最新能源的开发与利用 精品.docx

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最新能源的开发与利用精品

能源的开发与利用

考点透视

能源是人类社会发展进步的物质基础。

在当代，能源同信息、材料一起构成了现代文明的三大支柱。

能源是人类社会活动的物质基础。

大自然赋予人类的能源可分为常规能源和新能源两大类。

技术上比较成熟、使用较普遍的能源叫做常规能源（如煤炭、石油等）。

近几十年才开始利用或正在研究开发的能源叫做新能源。

新能源是以新技术和新材料为基础，系统开发利用的能源。

在新能源的开发中，重点在于开发太阳能、风能、地热能、波浪能、氢能和生物质能等，它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染，可以说是远有前景、近有实效的能源。

例题解析

例题1．关于能源，以下说法中不正确的是

A煤、石油、天然气等燃料的最初来源都可追溯到太阳能

B柴草燃烧时释放的能量是生物能

C核能和地热能来自地球自身

D潮汐能来源于月球引力做功

【解析】

柴草燃烧是剧烈的氧化反应，燃烧时释放的化学能将转化为产生的气体及周围物质所增加的内能，而柴草具有的化学能的最初来源也可追溯到太阳能，因为绿色植物的生长过程必须依靠阳光，通过光合作用，叶绿素将水和二氧化碳制成淀粉，从能的转化观点来看，在此过程中太阳能转化成化学能贮存在植物中，通过燃烧，化学能又转化成内能。

【参考答案】

B

【评述】

本题属能源科学，涉及物理学、化学、地理和生物学等多学科知识的综合。

例题2．核电站中采用核反应堆使重核裂变，将释放出的巨大能量转换成电能。

1．写出核裂变反应和一般化学反应的不同点（3点）

2．核电站在热量传递的循环系统中应用了钠钾合金作为传热介质，试根据钠钾合金的性质说明这一应用的两点理由。

3．核反应除释放巨大的能量外，还可以用来生产各种放射性同位素，请分别阐明放射性同位素的辐射育种和临床治癌原理。

【解析】

1．对单位质量的物质而言，核裂变释放的能量远大于化学反应中能量；核反应前后元素（原子核）发生变化，而化学反应中元素不变（电子有得失）；一种同位素不论处于几价，它们的核反应性质相同，而化学性质不同；而同一种元素的不同同位素（如铀235和铀238）化学性质相同，但核反应的性质不同；核反应的速度与温度压强等无关，仅由核内因素决定，而化学反应与温度高低及压强大小等有关。

2．钠钾合金熔点低，常温下为液态，可在管道内流动；钠钾合金是热的良导体。

3．辐射育种原理：

利用射线对遗传物质产生影响，提高基因突变频率，供人工选育；临床治癌原理：

利用射线的能量杀伤癌细胞或阻止癌细胞生长。

【参考答案】

见解析部分

【评述】

核能的利用和核反应的条件及其特点是高中理科的重点教学内容，本题通过核反应与化学反应的区别与联系，核反应中的有关材料的化学性质、放射性同位素的应用，把物理学与化学及生物学知识综合起来，有利于培养学生跨学科知识综合应用的能力。

例题3．大规模开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求。

太阳能的光一热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式。

太阳能热水器的构造示意图如图所示，下方是象日光灯管似的集热管，外有透明玻璃管，内有黑色管子（管内蓄水），由导热性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面。

图1图2

试分析下列有关太阳能的利用问题：

1．说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应？

水箱为何安装在顶部而非下部？

2．图2中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿时针向流动，这是因为。

C是附助加热器，其作用是。

请在图中适当位置安上进水阀门，和出水阀门，并说明选择位置的理由。

3．试举例分析说明太阳能与电能、化学能、生物能的转换。

【解析】

1．日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管子使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管之间空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚焦在水管内，水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流。

2．顺时针流动，集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动；在阴天用电加热的方式使水温升高；在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安出水阀门，可使热水流出，冷水得以补充。

3．利用光电效应将太阳能转化成电能。

光一电转换的基本装置是太阳能电池，目前国产硅光电池的最大开路电压已达到600mV。

利用硅光电池的光电流随受光面积变化的特征，制成了各种自动控制装置；利用太阳辐射能直接分解水制氢，氢是二次能源，用途广、无污染、便贮存、便运输，这是一种很有吸引力的途径；捕获太阳能的生物是绿色植物，利用植物的光合作用，将太阳能转化成生物能。

【参考答案】

见解析部分

【评述】太阳能的利用和能量的转换是高中理科的重点教学内容之一，本题把物理学、化学及生物学知识综合起来，有利于培养学生理论联系实际的能力。

例题4．由于人们长期使用煤和石油，这两种传统能源（如煤和石油）已被大量消耗，同时对环境造成了严重的危害。

目前人们逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上去探索高效、洁净的新能源。

在21世纪，新能源将在能源消费构成中占据越来越重要的地位。

1．既然任何能量转化过程中其总量是守恒的，为什么人类社会仍有能源危机的产生？

2．根据你所掌握的知识，说说目前国际上有关新能源的研究和开发主要集中哪些方面。

【解析】

1．虽然能的总量是守恒的，但各类能量在自然大环境下转化的时间和方式是各不相同的，人类目前使用的常规能源（煤，石油，天然气）只能再用不到200年，但这些能源的形成却需要几千万年时间，另外地球上各类能量在自然大环境下转化方式中，有些是不可逆的，根据热力学第二定律可知，任何自然界的宏观过程都具有方向性，也必然存在着能量耗散，而目前人类生活需要的能量是巨大的，故在不久的将来存在着能源危机。

2．目前有关新能源的研究和开发主要在如下几个方面：

①光电池已在一些领域（如计算器、广告牌照明等）广泛使用；②太阳能已开始用于一些居民住宅和发电，以太阳能电池为能源的汽车也在实验中；③用汽油、天然气和氢做燃料的燃料电池也正在大力研制之中，研究员正在设法提高燃料电池的工作效率；④核能发电面临着一场革命，核反应器的设计将全面创新，未来的反应器将具有自动防止故障的能力而且体积将大大缩小；⑤再生能源的使用也在不断发展和扩大，根据美国能源部的报告，现在美国再生能源的供应量占美国总能源量10％，据估计到2180年将增加到28％；③生物能发电的研究和作用。

【答案】

见解析部分

【点评】本题以“能源危机及新能源的开发”作为问题的切入点，解题涉及到高中理科的多学科知识，主要考查学生综合分析的能力。

它所涉及的知识点是自然科学中十分重要的内容，也是要求较高的内容。

例题5．《人民日报》2001年2月28日讯：

为贯彻实施中央确定的西部大开发战略，国务院召开会议，听取国家计委和中国石油天然气集团公司关于“西气东输”工程方案的论证汇报。

会议认为启动“西气东输”工程是把新疆的天然气资源优势变成造福新疆各族人民的经济优势的大好事，也是促进沿线省、区、市产业结构和能源结构调整、经济效益提高的重要举措。

右图为“西气东输”工程示意图：

1．“西气东输”工程中的“气”是指西部丰富的资源，主要分布在盆地；“输”是指采用运输方式。

2．“西气东输”工程最有利于解决我国下列选项中的资源问题：

A水资源紧张B能源浪费严重C木材短缺

D自然资源分布与生产力分布不相协调

3．由于沿线城市可用清洁燃料取代部分生产、生活中使用的煤炭，这将降低城市环境污染中污染的程度。

4．该盆地除上述资源外，还蕴藏着丰富的石油资源。

石油属于以下哪种能源？

A可再生能源B一次能源C常规能源D来自地球内部的能量

5．石油主要含有和两种元素，它是由组成的混合物。

为从石油中得到汽油、煤油、柴油等轻质液体燃料，可通过的方法炼制石油，为了提高轻质液体燃料的产量，在石油工业中常采用的方法。

请写出石油燃烧过程的化学方程式

【解析】

第1、2题了解西部塔里木盆地油气资源开发与“西气东输”工程；第3题考查煤烟粉尘对大气的污染；第4题了解有关石油资源的问题；第5题考点需用所学化学知识回答。

【参考答案】

1．天然气塔里木管道

2．D

3．大气

4．B、C

5．碳（C）氢（H）烃（烷烃、环烷烃和芳香烃）分馏裂化

2CxH2x+2＋（3x＋1）O2→2xCO2＋（2x＋2）H2O

【评述】

本题以热点知识“西气东输”工程为背景材料和载体，综合考查学生的各方面的知识。

基本训练

一．1．在绿色植物光合作用下；每放出1个氧分子要吸收8个波长为6.88×10－7m的光量子，同时每放出1molO2，植物储存469kJ的能量，绿色植物能量转化效率约为

A9％B33％C56％D79％

2．利用储能介质储存太阳能的原理是：

白天在太阳照射下某种固定盐熔化（实为盐溶于自身的结晶水）吸收热量，晚间熔盐释放出相应能量，从而使室温得以调节。

已知几种盐的熔点及熔化时能量改变值为：

盐

溶点（t）

熔化吸热（kJ/mol）

CaCl2·6H2O

29.0

37.3

Na2SO4·10H2O

32.4

77.0

Na2HPO4·12H2O

36.1

100.1

Na2S2O3·5H2O

48.5

49.7

有关说法中正确的是

A不应选用CaCl2·6H2O

B可选用Na2SO4·10H2O和Na2HPO4·12H2O

C最好选用Na2SO4·10H2O，它更为经济

D以上皆不宜选用

3．我国“九五”期间已建成投产和已开工兴建的核电站共有浙江、广东、辽宁、江苏等4座，这些电站的选址都在沿海岛屿，这主要是为了

A考虑辐射安全B便于核废料处理

C便于运输设备D减小可能的核泄漏所造成的影响

二．右图是一种飘浮在海面上的自动航标灯。

它由A灯泡，B海浪动力式压缩泵，C发电机，D贮气容器，E小汽轮发电机，F蓄电池等组成。

请你用能量转换的原理，将海浪使灯泡持续发光的工作顺序写在下面横线上。

（只要列出字母编号）

3．下图是海洋潮汐成因的示意图。

已知太阳质量为2×1180kg，月球质量为7.35×1022kg。

太阳到地球的距离为1.5×1011m，月球到地球的距离为3.84×118m，试计算月球和太阳对地球引力之比，并说明潮汐的成因。

上弦下弦

四．由于气候寒冷，南极大陆成为强大的高压中心，形成由大陆中心吹向边缘的风暴，有世界“风极”之称，年平均风速17m/s～18m/s。

若以最小平均风速吹动一个直径为10m的风车发电，风车将20%的风能转化为电能，试计算风车的发电功率。

（已知：

空气密度为1.29kg/m3）

五．太阳由于内部的热核反应，每小时损失质量约1.6×1010t。

地球与太阳间距为1.5×118km。

求：

1．垂直于阳光的每平方米地面上在每秒钟内可以接受多少太阳能？

2．如果绿色植物能吸收10％的太阳能进行光合作用，每小时，1亩绿色植物可以吸收多少太阳能（1亩＝667平方米）？

3．植物的光合作用是通过什么来完成的？

其中红光和蓝紫光是靠什么吸收的？

什么物质主要是吸收蓝紫光？

4．在相同的光照条件下，沙漠与绿洲的温度变化是否相当？

请简述理由。

六．目前，我国的能源结构主要是煤，还有石油、天然气、核能等，这些能源都是一次不可再生且污染环境的能源，研究和开发清洁而又用之不竭的能源是未来发展的首要任务。

科学家预测“氢能”将是21世纪最理想的新能源。

氢能是利用氢气的燃烧反应放热提供能量，即H2＋1/2O2＝H2O＋284kJ。

1．试分析为什么“氢能”将是21世纪最理想的新能源？

2．目前世界上的氢绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取。

如：

用水蒸气与炽热的碳反应为C＋H2O＝CO＋H2。

请再写出由天然气制取氢的反应方程式。

并分析此类制氢是否是理想的长久方法。

3．利用硫－碘热循环法制取氢也是化学家常用的一种方法，总反应方程式为2H2O

2H2＋O2，其循环过程分三步进行：

①SO2＋I2＋H2O→A＋B②A→？

＋？

③B→？

＋？

＋？

（1）完成以上三步反应，并确定哪步反应最难进行。

（2）请对硫－碘热循环法制取氢的优劣和前景作一分析。

4．目前，氢总量只有4%左右由电解水的方法制取。

（1）每生产1m3氢气需要耗电约4度，请估算电解水中能量的利用率。

（2）电解水法制氢一方面消耗的电能比氢能释放的能量还要高，另一方面电能本身就是高效、清洁能源，以电能换氢能，成本很高，显然消耗电能来获得氢能的方法是得不偿失。

请问用什么方法可以降低电解法制氢的成本。

5．目前，有人提出一种最经济最理想的获得氢能源的循环体系，如右图所示：

这是一种最理想的氢能源循环体系，类似于（填理科教材中一名词），太阳能和水是用之不竭，而且价格低廉。

急需化学家研究的是

6．列举两种方法简单安全地输送氢气。

七．1991年8月，世界各国太阳能专家聚集巴黎，专门讨论了太空太阳能电站问题。

这种空间太阳能电站建在地球同步轨道的一个固定位置上，向地球上固定区域供电。

其发电及传输示意如右图所示。

在太阳能收集板上铺设太阳能电池，通过光电转换把太阳能转变成电能，再经微波转换器将直流电转换成微波，并通过天线将电能以微波形式向地面发送。

地面接收站通过整流天线把微波能还原成电能。

1．制造太阳能电池需要高纯度的硅，工业上由粗硅制高纯度硅常通过以下反应实现：

①Si（固）＋3HCl（气）

SiHCl3（气）＋H2（气）＋381kJ

②SiHCl3（气）＋H2（气）

Si（固）＋3HCl（气）

①．元素硅在周期表中位于；晶体硅属于晶体，是体（导体、半导体、绝缘体）；晶体硅有类似金刚石的结构，每摩尔晶体硅的共价键数目为，键角为。

②．关于上述条件下的两个反应的叙述中不正确的是

A两个反应都是置换反应

B反应②是放热反应

C上述反应是可逆反应

D两个反应都是氧化还原反应

③．反应②的热效应为

2．太阳能光电池基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。

如图是测定光电流的电路简图，光电管加正向电压。

①．在图上标出电源和电流表的正、负极；

②．入射光应照射在极上；

③．若电流表读数是10uA，则每秒钟从光电管阴极发射的光电子至少是多少个？

3．利用微波传输电能，实现了“无缆输电”，输电效率可达80%。

微波输电采用的频率是2450MHz，计算它的波长及到达地面接收站时的功率。

八．三峡水利电力枢纽工程是全世界在建的最大的水电枢纽工程，建成后装机26台，每台发电机组功率是70万千瓦，每年发电量847亿千瓦·时，它将于2018年全部竣工，它是“西电东送”的中部通道。

请回答下列问题：

1．三峡河段年均径流量4384亿立方米，发电站上、下游水位差约100米，则三峡电站能量转化效率为

2．把三峡电站的电能输送到用电区，其输电线总电阻为2Ω，若要求输电效率为99％，则输送电压为V。

3．三峡地区的矿产资源十分丰富，主要有煤、铁、铜、食盐、石膏等矿种，其中磷矿储量最大，三峡工程建成后，将对开发这些矿产资源提供有利条件。

工业上用磷矿石[主要成分为：

Ca3（PO4）2]混以石英砂（SiO2）和炭粉在1773K左右的电炉中加热制成白磷（P4），其反应方程式为，氟磷灰石［Ca5（PO4）3F］的组成可以看成是由CaF2与Ca3（PO4）2按物质的量比组成；1molCa5（PO4）3F最多可以与molH2SO4反应。

4．三峡地区的稀土是我国丰产元素，17种稀土元素性质十分相近，用有机萃取剂来分离稀土元素是一项重要技术。

化合物A是一种萃取剂，其结构简式如下：

，试回答：

①A可看做是有机物中的

a．醇类化合物b．酯类化合物c．核酸类化合物d．醚类化合物

②以三峡地区磷矿石为主要原料可制备磷酸，萃取剂A是由磷酸和季戊四醇

在适宜条件下缩合而成，用化学方程式表示这一过程：

5．三峡是我国珍稀植物分布的中心区之一，植物具有古老、遗、特有等特点。

如：

素有“植物中熊猫”之称的植物是，我国特有珍稀的被子植物，被称为“公孙树”的是。

6．既要使当代中国人能够从大自然的宝贵财富中获得自己之所需，又要为后代满足其需求留下可持续利用资源和生态环境，因此包括三峡工程在内的人类任何生产活动都要放在生态系统的的普通联系中，放在立体交叉的生态网络中和生态系统的过程中加以考虑，必须尊重生态系统的。

九．能源是人类生存和发展的重要支柱：

1．人类历史进程的各个阶段，如石器时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代等各个时代的主要的动力来源分别是、、、。

2．人类所使用的能量绝大部分来源于太阳能。

捕获太阳能的生物主要是绿色植物。

绿色植物能够通过光合作用把太阳能转化为化学能，光合作用的总反应式为

，光合作用释放的氧气则来源于参加反应的。

3．煤、煤气、石油、天然气、水能、风能和生物能等等多年来大量使用的能源，称为能源。

而核能、地热、海洋能、沼气、电能、太阳能、风能等都被称为能源。

煤、石油、天然气等能源以热的形式供给人们需要。

写出煤、石油、天然气燃烧供热时的化学反应方程式（试以它们各自的主要成分C、CnH2n＋2和CH4代表）：

、、。

在质量相同时，燃料对环境造成的负面影响（温室效应）最小。

4．能源按其是否自然存在来分，可以分为和。

天然的形式存在于自然界的能源叫做，如、、、、、、

等。

需要人工制取的能源叫做，如、、、

等。

太阳是一个巨大的能源，它不断地向外辐射能量，其中辐射到地面的总功率为8×1013千瓦，直接利用太阳能不会污染环境。

太阳能通过四个渠道被人类利用：

①；②；

③；④；

5．在核电站中，反应堆里铀核的裂变将能转化为能；蒸汽推动汽轮机运转，将能转化为；汽轮机带动发电机发电，将能转化为能。

能量既不会，也不会，它只会从，或者从，而能的总量保持不变，这就是能的转化和守恒定律。

【参考答案】

一．1．B2．B、C3．D

二．B、D、E、F．A

三．F月/F日＝5.6×10－3如图所示，当太阳、月亮和地球相对位置改变及地球自转的影响，在一昼夜中地表各处受日、月引力的合力不断改变，从而引起潮汐的形成。

四．每秒钟风能为2.49×118J/s；发电功率P＝49.8kW

五．1．1.4×118W2．3.4×118J3．绿色植物的光合作用主要是靠叶绿素和类胡萝卜素来完成的，太阳光中的红光和蓝紫光主要是靠叶绿素来吸收，类胡萝卜素主要是吸收蓝紫光，这些色素吸收的光都能用于光合作用。

4．在相同的光照条件下，沙漠的温度变化大于绿洲，这是因为绿色植物会把部分太阳能吸收转化成化学能贮存起来，这样就减少了地面温度的变化。

六．1．①燃烧热值高；②清洁无污染；③资源丰富；④适用范围广。

2．CH4＋H2O＝CO＋3H2碳、天然气、石油资源面临枯竭，该反应尚需消耗很高的能量（该反应为吸热反应），因此，此法不是理想的长久的方法。

3．①SO2＋I2＋H2O＝2HI＋H2SO4②2HI＝H2＋I2③2H2SO4＝2SO2＋O2＋2H2O反应③最难进行该循环过程需要很高的热能，也就是说在较高温度下才能进行，生成的SO2和I2可以循环使用，其它产物对环境无污染，但耗能太大，所以此法也不可取，若把太阳能用到上述循环中，该工艺将是合理的。

4．

（1）电解1mol水消耗能量284kJ（根据氢气燃烧释放热量确定），1m3H2约45mol（标准状态估算），能量利用率约88%（±4%）。

（2）通过太阳能发电或风能、海洋能、生物能、地热能电站产生的电能来制氢，可以降低氢的成本。

5．光合作用寻找合适的光分解催化剂，它能在光照下促使水的分解速度加快。

6．管道运输（可以把现有的天然气和城市煤气管道输送系统改造为氢气输送系统）；金属储氢材料储存后再运输。

七．1．①第三周期ⅣA族原子半导体2NA118°28’②B、C③－381kJ2．①电源为左正右负、电流表为上正下负。

②B③6.25×1013个3．0.1225×118kW

八．1．71%2．1.9×1183．2Ca3（PO4）2＋6SiO2＋10C＝6CaSiO3＋P4＋10CO↑4．①a、b②H3PO4＋C（CH2OH）4→

＋3H2O1︰355．银杉珙桐银杏6．物质循环和能量流动动态平衡自身规律

九．1．人力畜力燃煤的动力电力2．6CO2＋12H2O

C6H12O6＋6H2O

＋6O2水3．常规新C＋O2＝CO2CnH2n＋2＋

O2→nCO2＋（n＋1）H2OCH4＋2O2→CO2＋2H2OCH4产生的二氧化碳最少，对环境造成负面影响最小。

4．一次能源二次能源一次能源煤石油天然气草木燃料风流水地热太阳能二次能源电能汽油氢能酒精①通过植物光合作用把太阳能转化和储存起来，再以草木、沼气、煤、石油、天然气等燃料的形式释放②通过大气和水分的升腾循环，再通过风、流水、波浪、海流等形式释放出来③被海洋吸收，成为海洋的内能④被人们直接利用5．核内内机械机械电消灭创生一种形式转化成另一种形式一个物体转移到另一个物体