)雜化合物中，碳原子之間是以哪種方式相連接，長期困擾了許多化學(xué)家。不了解分子的結(jié)構(gòu)就難于測定它的性質(zhì)，更難判定它有哪些用途。凱庫勒(1829-1996)為了碳、碳間的結(jié)構(gòu)，花費了大量的時間和心血，終于心有靈犀一點通，得益于“夢中悟道”，為有機化學(xué) 的發(fā)展作出了杰山的貢獻。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m上個世紀60年代中葉，凱庫勒旅居倫敦，在英國議院下院的克拉帕姆路住過一段時間。那時候，他工作非常勤奮，終日在簡陋的實驗室里專心致志地實驗、思考，夜以繼日，廢寢忘食。他

11、晚上常去訪問好友繆拉，海闊天空地談?wù)摳鞣N問題，話題大部分還是他們共同關(guān)心的化學(xué)，這可以說是他最感興趣的“業(yè)余”活動了。那個時候，化學(xué)界，特別是有機化學(xué)家都被碳原子的奇特性質(zhì)和難以捉摸的結(jié)構(gòu)所吸引。他們像著了迷一樣，熱衷于解開碳化合物的結(jié)構(gòu)之謎，以求合理解釋碳化合物的家族成員為什么如此繁衍眾多，碳的4個化合價是怎樣妥善安排互相連接起來的。說起碳的化合價是4，這也是凱庫勒的-個發(fā)現(xiàn)周期表里每個“注冊”的化學(xué)元 素都具有一定的化合價，說明它們能和幾個別的元素原子“攜手并肩”結(jié)合起來，所以過去也常叫做“化學(xué)親合力”比如氫是1價的，只能伸出一只手去和原子(或“基”) 結(jié)合；氧是2價的，只能“伸出雙手”歡

12、迎其他“客人”；而碳是4價的，它就能和四個“朋友”去“擁抱”了。這些，目前已經(jīng)成為常識了，但是當初確定它們的化合價卻是化學(xué)界、其至是科學(xué)界的重大事件。弄不清這個問題，就確定不了原子量，當然就更不能排列繪制出化學(xué)家的地圖-化學(xué)元素周期表來了。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m-個晴朗的夏夜，整個城市已沉靜下來。凱庫勒乘最后一班公共馬車回家。那時候的公共馬車還是雙層的，凱庫勒在馬車上層陷入了沉思，后來似乎進入了夢鄉(xiāng)。俗話說，日有所思，夜有所夢。他眼前又浮現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)飄游的眾多原子。這些活動的原子雖然時常浮現(xiàn) 在他的腦際，但平時“看不清”它們的“廬山真面目”，總是若隱若現(xiàn)。這個晚上卻不同了，也許就像

13、文學(xué)家常說的“靈感”來了吧，凱庫勒今晚似乎見到那些小原子總是時而結(jié)合成隊，時而被大原子擁抱：大原子一會兒捉住三個或四個小原子，一會兒這些原子又好像全部形成旋渦狀而跳起華爾滋舞來。他還看到大原子排著隊，牽著長鏈另-端的小原子走。 凱庫勒正如夢非夢腦海里出現(xiàn)這些思維的閃光的當兒，“克拉帕姆路到了”的喊聲把他驚醒過來。凱庫勒回到寓所，回憶車上的夢境，用了半夜的時間奮筆疾書，把這個閃現(xiàn)的幻影捕捉下來，記述成文-于是碳的鏈狀結(jié)構(gòu)誕生了。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m解決了4價的碳在長鏈化合物中是怎樣結(jié)合的，還只是解決了問題的一半。有些碳的化合物用這個結(jié)構(gòu)圖式仍然無法說明，比如苯分子中碳的4價和六

14、個氫原子怎樣相連仍然無法解釋。所以，凱庫勒為此還是日夜苦思冥想。后來，有一天晚上他正執(zhí)筆撰寫化學(xué)教程，不知為什么思路總不能集中，寫起來也不順利。他拉把椅子坐到壁爐前打起盹來，他腦海里又出現(xiàn)了一群旋轉(zhuǎn)著的原子群，在這群原子后面還跟隨-群更小的原于。對這種“靈感”的來襲已經(jīng)有過體驗的凱庫勒，立即從中分辨出種種不同形狀、似乎是纏繞狂舞的“群蛇”，邊旋轉(zhuǎn)邊運動。驀然，他仿佛看到其中一條“蛇”銜著自己的尾巴，搖來搖去在他面前打起轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，似有嘲弄戲耍之意，像被電擊一樣，凱庫勒下意識地猛醒過來，他想到碳鏈為什么不可以自身首尾相接?于是，這夜晚他又振筆疾書，整理出了他的碳化合物的環(huán)狀結(jié)構(gòu)理論。要知道，碳的化合物

15、中這類環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物-芳香族化合物是一類非常重要的家族，而為打開這個廣闊天地大門金鑰匙的正是凱庫勒。凱環(huán)勒是一位嚴謹治學(xué)的科學(xué)家，他沒有輕率地將他兩次“夢中悟道”的結(jié)果匆匆發(fā)表。1890中，在德國化學(xué)會25周年慶祝會上，他生動地回憶了兩次“夢中悟道”的情況。他語重心長地說：“你們也學(xué)會作夢吧!它會幫助發(fā)現(xiàn)真理。但是在我們的夢沒有以清 醒的理智進行研究之前，千萬不要輕易發(fā)表?！彼沁@樣說的，也是這樣做的。他在倫敦第一次“夢中悟道”以后，只是回到海得爾堡才寫成關(guān)于碳鏈學(xué)說的正式論文。但馬上發(fā)表可能不太慎重，就又放了一年多才發(fā)表出來。他在比利時第二次“夢中悟道”以后，也擱置了大約一年時間，在別的學(xué)者完成了有關(guān)的合成實驗之后，他才把苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)理論拿出來發(fā)表?？茖W(xué)史上，一些重要學(xué)說的建立往往是由點滴偶然的聯(lián)想為淵源的。但是成為立得起、站得住的學(xué)說，還必須以豐富的事實作依據(jù)，進行多方面的探討和檢驗。沒有經(jīng)過多方面 的推敲，即便名噪-時，也未必經(jīng)得起歷史的考驗。凱庫勒關(guān)于苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)理論一發(fā)表就獲得成功，是和他的這種審慎的、嚴格的科學(xué)態(tài)度密切不可分的。一百多年來，盡管結(jié)構(gòu)理論有了極大的發(fā)展和極大的深化，但是凱庫勒當年所達到的認識在總的輪廓上仍然驚人地正確，在我們