2024-2025学年高中化学专题三有机化合物的获得与应用第一单元第4课时煤的综合利用苯学案苏教版必修2

PAGE19-第4课时煤的综合利用苯一、煤的综合利用1．煤的气化煤的气化就是把煤转化为可燃性气体的过程，生成的气体可作为燃料或化工原料气。2．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，使煤气转化成一氧化碳和氢气，然后再合成液体燃料。3．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分别得到苯、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。4．煤的干馏、气化、液化的比较二、苯1．苯的分子结构(1)分子式：C6H6。(2)结构式：(3)结构特点：a.平面六边形结构，全部原子共平面。b．碳碳键键长相等，不是单、双键的交替，苯环上的碳碳键是一种介于单键和双键之间的独特的共价键。c．碳碳键夹角为120°。d．分子中含有一个或多个苯环的一类碳氢化合物，属于芳香烃，苯是最简洁的芳香烃。2．苯的性质苯是一种无色、有特殊性气味，有毒的液体，不溶于水，密度比水小。(1)取代反应——与烷烃相比，苯易发生取代反应。(ⅰ)溴代反应方程式为＋Br2eq\o(→,\s\up17(FeBr3))＋HBr。留意：a.苯只能与液溴取代，不与溴水反应。溴水中的溴只可被苯萃取。b．反应中加入的催化剂是Fe粉，实际起催化作用的是FeBr3。c．生成的是无色液体，密度大于水。d．苯与Br2只发生一元取代反应。e．欲得较纯溴苯，可用稀NaOH溶液洗涤，以除Br2。(ⅱ)硝化反应硝化反应是指苯分子中的氢原子被—NO2所取代的反应，属于取代反应。方程式为＋HO—NO2eq\o(→,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(△))＋H2O。(2)加成反应苯不具有典型的双键所应有的加成反应性质，与烯烃相比，苯不易发生加成反应，但在特殊状况下(催化剂、肯定温度)仍能发生加成反应，如与H2加成：留意：a.1mol苯与3molH2加成。b．苯与H2发生加成反应后，由平面形结构变更为空间立体构型。(3)氧化反应在空气中燃烧的方程式为2C6H6＋15O2eq\o(→,\s\up17(点燃))12CO2＋6H2O。注：a.苯的含碳量高，点燃有较浓的黑烟。b．苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色。三、甲烷、乙烯与苯的比较续表四、苯的同系物、芳香烃及芳香族化合物探究点一煤的综合利用1．煤的气化、液化和干馏2.煤干馏的主要产品及用途1．干馏和蒸馏的区分是什么？提示：(1)条件不同：干馏是在加强热条件下，蒸馏是在加热条件下，温度的凹凸不同。(2)环境不同：干馏须要隔绝空气，蒸馏不须要隔绝空气。(3)物质变更的类型不同：干馏过程发生的主要是化学变更，蒸馏过程发生的是物理变更。(4)目的不同：干馏是为了制取新物质，蒸馏是为了分别混合物。2．从煤焦油中分别出芳香烃，应采纳什么方法？提示：煤焦油是由各种芳香烃组成的液态混合物。可依据各种芳香烃的沸点不同，利用分馏法进行分别。3．煤的气化、液化同水的汽化、液化一样都属于物理变更，这种说法正确吗？提示：不正确。煤的气化、液化均是化学变更。【例1】煤的干馏是煤气化的重要方法，是煤综合利用最“古老”的方法，也是最简洁的方法。所谓煤的干馏是在隔绝空气和高温的条件下，煤可以发生分解，生成固态的焦炭、液态的煤焦油、气态的焦炉煤气。下面是某试验小组设计的煤干馏的试验方法，装置如图所示。取约2～3g的煤粒，在研钵中研磨至粉末状态；用药匙将煤粉放入玻璃管中，在具支试管中加入2mL水，然后依据如图所示安装好装置；点燃酒精喷灯，对玻璃管匀称加热后再集中加热，留意视察具支试管中气泡的产生速率；待具支试管中溶液内的气泡产气速率匀称后，用明火靠近具支试管的支管口处，可以视察到产生的气体能够燃烧。依据上述试验设计回答下列问题。(1)试验结束后，应当先把玻璃管从溶液中取出，然后熄灭酒精喷灯火焰，这样操作的目的是_________________________________。(2)焦炉煤气是一种混合性的可燃性气体，其点燃前必需进行________操作，目的是________________，但该试验没有进行该操作，试验中须要多排一会儿气体，至气泡匀称时再点燃。(3)取下具支试管，可以发觉其中的液体分为两层，上层是________，下层是__________，在溶液中滴加酚酞试剂，溶液显________色，缘由是______________________________。【解析】这是试验室中进行煤干馏的试验方法。该题考查了试验平安问题、煤干馏的气体的可燃性及煤焦油的成分，值得留意的是煤气化的产物中含有部分氨气，且煤焦油多为苯、甲苯等芳香烃化合物，不溶于水，事实上煤焦油中有机化合物的成分达几千种。【答案】(1)防止因为先撤走酒精喷灯导致玻璃管内温度降低，具支试管中的溶液沿玻璃导管倒吸入热的玻璃管中，从而使玻璃管裂开(2)验纯防止爆炸(3)煤焦油水溶液红溶液中溶解了氨气下列属于煤的综合利用且说法正确的是(B)A．煤中含有苯、甲苯、二甲苯等有机化合物，可采纳先干馏后分馏的方法分别B．将煤干馏制得煤焦油和焦炭C．煤的气化和液化为物理变更D．将煤变为煤饼作燃料解析：煤是由有机化合物和无机化合物组成的困难混合物，经过干馏才能得到苯、甲苯、二甲苯等的混合物，可用分馏法将它们分别，A错误；将煤干馏制得煤焦油和焦炭属于煤的综合利用，B正确；煤的气化是煤与水蒸气的反应，属于化学变更，煤的液化分干脆液化和间接液化，煤的干脆液化是指煤与氢气作用生成液体燃料；煤的间接液化是指将煤先转化为CO和H2，再在催化剂作用下合成甲醇，因此煤的液化属于化学变更，C错误；将煤变为煤饼作燃料，不属于煤的综合利用，D错误。探究点二苯的特殊结构和性质1．苯的结构的特殊性(1)苯的分子式为C6H6，是一种高度不饱和烃。(2)试验探究苯的结构试验操作试验现象试验结论(1)向试管中加入少量苯，再加入酸性高锰酸钾溶液，振荡试管，视察现象液体分层，上层为无色，下层为紫色苯与酸性高锰酸钾溶液不反应(2)向试管中加入少量苯，再加入溴水，振荡试管，视察现象液体分层，上层为橙色，下层为无色苯与溴水不反应苯的分子式C6H6与己烷的分子式C6H14碳原子数相同，但相差8个H原子，从分子式分析苯远远不饱和，但苯却不具有不饱和烃的性质，所以苯的分子结构是十九世纪化学界的一个谜。直到德国化学家凯库勒经过多年的探讨在1866年提出了苯是环状结构后，人类才渐渐地解开了苯的结构。对苯的进一步探讨表明，苯分子具有平面正六边形结构，分子中六个碳原子形成一个六元环，六个碳碳键完全等同，是一种介于单键和双键之间的独特的共价键，分子中六个碳原子和六个氢原子共处于同一平面内，是一种高度对称的平面形分子。(3)苯的分子结构特殊提示：①凯库勒式不合理性已成事实，由于历史的缘由仍旧运用，但不能认为苯就是C=C和C—C交替排列的结构。②由于苯环结构的特殊性，在推断苯能否与其他物质反应时，要特殊留意，反应条件和反应物的状态。2．性质方面的体现(1)苯不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色，由此可知苯在化学性质上与烯烃有很大差别。(2)苯在催化剂(Fe或FeBr3)作用下与液溴发生取代反应，说明苯具有类似烷烃的性质。(3)苯又能与H2在催化作用下发生加成反应，说明苯具有烯烃的性质。总之，苯易发生取代反应，能发生加成反应，难被氧化，其化学性质不同于烷烃、烯烃。3．苯的性质的两个易错点(1)苯与卤素单质能发生取代反应，但与卤素单质的水溶液不发生化学反应，只是萃取，如苯与溴水混合。(2)苯与卤素单质只发生单取代反应，如苯与溴只生成溴苯，不能生成二溴苯等。1．如何证明苯的分子结构中碳碳键不是单双键交替？提示：苯不能使溴的四氯化碳溶液和酸性高锰酸钾溶液褪色，苯的邻位二取代物只有一种，这些都说明苯的分子中碳碳键不是单双键交替的结构。2．肯定条件下，苯、甲烷和乙烯均能与溴反应，条件相同吗？反应类型呢？提示：苯与液溴在溴化铁作催化剂时才能反应，甲烷与溴蒸气在光照时反应，乙烯与溴水常温下反应，三者反应类型分别是取代反应、取代反应和加成反应。【例2】苯环结构中，不存在单、双键交替结构，可以作为证据的事实是()①苯不能使KMnO4(H＋)溶液褪色②苯中碳碳键的键长均相等③苯能在肯定条件下跟H2加成生成环己烷④经试验测得邻二甲苯仅有一种结构⑤苯在FeBr3存在的条件下同液溴可以发生取代反应，但不因化学变更而使溴水褪色A．②③④⑤ B．①③④⑤C．①②④⑤ D．①②③④【解析】苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，说明苯分子中不含碳碳双键，可以证明苯环结构中不存在C—C与C=C的交替结构，故①正确；苯环上碳碳键的键长相等，说明苯环结构中的化学键只有一种，不存在C—C与C=C的交替结构，故②正确；与氢气加成是苯和双键都有的性质，因此苯能在肯定条件下跟H2加成生成环己烷，不能证明苯环结构中不存在C—C与C=C的交替结构，故③错误；假如是单双键交替结构，邻二甲苯的结构有两种，一种是两个甲基夹C—C，另一种是两个甲基夹C=C。邻二甲苯只有一种结构，说明苯环结构中的化学键只有一种，不存在C—C与C=C的交替结构，故④正确；苯不因化学变更而使溴水褪色，说明苯分子中不含碳碳双键，可以证明苯环结构中不存在C—C与C=C的交替结构，故⑤正确。所以①②④⑤可以作为苯分子中不存在单、双键交替排列结构的证据。【答案】C苯的结构简式可用来表示，下列关于苯的叙述中正确的是(D)A．苯分子中处于对位的两个碳原子及与它们相连的两个氢原子，不行能在同一条直线上B．苯中含有碳碳双键，所以苯属于烯烃C．苯分子中的6个碳碳键可以分成两类不同的化学键D．苯分子中既不含有碳碳双键，也不含有碳碳单键解析：苯分子处于对位的两个碳原子及与它们相连的两个氢原子，这四个原子共直线；苯分子中不含有碳碳双键，苯不属于烯烃；苯分子中的6个碳碳键完全相同，是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的独特的键。故选D。探究点三苯的取代反应的有关试验1．苯与液溴的反应下面是制取溴苯的试验方案与试验步骤：把苯和少量液溴放在烧瓶里，同时加入少量铁屑作催化剂。用带导管的瓶塞塞紧瓶口(如图)，跟瓶口垂直的一段导管可以兼起冷凝器的作用。在常温时，很快就会看到在导管口旁边出现白雾(由溴化氢遇水蒸气所形成)。反应完毕后，向锥形瓶内的液体里滴入AgNO3溶液，有浅黄色溴化银沉淀生成。把烧瓶里的液体倒在盛有冷水的烧杯里，烧杯底部有红褐色不溶于水的液体。不溶于水的液体是溴苯，它是密度比水大的无色液体，由于溶解了溴而显褐色。留意事项：①装置特点：长导管，导管管口接近水面，但不接触。②长导管的作用：导气，冷凝。③苯、溴、铁按此依次加药品(加入药品是液溴，不是溴水。苯与溴水只萃取，不反应)。④铁粉的作用：催化(真正的催化剂是FeBr3)。⑤留意视察三个现象：导管口的白雾；烧瓶中的现象；滴入硝酸银后水中生成的沉淀。⑥将反应的混合物倒入水中的现象是什么？(有红褐色的油状液体沉于水底)⑦溴苯的物理性质如何？(比水重，不溶于水，无色油状液)⑧如何除去溴苯中的溴？(水洗，再用10%烧碱溶液洗，再干燥，蒸馏)2．苯与浓硝酸的反应制取硝基苯的试验方案与试验步骤：先将1.5mL浓硝酸注入大试管中，再渐渐注入2mL浓硫酸，并刚好摇匀和冷却。向冷却后的混酸中逐滴加入1mL苯，充分振荡，混合匀称。将大试管放在50～60℃的水浴中加热约10min，试验装置如图所示。将反应后的液体倒入一个盛有冷水的烧杯中，可以视察到烧杯底部有黄色油状物生成，用分液漏斗分别出粗硝基苯。粗产品依次用蒸馏水和5%NaOH溶液洗涤，最终再用蒸馏水洗涤。若将用无水CaCl2干燥后的粗硝基苯进行蒸馏，可得纯硝基苯。蒸馏应在通风柜或通风良好处进行。纯硝基苯为无色、具有苦杏仁气味的油状液体，其密度大于水。留意事项：①装置特点：水浴；温度计位置；水浴的水面高度(反应装置中的温度计，应插入水浴液面以下，以测量水浴温度)。②药品加入的依次：先浓硝酸再浓硫酸(冷却到50～60℃再加入苯)。③水浴温度：50～60℃(温度高苯挥发，硝酸分解)温度下，水浴加热。④HNO3(HO—NO2)去—OH后，生成—NO2，称为硝基。⑤浓硫酸的作用：催化剂、吸水剂。⑥反应方程式：如何设计一简洁的试验证明苯与液溴发生的是取代反应而非加成反应？提示：苯与液溴若发生取代反应，则生成物中有HBr；若发生加成反应，则不会生成HBr。可通过验证反应后的生成物中含有HBr，证明苯与液溴发生了取代反应。步骤：(1)将苯和液溴反应产生的气体通过CCl4(除去挥发出来的溴蒸气)；(2)再将气体通入AgNO3溶液，若产生淡黄色沉淀，则说明有HBr生成，即证明苯与液溴发生了取代反应而非加成反应。【例3】某化学爱好小组为探究苯与溴发生反应的原理，用如图所示装置进行了试验。依据相关学问回答下列问题：(1)试验起先时，关闭K2，开启K1和分液漏斗活塞，滴加苯和液溴的混合液。过一会儿，在装置Ⅲ中可能视察到的现象是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)整套试验装置中能防止倒吸的装置有________(填装置序号)。(3)通过该试验可知，苯与溴反应的原理是______________________(用化学方程式表示)。(4)该试验中采纳冷凝装置，其作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)装置Ⅲ中小试管内苯的作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)若试验时无液溴，但试验室有溴水，该试验________(填“能”或“不能”)胜利。【思路分析】解此题的关键是了解生成溴苯的试验原理和操作要点。【解析】(1)在催化剂作用下，液溴与苯发生反应生成溴苯和极易溶于水的溴化氢，溴化氢遇水蒸气形成白雾，HBr与AgNO3发生反应HBr＋AgNO3=AgBr↓＋HNO3，则装置Ⅲ广口瓶中会产生淡黄色沉淀；挥发出的少量溴蒸气溶于苯，呈棕黄色。(2)溴化氢不溶于苯，装置Ⅲ小试管中苯既可以汲取Br2解除干扰又可防止倒吸；在装置Ⅳ烧杯中，倒立的干燥管内容积大，若水上升至干燥管中，使烧杯中液面下降而与干燥管下口脱离，而上升的液体在重力作用下又回到烧杯中，故能防倒吸。(3)依据产物溴化氢可以证明苯与液溴发生取代反应。(4)苯和溴的沸点都较低，易挥发，运用冷凝装置，可使挥发出的苯和溴蒸气冷凝回流到装置Ⅱ中的广口瓶内，削减苯和溴的损失，提高原料利用率。(5)装置Ⅲ中小试管中苯可除去HBr中的Br2，防止干扰HBr的检验。(6)试验室中若无液溴，可先用苯萃取溴水中的溴，分液后，取苯层即可。【答案】(1)小试管中有气泡产生，液体变为棕黄色；广口瓶中有白雾出现，AgNO3溶液中有淡黄色沉淀生成(2)Ⅲ和Ⅳ(3)(4)冷凝挥发出的苯和溴蒸气，削减苯和溴的损失(5)除去HBr中的Br2，防止干扰HBr的检验(6)能下列试验能获得胜利的是(D)A．苯与浓溴水用铁作催化剂制溴苯B．将苯与浓硝酸混合共热制硝基苯C．加入水后分液可除去溴苯中的溴D．可用分液漏斗分别硝基苯和水解析：苯与液溴在FeBr3作催化剂时才能反应生成溴苯，苯与浓溴水不反应，A错误；苯与浓硝酸和浓硫酸的混合液在水浴加热时生成硝基苯，B错误；溴在水中的溶解度比在溴苯中的溶解度小，除去溴苯中过量的溴，应加入氢氧化钠溶液后再分液，C错误；硝基苯难溶于水，可用分液漏斗分别，D正确。探究点四有机物分子中原子共线、共面的问题1．熟识常见的分子结构(1)CH4：正四面体结构。凡是碳原子与4个原子形成4个共价键时，其空间构型都是四面体，5个原子中最多有3个原子共平面。2．分析方法要驾驭有机物分子里多原子共线、共面的规律，可从以下几个方面入手分析：一是在同一个共价键两端的原子的位置关系。无论单键、双键、叁键还是更困难的键，都可看作一条线段，则在同一个共价键两端的原子在同一条直线上。二是同共价键原子的旋转性。共价单键两端的原子可沿着共价键的轴心自由旋转，原子的位置关系保持不变。共价双键、叁键等两端的原子不能沿着共价键的轴心旋转，自然就不涉及原子的位置关系的问题。例如：中可能共面的碳原子最多9个，肯定共面的碳原子是7个，可能共面的全部原子最多17个，肯定共面的原子是12个。三是依据常见分子空间构型分析时要以面为中心进行分析。在推断有机物分子中原子共面状况时，要把被分析的分子看作简洁的、常见分子的衍生物，即困难问题简洁处理。如推断丙烷分子中的原子共面时，可把其看作一个甲烷分子中的两个氢原子分别被2个甲基(—CH3)取代而得，这样依据甲烷分子的结构，可推断出丙烷中至少有3个原子共平面；但全部原子不行能共平面。【例4】下列有机分子中，全部原子不行能处于同一平面的是()【思路分析】推断有机物分子中的原子是否共面，要把握以下三点：(1)甲烷、苯、乙烯分子中的H原子假如被其他原子所取代，则取代后的分子构型基本不变。(2)当分子中出现碳原子与其他原子形成四个单键(即饱和碳原子)时，全部原子不行能共面。(3)共价单键可以自由旋转，共价双键不能旋转。【解析】【答案】D在①丙烯、②氯乙烯、③苯、④甲苯四种有机化合物中，分子内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，甲基中的碳氢原子不在同一平面上(呈四面体结构)，所以含有甲基的有机物的全部原子不行能都在同一个平面上；氯乙烯和苯均为平面形结构。故选B。1．以苯为原料，不能一步制得的物质是(B)A．环己烷 B．苯乙烯()C．溴苯 D．硝基苯解析：苯跟氢气加成可得环己烷，苯在FeBr3催化作用下跟溴反应生成溴苯，在浓硫酸作用下，苯在50～60℃时可与浓硝酸和浓硫酸共热发生取代反应生成硝基苯。2．下列关于苯的叙述正确的是(D)A．反应①为取代反应，有机产物的密度比水小B．反应③为取代反应，有机产物是一种烃C．反应④中1mol苯最多与3molH2发生加成反应，是因为苯分子含有三个碳碳双键D．反应②为氧化反应，反应现象是火焰光明并伴有浓烟解析：苯与液溴发生取代反应，生成溴苯，溴苯的密度比水大，故A错误；苯能与浓硝酸发生硝化反应生成硝基苯，硝基苯中除了含有C、H，还含有N和O，不属于烃，故B错误；苯分子中不存在碳碳双键，而是一种介于单键和双键之间独特的键，故C错误；苯仅含有C、H，能在空气中燃烧，发生氧化反应，燃烧时因含碳量高火焰光明并带有浓烟，故D正确。3．下列说法正确的是(D)A．通过石油的裂化，可干脆得到乙烯、丙烯等有机化工原料B．煤在空气中加强热得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水等产品的过程叫做煤的干馏C．硅是良好的半导体材料，常用于制造光导纤维4．下列关于苯和乙烯的叙述中正确的是(C)A．两者都简洁发生取代反应B．两者都可以与溴水发生加成反应C．两者分子中全部原子都在同一平面内D．两者都含有碳碳双键，能与酸性KMnO4溶液反应解析：A中，苯易取代、能加成，乙烯易加成，不发生取代反应；B中，乙烯与溴水能发生加成反应，苯不能与溴水反应；D中，苯分子中不含碳碳双键，不能与酸性KMnO4溶液反应，乙烯能与酸性KMnO4溶液反应而使其褪色。5．下列物质中，在肯定条件下既能发生加成反应，又能发生取代反应，