【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。? ?

第一章烴——Ⅴ煤的干餾和石油工業(yè)

§1-14石油和石油工業(yè)

【01】石油是一種天然礦產(chǎn)，它是工業(yè)上制取各種烴的重要來源。由于近代有機(jī)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，石油除作為內(nèi)燃機(jī)的動力燃料、機(jī)器的潤滑劑以及有機(jī)物的溶劑外，還用作塑料、合成橡膠、合成纖維等等的工業(yè)原料。所以，石油資源和石油工業(yè)，對一個國家的國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有十分重大的意義。

石油

【02】石油是一種粘稠而帶著暗綠色或褐黑色的油狀液體，有特殊氣味。它比水稍輕些，不溶于水。

【03】石油礦床儲集在地下的各種多孔性巖層里，因此稱為“石”油。它蘊(yùn)藏的深度，從幾十米到幾千米不等。一般都是埋藏較深，接近地面的往往會滲透到附近的河流里或從巖石的隙縫中，逐漸揮發(fā)而散失掉。所以，世界上的石油資源比煤少得多，也寶貴得多。

【04】石油的成因和來源，現(xiàn)在還沒有得到定論，一般認(rèn)為是動植物體被長期埋藏在地下而形成。世界上的石油礦，大多數(shù)產(chǎn)生在1200~6000萬年以前的巖層里。采取石油需要鑿井。石油礦里如果含有大量氣態(tài)烴的話，當(dāng)油井鑿成時，石油因受到礦內(nèi)氣體的壓力，會自動噴出地面。如果由于礦內(nèi)氣體的壓力不夠，或者自噴一段時間后壓力減小，那就需要采取人工方法，向油層里壓入氣體或水，使石油流出地面。

石油工業(yè)

【05】石油的組分非常復(fù)雜，主要是烴類的混和物，不同產(chǎn)地的石油所含烴的種類不盡相同，我國較多數(shù)的石油礦床所含的主要是烷屬烴和環(huán)烷烴。

【06】開采出來的石油，叫做原油。要經(jīng)過一系列的加工處理后才能得到適合不同需要的各種成品。石油工業(yè)是基本有機(jī)化學(xué)工業(yè)之一，可以分為：石油的分餾、裂化和人造石油三個部門。

1、石油的分餾

【07】石油所含的各種烴，有氣態(tài)、液態(tài)，也有固態(tài)的，它們的沸點(diǎn)各各不同。在工業(yè)上，采取分餾法把石油分成幾個部分來適應(yīng)各種需要。通過下面的實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)識石油分餾的原理。

【08】取蒸餾燒瓶配單孔塞，孔內(nèi)插入360℃溫度計(jì)一支，使水銀球適在燒瓶的支管處。在燒瓶的支管上連接冷凝管，用錐形瓶承接餾液，裝置如圖1·15。

【09】在燒瓶中放原油約為瓶容積的1/3，加碎瓷數(shù)片（防止突然沸騰），置沙浴上加熱【在鐵盤里放沙子，使燒瓶埋在沙里加熱，以便受熱均勻】，調(diào)節(jié)燈焰。收集沸點(diǎn)在150℃左右的蒸餾液，是為汽油。等到餾液很少時，換一個承受餾液的瓶子，升高溫度到300℃左右，再集取餾液，是為煤油。留在燒瓶里的是石油高沸點(diǎn)成分的混和物。

【10】拿兩只蒸發(fā)皿，分別倒一些從實(shí)驗(yàn)得到的汽油和煤油，用點(diǎn)著的紙捻去引燃，見汽油立即發(fā)生燃燒，煤油就比較困難?？梢娖捅让河腿菀讚]發(fā)成蒸汽，因此汽油的著火點(diǎn)比煤油要低，容易燃燒。

【11】工業(yè)上分餾石油的原理，基本上和上述的實(shí)驗(yàn)原理一樣。不過工業(yè)上的操作是連續(xù)的，不間斷地加入原料和制出產(chǎn)品。至于劃分成哪些餾分，則是根據(jù)各自的需要和石油的成分來決定的。一般的石油分餾，大致如表1·9所示。

【12】從上表所列的各種成品來看，每種餾分里都包含著若干種不同的烴，某些烴同時存在在相鄰近的餾分中，餾分冷凝的溫度范圍，也是交叉的。因?yàn)榉悬c(diǎn)比較近的烴，不容易絕對分開。在實(shí)際應(yīng)用上，只要成品的沸點(diǎn)大致有一定的范圍，就符合工業(yè)需要了，由于高沸點(diǎn)的重油，在常壓下蒸餾，溫度需要超過360℃才能氣化，結(jié)果部分烴要發(fā)生分解，所以應(yīng)采用減壓分餾法（在壓強(qiáng)低于一個大氣壓之下進(jìn)行），把重油進(jìn)一步分餾成多種成品，上表列出了石油成品的用途，由此亦可以看出石油在國民經(jīng)濟(jì)上的重要性。

【山注】關(guān)于“減壓分餾法”的原理可能有小伙伴不太了解，我簡單說一下：

〖首先要知道一般狀態(tài)下，液體表面是有一個氣液互相轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程的，即會有分子從液面飛出液面進(jìn)入空氣成為氣態(tài)，也會有分子從空氣中落回液面變回液態(tài)。也就是說，液體的蒸發(fā)與否就看分子飛出液面和分子落回液面的數(shù)量差值了，當(dāng)飛出液面的分子數(shù)大于飛回液面的分子數(shù)，那么液體就減少了，反之亦然。〗

〖而在這個過程中存在一個平衡狀態(tài)，就是飛出和飛回的分子數(shù)量差值為零的狀態(tài)。一旦突破這個狀態(tài)液體就會不斷減少，即液體將不斷的氣化。那應(yīng)該怎樣突破這個過程呢？此時就要看影響這個差值的因素了，其中一個關(guān)鍵因素就是溫度，溫度越高，分子獲得的能量就越高，掙脫液體引力飛出液面的概率就越大，而被液面引力從空氣中捕捉的概率就越小，當(dāng)溫度達(dá)到沸點(diǎn)時，就意味著分子飛出的概率將絕對大于等于飛回的概率，保持這一狀態(tài)液體將會不可逆的氣化。而水等液體到了沸點(diǎn)后，溫度不再上升則是因?yàn)樵黾訜崃恐粫垢嗟姆肿语w出，加快分子飛出的速度，而分子帶著熱量離開液體，從而使液體的溫度無法增加，直至燒干為止。〗

〖此時有小伙伴可能會想到蒸發(fā)，蒸發(fā)時溫度不需要達(dá)到沸點(diǎn)也可以進(jìn)行，這是因?yàn)橐好姹厥翘幵诔跔顟B(tài)下的，此時飛出液面進(jìn)入空氣中的分子自由運(yùn)動時，有很大概率會離液面越來越遠(yuǎn)，直至再也不可能落回液面為止，從而極大的減少落回液面的分子數(shù)，使液體即使沒有達(dá)到沸點(diǎn)溫度，飛出的分子數(shù)也會大于落回的分子數(shù)。也就造成液體的減少，這就是蒸發(fā)的現(xiàn)象。而若是密封的液體就沒有變化，但這并不是液面沒有上述氣液互轉(zhuǎn)的過程，而是無論分子怎么飛出液面都不可能遠(yuǎn)離液面，從而最終必有概率重新落回液面，也就保持了液體總量的不變。〗

〖那么，還有沒有影響的關(guān)鍵因素？有，壓強(qiáng)正是另一個關(guān)鍵因素。原因很簡單，壓強(qiáng)越大，液體中分子就越不容易飛出液面，而空氣中的分子就越容易被壓回液面。因此此時液體分子就需要在更高的溫度下，吸收更多的熱量才能確保有更多的分子可以飛出液面?！?/span>

〖而此處的減壓分餾法則是反其道而行之，減小壓強(qiáng)，則液體中的分子更容易飛出液面，而空氣中的分子則會因壓力的減小而減少落回液面的概率，這樣液體分子就不需要太高的溫度也能使飛出的分子數(shù)大于飛回的分子數(shù)，從而就減小了所需的溫度。高原地區(qū)水60多度就沸騰了，正是因?yàn)闅鈮盒?，液體分子更容易飛出液面，60多度時就能保證飛出的分子一定大于等于飛回的分子，從而使60多度就開水了?！?/span>

2、石油的裂化

【13】隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，石油越來越顯示了它的重要性。特別是對汽油的需要量，更日益增加。但從原油里提取到的汽油，只占15~20%。因此，人們就著手研究提高汽油的出產(chǎn)率。根據(jù)重油里所含鏈烴的分子量大、碳鏈長和沸點(diǎn)高的特點(diǎn)，增產(chǎn)汽油的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)是把長鏈“截?cái)唷保钩蔀檩^小的分子。這種使石油里分子量大的烴，變?yōu)榉肿恿啃〉臒N的處理方法，叫做石油的裂化法。通過裂化，可以從原油里取得50%左右的汽油。下面是說明裂化原理的實(shí)驗(yàn)。

【14】用一支配有單孔塞的硬質(zhì)試管(A)和另兩支配有雙孔塞的大試管(B、C)，分別用直角形導(dǎo)管串聯(lián)起來。裝置如圖1·16。

【15】在硬質(zhì)試管(A)里放入洗凈烘干的沙子，并滴入經(jīng)過處理的煤油（要不含雜質(zhì)，對酸化的高錳酸鉀溶液不褪色），使沙子全被煤油所浸濕在沙子上面，填一層除去了鐵銹的干燥鐵屑，把試管橫過來水平地夾在鐵架合臺上。試管(B)的下半部，浸在冷水瓶里，作為承接冷凝液體的受器。試管(C)裝酸化的高錳酸鉀溶液，使液面恰好浸沒導(dǎo)管的末端，便于未液化的氣體能夠在接觸高錳酸鉀溶液后，從尖嘴管逸出。

【16】將三個試管的塞子分別塞緊，然后加熱(A)管的鐵屑部分，不久便見到(B)管里有液體凝集下來，同時(C)管的高錳酸鉀的溶液中，不斷有氣泡通過，紫紅色逐漸消褪。再在尖嘴管上點(diǎn)火，放出的氣體能在管口燃燒，發(fā)出明亮的火焰。停止加熱后，再取(B)管里的液體引燃，比原來的煤油容易著火。這些現(xiàn)象都說明了煤油里的各種烴，在受熱過程中發(fā)生了分解。

【17】如以十六烷為例，它的裂化過程是：

【18】這些生成前分子量較小的產(chǎn)物，還能繼續(xù)分解，如

【19】所以煤油裂化后所得到的是：沸點(diǎn)較低的類似汽油的飽和烴和不飽和烴的液態(tài)混和物，以及飽和烴和不飽和烴的可燃性氣體。

【20】至于分子量更大的重油的裂化過程，也和煤油一樣，不過多了一步，如

【21】到了一定的時候，就有較多的象汽油一般的烷烴、烯烴以及低級氣態(tài)烴等等生成。這些低級氣態(tài)烴是合成橡膠、塑料和人造石油的重要原料。

【22】工業(yè)上就是根據(jù)上述原理來進(jìn)行石油加工的。一般采用400~700℃的溫度和幾個到十幾個大氣壓的壓力，使重油在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn)行分裂，再通過分餾，得到汽油等成品。這種方法稱為熱裂化法。

【23】為了采用較低的溫度和壓力，并提高產(chǎn)品的質(zhì)量起見，工業(yè)上常使用硅酸鋁和三氯化鋁等作為催化劑，這種方法叫做催化裂化法。下面的實(shí)驗(yàn)可以說明催化裂化的原理。

【24】把石油熱裂化實(shí)驗(yàn)裝置里的硬質(zhì)試管調(diào)一個圓底燒瓶，如圖1·17。

【25】在燒瓶里盛石蠟油，加熱，不見有什么變化發(fā)生。向石蠟油里加入無水三氯化鋁，略加熱即有氣體發(fā)生，同時在空試管中，有部分液體冷凝下來，一部分氣體通過高錳酸鉀溶液，使溶液的顏色逐漸褪去。在尖嘴管口點(diǎn)火，放出的氣體也能燃燒。

【26】以上說明由于催化劑的存在，在較熱裂化為低的溫度下，含有分子量大的烴的石蠟?zāi)芰鸦癁榉肿恿啃〉臒N。

3、人造石油

【27】雖然用裂化法可以大大提高汽油的產(chǎn)量，但還是不能滿足國民經(jīng)濟(jì)各部門和國防上的多方面的需要。因此不得不利用其他資源來合成汽油。目前世界各國所采用的合成法，有下列幾種：

【28】(1)用煤作為原料，使煤粉懸浮在重油里，在400~500℃的溫度，200~700大氣壓和催化劑存在的條件下，跟氫氣直接反應(yīng)，生成人造石油。同時重油也發(fā)生裂化成為汽油。

【29】(2)用煤制成水煤氣（CO、H?），在溫度200~300℃，壓力1~200大氣壓下，通過催化劑得到人造石油。

【30】制成的人造石油經(jīng)過分餾，就能得到各種石油產(chǎn)品。

【31】(3)用煤低溫千餾(450~600℃)，或干餾油母頁巖【油母頁巖是一種黑褐色的巖石，成層片狀結(jié)集在煤層上面。距地面較近，它的含油率為5~16%】，得到類似重油的產(chǎn)物，再進(jìn)行裂化加工而成汽油。

【32】石油工業(yè)的發(fā)展是和工業(yè)革命分不開的。十九世紀(jì)初期，煤油是石油工業(yè)的最重要的產(chǎn)品。石油的主要用途是點(diǎn)燈，其他部分，甚至和以前的煤焦油一樣，被認(rèn)為是討厭的“廢物”，只能把它放在原野里燒掉。等到內(nèi)燃機(jī)和電氣工業(yè)發(fā)達(dá)以后，煤油的經(jīng)濟(jì)價值便日益低落，而汽油的需要量則日見增加。同時機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)，亦需要大量的潤滑油，近代有機(jī)合成工業(yè)的發(fā)展，更使石油成為寶貴的化工原料。因此，目前在國民經(jīng)濟(jì)各部門、國防和人民日常生活上，都需要用到石油。石油工業(yè)的發(fā)展亦在突飛猛進(jìn)。

【33】我國是一個石油資源豐富的國家。西北地區(qū)的勞動人民，在二千多年前就知道了石油并且簡單地加以利用了。只是由于反動政權(quán)的統(tǒng)治和帝國主義的侵略，才使我國的石油工業(yè)處于非常落后的狀態(tài)，解放以來，在黨的領(lǐng)導(dǎo)下，我國人民奮發(fā)圖強(qiáng)，自力更生，對石油的資源勘探、生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)力量，都取得了驚人的發(fā)展。大慶油田就是我國最著名的世界第一流的大油田和現(xiàn)代化大型石油企業(yè)。我國石油產(chǎn)品已經(jīng)由進(jìn)口轉(zhuǎn)為可以出口。在本世紀(jì)內(nèi)我國石油工業(yè)還會取得更輝煌的成就。

習(xí)題1-14

1、石油的主要成分是什么？分餾石油可以得到哪些產(chǎn)物？

2、石油的分餾和裂化有什么不同？

3、石油裂化出來的氣態(tài)物質(zhì)是什么烴？有什么用途？

4、人造石油有哪幾種方法？

5、怎樣證明蠟燭中含有碳和氫？

6、在汽車的加油站和停車場等處所，為什么要禁止吸煙？

7、為什么能用汽油除去衣服上的油跡？