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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导学案
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这是一份鲁科版 (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导学案，共7页。
——利用化学反应解决实际问题
1．了解汽车燃料，尝试选择、优化车用燃料，建立化学反应中物质变化和能量变化的关联，初步形成利用化学反应中的物质变化和能量变化指导生产实践的基本思路。
2．通过设计安全气囊，初步认识从化学反应中的物质变化和能量变化及反应速率的视角科学解决问题的思路。
[必备知识]
1．庚烷(C7H16)燃烧的化学方程式：C7H16＋11O2 eq \(――→,\s\up10(点燃))7CO2＋8H2O。
2．庚烷燃烧反应的能量变化与物质内部能量的关系
3．为汽车选用安全气囊的气体发生剂时，要考虑所选物质的性质，还要关注所发生反应中的物质变化、能量变化和反应的化学反应速率。
4．NaN3常温下较稳定，受撞击时可迅速分解，产生氮气和金属钠，同时释放大量的热。
[项目活动1] 选择车用燃料
[问题探究]
1．庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一。请利用图示的说法说明庚烷燃烧过程中发生能量变化的本质原因。
提示：C7H16＋11O2 eq \(――→,\s\up10(点燃))7CO2＋8H2O。因为庚烷燃烧过程中断裂C—H、C—C、OO键吸收的能量E1、远小于新形成CO、O—H键释放的能量E2，故此反应会放出大量的能量。
2．汽车尾气中都含有哪些污染物？分别是如何产生的？
提示：汽车排放的尾气中含有多种污染空气的有害气体，主要有烃及不完全氧化产物CO，电火花放电使气缸中的N2与O2反应生成的氮氧化物，以及汽油中的硫氧化生成的SO2等。
3．如何解决汽车尾气带来的环境污染问题？
提示：①在汽车排气管上安装填充有催化剂的催化转化器，加速有害气体的转化。②使用汽油发动机和电动机驱动的混合动力汽车，实现了低消耗和低排放。③使用以天然气、液化石油气、氢气为燃料的机动车，从根本上大大降低汽车尾气对环境的污染。
[探究总结]
1．车用燃料
燃料通常指能够将自身存储的化学能通过化学反应(燃烧)转变为热能的物质。目前汽车所使用的燃料主要是汽油和柴油。而随着汽车保有量的逐年增加，汽车排放造成的环境污染问题以及石油资源逐渐匮乏的问题已不容忽视，因此各种代用燃料也得到了越来越广泛的应用。目前国内开发使用的发动机代用燃料包括天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、生物质燃料、氢气以及二甲基醚等。
2．三元催化器，可将汽车尾气排出的CO、碳氢化物和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、碳氢化合物和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原化学反应，其中CO在高温下被氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体，碳氢化物在高温下氧化成水和二氧化碳，NOx转化为氮气和氧气。三种有害气体都变成无害气体，汽车尾气得以净化。
[项目活动2] 设计安全气囊
[问题探究]
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？
提示：存在有离子键、共价键，属离子化合物。
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)?
提示：2NaN3===2Na＋3N2↑。
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？
提示：金属钠具有腐蚀性，可加入Fe2O3与其反应生成铁和较为安全的氧化钠；此反应放出大量的热量，可加入NH4NO3吸收这些热量，发生分解反应，生成N2O和水蒸气。
4．通过为安全气囊系统选择气体发生剂，你对化学反应的利用有了哪些新的认识？
提示：研究化学反应时不仅关注所发生反应的物质变化，还要关注反应中的能量变化和化学反应速率等，科学合理地利用化学反应。
[探究总结]
1．安全气囊爆炸的化学反应原理
叠氮化钠、硝酸铵，经过猛烈撞击后，这些物质发生分解反应，产生大量的气体充满气囊，保护乘车人员的头部安全。
2NaN3===2Na＋3N2↑
2NH4NO3===2N2↑＋O2↑＋4H2O
2．目前使用的气体发生剂主要由叠氮化钠、三氧化二铁、硝酸铵等物质按一定比例混合而成。
1．近年来，我国的许多城市禁止汽车使用含铅汽油，其主要的原因是( )
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
C [禁止汽车使用含铅汽油，是为了避免铅形成的化合物污染大气。]
2．汽油是多种烃类的混合物，汽车的发动机中，汽油汽化后与进入汽缸的空气按一定比例混合，在引擎的电火花点燃下燃烧，产生大量热能，但进入汽缸的空气过少或过多都将在汽车尾气中产生有害的大气污染物。目前正在研究和开发一种催化式排气净化器，以Pt—Rh及CuO—Cr2O3作主体催化剂，它可将80%以上的有害尾气转化成无毒气体，但汽油中为增强其抗震性的添加剂(C2H5)4Pb会使这种转化严重降低。下列有关说法中正确的是( )
A．汽油的来源是石油的常压、减压分馏
B．机动车必须使用无铅汽油是因为它可使催化剂中毒，制约了催化剂的研究和开发
C．NO等氮的氧化物对空气的污染是十分严重的，它们不仅使人和动物中毒，产生疾病，更是破坏大气臭氧层的主要因素
D．如改用柴油作为汽车的燃料，则可以相对减小汽车尾气对大气的污染
[答案] C
3．汽车的发明与使用是人类智慧的杰出体现，它为人们的生活和生产带来了极大的方便，但同时由此引发的环境污染问题也越来越引起人们的关注，人们开始研究新的清洁燃料。
(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，缓解了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气体的是_______。
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
[解析] (1)汽车尾气主要是NOx、CO、碳粒、含铅化合物和SO2，CO2与H2不属于有害气体。 (2)压缩天然气和液化石油气两类燃料的主要成分均为碳原子数较小的烃。(3)乙醇汽油是一种混合物，其含硫、氮量低，故污染少，乙醇可通过淀粉水解或乙烯与水合成制得。(4)氢能作为燃料的优点是：来源丰富(水)，单位质量的氢燃烧时放热量大，氢气燃烧的唯一产物是水，不产生污染。其缺点是：现有的制取氢气方法耗能大，制取的成本太高，另外氢气的熔、沸点太低，给储存和运输带来困难。
[答案] (1)A (2)B (3)AB (4)A
4．汽车尾气主要含有二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等物质，是造成城市空气污染的主要因素之一。请回答下列问题。
(1)汽车尾气中的一氧化碳来自________________，一氧化氮来自____________。汽车尾气对环境的危害主要有_____________(至少填两种)。
(2)氮气和氧气反应生成一氧化氮的能量变化值如图所示，则由该反应生成2 ml NO时，应________(填“释放”或“吸收”)________kJ能量。
[答案] (1)有机物不完全燃烧 气缸中N2和O2的反应 光化学烟雾、酸雨、臭氧层破坏、温室效应(任选两种均可) (2)吸收 183
5．某汽车安全气囊的气体发生剂主要含有叠氮化钠、三氧化二铁、高氯酸钾、碳酸氢钠等物质。
(1)叠氮化钠是气体发生剂，受热分解产生氮气和金属钠。反应的化学方程式为_______________________________________。
(2)高氯酸钾是助氧化剂，在反应过程中与金属钠作用生成氯化钾和氧化钠。高氯酸钾中含有的化学键的类型为________________。
(3)碳酸氢钠的作用是_________________________。
[答案] (1)2NaN3 eq \(=====,\s\up10(△))3N2↑＋2Na (2)离子键、共价键
(3)吸收NaN3分解放出的大量热量，自身分解产生CO2、Na2CO3和H2O
6．汽车尾气(含有烃类、SO2与NO等物质)是城市空气的污染源。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”(用铂钯合金作催化剂)。它的特点是使CO和NO反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使烃类充分燃烧及SO2的转化。
(1)下列说法错误的是________。
A．CO和NOx反应的化学方程式为2xCO＋2NOx eq \(=====,\s\up10(催化剂))2xCO2＋N2
B．上述方法的缺点是由于CO2增多，会大大提高空气的酸度
C．多植树造林，增大绿化面积，可有效控制城市空气各种污染源
D．汽车改用天然气为燃料或开发氢能源，都会减少对空气的污染
(2)写出CO与NO反应的化学方程式：___________________。
(3)“催化转换器”的缺点是在一定程度上提高了空气的酸度，其原因是
_______________________________________________________________
______________________________________________________________。
(4)控制城市空气污染源的方法可以有________(填序号)。
A．开发氢能源 B．使用电动车
C．植树造林 D．戴上呼吸面具
(5)汽下尾气可引起光化学烟雾，主要是________气体。形成酸雨主要是________气体，在尾气转化中，主要还会产生________气体，造成温室效应。
[解析] (1)酸雨主要是由于SO2的大量排放引起的，光化学烟雾主要是由碳氢化合物的排放引起的。题中信息有CO和NO反应，生成可参与大气循环的无毒气体，并促使SO2转化。反应后CO2有增加，自然界中的光合作用要消耗CO2，因此，从全球来看影响不大。(2)由CO、NO的组成元素及有关物质的性质知，生成的无毒气体只能是CO2和N2，即2CO＋2NO eq \(=====,\s\up10(催化剂))N2＋2CO2。(3)根据接触法制硫酸的反应原理可知，SO2可催化氧化成SO3，所以SO2经“催化转化器”被转化(氧化)为SO3，最后形成硫酸酸雾。(4)要控制城市的污染源，采取的方法只能是使用不能产生污染的清洁能源，所以进AB。(5)汽车尾气可引起光化学烟雾的是氮的氧化物，形成酸雨的主要气体是SO2，产生温室效应的是CO2。
[答案] (1)BC (2)2CO＋2NO eq \(=====,\s\up10(催化剂))N2＋2CO2
(3)该催化器可促进SO2的转化，SO2可催化氧化成SO3，然后SO3＋H2O===H2SO4
(4)AB (5)NO、NO2 SO2 CO2
——利用化学反应解决实际问题
1．了解汽车燃料，尝试选择、优化车用燃料，建立化学反应中物质变化和能量变化的关联，初步形成利用化学反应中的物质变化和能量变化指导生产实践的基本思路。
2．通过设计安全气囊，初步认识从化学反应中的物质变化和能量变化及反应速率的视角科学解决问题的思路。
[必备知识]
1．庚烷(C7H16)燃烧的化学方程式：C7H16＋11O2 eq \(――→,\s\up10(点燃))7CO2＋8H2O。
2．庚烷燃烧反应的能量变化与物质内部能量的关系
3．为汽车选用安全气囊的气体发生剂时，要考虑所选物质的性质，还要关注所发生反应中的物质变化、能量变化和反应的化学反应速率。
4．NaN3常温下较稳定，受撞击时可迅速分解，产生氮气和金属钠，同时释放大量的热。
[项目活动1] 选择车用燃料
[问题探究]
1．庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一。请利用图示的说法说明庚烷燃烧过程中发生能量变化的本质原因。
提示：C7H16＋11O2 eq \(――→,\s\up10(点燃))7CO2＋8H2O。因为庚烷燃烧过程中断裂C—H、C—C、OO键吸收的能量E1、远小于新形成CO、O—H键释放的能量E2，故此反应会放出大量的能量。
2．汽车尾气中都含有哪些污染物？分别是如何产生的？
提示：汽车排放的尾气中含有多种污染空气的有害气体，主要有烃及不完全氧化产物CO，电火花放电使气缸中的N2与O2反应生成的氮氧化物，以及汽油中的硫氧化生成的SO2等。
3．如何解决汽车尾气带来的环境污染问题？
提示：①在汽车排气管上安装填充有催化剂的催化转化器，加速有害气体的转化。②使用汽油发动机和电动机驱动的混合动力汽车，实现了低消耗和低排放。③使用以天然气、液化石油气、氢气为燃料的机动车，从根本上大大降低汽车尾气对环境的污染。
[探究总结]
1．车用燃料
燃料通常指能够将自身存储的化学能通过化学反应(燃烧)转变为热能的物质。目前汽车所使用的燃料主要是汽油和柴油。而随着汽车保有量的逐年增加，汽车排放造成的环境污染问题以及石油资源逐渐匮乏的问题已不容忽视，因此各种代用燃料也得到了越来越广泛的应用。目前国内开发使用的发动机代用燃料包括天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、生物质燃料、氢气以及二甲基醚等。
2．三元催化器，可将汽车尾气排出的CO、碳氢化物和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、碳氢化合物和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原化学反应，其中CO在高温下被氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体，碳氢化物在高温下氧化成水和二氧化碳，NOx转化为氮气和氧气。三种有害气体都变成无害气体，汽车尾气得以净化。
[项目活动2] 设计安全气囊
[问题探究]
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？
提示：存在有离子键、共价键，属离子化合物。
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)?
提示：2NaN3===2Na＋3N2↑。
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？
提示：金属钠具有腐蚀性，可加入Fe2O3与其反应生成铁和较为安全的氧化钠；此反应放出大量的热量，可加入NH4NO3吸收这些热量，发生分解反应，生成N2O和水蒸气。
4．通过为安全气囊系统选择气体发生剂，你对化学反应的利用有了哪些新的认识？
提示：研究化学反应时不仅关注所发生反应的物质变化，还要关注反应中的能量变化和化学反应速率等，科学合理地利用化学反应。
[探究总结]
1．安全气囊爆炸的化学反应原理
叠氮化钠、硝酸铵，经过猛烈撞击后，这些物质发生分解反应，产生大量的气体充满气囊，保护乘车人员的头部安全。
2NaN3===2Na＋3N2↑
2NH4NO3===2N2↑＋O2↑＋4H2O
2．目前使用的气体发生剂主要由叠氮化钠、三氧化二铁、硝酸铵等物质按一定比例混合而成。
1．近年来，我国的许多城市禁止汽车使用含铅汽油，其主要的原因是( )
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
C [禁止汽车使用含铅汽油，是为了避免铅形成的化合物污染大气。]
2．汽油是多种烃类的混合物，汽车的发动机中，汽油汽化后与进入汽缸的空气按一定比例混合，在引擎的电火花点燃下燃烧，产生大量热能，但进入汽缸的空气过少或过多都将在汽车尾气中产生有害的大气污染物。目前正在研究和开发一种催化式排气净化器，以Pt—Rh及CuO—Cr2O3作主体催化剂，它可将80%以上的有害尾气转化成无毒气体，但汽油中为增强其抗震性的添加剂(C2H5)4Pb会使这种转化严重降低。下列有关说法中正确的是( )
A．汽油的来源是石油的常压、减压分馏
B．机动车必须使用无铅汽油是因为它可使催化剂中毒，制约了催化剂的研究和开发
C．NO等氮的氧化物对空气的污染是十分严重的，它们不仅使人和动物中毒，产生疾病，更是破坏大气臭氧层的主要因素
D．如改用柴油作为汽车的燃料，则可以相对减小汽车尾气对大气的污染
[答案] C
3．汽车的发明与使用是人类智慧的杰出体现，它为人们的生活和生产带来了极大的方便，但同时由此引发的环境污染问题也越来越引起人们的关注，人们开始研究新的清洁燃料。
(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，缓解了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气体的是_______。
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
[解析] (1)汽车尾气主要是NOx、CO、碳粒、含铅化合物和SO2，CO2与H2不属于有害气体。 (2)压缩天然气和液化石油气两类燃料的主要成分均为碳原子数较小的烃。(3)乙醇汽油是一种混合物，其含硫、氮量低，故污染少，乙醇可通过淀粉水解或乙烯与水合成制得。(4)氢能作为燃料的优点是：来源丰富(水)，单位质量的氢燃烧时放热量大，氢气燃烧的唯一产物是水，不产生污染。其缺点是：现有的制取氢气方法耗能大，制取的成本太高，另外氢气的熔、沸点太低，给储存和运输带来困难。
[答案] (1)A (2)B (3)AB (4)A
4．汽车尾气主要含有二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等物质，是造成城市空气污染的主要因素之一。请回答下列问题。
(1)汽车尾气中的一氧化碳来自________________，一氧化氮来自____________。汽车尾气对环境的危害主要有_____________(至少填两种)。
(2)氮气和氧气反应生成一氧化氮的能量变化值如图所示，则由该反应生成2 ml NO时，应________(填“释放”或“吸收”)________kJ能量。
[答案] (1)有机物不完全燃烧 气缸中N2和O2的反应 光化学烟雾、酸雨、臭氧层破坏、温室效应(任选两种均可) (2)吸收 183
5．某汽车安全气囊的气体发生剂主要含有叠氮化钠、三氧化二铁、高氯酸钾、碳酸氢钠等物质。
(1)叠氮化钠是气体发生剂，受热分解产生氮气和金属钠。反应的化学方程式为_______________________________________。
(2)高氯酸钾是助氧化剂，在反应过程中与金属钠作用生成氯化钾和氧化钠。高氯酸钾中含有的化学键的类型为________________。
(3)碳酸氢钠的作用是_________________________。
[答案] (1)2NaN3 eq \(=====,\s\up10(△))3N2↑＋2Na (2)离子键、共价键
(3)吸收NaN3分解放出的大量热量，自身分解产生CO2、Na2CO3和H2O
6．汽车尾气(含有烃类、SO2与NO等物质)是城市空气的污染源。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”(用铂钯合金作催化剂)。它的特点是使CO和NO反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使烃类充分燃烧及SO2的转化。
(1)下列说法错误的是________。
A．CO和NOx反应的化学方程式为2xCO＋2NOx eq \(=====,\s\up10(催化剂))2xCO2＋N2
B．上述方法的缺点是由于CO2增多，会大大提高空气的酸度
C．多植树造林，增大绿化面积，可有效控制城市空气各种污染源
D．汽车改用天然气为燃料或开发氢能源，都会减少对空气的污染
(2)写出CO与NO反应的化学方程式：___________________。
(3)“催化转换器”的缺点是在一定程度上提高了空气的酸度，其原因是
_______________________________________________________________
______________________________________________________________。
(4)控制城市空气污染源的方法可以有________(填序号)。
A．开发氢能源 B．使用电动车
C．植树造林 D．戴上呼吸面具
(5)汽下尾气可引起光化学烟雾，主要是________气体。形成酸雨主要是________气体，在尾气转化中，主要还会产生________气体，造成温室效应。
[解析] (1)酸雨主要是由于SO2的大量排放引起的，光化学烟雾主要是由碳氢化合物的排放引起的。题中信息有CO和NO反应，生成可参与大气循环的无毒气体，并促使SO2转化。反应后CO2有增加，自然界中的光合作用要消耗CO2，因此，从全球来看影响不大。(2)由CO、NO的组成元素及有关物质的性质知，生成的无毒气体只能是CO2和N2，即2CO＋2NO eq \(=====,\s\up10(催化剂))N2＋2CO2。(3)根据接触法制硫酸的反应原理可知，SO2可催化氧化成SO3，所以SO2经“催化转化器”被转化(氧化)为SO3，最后形成硫酸酸雾。(4)要控制城市的污染源，采取的方法只能是使用不能产生污染的清洁能源，所以进AB。(5)汽车尾气可引起光化学烟雾的是氮的氧化物，形成酸雨的主要气体是SO2，产生温室效应的是CO2。
[答案] (1)BC (2)2CO＋2NO eq \(=====,\s\up10(催化剂))N2＋2CO2
(3)该催化器可促进SO2的转化，SO2可催化氧化成SO3，然后SO3＋H2O===H2SO4
(4)AB (5)NO、NO2 SO2 CO2
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