2020学年新教材高中化学研究车用燃料及安全气囊——利用化学反应解决实际问题教案鲁科版必修二

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．车用燃料能量变化的本质探究

庚烷(C 7H 16)是汽油的主要成分之一，已知庚烷在汽缸会发生C 7H 16(g)＋11O 2(g)――→点燃7CO 2(g)

＋8H 2O(g)。

(1)试从化学键的角度计算1mol 庚烷燃烧产生CO 2和水蒸气所释放的能量。

则：1mol 庚烷燃烧产生CO 2和水蒸气所释放能量为3820.4kJ 。

(2)试用能量变化图像表示庚烷燃烧释放能量过程。

3．车用燃料的选择

(1)选择依据

化学键角度：断裂旧化学键吸收能量低，形成新化学键释放能量高。

燃料在汽缸工作环境：燃料燃烧易控制，不爆燃，能完全燃烧。

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。

(2)下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，断裂旧化学键和形成新化学键吸收和释放的能量相差较大，能量效率高，而且燃料达到燃点时需要吸收的能量少。

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，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：一氧化碳来自燃料不完全燃烧，一氧化氮来自高温或放电条件下N 2和O 2反应，二氧化硫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)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”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2NO ＋2CO =====催化剂△N 2＋2CO 2。

选择车用燃料注意问题

(1)燃料的热效应，单位质量的燃料放热越多越好。

(2)燃料的稳定性，在气缸内燃烧应当可控，能量转化率高。

(3)燃料的价格要便宜，来源广泛，生成物对环境的污染小等，既经济实惠又趋利避害。

1．(2018·重庆巴蜀中学月考)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 kJ、5 518.0 kJ、890.3kJ热量，下列有关车用燃料的说法正确的是( )

A．辛烷C8H18(g)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

答案 C

解析辛烷来自于石油，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H2142.9kJ，CO10.1kJ，C8H1848.4kJ，CH455.6kJ，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。

2．“环境保护，以人为本。”济南空气质量指标中指出，影响济南空气质量的一组主要污染物是( )

A．CO2、N2、O2B．SO2、NO2、可吸入颗粒物

C．CO2、O2、SO2D．NO2、N2、可吸入颗粒物

答案 B

解析A项中CO2、N2、O2都不是污染性气体；B项是大气的主要污染物；C项中CO2、O2不是污染性气体；D项中N2不是污染性气体。

3．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．氮氧化合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

答案 C

解析二氧化碳不属于大气污染物，它是引起温室效应的主要气体，A选项错误；正常雨水中因为溶有二氧化碳而显酸性，pH为5.6，B选项错误；二氧化硫可以形成硫酸型酸雨，氮氧化物可以形成硝酸型酸雨，C选项正确；汽车燃料改为天然气，可减少尾气对大气的污染，但仍然会排放出一氧化碳等污染物，无法从根本上杜绝污染物排放，D选项错误。

4．厄尔尼诺现象产生的原因之一是大气中二氧化碳的含量剧增，要想减缓这一现象的发生，最理想的燃料是( )

A．天然气B．氢气C．无烟煤D．汽油

答案 B

解析氢气燃烧只生成水。

5．下列有关酸雨的说法中不正确的是( )

A．汽车尾气可导致城市酸雨，用天然气代替汽油做燃料，可有效控制城市酸雨的形成

B．二氧化碳是形成酸雨的主要物质

C．氢气是一种绿色新型能源，可从根本上解决城市酸雨问题

D．酸雨能直接破坏农作物，使土壤酸性增强，腐蚀建筑物及工业设备

答案 B

解析汽车尾气中含有大量的氮氧化合物及二氧化硫等，是导致城市酸雨的主要原因，若用天然气或氢气代替汽油做燃料，可大大降低酸雨的形成，A、C项正确；形成酸雨的主要物质是SO2和NO2，B项错误；酸雨对农作物、土壤、建筑物及工业设备均有较强的破坏性，D项正确。

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。

及腐蚀性物质，防止二

次伤害

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生成的Na2O和

Fe，KClO4做助氧化剂，吸收

Na生成KCl和Na2O

NaHCO3吸收热量，同时释放

CO2

3

试剂反应放热并放出

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生成

K2SiO3、Na2SiO3

写出上述三方案中相关的反应方程式：

(1)Fe2O3和Na反应：Fe2O3＋6Na===3Na2O＋2Fe。

(2)NH4NO3分解生成N2O和H2O：NH4NO3=====

△

N2O↑＋2H2O。

(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。

1．汽车安全气囊中的填充物主要为NaN3、KNO3和SiO2。当汽车发生猛烈碰撞时，NaN3可在0.03s内发生迅速分解生成甲、乙两种单质，该反应化学方程式为：

，KNO3的作用是与强腐蚀性的单质反应生成两种氧化物和一种非金属单质，相关的化学方程式为：。

从理论上计算可知SiO2和NaN3的质量比应大于。

答案2NaN3=====

高压

2Na＋3N2↑

2KNO3＋10Na===K2O＋5Na2O＋N2↑36∶65

解析NaN3在高压撞击下，反应生成Na和N2，方程式为2NaN3=====

高压

2Na＋3N2↑。KNO3和Na反应生成K2O、Na2O和N2，反应方程式为2KNO3＋10Na===K2O＋5Na2O＋N2↑。SiO2的作用是将生成的有害的K2O、Na2O反应掉，反应方程式为SiO2＋K2O===K2SiO3，SiO2＋Na2O===Na2SiO3，据物质守恒，反应的总方程式可以写成：10NaN3＋2KNO3＋6SiO2===5Na2SiO3＋K2SiO3＋16N2↑。故SiO2和NaN3的质量比为(6×60)∶(10×65)＝36∶65。

2．某品牌安全气囊的气体发生剂主要有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物质。

(1)NaN 3是气体发生剂，受热或撞击产生N 2和Na ，并释放大量的热，Fe 2O 3作用为吸收产生的Na 生成一种单质和一种氧化物，反应方程式为。

(2)KClO 4为助氧化剂，在反应过程中与金属Na 反应生成KCl 和Na 2O ，反应方程式为 ；

KClO 4中含有的化学键类型为。

(3)NaHCO 3的作用为，

反应方程式为

。

答案 (1)Fe 2O 3＋6Na=====△2Fe ＋3Na 2O

(2)KClO 4＋8Na===KCl ＋4Na 2O 离子键和共价键

(3)吸收反应释放的热，并吸收反应生成的强腐蚀性的Na 2O ，防止造成人的二次伤害

2NaHCO 3=====△Na 2CO 3＋CO 2↑＋H 2O ，

CO 2＋Na 2O===Na 2CO 3

解析 NaN 3受撞击分解生成Na 和N 2，Fe 2O 3做氧化剂可吸收金属钠，防止Na 对人体的伤害，KClO 4做助氧化剂也可以吸收Na ，生成KCl 和Na 2O ，NaHCO 3受热分解生成大量气体，并吸收大量热量，同时生成的CO 2可以和Na 2O 反应生成无腐蚀性的Na 2CO 3。

3．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，可溶于盐酸。

取13.0g 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6.72L 。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是。

(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 ．KNO 3

C ．Na 2S

D ．CuO

答案 (1)NaN 3

(2)Na 2O ＋CO 2===Na 2CO 3

(3)6Na ＋Fe 2O 3=====高温2Fe ＋3Na 2O 吸收金属钠，防止钠对人体的危害 (4)BD

解析 (1)据题意13.0g 金属化合物甲分解生成N 2和单质乙，N 2的物质的量为 6.72L 22.4L·mol

－1＝0.3mol 。则单质乙的质量为13.0g －0.3mol×2×14g·mol －1＝4.6g 。由信息知，该单质为钠，物质的量为0.2mol ，甲为NaN 3。

(2)由丙的性质可知，丙只能为Na 2O ，而不是Na 2O 2，故在空气中Na 2O 和CO 2反应的方程式为Na 2O ＋CO 2===Na 2CO 3。

(3)钠和氧化铁发生的置换反应方程式为：6Na ＋Fe 2O 3=====高温2Fe ＋3Na 2O ，所以安全气囊中氧化

铁粉末的作用是消耗产生的活泼的钠，避免分解产生的金属钠可能产生的危害。

(4)安全气囊中氧化铁粉末的作用是消耗产生的活泼的钠，选项中能和钠反应的是硝酸钾和氧化铜，故选BD 。