高中化学鲁科版 (2019)必修 第二册微项目 研究车用燃料及安全气囊——利用化学反应解决实际问题学案

微项目　研究车用燃料及安全气囊——利用化学反应解决实际问题

自主学习

1.常见的汽车燃料

(1)燃料通常指能够将自身存储的      能通过化学反应(燃烧)转变为      能的物质。

(2)自从汽车问世，汽车燃料经历了从      到      的变迁。

2．汽车尾气污染及处理

(1)汽车尾气污染

是指由汽车排放的废气造成的环境污染。主要污染物为      化合物、      化物、一氧化碳、二氧化硫、含铅化合物、苯并芘及固体颗粒物等，能引起光化学烟雾等。

(2)汽车尾气处理

即汽车尾气由原有毒气体，变成无毒气体，再排放到大气中。从而可减少对大气环境的污染。

①采用催化剂：将CO氧化成      ，碳氢化合物氧化成      和      ，NOx被还原为      等。

②水洗：通过水箱，使汽车尾气中的碳烟粒子经过水洗和过滤及蒸气的淋浴，可将粘在碳粒上的有毒物质洗去，使碳粒子胀大而给予去除。

3．汽车安全气囊气体发生剂

(1)特点

汽车安全气囊使用的气体发生剂一般具有生成物      、低      、有毒组分含量      、产气量      、产气      等特点。

(2)常见气体发生剂种类

①成分：目前，用于汽车安全气囊的气体发生剂主要由      、      、      等物质按一定比例混合而成。其氧化剂主要是      。

②原理

Ⅰ.汽车受到强烈撞击时，点火器点火引发叠氮化钠分解为氮气和金属钠。反应的化学方程式为

      。

Ⅱ.硝酸铵吸收叠氮化钠放出的热量，生成一氧化二氮气体和水蒸气，反应的化学方程式为      __      。

Ⅲ.三氧化二铁和钠反应，生成铁和氧化钠，反应的化学方程式为      。

1．判断下列说法是否正确：

(1)汽车用的燃料汽油是一种纯净物。(　　)

(2)车用燃料的燃烧对外释放能量。(　　)

(3)汽车尾气中的氮氧化物主要来源于空气中的N2和O2在气缸中发生反应N2＋O22NO生成。(　　)

(4)安全气囊中的叠氮化钠属于离子化合物。(　　)

2．教材中叙述“庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一”，请写出庚烷燃烧的化学方程式。

3．随着汽车应用的日益广泛，汽车尾气产生的污染越来越严重，汽车尾气的主要污染物有氮氧化合物、一氧化碳、含铅化合物等。你知道这些污染物是如何产生的吗？

合作探究

选择车用燃料

从能量变化角度认识车用燃料

　庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一。

(1)请利用图示的说法说明庚烷燃烧过程中发生能量变化的原因。

(2)若庚烷燃烧过程的图示如图所示，请说明E1和E2的含义。

(3)请根据下图判断哪种燃料更适合作车用燃料？为什么？

认识汽车尾气带来的污染问题

　(1)汽车尾气中都含有哪些污染物？分别是如何产生的？

(2)如何解决汽车尾气带来的环境污染问题？

1．化学反应选择应遵循的原则

(1)从反应物的角度主要考虑：性质、状态、价格、安全性和原料的利用率的高低。

(2)从生成物的角度主要考虑：生成物是否有污染的副产物，与产物是否易分离。

(3)从反应条件的角度考虑：条件是否简便、节能。

(4)从操作的角度考虑：操作是否简便、易行。

2．环境污染

六大工业尾气的主要成分

思考讨论:

(1)如何根据燃料的能量变化选择车用燃料？

(2)汽车尾气中有哪些有害成分？如何除去其中的氮氧化物？

【典例】(2021·日照高一检测)下表为某汽车在不同速率时所产生的空气污染物质量(按汽车平均行驶1公里计算)。

根据上表，下列说法不正确的是(　　)

A．汽车行驶时，污染物中CO含量最高

B．汽车速率为120 km·h－1时，污染最严重

C．从环保角度考虑，最合适的汽车速率为50 km·h－1

D．汽车速率增大时，产生的氮的氧化物也随之增多

【备选例题】

(2021·南昌高一检测)经过多方努力，某市的空气质量有明显改善。造成雾霾的重要原因之一是汽车尾气的排放，汽车加装尾气处理装置可以减少有害尾气的排放。在汽车尾气净化装置里，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如下图所示。下列说法错误的是(　　)

A．NO2是该过程的中间产物

B．汽车尾气的主要污染成分为CO和NO

C．NO和O2必须在催化剂表面才能反应

D．该催化转化的总反应方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2

1．(2021·黄山高一检测)汽车尾气在光照下分解时，即开始光化学烟雾的循环，它的形成过程可用下列化学方程式表示：NO2===NO＋O，2NO＋O2===2NO2，O2＋O===O3。下列有关叙述不正确的是(　　)

A．此过程中，NO2是催化剂

B．在此过程中，NO是中间产物

C．此过程的总方程式为2O3===3O2

D．光化学烟雾能引起人的外呼吸功能严重障碍

2．(2021·南阳高一检测)给汽车安装尾气净化装置，汽车尾气通过净化装置(内有钯等过渡金属元素作催化剂)后，其中的有害气体CO、NO转化为无害气体N2、CO2，则下列说法正确的是(　　)

A．NO为还原剂　　 B．CO为还原剂

C．N2为还原剂      D．CO2为氧化剂

补偿训练:

(2021·会宁高一检测)“E85”是含乙醇85%的乙醇汽油。科学家的研究表明，大量使用“E85”可能导致大气中O3含量上升，将会对人体造成更直接的伤害。寻找新能源替代化石燃料成为化学工作者研究的新课题。下列各项描述中正确的是(　　)

A．等质量的“E85”和汽油充分燃烧后放出的能量相等

B．O3与O2互为同素异形体

C．“E85”是由两种物质组成的混合物

D．推广使用乙醇汽油是为了减少温室气体排放

。

　NOx是汽车尾气中的主要污染物之一。

(1) NOx能形成酸雨，写出NO2转化为HNO3的化学方程式：______________。

(2)汽车发动机工作时会引发N2和O2反应，其能量变化示意图如下：

该反应是________________(填“放热反应”或“吸热反应”)。

(3)在汽车尾气系统中装置催化转化器，可有效降低NOx的排放。

①当尾气中空气不足时，NOx在催化转化器中被还原成N2排出。写出NO被CO还原的化学方程式：______________。

② 当尾气中空气过量时，催化转化器中的金属氧化物吸收NOx生成盐。其吸收能力顺序如下：12MgO <20CaO <38SrO<56BaO。原因是________________，元素的金属性逐渐增强，金属氧化物对NOx的吸收能力逐渐增强。

(4)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如图，Pt电极上发生的是________________反应(填“氧化”或“还原”)。

设计安全气囊

　材料：安全气囊作为车身被动安全性辅助配置，越来越受到人们的重视。现代安全气囊系统由碰撞传感器、缓冲气囊、气体发生器及其控制系统等组成。

探究安全气囊中使用过的物质的特点

方案设计：

认识叠氮化钠(NaN3)

　(1)NaN3是在汽车安全气囊系统中普遍使用的物质之一，这种物质中含有哪些类型的化学键，属于哪类化合物？

(2)NaN3受到撞击，立即会产生大量气体，放出大量的热，安全气囊被弹出，其化学原理是什么(用化学方程式表示)?

(3)如果你是设计师，你会同时在安全气囊中加入哪些其他物质，为什么？

　叠氮化钠型安全气囊撞击时发生的反应

1．2NaN32Na＋3N2↑

2．NH4NO3N2O↑＋2H2O↑

3．Fe2O3＋6Na2Fe＋3Na2O

(1)安全气囊中发生的三个反应分别是什么反应类型？

(2)选取安全气囊中的气体发生剂应遵循什么原则？

(3)通过为安全气囊选择气体发生剂，你对化学反应的利用还有哪些新的认识？

【典例】(2021·泰安高一检测)某汽车安全气囊的产气药剂主要含有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物质。当汽车发生碰撞时，产气药剂产生大量气体使气囊迅速膨胀，从而起到保护作用。

(1)NaN3是气体发生剂，受热分解产生N2和Na，N2的电子式为____________；

(2)Fe2O3是主氧化剂，与Na反应生成的还原产物为(已知该反应为置换反应)____________；

(3)KClO4是助氧化剂，反应过程中与Na作用生成KCl和Na2O，KClO4含有的化学键类型为________________，K原子的结构示意图为____________；

(4)NaHCO3是冷却剂，吸收产气过程中释放的热量而发生分解，其化学方程式为________________；

(5)100 g上述产气药剂产生的气体通过碱石灰后得到N2 33.6 L(标准状况)。

①用碱石灰除去的物质为______________；

②该产气药剂中NaN3的质量分数为________。

解析:(1)氮原子最外层有5个电子，两个氮原子共用三对电子形成氮气，则N2的电子式为N⋮⋮N。

(2)因为该反应为置换反应，所以Fe2O3作为氧化剂，与Na反应得到电子生成Fe单质。

(3)KClO4属于含氧酸盐，所以KClO4含有的化学键类型为离子键和共价键，K是19号元素，其原子结构示意图为。

(4)NaHCO3热稳定性较差，受热时发生分解反应，该反应的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。

(5)碱石灰的主要成分是NaOH和CaO，所以用碱石灰除去的是二氧化碳和水，标准状况下33.6 L氮气的物质的量为1.5 mol，则根据N原子守恒可知该产气药剂中NaN3的质量分数为(1.5×2÷3)×65 g÷100 g×100%＝65%。

1．(2021·聊城高一检测)汽车安全气囊系统中使用的作为气体发生剂的物质一般不具有的特点是(　　)

A．生成物清洁　 B．低腐蚀

C．释放能量     D．产气快

2．(双选)Na3N是离子化合物，它和水作用可产生NH3。下列叙述正确的是(　　)

A．Na＋和N3－的电子层结构都与氖原子相同

B．Na＋的半径大于N3－的半径

C．Na3N与足量的盐酸反应后生成两种盐

D．在Na3N与水的反应中，Na3N作还原剂

【拔高题组】

汽车常装有安全气囊，当发生强烈碰撞时，瞬间引发以下反应：2NaN32Na＋3N2↑，所产生的气体快速充满气囊，可以达到保护车内人员的目的。

(1)若气囊中装有65 g NaN3，则其物质的量为________；

(2)若2 mol NaN3完全分解，在标准状况下，气囊膨胀的体积约为________。

　如图是汽车安全气囊打开时的情境。安全气囊中含有叠氮化钠(NaN3)等物质。

(1)叠氮化钠(NaN3)在受到猛烈撞击下会分解成两种单质，其中一种是空气中体积分数最大的气体。请写出该反应的化学方程式：______________________________，要产生42 g氮气，理论上需要__________g叠氮化钠分解。

(2)叠氮化钠(NaN3)是由钠离子和叠氮根离子构成，叠氮根离子还能跟铜、铅等金属离子形成叠氮化物，写出叠氮化铜的化学式：______________。

课堂测评

1．(水平1·教材改编题)近年来，我国许多城市禁止汽车使用含铅汽油的主要原因是(　　)

A．提高汽油燃烧效率

B．降低汽油成本

C．避免铅污染大气

D．铅资源短缺

2．(水平1)保护生态环境是提高全体人民生活质量的重要举措。下列措施不利于保护生态环境的是(　　)

A．推广使用燃煤脱硫技术防治SO2污染，减少重金属、农药和难分解有机物的排放

B．实施绿色化学，即利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染

C．加大石油、煤炭的开采速度，增加化石燃料的供应量

D．开发新能源和新制冷剂，减少CO2和氟氯烃等物质的大量排放

3．(水平2)下列说法不正确的是(　　)

A．“静电除尘”“燃煤固硫”“汽车尾气催化净化”都能提高空气质量

B．化石燃料储量丰富，没必要开发新能源

C．开发高效氢能、太阳能等新型电动汽车，以解决城市机动车尾气污染问题

D．推广使用燃料电池汽车，可减少颗粒物、CO等有害物质的排放

补偿训练:

化学与生产、生活密切相关。下列说法不正确的是(　　)

A．向煤中加入适量生石灰，可减少SO2对大气的污染

B．用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，减少白色污染

C．光化学烟雾、硝酸型酸雨的形成都与氮氧化合物有关

D．机动车使用无铅汽油，是因为铅可使催化剂中毒，制约了催化剂的研究和开发

4．(双选)化学与环境保护、工业生产、生活等密切相关。下列说法不正确的是(　　)

A．PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。因其比表面积大，故可吸附含有铅、镉、铬、钒、砷等对人体有害的元素，入肺后对人体产生很大的危害

B．富含氮、磷的生活污水不能排放到河中，但能直接用于农田的灌溉

C．大力实施矿物燃料“脱硫、脱硝技术”，可以减少硫的氧化物和氮的氧化物对环境的污染

D．大气中CO2的含量增加会引起酸雨、温室效应等环境问题

(1)新型环保出租车采用LPG＋汽油的双燃料系统，其尾气中的有毒气体成分较普通车型下降80%左右，可缓解汽车尾气排放给城市环境造成的污染问题。下列物质中不属于有害物质的是____________。

A．CO2和H2

B．NO2和NO

C．CO和SO2

D．碳粒和含铅化合物

(2)为了减少大气污染，许多城市推广使用汽车清洁燃料。目前使用的清洁燃料主要有两类，一类是压缩天然气，另一类是液化石油气。这两类燃料的主要成分都是____________。

A．碳水化合物   B．碳氢化合物

C．氢气       D．醇类

(3)我国推广使用乙醇汽油，它是在汽油中加入适量乙醇形成的混合燃料。下列叙述中正确的是________。

A．使用乙醇汽油能减少有害气体的排放，是一种改善环境的清洁能源

B．燃料中的乙醇可以通过粮食发酵或化工合成等方法制得

C．乙醇汽油是一种新型化合物

D．燃烧乙醇汽油可以减少对大气的污染是因为它不含硫元素和氮元素

(4)氢能是一种既高效又干净的新能源，发展前景良好，用氢作能源的燃料电池汽车备受青睐。我国拥有完全自主知识产权的氢燃料电池轿车“超越三号”已达到世界先进水平，并加快向产业化的目标迈进。氢能具有的优点包括____________。

①原料来源广　②易燃烧、热值高　③储存方便　④制备工艺廉价易行

A．①②　　B．①③　　C．③④　　D．②④