2024版新教材高中化學專題6化學反應與能量變化第二單元化學反應中的熱第2課時燃料燃燒釋放的能量氫燃料的應用前景學生用書蘇教版必修第二冊

第2課時燃料燃燒釋放的能量氫燃料的應用前景新課程標準1．知道化學反應可以實現(xiàn)化學能與其他能量的轉(zhuǎn)化，能舉例說明化學在解決能源危機中的重要作用。2．能分析能源的利用對自然環(huán)境和社會發(fā)展的影響。學業(yè)質(zhì)量水平合格性要求1.體會提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料的重要性。(水平1)2．能從化學變化中的物質(zhì)變化和能量變化來分析解決實際問題。(水平2)等級性要求能從物質(zhì)及能量變化的角度評價燃料的使用價值，認識化學能轉(zhuǎn)化為熱能在生產(chǎn)、生活中的應用。(水平4)圖說考點基礎知識——自學·思記·嘗試[新知預習]一、燃料燃燒釋放的能量1．熱值(1)定義：熱值是指一定條件下單位質(zhì)量的可單位kJ·g－1，注意與反應熱的單位不同燃物完全燃燒所放出的熱。注意測定熱值時，可燃物完全燃燒生成的是穩(wěn)定的物質(zhì)，如氫元素轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，碳元素轉(zhuǎn)化為二氧化碳氣體，硫元素轉(zhuǎn)化為二氧化硫氣體等。(2)不同的燃料其組成和結(jié)構(gòu)也不同，燃燒后放出的能量也不同。比較幾種不同燃料的熱值(見下表)：物質(zhì)天然氣石油煤炭氫氣熱值(kJ·g－1)約56約48約33143其中，________熱值最大，是最理想的燃料。(3)應用：熱值可用于比較單位質(zhì)量的燃料完全燃燒放出熱的多少，是燃料燃燒釋放的能量的直觀反映。2．化石燃料燃燒存在的問題及解決對策存在的問題：(1)煤等化石燃料的燃燒常常伴隨著大量煙塵、CO、SO2、氮氧化物(NOx)等有毒有害物質(zhì)的排放； 導致酸雨(2)燃料燃燒過程中，一般只有約1/3的能量可以實現(xiàn)有效轉(zhuǎn)化，其他部分則轉(zhuǎn)化為廢熱排出或損耗掉，燃料使用效率不高。解決對策：(1)節(jié)約現(xiàn)有的能源，尤其是減少作為燃料的煤和石油的開采，將更多的化石燃料留給后人；(2)提高燃料的使用效率，減少對環(huán)境的污染，利用化學方法將化石燃料轉(zhuǎn)化為清潔燃料，如將煤經(jīng)氣化轉(zhuǎn)化為煤氣，或使煤經(jīng)液化形成液體燃料；煤的氣化和液化均為化學變化(3)積極開發(fā)優(yōu)質(zhì)的新能源，氫能、水能、太陽能、風能等都是更清潔、更高效的能源。?學而思從空間站建成到新型火箭研制，2023年，中國航天繼續(xù)“超級模式”。你一定很想知道航天運載火箭中所裝燃料產(chǎn)生的熱能從何而來，它與化學物質(zhì)和化學反應有什么關(guān)系？問題：常見燃料C、C8H18、CH4、C2H5OH(乙醇)完全燃燒的熱化學方程式可以分別表示為①C(s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH＝－393.6kJ·mol－1②C8H18(l)＋252O2(g)=8CO2(g)＋9H2O(l)ΔH＝－5518kJ·mol－③CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l)ΔH＝－890.3kJ·mol－1④C2H5OH(l)＋3O2(g)=2CO2(g)＋3H2O(l)ΔH＝－1366.8kJ·mol－1(1)完全燃燒相等物質(zhì)的量的上述物質(zhì)，放出熱量的大小順序是________。(2)完全燃燒相等質(zhì)量的上述物質(zhì)，放出熱量的大小順序為________。(3)燃料燃燒放出熱量的大小常用熱值來衡量。燃料的熱值是指在一定條件下單位質(zhì)量的可燃物完全燃燒所放出的熱量，單位是________。二、氫燃料的應用前景1．氫燃料的應用前景氫燃料的優(yōu)點(1)熱值高。氫氣的熱值在普通燃料中是最高的。(2)產(chǎn)物無污染。氫氣燃燒的產(chǎn)物只有水，不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的污染物，是一種清潔燃料。(3)來源豐富。氫氣來源于水的分解，自然界中水資源比較豐富。(4)可再生。氫氣燃燒的產(chǎn)物只有水，水分解又會產(chǎn)生氫氣，故氫氣可以再生。氫燃料應用面臨的困境(1)制氫成本高。將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再將水催化電解獲得氫氣，成本高。(2)儲氫困難。氫氣密度小，熔點低，難液化，貯存液氫的容器要求高。(3)氫氣的運輸困難。氫氣是可燃氣體，遇明火易發(fā)生爆炸，對于運輸?shù)囊蟾?。解決氫燃料應用面臨困境的方法(1)開發(fā)高效、廉價、綠色的催化技術(shù)，降低制氫成本。(2)研究具備良好吸收和釋放氫氣性能的合金(如貯氫合金在一定條件下吸收氫氣形成金屬氫化物，在加熱時又可釋放出氫氣)，解決氫氣貯存問題。應用舉例(1)發(fā)射人造衛(wèi)星和載人飛船的運載火箭常用液氫作燃料。(2)用于氫動力汽車和氫燃料混合動力有軌電車。(3)利用氫燃料電池發(fā)電。2.太陽能及其利用(1)太陽能轉(zhuǎn)化為化學能太陽光作用下，植物體內(nèi)的葉綠素把水、二氧化碳轉(zhuǎn)化為________，進而生成淀粉、纖維素。(2)化學能轉(zhuǎn)化為熱能動物攝入體內(nèi)的淀粉能水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖，葡萄糖被氧化生成____________，釋放出________，供給生命活動的需要。?學而思華東理工大學材料科學與工程學院楊化桂教授課題組在太陽能光解水領(lǐng)域取得重要進展，以金屬性光催化材料氮化鎢為催化劑，光解水獲得H2和O2，獲取氫能源。問題一：太陽能光解水的過程中，主要發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化形式是什么？問題二：氫能是公認的新型清潔能源，推測氫能具有哪些優(yōu)點和缺點？[即時自測]1．判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”(1)化石燃料在任何條件下都能充分燃燒。()(2)化石燃料在燃燒過程中能產(chǎn)生污染環(huán)境的CO、SO2等有害氣體。()(3)固體煤變?yōu)闅怏w燃料后，燃燒效率更低。()(4)地球上所有可利用的能源都直接或間接來自太陽。()(5)煤、石油、天然氣等化石燃料與太陽能無關(guān)。()(6)太陽能熱水器是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能。()(7)氫能是不可再生能源。()(8)氫能是一種無污染的綠色能源。()2．人類將在未來幾十年內(nèi)逐漸由“碳素燃料文明時代”過渡至“太陽能文明時代”(包括風能、生物質(zhì)能等太陽能的轉(zhuǎn)換形態(tài))，人們將適應“低碳經(jīng)濟”和“低碳生活”。下列說法不正確的是()A．研究菠菜蛋白質(zhì)“發(fā)電”不屬于“太陽能文明”B．發(fā)展太陽能經(jīng)濟有助于減緩溫室效應C．太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能D．石油和天然氣都屬于碳素燃料3．下列措施可以提高燃料燃燒效率的是()①提高燃料的著火點②降低燃料的著火點③將固體燃料粉碎④將液體燃料霧化處理⑤將煤進行氣化處理⑥通入適當過量的空氣A．①③④⑤ B．②③⑤⑥C．③④⑤⑥ D．①②③④4．將煤塊粉碎、經(jīng)脫硫處理、在適當過量的空氣中燃燒，這樣處理的目的是()①使煤充分燃燒，提高煤的利用率②減少SO2的產(chǎn)生，避免造成“酸雨”③減少有毒的CO產(chǎn)生，避免污染空氣④減少CO2的產(chǎn)生，避免“溫室效應”A．①②③B．②③④C．①③④D．①②③④5．氫氣是未來的“綠色能源”，科學家們最新研制出利用太陽能產(chǎn)生激光，再用激光使水分解制得氫氣的新技術(shù)，其中水的分解可以用化學方程式表示為2H2OTiO2,激光2H2↑＋O2↑。下列有關(guān)說法不正確的是()A.TiO2在反應中作氧化劑，且該反應不需任何其他條件就能進行B．水分解不產(chǎn)生污染物C．TiO2在反應中作催化劑D．該技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能6．新能源又稱非常規(guī)能源，指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質(zhì)能和核能等。下列有關(guān)新能源的說法不正確的是()A．新能源與化石能源相比最直接的好處就是造成的環(huán)境污染少B．利用晶體硅制作的太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)太陽能的利用C．氫能是一種清潔的二次能源?？捎秒娊馑茪涞姆椒ǐ@取大量氫氣實現(xiàn)能源的綠色化D．解決能源危機的方法是開源節(jié)流，即開發(fā)新能源和節(jié)約現(xiàn)有能源，提高原料的利用率課堂檢測——夯實·測控·演練1.環(huán)境保護是目前人類面臨的一項重大課題。為應對燃料使用造成的環(huán)境污染，科學家提出了利用太陽能促進燃料循環(huán)使用的構(gòu)想，其構(gòu)想可用如圖表示：其中過程Ⅰ的主要反應為①2CO2光=2CO＋O②2H2O光2H2↑＋O2↑，③2N2＋6H2O光=4NH3＋3O④2CO2＋4H2O光=2CH3OH＋3O⑤CO2＋2H2O光=CH4＋2O下列說法中不正確的是()A．過程Ⅱ中發(fā)生的反應均為放熱反應B．太陽能最終主要轉(zhuǎn)化為熱能C．經(jīng)過上述一個循環(huán)后放出O2D．實現(xiàn)上述循環(huán)，當前需要解決的關(guān)鍵問題是過程Ⅰ2．下列有關(guān)能量的說法不正確的是()A．化石能源物質(zhì)內(nèi)部貯存著大量的能量B．植物的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能C．由石墨制金剛石是吸熱反應，故石墨的能量比金剛石的能量低D．燃料燃燒時只是將化學能轉(zhuǎn)化為熱能3．下列說法正確的是()A．天然氣和石油都是有機化合物B．利用化石燃料燃燒放出的熱量使水分解產(chǎn)生氫氣，是氫能開發(fā)的研究方向C．植物光合作用是化學變化，并伴隨能量的轉(zhuǎn)化D．若化學過程中斷開化學鍵放出的能量大于形成化學鍵所吸收的能量，則反應放熱4．下列說法不正確的是()①化石燃料在任何條件下都能充分燃燒②化石燃料在燃燒過程中會產(chǎn)生污染環(huán)境的CO、SO2等有害氣體③直接燃燒煤不如將煤進行深加工后再燃燒的效率高④固體煤變?yōu)闅怏w燃料后燃燒效率更低A．①④B．②③④C．①②③D．①③④5．下列說法正確的是()A．若氫氣和氧氣化合是放熱反應，則水電解生成氫氣和氧氣是吸熱反應B．需要加熱才能進行的反應是吸熱反應C．反應放出的熱量的多少與反應物的質(zhì)量和狀態(tài)無關(guān)D．對放熱反應A＋B→C＋D，A、B的能量總和小于C、D的能量總和6．利用太陽能，使燃料循環(huán)使用有如下構(gòu)思和方案：①2CO2光能=2CO＋O②2H2O光能=2H2↑＋O③2N2＋6H2O光能=4NH3＋④CO2＋2H2O光能=CH4＋實現(xiàn)上述構(gòu)思和方案的關(guān)鍵是()A．如何使物質(zhì)吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)B．尋找催化劑C．利用光能D．利用綠色植物7．天然氣主要用途是作燃料，可制造炭黑，化學藥品和液化石油氣，由天然氣生產(chǎn)的丙烷、丁烷是現(xiàn)代工業(yè)的重要原料。天然氣的主要成分是甲烷(CH4)，甲烷燃燒時的能量變化如圖所示，已知1molH2O由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時放出44kJ的能量。請回答下列問題：(1)甲烷燃燒生成液態(tài)水的反應是________(填“放熱”或“吸熱”)反應。(2)8gCH4完全燃燒時生成氣態(tài)水的熱量變化是________kJ。8．城市使用的燃料，現(xiàn)大多為煤氣、液化石油氣。煤氣的主要成分是一氧化碳和氫氣的混合氣體，它由煤炭與水蒸氣反應制得，故又稱水煤氣。(1)試寫出制取水煤氣的主要反應的化學方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)液化石油氣的主要成分是丙烷，丙烷燃燒的熱化學方程式為C3H8(g)＋5O2(g)=3CO2(g)＋4H2O(l)ΔH＝-2220.0kJ·mol-1，已知CO氣體燃燒的熱化學方程式為CO(g)＋12O2(g)=CO2(g)ΔH＝-282.57kJ·mol-(3)已知氫氣燃燒的熱化學方程式為2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)ΔH＝－571.6kJ·mol－1，試比較同質(zhì)量的氫氣和丙烷燃燒，產(chǎn)生的熱量的比值約為________。(4)氫氣是未來的能源，除產(chǎn)生的熱量大之外，還具有的優(yōu)點是________________。第2課時燃料燃燒釋放的能量氫燃料的應用前景基礎知識新知預習一、1．(2)氫氣學而思提示：(1)C8H18>C2H5OH>CH4>C(2)CH4>C8H18>C>C2H5OH(3)kJ·g－1二、2．(1)葡萄糖(2)二氧化碳和水熱學而思提示：問題一太陽能光解水的過程中，主要能量轉(zhuǎn)化形式是太陽能轉(zhuǎn)化為化學能。問題二氫能的優(yōu)點是原料豐富，能量高；燃燒產(chǎn)物是水，無污染。缺點是制備氫氣的能耗高，氫氣的貯存和運輸不方便等。即時自測1．解析：(1)化石燃料充分燃燒的條件是燃料與空氣或氧氣要盡可能充分接觸，且空氣或氧氣要適當過量。(2)化石燃料含有碳、硫等元素，燃燒會產(chǎn)生CO、SO2等有害氣體。(3)固體煤變?yōu)闅怏w燃料后，接觸面積增大，燃燒更充分，燃燒效率更高。答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×(7)×(8)√2．解析：菠菜蛋白質(zhì)“發(fā)電”屬于“太陽能文明”，A錯誤；發(fā)展太陽能經(jīng)濟有助于減緩溫室效應，B正確；太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，C正確；石油和天然氣都屬于碳素燃料，D正確。答案：A3．解析：理論上，提高燃料燃燒效率的常用方法是增大燃料與空氣的接觸面積，并通入適當過量的空氣。對于①和②，由于燃料的著火點是其固有的性質(zhì)，不可改變，故這兩項措施不可行。③④⑤所采取的措施均是為了增大燃料與空氣的接觸面積。答案：C4．解析：將煤塊粉碎是為了提高煤的利用率；脫硫是為了減少SO2的產(chǎn)生；通入適當過量空氣是為了減少CO的產(chǎn)生。答案：A5．答案：A6．解析：新能源是清潔能源，造成的環(huán)境污染少，A正確；晶體硅可用來制作太陽能電池，太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，B正確；利用電解水的方法得到氫氣，此法需消耗大量電能，不能實現(xiàn)能源綠色化，C錯誤；解決能源危機的方法是開發(fā)新能源和節(jié)約現(xiàn)有能源，提高原料的利用率，D正確。答案：C課堂檢測1．答案：C2．答案：D3．答案：C4．解析：化石燃料充分燃燒的條件是燃料與空氣或氧氣要盡可能充分地接觸，且空氣或氧氣要適當過量，①錯誤；化石燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的CO、SO2等有害氣體會污染環(huán)境，