高一化学学案：互动课堂第四单元太阳能、生物质能和氢能的利用

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精互动课堂疏导引导1。太阳能(1)太阳能的利用目前，人类所需能量的绝大部分是直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。这部分能量为人类和动物界的生存提供了能源。煤炭、石油、天然气、油叶岩等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的.它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。从数量上看，太阳能非常巨大,理论计算表明，太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于500多万吨煤燃烧时放出的热量;一年就有相当于170万亿吨煤的热量，现在全世界一年消耗的能量还不及它的万分之一。但是，到达地球表面的太阳能只有1‰-2‰被植物吸收，并转变成化学能贮存起来,其余绝大部分都转换成热，散发到宇宙空间去了。（2)太阳能的利用方法(主要有四种方式）①光-—热转换：利用太阳辐射能加热物体而获得热能。如地膜、大棚、温室、太阳能热水器、反射式太阳灶、高温太阳炉等。②光——电转换Ⅰ光—热—电转换方式是由太阳能集热器发电，太阳能集热器吸收的热能使水转换为水蒸汽，再驱动汽轮机发电。Ⅱ光—电直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换为电能，其基本装置就是太阳能电池,它适用于电子仪器、光电信号器件、无人中继站、高山气象站等。③光-—化学能转换:20世纪90年代，我国一些农场、农村地区，把装在密闭包装袋里的十水硫酸钠晶体，白天放在阳光下暴晒，当温度达到25℃时，硫酸钠水合晶体失水，溶解吸热,夜里硫酸钠溶液结晶，重新析出水合晶体，释放热量。这是利用太阳能的一种简易方法。现在，人们已能利用太阳辐射能和催化剂使水分解(光解水)制得氢气。氢气是二级能源,用途很广，既可以作为燃料,又是化工原料。氢气可以用于合成天然气、石油。这是一种很有前途的光—-化学能转换方式。水在地球上的储量是极为丰富的，利用太阳能由水制氢是一种很有吸引力的途径,它也能从根本上改善目前人类利用能源的状况。④光—-生物质能转换主要是通过地球上众多植物的光合作用,将太阳辐射能转化为生物质能.光—-生物质能转换的本质即光-—化学能的转换。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，把光能转化为化学能。动物体内的淀粉、纤维素在酶的作用下,与水反应分解为葡萄糖，葡萄糖氧化生成二氧化碳和水又释放出能量。2。生物质能(1）生物质能的利用①生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中,生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种惟一可再生的能源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。生物质所含能量的多少与下列诸因素有密切的关系：品种、生长周期、繁殖与种植方法、收获方法、抗病抗灾性能、日照的时间与强度、环境的温度与湿度、雨量、土壤条件等，在太阳能直接转换的各种过程中，光合作用效率最低，光合作用的转化率约20.5%—5％,据估计温带地区植物光合作用的转化率按全年平均计算约为太阳全部辐射能的0。5%-2.5％，整个生物圈的平均转化率可达3％-5％。②生物质能具备下列优点：提供低硫燃料；提供廉价能源（于某些条件下）；将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料）;与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。至于其缺点有：小规模利用；植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；单位土地面积的有机物能量偏低；缺乏适合栽种植物的土地；有机物的水分偏多（50%—95％).世界上生物资源数量庞大，形式繁多,其中包括薪柴、农林作物(植物秸杆和树叶等)，尤其是为了生产能源而种植的能源作物、农业和林业残剩物、食品加工的下脚料、城市与工业的有机废弃物，生活污水和水生植物、油料植物、动物粪便等。（2）生物质能的利用方式①直接燃烧燃烧植物的枝叶获得热量是远古人类就利用的取热方法。若用纤维素代表植物枝叶的主要成份,燃烧反应可表示为：（C6H10O5）n+6nO26nCO2+5nH2O纤维素生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源,生产各种清洁燃料,替代煤炭、石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源,减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分.到2015年，全球总能耗将40%来自生物质能源。②生物化学转换将植物的秸秆、枝叶、杂草和人畜粪便加入沼气发酵池中，在厌氧条件下，经过沼气细菌的作用，生成沼气。沼气的主要成分是CH4,还含有CO2和少量H2S、NH3、PH3等。沼气也是应用十分广泛的气体燃料，在我国农村推广建造沼气池，不仅能有效地利用生物质能,还能为农业生产提供优良的肥料。用含糖类、淀粉较多的农作物（如玉米、高粱)为原料,在催化剂存在下，经水分解和细菌发酵，可以制成乙醇。乙醇可以直接作为燃料,也可以和汽油混合，作发动机燃料。(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O62C2H5OH+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。例如，在汽化炉内加热固体生物质，同时通入空气或水蒸气，或者隔绝空气高温加热生物质，使之发生复杂的化学反应产生可燃气体。3.氢能的开发和利用(1）氢气完全燃烧放出的热量是等质量汽油燃烧放出热量的3倍多，氢气燃烧的产物是水，不会污染环境且燃烧速率快，是理想的清洁燃料.液态氢还可用做火箭的燃料，又被人们称为“绿色能源”。(2)制备氢气的原料是水，资源不受限制。氢能的产生与利用途径如下：注意:①用电解法使水分解成H2和O2，需消耗大量电能，得不偿失。故常利用其他方法用水制备氢气。如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;还可利用蓝绿藻低等植物和微生物在阳光作用下释放出氢气。②氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运以及各种应用环境的不同要求，目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，是一种理想的新能源。(3）氢能利用的特点①所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0。0899g/L;在-252.7℃时,可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固态氢。②所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。③氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％,除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量大9000倍。④除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142341kJ·kg—1，是汽油发热值的3倍。⑤氢燃烧性能好、点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快.⑥氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁,除生成水外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。⑦贮氢合金的发现和应用，开辟了解决氢气贮存、运输难题的新途径。贮氢金属材料就是那些具备良好的吸收和释放氢气能力的金属或合金.在一定的温度、压力条件下,贮氢金属吸氢，形成氢化物。改变条件发生逆向反应再释放出气态氢。如：镧镍合金LaNi5+3H2LaNi5H6⑧氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：①廉价的制氢技术，因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。②安全可靠的贮氢和输氢方法，由于氢易汽化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键.活学巧用1.美国《科学美国人》杂志在1971年7月刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下表中数据:到达地球表面的太阳辐射的几条主要去路.直接反射52000×109kJ·s-1以热能方式离开地球81000×109kJ·s-1水循环40000×109kJ·s-1大气流动370×109kJ·s-1光合作用40×109kJ·s-1请选用以上数据计算：(1）地球对太阳能的利用率约为__________。(2）通过光合作用，每年有__________kJ的太阳能转化为化学能（每年按365天计）。（3)每年由绿色植物通过光合作用(6CO2+6H2OC6H12O6+6O2）为我们生存的环境除去二氧化碳的质量为A。试根据能量关系列出A的计算式.列式中缺少的数据用符号表示，A=__________kg。所缺数据的化学含义为__________。思路解析:（1）该题没有生硬地给出地球对太阳能的利用率是多少，而是提供了一组数据，通过对数据的比较、分析、计算，自己体会太阳能的利用前景，形式新颖，方法独特。获得的能量是水循环、大气运动和光合作用三部分.地球对太阳能的利用率：=0。233(2)每年转化成化学能：40×109kJ·s-1×365×24×60×60s=1.26×1018kJ(3）由6CO2+6H2OC6H12O6+6O2—Q6×44×10—3kgA1.26×1018kJA=由上方程式可得Q的含义，即表示每生成1molC6H12O6所吸收的热量(kJ）。答案：(1)0。233（2)1。26×1018(3）每生成1molC6H12O6所吸收的热量(kJ）2.光合作用使植物体内形成淀粉.若光合作用摄取了3molCO2，则生成淀粉的质量是（）A。81gB.92gC。103gD。162g思路解析:植物光合作用的化学方程式表示为：6nCO2+5nH2O(C6H10O5)n+6nO2淀粉即3molCO2能生成（C6H10O5)n为mol，故淀粉质量为mol×162ng·mol-1=81g.答案:A3.某厂用含淀粉质量分数为54％的薯干来制酒精。如果在发酵过程中有80%的淀粉转化为酒精，制取2t含水的质量分数为5%的酒精，需要薯干__________（吨)（保留两位小数)。思路解析：设需要薯干xt。其有关反应式为：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O62C2H5OH+2CO2(C6H10O5)n2nC2H5OH即162nt2n×46txt(1-5％）×2t故，x≈3。35.答案：3.354。能源是人类生存和发展的重要支撑因素。常规能源（煤、石油、天然气等）日益减少，促使人们去研究能源的利用率和新能源(如太阳能、氢能、核能等）的开发。（1)我国目前最主要的能源品种是_____________，能源利用中存在的主要问题是______________________________________。(2）为减少污染，提高原料利用率，下列措施可以达到目的的是____________________。a.将城市居民燃煤改为使用气体燃料b。若将原来烧天然气的灶具改烧石油液化气（主要成分为C3H8）,应增大空气进入量和减少液化气的进入量c。研制燃料电池d.在农村大力发展沼气(3)某些科学家对以下三个化学反应很感兴趣：①3FeCl2+4H2OFe3O4+6HCl+H2②2Fe3O4+3Cl2+12HCl====6FeCl3+6H2O+O2③6FeCl36FeCl2+3Cl2科学家想利用上述反应来制取一种很有意义的物质是__________，该物质作为燃料的主要优点有(至少填三点）________________________________.思路解析：我国目前最主要的能源是煤，利用率低和环境污染是主要问题，第（3)问中，若将三个化学反应加合起来，即为2H2O2H2↑+O2↑，实际上是制取H2的反应。答案：(1)煤;人均能源占有量少，能源利用率低，单位产值能耗高，污染环境。(2)a，b,c,d(3)氢气；①单位质量热值高,②燃烧产物只有水，对环境无污染，③来源(水）较为丰富。5。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：2H2O(l)====2H2（g)+O2（g）但该反应为吸热反应，请回答下列问题：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。煤、石油和天然气是一级能源D。水煤气、干馏煤气是一级能源思路解析：题中指出，只有自然界以现成形式存在的能源才属于一级能源。因此,煤、石油、天然气等化石燃料当属一级能源.因此，A、C两个选项正确.水煤气和干馏煤气都是煤经一系列处理后，间接制取的，应属二级能源。水力即利用水的动能和势能，一般应属于一级能源。答案：AC6。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，因此可研究在水不分解的情况下