2024-2025學年高中化學專題三有機化合物的獲得與應用第一單元第4課時煤的綜合利用苯學案蘇教版必修2

PAGE19-第4課時煤的綜合利用苯一、煤的綜合利用1．煤的氣化煤的氣化就是把煤轉化為可燃性氣體的過程，生成的氣體可作為燃料或化工原料氣。2．煤的液化煤的液化是把煤轉化成液體燃料的過程。把煤與適當的溶劑混合后，在高溫、高壓及催化劑存在下，使煤氣轉化成一氧化碳和氫氣，然后再合成液體燃料。3．煤的干餾煤干餾得到的固體、液體和氣體產物分別是焦炭、煤焦油和焦爐煤氣，其中從液體產物煤焦油中可以分別得到苯、甲苯、二甲苯等有機化合物。利用苯、甲苯、二甲苯等有機物可以制備染料、化肥、農藥、溶劑和多種合成材料。4．煤的干餾、氣化、液化的比較二、苯1．苯的分子結構(1)分子式：C6H6。(2)結構式：(3)結構特點：a.平面六邊形結構，全部原子共平面。b．碳碳鍵鍵長相等，不是單、雙鍵的交替，苯環(huán)上的碳碳鍵是一種介于單鍵和雙鍵之間的獨特的共價鍵。c．碳碳鍵夾角為120°。d．分子中含有一個或多個苯環(huán)的一類碳氫化合物，屬于芳香烴，苯是最簡潔的芳香烴。2．苯的性質苯是一種無色、有特殊性氣味，有毒的液體，不溶于水，密度比水小。(1)取代反應——與烷烴相比，苯易發(fā)生取代反應。(ⅰ)溴代反應方程式為＋Br2eq\o(→,\s\up17(FeBr3))＋HBr。留意：a.苯只能與液溴取代，不與溴水反應。溴水中的溴只可被苯萃取。b．反應中加入的催化劑是Fe粉，實際起催化作用的是FeBr3。c．生成的是無色液體，密度大于水。d．苯與Br2只發(fā)生一元取代反應。e．欲得較純溴苯，可用稀NaOH溶液洗滌，以除Br2。(ⅱ)硝化反應硝化反應是指苯分子中的氫原子被—NO2所取代的反應，屬于取代反應。方程式為＋HO—NO2eq\o(→,\s\up17(濃硫酸),\s\do15(△))＋H2O。(2)加成反應苯不具有典型的雙鍵所應有的加成反應性質，與烯烴相比，苯不易發(fā)生加成反應，但在特殊狀況下(催化劑、肯定溫度)仍能發(fā)生加成反應，如與H2加成：留意：a.1mol苯與3molH2加成。b．苯與H2發(fā)生加成反應后，由平面形結構變更為空間立體構型。(3)氧化反應在空氣中燃燒的方程式為2C6H6＋15O2eq\o(→,\s\up17(點燃))12CO2＋6H2O。注：a.苯的含碳量高，點燃有較濃的黑煙。b．苯不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色。三、甲烷、乙烯與苯的比較續(xù)表四、苯的同系物、芳香烴及芳香族化合物探究點一煤的綜合利用1．煤的氣化、液化和干餾2.煤干餾的主要產品及用途1．干餾和蒸餾的區(qū)分是什么？提示：(1)條件不同：干餾是在加強熱條件下，蒸餾是在加熱條件下，溫度的凹凸不同。(2)環(huán)境不同：干餾須要隔絕空氣，蒸餾不須要隔絕空氣。(3)物質變更的類型不同：干餾過程發(fā)生的主要是化學變更，蒸餾過程發(fā)生的是物理變更。(4)目的不同：干餾是為了制取新物質，蒸餾是為了分別混合物。2．從煤焦油中分別出芳香烴，應采納什么方法？提示：煤焦油是由各種芳香烴組成的液態(tài)混合物。可依據各種芳香烴的沸點不同，利用分餾法進行分別。3．煤的氣化、液化同水的汽化、液化一樣都屬于物理變更，這種說法正確嗎？提示：不正確。煤的氣化、液化均是化學變更?！纠?】煤的干餾是煤氣化的重要方法，是煤綜合利用最“古老”的方法，也是最簡潔的方法。所謂煤的干餾是在隔絕空氣和高溫的條件下，煤可以發(fā)生分解，生成固態(tài)的焦炭、液態(tài)的煤焦油、氣態(tài)的焦爐煤氣。下面是某試驗小組設計的煤干餾的試驗方法，裝置如圖所示。取約2～3g的煤粒，在研缽中研磨至粉末狀態(tài)；用藥匙將煤粉放入玻璃管中，在具支試管中加入2mL水，然后依據如圖所示安裝好裝置；點燃酒精噴燈，對玻璃管勻稱加熱后再集中加熱，留意視察具支試管中氣泡的產生速率；待具支試管中溶液內的氣泡產氣速率勻稱后，用明火靠近具支試管的支管口處，可以視察到產生的氣體能夠燃燒。依據上述試驗設計回答下列問題。(1)試驗結束后，應當先把玻璃管從溶液中取出，然后熄滅酒精噴燈火焰，這樣操作的目的是_________________________________。(2)焦爐煤氣是一種混合性的可燃性氣體，其點燃前必需進行________操作，目的是________________，但該試驗沒有進行該操作，試驗中須要多排一會兒氣體，至氣泡勻稱時再點燃。(3)取下具支試管，可以發(fā)覺其中的液體分為兩層，上層是________，下層是__________，在溶液中滴加酚酞試劑，溶液顯________色，緣由是______________________________。【解析】這是試驗室中進行煤干餾的試驗方法。該題考查了試驗平安問題、煤干餾的氣體的可燃性及煤焦油的成分，值得留意的是煤氣化的產物中含有部分氨氣，且煤焦油多為苯、甲苯等芳香烴化合物，不溶于水，事實上煤焦油中有機化合物的成分達幾千種?！敬鸢浮?1)防止因為先撤走酒精噴燈導致玻璃管內溫度降低，具支試管中的溶液沿玻璃導管倒吸入熱的玻璃管中，從而使玻璃管裂開(2)驗純防止爆炸(3)煤焦油水溶液紅溶液中溶解了氨氣下列屬于煤的綜合利用且說法正確的是(B)A．煤中含有苯、甲苯、二甲苯等有機化合物，可采納先干餾后分餾的方法分別B．將煤干餾制得煤焦油和焦炭C．煤的氣化和液化為物理變更D．將煤變?yōu)槊猴炞魅剂辖馕觯好菏怯捎袡C化合物和無機化合物組成的困難混合物，經過干餾才能得到苯、甲苯、二甲苯等的混合物，可用分餾法將它們分別，A錯誤；將煤干餾制得煤焦油和焦炭屬于煤的綜合利用，B正確；煤的氣化是煤與水蒸氣的反應，屬于化學變更，煤的液化分干脆液化和間接液化，煤的干脆液化是指煤與氫氣作用生成液體燃料；煤的間接液化是指將煤先轉化為CO和H2，再在催化劑作用下合成甲醇，因此煤的液化屬于化學變更，C錯誤；將煤變?yōu)槊猴炞魅剂?，不屬于煤的綜合利用，D錯誤。探究點二苯的特殊結構和性質1．苯的結構的特殊性(1)苯的分子式為C6H6，是一種高度不飽和烴。(2)試驗探究苯的結構試驗操作試驗現象試驗結論(1)向試管中加入少量苯，再加入酸性高錳酸鉀溶液，振蕩試管，視察現象液體分層，上層為無色，下層為紫色苯與酸性高錳酸鉀溶液不反應(2)向試管中加入少量苯，再加入溴水，振蕩試管，視察現象液體分層，上層為橙色，下層為無色苯與溴水不反應苯的分子式C6H6與己烷的分子式C6H14碳原子數相同，但相差8個H原子，從分子式分析苯遠遠不飽和，但苯卻不具有不飽和烴的性質，所以苯的分子結構是十九世紀化學界的一個謎。直到德國化學家凱庫勒經過多年的探討在1866年提出了苯是環(huán)狀結構后，人類才漸漸地解開了苯的結構。對苯的進一步探討表明，苯分子具有平面正六邊形結構，分子中六個碳原子形成一個六元環(huán)，六個碳碳鍵完全等同，是一種介于單鍵和雙鍵之間的獨特的共價鍵，分子中六個碳原子和六個氫原子共處于同一平面內，是一種高度對稱的平面形分子。(3)苯的分子結構特殊提示：①凱庫勒式不合理性已成事實，由于歷史的緣由仍舊運用，但不能認為苯就是C=C和C—C交替排列的結構。②由于苯環(huán)結構的特殊性，在推斷苯能否與其他物質反應時，要特殊留意，反應條件和反應物的狀態(tài)。2．性質方面的體現(1)苯不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色，由此可知苯在化學性質上與烯烴有很大差別。(2)苯在催化劑(Fe或FeBr3)作用下與液溴發(fā)生取代反應，說明苯具有類似烷烴的性質。(3)苯又能與H2在催化作用下發(fā)生加成反應，說明苯具有烯烴的性質。總之，苯易發(fā)生取代反應，能發(fā)生加成反應，難被氧化，其化學性質不同于烷烴、烯烴。3．苯的性質的兩個易錯點(1)苯與鹵素單質能發(fā)生取代反應，但與鹵素單質的水溶液不發(fā)生化學反應，只是萃取，如苯與溴水混合。(2)苯與鹵素單質只發(fā)生單取代反應，如苯與溴只生成溴苯，不能生成二溴苯等。1．如何證明苯的分子結構中碳碳鍵不是單雙鍵交替？提示：苯不能使溴的四氯化碳溶液和酸性高錳酸鉀溶液褪色，苯的鄰位二取代物只有一種，這些都說明苯的分子中碳碳鍵不是單雙鍵交替的結構。2．肯定條件下，苯、甲烷和乙烯均能與溴反應，條件相同嗎？反應類型呢？提示：苯與液溴在溴化鐵作催化劑時才能反應，甲烷與溴蒸氣在光照時反應，乙烯與溴水常溫下反應，三者反應類型分別是取代反應、取代反應和加成反應?！纠?】苯環(huán)結構中，不存在單、雙鍵交替結構，可以作為證據的事實是()①苯不能使KMnO4(H＋)溶液褪色②苯中碳碳鍵的鍵長均相等③苯能在肯定條件下跟H2加成生成環(huán)己烷④經試驗測得鄰二甲苯僅有一種結構⑤苯在FeBr3存在的條件下同液溴可以發(fā)生取代反應，但不因化學變更而使溴水褪色A．②③④⑤ B．①③④⑤C．①②④⑤ D．①②③④【解析】苯不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，說明苯分子中不含碳碳雙鍵，可以證明苯環(huán)結構中不存在C—C與C=C的交替結構，故①正確；苯環(huán)上碳碳鍵的鍵長相等，說明苯環(huán)結構中的化學鍵只有一種，不存在C—C與C=C的交替結構，故②正確；與氫氣加成是苯和雙鍵都有的性質，因此苯能在肯定條件下跟H2加成生成環(huán)己烷，不能證明苯環(huán)結構中不存在C—C與C=C的交替結構，故③錯誤；假如是單雙鍵交替結構，鄰二甲苯的結構有兩種，一種是兩個甲基夾C—C，另一種是兩個甲基夾C=C。鄰二甲苯只有一種結構，說明苯環(huán)結構中的化學鍵只有一種，不存在C—C與C=C的交替結構，故④正確；苯不因化學變更而使溴水褪色，說明苯分子中不含碳碳雙鍵，可以證明苯環(huán)結構中不存在C—C與C=C的交替結構，故⑤正確。所以①②④⑤可以作為苯分子中不存在單、雙鍵交替排列結構的證據?！敬鸢浮緾苯的結構簡式可用來表示，下列關于苯的敘述中正確的是(D)A．苯分子中處于對位的兩個碳原子及與它們相連的兩個氫原子，不行能在同一條直線上B．苯中含有碳碳雙鍵，所以苯屬于烯烴C．苯分子中的6個碳碳鍵可以分成兩類不同的化學鍵D．苯分子中既不含有碳碳雙鍵，也不含有碳碳單鍵解析：苯分子處于對位的兩個碳原子及與它們相連的兩個氫原子，這四個原子共直線；苯分子中不含有碳碳雙鍵，苯不屬于烯烴；苯分子中的6個碳碳鍵完全相同，是一種介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的獨特的鍵。故選D。探究點三苯的取代反應的有關試驗1．苯與液溴的反應下面是制取溴苯的試驗方案與試驗步驟：把苯和少量液溴放在燒瓶里，同時加入少量鐵屑作催化劑。用帶導管的瓶塞塞緊瓶口(如圖)，跟瓶口垂直的一段導管可以兼起冷凝器的作用。在常溫時，很快就會看到在導管口旁邊出現白霧(由溴化氫遇水蒸氣所形成)。反應完畢后，向錐形瓶內的液體里滴入AgNO3溶液，有淺黃色溴化銀沉淀生成。把燒瓶里的液體倒在盛有冷水的燒杯里，燒杯底部有紅褐色不溶于水的液體。不溶于水的液體是溴苯，它是密度比水大的無色液體，由于溶解了溴而顯褐色。留意事項：①裝置特點：長導管，導管管口接近水面，但不接觸。②長導管的作用：導氣，冷凝。③苯、溴、鐵按此依次加藥品(加入藥品是液溴，不是溴水。苯與溴水只萃取，不反應)。④鐵粉的作用：催化(真正的催化劑是FeBr3)。⑤留意視察三個現象：導管口的白霧；燒瓶中的現象；滴入硝酸銀后水中生成的沉淀。⑥將反應的混合物倒入水中的現象是什么？(有紅褐色的油狀液體沉于水底)⑦溴苯的物理性質如何？(比水重，不溶于水，無色油狀液)⑧如何除去溴苯中的溴？(水洗，再用10%燒堿溶液洗，再干燥，蒸餾)2．苯與濃硝酸的反應制取硝基苯的試驗方案與試驗步驟：先將1.5mL濃硝酸注入大試管中，再漸漸注入2mL濃硫酸，并剛好搖勻和冷卻。向冷卻后的混酸中逐滴加入1mL苯，充分振蕩，混合勻稱。將大試管放在50～60℃的水浴中加熱約10min，試驗裝置如圖所示。將反應后的液體倒入一個盛有冷水的燒杯中，可以視察到燒杯底部有黃色油狀物生成，用分液漏斗分別出粗硝基苯。粗產品依次用蒸餾水和5%NaOH溶液洗滌，最終再用蒸餾水洗滌。若將用無水CaCl2干燥后的粗硝基苯進行蒸餾，可得純硝基苯。蒸餾應在通風柜或通風良好處進行。純硝基苯為無色、具有苦杏仁氣味的油狀液體，其密度大于水。留意事項：①裝置特點：水??；溫度計位置；水浴的水面高度(反應裝置中的溫度計，應插入水浴液面以下，以測量水浴溫度)。②藥品加入的依次：先濃硝酸再濃硫酸(冷卻到50～60℃再加入苯)。③水浴溫度：50～60℃(溫度高苯揮發(fā)，硝酸分解)溫度下，水浴加熱。④HNO3(HO—NO2)去—OH后，生成—NO2，稱為硝基。⑤濃硫酸的作用：催化劑、吸水劑。⑥反應方程式：如何設計一簡潔的試驗證明苯與液溴發(fā)生的是取代反應而非加成反應？提示：苯與液溴若發(fā)生取代反應，則生成物中有HBr；若發(fā)生加成反應，則不會生成HBr。可通過驗證反應后的生成物中含有HBr，證明苯與液溴發(fā)生了取代反應。步驟：(1)將苯和液溴反應產生的氣體通過CCl4(除去揮發(fā)出來的溴蒸氣)；(2)再將氣體通入AgNO3溶液，若產生淡黃色沉淀，則說明有HBr生成，即證明苯與液溴發(fā)生了取代反應而非加成反應。【例3】某化學愛好小組為探究苯與溴發(fā)生反應的原理，用如圖所示裝置進行了試驗。依據相關學問回答下列問題：(1)試驗起先時，關閉K2，開啟K1和分液漏斗活塞，滴加苯和液溴的混合液。過一會兒，在裝置Ⅲ中可能視察到的現象是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)整套試驗裝置中能防止倒吸的裝置有________(填裝置序號)。(3)通過該試驗可知，苯與溴反應的原理是______________________(用化學方程式表示)。(4)該試驗中采納冷凝裝置，其作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)裝置Ⅲ中小試管內苯的作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)若試驗時無液溴，但試驗室有溴水，該試驗________(填“能”或“不能”)勝利?！舅悸贩治觥拷獯祟}的關鍵是了解生成溴苯的試驗原理和操作要點?！窘馕觥?1)在催化劑作用下，液溴與苯發(fā)生反應生成溴苯和極易溶于水的溴化氫，溴化氫遇水蒸氣形成白霧，HBr與AgNO3發(fā)生反應HBr＋AgNO3=AgBr↓＋HNO3，則裝置Ⅲ廣口瓶中會產生淡黃色沉淀；揮發(fā)出的少量溴蒸氣溶于苯，呈棕黃色。(2)溴化氫不溶于苯，裝置Ⅲ小試管中苯既可以汲取Br2解除干擾又可防止倒吸；在裝置Ⅳ燒杯中，倒立的干燥管內容積大，若水上升至干燥管中，使燒杯中液面下降而與干燥管下口脫離，而上升的液體在重力作用下又回到燒杯中，故能防倒吸。(3)依據產物溴化氫可以證明苯與液溴發(fā)生取代反應。(4)苯和溴的沸點都較低，易揮發(fā)，運用冷凝裝置，可使揮發(fā)出的苯和溴蒸氣冷凝回流到裝置Ⅱ中的廣口瓶內，削減苯和溴的損失，提高原料利用率。(5)裝置Ⅲ中小試管中苯可除去HBr中的Br2，防止干擾HBr的檢驗。(6)試驗室中若無液溴，可先用苯萃取溴水中的溴，分液后，取苯層即可。【答案】(1)小試管中有氣泡產生，液體變?yōu)樽攸S色；廣口瓶中有白霧出現，AgNO3溶液中有淡黃色沉淀生成(2)Ⅲ和Ⅳ(3)(4)冷凝揮發(fā)出的苯和溴蒸氣，削減苯和溴的損失(5)除去HBr中的Br2，防止干擾HBr的檢驗(6)能下列試驗能獲得勝利的是(D)A．苯與濃溴水用鐵作催化劑制溴苯B．將苯與濃硝酸混合共熱制硝基苯C．加入水后分液可除去溴苯中的溴D．可用分液漏斗分別硝基苯和水解析：苯與液溴在FeBr3作催化劑時才能反應生成溴苯，苯與濃溴水不反應，A錯誤；苯與濃硝酸和濃硫酸的混合液在水浴加熱時生成硝基苯，B錯誤；溴在水中的溶解度比在溴苯中的溶解度小，除去溴苯中過量的溴，應加入氫氧化鈉溶液后再分液，C錯誤；硝基苯難溶于水，可用分液漏斗分別，D正確。探究點四有機物分子中原子共線、共面的問題1．熟識常見的分子結構(1)CH4：正四面體結構。凡是碳原子與4個原子形成4個共價鍵時，其空間構型都是四面體，5個原子中最多有3個原子共平面。2．分析方法要駕馭有機物分子里多原子共線、共面的規(guī)律，可從以下幾個方面入手分析：一是在同一個共價鍵兩端的原子的位置關系。無論單鍵、雙鍵、叁鍵還是更困難的鍵，都可看作一條線段，則在同一個共價鍵兩端的原子在同一條直線上。二是同共價鍵原子的旋轉性。共價單鍵兩端的原子可沿著共價鍵的軸心自由旋轉，原子的位置關系保持不變。共價雙鍵、叁鍵等兩端的原子不能沿著共價鍵的軸心旋轉，自然就不涉及原子的位置關系的問題。例如：中可能共面的碳原子最多9個，肯定共面的碳原子是7個，可能共面的全部原子最多17個，肯定共面的原子是12個。三是依據常見分子空間構型分析時要以面為中心進行分析。在推斷有機物分子中原子共面狀況時，要把被分析的分子看作簡潔的、常見分子的衍生物，即困難問題簡潔處理。如推斷丙烷分子中的原子共面時，可把其看作一個甲烷分子中的兩個氫原子分別被2個甲基(—CH3)取代而得，這樣依據甲烷分子的結構，可推斷出丙烷中至少有3個原子共平面；但全部原子不行能共平面。【例4】下列有機分子中，全部原子不行能處于同一平面的是()【思路分析】推斷有機物分子中的原子是否共面，要把握以下三點：(1)甲烷、苯、乙烯分子中的H原子假如被其他原子所取代，則取代后的分子構型基本不變。(2)當分子中出現碳原子與其他原子形成四個單鍵(即飽和碳原子)時，全部原子不行能共面。(3)共價單鍵可以自由旋轉，共價雙鍵不能旋轉。【解析】【答案】D在①丙烯、②氯乙烯、③苯、④甲苯四種有機化合物中，分子內全部原子均在同一平面的是(B)A．①②B．②③C．③④D．②④解析：丙烯和甲苯中都含有甲基，甲基中的碳氫原子不在同一平面上(呈四面體結構)，所以含有甲基的有機物的全部原子不行能都在同一個平面上；氯乙烯和苯均為平面形結構。故選B。1．以苯為原料，不能一步制得的物質是(B)A．環(huán)己烷 B．苯乙烯()C．溴苯 D．硝基苯解析：苯跟氫氣加成可得環(huán)己烷，苯在FeBr3催化作用下跟溴反應生成溴苯，在濃硫酸作用下，苯在50～60℃時可與濃硝酸和濃硫酸共熱發(fā)生取代反應生成硝基苯。2．下列關于苯的敘述正確的是(D)A．反應①為取代反應，有機產物的密度比水小B．反應③為取代反應，有機產物是一種烴C．反應④中1mol苯最多與3molH2發(fā)生加成反應，是因為苯分子含有三個碳碳雙鍵D．反應②為氧化反應，反應現象是火焰光明并伴有濃煙解析：苯與液溴發(fā)生取代反應，生成溴苯，溴苯的密度比水大，故A錯誤；苯能與濃硝酸發(fā)生硝化反應生成硝基苯，硝基苯中除了含有C、H，還含有N和O，不屬于烴，故B錯誤；苯分子中不存在碳碳雙鍵，而是一種介于單鍵和雙鍵之間獨特的鍵，故C錯誤；苯僅含有C、H，能在空氣中燃燒，發(fā)生氧化反應，燃燒時因含碳量高火焰光明并帶有濃煙，故D正確。3．下列說法正確的是(D)A．通過石油的裂化，可干脆得到乙烯、丙烯等有機化工原料B．煤在空氣中加強熱得到焦炭、煤焦油、焦爐氣、粗氨水等產品的過程叫做煤的干餾C．硅是良好的半導體材料，常用于制造光導纖維4．下列關于苯和乙烯的敘述中正確的是(C)A．兩者都簡潔發(fā)生取代反應B．兩者都可以與溴水發(fā)生加成反應C．兩者分子中全部原子都在同一平面內D．兩者都含有碳碳雙鍵，能與酸性KMnO4溶液反應解析：A中，苯易取代、能加成，乙烯易加成，不發(fā)生取代反應；B中，乙烯與溴水能發(fā)生加成反應，苯不能與溴水反應；D中，苯分子中不含碳碳雙鍵，不能與酸性KMnO4溶液反應，乙烯能與酸性KMnO4溶液反應而使其褪色。5．下列物質中，在肯定條件下既能發(fā)生加成反應，又能發(fā)生取代反應，