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 学案 （教师版）2022-2023学年高一化学鲁科版（2019）必修第二册.docx

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自主学习1.常见的汽车燃料(1)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。(2)自从汽车问世，汽车燃料经历了从煤到汽油的变迁。2汽车尾气污染及处理(1)汽车尾气污染是指由汽车排放的废气造成的环境污染。主要污染物为碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫、含铅化合物、苯并芘及固体颗粒物等，能引起光化学烟雾等。(2)汽车尾气处理即汽车尾气由原有毒气体，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。采用催化剂：将CO氧化成CO2，碳氢化合物氧化成CO2和H2O，NOx被还原为N2等。水洗：通过水箱，使汽车尾气中的碳烟粒子经过水洗和过滤及蒸气的淋浴，可将粘在碳粒上的有毒物质洗去，使碳粒子胀大而给予去除。3汽车安全气囊气体发生剂(1)特点汽车安全气囊使用的气体发生剂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)常见气体发生剂种类成分：目前，用于汽车安全气囊的气体发生剂主要由叠氮化钠、三氧化二铁、硝酸铵等物质按一定比例混合而成。其氧化剂主要是Fe2O3。原理.汽车受到强烈撞击时，点火器点火引发叠氮化钠分解为氮气和金属钠。反应的化学方程式为2NaN32Na3N2。.硝酸铵吸收叠氮化钠放出的热量，生成一氧化二氮气体和水蒸气，反应的化学方程式为NH4NO3N2O_2H2O。.三氧化二铁和钠反应，生成铁和氧化钠，反应的化学方程式为Fe2O36Na2Fe3Na2O。1判断下列说法是否正确：(1)汽车用的燃料汽油是一种纯净物。(×)提示：汽油是一种混合物。(2)车用燃料的燃烧对外释放能量。()提示：燃烧是放热反应。(3)汽车尾气中的氮氧化物主要来源于空气中的N2和O2在气缸中发生反应N2O22NO生成。()提示：N2和O2在高温下反应生成NO，进而生成NO2等。(4)安全气囊中的叠氮化钠属于离子化合物。()提示：叠氮化钠中含有离子键，属于离子化合物。2教材中叙述“庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一”，请写出庚烷燃烧的化学方程式。提示：C7H1611O27CO28H2O。3随着汽车应用的日益广泛，汽车尾气产生的污染越来越严重，汽车尾气的主要污染物有氮氧化合物、一氧化碳、含铅化合物等。你知道这些污染物是如何产生的吗？提示：氮的氧化物是火花塞放电时空气中的氮气和氧气反应产生的；一氧化碳是汽油中碳元素不完全燃烧产生的；含铅化合物是汽油添加剂防爆剂燃烧后产生的。合作探究选择车用燃料 从能量变化角度认识车用燃料庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一。(1)请利用图示的说法说明庚烷燃烧过程中发生能量变化的原因。提示：燃烧过程是放热反应，因此反应物具有的总能量大于生成物具有的总能量，因此用图示可以表示为(2)若庚烷燃烧过程的图示如图所示，请说明E1和E2的含义。提示：E1表示庚烷燃烧过程中断裂CH、CC、O=O键吸收的能量E1，E2表示新形成C=O、OH键释放的能量。(3)请根据下图判断哪种燃料更适合作车用燃料？为什么？提示：选择燃料A。因为A达到燃点所需要的能量少且放出的热量多。 认识汽车尾气带来的污染问题(1)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。(2)如何解决汽车尾气带来的环境污染问题？提示：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。使用汽油发动机和电动机驱动的混合动力汽车，实现低消耗和低排放。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。1化学反应选择应遵循的原则(1)从反应物的角度主要考虑：性质、状态、价格、安全性和原料的利用率的高低。(2)从生成物的角度主要考虑：生成物是否有污染的副产物，与产物是否易分离。(3)从反应条件的角度考虑：条件是否简便、节能。(4)从操作的角度考虑：操作是否简便、易行。2环境污染六大工业尾气的主要成分硫酸工厂尾气SO2、O2、N2等，一般用氨水吸收硝酸工厂尾气NO、NO2、N2、O2等，一般用NaOH溶液吸收高炉煤气CO、CO2、N2等，一般回收利用炼钢烟气Fe2O3烟尘、CO等，一般回收利用焦炉气H2、CH4、C2H4、CO等，可用作燃料、化工原料氯碱工业Cl2，一般用NaOH溶液吸收思考讨论:(1)如何根据燃料的能量变化选择车用燃料？提示：达到燃料燃点需要的能量越低，反应物能量高于生成物能量越多的燃料越合适。(2)汽车尾气中有哪些有害成分？如何除去其中的氮氧化物？提示：汽车尾气中的主要有害成分为碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢，以及微量的醛、酚、过氧化物等。使用催化转化器可将氮氧化物转化为氮气和氧气。【典例】(2021·日照高一检测)下表为某汽车在不同速率时所产生的空气污染物质量(按汽车平均行驶1公里计算)。污染物/ g·km1速率/km·h15080120一氧化碳8.75.49.6氮的氧化物0.61.53.8碳氢化合物0.70.60.8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汽车速率为120 km·h1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·h1D汽车速率增大时，产生的氮的氧化物也随之增多解析:选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·h1时，三种污染物排放量都最多，污染最严重，B项正确；从环保角度考虑，最合适的汽车速率为80 km·h1，C项错误；汽车行驶速率越大，产生的氮的氧化物越多，D项正确。【备选例题】(2021·南昌高一检测)经过多方努力，某市的空气质量有明显改善。造成雾霾的重要原因之一是汽车尾气的排放，汽车加装尾气处理装置可以减少有害尾气的排放。在汽车尾气净化装置里，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如下图所示。下列说法错误的是()ANO2是该过程的中间产物B汽车尾气的主要污染成分为CO和NOCNO和O2必须在催化剂表面才能反应D该催化转化的总反应方程式为2NOO24CO4CO2N2解析:选C。A项，由题图可知，2NOO2=2NO2，2NO24CO4CO2N2，NO2是该过程的中间产物；B项，汽油不完全燃烧可生成CO，空气中的氮气在汽缸中放电条件下可生成NO，汽车尾气的主要污染成分是CO、NO等；C项，NO和O2在常温下就能反应生成NO2；D项，该反应的反应物是NO、O2、CO，生成物是CO2、N2，反应条件是催化剂，所以该催化转化的总反应方程式为2NOO24CO4CO2N2。1(2021·黄山高一检测)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=NOO，2NOO2=2NO2，O2O=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=3O2D光化学烟雾能引起人的外呼吸功能严重障碍解析:选C。NO2在反应前后质量和化学性质均没发生变化，只是加快了O2变成O3的反应速率，因此NO2是O2变成O3的催化剂。将三个方程式相加得到的总反应方程式为3O2=2O3。2(2021·南阳高一检测)给汽车安装尾气净化装置，汽车尾气通过净化装置(内有钯等过渡金属元素作催化剂)后，其中的有害气体CO、NO转化为无害气体N2、CO2，则下列说法正确的是()ANO为还原剂BCO为还原剂CN2为还原剂 DCO2为氧化剂解析:选B。反应的化学方程式为2CO2NON22CO2，NO中N元素的化合价降低，被还原，NO为氧化剂，N2为还原产物，CO中C元素的化合价升高，被氧化，CO为还原剂，CO2为氧化产物。补偿训练:(2021·会宁高一检测)“E85”是含乙醇85%的乙醇汽油。科学家的研究表明，大量使用“E85”可能导致大气中O3含量上升，将会对人体造成更直接的伤害。寻找新能源替代化石燃料成为化学工作者研究的新课题。下列各项描述中正确的是()A等质量的“E85”和汽油充分燃烧后放出的能量相等BO3与O2互为同素异形体C“E85”是由两种物质组成的混合物D推广使用乙醇汽油是为了减少温室气体排放解析:选B。A项，等质量的“E85”和汽油充分燃烧，放出的热量不同；B项，O2与O3都是由氧元素形成的结构不同的单质，互为同素异形体；C项，“E85”是含乙醇85%的乙醇汽油，汽油是多种烃的混合物，不止由两种物质组成；D项，乙醇汽油含有碳元素，燃烧也生成二氧化碳，而二氧化碳是温室气体。NOx是汽车尾气中的主要污染物之一。(1) NOx能形成酸雨，写出NO2转化为HNO3的化学方程式：_。(2)汽车发动机工作时会引发N2和O2反应，其能量变化示意图如下：该反应是_(填“放热反应”或“吸热反应”)。(3)在汽车尾气系统中装置催化转化器，可有效降低NOx的排放。当尾气中空气不足时，NOx在催化转化器中被还原成N2排出。写出NO被CO还原的化学方程式：_。 当尾气中空气过量时，催化转化器中的金属氧化物吸收NOx生成盐。其吸收能力顺序如下：12MgO <20CaO <38SrO<56BaO。原因是_，元素的金属性逐渐增强，金属氧化物对NOx的吸收能力逐渐增强。(4)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如图，Pt电极上发生的是_反应(填“氧化”或“还原”)。解析:(1)NO2与H2O反应生成HNO3与NO；(2)反应能量变化945 kJ·mol1498 kJ·mol12×630 kJ·mol1183 kJ·mol1，反应为吸热反应；(3)NO被CO还原为N2，CO被氧化为CO2；由Mg、Ca、Sr、Ba的质子数可知，它们均处于第A族，同一主族自上而下，原子半径增大，金属性增强；(4)由工作原理示意图可知，O2在Pt电极发生还原反应生成O2。答案：(1)3NO2H2O=2HNO3NO(2)吸热反应(3)2NO2CON22CO2由Mg、Ca、Sr、Ba的质子数可知，它们均处于第A族，同一主族自上而下，原子半径增大(4)还原设计安全气囊材料：安全气囊作为车身被动安全性辅助配置，越来越受到人们的重视。现代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。 探究安全气囊中使用过的物质的特点方案设计：方案选择的化学药品选择化学药品的思路每种化学药品的作用1叠氮化钠产生保护气产生氮气2硝酸铵吸收反应产生的热量同时产生气体生成一氧化二氮和水蒸气3氧化铁除去反应生成的腐蚀性强的物质与钠反应生成铁和氧化钠 认识叠氮化钠(NaN3)(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：含有离子键、共价键，属于离子化合物。(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：2NaN32Na3N2。(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。叠氮化钠型安全气囊撞击时发生的反应12NaN32Na3N22NH4NO3N2O2H2O3Fe2O36Na2Fe3Na2O思考讨论:(1)安全气囊中发生的三个反应分别是什么反应类型？提示：2NaN32Na 3N2 (分解反应、氧化还原反应)；NH4NO3N2O2H2O (分解反应、氧化还原反应)；Fe2O36Na2Fe3Na2O(置换反应、氧化还原反应)。(2)选取安全气囊中的气体发生剂应遵循什么原则？提示：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。(3)通过为安全气囊选择气体发生剂，你对化学反应的利用还有哪些新的认识？提示：选择物质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。【典例】(2021·泰安高一检测)某汽车安全气囊的产气药剂主要含有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物质。当汽车发生碰撞时，产气药剂产生大量气体使气囊迅速膨胀，从而起到保护作用。(1)NaN3是气体发生剂，受热分解产生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含有的化学键类型为_，K原子的结构示意图为_； (4)NaHCO3是冷却剂，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)。用碱石灰除去的物质为_； 该产气药剂中NaN3的质量分数为_。 解析:(1)氮原子最外层有5个电子，两个氮原子共用三对电子形成氮气，则N2的电子式为NN。(2)因为该反应为置换反应，所以Fe2O3作为氧化剂，与Na反应得到电子生成Fe单质。(3)KClO4属于含氧酸盐，所以KClO4含有的化学键类型为离子键和共价键，K是19号元素，其原子结构示意图为。(4)NaHCO3热稳定性较差，受热时发生分解反应，该反应的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3CO2H2O。(5)碱石灰的主要成分是NaOH和CaO，所以用碱石灰除去的是二氧化碳和水，标准状况下33.6 L氮气的物质的量为1.5 mol，则根据N原子守恒可知该产气药剂中NaN3的质量分数为(1.5×2÷3)×65 g÷100 g×100%65%。答案：(1)NN(2)Fe(3)离子键和共价键(4)2NaHCO3Na2CO3CO2H2O(5)CO2、H2O65%1(2021·聊城高一检测)汽车安全气囊系统中使用的作为气体发生剂的物质一般不具有的特点是()A生成物清洁B低腐蚀C释放能量 D产气快解析:选C。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(双选)Na3N是离子化合物，它和水作用可产生NH3。下列叙述正确的是()ANa和N3的电子层结构都与氖原子相同BNa的半径大于N3的半径CNa3N与足量的盐酸反应后生成两种盐D在Na3N与水的反应中，Na3N作还原剂解析:选A、C。Na和N3核外电子数相同，电子层结构都与氖原子相同，故A正确；Na的半径小于N3的半径，故B错误；Na3N与盐酸发生反应Na3N4HCl=3NaClNH4Cl，生成两种盐，故C正确；Na3N与水的反应中各元素化合价均不变，不属于氧化还原反应，故D错误。【拔高题组】汽车常装有安全气囊，当发生强烈碰撞时，瞬间引发以下反应：2NaN32Na3N2，所产生的气体快速充满气囊，可以达到保护车内人员的目的。(1)若气囊中装有65 g NaN3，则其物质的量为_；(2)若2 mol NaN3完全分解，在标准状况下，气囊膨胀的体积约为_。 解析:(1)65 g NaN3的物质的量1 mol；(2)设生成氮气的物质的量为n，则：2NaN32Na3N22 32 mol nn3 mol，故标准状况下生成氮气的体积3 mol×22.4 L·mol167.2 L。答案：(1)1 mol(2)67.2 L如图是汽车安全气囊打开时的情境。安全气囊中含有叠氮化钠(NaN3)等物质。(1)叠氮化钠(NaN3)在受到猛烈撞击下会分解成两种单质，其中一种是空气中体积分数最大的气体。请写出该反应的化学方程式：_，要产生42 g氮气，理论上需要_g叠氮化钠分解。(2)叠氮化钠(NaN3)是由钠离子和叠氮根离子构成，叠氮根离子还能跟铜、铅等金属离子形成叠氮化物，写出叠氮化铜的化学式：_。解析:(1)叠氮化钠(NaN3)在受到猛烈撞击下会分解成两种单质，其中一种是空气中体积分数最大的气体，则该气体是氮气，根据质量守恒定律，生成的另一种物质是钠，反应的化学方程式为2NaN32Na3N2。设理论上需要叠氮化钠的质量为x。2NaN32Na3N2130 84 x 42 g13084x42gx65 g(2)叠氮化钠(NaN3)是由钠离子和叠氮根离子构成，叠氮根离子为1价，则形成叠氮化铜的化学式为Cu(N3)2。答案：(1)2NaN32Na3N265(2)Cu(N3)2课堂测评1(水平1·教材改编题)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铅资源短缺解析:选C。含铅汽油中的铅元素会随汽车尾气排入大气，从而造成大气污染。2(水平1)保护生态环境是提高全体人民生活质量的重要举措。下列措施不利于保护生态环境的是()A推广使用燃煤脱硫技术防治SO2污染，减少重金属、农药和难分解有机物的排放B实施绿色化学，即利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染C加大石油、煤炭的开采速度，增加化石燃料的供应量D开发新能源和新制冷剂，减少CO2和氟氯烃等物质的大量排放解析:选C。煤中含有硫元素，燃烧后产生二氧化硫污染空气，推广使用燃煤脱硫技术防治SO2污染，减少重金属、农药和难分解有机物的排放，有利于保护环境，故A正确；绿色化学的核心就是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染，故B正确；化石燃料的燃烧会产生大量空气污染物，如粉尘、有害气体等，所以加大石油、煤炭的开采速度，增加化石燃料的供应量，不利于环境保护建设，故C错误；形成温室效应的物质是二氧化碳和氟氯烃，所以开发新能源和新制冷剂，减少CO2和氟氯烃等物质的大量排放，保护环境，故D正确。3(水平2)下列说法不正确的是()A“静电除尘”“燃煤固硫”“汽车尾气催化净化”都能提高空气质量B化石燃料储量丰富，没必要开发新能源C开发高效氢能、太阳能等新型电动汽车，以解决城市机动车尾气污染问题D推广使用燃料电池汽车，可减少颗粒物、CO等有害物质的排放解析:选B。“静电除尘”“燃煤固硫”“汽车尾气催化净化”能够减少空气污染物的排放，有利于提高空气质量，A正确；化石燃料是不可再生能源，储量越来越少，且使用化石燃料污染较大，因此要开发新能源，一方面能使人类社会持续发展，另一方面也能减少环境污染，B错误；开发高效氢能、太阳能等新型电动汽车，既满足了人类对能源的需要，同时又不会产生大气污染物，故可解决城市机动车尾气污染问题，C正确；研制开发燃料电池汽车，就可以减少机动车化石燃料的燃烧，进而可以减少汽车尾气的排放，因此可以减少固体颗粒物的排放，所以在某种程度上可以减少空气中PM2.5的含量，故D正确。补偿训练:化学与生产、生活密切相关。下列说法不正确的是()A向煤中加入适量生石灰，可减少SO2对大气的污染B用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，减少白色污染C光化学烟雾、硝酸型酸雨的形成都与氮氧化合物有关D机动车使用无铅汽油，是因为铅可使催化剂中毒，制约了催化剂的研究和开发解析:选D。A项，CaSO3易被氧化为CaSO4，向煤中加入适量生石灰，在煤燃烧时SO2最终生成CaSO4，故A正确；B项，利用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，将CO2转化为可降解塑料，实现了“碳”的循环利用，可以减少白色污染，故B正确；C项，光化学烟雾、硝酸型酸雨的形成都与氮氧化合物有关，故C正确；D项，机动车使用无铅汽油的主要原因是减轻含铅物质对环境的污染，故D错误。4(双选)化学与环境保护、工业生产、生活等密切相关。下列说法不正确的是()APM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。因其比表面积大，故可吸附含有铅、镉、铬、钒、砷等对人体有害的元素，入肺后对人体产生很大的危害B富含氮、磷的生活污水不能排放到河中，但能直接用于农田的灌溉C大力实施矿物燃料“脱硫、脱硝技术”，可以减少硫的氧化物和氮的氧化物对环境的污染D大气中CO2的含量增加会引起酸雨、温室效应等环境问题解析:选B、D。富含氮、磷的生活污水容易形成赤潮或水华，所以不能排放到河中，也不能直接用于农田的灌溉，B不正确；CO2的含量增加会加剧温室效应，但不会引起酸雨，D不正确。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，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，可缓解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物质的是_。 ACO2和H2BNO2和NOCCO和SO2D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_。 原料来源广易燃烧、热值高储存方便制备工艺廉价易行ABCD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学科网（北京）股份有限公司