【同步讲义】高中化学（鲁科版2019）必修第二册--微项目 研究车用燃料与安全气囊（讲）

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

项目学习内容

1. 燃料提供发动机的能量，甲烷、汽油、乙醇等可燃物燃烧放热,可以作为汽车燃料。

2. 化学反应中既有物质变化又有能量变化。一个确定的化学反应在发生过程中是吸收能量还是放出能量,决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。

3.庚烷(C7H16)燃烧的化学方程式:C7H16+11O2  =7CO2+8H2O。庚烷燃烧反应的能量变化与物质内部能量的关系

4.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。

5.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。

【微思考】汽车电瓶通常为铅蓄电池,放电时其能量转化形式是怎样的?写出电池总反应的化学方程式。每消耗1 mol硫酸转移电子的物质的量是多少?

___________________________________________________________________________________________;

一、项目活动1  选择车用燃料

1．车用燃料发展史

(1)1769年，法国人居纽最早使用煤作汽车燃料，这种汽车行驶速度慢，笨重而且不能长时间行驶。

(2)1885年，德国工程师卡尔·本茨制造了用汽油作燃料的汽车，这种燃料汽车行驶速度快、轻便，便于长时间、长距离行驶。

(3)现代汽车燃料仍在不断优化，现已广泛使用电能为能源的汽车，氢能源汽车也逐步走进现实生活。

2．车用燃料的反应原理

庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一，已知庚烷在汽缸会发生________________________________________。

 (1)试从化学键的角度计算1 mol庚烷燃烧产生CO2和水蒸气所释放的能量。

可得1 mol庚烷燃烧产生CO2和水蒸气所释放能量为3820.4KJ。试用能量变化图像表示庚烷燃烧释放能量过程。

（2）车用燃料的选择

①选择依据

化学键角度：断裂旧化学键____________，形成新化学键释放能量高。

②燃料在汽缸工作环境：燃料燃烧易控制，不爆燃，能完全燃烧。

③其他因素：要参考燃料的来源、价格，生成物对环境的影响等因素。

（3）汽车尾气的成分及防治

①尾气成分：汽车尾气中含有150～200种化合物，主要对环境不利的成分为碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢以及微量的醛、酚、过氧化物等。

②主要污染物来源：CO来自燃料不完全燃烧。NOx来自高温或放电条件下N2和O2反应，SO2来自于含硫化合物的燃烧，碳氢化合物来自燃料未燃烧或未完全燃烧的燃油、润滑油及其产物等。

③汽车尾气的防治

汽车尾气的防治，从根本上是开发新能源，如太阳能、氢能源等。

汽车尾气处理即汽车尾气由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。

下图为汽车尾气处理系统中“三元催化”的工作原理，试从氧化还原反应的角度，书写NO和CO在催化剂作用下生成无污染性物质的方程式______________________________________________。

总结：从化学反应中能量变化的角度选择汽车燃料时，既要考虑燃料发生的化学反应所能释放能量的多少，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。

【知识归纳1】

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，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主要有天然气、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

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CO2气体,碳氢化物在高温下氧化成H2O和CO2,NOx转化为N2和O2。三种有害气体氧化还原反应都变成无害气体，汽车尾气得以净化。

。

【跟踪练习】

1、近年来，我国的许多城市禁止汽车使用含铅汽油的原因是（    ）

A.提高汽油燃烧效率

B.避免铅污染大气

C.降低汽油成本

D.铅资源短缺

2. 化学与能源、材料的发展密切相关，同时也与环境保护密切相关。下列有关说法中正确的是（    ）

A．绿色化学的核心是利用化学原理从源头上减少或消除工业生产对环境的污染

B．煤、石油通过综合利用可转化成清洁燃料等，人类不需要再进行新能源开发

C．大量使用化肥和农药可提高农作物的产量和质量，应大力提倡

D．工业酒精可制成饮用酒销售，可以节约粮食

3. 下列有关的燃料燃烧的说法正确的是（   ）

A．使燃料充分燃烧空气的量越多越好  

B．物质燃烧都需要氧气

4.下列不符合节能减排要求的是（    ）

A．将煤块粉碎提高燃料的燃烧效率

B．在汽车上安装汽车尾气催化转化装置，可使汽车尾气中的和发生反应：

C．在大力推广乙醇汽油的同时，研究开发太阳能汽车和氢燃料电池汽车

D．在水力发电、火力发电、核能发电和风力发电中，要大力发展火力发电

项目活动2——设计安全气囊

1．现代安全气囊系统的组成：碰撞传感器、缓冲气囊、气体发生器及其控制系统等。如下图所示：

2．气体发生器中的物质应有的性质：

(1)气囊中物质常温下稳定，但在一定条件下可以迅速分解，产生大量气体，放出大量的热，将气囊弹开。

(2)发生器中另外物质能快速吸收热量，防止人被烧伤或灼伤。

(3)发生器中的物质可以迅速吸收生成的有害的腐蚀性物质，防止对人造成二次伤害。

3．已知NaN3在碰击时，会发生2NaN3===2Na＋3N2↑，同时放出大量的热，结合已有知识设计安全气囊中所加入物质及作用。

写出上述三方案中相关的反应方程式：

(1)Fe2O3和Na反应：________________________________________。

(2)NH4NO3分解生成N2O和H2O：

________________________________________。

(3)KClO4和Na生成Na2O和KCl：

KClO4＋8Na===KCl＋4Na2O。

(4)SiO2和Na2O生成Na2SiO3：

Na2O＋SiO2===Na2SiO3。

(5)SiO2和K2O生成K2SiO3：K2O＋SiO2===K2SiO3。

【知识归纳2】

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。

2.叠氮化钠作为气体发生剂的优缺点

叠氮化钠作为气体发生剂的优点：受撞击时释放大量的无毒、无味气体——氮气，可以满足安全气囊的功能需求。

缺点：生成活泼金属钠，并释放大量的热，会对人员造成二次伤害。

显然，除了叠氮化钠外，还需要选择能吸收热量且不产生有害物质、能与金属钠反应且不产生有害产物的物质做助剂。

3. 实用性角度出发，汽车安全气囊中通常加入什么物质?气囊中产生的是什么气体?

目前，叠氮化钠（NaN3）是在汽车安全气囊系统中普遍使用的物质之一。汽车受到猛烈碰撞时，点火器点火引发叠氮化钠迅速分解，产生氮气和金属钠，同时释放大量的热。

4.功能性需求出发，气体发生器中的物质应具有的性质。

气囊中物质常温下稳定，但在一定条件下可以迅速分解，产生大量气体，将气囊弹开。

5.通过为安全气囊选择气体发生剂，你对化学反应的利用有了哪些新的认识？

①作为气体发生剂的物质一般具有生成物清洁、低腐蚀、有毒组分含量低、产气量大、产气快等特点。

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。叠氮化钠受到撞击后放出的热量被硝酸铵吸收，发生分解反应，生成一氧化二氮气体和水蒸气。同时，金属钠与铁的氧化物反应，生成铁和较为安全的氧化钠。

③在选择安全气囊的气体发生剂时，不仅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，科学、合理地利用化学反应。

【项目成果展示】1. 从材料、燃料、电池、安全等方面制作一份关于汽车中的化学的手抄报。

2.概括、提炼你在应用化学反应分析和解决实际问题过程中形成的核心思路。

【跟踪练习】

1.有些汽车安装了安全气囊，气囊中装有叠氮化钠()等固体粉末。一旦汽车发生强烈的撞击，叠氮化钠将迅速分解生成钠和氮气()，使安全气囊打开，起到保护作用。此后气体通过气囊上的小孔迅速消散，气囊收缩。

(1)写出叠氮化钠发生分解反应的化学方程式：____________________。

(2)写出安全气囊中选用叠氮化钠的理由：____________________。

2.（2022·吉林·长春外国语学校高一期中）从20世纪90年代开始，叠氮化钠用作汽车司机安全防护袋的气源，能在发生碰撞的瞬间分解产生大量气体将气囊鼓起。装运叠氮化钠的包装箱所贴的危险化学品标志应该是

3．（2022·山东·日照青山学校高一期中）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、硝酸铵等物质。下列说法错误的是

A．汽车发生剧烈碰撞时叠氮化钠发生的反应为2NaN3=2Na+3N2↑

B．NH4NO3作冷却剂，能吸收热量发生分解反应生成氮气和水蒸气

C．气体发生剂中的硝酸铵也可以用碳酸氢钠代替

D．Fe2O3是助氧化剂，能与钠反应生成较为安全的氧化钠和铁

4．（2022·四川·泸县五中高一期中）安全气囊是行车安全的重要设施，当车辆发生碰撞的瞬间，安全装置通电点火使其中的粉末分解释放出大量的氮气形成气囊，从而保护司机及乘客的安全。为研究安全气囊工作的化学原理，取安全装置中的粉末进行研究。经实验分析，确定该粉末是一种混合物且只含Na、Fe、N、O四种元素。

(1)氧元素在元素周期表中的位置是__________，Na原子的结构示意图为__________，Na、Fe、N、O四种元素中三种主族元素的离子半径从大到小的顺序是__________(用离子符号表示)。

(2)水溶性实验表明，安全装置中固体粉末部分溶解。不溶物为一种红棕色固体，可溶于盐酸。已知该不溶物能发生铝热反应，写出该反应的化学方程式：___________。

(3)氮的最高价氧化物对应的水化物与其氢化物反应生成一种盐，该盐中含有的化学键类型是_____________。