高一化學(xué)學(xué)案：互動(dòng)課堂第四單元太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和氫能的利用

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精互動(dòng)課堂疏導(dǎo)引導(dǎo)1。太陽(yáng)能(1)太陽(yáng)能的利用目前，人類所需能量的絕大部分是直接或間接地來(lái)自太陽(yáng)。正是各種植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來(lái)。這部分能量為人類和動(dòng)物界的生存提供了能源。煤炭、石油、天然氣、油葉巖等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的.它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。從數(shù)量上看，太陽(yáng)能非常巨大,理論計(jì)算表明，太陽(yáng)每秒鐘輻射到地球上的能量相當(dāng)于500多萬(wàn)噸煤燃燒時(shí)放出的熱量;一年就有相當(dāng)于170萬(wàn)億噸煤的熱量，現(xiàn)在全世界一年消耗的能量還不及它的萬(wàn)分之一。但是，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能只有1‰-2‰被植物吸收，并轉(zhuǎn)變成化學(xué)能貯存起來(lái),其余絕大部分都轉(zhuǎn)換成熱，散發(fā)到宇宙空間去了。（2)太陽(yáng)能的利用方法(主要有四種方式）①光-—熱轉(zhuǎn)換：利用太陽(yáng)輻射能加熱物體而獲得熱能。如地膜、大棚、溫室、太陽(yáng)能熱水器、反射式太陽(yáng)灶、高溫太陽(yáng)爐等。②光——電轉(zhuǎn)換Ⅰ光—熱—電轉(zhuǎn)換方式是由太陽(yáng)能集熱器發(fā)電，太陽(yáng)能集熱器吸收的熱能使水轉(zhuǎn)換為水蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。Ⅱ光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng),將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，其基本裝置就是太陽(yáng)能電池,它適用于電子儀器、光電信號(hào)器件、無(wú)人中繼站、高山氣象站等。③光-—化學(xué)能轉(zhuǎn)換:20世紀(jì)90年代，我國(guó)一些農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)村地區(qū)，把裝在密閉包裝袋里的十水硫酸鈉晶體，白天放在陽(yáng)光下暴曬，當(dāng)溫度達(dá)到25℃時(shí)，硫酸鈉水合晶體失水，溶解吸熱,夜里硫酸鈉溶液結(jié)晶，重新析出水合晶體，釋放熱量。這是利用太陽(yáng)能的一種簡(jiǎn)易方法?，F(xiàn)在，人們已能利用太陽(yáng)輻射能和催化劑使水分解(光解水)制得氫氣。氫氣是二級(jí)能源,用途很廣，既可以作為燃料,又是化工原料。氫氣可以用于合成天然氣、石油。這是一種很有前途的光—-化學(xué)能轉(zhuǎn)換方式。水在地球上的儲(chǔ)量是極為豐富的，利用太陽(yáng)能由水制氫是一種很有吸引力的途徑,它也能從根本上改善目前人類利用能源的狀況。④光—-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)地球上眾多植物的光合作用,將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能.光—-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換的本質(zhì)即光-—化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。在太陽(yáng)光作用下,植物體內(nèi)的葉綠素把水、二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進(jìn)而生成淀粉、纖維素，把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。動(dòng)物體內(nèi)的淀粉、纖維素在酶的作用下,與水反應(yīng)分解為葡萄糖，葡萄糖氧化生成二氧化碳和水又釋放出能量。2。生物質(zhì)能(1）生物質(zhì)能的利用①生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式,一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用，在各種可再生能源中,生物質(zhì)是獨(dú)特的，它是貯存的太陽(yáng)能，更是一種惟一可再生的能源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)所含能量的多少與下列諸因素有密切的關(guān)系：品種、生長(zhǎng)周期、繁殖與種植方法、收獲方法、抗病抗災(zāi)性能、日照的時(shí)間與強(qiáng)度、環(huán)境的溫度與濕度、雨量、土壤條件等，在太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換的各種過(guò)程中，光合作用效率最低，光合作用的轉(zhuǎn)化率約20.5%—5％,據(jù)估計(jì)溫帶地區(qū)植物光合作用的轉(zhuǎn)化率按全年平均計(jì)算約為太陽(yáng)全部輻射能的0。5%-2.5％，整個(gè)生物圈的平均轉(zhuǎn)化率可達(dá)3％-5％。②生物質(zhì)能具備下列優(yōu)點(diǎn)：提供低硫燃料；提供廉價(jià)能源（于某些條件下）；將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害(例如，垃圾燃料）;與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術(shù)上的難題較少。至于其缺點(diǎn)有：小規(guī)模利用；植物僅能將極少量的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成有機(jī)物；單位土地面積的有機(jī)物能量偏低；缺乏適合栽種植物的土地；有機(jī)物的水分偏多（50%—95％).世界上生物資源數(shù)量龐大，形式繁多,其中包括薪柴、農(nóng)林作物(植物秸桿和樹(shù)葉等)，尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物、農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘剩物、食品加工的下腳料、城市與工業(yè)的有機(jī)廢棄物，生活污水和水生植物、油料植物、動(dòng)物糞便等。（2）生物質(zhì)能的利用方式①直接燃燒燃燒植物的枝葉獲得熱量是遠(yuǎn)古人類就利用的取熱方法。若用纖維素代表植物枝葉的主要成份,燃燒反應(yīng)可表示為：（C6H10O5）n+6nO26nCO2+5nH2O纖維素生物質(zhì)燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重。通過(guò)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可以高效地利用生物質(zhì)能源,生產(chǎn)各種清潔燃料,替代煤炭、石油和天然氣等燃料，生產(chǎn)電力。而減少對(duì)礦物能源的依賴，保護(hù)國(guó)家能源資源,減輕能源消費(fèi)給環(huán)境造成的污染。專家認(rèn)為，生物質(zhì)能源將成為未來(lái)持續(xù)能源重要部分.到2015年，全球總能耗將40%來(lái)自生物質(zhì)能源。②生物化學(xué)轉(zhuǎn)換將植物的秸稈、枝葉、雜草和人畜糞便加入沼氣發(fā)酵池中，在厭氧條件下，經(jīng)過(guò)沼氣細(xì)菌的作用，生成沼氣。沼氣的主要成分是CH4,還含有CO2和少量H2S、NH3、PH3等。沼氣也是應(yīng)用十分廣泛的氣體燃料，在我國(guó)農(nóng)村推廣建造沼氣池，不僅能有效地利用生物質(zhì)能,還能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)良的肥料。用含糖類、淀粉較多的農(nóng)作物（如玉米、高粱)為原料,在催化劑存在下，經(jīng)水分解和細(xì)菌發(fā)酵，可以制成乙醇。乙醇可以直接作為燃料,也可以和汽油混合，作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O62C2H5OH+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。例如，在汽化爐內(nèi)加熱固體生物質(zhì)，同時(shí)通入空氣或水蒸氣，或者隔絕空氣高溫加熱生物質(zhì)，使之發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w。3.氫能的開(kāi)發(fā)和利用(1）氫氣完全燃燒放出的熱量是等質(zhì)量汽油燃燒放出熱量的3倍多，氫氣燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)污染環(huán)境且燃燒速率快，是理想的清潔燃料.液態(tài)氫還可用做火箭的燃料，又被人們稱為“綠色能源”。(2)制備氫氣的原料是水，資源不受限制。氫能的產(chǎn)生與利用途徑如下：注意:①用電解法使水分解成H2和O2，需消耗大量電能，得不償失。故常利用其他方法用水制備氫氣。如在光分解催化劑存在下,在特定的裝置中，利用太陽(yáng)能分解水制氫氣;還可利用藍(lán)綠藻低等植物和微生物在陽(yáng)光作用下釋放出氫氣。②氫能利用形式多，既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。用氫代替煤和石油，不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用。氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)以及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求，目前液氫已廣泛用作航天動(dòng)力的燃料，是一種理想的新能源。(3）氫能利用的特點(diǎn)①所有元素中，氫重量最輕。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為0。0899g/L;在-252.7℃時(shí),可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓，液氫就可變?yōu)楣虘B(tài)氫。②所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍，因此在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體。③氫是自然界存在最普遍的元素，據(jù)估計(jì)它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％,除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來(lái)，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量大9000倍。④除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142341kJ·kg—1，是汽油發(fā)熱值的3倍。⑤氫燃燒性能好、點(diǎn)燃快,與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍，而且燃點(diǎn)高，燃燒速度快.⑥氫本身無(wú)毒，與其他燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔,除生成水外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì),而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。⑦貯氫合金的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，開(kāi)辟了解決氫氣貯存、運(yùn)輸難題的新途徑。貯氫金屬材料就是那些具備良好的吸收和釋放氫氣能力的金屬或合金.在一定的溫度、壓力條件下,貯氫金屬吸氫，形成氫化物。改變條件發(fā)生逆向反應(yīng)再釋放出氣態(tài)氫。如：鑭鎳合金LaNi5+3H2LaNi5H6⑧氫能的大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還有待解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：①廉價(jià)的制氫技術(shù)，因?yàn)闅涫且环N二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氫效率很低，因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)的制氫技術(shù)是各國(guó)科學(xué)家共同關(guān)心的問(wèn)題。②安全可靠的貯氫和輸氫方法，由于氫易汽化、著火、爆炸，因此如何妥善解決氫能的貯存和運(yùn)輸問(wèn)題也就成為開(kāi)發(fā)氫能的關(guān)鍵.活學(xué)巧用1.美國(guó)《科學(xué)美國(guó)人》雜志在1971年7月刊登的“地球的能量資源”一文中提供了如下表中數(shù)據(jù):到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的幾條主要去路.直接反射52000×109kJ·s-1以熱能方式離開(kāi)地球81000×109kJ·s-1水循環(huán)40000×109kJ·s-1大氣流動(dòng)370×109kJ·s-1光合作用40×109kJ·s-1請(qǐng)選用以上數(shù)據(jù)計(jì)算：(1）地球?qū)μ?yáng)能的利用率約為_(kāi)_________。(2）通過(guò)光合作用，每年有__________kJ的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（每年按365天計(jì)）。（3)每年由綠色植物通過(guò)光合作用(6CO2+6H2OC6H12O6+6O2）為我們生存的環(huán)境除去二氧化碳的質(zhì)量為A。試根據(jù)能量關(guān)系列出A的計(jì)算式.列式中缺少的數(shù)據(jù)用符號(hào)表示，A=__________kg。所缺數(shù)據(jù)的化學(xué)含義為_(kāi)_________。思路解析:（1）該題沒(méi)有生硬地給出地球?qū)μ?yáng)能的利用率是多少，而是提供了一組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的比較、分析、計(jì)算，自己體會(huì)太陽(yáng)能的利用前景，形式新穎，方法獨(dú)特。獲得的能量是水循環(huán)、大氣運(yùn)動(dòng)和光合作用三部分.地球?qū)μ?yáng)能的利用率：=0。233(2)每年轉(zhuǎn)化成化學(xué)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的含義，即表示每生成1molC6H12O6所吸收的熱量(kJ）。答案：(1)0。233（2)1。26×1018(3）每生成1molC6H12O6所吸收的熱量(kJ）2.光合作用使植物體內(nèi)形成淀粉.若光合作用攝取了3molCO2，則生成淀粉的質(zhì)量是（）A。81gB.92gC。103gD。162g思路解析:植物光合作用的化學(xué)方程式表示為：6nCO2+5nH2O(C6H10O5)n+6nO2淀粉即3molCO2能生成（C6H10O5)n為mol，故淀粉質(zhì)量為mol×162ng·mol-1=81g.答案:A3.某廠用含淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54％的薯干來(lái)制酒精。如果在發(fā)酵過(guò)程中有80%的淀粉轉(zhuǎn)化為酒精，制取2t含水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的酒精，需要薯干__________（噸)（保留兩位小數(shù))。思路解析：設(shè)需要薯干xt。其有關(guān)反應(yīng)式為：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O62C2H5OH+2CO2(C6H10O5)n2nC2H5OH即162nt2n×46txt(1-5％）×2t故，x≈3。35.答案：3.354。能源是人類生存和發(fā)展的重要支撐因素。常規(guī)能源（煤、石油、天然氣等）日益減少，促使人們?nèi)パ芯磕茉吹睦寐屎托履茉?如太陽(yáng)能、氫能、核能等）的開(kāi)發(fā)。（1)我國(guó)目前最主要的能源品種是_____________，能源利用中存在的主要問(wèn)題是______________________________________。(2）為減少污染，提高原料利用率，下列措施可以達(dá)到目的的是____________________。a.將城市居民燃煤改為使用氣體燃料b。若將原來(lái)燒天然氣的灶具改燒石油液化氣（主要成分為C3H8）,應(yīng)增大空氣進(jìn)入量和減少液化氣的進(jìn)入量c。研制燃料電池d.在農(nóng)村大力發(fā)展沼氣(3)某些科學(xué)家對(duì)以下三個(gè)化學(xué)反應(yīng)很感興趣：①3FeCl2+4H2OFe3O4+6HCl+H2②2Fe3O4+3Cl2+12HCl====6FeCl3+6H2O+O2③6FeCl36FeCl2+3Cl2科學(xué)家想利用上述反應(yīng)來(lái)制取一種很有意義的物質(zhì)是__________，該物質(zhì)作為燃料的主要優(yōu)點(diǎn)有(至少填三點(diǎn)）________________________________.思路解析：我國(guó)目前最主要的能源是煤，利用率低和環(huán)境污染是主要問(wèn)題，第（3)問(wèn)中，若將三個(gè)化學(xué)反應(yīng)加合起來(lái)，即為2H2O2H2↑+O2↑，實(shí)際上是制取H2的反應(yīng)。答案：(1)煤;人均能源占有量少，能源利用率低，單位產(chǎn)值能耗高，污染環(huán)境。(2)a，b,c,d(3)氫氣；①單位質(zhì)量熱值高,②燃燒產(chǎn)物只有水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，③來(lái)源(水）較為豐富。5。能源可劃分為一級(jí)能源和二級(jí)能源,自然界中以現(xiàn)成形式提供的能源稱為一級(jí)能源;需要依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級(jí)能源.氫氣是一種高效而沒(méi)有污染的二級(jí)能源，它可以由自然界中大量存在的水來(lái)制?。?H2O(l)====2H2（g)+O2（g）但該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：下列敘述正確的是(）A。電能是二級(jí)能源B.水力是二級(jí)能源C。煤、石油和天然氣是一級(jí)能源D。水煤氣、干餾煤氣是一級(jí)能源思路解析：題中指出，只有自然界以現(xiàn)成形式存在的能源才屬于一級(jí)能源。因此,煤、石油、天然氣等化石燃料當(dāng)屬一級(jí)能源.因此，A、C兩個(gè)選項(xiàng)正確.水煤氣和干餾煤氣都是煤經(jīng)一系列處理后，間接制取的，應(yīng)屬二級(jí)能源。水力即利用水的動(dòng)能和勢(shì)能，一般應(yīng)屬于一級(jí)能源。答案：AC6。關(guān)于用水制取二級(jí)能源氫氣，以下研究方向不正確的是(）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