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2019-2020年高中化學(xué)魯科版選修2 主題1 課題1 空氣的分離教案 ●課標(biāo)要求 了解我國基本化工的生產(chǎn)資源、基本化工產(chǎn)品的主要種類和發(fā)展概況。 ●課標(biāo)解讀 1.了解空氣在化工生產(chǎn)中的重要應(yīng)用。 2．了解空氣分離的方法。 ●教學(xué)地位 本課時內(nèi)容涉及化工生產(chǎn)中的重要資源——空氣，是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，貫穿于多數(shù)的化工生產(chǎn)中，并且人類日常生活中也離不開空氣。 ●新課導(dǎo)入建議 人類離不開空氣，空氣是人類活動中的重要資源，在生活和生產(chǎn)中常用到空氣中的各種組分。如潛水員潛水用的氧氣、合成氨工業(yè)用的N2，醫(yī)療中病人需要輸氧、液氮在醫(yī)療中作為冷凍劑、燈泡中的填充氣(多舉生活、生產(chǎn)中的實例)。你知道空氣有哪些成分嗎？如何獲得各種組分？ ●教學(xué)流程設(shè)計 課前預(yù)習(xí)安排：看教材P1－5，填寫[課前自主導(dǎo)學(xué)]，并完成[思考交流]。?步驟1：導(dǎo)入新課， 本課時教學(xué)地位分析。?步驟2：建議對[思考交流]多提問，反饋學(xué)生預(yù)習(xí)效果。?步驟3：師生互動完成探究“空氣組分的分離”?？衫肹問題導(dǎo)思]①、②、③的設(shè)問作為主線。 ? 步驟6：指導(dǎo)學(xué)生自主總結(jié)本課時學(xué)習(xí)的主要知識，然后對照[課堂小結(jié)]。安排學(xué)生課下完成[課后知能檢測]。?步驟5：指導(dǎo)學(xué)生自主完成[變式訓(xùn)練]和[當(dāng)堂雙基達標(biāo)]1～5題，并驗證學(xué)生訓(xùn)練效果，做出點撥、指正。?步驟4：教師通過[例題]和教材P1－5講解研析，對“空氣組分的分離”中注意的問題進行總結(jié)。 課　標(biāo)　解　讀 重　點　難　點 1.知道深冷分離、變壓吸附分離和膜分離三種空氣分離方法的原理以及它們的適用范圍。 2.了解蒸餾和精餾的原理以及它們之間的區(qū)別和聯(lián)系，了解吸附作用的原理。 3.理解空氣各組分的物理性質(zhì)與所采用的分離方法的關(guān)系。 4.認識空氣作為一種資源的重要性以及分離技術(shù)對開發(fā)和利用資源的意義。 1.空氣的成分及在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用。(重點) 2.空氣的分離方法及原理。(難點) 3.空氣分離原理與空氣各組分性質(zhì)的關(guān)系。(重難點) 空氣是氧氣、氮氣、二氧化碳、稀有氣體等組成的混合物。煉鋼和金屬焊接需要氧氣，合成氨需要氮氣，而稀有氣體常用做保護氣及各種燈泡的填充氣。 1．稀有氣體常用做保護氣和燈泡填充氣，這是利用氣體的什么性質(zhì)？ 【提示】　穩(wěn)定性。 如何將空氣的各組分分離開 1.深冷分離 (1)定義：先將空氣降溫、加壓液化后，再將液態(tài)空氣升溫，根據(jù)空氣中各種組分的沸點不同進行精餾分離。 (2)空氣液化的方法：先加壓再進行熱交換，最后進行節(jié)流膨脹。 (3)分離液態(tài)空氣的方法——精餾 精餾也叫分餾，是在一個設(shè)備內(nèi)同時進行多次部分汽化和部分冷凝來分離液態(tài)混合物的方法。 2．變壓吸附 (1)原理：沸石分子篩和炭分子篩具有巨大的內(nèi)表面積，吸附性能很強，且具有較高的選擇性，從而得到富氧空氣。 (2)過程：加壓吸附和減壓解吸。 (3)優(yōu)點：比深冷分離法能耗低，設(shè)備簡單。 3．膜分離 (1)定義：利用具有選擇透過性能的薄膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種新的分離方法。 (2)優(yōu)點：過程簡單，設(shè)備費用低，能耗少等。 2．液態(tài)空氣精餾時，沸點高的組分先揮發(fā)出來還是沸點低的組分先揮發(fā)出來？ 【提示】　隨著溫度的升高，沸點低的組分先達到沸點而揮發(fā)出來。 空氣組分的分離 【問題導(dǎo)思】　 ①分離空氣常用的方法有哪些？ 【提示】　a．深冷分離法；b.變壓吸附分離法；c.膜分離法。 ②精餾液態(tài)空氣時，先獲得液氮(沸點：－196 ℃)還是液氧(沸點：－183 ℃)? 【提示】　沸點低的液氮先分離出來。 ③當(dāng)空氣通過膜分離裝置時，氧分子能透過膜而氮分子不能透過膜，說明哪種氣體分子的直徑更大一些？ 【提示】　直徑大的氣體分子不能透過膜，故分子直徑：N2>O2。 1．深冷分離 (1)定義：深冷分離是先將空氣降溫、加壓液化，再將液態(tài)空氣升溫，根據(jù)空氣中各組分的沸點不同進行精餾分離。 (2)方法 2．變壓吸附分離 將加壓的空氣通過分子篩，氮氣和氧氣因分別被吸附而分離開來，再把被吸附的氣體從分子篩中解吸出來的分離方法稱為變壓吸附。 3．膜分離 膜分離是利用特殊制造的、具有選擇透過性能的薄膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種新的分離方式。 　下列分離物質(zhì)的方法中，不是根據(jù)粒子大小進行分離的是(　　) A．滲析　　　　　　　 B．過濾 C．分餾 D．膜分離 【解析】　A項，滲析是根據(jù)膠體粒子直徑和溶液中分子、離子直徑不同，將溶液中溶質(zhì)與膠粒分離開的方法；B項，過濾是根據(jù)濁液中分散質(zhì)直徑和溶液中分散質(zhì)直徑不同，將二者分離的方法；C項，分餾是利用混合物中各組分沸點不同，將各組分分離的方法；D項，膜分離是利用O2和N2分子大小不同使二者分離的方法。 【答案】　C 在壓強為1.01105Pa時液態(tài)氮的沸點是－196 ℃，液態(tài)氧的沸點是－183 ℃，液態(tài)氦的沸點是－269 ℃。采用深冷分離法從空氣中分離這3種氣體時，隨溫度升高它們逸出的先后順序是(　　) A．氦氣、氮氣、氧氣 B．氧氣、氮氣、氦氣 C．氮氣、氧氣、氦氣 D．氧氣、氦氣、氮氣 【解析】　采用深冷分離空氣時，隨溫度升高，沸點低的氣體先逸出。 【答案】　A 【教師備課資源】 可怕的氡 氡是最近幾年進行室內(nèi)監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)的最驚人的污染物。氡本身并不危險，但是它的帶電裂變產(chǎn)物可附在灰塵上，這些塵粒進入肺后會形成極其危險的內(nèi)輻射，這種近距離輻射對細胞的破壞十分厲害。氡是從磚塊、混凝土、土壤和水中散發(fā)出來的，在普通住宅里測得的氡含量比戶外高好幾倍；有人在浴室里測到，噴淋龍頭放水15分鐘后，氡在空氣中的含量增加了25%。 1．空氣的4種成分：O2、N2、CO2、稀有氣體。 2．空氣的3種分離方法：深冷分離、變壓吸附、 膜分離。 1．下列各項不屬于我國城市空氣質(zhì)量報告內(nèi)容的是 (　　) A．SO2　　　B．CO2　　　C．NO2　　　D．PM10 【解析】　該題是常識性問題。CO2不屬于城市空氣質(zhì)量報告內(nèi)容。 【答案】　B 2．下列說法錯誤的是(　　) A．空氣是氧氣、氮氣、二氧化碳、稀有氣體等組成的混合物 B．空氣中的氮氣可用于合成氨、稀有氣體常用做保護氣及各種燈泡的填充氣 C．在深冷分離中，液態(tài)空氣精餾是利用空氣中各組分的沸點不同進行分離 D．膜分離是利用分子篩對空氣進行分離，從而制得富氧空氣 【解析】　膜分離是利用特制的、具有選擇透過性能的薄膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種方法。 【答案】　D 3．(雙選)下列操作利用吸附作用分離的是(　　) A．深冷分離 B．變壓吸附 C．活性炭除去毒氣 D．膜分離 【解析】　深冷分離是根據(jù)各組分的沸點不同進行精餾分離；變壓吸附是利用分子篩具有較大的內(nèi)表面積，吸附性能很強的特點，進行加壓吸附和減壓解吸的分離方法；活性炭也是具有較大表面積；膜分離是利用具有透過性能的薄膜進行分離的方法。 【答案】　BC 4．下列關(guān)于空氣分離的敘述中，不正確的是(　　) A．深冷分離法分離空氣時，使空氣溫度降低的方法是先加壓，再進行熱交換，最后進行節(jié)流膨脹 B．變壓吸附法是由在生產(chǎn)中加壓吸附和減壓解吸交替操作而得名 C．膜分離法所使用的薄膜不需要具有特殊的性質(zhì) D．分離技術(shù)伴隨著生產(chǎn)力的發(fā)展、科學(xué)的進步，從低級到高級不斷地改進、創(chuàng)新 【解析】　膜分離法使用的薄膜具有選擇透過性能。 【答案】　C 5．空氣液化和各組分分離流程圖： 【答案】　熱交換　氣態(tài)　蒸餾　精餾 1．氮氣是空氣的主要組成部分。因此有科學(xué)家根據(jù)蒸汽機的原理，設(shè)計制造出了液氮蒸汽機，即利用液態(tài)氮的蒸發(fā)來驅(qū)動機車，從而達到環(huán)境保護的目的。其原理是(　　) A．N2在空氣中燃燒放熱 B．N2與H2反應(yīng)放熱 C．N2在空氣中約占78%(體積分數(shù)) D．液態(tài)氮的沸點為－196 C，遠低于常溫 【解析】　根據(jù)深冷分離空氣的基本原理，液氮在常溫常壓下，由液態(tài)汽化為氣體，體積膨脹做功。故答案為D。 【答案】　D 2．(xx南京高二質(zhì)檢)當(dāng)液態(tài)空氣溫度升高達到剛沸騰時，在蒸發(fā)出的氣體中(　　) A．基本上不含氧氣 B．氮氣占體積的78% C．基本上不含氮氣 D．氮氣含量稍高于體積的78% 【解析】　由于氧氣的沸點比氮氣高，當(dāng)液態(tài)的空氣溫度升高達到剛沸騰時，首先蒸發(fā)出來的氣體是氮氣，所以基本上不含氧氣。工業(yè)上用分離液態(tài)空氣的方法制氧氣，就是根據(jù)空氣中各組分的沸點不同進行精餾分離的。 【答案】　A 3．采用深冷分離液態(tài)空氣時，先逸出稀有氣體的原因是(　　) A．稀有氣體性質(zhì)不活潑 B．在空氣中含量最少 C．分子直徑最小 D．沸點最低 【解析】　深冷分離空氣是利用空氣各組分沸點不同而分離的方法。 【答案】　D 4．在下列物質(zhì)的應(yīng)用中，屬于利用物質(zhì)的吸附性的是(　　) ①氫氧化鋁膠體用于凈水?、跓o水硫酸銅用作干燥劑?、勰咎坑糜诠I(yè)制糖中的脫色?、芩穆然加糜谔崛′逅械匿? A．①②③　　　　　　　B．①③ C．②③ D．①②③④ 【解析】　無水硫酸銅用作干燥劑的原理是硫酸銅跟水發(fā)生化合反應(yīng)。四氯化碳用于提取溴水中的溴是利用了溴在四氯化碳中的溶解性。 【答案】　B 5．下列說法中不正確的是(　　) A．膜分離可應(yīng)用于化工、石油、燃料等工業(yè)中回收各種氣體 B．當(dāng)空氣通過膜分離裝置時，氧分子能透過膜，而氮分子不能透過膜 C．膜分離法制備的富氧空氣含氧量在25%～40%之間 D．膜分離法分離過程復(fù)雜，設(shè)備費用高，耗能多 【答案】　D 6．下列操作原理與滲析原理相同的是(　　) A．深冷分離　　　　　　B．變壓吸附 C．蒸餾和精餾 D．膜分離 【解析】　滲析、膜分離原理均是利用粒子直徑大小而進行分離、提純的方法。 【答案】　D 7．(雙選)下列說法中正確的是(　　) A．深冷分離法是大規(guī)模生產(chǎn)高純度氧氣、氮氣等氣體的方法，并且能耗小，生產(chǎn)成本較低 B．空氣的成分自古至今都是不變的 C．在絕熱的條件下，將空氣加壓通過節(jié)流閥后突然膨脹，叫做節(jié)流膨脹 D．精餾也叫分餾，是在一個設(shè)備內(nèi)同時進行多次部分汽化和部分冷凝來分離液態(tài)混合物的方法 【解析】　A項，深冷分離法能耗大；B項，空氣的成分受人類活動的影響。 【答案】　CD 8．下列關(guān)于膜分離技術(shù)的說法中，不正確的是(　　) A．膜分離所使用的薄膜必須具有使某些物質(zhì)可以通過，另一些物質(zhì)不能通過的特性 B．膜分離法制備富氧空氣是利用空氣透過氣體分離膜時，由于氧氣和氮氣透過的能力不同而使二者分離的方法 C．膜分離技術(shù)制備的富氧空氣的含氧量在35%左右 D．膜分離技術(shù)只能用于空氣的分離 【解析】　膜分離技術(shù)也可以用于其他混合物的分離，如氯堿工業(yè)中使用的陽離子膜。 【答案】　D 9．正常情況下，大氣中含有約78%的N2,21%的O2，還含有少量的CO2、水蒸氣以及稀有氣體和雜質(zhì)。如果大氣中二氧化碳的含量明顯增加，就會引起“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致全球變暖。 (1)二氧化碳是共價化合物，它的電子式可表示為________________。 (2)實驗室中檢驗CO2氣體最方便的方法是將CO2氣體通入飽和的澄清石灰水中，產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象是________，相應(yīng)的反應(yīng)方程式為________________________________________________________________________。 (3)在宇宙飛船和太空站上工作的宇航員，在密閉的工作艙內(nèi)需要吸入氧氣，呼出CO2，飛船內(nèi)可以使用一種物質(zhì)，它能吸收CO2，并產(chǎn)生氧氣，該物質(zhì)是________，其反應(yīng)方程式為________________________________________________________________________。 【答案】　(1)C　(2)產(chǎn)生白色沉淀(或白色渾濁) Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O (3)Na2O2　2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2 10．(1)圖瓦盧是由多個珊瑚礁形成的島國。由于大氣中CO2含量的劇增，大量珊瑚礁(主要成分是碳酸鈣)被海水侵蝕，其原因是(用化學(xué)方程式表示)：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)溫室效應(yīng)導(dǎo)致海平面上升，引起溫室效應(yīng)的人為原因主要是：_______________________________________________。 (3)為了控制溫室效應(yīng)。各國科學(xué)家提出了不少方法和設(shè)想。有人根據(jù)液態(tài)CO2密度大于海水密度的事實，設(shè)想將CO2液化后，送入深海海底。以減小大氣中CO2的濃度。為使CO2液化，可采用的措施是________。 A．減壓、升溫　　　　　　　B．增壓、升溫 C．減壓、降溫 D．增壓、降溫 (4)科學(xué)家致力于二氧化碳的“組合轉(zhuǎn)化”技術(shù)研究，把過多的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有益于人類的物質(zhì)。如將CO2和H2以1∶4的比例混合，通入反應(yīng)器。在適當(dāng)?shù)臈l件下即反應(yīng)，可獲得一種重要的能源。請完成以下化學(xué)方程式：CO2＋4H2―→(　　)＋2H2O 若將CO2與H2混合，在一定條件下以1∶3的比例發(fā)生反應(yīng)，生成某種重要的化工原料和水。該化工原料可能是________。 A．烷烴 B．烯烴 C．炔烴 D．芳香烴 (5)快速、有效地減緩大氣中CO2大量增加的生態(tài)學(xué)措施是________。 A．使用天然氣等燃料 B．控制全球人口增長 C．植樹造林，保護森林 D．立即減少煤和石油的燃燒 【答案】　(1)CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2 (2)大量化石燃料(煤、石油、天然氣)的燃燒 (3)D　(4)CH4　B　(5)C 11．下面是關(guān)于汽車燃料及其燃燒產(chǎn)物性質(zhì)的問題。 (1)如圖對三種不同類型汽車(以序號①、②、③表示)的廢氣排放情況進行了比較。這三種汽車分別是以汽油為燃料的汽車、以天然氣(主要成分是甲烷)為燃料的汽車和電動汽車。請判斷其中序號為①的是________汽車，序號為③的是________汽車。(以下為廢氣成分) 碳氫化合物　一氧化碳(CO)　氮氧化物(NOx)　二氧化碳(CO2) (2)下圖為一定量飽和Ca(OH)2溶液中通入二氧化碳氣體后，產(chǎn)生CaCO3白色沉淀的質(zhì)量與二氧化碳體積之間的關(guān)系曲線。試回答： OA段曲線和AB段曲線所表示的反應(yīng)方程式是 OA：________________________________________________________________________ AB：________________________________________________________________________ A點時已參加反應(yīng)的CO2和Ca(OH)2的物質(zhì)的量之比為________。 B處溶液中存在的濃度較大的兩種離子是________和________。(填離子符號) 將B處生成的溶液煮沸，可見到的現(xiàn)象是________。 【解析】　(1)燃料燃燒越不充分，產(chǎn)生的廢氣就越多。由于含碳量：汽油>天然氣，故汽油不如天然氣燃燒充分。 (2)OA表示CaCO3沉淀量隨通入CO2的量增加而增加；AB表示CaCO3不斷溶解；A點表示CO2與Ca(OH)2完全反應(yīng)，且沉淀量最大，即n(CO2)∶n[Ca(OH)2]＝1∶1；B處為Ca(HCO3)2溶液，Ca(HCO3)2受熱易分解：Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O。 【答案】　(1)電動　以汽油為燃料的　(2)Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O　CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2　1∶1　Ca2＋　HCO　生成白色沉淀 12．航天飛行器座艙內(nèi)空氣更新過程如圖所示： (1)Ⅱ是CO2和H2的反應(yīng)裝置，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________________________________________________________ (2)從裝置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可看出O2的來源是CO2和H2O，宇航員每天消耗28 mol O2，呼出23 mol CO2，則宇航員每天呼出的氣體中含H2O________mol。 (3)以下是另一種將CO2轉(zhuǎn)化為O2的實驗設(shè)想，其中，由MgCl26H2O制取無水MgCl2的部分裝置(鐵架臺、酒精燈已略)如下： CO2MgOH2OH2＋O2HClMgCl26H2OMgCl2Mg＋Cl2C 　①下圖是制取無水MgCl2的裝置，裝置a由________、________、雙孔塞和導(dǎo)管組成 ②循環(huán)物質(zhì)甲的名稱是________。 ③制取無水氯化鎂必須在氯化氫存在的條件下進行，原因是_____________________________________________________。 ④裝置b中填充的物質(zhì)可能是________(填入編號) e．硅膠　f．堿石灰　g．無水氯化鈣　h．濃硫酸 ⑤設(shè)計d裝置要注意防止倒吸，請在方框中畫出d裝置的簡圖，并要求與裝置c的出口處相連(鐵架臺不必畫出)。 【解析】　(1)由Ⅱ裝置進出氣體成分可知反應(yīng)物為CO2和H2，產(chǎn)物為C和H2O。 (2)由裝置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可知：n(O2)＝n(CO2)＋n(H2O)(據(jù)氧原子守恒)，可得：n(H2O)＝(28 mol－23 mol)2＝10 mol。 (3)①考查儀器的名稱；②可由制備無水MgCl2的反應(yīng)流程判斷循環(huán)物質(zhì)為HCl；③MgCl2溶液受熱時，Mg2＋水解；④b裝置作用是除去HCl中水分，且為固體干燥劑。 【答案】　(1)2H2＋CO2===2H2O＋C　(2)10　(3)①分液漏斗　圓底燒瓶?、邴}酸　③抑制水解?、躤g ⑤見圖