微项目2 研究车用燃料及安全气囊——利用化学反应解决实际问题（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（鲁科版2019）

微项目二　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 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。 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问题的思路。 项目活动1　选择车用燃料 [对应学生用书P81] 一、知识准备——汽车的发展阶段 发展 阶段 第一阶段 第二阶段 蒸汽机汽车 内燃机汽车 燃料 煤 汽油 效率 较低 较高 污染物 SO2、NOx、H2S、CO及粉尘等 碳氢化合物、NOx、H2S、CO等 二、活动内容——车用燃料的选择及尾气处理 1．结合化学反应过程，车用燃料的燃烧发生哪些变化？其中的应用与危害各是什么？ 提示　车用燃料的燃烧过程除了发生物质变化外，还发生了能量变化，其中燃料燃烧生成的产物主要是二氧化碳和水，另外还有环境污染物，燃烧释放的大量的能量可以转化为汽车的动能。 2．根据下列可燃物燃烧反应的能量变化本质示意图的三种情况，分析哪种物质更适合做车用燃料？ 提示　可燃物燃烧反应的能量变化本质示意图中，E1表示断开反应物中化学键需要吸收的能量，该能量越小说明燃料越易燃烧，E2表示形成生成物中化学键释放的能量，E3表示燃料燃烧过程释放的能量，也就是提供给汽车转化为动能的能量，故E1越小，E3越大的燃料更适合做车用燃料，即可燃物A更适合做车用燃料。 3．根据化学反应的物质变化过程，分析如何处理污染环境的汽车尾气？ 提示　由于汽车运行过程中尾气是连续且快速地排放，且含有多种有害成分，所以应选择高效、多元催化剂通过化学反应转化为对环境无害的物质。 1．车用燃料的选择思路 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，即单位质量的燃料放热越多越好，也要考虑断开反应物中化学键需要吸收能量的多少，即燃料具有一定的稳定性且易燃烧。除此之外，还要考虑燃料的来源、价格，生成物对环境的污染等因素，做到既经济实惠又趋利避害。 2．汽车尾气的净化 [活动拓展]　由于乙醇的生产资源丰富，技术成熟，燃烧产物对环境无污染，易燃且释放的能量也较大，目前为了给汽车提供足够的动力，并且减少有害尾气的排放，汽车多使用乙醇汽油，即在汽油中加入一定比例的乙醇作为清洁的车用燃料。另外为了节约资源，更大程度地减少汽车尾气的排放开发研究新能源汽车也是人们努力的方向。 项目活动2　设计安全气囊 [对应学生用书P82] 一、知识准备——安全气囊及其常见气体发生剂 1．安全气囊是一种被动的汽车安全性辅助配置，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，它与座椅安全带配合使用，当汽车发生猛烈碰撞时，由控制系统引发气体发生器通过化学反应迅速产生大量无害气体将气囊充气至饱满的状态，弹出并展开可以为驾乘员提供有效的防撞保护。 2．目前安全气囊气体发生器中普遍使用的主要物质是叠氮化钠，其分解反应的化学方程式为2NaN32Na＋3N2↑，反应放出大量的热。 1．气体发生器中的物质应具有的主要性质是什么？ 提示　由于安全气囊是靠气体膨胀对驾乘人员进行保护的，所以气体发生器中的物质应具有的主要性质是在撞击时发生反应迅速产生大量无害气体。 2．根据叠氮化钠分解反应的物质变化和能量变化，分析其产物钠和放出的大量的热有什么危害？应如何处理？ 提示　由于钠是易燃物质，容易起火，故钠和反应放出的大量的热会对人和车造成二次伤害，应在气体发生器中加入一定的物质通过化学反应把钠消耗掉，并把放出的热量吸收掉。 1．汽车安全气囊系统中使用的作为气体发生剂的物质一般应具有生成物清洁、低腐蚀、有毒组分含量低、产气量大、产气速度快等特点。 2．目前使用的气体发生剂主要是叠氮化钠、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会迅速分解产生金属钠和氮气，同时放出大量的热，这些热量被硝酸铵吸收，发生分解反应，生成一氧化二氮气体和水蒸气。同时，金属钠会与铁的氧化物反应，生成铁和较为安全的氧化钠。 [活动拓展]　选择安全气囊发生剂的思考方向 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，还需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。即： (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。 [对应学生用书P83] 1．(2020·辽宁鞍山第一高级中学高一期末)下表为某汽车在不同速率下所产生的空气污染物的质量(按汽车平均行驶1公里计算)。 污染物/ g·km－1 速率/(km·h－1) 50 80 120 一氧化碳 8.7 5.4 9.6 氮的氧化物 0.6 1.5 3.8 碳氢化合物 0.7 0.6 0.8 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．汽车行驶速率为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 C　[根据表中信息可知汽车行驶时，污染物中CO含量最高，A项正确；汽车行驶速率为120 km·h－1时，三种污染物排放量都最多，污染最严重，B项正确；由表中数据可知，汽车速率为80 km·h－1时三种污染物整体排放量最少， C项错误；汽车行驶速率越大，产生的氮氧化物越多，D项正确。] 2．机动车的尾气是造成大气污染的主要来源，设立大气监测点，可以了解大气污染的发生时间、危害程度等情况。关于空气污染，下列说法正确的是(　　) A．二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和二氧化碳是大气主要污染物 B．正常雨水的pH等于7 C．氮的氧化物是引起酸雨的主要气体，主要来源于汽车尾气 D．汽车燃料改用天然气，可彻底杜绝大气污染 C　[二氧化碳不是大气污染物，A项错误；由于大气中存在二氧化碳，二氧化碳溶于水呈酸性，故正常雨水的pH小于7，B项错误；大气中的氮的氧化物主要来源于汽车尾气，可引起酸雨，C项正确；汽车燃料改用天然气，若天然气不完全燃烧也会产生一氧化碳引起大气污染，D项错误。] 3．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 C　[NO2在反应前后质量和化学性质均没有发生变化，只是加快了O2转化为O3的速率，其总反应方程式为3O22O3，则NO2是此过程中的催化剂，NO是中间产物，光化学烟雾是一种重要的大气污染，能引起人的外呼吸功能严重障碍，A、B、D正确，C错误。] 4．(2020·山东烟台一中高一检测)作为车用燃料，随着科技的发展越来越多元化，已知完全燃烧1 mol氢气(H2)、一氧化碳(CO)、辛烷(C8H18)、甲烷(CH4)分别释放出285.8 kJ、283.0 kJ、5518.0 kJ、890.3 kJ热量，下列有关车用燃料的说法正确的是(　　) A．辛烷(C8H18)来自于石油，是一种可再生能源 B．相同质量的H2、CO、CH4、C8H18完全燃烧时，放出热量最多的是C8H18 C．氢气可作为未来车用能源的主要燃料 D．甲烷是一种清洁能源，燃烧时不产生任何污染 C　[辛烷来自于石油，是一种不可再生能源，A项错误；根据题给信息，每克物质完全燃烧时放出的热量分别为H2——142.9 kJ、CO——10.1 kJ、C8H18——48.4 kJ、CH4——55.6 kJ，则相同质量的H2、CO、CH4、C8H18完全燃烧时，放出热量最多的是H2，B项错误；燃烧等质量的燃料时氢气放出的热量最多，而且其燃烧产物为水，对环境没任何污染，因此可作为未来车用能源的主要燃料，C项正确；甲烷为一种清洁能源，但如果不完全燃烧，可产生一氧化碳等污染性气体，D项错误。] 5．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，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。下列物质中不属于上述有害气体的是(　　) 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)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出热量大，氢气燃烧的唯一产物是水，不产生污染。 答案　(1)A　(2)B　(3)AB　(4)A 6．某品牌安全气囊的气体发生剂主要有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物质。 (1) NaN3是气体发生剂主要成分，当受到剧烈撞击时产生大量的N2和Na，并释放出大量的热量，Fe2O3可与产生的Na反应生成一种单质和一种氧化物，其反应的化学方程式为__________________________________。 (2)KClO4为助氧化剂，在反应过程中也可与金属Na反应生成KCl和Na2O，其反应的化学方程式为_____________________________________________________________________，KClO4中含有的化学键类型为_____________________。 (3) NaHCO3的作用为________________________________________________________，反应的化学方程式为_________________________________________________________。 解析　NaN3受撞击分解生成Na和N2，Fe2O3作为氧化剂可吸收金属钠，防止钠对人体造成伤害，KClO4作为助氧化剂也可以与钠反应生成KCl和Na2O, NaHCO3受热分解生成大量气体，并吸收大量热量，同时生成的CO2可以和Na2O反应生成无腐蚀性的Na2CO3。 答案　(1)Fe2O3＋6Na2Fe＋3Na2O　(2)KClO4＋8Na===KCl＋4Na2O　离子键和共价键 (3)吸收反应释放的热量，并与反应生成的强腐蚀性的Na2O反应，防止对人造成的二次伤害 2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O, CO2＋Na2O===Na2CO3 7．(2020·天津新华中学高一月考)某同学通过学习了解到乙醇汽油是一种新型车用燃料，于是他对汽油中添加乙醇的目的进行了如下探究。 【猜想】猜想1：可以减少汽车尾气的污染； 猜想2：可以产生更多的热量，增强汽车的动力。 【设计与实验】 序号 实验步骤 实验现象 结论 Ⅰ 在两个蒸发皿中各加入10 mL冷水，控制相同的条件，分别用乙醇和汽油作为燃料进行加热，记录从开始加热到水沸腾的时间 用乙醇加热至水沸腾耗时118 s，用汽油加热至水沸腾耗时56 s 猜想2______(填“成立”或“不成立”) Ⅱ 实验Ⅰ停止加热后，取下蒸发皿，观察蒸发皿的底部 用乙醇加热的蒸发皿底部只有极少量炭黑，而用汽油加热的蒸发皿底部有大量炭黑 __________(可仿照上格填写) 【分析与讨论】 (1)实验Ⅰ中不一定要控制的条件是______________。(填标号) A．水的初始温度必须相同 B．加热开始计时点必须相同 C．燃具产生火焰的大小必须相同 D．蒸发皿的大小必须相同 (2)汽车的发动机、排气管等部件易出现积炭，使用乙醇汽油后，这些部件产生的积炭量将________(填“增多”或“减少”)。 (3)目前乙醇汽油中乙醇的添加量约为10%，在一定程度上节省了石油资源。结合实验Ⅰ的结论分析，如果乙醇的添加量过多，会使汽车动力________。(填“增强”“减弱”或“不变”) 解析　【设计与实验】实验Ⅰ中用乙醇加热至水沸腾耗时长，说明乙醇燃烧放出的热量比汽油的少，故猜想2不成立；实验Ⅱ中用乙醇加热的蒸发皿底部炭黑少，说明乙醇燃烧充分，产生的污染物少，故猜想1成立。 【分析与讨论】(1)实验Ⅰ中需要控制水的初始温度、火焰的大小、蒸发皿的大小相同，不需要控制加热开始计时点相同。(2)结合实验Ⅱ可知，乙醇燃烧比汽油燃烧更充分，使用乙醇汽油后，汽车的发动机、排气管等部件产生的积炭量将减少。(3)结合实验Ⅰ可知，乙醇燃烧放出的热量比汽油的少，如果乙醇的添加量过多，则会使汽车动力减弱。 答案　【设计与实验】不成立　猜想1成立 【分析与讨论】(1)B　(2)减少　(3)减弱 8．汽车安全气囊是行车安全的重要保障。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免受伤害。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实验。经组成分析，确定该粉末仅含Na、Fe、N、O四种元素。水溶性试验表明，固体粉末部分溶解。经检测，可溶物为化合物甲，不溶物为红棕色固体，但可溶于盐酸。取13.0 g化合物甲，加热使其完全分解，生成氮气和单质乙，生成的氮气折合成标准状况下的体积为6.72 L。单质乙在高温隔绝空气的条件下与不溶物红棕色粉末反应生成化合物丙和另外一种单质。化合物丙置于空气中可转化为可溶性盐，该盐的溶液呈碱性。请回答下列问题： (1)甲的化学式为__________，丙的电子式为____________。 (2)若丙在空气中转化为碳酸盐，则反应的化学方程式为__________________________。 (3)单质乙与红棕色粉末发生反应的化学方程式为__________________________________________，安全气囊中红棕色粉末的作用为________________________________________________________________________。 (4)以下物质中有可能作为安全气囊中红棕色粉末替代品的是________。(填字母) A．KCl B．KNO3 C．Na2S D．CuO 解析　粉末仅含Na、Fe、N、O四种元素。水溶性试验表明，固体粉末部分溶解，经检测，可溶物为化合物甲；不溶物为红棕色固体，可溶于盐酸，则该红棕色固体是氧化铁；取13.0 g化合物甲，加热使其完全分解，生成氮气和单质乙，则甲中含有两种元素，甲是可溶性物质，单质乙在高温隔绝空气的条件下与不溶物红棕色粉末反应生成化合物丙和另一种单质，则乙为Na，氮气物质的量＝＝0.3 mol，其质量＝0.3 mol×28 g/mol＝8.4 g，故Na元素质量＝13 g－8.4 g＝4.6 g，物质的量＝＝0.2 mol。故甲中Na、N原子数目之比＝0.2 mol∶0.3 mol×2＝1∶3，则甲为NaN3，钠和氧化铁反应生成氧化钠和铁，所以丙是氧化钠，氧化钠与空气接触可转化为碳酸氢钠。(1)通过分析知：甲的化学式为：NaN3，丙为氧化钠，其电子式为。(2)丙是氧化钠，在空气中转化为碳酸盐，则该反应是氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠，反应的化学方程式为Na2O＋CO2===Na2CO3。(3)高温条件下，钠和氧化铁反应生成氧化钠和铁，反应方程式为：6Na＋Fe2O32Fe＋3Na2O，钠和氧化铁反应时，氧化铁作氧化剂，除去叠氮化钠分解产生的金属钠，防止产生危害。(4)安全气囊中氧化铁粉末的作用是消耗产生的活泼的钠，硝酸钾本身受热分解产生的氧气能与钠反应，选项中还能和钠反应的是氧化铜，故B、D项正确。 答案　(1)NaN3　　(2)Na2O＋CO2===Na2CO3　(3)6Na＋Fe2O32Fe＋3Na2O　吸收金属钠，防止钠对人体产生危害　(4)BD 学科网（北京）股份有限公司 $$