苏教版高中化学必修二第7讲：太阳能、生物能和氢能的利用(教师版)

化学能与电能____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．了解太阳能、生物质能和氢能的开发利用及其前景。2．了解常见的新能源开发利用。知识点一．太阳能的利用1．太阳能的利用能源是人类生活和社会发展的基础。地球上最基本的能源是太阳能。实例能量转化方式直接利用光合作用光能转化为化学能太阳能热水器光能转化为热能太阳能电池光能转化为电能光解水制氢气光能转化为化学能间接利用化石燃料太阳能间接转化为化学能2．太阳能利用的能量转化方式被吸收的太阳能eq\o(―――→,\s\up15(化学反应),\s\do15(1))化学能eq\o(―――→,\s\up15(化学反应),\s\do15(2))热能、光能或电能(1)太阳能转化为化学能：①物质转化：在太阳光作用下，植物体内的叶绿素把水、二氧化碳转化为葡萄糖，进而生成淀粉、纤维素。②化学反应：6CO2＋6H2Oeq\o(――→,\s\up15(光),\s\do15(叶绿素))C6H12O6＋6O2。③能量转化：光能―→化学能。(2)化学能转化为热能：①物质转化：动物摄入体内的淀粉、纤维素能水解转化为葡萄糖，其氧化生成二氧化碳和水，释放出热量，供给生命活动的需要。②化学反应为：(C6H10O5)n＋nH2Oeq\o(――→,\s\up15(催化剂),\s\do5())nC6H12O6；C6H12O6＋6O2―→6H2O＋6CO2。③能量转化：化学能―→热能。3．能量之间的转化知识点二．生物质能的利用1．来源生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量。生物质包括农业废弃物、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物、动物粪便等。2．利用方式(1)直接燃烧若用纤维素代表植物枝叶的主要成分，则其燃烧的化学方程式为：(C6H10O5)n＋6nO2eq\o(――→,\s\up15(点燃))6nCO2＋5nH2O。(2)生物化学转换①制沼气a．沼气的成分：主要是甲烷，还含有CO2及少量H2S、NH3、PH3等。b．应用：制气体燃料和优质肥料。②制乙醇含糖类、淀粉较多的农作物，在催化剂存在下，经水解和细菌发酵，可以制得乙醇，反应方程式为：(C6H10O5)n＋nH2Oeq\o(――→,\s\up15(酶))nC6H12O6，C6H12O6eq\o(――→,\s\up15(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。知识点三．氢能的开发与利用1．氢能的优点(1)完全燃烧放出的热量多(2)原料是水，来源广(3)燃烧产物是水，无污染2．氢能利用存在的问题(1)廉价的制氢技术——首要难点。原因：制氢需要消耗大量的能量且效率低。(2)安全可靠的贮氢和输氢方法——关键。原因：H2易汽化、易燃、易爆。3．氢能产生与利用的途径(1)氢能的产生：①水煤气法：原理：eq\a\vs4\al(,,C＋H2Og\o(=====,\s\up15(高温),\s\do5())CO＋H2，,CO＋H2Og\o(=====,\s\up15(高温),\s\do5())CO2＋H2；)缺点：原料为化石燃料，不可再生②电解法：原理：eq\a\vs4\al(2H2O\o(=====,\s\up15(通电),\s\do5())2H2↑＋O2↑；)缺点：消耗大量电能③光解法：原理：ⅰ在光分解催化剂存在下，在特定的装置中，利用太阳能分解水制氢气。ⅱ利用蓝绿藻等低等植物和微生物在阳光作用下分解水释放出氢气。缺点：资源可再生，对环境无污染(2)氢能的利用方式：①利用氢和氧化剂发生反应放出热能；②利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；③利用氢的热核反应释放出核能，这是氢能的一种特殊应用。类型一．能源的开发、利用与转化例1．下列关于能源利用的说法中正确的是A．贮氢材料在使用中，氢分子被吸收时，在合金表面解离变成氢原子，同时放出热量B．对城市废弃物进行处理后焚烧，利用产生的热能供暖和发电C．使用化石燃料不会带来环境污染问题D．将氢气作为燃料使用的优点之一是成本低解析：贮氢材料与氢分子生成了金属氢化物，在这一过程中，氢分子变成原子的过程是化学键断裂的过程，属于吸热过程，A项错误；发达国家对城市废弃物的处理方式主要是焚烧，利用产生的热能供暖和发电，B项正确；化石燃料在使用过程中往往会造成一定的环境污染问题，C项错误；氢气的主要来源是水，由水制得氢气的成本较高，所以推行进度缓慢，D项错误。答案：B例2．人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”(包括风能、生物质能等太阳能的转换形态)，届时人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”，下列说法不正确的是A．煤、石油和天然气都属于碳素燃料B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应C．太阳能电池可将太阳能转化为电能D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明解析：煤、石油、天然气都是有机物，属于碳素燃料，A正确；发展太阳能可以减少化石燃料的使用，减少CO2的排放，B正确；太阳能电池可将太阳能转化为电能，C正确；菠菜中的蛋白质是间接利用太阳能合成的，研究菠菜蛋白质“发电”属于太阳能文明。答案：D2．有专家指出如果对燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能使它们重新组合，使之能够实现循环利用，那么，不仅可以消除对大气的污染，还可以节约燃料，缓解能源危机。在此构想的物质循环图中太阳能最后转化为A．化学能B．热能C．生物能D．电能解析：燃料eq\o(――→,\s\up14(太阳能),\s\do14())燃烧产物＋热能。答案：B类型二．能源的含义及分类例1．从另外一个角度讲，能源又可划分为一级能源和二级能源。自然界以既成形式提供的能量称为一级能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源，氢气是一种高效而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，反应如下：2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g)ΔH＝＋571.6kJ·mol－1根据以上内容回答下列问题：(1)下列叙述正确的是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)关于用水制取二级能源氢气，以下研究方向不正确的是A．构成水的氢和氧都是可以燃烧的物质，因此可以研究在水不分解的情况下使氢成为二级能源B．设法将太阳光聚集，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．寻找特殊的化学物质，用于开发廉价能源，以分解水制取氢气解析：(1)水力应是一级能源，焦炉气是二级能源。焦炉气是煤高温干馏后生成的混合气体，故是依靠煤这种能源间接制取的二级能源。(2)A项混淆了元素、分子、单质的概念，错误；C中水分解成氢气的过程应是吸热过程而非放热过程。答案：(1)AC(2)AC例2．有关能源的下列说法不正确的是A．煤、石油、天然气均为化石能源B．化石能源是非再生能源C．氢能是可再生能源D．氢能、核能均是无污染的高效能源解析：煤、石油、天然气属化石燃料，属非再生能源，A、B正确；氢能可再生且无污染，核能有污染，C正确，D错误。答案：D基础演练一．选择题1．下列有关太阳能的说法不正确的是A．太阳能以光波形式传送到地面B．化石燃料蕴藏的能源来自太阳能C．太阳能是洁净能源，不污染环境D．食用植物体内的淀粉、蛋白质等属直接利用能源2．下列有关太阳能的利用方式以及列举的实例错误的是A．直接利用太阳辐射能的基本方式有四种：光—热转换、光—电转换、光—化学能转换和光—生物质能转换B．太阳能热水器是一种光—热转换形式C．绿色植物进行的光合作用，是一种光—生物质能转换，它的本质是光—化学能转换D．将电能通过用电器进行照明的过程是一种光—电能转换过程3．下列化学变化中，能量的转化形式表示不正确的是A．Zn＋Ag2O＋H2Oeq\o(,\s\up14(放电),\s\do14(充电))Zn(OH)2＋2Ag，充电时化学能转化为电能B．2H2＋O2eq\o(=====,\s\up14(点燃))2H2O，化学能转化为热能C．6H2O＋6CO2eq\o(――→,\s\up14(光),\s\do14(叶绿素))C6H12O6＋6O2，太阳能转为化学能D．CaCO3eq\o(=====,\s\up14(高温))CaO＋CO2↑，热能转化为化学能4．生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源。下列有关说法不正确的是A．农村通过杂草和动物的粪便发酵制沼气，沼气的主要成分是甲烷B．全国推广使用的乙醇汽油中的乙醇可由富含淀粉的谷物发酵产生C．为减小对化石燃料的依赖，可在农村大量燃烧秸秆D．开发生物质能有利于环境保护和经济可持续发展5．目前利用太阳能最广泛的利用方式是A．光—热转换B．光—化学能转换C．化学能—电能转换D．电能—化学能转换6．利用太阳能，使燃料循环使用有如下构思和方案：①CO2光能CO+O2，②2H2O光能2H2+O2，③2N2+6H2O光能4NH3+3O2，④CO2+2H2O光能CH4+2O2，要实现上述转变，关键是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．利用绿色植物二．填空题7．分析下图，回答以下问题：氢能的产生与利用途径(1)水电解生成H2，首先要解决的问题是________________________________________。(2)标准状况下，11.2LH2燃烧生成液态的水，放出QkJ的热量，写出该反应的热化学方程式：________________________________。(3)氢气作为理想的“绿色能源”的主要理由有_______________________________________。(4)氢氧燃料电池是氢能源利用的一个重要方向。氢气在________极上发生________反应，氧气在________极上发生________反应。8．判断正误，对的打“√”，错的打“×”。(1)沼气燃烧只有CO2和H2O，无大气污染物。()(2)利用植物桔秆制沼气属热化学转换。()9．今有两反应：①2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，②NaH＋H2O===NaOH＋H2↑。回答问题：(1)指出H2O的作用：反应①____________，反应②____________。(2)反应①中的ΔH____________0(填“>”或“<”)。巩固提高一．选择题1．下列关于能量转换的认识中，不正确的是A．AgBr见光分解时，主要是光能转化为化学能B．甲烷燃烧是将全部的化学能转化为热能C．电池长时间使用会发热，说明部分化学能转变成热能D．光合作用是将太阳能转化成化学能2．（多选）下列有关能量转换的说法正确的是A．煤燃烧是化学能转化为热能的过程B．化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能C．动物体内葡萄糖被氧化成CO2是热能转变成化学能的过程D．植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成热能的过程3．（2015·常州高一检测）人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”（包括风能、生物质能等太阳能的转换形态），届时人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”，下列说法不正确的是A．煤、石油和天然气都属于碳素燃料B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应C．太阳能电池可将太阳能转化为电能D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明4．下列选项中能说明乙醇作为燃料的优点的是①燃烧时发生氧化反应②充分燃烧的产物不污染环境③乙醇是一种再生能源④燃烧时放出大量热量A．①②③B．①②④C．①③④D．②③④5．（2015·江阴高一检测）下列变化过程中表示的能量转化关系错误的是A．植物光合作用：光能→生物质能B．电灯发光：电能→化学能C．木柴烧饭：生物质能→热能D．太阳能热水器：光能→热能6．石油资源的短缺制约着多个行业的发展。针对这一现象，某学习小组提出如下应对方案，你认为不够科学合理的是A．采用电解水法制取无污染的氢能B．完善煤液化制汽油的技术C．研制推广以甲醇为燃料的汽车D．进一步提高石油加工工艺二．填空题7．(2015·嘉兴高一检测)阅读材料，回答问题：(1)某无色液体A，在通电条件下能生成无色气体B和C，B能使带火星的木条复燃，C能在空气中燃烧，发出淡蓝色火焰且只生成A。A中所含的化学键是________。(2)能源可分为一次能源和二次能源。自然界以现存形式提供的能源称为一次能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二次能源。你认为C作为能源应称________次能源。有人认为气体C是一种优质能源，你认为C作为能源最突出的优点是________。(3)若已知1g气体C燃烧生成液体A时放出142.9kJ热量，试写出其燃烧的热化学方程式______________________。一．选择题1．近年来，有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中你认为不妥当的是A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料B．硅的来源丰富，易于开采，且可再生C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染较低，容易有效控制D．寻找高效催化剂，使二氧化硅分解产生硅的同时释放能量，是硅能源大规模开发利用的一项关键技术2．下列关于能源和作为能源使用的物质的叙述中错误的是A．化石燃料物质内部储存着能量B．太阳能不能直接转化为化学能C．物质的化学能可能在不同条件下转变成热能、电能为人类所用D．绿色植物发生光合作用时，将太阳能转化为化学能储存起来3．(双选)下列有关能量转换的说法正确的是A．煤燃烧是化学能转化为热能的过程B．化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能C．动物体内葡萄糖被氧化成CO2是热能转变成化学能的过程D．植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成热能的过程4．下列对城市废弃物中生物质能利用不合理的是A．把废弃物运到乡下找个地方填埋掉B．对废弃物进行处理后焚烧，利用产生的热能供暖和发电C．把废弃物进行生物化学转换获取CH4D．让废弃物在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃性气体5．可再生能源是我国重要的能源资源，在满足能源需求、改变能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面具有重要作用。应用太阳能光伏发电技术，是实现节能减排的一项重要措施。下列有关分析不正确的是A．风能、太阳能、生物质能等属于可再生能源B．推广可再生能源有利于经济可持续发展C．上图是太阳能光伏电池原理图，图中A极为正极D．光伏电池能量转化方式是太阳能直接转化变为电能6．(2015·连云港高一检测)有效“减碳”的手段之一是节能，下列制氢方法最节能的是A．电解水制氢：2H2Oeq\o(=====,\s\up14(通电))2H2↑＋O2↑B．天然气制氢：CH4＋H2Oeq\o(――→,\s\up14(高温))CO＋3H2C．高温使水分解制氢：2H2Oeq\o(=====,\s\up14(高温))2H2↑＋O2↑D．太阳光催化分解水制氢：2H2Oeq\o(=====,\s\up14(TiO2),\s\do14(太阳光))2H2↑＋O2↑7．(双选)有专家指出，如果将燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能使它们重新组合变成CH4、CH3OH、NH3等的构想能够变成现实，则下列说法中错误的是A．可消除对大气的污染B．是化学能转换为化学能的过程C．此题中的CH4、CH3OH、NH3等为一级能源(即自然界中以现成形式提供的能源)D．可缓解能源危机8．南京将于2014年承办世界青奥会。下列措施不符合低碳和零碳能源的是A．逐步利用太阳能等新能源代替化石燃料B．引进电动汽车，减少汽车尾气排放C．全面推广利用氢能，禁止在任何条件下利用任何化石燃料D．在西部和沿海地区兴建风力发电站，解决能源问题二．填空题9．(2015·武汉高一检测)氢气是未来最理想的能源，科学家最近研制出利用太阳能产生激光，并在二氧化钛(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术：2H2Oeq\o(=====,\s\up14(激光),\s\do14(TiO2))2H2↑＋O2↑。制得的氢气可用于燃料电池。试完成下列问题：(1)太阳光分解海水时，实现了从__________能转化为________能，二氧化钛作________。生成的氢气，用于燃料电池时，实现________能转化为________能。水分解时，断裂的化学键为________，分解海水的反应属于________反应(填“放热”或“吸热”)。(2)某种燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质，两极上发生的电极反应分别为A极：2H2＋2O2－－4e－===2H2O；B极：O2＋4e－===2O2－。则A极是电池的________极，电子从该极________(填“流入”或“流出”)。10．(2013·泰州高一检测)下列是用化学方程式表示的化学变化，请在每小题后的横线上注明能量的转化形式：(1)C2H5OH＋3O2eq\o(――→,\s\up14(点燃))2CO2＋3H2O：______________________________。(2)Pb＋PbO2＋4H＋＋2SOeq\o\al(2－,4)eq\o(,\s\up14(放电),\s\do14(充电))2PbSO4＋2H2O(充电的过程)：_____________________。(3)Zn＋2MnO2＋2NH4Cleq\o(=====,\s\up14(放电))ZnCl2＋2MnOOH＋2NH3↑：___________________________。(4)2Mg＋O2eq\o(=====,\s\up14(点燃))2MgO：_______________________________________。(5)6CO2＋6H2Oeq\o(――→,\s\up14(光),\s\do14(叶绿素))C6H12O6＋6O2：____________________________。__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________一．选择题1．人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”(包括风能、生物质能等太阳能的转换形态)，届时人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”。下列说法不正确的是A．煤、石油和天然气都属于碳素燃料B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应C．太阳能电池可将太阳能直接转化为电能D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明2．下列叙述中，正确的是A．工业有机废弃物、动物粪便不可能是生物质能B．生物质能一定是与生物有关的能量C．只有农业废弃物、水生植物、油料植物中蕴含着丰富的生物质能D．垃圾处理厂可以把大量生活垃圾中的生物质能转化为热能、电能，减轻了垃圾占地给城市造成的压力，大大改善了城市环境，增强了市民的环保意识3．下列能量利用属于生物质能利用的是A．石油气、天然气用作家庭燃料B．农村用沼气池产生的沼气作燃料C．太阳能热水器D．汽油多用于汽车燃料4．H2是一种很有前途的能源，以水为原料大量制取H2，最理想的途径是A．2H2Oeq\o(=====,\s\up15(太阳能),\s\do5())2H2↑＋O2↑B．C＋H2O(g)eq\o(=====,\s\up15(高温),\s\do5())CO＋H2C．3Fe＋4H2O(g)eq\o(=====,\s\up15(高温),\s\do5())Fe3O4＋4H2D．2H2Oeq\o(=====,\s\up15(通电),\s\do5())2H2↑＋O2↑5．据报道，某国一集团拟在太空建造巨大的集光装置，把太阳光变成激光用于分解海水制氢：2H2Oeq\o(=====,\s\up15(激光),\s\do5())2H2↑＋O2↑。下列说法不正确的是A．水的分解反应是放热反应B．氢气是二次能源C．使用氢气作燃料有助于控制温室效应D．若用生成的氢气与空气中多余的二氧化碳反应生成甲醇储存起来，可以改善生存环境6．绿色能源是人类理想的能源，不会造成环境污染，下列能源不属于绿色能源的是A．氢能源B．太阳能C．风能D．石油7．下列有关太阳能的利用方式以及列举的实例错误的是A．直接利用太阳辐射能的基本方式有四种：光—热转换、光—电转换、光—化学能转化和光—生物质能转换B．太阳能热水器是一种光—热转换形式C．绿色植物进行的光合作用，是一种光—生物质能转换，它的本质是光—化学能转换D．将电能通过用电器进行照明的过程是一种光—电能转换过程8．“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9．(双选)氢气虽然是一种理想的绿色能源，但目前仍处在研究、试验阶段，还未得到广泛应用，其原因可能是A．氢气虽可由水制备获得，但水资源严重匮乏B．氢气制备耗能巨大，廉价制氢技术尚未成熟C．氢气贮存、运输等安全技术尚未很好地解决D．氢气燃烧产物虽无污染，但其放出热量较少二．填空题10．沼气是一种廉价的能源。农村富有大量的秸秆、杂草等废弃物，它们经微生物发酵之后，便可产生沼气，可以用来点火做饭。(1)已知(C6H10O5)n＋nH2Oeq\o(――→,\s\up14(细菌),\s\do14())3nCO2＋3nCH4＋能量，请设想出这个总反应的实际价值与意义。(2)煤的主要成分是碳，写出煤和沼气中的主要成分燃烧过程的化学方程式___________________________________________；并指出哪一种燃料对环境污染小？________。(3)我国农村大约有700万个沼气发生池，如果每个沼气池平均每天产生2m3沼气(主要是CH4)，每摩尔CH4完全燃烧能放出890kJ的热量。计算每天可节约燃烧值为3.36×104kJ·kg－1(4)若建立沼气发电站，可以实现把_______