高中化学新教材同步必修第二册 研究与实践 了解车用能源(同步讲义)

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研究与实践　了解车用能源研究目的1.了解汽车动力的变迁。2.从给汽车提供动力，提高能源利用率，减小环境污染等不同角度，分析和比较不同燃料与能量的转化方式的优劣，体会开发新的车用能源的重要意义。阅读材料，了解汽车动力、燃料(能源)使用的历史1765年，英国人瓦特发明蒸汽机；1770年，法国人古诺研制出了世界上第一辆蒸汽机驱动的三轮车，车的前部装有一个锅炉，利用煤燃烧产生的蒸汽，推动气缸中的活塞来驱动前轮运行。1860年法国人莱诺以煤气作为燃料，研制出世界上最早的气体燃料发动机，1876年德国人奥托又对莱诺的发明进行了改进提高，使得气体燃料与空气的混合更为充分，进而提高了气体发动机的热效率。但无论是蒸汽机还是气体燃料发动机，由于庞大的体积、复杂的管道系统以及偏低的热效率，使得其在汽车上的应用无法实现。直到19世纪下半叶，随着全球石油工业的兴起，汽油、柴油等液体燃料的出现才彻底改变了这一局面。液体燃料较之气体燃料便于储存和携带的优点，使得汽车进入20世纪后迅速得到普及并快速发展，以石油为原料的液体燃料目前依然是汽车的主要燃料。归纳总结1.汽车动力的变迁：近二三百年来，人类相继发明了蒸汽机、内燃机、电动机等动力机械。(1)蒸汽机是先用燃料将锅炉里的水加热，利用水产生的蒸汽顶起活塞，产生动力。能量转化环节多，利用率低。(2)内燃机(燃料发动机)，是一种通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力。燃料主要是石油燃料，排出的废气中含有害气体的成分较高。(3)电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，产生动力。2.汽车燃料、能源的变迁自汽车问世以来，它使用的燃料经历了从煤到汽油的变迁。煤、石油短时间内不可再生，大量消耗煤、石油还带来了一些环境问题，如温室效应、酸雨、雾霾等。燃料电池电动汽车替代内燃机动力汽车将是发展趋势。燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，能量转化效率高，且比能量高、无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。燃料电池的主要构成组件为：电极(Electrode)、电解质隔膜(Electrolyte Membrane)与集电器。现在需要研究电极、电解质等电池基本构成材料的性质和材料之间的相容性。问题讨论1.下表列出1 mol常用燃料完全燃烧生成CO2(g)及H2O(l)时放出的热量，结合燃烧反应，解答下列问题：(1)写出表中五种物质燃烧的化学方程式，分析相同物质的量各物质消耗氧气由大到小的顺序。(2)从燃烧产物分析，最环保的燃料是________。(3)一般来说，与氧气接触面积大，耗氧量小，含碳燃料燃烧越充分，表中四种含碳燃料燃烧时产生污染物最少的是________。(4)分别计算1 g上述五种燃料完全燃烧，放出的热量。(5)从资源、污染、热值的角度你选用哪种车用燃料？提示　(1)①2H2＋O2eq \o(=====,\s\up7(点燃))2H2O②C＋O2eq \o(=====,\s\up7(点燃))CO2③CH4＋2O2eq \o(=====,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O④C2H6O＋3O2eq \o(=====,\s\up7(点燃))2CO2＋3H2O⑤C8H18＋eq \f(25,2)O2eq \o(=====,\s\up7(点燃))8CO2＋9H2O辛烷＞乙醇＞甲烷＞碳＞氢气。(2)氢气　(3)甲烷(4)①H2：286 kJ×eq \f(1,2)＝143 kJ②C：393.5 kJ×eq \f(1,12)≈32.8 kJ③CH4：890 kJ×eq \f(1,16)≈55.6 kJ④C2H6O：1 366 kJ×eq \f(1,46)≈29.7 kJ⑤C8H18：5 500 kJ×eq \f(1,114)≈48.2 kJ(5)天然气或乙醇、汽油2.某同学根据所查阅的资料，绘制了三种可燃物在空气中发生燃烧反应的能量变化示意图。根据示意图，你认为可燃物________(填“A”“B”或“C”)更适合用作车用燃料，选择的理由是_______________________________________________________________________。提示　A　可燃物A、B燃烧放出的能量差不多，比可燃物C多，但A点燃所需能量低，更容易点火。3.汽车尾气中含有150～200种化合物，其中对人体健康造成危害的主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等。目前解决汽车尾气污染问题所采取的措施主要有哪些？提示　发展新能源汽车(纯电动汽车，燃料电池汽车等)；将汽车尾气通过净化装置，转化后再排放。当高温的汽车尾气通过净化装置时，催化剂将增强一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物三种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原反应。其中，一氧化碳在高温下被氧化成无色、无毒的二氧化碳气体，碳氢化合物在高温下被氧化成水和二氧化碳，氮氧化物转化为氮气和氧气。因此，这三种对人体健康有害的气体都变成了无害气体，汽车尾气得以净化。4.从化学反应中能量变化的角度分析，选择车用燃料时主要应考虑哪些因素？提示　选择汽车燃料时，既要考虑燃料发生的化学反应能释放能量的多少，也要考虑达到燃料燃点时需要吸收能量的多少，还要考虑燃料的来源、价格以及生成物对环境的影响等因素，做到既经济实惠又趋利避害。燃料①氢气②煤的主要成分碳(C)③天然气的主要成分甲烷④乙醇⑤汽油的主要成分之一辛烷(C8H18)放出热量/kJ286393.58901 3665 500