专题10 课题1化学引领新能源的开发课件-2025-2026学年九年级化学沪科版（五四学制）全一册

专题10　化学与人类社会进步 课题1　化学引领新能源的开发 义务教育教科书（五·四学制） 化学 九年级 全一册 课题 1　化学引领新能源的开发 课题 2　健康生活离不开化学 课题 3　化学为人类提供丰富的材料 跨学科实践活动　调查我国航天科技领域中 新型材料、新型能源的应用 专题10　化学与人类社会进步 为何说化学在能源、生命、材料、信息和航空航天等领域的研究推动着人类社会的进步？ 从人类祖先钻木取火，到现在我们可便捷地使用移动电源给电子设备充电，人类对能源的利用形式发生了巨大的变化，能源已然成为现代社会经济发展的重要支柱。在能源开发与利用中，化学起到了哪些关键作用呢？ 化学引领新能源的开发 课题1 学习聚焦 列举常见的来自生物质的能源，说出使用含碳可再生能源对发展循环经济、改善生态环境等的重要意义。 描述理想的氢能源循环体系，认识氢能是极具发展潜力的清洁能源，树立人与自然和谐共生的科学自然观和绿色发展观。 能源是什么 能源是可以直接或经转换提供人类所需光、电、热、动力等不同形式能量的资源，是人类取得能量的来源。 能源的分类方法有很多，按其可否再生，分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源包括太阳能、水能、风能（图10.1）等，这些能源在自然界中可以循环再生，取之不尽，是清洁、绿色、低碳的能源。煤炭、石油、天然气等化石燃料都属于不可再生能源。 图10.1　几种可再生能源 有人说地球上的绝大部分能源追根溯源都是来源于太阳释放的巨大能量。你是怎么评价这个观点的？ 讨论与交流 随着社会的发展，人类对能源的需求也在不断增加。目前全球每年能源消耗量中，80%以上来自化石燃料。由于化石燃料消耗得很快且不可再生，许多国家都遇到能源供应短缺问题，人类正面临能源危机。为了有效应对能源危机，人们必须做好几件事：一是提高能源利用效率，二是尽量节约能源，三是寻找其他新能源。 化学能够引领我们找到哪些新能源 1. 基于生物质的能源 生物质能是以生物质为载体的能量，是绿色植物（包括藻类）通过光合作用将太阳能储存在生物质内部的能量形式。生物质能本质上是以含碳物质形式储存的太阳能，属于可再生能源。据估计，每年植物光合作用固定的太阳能高达3×1018 kJ，相当于全人类消耗能量的10倍。由于化石燃料的不可再生性以及产生的环境问题日益严重，以环保和可再生为特质的生物质能越来越受到人们的重视。 直接燃烧生物质获取能量效率很低，目前世界各国主要通过一定手段，将生物质转化为乙醇、沼气、生物油等其他形式能源产品进行利用。 乙醇俗称酒精，其化学式为C2H6O。乙醇是一种具有特殊香味的易挥发液体，在空气中燃烧时放出大量的热，可用作酒精灯、内燃机的燃料。在汽油中加入适量乙醇制成的车用乙醇汽油，可以在一定程度上节省石油资源，减少汽车尾气的污染。 C2H6O + 3O2 2CO2 + 3H2O 点燃 乙醇 熔　点：-114 ℃ 沸　点：78.3 ℃（101 kPa） 溶解性：与水任意比互溶 密　度：0.789 4 g/cm3（20 ℃） 资料库 粮食、含糖丰富的植物、木质纤维等生物质原料，在微生物作用下，经发酵可以得到乙醇。 在我国农村地区，人们常把秸秆、杂草、人畜粪便等废弃物放在密闭的池中发酵，产生可燃的“沼气”，其主要成分是甲烷。沼气也是一种可再生能源，城市湿垃圾的处理可采用发酵工艺制备沼气，既能净化环境，又能提供燃料（图10.2）。 图10.2　湿垃圾资源化利用示意图 地沟油泛指一切废弃食用油脂，如回收的食用油、反复使用的煎炸老油等。地沟油中的油脂经污染后发生酸败、氧化和分解等一系列化学变化，产生一些具有刺激性气味的有机化合物，这些物质往往具有致癌的作用，对人体的危害极大。 地沟油的再利用——生物柴油 拓展阅读 其实，地沟油也是生物质能源，要解决地沟油回流餐桌的问题，最好的办法就是变废为宝。利用化学技术可使地沟油转化为生物柴油。生物柴油是典型的“绿色能源”，具有燃烧与环保性能佳、原料来源广泛、可再生等特性。发展生物柴油对经济可持续发展、推进能源替代、控制大气污染等具有重要意义。 2. 氢能 氢气燃烧的热值1比化石燃料高很多，而且燃烧产物只有水，不污染环境。因此，氢能是一种“绿色能源”，具有广阔的开发前景。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料。 1 ‌热值是指单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量，常用单位有kJ / kg或kJ / m3。 一些燃料的热值 甲 烷：5.6×104 kJ/kg 氢 气：1.4×105 kJ/kg 标准煤：2.9×104 kJ/kg 汽 油：4.6×104 kJ/kg 乙 醇：3.0×104 kJ/kg 资料库 写出一些能够生成氢气的反应的化学方程式。思考这些反应是否适用于工业大规模制氢。 书写表达 氢元素在自然界中普遍存在，主要以化合态存在于水中。从来源看，水是制氢最适宜的原料，同时可以使氢能源的生产与使用形成理想的循环体系。但是水即使加热到2 000 ℃以上，也只能少量分解产生氢气；若采用电解水的方法制取氢气，需要消耗大量电能，基于传统电力供应，成本很高。 化学家们正在研究如何以较低的成本制取大量的氢气。目前，大规模制氢基本以天然气或煤为原料，经过化学变化转化为氢气。要实现氢能全过程的可再生和清洁化，则需要借助生物质能、风能、太阳能等可再生能源。例如，使用风力、水力发电电解水，可有效降低制氢成本；利用太阳能与半导体技术，通过人工模拟光合作用，也可以分解水制氢；此外，生物质中也含有较多的氢元素，利用微生物在常温常压下进行发酵制氢是具有发展前景的研究方向。随着安全、可靠、高效的储氢和运氢技术的不断出现，以氢作为动力源的设备也将越来越多地出现在我们身边，如图10.3所示。 图10.3　加氢站与氢动力车 工业上以甲烷为原料生产氢气的流程如图10.4所示。写出转化炉与变换塔中发生的反应的化学方程式。如果每一步都是完全转化，分析要得到1 kg H2，参与反应的CH4质量为多少？利用化石燃料制氢是否符合绿色发展理念？说明理由。 讨论与交流 图10.4　甲烷制氢工艺流程 学习本课题后，你应知道通过化学反应可以直接或间接实现物质与能量之间的转化，希望你今后能继续关注化学在大力发展碳中和技术体系与碳中和产业，推进能源革命中所起的重要作用。 学习指南 归纳小结 化石燃料消耗   且    ，必须节约能源并寻找其他新能源。 乙醇是一种 能源，在某些场合可作为化石燃料的替代品。 通过 制氢，可以构建理想的氢能源循环体系。 例题导引 问题： 某兴趣小组想要对乙醇的元素组成进行探究。他们将乙醇在密闭容器中燃烧，并用传感器采集反应前后容器中二氧化碳与水的含量数据，发现两者都有非常明显的上升。 （1）甲同学认为根据数据采集结果可以推断出乙醇含有碳元素和氢元素。说明甲同学判断的依据。 （2）乙同学想要确认乙醇是否含有氧元素，他的设想是让足量的乙醇在密闭容器中燃烧，等火焰熄灭后测定乙醇减少的质量及装置内二氧化碳和水的质量。分析他的实验设计是否严密，说明理由。 分析： （1）由数据采集结果可知，燃烧前后二氧化碳与水的含量都在增加，说明两者都是乙醇燃烧的产物，因此可以推断出乙醇中含有碳元素和氢元素。 （2）乙同学想要利用质量守恒定律，通过二氧化碳和水的质量可以计算碳元素和氢元素的质量，再与消耗乙醇的质量进行比较，如果乙醇质量大于碳、氢元素质量之和，则说明乙醇中还含有其他元素。但是要判断是否是氧元素，还需要其他证据的补充，如证实产物只有二氧化碳和水，没有其他物质等。此外，实验中乙醇的挥发、发生不完全燃烧等都会对实验测定结果造成影响。因此乙同学的实验设计尚不够严密，还需进一步改进。 练习巩固 1. 在新能源的开发利用上，氢能的开发是重要的发展方向。 （1）一氧化碳和氢气具有相似的化学性质，请举出一例，从安全与环保的角度分析，简要说明为什么一氧化碳不可能是新能源的发展方向。 （2）铁酸锌（ZnFe2O4）可用于循环分解水制氢，其反应可表示为： 6ZnFe2O4 6ZnO + 4Fe3O4 + O2↑ 高温 3ZnO + 2Fe3O4 + H2O 3ZnFe2O4 + H2↑ 高温 ① 已知ZnFe2O4中锌元素的化合价为+ 2价，指出铁元素的化合价。 ② 该循环制氢中不断消耗的物质是什么？得到的氢气和氧气的质量比是多少？ 2. 根据制备方式的不同，目前将氢源分为灰氢、蓝氢与绿氢三类（图10.5）。从灰氢过渡到蓝氢，最终实现绿氢，是氢能未来发展的趋势。 图10.5 （1）灰氢是指通过化石燃料燃烧产生的氢气。水煤气变换反应“CO + H2O CO2 + H2”是该制氢过程中重要反应之一。科学家研究了不同温度下，多种催化剂对水煤气变换反应中CO转化率的影响，结果如图10.6所示。请根据图10.6为水煤气变换反应选择适宜的反应条件。 催化剂 △ 图10.6 （2） 蓝氢，虽然也是用化石燃料制氢，但由于使用了碳捕集和封存技术，可减轻对地球环境的影响。请分别列举一种捕集工业尾气中CO2的物理方法与化学方法。 （3） 结合图示，书写制备“绿氢”的化学方程式，解释“绿氢”为何是氢能未来发展的趋势。 感谢观看 THANKS $