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2019-2020年高中化學專題2化學反應與能量變化第四單元太陽能生物質能和氫能的利用教學案蘇教版必修2 知識條目 必考要求 加試要求 1.太陽能開發(fā)利用的途徑和方式 a a 2.生物質能的利用途徑 a a 3.氫能的優(yōu)點、開發(fā)與利用，了解化石燃料的不可再生性及其給環(huán)境帶來的問題 a a 能力要求 1.知道能源的分類。2.認識開發(fā)利用清潔高效新能源的重要意義。 1．下圖是太陽能的轉化關系圖 觀察分析上圖，回答下列問題： (1)地球上最根本的能源是太陽能，太陽能可以轉化為各種不同的能量，如熱能、風能、生物質能等。自然界中利用太陽能最重要也是最成功的途徑是植物的光合作用。 (2)目前，世界所需的能源大多來自于石油、煤、天然氣，它們是由遠古生物掩埋在地下深處歷經幾百萬年演變所形成的。 (3)在太陽光作用下，植物體內的葉綠素把水、二氧化碳轉化為葡萄糖，進而生成淀粉、纖維素，把光能轉化為化學能，動物攝入體內的淀粉、纖維素能水解轉化為葡萄糖，葡萄糖氧化生成水和二氧化碳，釋放出熱量，供給生命活動的需要。 2．閱讀教材內容，回答下列問題： (1)直接利用太陽能的方式有哪些？ 答案　直接利用太陽輻射能，基本方式有： ①光—熱轉換，如太陽能熱水器等； ②光—電轉換，如太陽能電池等； ③光—化學能轉換； ④光—生物質能轉換。 (2)舉例說明太陽能可間接轉化為機械能、電能或化學能。 答案　①太陽能間接轉化為機械能和電能。如太陽輻射能使地表水分蒸發(fā)形成云雨，匯成江、河，上游的水位提高，形成落差，推動水輪機發(fā)電。 ②太陽能間接轉化為化學能。如礦物燃料由遠古時代的生物質能轉化而來，歸根到底是由太陽能轉化而來。 1.人類生命活動使用的能量主要來源于太陽能 2．被廣泛開發(fā)利用的理想能源——太陽能 (1)數量巨大；(2)時間長久；(3)普照大地；(4)清潔安全。 1．下列有關太陽能的說法不正確的是(　　) A．太陽能以光波形式傳送到地面 B．化石燃料蘊藏的能源來自太陽能 C．太陽能是潔凈能源，不污染環(huán)境 D．食用植物體內的淀粉、蛋白質等屬直接利用太陽能 答案　D 2．下列能源物質中不是源于太陽能的是(　　) A．煤炭B．水能C．地熱能D．沼氣 答案　C 解析　煤炭是遠古植物吸收太陽能固定下來的能量，是儲存在地殼中的“太陽能”；水能是地球上的水經過植物的光合作用、新陳代謝等生命活動推動了地球上水的循環(huán)，所以水能是間接的來自于太陽能；沼氣是植物吸收太陽能轉化成化學能，儲存在植物體內，經過細菌的腐化而產生的，也是太陽能的轉換。 二、生物質能的利用 1．閱讀教材回答：生物質能的來源是什么？你所熟悉的生物質有哪些？ 答案　生物質能來源于植物及其加工產品所儲存的能量。 生物質包括農業(yè)廢棄物(如植物的秸稈、枝葉)、水生植物、油料植物、城市與工業(yè)有機廢棄物、動物糞便等。 2．舉例說明生物質能利用的方式主要有哪幾種？ 答案　生物質能利用的方式主要有三種： (1)直接燃燒——燃燒植物枝葉獲得熱量： (C6H10O5)n＋6nO26nCO2＋5nH2O (2)生物化學轉換——用淀粉制取燃料乙醇 (C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6 C6H12O62CH3CH2OH＋2CO2↑ (3)熱化學轉換——生物質隔絕空氣加強熱產生可燃氣體 3．現代垃圾處理廠是把大量生活垃圾中的生物質能轉化為熱能、電能。 　生物質能的優(yōu)點及利用方式 (1)生物質能具有可再生、儲量大、污染低等優(yōu)點。 (2)生物質能利用的方式有①直接燃燒；②生物化學轉換；③熱化學轉換。 3．植物及其廢棄物可制成乙醇燃料，下列關于乙醇燃料的說法錯誤的是(　　) A．它是一種可再生能源 B．乙醇易燃燒，污染小 C．乙醇只能在實驗室內作燃料 D．糧食作物是制乙醇的重要原料 答案　C 解析　糧食作物經過發(fā)酵可制得乙醇，所以A、D正確；乙醇燃燒生成二氧化碳和水，污染小，所以B正確；乙醇也可用作汽車的燃料，所以C錯誤。 4．能源與人類的生活和社會發(fā)展密切相關。下列關于能源開發(fā)和利用的說法正確的是(　　) A．用糧食發(fā)酵得到酒精代替汽油作汽車燃料 B．隨著科技的發(fā)展，氫氣將會成為主要能源 C．在農村不提倡利用沼氣作生活燃料 D．人類利用的能源都是通過化學反應獲得的 答案　B 解析　用糧食發(fā)酵得到酒精會大量消耗糧食，不符合我國糧食安全的國情，A錯；在農村提倡利用沼氣作生活燃料，C錯；人類利用的能源有的是通過化學反應獲得的，有的是自然界提供的，如水能、風能等，D錯。 三、氫能的開發(fā)和利用 1．通過初中化學的學習，氫能為什么是最好的新型能源？ 答案　氫能的三大優(yōu)點：(1)熱值高；(2)來源廣；(3)無污染。 2．氫能是一種理想的、極有前途的二次能源，它被人們視為理想的“綠色能源”?，F在有多少種氫能的開發(fā)方式？這些方式有哪些優(yōu)點和缺點？ 答案　目前人類制取氫氣的方法有： (1)以天然氣、石油和煤為原料，在高溫下與水蒸氣反應或用部分氧化法制氫氣。此法消耗大量不可再生的能源。 (2)電解水制氫氣。該方法制備氫氣的條件比較簡單，對環(huán)境也不會造成污染，但用該方法來制備氫氣需要消耗大量的電能，生產成本太高。 (3)在光分解催化劑存在下，在特定的裝置中，利用太陽能分解水制氫氣。 3．舉例說明氫能的利用有哪些途徑？ 答案　(1)氫氣燃燒放熱(如以液態(tài)氫作為火箭的燃料)；(2)用高壓氫氣、氧氣制作氫氧燃料電池；(3)利用氫的熱核反應釋放的核能(如氫彈)。 　氫能的開發(fā)利用及其優(yōu)點 (1)氫能具有熱值高、無污染、來源廣等優(yōu)點。 (2)氫能開發(fā)利用的關鍵問題是 ①低成本制備H2(關鍵是尋找有效的催化劑)； ②H2的貯存運輸(貯氫材料的研制應用)。 5．綠色能源是指使用過程中不排放或排放極少污染物的能源，如一級能源中的水能、地熱能、天然氣等；二級能源中的電能、氫能等。下列能源屬于綠色能源的是(　　) ①太陽能　②風能?、凼汀、苊骸、莩毕堋、弈静? A．①②③ B．③④⑤ C．④⑤⑥ D．①②⑤ 答案　D 6．冰島火山爆發(fā)再一次向人類敲響了警鐘，必須發(fā)展“低碳經濟”。氫能是一種既高效又干凈的新能源，發(fā)展前景良好，用氫作能源的燃料電池汽車備受青睞。下列不是氫能優(yōu)點的是(　　) A．原料來源廣 B．易燃燒，放出熱量多 C．生成物無污染 D．制取H2簡單易行 答案　D 解析　工業(yè)上制取H2的原料是H2O，來源廣，A正確；H2易燃燒且等質量物質中放出的熱量較多，產物為H2O，無污染，B、C正確；工業(yè)上利用水制取H2需消耗大量能量且效率低，D錯。 1．能量的轉化 2．能源的分類 1．“能源分類相關圖”如下圖所示，四組能源選項中全部符合圖中陰影部分的能源是(　　) A．煤炭、石油、潮汐能 B．水能、生物能、天然氣 C．太陽能、風能、沼氣 D．地熱能、海洋能、核能 答案　C 解析　A項，煤炭、石油不是新能源，也不是可再生能源；B項，天然氣不是新能源，也不是可再生能源；D項，地熱能是來自地球內部的能源，核能不是可再生能源，也不是來自太陽的能源。 2．下列說法正確的是(　　) A．煤是無機化合物，天然氣和石油是有機化合物 B．利用化石燃料燃燒放出的熱量使水分解產生氫氣，是氫能開發(fā)的研究方向 C．化學電源放電、植物光合作用都發(fā)生化學變化，并伴隨能量的轉化 D．若反應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 答案　C 解析　煤、天然氣和石油均是混合物，A項錯誤；氫能開發(fā)的研究方向應該是利用太陽能使水分解產生氫氣，B項錯誤；化學電源放電、植物光合作用都發(fā)生化學變化，化學電源放電為化學能轉化為電能，而植物光合作用則是光能轉化為化學能，C項正確；斷開化學鍵需要吸收能量，而形成化學鍵則放出能量，D項錯誤。 3．據報道，某國一集團擬在太空建造巨大的集光裝置，把太陽光變成激光用于分解海水制氫：2H2O2H2↑＋O2↑。下列說法正確的是(　　) ①水的分解反應是放熱反應?、跉錃馐且淮文茉础、凼褂脷錃庾魅剂嫌兄诳刂茰厥倚、苋粲蒙傻臍錃馀c空氣中多余的二氧化碳反應生成甲醇儲存起來，可以改善生存環(huán)境 A．①④B．②③C．③④D．①② 答案　C 解析?、僦兴姆纸夥磻俏鼰岱磻?；②中在自然界中氫氣無法直接取得，是二次能源；③中氫氣的燃燒產物是水，化石燃料燃燒會產生二氧化碳，所以氫氣作燃料有助于控制溫室效應；④中生成的氫氣與空氣中多余的二氧化碳反應生成甲醇，則可以對二氧化碳進行循環(huán)利用。 4．根據“綠色化學”的思想，某化學家設計了下列化學反應步驟： ①CaBr2＋H2O―→CaO＋2HBr ②2HBr＋Hg―→HgBr2＋H2↑ ③HgBr2＋CaO―→HgO＋CaBr2 ④2HgO―→2Hg＋O2↑ 該方案的目的是制備(　　) A．HBrB．CaOC．H2D．Hg 答案　C 解析　根據“綠色化學”的思想，反應要提高原子利用率，最終產品應該是環(huán)境友好型產品。將化學方程式①2＋②2＋③2＋④得：2H2O===2H2↑＋O2↑。 5．能源是現代文明的原動力，通過化學方法可以使能量按人們所期望的形式轉化，從而開辟新能源和提高能源的利用率。 (1)氫氣在燃燒時，放出大量熱量，說明該反應是________熱反應，這是由于反應物的總能量________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)生成物的總能量；從化學反應的本質角度來看，是由于斷裂反應物中的化學鍵吸收的總能量________形成生成物中的化學鍵放出的總能量。 (2)氫氣被公認為是21世紀代替礦物燃料的理想能源，2g氫氣燃燒時放出286kJ熱量，而每千克汽油燃燒放出的熱量為46000kJ。試據此分析氫氣作為能源代替汽油的優(yōu)勢：________________________________________________________________________。 答案　(1)放　大于　小于　(2)清潔能源，燃燒后無污染環(huán)境的物質生成；單位質量放出的熱量多 解析　(1)燃燒反應都是放熱反應，所以氫氣的燃燒反應是放熱反應，根據能量守恒定律，放熱反應是反應物的總能量大于生成物的總能量；化學反應的本質是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成，放熱反應的本質是斷裂反應物中的化學鍵吸收的總能量小于形成生成物中的化學鍵放出的總能量。(2)2 g氫氣燃燒時放出286 kJ熱量，所以1 000 g氫氣燃燒放出143 000 kJ的熱量，約是每千克汽油燃燒放出熱量的3倍，且氫氣燃燒的產物是水，對環(huán)境無污染。 [基礎過關] 題組一　太陽能的利用 1．下列有關太陽能的利用方式以及列舉的實例錯誤的是(　　) A．太陽能電池是一種光—電轉換形式 B．太陽能熱水器是一種光—熱轉換形式 C．綠色植物進行的光合作用，是一種光—生物質能轉換，它的本質是光—化學能轉換 D．風能是空氣流動形成的，與太陽能無關 答案　D 解析　光—電轉換、光—熱轉換、光—化學能轉換和光—生物質能轉換是太陽能利用的基本方式。它們都是把光能轉換成其他形式的能量的過程。風能形成的本質原因是太陽輻射使空氣受熱不均造成的，D項錯誤。 2．人工光合作用能夠借助太陽能，用CO2和H2O制備化學原料。下圖是通過人工光合作用制備HCOOH的原理示意圖，下列說法不正確的是(　　) A．該過程是將太陽能轉化為化學能的過程 B．催化劑a表面發(fā)生氧化反應，有O2產生 C．催化劑a附近酸性減弱，催化劑b附近酸性增強 D．催化劑b表面的反應是CO2＋2H＋＋2e－===HCOOH 答案　C 解析　由CO2和HCOOH中碳元素的化合價變化可知，CO2應該在正極放電形成HCOOH，由圖示裝置電子移動的方向可確定b為正極，a為負極。催化劑a表面：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，所以答案選C。 3．(xx寧波市期中)下列說法不正確的是(　　) A．化石燃料蘊藏的能量來自遠古時期生物體所吸收利用的太陽能 B．光—熱轉化是目前技術最成熟、成本最低廉、應用最廣泛的利用太陽能形式 C．氫氣之所以被稱為“綠色能源”是因為它燃燒的產物不會污染環(huán)境 D．人類利用的能源都是通過化學反應獲得的 答案　D 解析　利用的能源有的通過化學反應得到，有的能源不通過化學反應也可得到，故D錯誤。 題組二　生物質能的利用 4．下列有關生物質能的說法不正確的是(　　) A．生物質能是可再生能源 B．生物質能來源于太陽能 C．焚燒生活垃圾發(fā)電是將生物質能直接轉化為電能 D．玉米、高粱發(fā)酵制乙醇是生物質能轉化為化學能 答案　C 解析　生物質能來源于植物及其加工產品所貯存的能量，生物質能最終利用的結果：除釋放能量外，產生無污染的CO2和H2O，通過植物的光合作用，重新將太陽能轉化為生物質能，因此生物質能是可再生的新能源，A正確；光－生物質能的轉化本質是光－化學能的轉換，B正確；焚燒生活垃圾發(fā)電的能量轉化過程是生物質能―→熱能―→電能，C不正確；含淀粉較高的農作物發(fā)酵制燃料乙醇是生物質能轉化為化學能，D正確。 5．“地溝油”被稱為“生物燃料”，該燃料屬于生物質能。已知生物質的主要轉化途徑及主要產物如下圖所示。則下列關于生物燃料以及生物質能的說法中正確的是(　　) ①生物燃料本質上能量來源于太陽能?、谟衫w維素水解獲得的乙醇屬于生物質能?、凵镔|裂解獲得的汽油、柴油等屬于純凈物?、苡芍参锝斩挼劝l(fā)酵獲得的沼氣，主要成分是甲烷?、萆镔|資源是一種污染小的可再生能源 A．①②③④⑤ B．①②④⑤ C．③④⑤ D．①②③④ 答案　B 解析　汽油、柴油均是多種烴的混合物。 題組三　氫能的開發(fā)與利用 6．H2是一種很有前途的能源，以水為原料大量制取H2，最理想的途徑是(　　) A．利用太陽能直接使水分解為H2 B．以焦炭和水為原料制水煤氣后再分離出H2 C．以赤熱的Fe和水反應生成H2 D．由熱電廠提供電能，利用直流電電解水產生H2 答案　A 解析　B項，C＋H2O(g)CO＋H2；C項，3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2；D項，2H2O2H2↑＋O2↑，B、C、D三項都要消耗傳統(tǒng)能源；而A項中太陽能是已被人們使用的新能源，與傳統(tǒng)能源相比較，太陽能的優(yōu)點很多，而且是一般傳統(tǒng)能源無法比擬的。 7．科學家最近研究出一種環(huán)保、安全的儲氫方法，其原理可表示為NaHCO3＋H2HCOONa＋H2O。下列有關說法正確的是(　　) A．儲氫、釋氫過程均無能量變化 B．儲氫過程中，NaHCO3被氧化 C．NaHCO3、HCOONa均含有離子鍵和共價鍵 D．釋氫過程中，每消耗0.1molH2O放出2.24L的H2 答案　C 解析　儲氫、釋氫過程均存在能量變化，A不正確；儲氫過程中，NaHCO3被H2還原，B不正確；NaHCO3中Na＋與HCO之間存在離子鍵，HCO中存在共價鍵，HCOONa中Na＋與HCOO－之間存在離子鍵，HCOO－中存在共價鍵，C正確；釋氫過程中，每消耗0.1molH2O放出0.1molH2，但沒說明狀態(tài)，無法知道其體積，D不正確。 8．為消除目前燃料燃燒時產生的環(huán)境污染，同時緩解能源危機，有關專家提出了利用太陽能制取氫能的構想。 下列說法正確的是(　　) A．H2O的分解反應是放熱反應 B．氫能源已被普遍使用 C．2molH2O具有的總能量低于2molH2和1molO2具有的總能量 D．氫氣不易貯存和運輸，無開發(fā)利用價值 答案　C 解析　2H2O===2H2↑＋O2↑是吸熱反應，說明2molH2O的能量低于2molH2和1molO2的能量。因由水制取H2耗能多且H2不易貯存和運輸，所以氫能源利用并未普及，但發(fā)展前景廣闊。 題組四　能源的轉化與利用以及環(huán)境問題 9．出行是人們日常生活必不可少的環(huán)節(jié)，出行的工具五花八門，使用的能量也各不相同。自行車、電動自行車、普通汽車消耗能量的類型分別是(　　) ①生物質能?、诤四堋、垭娔堋、芴柲堋、莼瘜W能 A．①④⑤ B．①③⑤ C．①②③ D．①③④ 答案　B 解析　騎自行車是消耗人體內的能量做功，是生物質能；電動自行車是將電能轉化為機械能；普通汽車是通過燃燒汽油而轉化為機械能。 10．有專家指出，如果利用太陽能使燃燒產物如CO2、H2O、N2等重新組合，那么，不僅可以消除對大氣的污染，還可以節(jié)約燃料，緩解能源危機。觀察下面圖示，判斷在此構想的物質循環(huán)中，太陽能最終轉化為(　　) A．化學能 B．熱能 C．生物質能 D．電能 答案　B 解析　理解圖示的轉化關系便可順利解題。關鍵信息是利用太陽能使CO2、H2O、N2等重新組合，根據圖示可知燃料燃燒后轉化為燃燒產物并放出熱量，燃燒產物又結合太陽能轉化為燃料，如此循環(huán)可知太陽能最終轉化為熱能。故選B。 11．煤、石油、天然氣和生物質能的能量形成和轉換利用過程基本上是(　　) A．太陽能→化學能→熱能 B．太陽能→機械能→電能 C．生物質能→電能→化學能→熱能 D．太陽能→機械能→化學能 答案　A 解析　煤、石油、天然氣是遠古植物吸收太陽能固定下來的能量，是儲存在地殼下面的“太陽能”，可以說是遠古植物將太陽能轉換為化學能而儲存下來的；生物質能是植物進行光合作用將太陽能轉換的化學能。最后化學能通過各種途徑變?yōu)闊崮?、電能等能量形式? [能力提升] 12．(1)請在每個化學方程式后的橫線上注明化學反應過程中能量的主要轉化形式。 ①Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag：________(填正向反應的能量轉化形式)。 ②2C2H2＋5O24CO2＋2H2O：________。 ③6H2O＋6CO2C6H12O6＋6O2：________。 ④CaCO3CaO＋CO2↑：________。 (2)沼氣是一種廉價的能源，它是由秸稈、雜草等廢棄物經微生物發(fā)酵后產生的，有關過程如下： (C6H10O5)n(纖維素)＋nH2O3nCO2↑＋3nCH4↑＋能量 ①上述過程的實際意義是________________________________________________。 ②在使用沼氣做飯時，需要注意的問題是____________________________________。 ③建立沼氣發(fā)電站，可以把________能轉化為電能，沼氣被稱為________能源。 答案　(1)①化學能轉化為電能?、诨瘜W能轉化為熱能 ③光能轉化為化學能?、軣崮苻D化為化學能 (2)①既是能源的一個重要來源，也是擴大肥源、提高肥效、改善農村衛(wèi)生條件的重要措施　②防止沼氣泄漏，保持廚房通風良好?、凵镔|　新 解析　(1)①放電時，該反應在原電池中進行，將化學能轉化為電能。 ②C2H2(乙炔)燃燒時主要將化學能轉化為熱能。 ③綠色植物進行光合作用時，主要將光能轉化為化學能。 ④石灰石(CaCO3)高溫分解時，主要將熱能轉化為化學能。 (2)秸稈、雜草等廢棄物經微生物發(fā)酵后產生沼氣，可將生物質能轉化為化學能，獲得潔凈的燃料，既可以提供能源，也可以擴大肥源、提高肥效、改善農村衛(wèi)生條件。沼氣與空氣混合后遇到明火會發(fā)生爆炸，在使用沼氣做飯時，要防止沼氣泄漏，保護廚房通風良好。建立沼氣發(fā)電站，可以把生物質能轉化為電能。 13．氫氣是未來最理想的能源，科學家最近研制出利用太陽能產生激光，并在二氧化鈦(TiO2)表面作用使海水分解得到氫氣的新技術：2H2O2H2↑＋O2↑。制得的氫氣可用于燃料電池。試回答下列問題： (1)分解海水時，實現了從________能轉變?yōu)開_______能，二氧化鈦作__________。生成的氫氣用于燃料電池 時，實現了從________能轉變?yōu)開_______能。水分解時，斷裂________鍵，分解海水的反應屬于________(填“放熱”或“吸熱”)反應。 (2)某種氫氧燃料電池是用固體金屬氧化物陶瓷作電解質，兩極上分別通入氫氣和氧氣，發(fā)生的電池反應為2H2＋O2===2H2O。 則通入氫氣的一極是電池的__________極，電流從該極________(填“流入”或“流出”)。 答案　(1)光　化學　催化劑　化學　電　共價　吸熱 (2)負　流入 14．隨著現代工業(yè)的發(fā)展，能源問題已經越來越引起人們的重視。科學家預言，未來最理想的燃料是綠色植物，即將植物的秸稈(主要成分是纖維素)在適當的催化劑作用下水解成葡萄糖，再將葡萄糖轉化為乙醇，作為燃料。 (1)寫出將綠色植物的秸稈轉化為乙醇的化學方程式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)已知：C2H5OH(l)＋3O2(g)―→2CO2(g)＋3H2O(l) ΔH＝－1367kJmol－1 若某種植物的秸稈含纖維素50%，由植物秸稈經過一系列轉化得到乙醇原料的總利用率為80%，則用1000g秸稈為原料制得乙醇燃料燃燒所產生的熱量為______________。 答案　(1)(C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6、 C6H12O62C2H5OH＋2CO2↑ (2)6750.6kJ 解析　(2)設1000g秸稈制得乙醇，燃燒產生的熱量為x。 (C6H10O5)n　～　2nC2H5OH～1367kJmol－12n 162ng2734nkJ 100050%80%gx 解得：x≈6750.6kJ。