化學(xué)必修2學(xué)案專題二第四單元太陽能生物質(zhì)能和氫能的利用

第四單元太陽能、生物質(zhì)能和氫能的利用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室目前發(fā)現(xiàn)，向海藻的生存環(huán)境中加入指定酶，能抑制海藻產(chǎn)生糖，從而使其轉(zhuǎn)向生產(chǎn)氫能。近年來，我國和美國、日本、加拿大、歐盟等都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃，把發(fā)展氫能作為21世紀(jì)新能源的戰(zhàn)略目標(biāo)。按照美國氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國將走進(jìn)“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代，氫能將取代化石能源成為廣泛使用的終端能源。1．了解利用太陽能的幾種常見方式。2．了解利用生物質(zhì)能開發(fā)沼氣和乙醇燃料的途徑和方法。3．簡單了解太陽能、生物質(zhì)能、氫能利用的現(xiàn)狀，了解開發(fā)利用太陽能的廣闊前景和尚未攻克的一些技術(shù)難題以及氫能源開發(fā)的價(jià)值與方向。4．認(rèn)識開發(fā)、利用高效、清潔能源的重要性和迫切性。一、太陽能的利用1．太陽能是地球上最基本的能源。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。2．大自然利用太陽能最成功的是植物的光合作用。植物體內(nèi)的葉綠素相當(dāng)于一個(gè)小型工廠，它在太陽光作用下，把CO2、H2O轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進(jìn)而生成淀粉、纖維素等，從而把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。(1)光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方程式：6CO2＋6H2Oeq\o(→,\s\up17(光),\s\do15(葉綠素))C6H12O6＋6O2。(2)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的方程式：C6H12O6＋6O2→6H2O＋6CO2。二、生物質(zhì)能的利用1．生物質(zhì)的定義生物質(zhì)是指一切有生命的可以生長的有機(jī)物質(zhì)，它包括世界上所有的動(dòng)物、植物和微生物，以及由這些生物產(chǎn)生的排泄物和代謝物。各種生物質(zhì)都具有一定的能量，稱之為生物質(zhì)能量。2．生物質(zhì)能的含義生物質(zhì)能來源于植物及其加工產(chǎn)品所貯存的能量。生物質(zhì)能包括農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市與工業(yè)有機(jī)廢棄物、動(dòng)物糞便等。3．生物質(zhì)能的利用方式(1)直接燃燒(用化學(xué)方程式表示)：(C6H10O5)n＋6nO2eq\o(→,\s\up17(點(diǎn)燃))6nCO2＋5nH2O。(2)生物化學(xué)轉(zhuǎn)換：C6H12O6eq\o(→,\s\up17(酶))2C2H5OH＋2CO2↑。(3)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換：使生物質(zhì)在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱值較高的可燃?xì)怏w。三、氫能的開發(fā)與利用1．氫能是一種理想的綠色能源的理由(1)熱值高。(2)資源豐富。(3)燃燒產(chǎn)物是水，無污染。2．氫能利用急需解決的問題(1)用水制備氫氣的能耗問題。在光分解催化劑作用下，通過太陽能分解水制氫氣，是主要研究方向。(2)貯存和運(yùn)輸氫氣的問題?，F(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了儲氫金屬，正在解決氫氣貯存、運(yùn)輸困難的問題。(3)高壓氫氣、氧氣制氫氧燃料電池是氫能源利用的一個(gè)重要方向。探究點(diǎn)一太陽能的利用方式1．太陽能太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變所釋放的能量。太陽能是地球上最基本、最豐富的能源。深化拓展：太陽能的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：太陽能是巨大、無盡的能源；太陽能可以為人類共享，可免費(fèi)使用；太陽能對環(huán)境無任何污染。缺點(diǎn)：受季節(jié)、地區(qū)、氣候等影響，不能維持常量等。2．太陽能的利用方式太陽能與其他能源有什么關(guān)系？提示：【例1】下列有關(guān)太陽能利用的敘述不正確的是()A．太陽能熱水器是將光能轉(zhuǎn)化為熱能B．太陽能電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能C．光解水制氫氣是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能D．水力發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能【思路分析】地球上最基本的能源是太陽能，水力發(fā)電的原理是：太陽輻射能使地表上的水分蒸發(fā)形成云雨，雨后江、河上游水位升高，形成落差，推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電，是太陽能間接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能?！窘馕觥刻柲艿睦梅绞椒譃橹苯永煤烷g接利用。直接利用太陽輻射能有四種基本方式：①光—熱轉(zhuǎn)換(如太陽能熱水器、溫室、地膜等)；②光—電轉(zhuǎn)換(如太陽能電池等)；③光—化學(xué)能轉(zhuǎn)換(如Na2SO4·10H2O晶體的溶解吸熱和結(jié)晶放熱、光解水等)；④光—生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換(如綠色植物的光合作用，其本質(zhì)也是光—化學(xué)能轉(zhuǎn)換)。水力發(fā)電、礦物燃料則是間接利用太陽能?！敬鸢浮緿利用太陽能使燃料循環(huán)使用有如下構(gòu)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實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)思和方案的關(guān)鍵是(A)A．如何使物質(zhì)吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)B．尋找催化劑C．利用光能D．利用綠色植物解析：題述4個(gè)反應(yīng)都符合物質(zhì)化學(xué)變化中的元素、質(zhì)量守恒，有關(guān)物質(zhì)也是客觀存在的，但在當(dāng)前人們已知的光照條件下，4個(gè)反應(yīng)都不能發(fā)生。從物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化過程中的化學(xué)鍵變化和能量變化角度來看，只要有足夠的光能，上述4個(gè)反應(yīng)都能夠發(fā)生。因此，實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)思和方案的關(guān)鍵是如何使物質(zhì)吸收光能轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。上述構(gòu)思和方案的目的是利用太陽能，因此尋找催化劑不屬于實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)思和方案的關(guān)鍵。探究點(diǎn)二能源的分類從不同的標(biāo)準(zhǔn)可以把能源分成多種類型，常見的有以下幾種形式：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、天然氣、原煤、油頁巖、核燃料、風(fēng)能、太陽能、海洋能、潮汐能等。而由一次能源直接或間接加工后轉(zhuǎn)換成其他種類或形式的能源，叫二次能源，如煤氣、焦炭、汽油、煤油、柴油、電、人造石油、氫氣、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、天然氣、油頁巖、核燃料鈾、釷等都是億萬年前自然界中留下來的，用一點(diǎn)少一點(diǎn)，無法得到補(bǔ)充，總有一天會枯竭，因此被稱為不可再生能源。而像太陽能、水能、風(fēng)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．清潔能源或綠色能源一次能源中的煤、石油和核能等，在使用過程中會產(chǎn)生諸如“酸雨”“溫室效應(yīng)”“核污染”等環(huán)境污染問題，被認(rèn)為是不清潔能源或非綠色能源。清潔能源或綠色能源是個(gè)相對概念，是指使用時(shí)不產(chǎn)生或少產(chǎn)生環(huán)境污染的能源，如太陽能、氫能、地?zé)岬鹊叵履?、潮汐等海洋能；風(fēng)能等地面能。另外，能源也可分為常規(guī)能源或傳統(tǒng)能源和新能源，根據(jù)人類使用的階段分成柴草能源、化石能源和多能源(太陽能、氫能、核能、生物質(zhì)能等)等不同類型。4．可再生能源可再生能源是指在自然界中可以不斷再生、連續(xù)利用、取之不盡、用之不竭的資源，它對環(huán)境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用。可再生能源主要包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿取ｏL(fēng)能是指風(fēng)所負(fù)載的能量，風(fēng)能的大小取決于風(fēng)速和空氣的密度。我國北方地區(qū)和東南沿海地區(qū)一些島嶼，風(fēng)能資源豐富。據(jù)國家氣象部門有關(guān)資料顯示，我國陸地可開發(fā)利用的風(fēng)能資源為2.53億千瓦，主要分布在東南沿海及島嶼，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)。此外，我國海上風(fēng)能資源也很豐富，初步估計(jì)是陸地風(fēng)能資源的3倍左右，可開發(fā)利用的資源總量為7.5億千瓦。太陽能是指太陽所負(fù)載的能量，一般以陽光照射到地面的輻射總量來計(jì)算，包括太陽的直接輻射和天空散射輻射的總和。太陽能的利用方式主要有：光伏(太陽能電池)發(fā)電系統(tǒng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能；太陽能聚熱系統(tǒng)，利用太陽的熱能產(chǎn)生電能；被動(dòng)式太陽房；太陽能熱水系統(tǒng)；太陽能取暖和制冷。水的流動(dòng)可產(chǎn)生能量，通過捕獲水流動(dòng)的能量發(fā)電，稱為水電。小水電站在我國是指總裝機(jī)容量小于或等于5萬千瓦的水電站。生物質(zhì)能包括自然界可用作能源用途的各種植物、人畜排泄物以及城鄉(xiāng)有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化成的能源，如薪柴、沼氣、生物柴油、燃料乙醇、林業(yè)加工廢棄物、農(nóng)作物秸稈、城市有機(jī)垃圾、工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢水和其他野生植物等。地?zé)崮苁琴A存在地下巖石和流體中的熱能，它可以用來發(fā)電，也可以為建筑物供熱和制冷。根據(jù)測算，全球潛在地?zé)豳Y源總量相當(dāng)于每年493億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。海洋能是潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能和海流能的統(tǒng)稱，海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、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陽對地球的吸引力，漲潮和落潮之間所負(fù)載的能量稱之為潮汐能；潮汐和風(fēng)又形成了海洋波浪，從而產(chǎn)生波浪能；太陽照射在海洋的表面，使海洋的上部和底部形成溫差，從而形成溫差能。所有這些形式的海洋能都可以用來發(fā)電?！纠?】凡是能夠提供某種形式能量的物質(zhì)，統(tǒng)稱為能源。(1)“能源分類相關(guān)圖”如圖所示，下列四組能源選項(xiàng)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、生物質(zhì)能、天然氣C．太陽能、風(fēng)能、沼氣 D．地?zé)崮?、海洋能、核?2)煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能作為能源的共同特點(diǎn)是()A．可再生能源，取之不盡，用之不竭B．不可再生能源，用一點(diǎn)，少一點(diǎn)C．來自太陽輻射的能量D．污染環(huán)境的能源【思路分析】圖中陰影部分所示的能源必須為新能源、可再生且來自太陽輻射，此類題目綜合性強(qiáng)，解題時(shí)主要從太陽能、生物質(zhì)能、新能源方向入手?！窘馕觥?1)所列能源中屬于新能源的是潮汐能、生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、沼氣、地?zé)崮?、海洋能、核能；來自太陽輻射的能源是煤炭、石油、水能、生物質(zhì)能、天然氣、太陽能、風(fēng)能、沼氣、海洋能(如海水溫差能)；屬于可再生能源的是潮汐能、水能、生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、沼氣、海洋能。(2)所列的四種能源都來自太陽輻射的能量；若合理利用，不會對環(huán)境產(chǎn)生太大的影響；其中生物質(zhì)能是可再生能源，其余的都是不可再生能源。【答案】(1)C(2)C下列對能源的看法不合理的是(D)A．風(fēng)能是人類通過風(fēng)車等工具獲取的能源，但屬于一次能源B．生物質(zhì)能是一種可再生能源，有廣泛的應(yīng)用前景C．太陽能、氫能、核能、地?zé)崮芏紝儆谛履茉碊．化石燃料與人類生活密切相關(guān)，要多開采，多使用1．下列說法中錯(cuò)誤的是(D)A．人類目前直接利用的能量大部分是由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的B．煤、石油、天然氣是當(dāng)今世界最重要的三種化石燃料C．我國目前最主要的能源是煤炭D．人體運(yùn)動(dòng)所消耗的能量與化學(xué)反應(yīng)無關(guān)解析：人體運(yùn)動(dòng)所消耗的能量來自食物，食物轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康倪^程就是發(fā)生化學(xué)變化的過程。2．下列有關(guān)能源和能量轉(zhuǎn)換的敘述正確的是(A)A．推廣使用太陽能、風(fēng)能、海洋能、氫能，有利于緩解溫室效應(yīng)B．乙醇和汽油都是可再生能源，應(yīng)大力推廣“乙醇汽油”C．普通鋅錳干電池不含環(huán)境污染物，用完后可以隨意扔掉，使用方便D．燃料電池是利用燃料燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源3．2010年，深圳一躍成為全國機(jī)動(dòng)車密度最高的城市，出行越來越成為人們的心頭事，出行的工具五花八門，使用的能源也各不相同。自行車、電動(dòng)自行車、普通汽車消耗能量的類型分別是(B)①生物質(zhì)能②核能③電能④太陽能⑤化學(xué)能⑥氫能A．①④⑤ B．①③⑤C．①②③ D．①③④解析：自行車需要人來騎行，為人的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為自行車的動(dòng)能；電動(dòng)自行車是利用電池來提供能量的，電池的電能轉(zhuǎn)化為電動(dòng)自行車的動(dòng)能；普通汽車消耗化石燃料，化石燃料燃燒消耗化學(xué)能。4．下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的認(rèn)識中不正確的是(D)A．電解水生成氫氣和氧氣時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．“生物質(zhì)能”主要指用樹木、莊稼、草類等植物直接或間接提供的能量，因此利用生物質(zhì)能就是間接利用太陽能C．煤燃燒時(shí)，化學(xué)能主要轉(zhuǎn)化為熱能D．葡萄糖在人體組織中發(fā)生緩慢氧化時(shí)，熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能解析：葡萄糖在人體組織中發(fā)生緩慢氧化時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，D不正確。5．為消除目前燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境污染，同時(shí)緩解能源危機(jī)，有關(guān)專家提出了利用太陽能制取氫能的構(gòu)想。下列說法正確的是(C)A．H2O的分解反應(yīng)是放熱反應(yīng)B．氫能源已被普遍使用C．2molH2O具有的總能量低于2molH2和1molO2的能量D．氫氣不易儲存和運(yùn)輸，無開發(fā)利用價(jià)值解析：2H2O=2H2↑＋O2↑是吸熱反應(yīng)，說明2molH2O的能量低于2molH2和1molO2的能量。由水制取H2耗能多且H2不易儲存和運(yùn)輸，所以氫能源利用并未普及，但發(fā)展前景廣闊。6．能源可劃分為一級能源和二級能源。自然界中以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一級能源，需依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級能源。氫氣是一種高效且沒有污染的二級能源，它可以由自然界中大量存在的水來制?。?H2O(l)=2H2(g)＋O2(g)ΔH＝＋571.6kJ·mol－1回答(1)(2)(3)小題。(1)下列敘述正確的是(AC)A．電能是二級能源 B．水力是二級能源C．天然氣是一級能源 D．焦?fàn)t氣是一級能源(2)已知CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(l)＋CO2(g)ΔH＝－890.3kJ·mol－1。1gH2和1gCH4分別燃燒后，放出的熱量之比是(C)A．13.4 B．11.7C．2.61 D．4.61(3)關(guān)于用水制取二級能源氫氣，以下研究方向不正確的是(AC)A．構(gòu)成水的氫和氧都是可以燃燒的物質(zhì)，因此可研究在水不分解的情況下，使氫氣成為二級能源B．設(shè)法將太陽光聚焦，產(chǎn)生高溫，使水分解產(chǎn)生氫氣C．尋找高效催化劑，使水分解產(chǎn)生氫氣，同時(shí)釋放能量D．尋找特殊化學(xué)物質(zhì)，用于開發(fā)廉價(jià)能源，以分解水制取氫氣解析：審題是做題的開始，能源劃分為一級能源和二級能源。一級能源指自然界中以現(xiàn)成的形式提供的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能等。二級能源需要依靠其他能源的能量間接制取的能源，如電能、焦?fàn)t氣、水煤氣、H2等。二者的主要區(qū)別在于一級能源在自然界中是現(xiàn)成的，可直接用；而二級能源是制取的，自然界中沒有。(1)據(jù)題意，天然氣為一級能源。電能是由其他能源產(chǎn)生的，屬于二級能源。焦?fàn)t氣(含H2、CH4等)是煉煤的產(chǎn)物，是從煤間接制得的，屬于二級能源。水力一般是利用其動(dòng)能和勢能做功，屬于一級能源。(2)依據(jù)熱化學(xué)方程式，每克H2和每克CH4完全燃燒時(shí)放出的熱量分別為Q(H2)＝eq\f(571.6kJ,4g)＝142.9kJ·g－1，Q(CH4)＝eq\f(890.3kJ,16g)＝55.64kJ·g－1，之比為142.955.64＝2.61。(3)A中，原子和分子是兩種性質(zhì)不同的微觀粒子，