化学必修2学案专题二第四单元太阳能生物质能和氢能的利用

第四单元太阳能、生物质能和氢能的利用美国国家可再生能源实验室目前发现，向海藻的生存环境中加入指定酶，能抑制海藻产生糖，从而使其转向生产氢能。近年来，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，把发展氢能作为21世纪新能源的战略目标。按照美国氢能技术路线图，到2040年美国将走进“氢能经济”时代，氢能将取代化石能源成为广泛使用的终端能源。1．了解利用太阳能的几种常见方式。2．了解利用生物质能开发沼气和乙醇燃料的途径和方法。3．简单了解太阳能、生物质能、氢能利用的现状，了解开发利用太阳能的广阔前景和尚未攻克的一些技术难题以及氢能源开发的价值与方向。4．认识开发、利用高效、清洁能源的重要性和迫切性。一、太阳能的利用1．太阳能是地球上最基本的能源。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。2．大自然利用太阳能最成功的是植物的光合作用。植物体内的叶绿素相当于一个小型工厂，它在太阳光作用下，把CO2、H2O转化为葡萄糖，进而生成淀粉、纤维素等，从而把光能转化为化学能。(1)光能转化为化学能的方程式：6CO2＋6H2Oeq\o(→,\s\up17(光),\s\do15(叶绿素))C6H12O6＋6O2。(2)化学能转化为热能的方程式：C6H12O6＋6O2→6H2O＋6CO2。二、生物质能的利用1．生物质的定义生物质是指一切有生命的可以生长的有机物质，它包括世界上所有的动物、植物和微生物，以及由这些生物产生的排泄物和代谢物。各种生物质都具有一定的能量，称之为生物质能量。2．生物质能的含义生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量。生物质能包括农业废弃物、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物、动物粪便等。3．生物质能的利用方式(1)直接燃烧(用化学方程式表示)：(C6H10O5)n＋6nO2eq\o(→,\s\up17(点燃))6nCO2＋5nH2O。(2)生物化学转换：C6H12O6eq\o(→,\s\up17(酶))2C2H5OH＋2CO2↑。(3)热化学转换：使生物质在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃气体。三、氢能的开发与利用1．氢能是一种理想的绿色能源的理由(1)热值高。(2)资源丰富。(3)燃烧产物是水，无污染。2．氢能利用急需解决的问题(1)用水制备氢气的能耗问题。在光分解催化剂作用下，通过太阳能分解水制氢气，是主要研究方向。(2)贮存和运输氢气的问题。现在科学家们发现了储氢金属，正在解决氢气贮存、运输困难的问题。(3)高压氢气、氧气制氢氧燃料电池是氢能源利用的一个重要方向。探究点一太阳能的利用方式1．太阳能太阳能是太阳内部连续不断的核聚变所释放的能量。太阳能是地球上最基本、最丰富的能源。深化拓展：太阳能的特点优点：太阳能是巨大、无尽的能源；太阳能可以为人类共享，可免费使用；太阳能对环境无任何污染。缺点：受季节、地区、气候等影响，不能维持常量等。2．太阳能的利用方式太阳能与其他能源有什么关系？提示：【例1】下列有关太阳能利用的叙述不正确的是()A．太阳能热水器是将光能转化为热能B．太阳能电池是将光能转化为电能C．光解水制氢气是将光能转化为化学能D．水力发电是将太阳能直接转化为机械能【思路分析】地球上最基本的能源是太阳能，水力发电的原理是：太阳辐射能使地表上的水分蒸发形成云雨，雨后江、河上游水位升高，形成落差，推动水轮机发电，是太阳能间接转化为机械能和电能。【解析】太阳能的利用方式分为直接利用和间接利用。直接利用太阳辐射能有四种基本方式：①光—热转换(如太阳能热水器、温室、地膜等)；②光—电转换(如太阳能电池等)；③光—化学能转换(如Na2SO4·10H2O晶体的溶解吸热和结晶放热、光解水等)；④光—生物质能转换(如绿色植物的光合作用，其本质也是光—化学能转换)。水力发电、矿物燃料则是间接利用太阳能。【答案】D利用太阳能使燃料循环使用有如下构思和方案：①2CO2eq\o(=,\s\up17(光能))2CO＋O2②2H2Oeq\o(=,\s\up17(光能))2H2↑＋O2↑③2N2＋6H2Oeq\o(=,\s\up17(光能))4NH3＋3O2④CO2＋2H2Oeq\o(→,\s\up17(光能))CH4＋2O2实现上述构思和方案的关键是(A)A．如何使物质吸收光能转变为其他物质B．寻找催化剂C．利用光能D．利用绿色植物解析：题述4个反应都符合物质化学变化中的元素、质量守恒，有关物质也是客观存在的，但在当前人们已知的光照条件下，4个反应都不能发生。从物质发生化学变化过程中的化学键变化和能量变化角度来看，只要有足够的光能，上述4个反应都能够发生。因此，实现上述构思和方案的关键是如何使物质吸收光能转化为其他物质。上述构思和方案的目的是利用太阳能，因此寻找催化剂不属于实现上述构思和方案的关键。探究点二能源的分类从不同的标准可以把能源分成多种类型，常见的有以下几种形式：1．一次能源和二次能源以天然形式存在于自然界中的能源叫一次能源，如石油、天然气、原煤、油页岩、核燃料、风能、太阳能、海洋能、潮汐能等。而由一次能源直接或间接加工后转换成其他种类或形式的能源，叫二次能源，如煤气、焦炭、汽油、煤油、柴油、电、人造石油、氢气、激光等。2．不可再生能源和可再生能源一次能源中的原煤、原油、天然气、油页岩、核燃料铀、钍等都是亿万年前自然界中留下来的，用一点少一点，无法得到补充，总有一天会枯竭，因此被称为不可再生能源。而像太阳能、水能、风能、海洋能均是自然界中能再生的能源，所以叫做可再生能源。3．清洁能源或绿色能源一次能源中的煤、石油和核能等，在使用过程中会产生诸如“酸雨”“温室效应”“核污染”等环境污染问题，被认为是不清洁能源或非绿色能源。清洁能源或绿色能源是个相对概念，是指使用时不产生或少产生环境污染的能源，如太阳能、氢能、地热等地下能、潮汐等海洋能；风能等地面能。另外，能源也可分为常规能源或传统能源和新能源，根据人类使用的阶段分成柴草能源、化石能源和多能源(太阳能、氢能、核能、生物质能等)等不同类型。4．可再生能源可再生能源是指在自然界中可以不断再生、连续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。风能是指风所负载的能量，风能的大小取决于风速和空气的密度。我国北方地区和东南沿海地区一些岛屿，风能资源丰富。据国家气象部门有关资料显示，我国陆地可开发利用的风能资源为2.53亿千瓦，主要分布在东南沿海及岛屿，新疆、甘肃、内蒙古和东北地区。此外，我国海上风能资源也很丰富，初步估计是陆地风能资源的3倍左右，可开发利用的资源总量为7.5亿千瓦。太阳能是指太阳所负载的能量，一般以阳光照射到地面的辐射总量来计算，包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和。太阳能的利用方式主要有：光伏(太阳能电池)发电系统，将太阳能直接转换为电能；太阳能聚热系统，利用太阳的热能产生电能；被动式太阳房；太阳能热水系统；太阳能取暖和制冷。水的流动可产生能量，通过捕获水流动的能量发电，称为水电。小水电站在我国是指总装机容量小于或等于5万千瓦的水电站。生物质能包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物等。地热能是贮存在地下岩石和流体中的热能，它可以用来发电，也可以为建筑物供热和制冷。根据测算，全球潜在地热资源总量相当于每年493亿吨标准煤。海洋能是潮汐能、波浪能、温差能、盐差能和海流能的统称，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存在于海洋之中。例如，潮汐的形成源于月亮和太阳对地球的吸引力，涨潮和落潮之间所负载的能量称之为潮汐能；潮汐和风又形成了海洋波浪，从而产生波浪能；太阳照射在海洋的表面，使海洋的上部和底部形成温差，从而形成温差能。所有这些形式的海洋能都可以用来发电。【例2】凡是能够提供某种形式能量的物质，统称为能源。(1)“能源分类相关图”如图所示，下列四组能源选项中，全部符合图中阴影部分的能源是()A．煤炭、石油、潮汐能 B．水能、生物质能、天然气C．太阳能、风能、沼气 D．地热能、海洋能、核能(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．来自太阳辐射的能量D．污染环境的能源【思路分析】图中阴影部分所示的能源必须为新能源、可再生且来自太阳辐射，此类题目综合性强，解题时主要从太阳能、生物质能、新能源方向入手。【解析】(1)所列能源中属于新能源的是潮汐能、生物质能、太阳能、风能、沼气、地热能、海洋能、核能；来自太阳辐射的能源是煤炭、石油、水能、生物质能、天然气、太阳能、风能、沼气、海洋能(如海水温差能)；属于可再生能源的是潮汐能、水能、生物质能、太阳能、风能、沼气、海洋能。(2)所列的四种能源都来自太阳辐射的能量；若合理利用，不会对环境产生太大的影响；其中生物质能是可再生能源，其余的都是不可再生能源。【答案】(1)C(2)C下列对能源的看法不合理的是(D)A．风能是人类通过风车等工具获取的能源，但属于一次能源B．生物质能是一种可再生能源，有广泛的应用前景C．太阳能、氢能、核能、地热能都属于新能源D．化石燃料与人类生活密切相关，要多开采，多使用1．下列说法中错误的是(D)A．人类目前直接利用的能量大部分是由化学反应产生的B．煤、石油、天然气是当今世界最重要的三种化石燃料C．我国目前最主要的能源是煤炭D．人体运动所消耗的能量与化学反应无关解析：人体运动所消耗的能量来自食物，食物转变为能量的过程就是发生化学变化的过程。2．下列有关能源和能量转换的叙述正确的是(A)A．推广使用太阳能、风能、海洋能、氢能，有利于缓解温室效应B．乙醇和汽油都是可再生能源，应大力推广“乙醇汽油”C．普通锌锰干电池不含环境污染物，用完后可以随意扔掉，使用方便D．燃料电池是利用燃料燃烧，将化学能转化为热能，然后再转化为电能的化学电源3．2010年，深圳一跃成为全国机动车密度最高的城市，出行越来越成为人们的心头事，出行的工具五花八门，使用的能源也各不相同。自行车、电动自行车、普通汽车消耗能量的类型分别是(B)①生物质能②核能③电能④太阳能⑤化学能⑥氢能A．①④⑤ B．①③⑤C．①②③ D．①③④解析：自行车需要人来骑行，为人的生物质能转化为自行车的动能；电动自行车是利用电池来提供能量的，电池的电能转化为电动自行车的动能；普通汽车消耗化石燃料，化石燃料燃烧消耗化学能。4．下列关于能量转换的认识中不正确的是(D)A．电解水生成氢气和氧气时，电能转化为化学能B．“生物质能”主要指用树木、庄稼、草类等植物直接或间接提供的能量，因此利用生物质能就是间接利用太阳能C．煤燃烧时，化学能主要转化为热能D．葡萄糖在人体组织中发生缓慢氧化时，热能转化为化学能解析：葡萄糖在人体组织中发生缓慢氧化时，化学能转化为热能，D不正确。5．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(C)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的能量D．氢气不易储存和运输，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。由水制取H2耗能多且H2不易储存和运输，所以氢能源利用并未普及，但发展前景广阔。6．能源可划分为一级能源和二级能源。自然界中以现成形式提供的能源称为一级能源，需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效且没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取：2H2O(l)=2H2(g)＋O2(g)ΔH＝＋571.6kJ·mol－1回答(1)(2)(3)小题。(1)下列叙述正确的是(AC)A．电能是二级能源 B．水力是二级能源C．天然气是一级能源 D．焦炉气是一级能源(2)已知CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(l)＋CO2(g)ΔH＝－890.3kJ·mol－1。1gH2和1gCH4分别燃烧后，放出的热量之比是(C)A．13.4 B．11.7C．2.61 D．4.61(3)关于用水制取二级能源氢气，以下研究方向不正确的是(AC)A．构成水的氢和氧都是可以燃烧的物质，因此可研究在水不分解的情况下，使氢气成为二级能源B．设法将太阳光聚焦，产生高温，使水分解产生氢气C．寻找高效催化剂，使水分解产生氢气，同时释放能量D．寻找特殊化学物质，用于开发廉价能源，以分解水制取氢气解析：审题是做题的开始，能源划分为一级能源和二级能源。一级能源指自然界中以现成的形式提供的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能等。二级能源需要依靠其他能源的能量间接制取的能源，如电能、焦炉气、水煤气、H2等。二者的主要区别在于一级能源在自然界中是现成的，可直接用；而二级能源是制取的，自然界中没有。(1)据题意，天然气为一级能源。电能是由其他能源产生的，属于二级能源。焦炉气(含H2、CH4等)是炼煤的产物，是从煤间接制得的，属于二级能源。水力一般是利用其动能和势能做功，属于一级能源。(2)依据热化学方程式，每克H2和每克CH4完全燃烧时放出的热量分别为Q(H2)＝eq\f(571.6kJ,4g)＝142.9kJ·g－1，Q(CH4)＝eq\f(890.3kJ,16g)＝55.64kJ·g－1，之比为142.955.64＝2.61。(3)A中，原子和分子是两种性质不同的微观粒子，