渝冀閩2018-2019版高中化學專題2化學反應與能量轉化第四單元太陽能生物質能和氫能的利用學案蘇教版必修2 .doc

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第四單元　太陽能、生物質能和氫能的利用 一、太陽能的利用 1．能源與太陽能 能源是人類生活和社會發(fā)展的基礎。地球上最基本的能源是太陽能。 2．太陽能利用的能量轉化方式 被吸收的太陽能化學能熱能、光能或電能 (1)太陽能轉化為化學能 ①物質轉化： 在太陽光作用下，植物體內的葉綠素把水、二氧化碳轉化為葡萄糖，進而生成淀粉、纖維素。 ②化學反應：6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2。 ③能量轉化：光能―→化學能。 (2)化學能轉化為熱能 ①物質轉化： 動物攝入體內的淀粉、纖維素能水解轉化為葡萄糖，其氧化生成二氧化碳和水，釋放出熱量，供給生命活動的需要。 ②化學反應：(C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6； C6H12O6＋6O2―→6H2O＋6CO2。 ③能量轉化：化學能―→熱能。 3．太陽能的利用 實例 能量轉化方式 直接利用 光合作用 光能轉化為化學能 太陽能熱水器 光能轉化為熱能 太陽能電池 光能轉化為電能 光解水制氫氣 光能轉化為化學能 間接利用 化石燃料 太陽能間接轉化為化學能 太陽能與其他能源的關系 例1　(2018寧波市期中)人類將在未來幾十年內逐漸由“碳素燃料文明時代”過渡至“太陽能文明時代”(包括風能、生物質能等太陽能的轉換形態(tài))，屆時人們將適應“低碳經濟”和“低碳生活”。下列說法不正確的是(　　) A．煤、石油和天然氣都屬于碳素燃料 B．發(fā)展太陽能經濟有助于減緩溫室效應 C．太陽能電池可將太陽能直接轉化為電能 D．目前研究菠菜蛋白質“發(fā)電”不屬于太陽能文明 答案　D 例2　下列屬于直接利用太陽輻射能的方式是(　　) ①光—熱轉換?、诠狻娹D換　③光—化學能轉換?、芄狻镔|能轉換 A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②③④ 答案　D 二、生物質能的利用 1．生物質包括農業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市與工業(yè)有機廢棄物和動物糞便等。 2．生物質能的來源：植物及其加工產品所貯存的能量。 3．生物質能的利用方式： (1)直接燃燒：植物枝葉的燃燒反應可表示為(以纖維素代表枝葉的主要成分)(C6H10O5)n＋6nO26nCO2＋5nH2O。 (2)生物化學轉換： ①用植物的秸稈、枝葉、雜草和人畜糞便等制取沼氣，其主要成分是CH4；同時提供優(yōu)良的肥料。 ②用含糖類、淀粉較多的農作物為原料制取乙醇。反應為 (C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6， C6H12O62C2H5OH＋2CO2↑。 (3)熱化學轉換：使生物質在一定條件下發(fā)生化學反應，產生熱值較高的可燃氣體。 生物質能的利用 利用方式 優(yōu)缺點 直接燃燒 利用效率低，影響生態(tài)環(huán)境 生物化學轉換 有效利用生物質能，還能提供優(yōu)良肥料等；燃燒特性好，有益于保護生態(tài)環(huán)境 熱化學轉換 功耗少、轉化率高、較易工業(yè)化 例3　下列有關生物質能的說法不正確的是(　　) A．生物質能是可再生能源 B．生物質能來源于太陽能 C．焚燒生活垃圾發(fā)電是將生物質能直接轉化為電能 D．玉米、高粱發(fā)酵制乙醇是生物質能轉化為化學能 答案　C 解析　生物質能來源于植物及其加工產品所貯存的能量，生物質能最終利用的結果：除釋放能量外，產生無污染的CO2和H2O，通過植物的光合作用，重新將太陽能轉化為生物質能，因此生物質能是可再生的新能源，A正確；光—生物質能的轉化本質是光—化學能的轉換，B正確；焚燒生活垃圾發(fā)電的能量轉化過程是：生物質能―→熱能―→電能，C不正確；含淀粉較高的農作物發(fā)酵制燃料乙醇是生物質能轉化為化學能，D正確。 例4　下列對于城市廢棄物中生物質能的利用不合理的是(　　) A．把廢棄物拉到鄉(xiāng)下找個地方埋掉 B．對廢棄物進行處理后焚燒，利用產生的熱能供熱和發(fā)電 C．把廢棄物進行生物化學轉化獲取甲烷 D．讓廢棄物在一定條件下發(fā)生化學反應，產生熱值較高的可燃性氣體 答案　A 解析　城市廢棄物中含有豐富的生物質能，埋掉是一種資源浪費，故A不合理；處理后焚燒利用產生的熱能供熱和發(fā)電，故B合理；將廢物進行生物化學轉化獲取甲烷、可燃性氣體均合理，故C、D合理。 三、氫能的開發(fā)和利用 1．能源特點 2．氫能開發(fā)利用的困難與解決方法 (1)困難：能耗高、儲存和運輸困難等。 (2)方法： ①在光分解催化劑存在條件下，在特定的裝置中，利用太陽能分解水制氫氣。 ②利用藍綠藻等低等植物和微生物在陽光作用下分解水釋放出氫氣。 ③發(fā)現和應用貯氫材料，解決氫氣的儲存和運輸問題。 氫能的產生和利用途徑 例5　(2018金華、溫州、臺州三市聯考)氫能是一種理想的“綠色能源”，以下有關氫能開發(fā)的方式中最理想的是(　　) A．大量建設水電站，用電力分解水制取氫氣 B．利用化石燃料燃燒放熱，使水高溫分解產生氫氣 C．在催化劑作用下，利用太陽能分解水制取氫氣 D．利用鐵等金屬與酸反應產生氫氣 答案　C 解析　消耗大量的電能，A錯誤；產生大量污染物，且造成能量的浪費，B錯誤；太陽能無污染，且取之不盡用之不竭，C正確；消耗大量的金屬，D錯誤。 思維啟迪——能源的分類 1．(2018襄陽高一期中)下列對能源的看法不合理的是(　　) A．風能是人類通過風車等工具獲取的能源，但屬于一次能源 B．生物質能是一種可再生能源，有廣泛的應用前景 C．太陽能、氫能、核能、地熱能都屬于新能源 D．化石燃料與人類生活密切相關，要多開采，多使用 答案　D 解析　風能可以直接從自然界獲得并加以利用，屬于一次能源，A正確；生物質能是自然界有生命的植物提供的，這些植物以生物質作為介質儲存太陽能，屬于再生能源，B正確；核能、太陽能、氫能、地熱能都是潔凈能源，是未來發(fā)展的新能源，C正確；化石燃料的貯量有限，是不可再生能源，故要節(jié)約、高效使用，避免資源枯竭，D錯誤。 2．“綠色化學”要求從根本上減少乃至杜絕污染。下列對農作物收割后留下的莖桿的處理方法中，不符合“綠色化學”的是(　　) A．就地焚燒 B．發(fā)酵后作農家肥 C．加工成精飼料 D．制造沼氣 答案　A 解析　就地焚燒會產生大量煙塵、含硫化合物造成霧霾等污染。 3．下列過程中的能量轉化，屬于太陽能轉化為生物質能的是(　　) A．石油燃燒 B．植物的光合作用 C．核電站發(fā)電 D．太陽能電池供電 答案　B 4．下列變化過程和對應的能量轉化關系錯誤的是(　　) A．植物光合作用：光能→生物質能 B．太陽能熱水器：太陽能→電能 C．石灰石高溫分解：熱能→化學能 D．鉛蓄電池：化學能→電能 答案　B 解析　太陽能熱水器是把太陽能轉化為熱能。 5．下列有關能源和能量轉換的敘述正確的是(　　) A．推廣使用太陽能、風能、海洋能、氫能，有利于緩解溫室效應 B．乙醇和汽油都是可再生能源，應大力推廣“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，將化學能轉化為熱能，然后再轉化為電能的化學電源 答案　A 解析　汽油是不可再生能源；廢舊電池會造成土壤污染、水污染等環(huán)境問題；原電池是把化學能轉化為電能的裝置。 [對點訓練] 題組一　太陽能的利用 1．下列有關太陽能的利用方式以及列舉的實例錯誤的是(　　) A．太陽能電池是一種光—電轉換形式 B．太陽能熱水器是一種光—熱轉換形式 C．綠色植物進行的光合作用，是一種光—生物質能轉換，它的本質是光—化學能轉換 D．風能是空氣流動形成的，與太陽能無關 答案　D 解析　光—電轉換、光—熱轉換、光—化學能轉換和光—生物質能轉換是太陽能利用的基本方式。它們都是把光能轉換成其他形式的能量的過程。風能形成的本質原因是太陽輻射使空氣受熱不均造成的，D項錯誤。 2．(2018云南廣南6月月考)有專家指出，如果對燃燒產物如二氧化碳、水、氮氣等利用太陽能使它們重新組合，使之能夠實現，可以節(jié)約燃料，緩解能源危機。在此構想的物質循環(huán)中太陽能最終轉化為(　　) A．化學能 B．熱能 C．生物質能 D．電能 答案　B 解析　由圖可以知道，太陽能首先轉化為化學能(燃料合成過程)，其次化學能轉化為熱能(燃料燃燒放出熱量)；B正確。 3．太陽能的開發(fā)和利用是21世紀一個重要課題。利用儲能介質儲存太陽能的原理是：白天在太陽照射下某種鹽熔化，吸收熱量，晚間熔鹽固化釋放出相應的能量，已知數據： 鹽 熔點(℃) 熔化吸熱(kJmol－1) 參考價格 (元t－1) CaCl26H2O 29.9 37.3 780～850 Na2SO410H2O 32.4 77.0 800～900 Na2HPO412H2O 35.1 100.1 1 600～2 000 Na2S2O35H2O 45.0 49.7 1 400～1 800 其中最適宜選用作為儲能介質的是(　　) A．CaCl26H2O B．Na2SO410H2O C．Na2HPO412H2O D．Na2S2O35H2O 答案　B 解析　適宜作為儲能介質的物質，應具有熔點較低，熔化時吸熱量較大，價格較低等特點，Na2SO410H2O最適合。 題組二　生物質能的利用 4．生物質能是綠色植物通過葉綠素將太陽能固化為化學能而貯存在生物質內部的能量，一直是人類賴以生存的重要能源。下列有關說法不正確的是(　　) A．農村通過雜草和動物的糞便發(fā)酵制沼氣，沼氣的主要成分是甲烷 B．推廣使用乙醇汽油，乙醇可由富含淀粉的谷物發(fā)酵產生 C．氫能可以通過電解海水，大量推廣使用 D．開發(fā)生物質能有利于環(huán)境保護和經濟可持續(xù)發(fā)展 答案　C 解析　電解海水可制得H2，但成本高，不能大量推廣使用。 5．能源與人類的生活和社會發(fā)展密切相關。下列關于能源開發(fā)和利用的說法正確的是(　　) A．用糧食發(fā)酵得到酒精代替汽油作汽車燃料 B．隨著科技的發(fā)展，氫氣將會成為主要能源 C．在農村不提倡利用沼氣作生活燃料 D．人類利用的能源都是通過化學反應獲得的 答案　B 解析　用糧食發(fā)酵得到酒精會消耗大量糧食，不符合我國糧食安全的國情，A錯；在農村提倡利用沼氣作生活燃料，C錯；人類利用的能源有的是通過化學反應獲得的，有的是自然界提供的，如水能、風能等，D錯。 題組三　氫能的開發(fā)與利用 6．氫氣是一種高效而無污染的理想能源。下列①～⑥是某化學興趣小組的學生查閱資料歸納出的工業(yè)上制取氫氣的方法，其中包括正在研究的方案： ①電解法：2H2O2H2↑＋O2↑ ②甲烷轉化法：CH4＋H2OCO＋3H2 ③水煤氣法：C＋H2O(g)CO＋H2 ④碳氫化合物熱裂解法：CH4C＋2H2 ⑤設法將太陽光聚集產生高溫使水分解：2H2O2H2↑＋O2↑ ⑥尋找高效催化劑使水分解產生H2 如果將來人類廣泛使用H2作為能源，你認為可行且有發(fā)展前途的方法是(　　) A．①⑤⑥ B．⑤⑥ C．③⑥ D．④⑤⑥ 答案　B 解析　甲烷轉化法、水煤氣法、碳氫化合物熱裂解法都需要消耗傳統的能源，電解法耗能大，制取的成本高，這些都不適合作為未來工業(yè)上制取氫氣的方法。太陽能能量巨大、時間長久、清潔安全，所以可以研究利用太陽能分解水制氫氣；催化劑可以大大加快反應速率，所以可以研究高效催化劑，使水在比較低的溫度下分解生成氫氣，降低反應的耗能。 7．科學家最近研究出一種環(huán)保、安全的儲氫方法，其原理可表示為NaHCO3＋H2HCOONa＋H2O。下列有關說法正確的是(　　) A．儲氫、釋氫過程均無能量變化 B．儲氫過程中，NaHCO3被氧化 C．NaHCO3、HCOONa均含有離子鍵和共價鍵 D．釋氫過程中，每消耗0.1 mol H2O放出2.24 L的H2 答案　C 解析　儲氫、釋氫過程均存在能量變化，A不正確；儲氫過程中，NaHCO3被H2還原，B不正確；NaHCO3中Na＋與HCO之間存在離子鍵，HCO中存在共價鍵，HCOONa中Na＋與HCOO－之間存在離子鍵，HCOO－中存在共價鍵，C正確；釋氫過程中，每消耗0.1 mol H2O放出0.1 mol H2，但沒說明狀態(tài)，無法知道其體積，D不正確。 題組四　能源的轉化與利用 8．(2018金華、溫州、臺州聯考)下列說法中，不正確的是(　　) A．光合作用是將光能轉化為化學能的有效途徑 B．煤、石油、天然氣都是可再生的化石燃料 C．用植物秸稈制沼氣是有效利用生物質能的方式之一 D．開發(fā)氫能、太陽能、風能、生物質能等是實現“低碳生活”的有效途徑 答案　B 解析　光合作用是CO2和H2O在太陽能的作用下，合成葡萄糖或淀粉，把光能轉化成化學能的過程，是有效途徑，A正確；煤、石油、天然氣屬于化石燃料，非再生能源，B錯誤；植物秸稈利用微生物的發(fā)酵得到沼氣，C正確；這些都是清潔能源，對環(huán)境無危害，D正確。 9．(2018嘉興期末)下列對于太陽能、生物質能和氫能的利用說法不正確的是(　　) A．芒硝晶體(Na2SO410H2O)白天在陽光下曝曬后失水、分解吸熱，夜里重新結晶放熱，實現了太陽能轉化為化學能繼而轉化為熱能 B．將植物的秸稈、枝葉、雜草和人畜糞便加入沼氣發(fā)酵池中，在富氧條件下，經過緩慢、復雜、充分的氧化反應最終生成沼氣，從而有效利用生物質能 C．生活、生產中大量應用氫能源，首先要解決由水制備氫氣的能耗、氫氣的貯存和運輸等問題 D．垃圾焚燒處理廠把大量生活垃圾中的生物質能轉化為熱能、電能，減輕了垃圾占地給城市造成的壓力，改善了城市的環(huán)境 答案　B 解析　芒硝在白天光照下失水，是太陽能轉化為化學能，晚上重新結晶放熱，是化學能轉化成熱能，A正確；生物質能就是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量，將植物的秸稈、枝葉、雜草和人畜糞便加入沼氣發(fā)酵池中，在厭氧條件下進行，B錯誤；氫能源開發(fā)利用過程中需要解決的課題是由水制備氫氣的能耗和氫氣的貯存運輸問題，C正確；利用垃圾發(fā)電可將生活垃圾中的生物質能轉化為熱能、電能等，D正確。 10．為消除目前燃料燃燒時產生的環(huán)境污染，同時緩解能源危機，有關專家提出了利用太陽能制取氫能的構想。 下列說法正確的是(　　) A．H2O的分解反應是放熱反應 B．氫能源已被普遍使用 C．2 mol H2O具有的總能量低于2 mol H2和1 mol O2具有的總能量 D．氫氣不易貯存和運輸，無開發(fā)利用價值 答案　C 解析　2H2O===2H2↑＋O2↑是吸熱反應，說明2 mol H2O的能量低于2 mol H2 和1 mol O2的能量。因由水制取H2耗能多且H2不易貯存和運輸，所以氫能源利用并未普及，但發(fā)展前景廣闊。 11．下列關于能源和作為能源的物質敘述錯誤的是(　　) A．吸熱反應的反應物總能量低于生成物總能量 B．綠色植物進行光合作用時，將光能轉化為化學能“貯存”起來 C．物質的化學能可以在不同條件下轉化為熱能、電能、光能等為人類所利用 D．天然氣屬于新能源 答案　D 解析　吸熱反應反應物的總能量低于生成物的總能量，A正確；綠色植物進行光合作用時，通過發(fā)生化學反應，將光能轉化為化學能“貯存”在化學物質中，B正確；物質的化學能可以在不同條件下轉化為熱能、電能、光能等為人類所利用，C正確；天然氣不屬于新能源，D錯誤。 12．可再生能源是我國重要的能源資源，在滿足能源需求、改變能源結構、減少環(huán)境污染、促進經濟發(fā)展等方面具有重要作用。應用太陽能光伏發(fā)電技術是實現節(jié)能減排的一項重要措施。 下列有關分析不正確的是(　　) A．風能、太陽能、生物質能等屬于可再生能源 B．推廣可再生能源有利于經濟可持續(xù)發(fā)展 C．上圖是太陽能光伏電池原理圖，圖中A極為正極 D．光伏電池能量轉化方式是太陽能直接轉化為電能 答案　C 解析　風能、太陽能、生物質能均屬可再生能源，推廣使用可再生能源有利于可持續(xù)發(fā)展；圖示中由電流方向可知A極是太陽能光伏電池的負極；該過程中太陽能直接轉化為電能。 [綜合強化] 13．(1)請在每個化學方程式后的橫線上注明化學反應過程中能量的主要轉化形式。 ①Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag：________(填正向反應的能量轉化形式)。 ②2C2H2＋5O24CO2＋2H2O：________。 ③6H2O＋6CO2C6H12O6＋6O2：________。 ④CaCO3CaO＋CO2↑：________。 (2)沼氣是一種廉價的能源，它是由秸稈、雜草等廢棄物經微生物發(fā)酵后產生的，有關過程如下： (C6H10O5)n(纖維素)＋nH2O3nCO2↑＋3nCH4↑＋能量 ①上述過程的實際意義是_________________________________________________。 ②在使用沼氣做飯時，需要注意的問題是________________________________。 ③建立沼氣發(fā)電站，可以把________能轉化為電能，沼氣被稱為________能源。 答案　(1)①化學能轉化為電能　②化學能轉化為熱能 ③光能轉化為化學能?、軣崮苻D化為化學能 (2)①即是能源的一個重要來源，也是擴大肥源、提高肥效、改善農村衛(wèi)生條件的重要措施?、诜乐拐託庑孤?，保持廚房通風良好?、凵镔|　新 解析　(1)①放電時，該反應在原電池中進行，將化學能轉化為電能。 ②C2H2(乙炔)燃燒時主要將化學能轉化為熱能。 ③綠色植物進行光合作用時，主要將光能轉化為化學能。 ④石灰石(CaCO3)高溫分解時，主要將熱能轉化為化學能。 (2)秸稈、雜草等廢棄物經微生物發(fā)酵后產生沼氣，可將生物質能轉化為化學能，獲得潔凈的燃料，既可以提供能源，也可以擴大肥源、提高肥效、改善農村衛(wèi)生條件。沼氣與空氣混合后遇到明火會發(fā)生爆炸，在使用沼氣做飯時，要防止沼氣泄漏，保持廚房通風良好。建立沼氣發(fā)電站，可以把生物質能轉化為電能。 14．保護環(huán)境已成為當前和未來的一項全球性重大課題。為解決目前燃料使用過程中的環(huán)境污染問題，并緩解能源危機，有的專家提出利用太陽能促使燃料循環(huán)使用的構想，如圖所示： 請回答下列問題： (1)過程Ⅰ的能量轉化形式為__________能轉化為__________能。 (2)上述轉化過程中，ΔH1和ΔH2的關系是__________。 (3)斷裂1 mol化學鍵所需的能量見下表： H—N H—O N≡N O===O E/kJmol－1 393 460 941 499 常溫下，N2與H2O反應生成NH3的熱化學方程式為 ________________________________________________________________________。 答案　(1)太陽　化學 (2)ΔH1＝－ΔH2 (3)2N2(g)＋6H2O(l)===4NH3(g)＋3O2(g) ΔH＝1 189 kJmol－1 解析　(1)由圖可知，過程Ⅰ是太陽能轉化為化學能。(2)由能量守恒定律可知，ΔH1＝－ΔH2。(3)常溫下，N2與H2O反應生成NH3的反應為2N2(g)＋6H2O(l)===4NH3(g)＋3O2(g)　ΔH＝2941 kJmol－1＋62460 kJmol－1－(43393 kJmol－1＋3499 kJmol－1)＝1 189 kJmol－1，熱化學方程式為2N2(g)＋6H2O(l)===4NH3(g)＋3O2(g)　ΔH＝1 189 kJmol－1。 15．分析下圖，回答以下問題： (1)電解水生成H2，首先要解決的問題是_________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)標準狀況下，11.2 L H2燃燒生成液態(tài)的水，放出Q kJ的熱量，寫出該反應的熱化學方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)氫氣作為理想的“綠色能源”的主要理由是________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)氫氧燃料電池是氫能源利用的一個重要方向。氫氣在________極上發(fā)生________反應，氧氣在________極上發(fā)生________反應。 若電解質溶液為KOH溶液，寫出正、負極上的電極反應式： 負極：________________________________________________________________________， 正極：________________________________________________________________________。 答案　(1)需大量電能 (2)2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－4Q kJmol－1 (3)來源豐富(H2O)，燃燒放出的熱量多，產物無污染 (4)負　氧化　正　還原　2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 解析　(2)11.2 L H2為＝0.5 mol，故2 mol H2燃燒生成液態(tài)水放出熱量為2 mol＝4Q kJ，故該反應的熱化學方程式為2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－4Q kJmol－1。 (3)H2作為“綠色能源”的優(yōu)點有：來源豐富；熱值高；無污染。 (4)在氫氧燃料電池中，H2在負極失電子發(fā)生氧化反應，O2在正極得電子發(fā)生還原反應。若電解質為KOH溶液，則負極為2H2－4e－＋4OH－===4H2O，正極為O2＋4e－＋2H2O===4OH－。