第2章 微项目 研究车用燃料及安全气囊-【步步高】2023-2024学年高一化学必修第二册学习笔记（鲁科版2019，鲁琼）

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 [核心素养发展目标]　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与能量变化的关联，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，体会化学科学对社会发展的贡献，培养“科学态度与社会责任”的学科素养。2.通过设计安全气囊，初步形成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实际问题的思路和方法，培养“科学探究”的精神。 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，已知庚烷在汽缸中会发生反应：C7H16(g)＋11O2(g)7CO2(g)＋8H2O(g)。 思考1　(1)试从化学键的角度计算1 mol庚烷(C7H16)燃烧产生CO2和水蒸气所释放的能量。 则：1 mol庚烷燃烧产生CO2和水蒸气所释放的能量为3 820.4 kJ。 (2)试用能量变化图像表示庚烷燃烧的过程。 答案　 3．车用燃料的选择 (1)能量角度 燃料发生的化学反应所释放能量的多少，燃料达到燃点所吸收能量的多少。 (2)经济角度 燃料的来源和价格满足价廉易得。 (3)环境角度等 燃料和产物对环境无污染或污染小。 思考2　如图为三种可燃物在空气中燃烧的能量变化图，试分析哪种作汽车燃料较好？为什么？ 提示　选用A燃料较好，因为该燃料在燃烧时，达到燃点所需要吸收的能量少，且可燃物燃烧反应所释放的能量多。 4．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，其中对环境不利的成分主要为碳氢化合物、氮氧化物、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：一氧化碳来自燃料的不完全燃烧，一氧化氮来自高温或放电条件下N2和O2的反应，二氧化硫来源于含硫化合物的燃烧，碳氢化合物来源于燃料未燃烧或未完全燃烧的燃油、润滑油及其产物等。 (3)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。 下图为汽车尾气处理系统中“三元催化器”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害物质的化学方程式：2NO＋2CON2＋2CO2。 1．判断正误 (1)车用燃料达到燃点所需能量越高越好(　×　) (2)柴油中碳的含量比汽油高，若改用柴油作为汽车的燃料，则可以相对减少污染(　×　) (3)三元催化器能将汽车尾气转化为无害物质(　√　) (4)开发新能源是控制城市空气污染源的方法之一(　√　) 2．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 答案　C 解析　为了防止震动，常在汽油中加入抗震剂，四乙基铅有很好的抗震作用，被广泛采用。后来发现加入的四乙基铅只有20%起了作用，其余80%随尾气排入大气，含铅化合物对人体有很大的危害，可通过呼吸或皮肤吸收进入人体，影响神经系统，造成意识障碍，引起幻听、幻视、抽搐、昏迷直至死亡，尤其影响儿童智力发育，因此当前各国都采用其他抗震剂而不采用铅制剂。 3．近年来，多地公共汽车大部分采用天然气作为汽车的燃料，其主要目的是(　　) A．防止石油短缺 B．降低成本 C．减少对大气的污染 D．加大发动机的动力 答案　C 解析　因为石油中含较多杂质如硫元素，燃烧后硫被氧化，生成大气污染物二氧化硫，杂质较多时，碳不完全燃烧产生一氧化碳多；而天然气含有杂质少，天然气的主要成分是甲烷，甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2CO2＋2H2O，所以采用天然气作为汽车的燃料，燃烧充分，燃烧时产生的一氧化碳少，对空气污染小。 4．汽车尾气(含有烃类、CO、NOx、SO2等)是城市空气的主要污染源，治理方法之一是在汽车排气管上安装“催化转化装置器”。它能使CO和NOx反应生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并使烃类充分燃烧，使SO2转化。下列说法正确的是(　　) A．CO和NOx反应的化学方程式为2xCO＋2NOx===2xCO2＋N2 B．上述方法的缺点是导致空气中CO2的含量增大，从而大大提高空气的酸度 C．植树造林，增大绿化面积，可有效控制城市的各种污染源 D．汽车改用天然气或氢气作为燃料，会减少对空气的污染 答案　AD 解析　空气中CO2的含量增大，不会大大提高空气的酸度；植树造林，增大绿化面积，并不能有效控制城市的各种污染源；汽车改用天然气或氢气作为燃料，会减少对空气的污染。 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。 2．气体发生器中的物质 (1)特点：汽车安全气囊系统中使用的作为气体发生剂的物质一般具有____________、____________、____________、____________、____________等特点。 (2)分类：目前使用的气体发生剂主要由____________、____________、____________等物质按一定比例混合而成。 答案　(1)生成物清洁　低腐蚀　有毒组分含量低　产气量大　产气快 (2)叠氮化钠　三氧化二铁　硝酸铵 3．已知NaN3受到撞击时，会发生反应：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的物质及作用。 方案 选择化学试剂的思路 选择的化学药品 化学药品的作用 1 试剂发生反应放出大量气体将气囊迅速胀开，辅助试剂吸收热量及腐蚀性物质，防止二次伤害 NaN3、Fe2O3、 NH4NO3 NaN3分解产生大量气体；Fe2O3吸收NaN3产生的Na；NH4NO3吸收产生的热量，同时释放大量气体 2 试剂发生反应放出大量气体将气囊迅速胀开，辅助试剂吸收热量及腐蚀性物质，防止二次伤害 NaN3、Fe2O3、 KClO4、NaHCO3 NaN3分解产生大量气体；Fe2O3吸收Na生成Na2O和Fe，KClO4作助氧化剂，吸收Na生成KCl和Na2O；NaHCO3吸收热量，同时释放CO2 3 试剂反应放出大量气体，辅助试剂吸收热量及腐蚀性物质 NaN3、KNO3、SiO2 NaN3分解产生大量气体；KNO3吸收Na生成K2O、Na2O和N2；SiO2和生成的K2O及Na2O反应生成K2SiO3、Na2SiO3 写出上述三个方案中相关反应的化学方程式： (1)Fe2O3和Na反应：Fe2O3＋6Na3Na2O＋2Fe。 (2)NH4NO3分解生成N2O和H2O：NH4NO3N2O↑＋2H2O↑。 (3)KClO4和Na反应生成Na2O和KCl：KClO4＋8Na===KCl＋4Na2O。 (4)SiO2和Na2O反应生成Na2SiO3：Na2O＋SiO2===Na2SiO3。 (5)SiO2和K2O反应生成K2SiO3：K2O＋SiO2===K2SiO3。 思考　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？ 提示　从化学反应速率的角度考虑，安全气囊产生气体的速率要快。 从化学反应中能量变化的角度考虑，NH4NO3可以吸收NaN3分解放出的热量，同时考虑到NH4NO3自身的性质，其吸热发生分解反应生成更多的气体，符合安全气囊产气量大的要求。 从化学反应中物质变化的角度考虑，NaN3受到撞击后生成有潜在危险的Na，因此应选择Fe2O3消耗生成的Na，将其转化成较为安全的Na2O。 1．判断正误 (1)安全气囊系统是一种被动安全性的保护系统(　√　) (2)安全气囊从技术上讲其实是一种化学反应，能够生成气体来填充囊袋(　√　) (3)开车时必须系上安全带，否则的话安全气囊会对人体造成伤害(　√　) (4)可以用水去直接冲洗安全气囊位置(　×　) 2．(2023·济南高二检测)目前汽车安全气囊的气体发生剂主要由叠氮化钠、三氧化二铁、硝酸铵等物质组成，下列说法正确的是(　　) A．安全气囊打开时，产生的气体只有氮气 B．硝酸铵的作用只是吸收叠氮化钠分解产生的热量 C．三氧化二铁的作用是与金属钠反应，防止钠造成二次伤害 D．硝酸铵性质很稳定 答案　C 解析　由题述物质组成的气体发生剂在安全气囊打开时，产生的气体有氮气、N2O和水蒸气，A项错误；硝酸铵的作用是吸收叠氮化钠分解产生的热量，同时分解产生气体，B项错误；三氧化二铁的作用是与金属钠反应，生成铁和较为安全的氧化钠，C项正确；硝酸铵受热或撞击时发生分解，性质不稳定，D项错误。 3．某汽车安全气囊的气体发生剂含有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物质。当汽车发生碰撞时，气体发生剂产生大量气体使气囊迅速膨胀，从而起到保护作用。 (1)NaN3是产气剂，受到撞击后分解产生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含有化学键的类型为______________，K的原子结构示意图为__________。 (4)NaHCO3是冷却剂，通过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________。 答案　(1)　(2)Fe(或铁)　(3)离子键和共价键　　(4)2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑　(5)①CO2、H2O　②65% 解析　(2)根据置换反应的通式：一种单质＋一种化合物===另一种单质＋另一种化合物，可知生成物为铁和钠的氧化物。(5)①产气过程中会产生N2、CO2和水蒸气，碱石灰可以吸收CO2和水蒸气。②根据2NaN3～3N2，则n(NaN3)＝×＝1 mol，则m(NaN3)＝ 1 mol×65 g·mol－1＝65 g，故NaN3的质量分数为×100%＝65%。 学科网（北京）股份有限公司 $$