高中化学 专题二 第四单元 太阳能生物质能和氢能的利用教学设计 苏教版必修2.docx

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高中化学专题二第四单元太阳能生物质能和氢能的利用教学设计苏教版必修2

第四单元

太阳能、生物质能和氢能的利用

（教师用书独具）

●课标要求

1．通过查阅资料说明能源是人类生存和发展的重要基础，了解化学在解决能源危机中的重要作用。

2．了解人类利用太阳能、氢能的意义和人类面临的能源危机以及未来的新能源。

●课标解读

1．了解太阳能、生物质能、氢能的开发利用。

2．了解人类面临的能源危机和未来的新能源。

●教学地位

能源是人类生产、生活、科技必不可少的化石能源不可再生且污染严重，开发新能源成了各国的当务之急。

也是高考命题特别关注的热点之一。

（教师用书独具）

●新课导入建议

　为了缓解当前能源紧张的问题，各国都在加大开发力度，研制、开发新型、高效、清洁能源，例如：

用水力发电代替火力发电以减少燃料消耗；利用地热取暖、在日常生活中家庭用太阳能获得热水等等。

本课时将探讨这些方面的问题。

●教学流程设计

⇒

⇒

⇒步骤3：

对“探究”要引导学生阅读要点阐述，了解常见能源的开发利用及应注意的事项，通过【例】加强理解。

然后学生独立完成“变式训练1和2”，教师点评、纠错。

对“教师备课资源”根据实际可以补充。

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课　标　解　读

重　点　难　点

1.了解太阳能、生物质能和氢能的开发利用及其前景。

2.了解常见的新能源开发利用。

1.太阳能、生物质能和氢能开发利用中优缺点。

（重点）

2.常见的其他新能源。

（重点）

太阳能的利用

1.太阳能的转化

地球上最基本的能源是太阳能，太阳能以光和热的形式传送到地面。

人们可以直接利用太阳辐射获得光和热。

绿色植物通过光合作用吸收太阳能，动物食用植物内的淀粉、纤维素、蛋白质间接利用太阳能。

化石燃料蕴藏的能量也来自远古时期生物体吸收利用的太阳能，这些太阳能通过各种化学反应转化为化学能，化学能又可以通过各种形式转化为热能、光能或电能释放出来。

2．绿色植物对太阳能的利用转化

绿色植物体内的叶绿素

葡萄糖

淀粉或纤维素，把光能转化为化学能，化学方程式为6H2O＋6CO2

C6H12O6＋6O2；淀粉、纤维素在动物体内水解为葡萄糖，继而被氧化生成CO2和H2O，释放出热量，供给生命活动的需要。

该过程的反应为：

（C6H10O5）n＋nH2O

nC6H12O6，C6H12O6（s）＋6O2（g）―→6H2O（l）＋6CO2（g）　ΔH＝－2804kJ·mol－1。

1．举例说明太阳能利用的具体事实有哪些？

【提示】　①光合作用实现光能转化为化学能；②热水器实现光能转化为热能；③太阳能电池实现光能转化为电能。

生物质能的利用

1.来源

生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量。

生物质包括农业废弃物、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物、动物粪便等。

2．利用方式

（1）直接燃烧

若用纤维素代表植物枝叶的主要成分，则其燃烧的化学方程式为：

（C6H10O5）n＋6nO2

6nCO2＋5nH2O。

（2）生物化学转换

①制沼气

a．沼气的成分：

主要是甲烷，还含有CO2及少量H2S、NH3、PH3等。

b．应用：

制气体燃料和优质肥料。

②制乙醇

含糖类、淀粉较多的农作物，在催化剂存在下，经水解和细菌发酵，可以制得乙醇，反应方程式为：

（C6H10O5）n＋nH2O

nC6H12O6，

C6H12O6

2C2H5OH＋2CO2↑。

（3）热化学转换

使生物质在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃气体。

氢能的开发与利用

1.氢能的优点

（1）完全燃烧放出的热量多

（2）原料是水，来源广

（3）燃烧产物是水，无污染

2．氢能产生与利用的途径

3．氢能的开发与利用

（1）在光分解催化剂存在下，在特定的装置中，利用太阳能分解水制氢气。

（2）利用蓝绿藻等低等植物和微生物在阳光作用下分解水释放出氢气。

（3）发现和应用贮氢合金，解决氢气的贮存和运输问题。

2．贮氢金属的化学原理是什么？

【提示】　通过化学反应金属与氢气化合成氢化物。

能源的开发、利用与转化

【问题导思】　

①举例说明你知道的能源有哪些？

【提示】　太阳能、煤、石油、天然气、柴草、水能、风能、潮汐能、地热能、核能、氢能、电力等。

②常见的绿色能源有哪些？

【提示】　水能、风能、海洋能、地热能、氢能、太阳能等。

1．太阳能的利用

（1）太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

但太阳能也有两个主要缺点：

一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。

这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

（2）太阳能直接利用方式基本有①光—热转换、②光—电转换、③光—化学能转换、④光—生物质能转换。

2．生物质能的转化方式

（1）生物质能转化为热能：

直接燃烧

（2）生物质能―→化学能―→热能

①植物等柴草―→沼气

热能

②农作物等糖类―→乙醇

热能

（3）生物质能―→化学能

生物质―→可燃气体

3．氢能的利用

目前，我国工业制氢方法主要是以天然气、石油和煤为原料，在高温下使之与水蒸气反应而制得，也可以用部分氧化法制得。

这些制氢方法在工艺上都比较成熟，但是由化石能源和电力来换取氢能，在经济上和资源利用上并不合适。

4．新能源的开发

（1）调整和优化能源结构，降低燃煤在能源结构中的比率，节约油、气资源，加大科技投入，加快开发水电、核电和新能源。

（2）新能源包括太阳能、燃料电池、风能和氢能等，这些新能源的特点是资源丰富，且有些可以再生，为再生性能源，对环境没有污染或污染少。

能量之间的转化

　下列关于能源利用的说法中正确的是（　　）

A．贮氢材料在使用中，氢分子被吸收时，在合金表面解离变成氢原子，同时放出热量

B．对城市废弃物进行处理后焚烧，利用产生的热能供暖和发电

C．使用化石燃料不会带来环境污染问题

D．将氢气作为燃料使用的优点之一是成本低

【解析】　贮氢材料与氢分子生成了金属氢化物，在这一过程中，氢分子变成原子的过程是化学键断裂的过程，属于吸热过程，A项错误；发达国家对城市废弃物的处理方式主要是焚烧，利用产生的热能供暖和发电，B项正确；化石燃料在使用过程中往往会造成一定的环境污染问题，C项错误；氢气的主要来源是水，由水制得氢气的成本较高，所以推行进度缓慢，D项错误。

【答案】　B

①再生能源——在自然界中可以不断再生，并有规律地得到补充的能源。

如，太阳能、风能、地热能、生物质能等。

②非再生能源——经过亿万年形成，短时期无法恢复或循环再生的能源。

如，煤炭、石油、天然气、核燃料等。

1．人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”（包括风能、生物质能等太阳能的转换形态），届时人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”，下列说法不正确的是（　　）

A．煤、石油和天然气都属于碳素燃料

B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应

C．太阳能电池可将太阳能转化为电能

D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明

【解析】　煤、石油、天然气都是有机物，属于碳素燃料，A正确；发展太阳能可以减少化石燃料的使用，减少CO2的排放，B正确；太阳能电池可将太阳能转化为电能，C正确；菠菜中的蛋白质是间接利用太阳能合成的，研究菠菜蛋白质“发电”属于太阳能文明。

【答案】　D

2．有专家指出如果对燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能使它们重新组合，使之能够实现循环利用，那么，不仅可以消除对大气的污染，还可以节约燃料，缓解能源危机。

在此构想的物质循环图中太阳能最后转化为（　　）

A．化学能　　　　　　　B．热能

C．生物能D．电能

【解析】　燃料

燃烧产物＋热能。

【答案】　B

【教师备课资源】

能源的含义及分类

　能源，顾名思义，指的是能量的来源，凡是能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质或物质运动都可称为能源。

如，化石燃料（石油、天然气、煤等）、阳光、流水、风、潮汐、柴草等。

能源可分为：

（1）一次能源——在自然界中天然存在，可以直接取得而又没有经过加工或转换的能源。

如，煤炭、石油、风能、太阳能、水力、核能、地热能等。

二次能源——由一次能源经过转换和加工为其他种类和形式的能源。

如，电力、煤气、蒸汽、汽油等。

（2）再生能源、与非再生能源

（3）绿色能源，如风能、水能、氢能、太阳能等。

（4）常规能源——在一定历史时期和科学技术水平下，已经被广泛应用的能源。

如，煤炭、天然气、石油等。

新能源——采用先进方法以及新发展的先进技术加以利用的能源。

如，太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。

　从另外一个角度讲，能源又可划分为一级能源和二级能源。

自然界以既成形式提供的能量称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源，氢气是一种高效而没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取，反应如下：

2H2O（l）===2H2（g）＋O2（g）　ΔH＝＋571.6kJ·mol－1根据以上内容回答下列问题：

（1）下列叙述正确的是（　　）

A．电能是二级能源B．水力是二级能源

C．天然气是一级能源D．焦炉气是一级能源

（2）关于用水制取二级能源氢气，以下研究方向不正确的是（　　）

A．构成水的氢和氧都是可以燃烧的物质，因此可以研究在水不分解的情况下使氢成为二级能源

B．设法将太阳光聚集，产生高温，使水分解产生氢气

C．寻找高效催化剂，使水分解产生氢气同时释放能量

D．寻找特殊的化学物质，用于开发廉价能源，以分解水制取氢气

【解析】　

（1）水力应是一级能源，焦炉气是二级能源。

焦炉气是煤高温干馏后生成的混合气体，故是依靠煤这种能源间接制取的二级能源。

（2）A项混淆了元素、分子、单质的概念，错误；C中水分解成氢气的过程应是吸热过程而非放热过程。

【答案】　

（1）AC　

（2）AC

常见能源太阳能热能电能生物质能化学能生物质能（间接利用太阳能）氢能：

热值高，无污染，来源广泛等

1．下列有关太阳能的说法不正确的是（　　）

A．太阳能以光波形式传送到地面

B．化石燃料蕴藏的能源来自太阳能

C．太阳能是洁净能源，不污染环境

D．食用植物体内的淀粉、蛋白质等属直接利用能源

【解析】　食用植物体内的淀粉、蛋白质等物质中的化学能转化为热能，再被利用。

【答案】　D

2．下列有关太阳能的利用方式以及列举的实例错误的是（　　）

A．直接利用太阳辐射能的基本方式有四种：

光—热转换、光—电转换、光—化学能转换和光—生物质能转换

B．太阳能热水器是一种光—热转换形式

C．绿色植物进行的光合作用，是一种光—生物质能转换，它的本质是光—化学能转换

D．将电能通过用电器进行照明的过程是一种光—电能转换过程

【解析】　光—热转换、光—电转换、光—化学能转换和光—生物质能转换是太阳能利用的基本方式。

它们都是把光能转换成其他形式的能量的过程。

D项是将电能转换成光能的过程。

【答案】　D

3．下列化学变化中，能量的转化形式表示不正确的是（　　）

A．Zn＋Ag2O＋H2O

Zn（OH）2＋2Ag，充电时化学能转化为电能

B．2H2＋O2

2H2O，化学能转化为热能

C．6H2O＋6CO2

C6H12O6＋6O2，太阳能转为化学能

D．CaCO3

CaO＋CO2↑，热能转化为化学能

【解析】　A项，充电时电能转化为化学能。

【答案】　A

4．生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源。

下列有关说法不正确的是（　　）

A．农村通过杂草和动物的粪便发酵制沼气，沼气的主要成分是甲烷

B．全国推广使用的乙醇汽油中的乙醇可由富含淀粉的谷物发酵产生

C．为减小对化石燃料的依赖，可在农村大量燃烧秸秆

D．开发生物质能有利于环境保护和经济可持续发展

【解析】　大量燃烧秸秆，可产生严重污染，浪费生物质能。

【答案】　C

5．分析下图，回答以下问题：

氢能的产生与利用途径

（1）水电解生成H2，首先要解决的问题是________________________________________________________________________。

（2）标准状况下，11.2LH2燃烧生成液态的水，放出QkJ的热量，写出该反应的热化学方程式：

________________________________________________________________________。

（3）氢气作为理想的“绿色能源”的主要理由有________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）氢氧燃料电池是氢能源利用的一个重要方向。

氢气在________极上发生________反应，氧气在________极上发生________反应。

【解析】　本题考查氢能的开发利用，热化学方程式和燃料电池。

【答案】　

（1）水电解制H2，大量消耗电能

（2）2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）　ΔH＝－4QkJ·mol－1

（3）来源丰富（H2O），燃烧放出的热量多，产物无污染

（4）负　氧化　正　还原

1．近年来，有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”的观点。

假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中你认为不妥当的是（　　）

A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料

B．硅的来源丰富，易于开采，且可再生

C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染较低，容易有效控制

D．寻找高效催化剂，使二氧化硅分解产生硅的同时释放能量，是硅能源大规模开发利用的一项关键技术

【解析】　二氧化硅分解是吸热反应。

【答案】　D

2．下列关于能源和作为能源使用的物质的叙述中错误的是（　　）

A．化石燃料物质内部储存着能量

B．太阳能不能直接转化为化学能

C．物质的化学能可能在不同条件下转变成热能、电能为人类所用

D．绿色植物发生光合作用时，将太阳能转化为化学能储存起来

【解析】　绿色植物发生光合作用时，将太阳能直接转化为化学能，B不正确。

【答案】　B

3．（双选）下列有关能量转换的说法正确的是（　　）

A．煤燃烧是化学能转化为热能的过程

B．化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能

C．动物体内葡萄糖被氧化成CO2是热能转变成化学能的过程

D．植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成热能的过程

【解析】　葡萄糖氧化放出能量，是化学能转变成热能，C错误；D中应该是太阳能转变为化学能，D错误。

【答案】　AB

4．下列对城市废弃物中生物质能利用不合理的是（　　）

A．把废弃物运到乡下找个地方填埋掉

B．对废弃物进行处理后焚烧，利用产生的热能供暖和发电

C．把废弃物进行生物化学转换获取CH4

D．让废弃物在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃性气体

【解析】　废弃物填埋不仅会造成资源浪费，甚至污染当地土壤。

【答案】　A

5．可再生能源是我国重要的能源资源，在满足能源需求、改变能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面具有重要作用。

应用太阳能光伏发电技术，是实现节能减排的一项重要措施。

下列有关分析不正确的是（　　）

A．风能、太阳能、生物质能等属于可再生能源

B．推广可再生能源有利于经济可持续发展

C．上图是太阳能光伏电池原理图，图中A极为正极

D．光伏电池能量转化方式是太阳能直接转化变为电能

【解析】　A、B说法正确；由图中的电流方向可知，A极应为负极，C不正确；光伏电池发电是将光能直接转化为电能，D正确。

【答案】　C

6．（2013·连云港高一检测）有效“减碳”的手段之一是节能，下列制氢方法最节能的是（　　）

A．电解水制氢：

2H2O

2H2↑＋O2↑

B．天然气制氢：

CH4＋H2O

CO＋3H2

C．高温使水分解制氢：

2H2O

2H2↑＋O2↑

D．太阳光催化分解水制氢：

2H2O

2H2↑＋O2↑

【解析】　电解水或高温使水分解都要消耗大量的电能或热能，天然气本身是一种不可再生的化石燃料，用它制氢气，除了消耗能源物质外，反应所需要的高温条件，也需要额外消耗大量的能源。

【答案】　D

7．（双选）有专家指出，如果将燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能使它们重新组合变成CH4、CH3OH、NH3等的构想能够变成现实，则下列说法中错误的是（　　）

A．可消除对大气的污染

B．是化学能转换为化学能的过程

C．此题中的CH4、CH3OH、NH3等为一级能源（即自然界中以现成形式提供的能源）

D．可缓解能源危机

【解析】　这是一个资源循环利用问题，燃烧产物如CO2、H2O、N2等重新组合变成CH4、CH3OH、NH3等，借助了太阳能的参与，从而该转化过程不仅是化学能之间的相互转化，还含有太阳能对转化过程的贡献。

【答案】　BC

8．南京将于2014年承办世界青奥会。

下列措施不符合低碳和零碳能源的是（　　）

A．逐步利用太阳能等新能源代替化石燃料

B．引进电动汽车，减少汽车尾气排放

C．全面推广利用氢能，禁止在任何条件下利用任何化石燃料

D．在西部和沿海地区兴建风力发电站，解决能源问题

【解析】　在一定条件下，可合理使用化石燃料。

【答案】　C

9.

“能源分类相关图”如图所示，下列四组能源选项中，全部符合图中阴影部分的能源是（　　）

A．煤炭、石油、潮汐能

B．水能、生物质能、天然气

C．太阳能、风能、沼气

D．地热能、海洋能、核能

【解析】　所列能源中属于新能源的是潮汐能、生物质能、太阳能、风能、沼气、地热能、海洋能、核能；来自太阳辐射的能源是煤炭、石油、水能、生物质能、天然气、太阳能、风能、沼气、海洋能（如海水温差能）；属于可再生能源的是水能、生物质能、太阳能、风能、沼气、海洋能。

【答案】　C

10．（双选）氢气虽然是一种理想的绿色能源，但目前仍处在研究、试验阶段，还未得到广泛应用，其原因可能是（　　）

A．氢气虽可由水制备获得，但水资源严重匮乏

B．氢气制备耗能巨大，廉价制氢技术尚未成熟

C．氢气贮存、运输等安全技术尚未很好地解决

D．氢气燃烧产物虽无污染，但其放出热量较少

【解析】　氢气是一种放出热量多、无污染的、理想的绿色能源，但目前仍处在研究、试验阶段，不是由于水资源的原因，我国淡水资源虽不是太多，但是海水资源比较丰富，A项错；氢气可以由水制备，但是需要消耗大量的能源，且不好贮存，这是根本原因。

【答案】　BC

11．（2013·武汉高一检测）氢气是未来最理想的能源，科学家最近研制出利用太阳能产生激光，并在二氧化钛（TiO2）表面作用使海水分解得到氢气的新技术：

2H2O

2H2↑＋O2↑。

制得的氢气可用于燃料电池。

试完成下列问题：

（1）太阳光分解海水时，实现了从__________能转化为________能，二氧化钛作________。

生成的氢气，用于燃料电池时，实现________能转化为________能。

水分解时，断裂的化学键为________，分解海水的反应属于________反应（填“放热”或“吸热”）。

（2）某种燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质，两极上发生的电极反应分别为A极：

2H2＋2O2－－4e－===2H2O；B极：

O2＋4e－===2O2－。

则A极是电池的________极，电子从该极________（填“流入”或“流出”）。

【解析】　

（1）太阳光分解海水时，太阳能转化为化学能，二氧化钛起催化作用；燃料电池发电时，化学能转化为电能；水分解时，氢氧共价键断裂，形成氢氢共价键和氧氧共价键。

氢气燃烧是放热反应，水分解从形式上看是氢气燃烧的逆反应，所以水的分解反应属于吸热反应。

（2）原电池的负极发生失电子的氧化反应，是电子流出的一极，电流流入的一极，氢气是负极，氧气是正极。

【答案】　

（1）太阳　化学　催化剂　化学　电　氢氧共价键　吸热

（2）负　流出

12．（2013·泰州高一检测）下列是用化学方程式表示的化学变化，请在每小题后的横线上注明能量的转化形式：

（1）C2H5OH＋3O2

2CO2＋3H2O：

________________________________________________________________________。

（2）Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO

2PbSO4＋2H2O（充电的过程）：

________________________________________________________________________。

（3）Zn＋2MnO2＋2NH4Cl

ZnCl2＋2MnOOH＋2NH3↑：

________________________________________________________________________。

（4）2Mg＋O2

2MgO：

________________________________________________________________________。

（5）6CO2＋6H2O

C6H12O6＋6O2：

________________________________________________________________________。

【答案】　

（1）化学能转化为热能和光能　

（2）电能转化为化学能　（3）化学能转化为电能　（4）化学能转化为热能和光能　（5）太阳能转化为化学能

13．沼气是一种廉价的能源。

农村富有大量的秸秆、杂草等废弃物，它们经微生物发酵之后，便可产生沼气，可以用来点火做饭。

（1）已知（C6H10O5）n＋nH2O

3nCO2＋3nCH4＋能量，请设想出这个总反应的实际价值与意义。

（2）煤的主要成分是碳，写出煤和沼气中的主要成分燃烧过程的化学方程式________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

并指出哪一种燃料对环境污染小？

________。

（3）我国农村大约有700万个沼气发生池，如果每个沼气池平均每天产生2m3沼气（主要是CH4），每摩尔CH4完全燃烧能放出890kJ的热量。

计算每天可节约燃烧值为3.36×104kJ·kg－1的标准煤多少千克？

并说明使用沼气发生池还有哪些优点。

（4）若建立沼气发电站，可以实现把________能转化成电能。

【解析】　将植物的秸秆、叶、根等转化为沼气，既扩大肥源，又改善农村的卫生条件，而且燃料的利用率得以提高，还可以将生物质能转化为电能。

【答案】　

（1）秸秆、杂草、树叶等农作物的废弃物经微生物发酵之后便有沼气产生，它是农村能源的一种主要来源，也是扩大肥源、提高肥效和改善农村卫生条件的重要措施。

（2）C＋O2

CO2，CH4＋2O2

CO2＋2H2O　甲烷

（3）700万个沼气池每天产生CH4：

，燃烧放出热量Q＝