第二讲 化学与能源

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42知识能力解读知能解读：（一）化学反应中的能量变化化学反应在生成新物质的同时，还伴随着能量的变化。能量的变化通常表现为热量的变化，有些反应是放热的，如氧化钙与水反应，镁与盐酸反应，燃料燃烧等；有些反应则是吸收热量的，如化学反应COC高温2CO。作为重要的能源燃料对于人类社会非常重要。2如人们利用燃烧等化学反应产生的能量发电、做饭、取暖、烧制陶瓷、冶炼金属、发射火箭等。知能解读：（二）化石燃料由古代生物的遗骸经过一系列的复杂变化形成的可以燃烧的物质，主要是煤、石油和天然气。煤、石油和天然气是当今世界上最重要的三大化石燃料。煤被称为“工业的粮食”“黑色的金子”，石油被称为“工业的血液”，它们对人类生产、生活和社会发展起到了重要作用。煤、石油和天然气都是不可再生能源。1.化石燃料的形成和主要成分（1）煤成分：煤主要含有碳元素，还含有氢元素和少量氮、硫、氧等元素及无机矿物质（主要含硅、铝、钙、铁等元素），是由有机物和无机物组成的复杂混合物。性质：黑色固体，有光泽，没有固定的熔点和沸点，具有可燃性。（2）石油成分：主要含碳、氢两种元素，另外含有少量的硫、氧、氮等元素，是由沸点不同的化合物组成的复杂混合物。性质：是一种黑色或深褐色黏稠状的液体，有特殊气味，不溶于水，密度略小于水，没有固定的熔点和沸点，具有可燃性。（3）天然气天然气的主要成分是甲烷，主要含碳、氢两种元素。天然气里的甲烷是在隔绝空气的情况下，主要由植物残体分解而生成的。有石油的地方，一般就有天然气。天然气是一种重要的气体燃料，天然气的贮藏量也是有限的。2.甲烷的组成、性质、用途及其在自然界中的存在（1）甲烷的组成甲烷是由碳、氢两种元素组成的化合物，其化学式为CH4，是最简单的有机物，其中含氢元素的质量分数为25%，是氢元素含量最高的有机物。（2）甲烷的性质甲烷是一种无色、无味的气体，极难溶于水，密度小于空气。甲烷具有可燃性，其燃烧的化学方程式为CH2OCO2HO。甲烷燃烧时发出蓝色火焰放出大量的热。在火焰上方罩一个干冷的烧杯，4烧杯内壁会有水雾，将烧杯迅速倒转，倒入澄清的石灰水，石灰水会变浑浊。（3）甲烷的存在池沼底部含有甲烷，常称沼气；煤矿的矿坑里也含有甲烷，煤矿矿井里的瓦斯爆炸即为甲烷燃烧所致。有些地方的地下深处蕴藏着大量的可燃性气体，叫做天然气，主要成分是甲烷。人们又在海底得到一种叫“可燃冰”的可燃物，它是甲烷水合物，化学式为CHnHO（4）沼气的制取及利用：把秸秆、杂草、人畜粪便等废弃物放在密闭的沼气池里发酵，就可产生沼气。人们可利用沼气煮饭、发电。其意义是解决我国农村生活用燃料问题，提高农家肥料的肥效。知能解读：（三）化石燃料的综合利用1.石油的综合利用

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△22同，可从石油中分离出不同的产品，如汽油、煤油、液化石油气等，该过程是一种物理变化。2.煤的综合利用煤是我国主要的化石能源，占90%以上，煤的综合利用措施主要是煤的焦化，也称煤的干馏，是在隔绝空气的条件下加强热，使组成煤的物质发生分解反应。主要产品及用途：焦炭：金属冶炼，电极材料；煤焦油：重要的化工原料；焦炉气：含有CO，CH，H既可作燃料又是重要的化工原料。说明：煤的综合利用措施还有以下几种：①煤的气化：目前主要是煤在高温下与水蒸气的反应，主要产品有CO，H，CH②煤的液化：煤发生化学反应，分裂为小分子，利用催化剂向小分子中加入氢元素，得到与石油产品成分相近的燃料油，是一项人造石油的技术。知能解读：（四）合理开采与节约使用化石燃料现有的化石燃料是有限的，下表是我国2009年探明的化石燃料储量及产量。基础储量年产量石油28.33亿吨1.89亿吨天然气32124亿立方米851.7亿立方米煤3261亿吨30.5亿吨从表中数据可以看出，节约能源是完全有必要的，也是十分重要的。节约能源就是要充分利用能源，使燃料充分燃烧，因此，可从以下两个方面着手：（1）燃烧时要有足够的空气；（2）燃料与空气要有足够大的接触面积。充足的空气才能使燃料完全燃烧，与空气充分接触才能使其反应快，对能量的利用损失较小。知能解读：（五）新能源的开发和利用1.乙醇俗名叫酒精，化学式为CHOH，是一种无色透明、具有特殊气味的液体，易挥发，能与水以任意比例互溶，并能溶解多种有机物。乙醇具有可燃性，在空气中燃烧的化学方程式为CHOH3O2CO3HO，放出大量的热，所以常被用作酒精灯、火锅、内燃机等的燃料。乙醇可通过高粱、玉米和薯类等发酵、蒸馏而得到，属于可再生能源。在汽油中加入适量乙醇作为汽车燃料可以适当节省石油资源，并在一定程度上减少汽车尾气造成的污染。2.氢能源（1）氢气的性质①氢气的物理性质：通常情况下，氢气是无色、无味的气体，难溶于水，密度是0.089g/L，比空气密度小，是最轻的气体。②氢气的化学性质氢气的可燃性：纯净的氢气在空气中能安静地燃烧，这个反应的化学方程式为2HO2HO，现象为：产生淡蓝色火焰，放出热量。在火焰上方罩一个冷而干燥的小烧杯，过一会儿会发现烧杯内壁有水雾。2氢气的还原性：氢气在加热条件下，能跟某些金属氧化物反应，夺取金属氧化物中的氧，因此，氢气具有还原性，即能使金属的氧化物失去氧而还原为金属，氢气是一种重要的还原剂。如氢气还原氧化铜反应的化学方程式：HCuOCuHO。现象是：黑色固体粉末逐渐变为红色，试管内壁有水珠产生。说明：实验室在点燃可燃性气体之前必须验纯，检验氢气纯度的方法：如图收集一试管氢气，用拇指堵住试管口，管口朝下，靠近火焰，移开拇指点火。若听到轻微的“噗”声表明氢气是纯净的；若听到尖锐的爆鸣声，则表明氢气不纯，需再收集继续检验。

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ZnHSOZnSOZnHSOZnSOH2442向下排空气法（导管深入集气瓶底部）化学药常用锌粒和稀硫酸（锌为银白色固体，稀硫酸为无品色液体）反应原理仪器装少量制取用简易装置[试管、单孔胶塞、导管、铁架台（带试管夹）]置收集气①排水法②向下排空气法体的方根据氢气难溶于水和密度比空气小的特性法实验步①检查装置的气密性；②装锌粒（注意将试管横放，把锌粒放在试管口，再慢慢骤竖起）；③把试管固定在铁架台上；④加入稀硫酸；⑤收集气体说明：实验室制取氢气的发生装置和收集装置①气体的发生装置：固体―液体不加热型a.简单装置，如图所示。

优点：用品简单，操作方便。缺点：反应物一次装入，中途无法添加，不能使反应随时发生，随时停止。b.使用长颈漏斗的简易装置，如图所示。

此装置可在不影响实验的前提下添加适量的酸，但使用此装置时必须把长颈漏斗下端伸入液面以下，利用液封防止氢气从长颈漏斗口逸出。C.具有启普发生器功能，能使反应随时发生和停止的简易气体发生装置，如图所示。

②收集装置：物理性质决定收集方法，进而确定气体收集装置，氢气的收集装置如图所示。

排水法（导管在集气瓶口）

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NiNiNi①氢气的来源广泛，可以由水制得。②氢气燃烧的热值比化石燃料高。根据图可知，氢气燃烧热值大约是汽油燃烧热值的三倍。

kJ/g200

150

100

50

0天然气汽油氢气

③最突出的优点是氢气的燃烧产物是水，不污染环境。因此氢能源具有广阔的开发前景。（4）氢能源的应用目前，作为高能燃料，液氢已应用于航天领域；作为化学电源，氢氧燃料电池已经被应用，如用作汽车的驱动电源等。（5）氢能源的开发①电解水的方法：消耗电能太多，成本高、不经济，不能大规模地制取氢气。②理想的制氢方法：寻找合适的光分解催化剂，使水在太阳光的照射下分解产生氢气。③氢气的贮存：氢气是一种易燃、易爆的气体，难液化，贮存和运输既不方便也不安全，因此如何贮存氢气是氢能源开发研究的又一关键问题。目前，人们发现某些金属合金如TiFe、TiMn、La等都具有贮氢功能，其中La合金在常温、0.152MPa下就可以放出氢气，已用于氢能汽车和燃料电池中氢的贮存，新型贮氢型合金材料的研制和实际应用对氢能源开发具有重要意义。3.可燃冰在人们担心化石能源被耗尽时，科学家发现海底埋藏着大量可燃烧的“冰”—“可燃冰”。可燃冰是甲烷水合物，外观像冰。它由甲烷分子和水分子构成，还含有少量二氧化碳等其他气体。可燃冰在低温高压条件下形成，1体积可燃冰可储载100~200体积的甲烷气体具有能量高、燃烧热值大等优点。目前发现的可燃冰储量大约是化石燃料总和的2倍，它将成为替代化石燃料的新能源。但是，可燃冰埋藏于海底的岩石中，目前开采在技术上还存在很大困难。如果在开采时甲烷气体大量泄漏于大气中，造成的温室效应将比二氧化碳更加严重。4.化学能转化为电能利用特殊的装置可以将化学能转化为电能，常见的途径主要有：（1）火力发电：通过燃烧化石燃料，将化学能转化为电能。（2）电池①定义：化学电池就是将化学能直接转化为电能的装置，如干电池、锂电池、蓄电池、氢氧燃料电池等。②能量转化：化学能转化为电能。③特点：体积小，电容量大，移动方便，在生产、生活中应用广泛。注意：使用电池能减少大气污染和提高能量的转化效率，但废弃电池的乱扔乱放，会导致固体废弃物和重金属离子对环境的污染。5.其他新能源随着社会对能量的需求量越来越大，化学反应提供的能量已经不能满足人类的需求。目前，人们正在开发和利用的新能源有太阳能、核能、风能、地热能和潮汐能等。知能解读：（六）减少燃料燃烧对环境的污染1.化石燃料燃烧产生的物质化石燃料煤、石油和天然气都是含碳元素的物质，其中还含硫元素等杂质。这些燃料燃烧时，会产生二氧化硫等污染空气的气体。燃料燃烧不充分，会产生一氧化碳和炭粒，加上未燃烧的碳氢化合物，如果直接排放到空气中，必然对空气造成污染。

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2（1）对煤进行脱硫处理后再燃烧，就可减少二氧化硫的产生。目前生活用煤在煤的燃烧中占很大的比例，进行煤的脱硫处理是重要的研究课题。根据可燃物燃烧原理，让可燃物与空气充分接触，就能使其充分燃烧。煤、石油、天然气等含碳燃料与空气充分接触燃烧时，就可减少一氧化碳的生成，减少炭粒的排放。因此，改进燃烧方式，使燃料充分燃烧，可以减少其对空气的污染。（2）为了减少尾气对空气的污染，主要采取以下措施：①改进发动机的燃烧方式，以便燃料充分燃烧；②使用催化净化装置，使有害气体转化为无害物质；③使用无铅汽油，禁止含铅物质排放；④使用清洁能源，例如压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）；⑤在汽油中添加适量的酒精制成乙醇汽油等。另外，在管理上加大检测尾气的力度，禁止尾气没有达到环保标准的汽车上路。（3）开发和利用环保能源，如太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能和氢能等。解题方法技巧方法技巧：（一）化石燃料方法指导：化石燃料三兄弟，煤炭、石油、天然气；综合利用价值大，能源领域是主力。方法技巧：（二）化石燃料的综合利用方法指导：化石燃料有限且不可再生，提高燃料的利用率相当于延长了燃料的使用期限。除了促进化石燃料充分燃烧外，还应对其进行深加工制成各种产品。方法技巧：（三）新能源的开发和利用方法指导：目前，正在开发和利用的新能源有太阳能、风能、地热能、潮汐能、核能、氢能等，已经广泛使用的清洁能源为天然气和车用乙醇汽油。方法指导：（四）低碳生活方法指导：低碳生活可以理解为：减少CO的排放，低能量、低消耗、低开支的生活方式。方法技巧：（五）燃料燃烧对环境的影响方法指导：解此类习题应把握以下两点：（1）煤燃烧生成的SO2及氮氧化合物会形成酸雨，生成的CO会引起温室效应。（2）汽车尾气中含有燃料不完全燃烧生成的有毒气体CO和含氮物质生成的氮氧化合物。跨越思维误区思维误区：（一）化石燃料无穷尽，人类不必节约能源剖析：化石燃料经过数百万年才能形成，人类目前大量开采，已经出现世界性能源紧张状态。化石燃料是不可再生能源，所以人类必须合理开采并节约能源。思维误区：（二）当今社会，人类需要的能量全部是由化学反应产生的剖析：现在，人类需要的能量大部分是由化学反应产生的，最常见的为生活燃料的使用，但并非全部由化学反应产生，如利用风能和潮汐能可以发