第四单元 太阳能 生物质能和氢能的利用教学创新设计

1．化石能源主要是指哪些物质形成的能源？

提示：煤、石油、天然气。

2．燃料的燃烧能将化学能转化成哪种能量形式？

提示：转化成热能和光能等。

3．植物通过光合作用能将CO2和水转化成哪些物质？

提示：转化成葡萄糖和氧气。

4．你知道的新能源有哪些？

提示：太阳能、氢能、核能、潮汐能、地热能。

[新知探究]

探究1

你知道目前利用太阳能有哪些方法，依据教材P47“你知道吗？”完成表格。

探究2

摄入人体内的淀粉是如何转化成能量的？

提示：淀粉在人体内水解转化成葡萄糖；葡萄糖氧化生成二氧化碳和水，释放出能量。

[必记结论]

1．太阳能的利用

能源是人类生活和社会发展的基础。地球上最基本的能源是太阳能。

2．太阳能利用的能量转化方式

被吸收的太阳能――→化学能――→热能、光能或电能

12化学反应化学反应

(1)太阳能转化为化学能：

①物质转化：

在太阳光作用下，植物体内的叶绿素把水、二氧化碳转化为葡萄糖，进而生成淀粉、纤维素。

②化学反应：6CO2＋6H2O――→CHO＋6O2。

叶绿素6126③能量转化：光能―→化学能。

(2)化学能转化为热能：

①物质转化：动物摄入体内的淀粉、纤维素能水解转化为葡萄糖，其氧化生成二氧化碳和水，释放出热量，供给生命活动的需要。

②化学反应为：(C6H10O5)n＋nH2O――→nC6H12O6；

C6H12O6＋6O2―→6H2O＋6CO2。

③能量转化：化学能―→热能。

[成功体验] 1．有关太阳能的利用，下面是四位同学的交流，请判断正误。

催化剂光

解析：甲、乙、丙三位同学描述的是太阳能利用中的存在问题，丁同学描述的是太阳能利用中的能量转化形式，太阳能热水器是将太阳能转化为热能。

答案：甲、乙、丙正确；丁错误。

2．下列有关太阳能的利用方式以及列举的实例错误的是(

) A．直接利用太阳辐射能的基本方式有四种：光—热转换、光—电转换、光—化学能转换和光—生物质能转换

B．太阳能热水器是一种光—热转换形式

C．绿色植物进行的光合作用，是一种光—生物质能转换，它的本质是光—化学能转换

D．将电能通过用电器进行照明的过程是一种光—电能转换过程

解析：选D

光—热转换、光—电转换、光—化学能转换和光—生物质能转换是太阳能利用的基本方式，它们都是把光能转换成其他形式的能量的过程。D项是将电能转换成光能的过程。

[新知探究] 探究1

生物质主要包括哪些物质？

提示：生物质包括农业废弃物(如植物的秸秆)、水生植物、油料植物、有机废弃物等。

探究2

沼气的主要成分是什么？如何除去沼气中的少量H2S、CO2杂质气体？

提示：CH4；用NaOH溶液可除去沼气中的少量H2S和CO2。

探究3

如何由甘蔗渣(主要成分是纤维素)制取酒精？

提示：甘蔗渣(主要成分是纤维素)在催化剂的作用下先水解生成葡萄糖；然后葡萄糖在酶的作用下发酵制得乙醇。

[必记结论] 1．生物质能的来源

植物及其加工产品所贮存的能量。

2．生物质能的利用方式

(1)直接燃烧(用纤维素代表植物枝叶的主要成分)：

化学方程式为(C6H10O5)n＋6nO2――→6nCO2＋5nH2O。

(2)生物化学转换。

①制沼气：

沼气的成分主要是CH4，还含有CO2及少量H2S、NH3、PH3等。

②制乙醇：

化学反应：(C6H10O5)n＋nH2O――→nC6H12O6；

C6H12O6――→2C2H5OH＋2CO2。

(3)热化学转换。

使生物质在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃气体。

[成功体验] 3．阅读下面的叙述，回答有关问题。

“生物质”是指由植物或动物生命体衍生得到的物质的总称。作为人类解决能源危机重要途径之一的“生物质能”，主要指用树木、庄稼、草类等植物直接或间接提供的能量。古老的刀耕火种、烧柴做饭、烧炭取暖等粗放用能方式正在被现代科学技术所改变。

(1)下面有关“生物质能”的说法，不正确的是(

) A．利用生物质能就是间接利用太阳能

B．生物质能源是可再生的能源

C．生物质能源是解决农村能源的主要途径

D．生物质能的缺点是严重污染环境

(2)沼气是有机废弃物(树叶、秸秆、草类及垃圾、粪便等)在隔绝空气的条件下发酵分解而成的气体，主要成分是甲烷。农村沼气池中发酵后的池底剩余物是很好的沤肥。下面有关结论中，错误的是(

) A．沼气是一种清洁的能源

B．使用沼气作能源可以保护森林

C．使用沼气给农民的生活带来了不便

D．使用沼气是对化学能的充分利用

解析：(1)生物质燃烧的生成物主要是CO2，对环境的污染程度较低，D错误。

(2)使用沼气能源可以减少其他能源的使用，进而保护森林。

答案：(1)D

(2)C

酶酶点燃[新知探究] 探究1

与化石燃料相比，氢能源有哪些优点？

提示：优点是：①热值高；②来源广；③燃烧产物是水，无污染。

探究2

能否用电解水的方法来制取H2？该方法有何缺点？

提示：能，该反应的化学方程式为2H2O=====2H2↑＋O2↑；该方法的缺点是消耗大量

的电能。

探究3

开发氢能需要解决哪些问题？

提示：①制取H2的能耗高；②

H2的贮存和运输困难。

[必记结论] 1．氢能的优点

通电

2．氢能利用存在的问题

(1)廉价的制氢技术——首要难点。

原因：制氢需要消耗大量的能量且效率低。

(2)安全可靠的贮氢和输氢方法——关键。

原因：H2易汽化、易燃、易爆。

3．氢能的产生和利用途径

(1)氢能的产生

①水煤气法：

②电解法：

③光解法：

(2)氢能的利用方式

①利用氢和氧化剂发生反应放出热能；

②利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；

③利用氢的热核反应释放出核能，这是氢能的一种特殊应用。

[成功体验] 4．近20年来，对以氢气为未来的动力燃料氢能源的研究获得了迅速发展，为了有效发展民用氢能源，首先必须制得廉价的氢气，下列可供开发又较经济且资源可持续利用的制氢气的方法是(

) A．电解水

B．锌与稀硫酸反应

C．光解海水

D．以石油、天然气为原料

解析：选C

制H2的要求为可供开发又较经济，且资源可持续利用，A、B项不经济，D项可开发但石油、天然气为化石燃料不可持续利用。

5．今有两反应：①2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，

②NaH＋H2O===NaOH＋H2↑。

回答问题：

(1)指出H2O的作用：

反应①____________，反应②____________。

(2)反应①中的ΔH__________0(填“>”或“<”)。

解析：两反应中H2O均作氧化剂，反应①为放热反应。

答案：(1)氧化剂

氧化剂

(2)<

———————————————[关键语句小结]————————————————

1．太阳能利用的重要反应：

(1)6CO2＋6H2O――→CHO＋6O2(太阳能→化学能)，

叶绿素6126(2)(C6H10O5)n＋nH2O――→nC6H12O6，

淀粉或纤维素

葡萄糖

C6H12O6＋6O2―→6CO2＋6H2O(化学能→热能)。

葡萄糖

2．生物质能的利用：

(1)直接燃烧：(C6H10O5)n＋6nO2――→6nCO2＋5nH2O，

(2)生物化学转换：制沼气；制乙醇。

(3)热化学转换。

3．氢能的三大优点：

(1)来源广

(2)无污染

(3)热值高

点燃催化剂光

[例1]

人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”(包括风能、生物质能等太阳能的转换形态)，届时人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”。下列说法不正确的是(

) A．煤、石油和天然气都属于碳素燃料

B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应

C．太阳能电池可将太阳能直接转化为电能

D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明

解析：选D

煤、石油和天然气都属于含碳元素的燃料，属于碳素燃料；太阳能经济，不会产生温室气体；利用光能电池可将太阳能直接转化为电能；菠菜属于绿色植物，是通过光合作用生成的，D说法不正确。

太阳能与其他能源的关系：

1．煤、石油、天然气等化石燃料与太阳能有关吗？

提示：煤、石油、天然气等化石燃料蕴藏的能量来自太阳能。

[例2]

[双选]下列有关生物质能的说法不正确的是(

) A．生物质能是可再生能源

B．生物质能来源于太阳能

C．焚烧生活垃圾发电是将生物质能直接转化为电能

D．玉米、高粱发酵制乙醇是生物质能的热化学转换

解析：选CD

生物质能来源于植物及其加工产品所贮存的能量，生物质能最终利用的结果：除释放能量外，产生无污染的CO2和H2O，通过植物的光合作用，重新将太阳能转化为生物质能，因此生物质能是可再生的新能源，A正确；光—生物质能的转换本质是光—化学能的转换，B项正确；焚烧生活垃圾发电的能量转换过程是：生物质能―→热能―→电能，C不正确；含淀粉较高的农作物发酵制燃料乙醇是生物化学转换，D不正确。

(1)生物质能是新能源，可以再生，合理利用不会造成环境污染。

(2)生物质能通过生物化学转换可以制取CH4、乙醇等能源物质，生物质通过热化学转

换可以制取CH4、CO、H2等可燃性气体。

2．如何由玉米制取酒精？写出反应的化学方程式。

提示：(1)(C6H10O―→nC6H12O5n＋nH2O―6

淀粉葡萄糖(2)C6H12O6――→2C2H5OH＋2CO2↑

葡萄糖

发酵酶[例3]

H2是一种很有前途的能源，以水为原料大量制取H2，最理想的途径是(

) A．2H2O=====2H2↑＋O2↑

B．C＋H2O(g)=====CO＋H2

C．3Fe＋4H2O(g)=====Fe3O4＋4H2

D．2H2O=====2H2↑＋O2↑

解析：选A

B、C、D三项都要消耗传统能源。而A项中太阳能是已被人类使用的新能源，与传统能源相比较，太阳能的优点很多，而且是一般传统能源无法比拟的。

1．据报道，某国一集团拟在太空建造巨大的集光装置，把太阳光变成激光用于分解海水制氢：2H2O=====2H2↑＋O2↑。下列说法不正确的是(

)

A．水的分解反应是放热反应

B．氢气是二次能源

C．使用氢气作燃料有助于控制温室效应

D．若用生成的氢气与空气中多余的二氧化碳反应生成甲醇储存起来，可以改善生存环境

解析：选A

选项A中水的分解反应是吸热反应；选项B中在自然界中氢气无法直接取得，是二次能源；选项C中氢气的燃烧产物是水，化石燃料燃烧会产生二氧化碳，所以氢气作燃料有助于控制温室效应；选项D中生成的氢气与空气中多余的二氧化碳反应生成甲醇，则可以对二氧化碳进行循环利用。

激光通电高温高温太阳能

1．能源的分类

(1)一次能源和二次能源：

(2)再生能源与非再生能源：

能源

如太阳能、风能、地热能等。经过亿万年形成且储量有限，短时间内无法恢复或循环再生能源。如非再生能源

煤、石油、天然气等。再生在自然界中可以不断再生并能得到不断补充，

(3)常规能源和新能源：

①常规能源：在一定历史时期和科学技术水平下，已经被广泛应用的能源。如煤炭、天然气、石油等。

②新能源：采用先进方法以及新发展的先进技术加以利用的能源。如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能等。

2．化石燃料的缺点

(1)化石燃料都是不可再生的，且总量有限；

(2)燃烧化石燃料产生的SO2、NOx等严重污染环境。

3．新能源的优点

资源丰富，且有些可以再生，为再生性能源，对环境没有污染或污染小。

[例4]

有关能源的下列说法不正确的是(

) A．煤、石油、天然气均为化石能源

B．化石能源是非再生能源

C．氢能是可再生能源

D．氢能、核能均是无污染的高效能源

解析：选D

煤、石油、天然气属化石燃料，属非再生能源，A、B正确；氢能可再生且无污染，核能有污染，C正确，D错误。

能量之间的转化

2．下列过程中的能量转化，属于太阳能转化为生物质能的是(

) A．石油燃烧

B．植物的光合作用

C．核电站发电

D．太阳能电池供电

解析：选B

石油燃烧是化学能转变为热能；核电站发电是核能转化为电能；太阳能电池供电是太阳能转化为电能；植物的光合作用是太阳能转化为生物质能。

1．绿色能源是人类理想的能源，不会造成环境污染，下列能源不属于绿色能源的是(

) A. 氢能源

B. 太阳能

C. 风能

D. 石油

解析：选D

环境污染对人类的发展产生了巨大的障碍，这主要来自于三大化石燃料的燃烧、现代工业废物的排放等。人类意识到环境污染的反作用后，提出了绿色能源、绿色化学等理念。氢能是氢气燃烧提供的，产物是水，无污染；太阳能是最清洁的能源；风能的使用也不会给环境带来污染。石油是化石燃料，其中硫元素燃烧生成的二氧化硫、不完全燃烧产生的一氧化碳、高温燃烧产生的氮氧化物等都是污染物，因此石油不是绿色能源。

2．下列能量利用属于生物质能利用的是(

) A．石油气、天然气用作家庭燃料

B．农村用沼气池产生的沼气作燃料

C．太阳能热水器

D．汽油多用于汽车燃料

解析：选B

石油气、天然气、汽油均属于化石燃料，A、D错误；农村用沼气池产生沼气作燃料属于生物质能利用，B正确；太阳能热水器属于太阳能利用，C错误。

3．下列说法中不正确的是(

) A．电解水生成氢气和氧气时，电能转变成化学能

B．煤燃烧时化学能大部分转变成热能

C．绿色植物光合作用过程中太阳能转变成化学能

D．白炽灯工作时电能全部转变成光能

解析：选D

电解过程是电能转化为化学能，A正确；煤燃烧时化学能大部分转变成热能，少部分化学能转化为光能，B正确；绿色植物的光合作用过程中太阳能转变成化学能，C正确；白炽灯工作时电能大部分转变成光能，少部分转变成热能，D不正确。

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：选A

地球上有大量的水，可用水为原料制氢气。H2易燃烧，无污染，热值高，是一种高效、干净的新能源，但在利用氢燃料时，其储存和制备成本较高，到现在还不能大量使用。

5．(1)利用新能源发电的形式有很多，如图所示，其中A表示潮汐能发电，B表示地热能发电，C表示________能发电，D表示________能发电。

(2)人类所使用的能量绝大部分来源于太阳能，捕获太阳能的生物主要为绿色植物，其光合作用的总反应式是________________________________，光合作用的能量转换是把________转化为________。

解析：(1)从题图C可看出，风车发电，是将风能转化为电能；题图D是利用太阳能发电，是将太阳能转化为电能。

(2)绿色植物在光能作用下，将CO2和H2O转化为有机物和氧气，同时将光能转变为化学能贮存起来。

答案：(1)风

太阳

(2)6H2O＋6CO2――→C6H12O6葡萄糖＋6O2

光能

化学能

叶绿素

光