学年化学苏教必修2讲义专题2 化学反应与能量转化 第4单元.docx

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学年化学苏教必修2讲义专题2化学反应与能量转化第4单元

第四单元　太阳能、生物质能和氢能的利用

学习目标

核心素养建构

1.通过交流与讨论，认识太阳能、生物质能、氢能利用的现状。

2.通过对氢能开发与利用的讨论，认识开发、利用高能洁净能源的重要性和迫切性。

[知识梳理]

一、太阳能的利用

实例

能量转化方式

直接利用

光合作用

光能转化为化学能

太阳能热水器

光能转化为热能

太阳能电池

光能转化为电能

光解水制氢气

光能转化为化学能

间接利用

化石燃料

太阳能间接转化为化学能

水力发电

太阳能间接转化为机械能和电能

【自主思考】

1．什么是化石燃料？

燃烧化石燃料有何利弊？

提示　煤、石油、天然气属于化石燃料，是由远古生物被埋在地下经历几百万年演变而来的，主要由碳、氢元素组成，还含有少量硫、磷、氮等元素。

好处：

开采方便、利用方便，可直接燃烧等。

弊端：

不可再生资源越用越少，能源利用率低，单位产值能耗高，污染环境。

2．大自然是如何利用太阳能的？

提示　植物的光合作用，在阳光照射下，植物体内的叶绿素将水、二氧化碳转化为葡萄糖，进一步生成淀粉、纤维素，实现光能到化学能的转化。

3．直接利用太阳能的方式有哪些？

提示　直接利用太阳辐射能，主要方式有：

①光—热转换，如太阳能热水器等；

②光—电转换，如太阳能电池等；

③光—化学能转换；

④光—生物质能转换。

二、生物质能的利用

　生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量。

1．直接燃烧

用纤维素代表植物枝叶的主要成分，燃烧反应为：

（C6H10O5）n＋6nO2

6nCO2＋5nH2O。

2．生物化学转换

用含糖类、淀粉较多的农作物为原料制乙醇，其化学反应方程式：

（C6H10O5）n＋nH2O

nC6H12O6、C6H12O6

2C2H5OH＋2CO2↑。

制得的乙醇可作为燃料。

3．热化学转换

使生物质能在一定条件下转换为热值较高的可燃气体。

【自主思考】

4．生物质能的来源是什么？

包括哪些物质？

怎样利用这些生物质能？

提示　生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量。

包括：

农业废弃物（秸秆、枝叶等）、水生植物、油料植物、有机废弃物、动物粪便等。

利用：

直接燃烧、生物化学转换（如制成沼气）、热化学转换（在汽化炉内与水、空气反应生成燃气）。

三、氢能的开发与利用

1．以天然气、石油和煤为原料，高温下与水蒸气反应：

CH4＋H2O（g）

CO＋3H2；C＋H2O（g）

CO＋H2。

2．电解水：

2H2O

2H2↑＋O2↑。

3．使用催化剂，利用太阳能分解水：

2H2O

2H2↑＋O2↑。

4．利用蓝绿藻等低等植物和微生物在阳光作用下使水分解产生氢气。

【自主思考】

5．通过初中化学的学习，我们就知道了氢能是最好的洁净、高效的新型能源，你知道其中的原因吗？

氢能有什么优点呢？

提示　氢能的三大优点：

（1）热值高；

（2）来源广；（3）无污染。

6．氢能是一种理想的、极有前途的二次能源，它被人们视为理想的“绿色能源”。

现在有几种生产氢能的方式？

这些方式有哪些优点和缺点？

提示　目前人类制取氢气的方法有：

（1）以天然气、石油和煤为原料，在高温下与水蒸气反应或用部分氧化法制氢气。

此法消耗大量不可再生的能源。

（2）电解水制氢气。

该方法制备氢气的条件比较简单，对环境也不会造成污染，但用该方法来制备氢气需要消耗大量的电能，生产成本太高。

（3）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。

7．举例说明氢能的利用有哪些途径？

提示　

（1）氢气燃烧放热（如以液态氢作为火箭的燃料）；

（2）用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池；（3）利用氢的热核反应释放的核能（如氢弹）。

[效果自测]

1．判断

（1）生活垃圾中不存在生物质能，焚烧生活垃圾，只能多消耗热能。

（　　）

（2）用淀粉作原料制备乙醇属于太阳能的直接利用。

（　　）

（3）铁路勘探时常用太阳能电池提供能量，太阳能电池是原电池。

（　　）

（4）氢能是一种无污染的绿色能源。

（　　）

（5）动物粪便是一种生物质能。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）√

2．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是（　　）

A．可再生能源，取之不尽用之不竭

B．不可再生能源，用一点少一点

C．均来自太阳辐射的能量

D．均为污染环境的能源

解析　煤、石油、天然气作为能源的特点：

不可再生；贮量有限，用一点少一点；污染环境；来自太阳辐射能。

生物质能的特点：

储量大；可再生；无污染；源自太阳辐射能。

答案　C

探究　能量之间的相互转化

【合作交流】

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。

【点拨提升】

1．能量之间的转化

2．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，加强科技投入，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，为可再生能源，对环境没有污染或污染少。

3．氢能的产生和利用途径

【典题例证】　为防止大气污染、节约燃料、缓解能源危机，专家指出，对燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能最终转化为（　　）

A．生物能B．化学能

C．热能D．电能

解析　关键信息是据图示可知CO2、H2O、N2利用太阳能使它们重新组合为可燃物，而可燃物燃烧后转化为燃烧产物并放出热量，产物又结合太阳能转化为燃料，如此循环可知太阳能最终转化为热能。

答案　C

【学以致用】　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．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直接转化为电能

D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明

解析　煤、石油和天然气都属于含碳元素的燃料，属于碳素燃料；太阳能经济，不会产生温室气体；利用光能电池可将太阳能直接转化为电能；菠菜属于绿色植物，是通过光合作用生成的，D说法不正确。

答案　D

2．下列给出的能源中，不能作为新能源的是（　　）

A．太阳能B．无烟煤

C．燃料电池D．氢能

解析　煤属于矿物燃料，会严重污染空气。

太阳能、燃料电池、氢能均为有发展前景的新能源。

答案　B

3．生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能固化为化学能而贮存在生物质内部的能量，它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．推广使用乙醇汽油，乙醇可由富含淀粉的谷物发酵产生

C．氢能可以通过电解海水获得，可大量推广使用

D．开发生物质能有利于环境保护和经济可持续发展

解析　电解海水可制得氢气，但成本高，不能大量推广使用。

答案　C

4．据报道，某国一集团拟在太空建造巨大的集光装置，把太阳光变成激光用于分解海水制氢：

2H2O

2H2↑＋O2↑。

下列说法正确的是（　　）

①水的分解反应是放热反应　②氢气是一次能源　③使用氢气作燃料有助于控制温室效应　④若用生成的氢气与空气中多余的二氧化碳反应生成甲醇储存起来，可以改善生存环境

A．①④B．②③

C．③④D．①②

解析　①中水的分解反应是吸热反应；②中在自然界中氢气无法直接取得，是二次能源；③中氢气的燃烧产物是水，化石燃料燃烧会产生二氧化碳，所以氢气作燃料有助于控制温室效应；④中生成的氢气与空气中多余的二氧化碳反应生成甲醇，则可以对二氧化碳进行循环利用。

答案　C

5．近年来某市政府率先在公交车和出租车中推行用天然气代替汽油作燃料的改革，取得了显著进展。

走上街头你会发现不少公交车和出租车上有“CNG”的标志，代表它们是以天然气作为燃料的汽车。

（1）天然气是植物残体在隔绝空气的条件下，经过微生物的发酵作用而生成的，因此天然气中所贮藏的化学能最终来自于________。

（2）天然气的主要成分是________。

（3）天然气的主要成分是一种很好的燃料。

已知4g该主要成分完全燃烧生成CO2气体和液态水时放出222.5kJ的热量，则上述成分燃烧的热化学方程式为________________________________________________________________________。

解析　化石燃料所贮藏的化学能最终都是来自于太阳能。

答案　

（1）太阳能　

（2）CH4　（3）CH4（g）＋2O2（g）===2H2O（l）＋CO2（g）　ΔH＝－890kJ·mol－1

课时作业

基础巩固

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太阳能

答案　D

2．下列属于直接利用太阳辐射能的方式的是（　　）

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

A．①②③B．①③④

C．①②④D．①②③④

答案　D

3．下列有关生物质能的说法不正确的是（　　）

A．生物质能是可再生能源

B．生物质能来源于太阳能

C．焚烧生活垃圾发电是将生物质能直接转化为电能

D．玉米、高粱发酵制乙醇是生物质能转化为化学能

解析　生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量，生物质能最终利用的结果：

除释放能量外，产生无污染的CO2和H2O，通过植物的光合作用，重新将太阳能转化为生物质能，因此生物质能是可再生的新能源，A正确；光－生物质能的转化本质是光－化学能的转换，B项正确；焚烧生活垃圾发电的能量转化过程是：

生物质能―→热能―→电能，C不正确；含淀粉较高的农作物发酵制燃料乙醇是生物质能转化为化学能，D正确。

答案　C

4．下列对于城市废弃物中生物质能的利用不合理的是（　　）

A．把废弃物拉到乡下找个地方埋掉

B．对废弃物进行处理后焚烧，利用产生的热能供热和发电

C．把废弃物进行生物化学转化获取甲烷

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　城市废弃物中含有丰富的生物质能，埋掉是一种资源浪费，故A不合理；处理后焚烧利用产生的热能供热和发电，B合理；将废物进行生物化学转化获取甲烷、可燃性气体均合理，故C、D合理；利用不合理的只有A项。

答案　A

5．据报道，氢燃料电池公交汽车已经驶在北京街头。

下列说法正确的是（　　）

A．电解水制取氢气是理想而经济的制氢方法

B．发展氢燃料电池汽车不需要安全高效的储氢技术

C．氢燃料电池汽车的使用可以有效减少城市空气污染

D．氢燃料电池把氢气和氧气燃烧放出的热能转化为电能

解析　电解水制备氢气需要大量的电能，所以A不正确；氢气属于易燃气体，容易发生危险，所以需要考虑安全高效的储氢技术；氢氧燃料电池为化学能转化为电能，产物为水，对环境没有污染，C项正确，D项错误。

答案　C

6．H2是一种很有前途的能源，以水为原料大量制取H2，最理想的途径是（　　）

A．利用太阳能直接使水分解为H2

B．以焦炭和水为原料制水煤气后再分离出H2

C．以赤热的Fe和水反应生成H2

D．由热电厂提供电能，利用直流电电解水产生H2

解析　B项，C＋H2O（g）

CO＋H2；C项，3Fe＋4H2O（g）

Fe3O4＋4H2；D项，2H2O

2H2↑＋O2↑，B、C、D三项都要消耗传统能源。

而A项中太阳能是已被人们使用的新能源，与传统能源相比较，太阳能的优点很多，而且是一般传统能源无法比拟的。

答案　A

7．下列过程中的能量转化，属于太阳能转化为生物质能的是（　　）

A．石油燃烧

B．植物的光合作用

C．核电站发电

D．太阳能电池供电

解析　石油燃烧是化学能转化为热能；核电站发电是核能转化为电能；太阳能电池供电是太阳能转化为电能；植物的光合作用是太阳能转化为生物质能。

答案　B

8．为消除目前燃料燃烧时产生的环境污染，同时缓解能源危机，有关专家提出了利用太阳能制取氢能的构想。

下列说法正确的是（　　）

A．H2O的分解反应是放热反应

B．氢能源已被普遍使用

C．2molH2O具有的总能量低于2molH2和1molO2的总能量

D．氢气不易贮存和运输，无开发利用价值

解析　2H2O===2H2↑＋O2↑是吸热反应，说明2molH2O的能量低于2molH2和1molO2的能量。

因由水制取H2耗能多且H2不易贮存和运输，所以氢能源利用并未普及，但发展前景广阔。

答案　C

9．“绿色化学”要求从根本上减少乃至杜绝污染。

下列对农作物收割后留下的茎秆的处理方法中，不符合“绿色化学”要求的是（　　）

A．就地焚烧B．发酵后作农家肥

C．加工成精饲料D．制造沼气

解析　农作物的茎秆就地焚烧会产生污染物，A项不符合“绿色化学”要求。

答案　A

10．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

能力提升

11．矿物能源是现代人类社会赖以生存的重要物质基础。

目前，世界矿物能源消耗的主要品种仍然以煤、石油、天然气为主。

（1）试以上述燃料各自的主要成分C、CnH2n＋2、CH4为代表，写出它们燃烧过程的化学方程式：

_________________、__________________、___________________。

试比较，当三者质量相同时，对环境造成的不利影响最小的燃料是________。

（2）煤、石油、天然气又称为化石燃料，它们储存的能量均来自绿色植物吸收的太阳能，绿色植物通过光合作用把太阳能转化成________能，光合作用的总反应式：

________________________________________________________________________。

（3）光合作用释放的氧气来自于参加反应的哪种物质？

________________。

解析　相同质量的C、CnH2n＋2、CH4，含碳量越高，生成CO或CO2的量相对来说越多，对环境的不利影响越大，对环境造成不利影响最小的是甲烷。

答案　

（1）C＋O2

CO2　2CnH2n＋2＋（3n＋1）O2

2nCO2＋2（n＋1）H2O　CH4＋2O2

CO2＋2H2O　甲烷

（2）化学　6CO2＋6H2O

C6H12O6＋6O2　（3）CO2

12．沼气是一种廉价的能源。

农村有大量的秸秆、杂草等农业废弃物，它们经微生物发酵以后，便可产生沼气，可以用来点火做饭。

（1）直接燃烧植物的枝叶是原始的取热方式，燃烧的化学反应为________________________________________________________________________。

（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：

________________________________________________________________________。

其中对环境污染小的一种燃料是________________________________________。

（3）我国农村大约有700万个沼气池，试说明使用沼气池有哪些优点？

答：

_________________________________________________________________。

若建立沼气发电站，可以实现把________能转化为电能。

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）（C6H10O5）n＋6nO2

6nCO2＋5nH2O

（2）C＋O2

CO2、CH4＋2O2

CO2＋2H2O　沼气

（3）使用沼气池可使粪肥熟化、提高肥效、降低农业生产成本；可解决农村能源问题，改善卫生条件；可替代煤，减少大气中的粉尘和酸雨的形成，减少环境污染（合理答案即可）　生物质

13．分析下图，回答以下问题：

（1）电解水生成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”的主要理由是____________________________________________________________________________。

（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。

若电解质溶液为KOH溶液，写出正、负极上的电极反应式：

负极________________________________________________________________________，正极________________________________________________________________________。

解析　

（1）电解水需要消耗大量电能。

（2）11.2LH2为

＝0.5mol，故2molH2燃烧生成液态水放出热量为

×2mol＝4QkJ，故该反应的热化学方程式为2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）　ΔH＝－4QkJ·mol－1。

（3）H2作为“绿色能源”优点有三：

来源丰富；热值高；无污染。

（4）在氢氧燃料电池中，H2在负极失电子发生氧化反应，O2在正极发生还原反应。

若电解质为KOH溶液，则负极为2H2－4e－＋4OH－===4H2O，正极为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

答案　

（1）需大量电能

（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　2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－

14．近20年来，对以氢气作为未来的动力燃料氢能源的研究获得了迅速发展，像电一样，氢是一种需要依靠其他能源如石油、煤、原子能等的能量来制取的所谓“二级能源”，而存在于自然界的可以提供现成形式能量的能源称为一级能源，如煤、石油、太阳能和原子能。

（1）氢气燃烧时耗氧量小，放热量大。

已知热化学方程式：

C（g）＋O2（g）===CO2（g）　ΔH＝－393.5kJ·mol－1

H2（g）＋

O2（g）===H2O（l）　ΔH＝－285.8kJ·mol－1

试通过计算说明等质量的氢气和碳燃烧时产生热量的比是________。

（2）氢能源有可能实现能源贮存，也有可能实现经济、高效的输送。

研究表明在过渡金属型氢化物（又称间充氢化物）中，氢原子填充在金属的晶格间隙之间，其组成不固定，通常是非化学计量的，如LaH2.76、TiH1.73、CeH2.69、ZrH1.98、PrH2.85、TaH0.78。

已知标准状况下，1体积的钯粉大约可吸附896体积的氢气（钯粉的密度为10.64g·cm－3，相对原子质量为106.4），试写出钯（Pd）的氢化物的化学式________。

解析　

（1）由热化学方程式可知，相同质量的氢气和碳完全燃烧时放出热量之比为

∶

≈4.36∶1。

（2）由题意可知，1cm3钯粉可吸收896cm3的氢气，Pd∶H＝

∶

＝1∶0.8，故钯的氢化物的化学式为PdH0.8。

答案　

（1）4.36∶1　

（2）PdH0.8