第四单元 太阳能 生物质能和氢能的利用主要内容及教案内容

第四单元

太阳能、生物质能和氢能的利用

[学习目标定位]

1.知道能源的分类。

2.认识开发利用清洁高效新能源的重要意义。

一、太阳能的利用

1．下图是太阳能的转化关系图

观察分析上图，回答下列问题：

(1)地球上最根本的能源是太阳能，太阳能可以转化为各种不同的能量，如热能、风能、生物质能等。自然界中利用太阳能最重要也是最成功的途径是植物的光合作用。

(2)目前，世界所需的能源大多来自于石油、煤、天然气，它们是由远古生物掩埋在地下深处历经几百万年演变所形成的。

(3)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，把光能转化为化学能，动物摄入体内的淀粉、纤维素能水解转化为葡萄糖，葡萄糖氧化生成水和二氧化碳，释放出热量，供给生命活动的需要。

2．阅读教材内容，回答下列问题：

(1)直接利用太阳能的方式有哪些？

答案

直接利用太阳辐射能，基本方式有：

①光—热转换，如太阳能热水器等；

②光—电转换，如太阳能电池等；

③光—化学能转换；

④光—生物质能转换。

(2)举例说明太阳能可间接转化为机械能、电能或化学能。

答案

①太阳能间接转化为机械能和电能。如太阳辐射能使地表水分蒸发形成云雨，汇成江、河，上游的水位提高，形成落差，推动水轮机发电。

②太阳能间接转化为化学能。如矿物燃料由远古时代的生物质能转化而来，归根到底是由太阳能转化而来。

【归纳总结】

1.人类生命活动使用的能量主要来源于太阳能

太阳光能―――→化学能―――→热能

2．被广泛开发利用的理想能源——太阳能

(1)数量巨大；(2)时间长久；(3)普照大地；(4)清洁安全。

【活学活用】

1．下列有关太阳能的说法不正确的是(

) A．太阳能以光波形式传送到地面

B．化石燃料蕴藏的能源来自太阳能

C．太阳能是洁净能源，不污染环境

D．食用植物体内的淀粉、蛋白质等属直接利用太阳能

答案

D 2．下列能源物质中不是源于太阳能的是(

) A．煤炭

B．水能

C．地热能

D．沼气

答案

C 解析

煤炭是远古植物吸收太阳能固定下来的能量，是储存在地壳中的“太阳能”；水能是地球上的水经过植物的光合作用、新陈代谢等生命活动推动了地球上水的循环，所以水能是间接的来自于太阳能；沼气是植物吸收太阳能转化成化学能，储存在植物体内，经过细菌的腐化而产生的，也是太阳能的转换。

二、生物质能的利用

1．阅读教材回答：生物质能的来源是什么？你所熟悉的生物质有哪些？

答案

生物质能来源于植物及其加工产品所储存的能量。

生物质包括农业废弃物(如植物的秸秆、枝叶)、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物、动物粪便等。

2．举例说明生物质能利用的方式主要有哪几种？

答案

生物质能利用的方式主要有三种：

(1)直接燃烧——燃烧植物枝叶获得热量：

(C6H10O5)n＋6nO2――→6nCO2＋5nH2O (2)生物化学转换——用淀粉制取燃料乙醇

(C6H10O5)n＋nH2O―→nC6H12O6

C6H12O6―→2CH3CH2OH＋2CO2↑

酶酶点燃光合作用氧化

(3)热化学转换——生物质隔绝空气加强热产生可燃气体

3．现代垃圾处理厂是把大量生活垃圾中的生物质能转化为热能、电能。

【归纳总结】

生物质能的优点及利用方式

(1)生物质能具有可再生、储量大、污染低等优点。

(2)生物质能利用的方式有①直接燃烧；②生物化学转换；③热化学转换。

【活学活用】

3．植物及其废弃物可制成乙醇燃料，下列关于乙醇燃料的说法错误的是(

) A．它是一种可再生能源

B．乙醇易燃烧，污染小

C．乙醇只能在实验室内作燃料

D．粮食作物是制乙醇的重要原料

答案

C 解析

粮食作物经过发酵可制得乙醇，所以A、D正确；乙醇燃烧生成二氧化碳和水，污染小，所以B正确；乙醇也可用作汽车的燃料，所以C错误。

4．能源与人类的生活和社会发展密切相关。下列关于能源开发和利用的说法正确的是(

) A．用粮食发酵得到酒精代替汽油作汽车燃料

B．随着科技的发展，氢气将会成为主要能源

C．在农村不提倡利用沼气作生活燃料

D．人类利用的能源都是通过化学反应获得的

答案

B 解析

用粮食发酵得到酒精会大量消耗粮食，不符合我国粮食安全的国情，A错；在农村提倡利用沼气作生活燃料，C错；人类利用的能源有的是通过化学反应获得的，有的是自然界提供的，如水能、风能等，D错。

三、氢能的开发和利用

1．通过初中化学的学习，氢能为什么是最好的新型能源？

答案

氢能的三大优点：(1)热值高；(2)来源广；(3)无污染。

2．氢能是一种理想的、极有前途的二次能源，它被人们视为理想的“绿色能源”。现在有多少种氢能的开发方式？这些方式有哪些优点和缺点？

答案

目前人类制取氢气的方法有：

(1)以天然气、石油和煤为原料，在高温下与水蒸气反应或用部分氧化法制氢气。此法消耗大量不可再生的能源。

(2)电解水制氢气。该方法制备氢气的条件比较简单，对环境也不会造成污染，但用该方法来制备氢气需要消耗大量的电能，生产成本太高。

(3)在光分解催化剂存在下，在特定的装置中，利用太阳能分解水制氢气。

3．举例说明氢能的利用有哪些途径？

答案

(1)氢气燃烧放热(如以液态氢作为火箭的燃料)；(2)用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池；(3)利用氢的热核反应释放的核能(如氢弹)。

【归纳总结】

氢能的开发利用及其优点

(1)氢能具有热值高、无污染、来源广等优点。

(2)氢能开发利用的关键问题是

①低成本制备H2(关键是寻找有效的催化剂)；

②H2的贮存运输(贮氢材料的研制应用)。

【活学活用】

5．绿色能源是指使用过程中不排放或排放极少污染物的能源，如一级能源中的水能、地热能、天然气等；二级能源中的电能、氢能等。下列能源属于绿色能源的是(

) ①太阳能

②风能

③石油

④煤

⑤潮汐能

⑥木材

A．①②③

C．④⑤⑥

答案

D 6．冰岛火山爆发再一次向人类敲响了警钟，必须发展“低碳经济”。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。下列不是氢能优点的是(

) A．原料来源广

B．易燃烧，放出热量多

C．生成物无污染

D．制取H2简单易行

答案

D 解析

工业上制取H2的原料是H2O，来源广，A正确；H2易燃烧且等质量物质中放出的热量较多，产物为H2O，无污染，B、C正确；工业上利用水制取H2需消耗大量能量且效率低，D错。

B．③④⑤

D．①②⑤

1．能量的转化

2．能源的分类

1．“能源分类相关图”如下图所示，四组能源选项中全部符合图中阴影部分的能源是(

)

A．煤炭、石油、潮汐能

C．太阳能、风能、沼气

答案

C 解析

A项，煤炭、石油不是新能源，也不是可再生能源；B项，天然气不是新能源，也不是可再生能源；D项，地热能是来自地球内部的能源，核能不是可再生能源，也不是来自太阳的能源。

2．下列给出的能源中，不能作为新能源的是(

) A．太阳能

B．无烟煤

C．燃料电池

D．氢能

答案

B 解析

煤属于矿物燃料，会严重污染空气。太阳能、燃料电池、氢能均为有发展前景的新能源。

B．水能、生物能、天然气

D．地热能、海洋能、核能

3．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↑。下列说法正确的是(

) ①水的分解反应是放热反应

②氢气是一次能源

③使用氢气作燃料有助于控制温室效应

④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

A．①④

B．②③

C．③④

D．①②

答案

C 解析

①中水的分解反应是吸热反应；②中在自然界中氢气无法直接取得，是二次能源；③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；④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。

4．下列关于能源和作为能源使用的物质的叙述中错误的是(

) A．化石能源物质内部蕴含着大量的能量

B．绿色植物进行光合作用时，将太阳能转化为化学能储存起来

C．物质的化学能可以在一定条件下转化为热能、电能，为人类所利用

D．吸热反应没有利用价值

答案

D 解析

任何反应都有有利和不利的一面，如C＋CO2=====2CO是吸热反应，在钢铁冶炼中可以利用该反应获得更多的还原剂CO，故D项错误。

5．能源是现代文明的原动力，通过化学方法可以使能量按人们所期望的形式转化，从而开辟新能源和提高能源的利用率。

(1)氢气在燃烧时，放出大量热量，说明该反应是________热反应，这是由于反应物的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)生成物的总能量；从化学反应的本质角度来看，是由于断裂反应物中的化学键吸收的总能量________形成生成物中的化学键放出的总能量。

(2)氢气被公认为是21世纪代替矿物燃料的理想能源，2 g 氢气燃烧时放出286 kJ热量，而每千克汽油燃烧放出的热量为46 000 kJ。试据此分析氢气作为能源代替汽油的优势：________________________________________________________________________。

答案

(1)放

大于

小于

(2)清洁能源，燃烧后无污染环境的物质生成；单位质量放出的热量多

解析

(1)燃烧反应都是放热反应，所以氢气的燃烧反应是放热反应，根据能量守恒定律，放热反应是反应物的总能量大于生成物的总能量；化学反应的本质是旧化学键的断裂和新化学键的形成，放热反应的本质是断裂反应物中的化学键吸收的总能量小于形成生成物中的化学键放出的总能量。(2)2 g氢气燃烧时放出286 kJ热量，所以1 000 g氢气燃烧放出143 000 kJ的热量，约是每千克汽油燃烧放出热量的3倍，且氢气燃烧的产物是水，对环境无污染。

高温激光

【课时作业】

[基础过关]

题组一

太阳能的利用

1．下列有关太阳能的利用方式以及列举的实例错误的是(

) A．太阳能电池是一种光—电转换形式

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．风能是空气流动形成的，与太阳能无关

答案

D 解析

光—电转换、光—热转换、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。风能形成的本质原因是太阳辐射使空气受热不均造成的，D项错误。

2．人工光合作用能够借助太阳能，用CO2和H2O制备化学原料。下图是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图，下列说法不正确的是(

)

A．该过程是将太阳能转化为化学能的过程

B．催化剂a表面发生氧化反应，有O2产生

C．催化剂a附近酸性减弱，催化剂b附近酸性增强

D．催化剂b表面的反应是CO2＋2H＋2e===HCOOH 答案

C 解析

由CO2和HCOOH中碳元素的化合价变化可知，CO2应该在正极放电形成HCOOH，由图示装置电子移动的方向可确定b为正极，a为负极。催化剂a表面：2H2O－4e===4H＋O2↑，所以答案选C。

题组二

生物质能的利用

3．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转化为化学能

－＋＋－

答案

C 解析

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－生物质能的转化本质是光－化学能的转换，B项正确；焚烧生活垃圾发电的能量转化过程是：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质能转化为化学能，D正确。

4．下列对于城市废弃物中生物质能的利用不合理的是(

) A．把废弃物拉到乡下找个地方埋掉

B．对废弃物进行处理后焚烧，利用产生的热能供热和发电

C．把废弃物进行生物化学转化获取甲烷

D．让废弃物在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃性气体

答案

A 解析

城市废弃物中含有丰富的生物质能，埋掉是一种资源浪费，故A不合理；处理后焚烧利用产生的热能供热和发电，B合理；将废物进行生物化学转化获取甲烷、可燃性气体均合理，故C、D合理；利用不合理的只有A项。

题组三

氢能的开发与利用

5．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．利用太阳能直接使水分解为H2

B．以焦炭和水为原料制水煤气后再分离出H2

C．以赤热的Fe和水反应生成H2

D．由热电厂提供电能，利用直流电电解水产生H2

答案

A 解析

B项，C＋H2O(g)=====CO＋H2；C项，3Fe＋4H2O(g)=====Fe3O4＋4H2；D项，2H2O=====2H2↑＋O2↑，B、C、D三项都要消耗传统能源；而A项中太阳能是已被人们使用的新能源，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。

6．科学家最近研究出一种环保、安全的储氢方法，其原理可表示为NaHCO3＋H2????HCOONa释氢＋H2O。下列有关说法正确的是(

) A．储氢、释氢过程均无能量变化

B．储氢过程中，NaHCO3被氧化

C．NaHCO3、HCOONa均含有离子键和共价键

D．释氢过程中，每消耗0.1 mol H2O放出2.24 L的H2

答案

C 解析

储氢、释氢过程均存在能量变化，A不正确；储氢过程中，NaHCO3被H2还原，B不储氢高温高温通电

正确；NaHCO3中Na与HCO3之间存在离子键，HCO3中存在共价键，HCOONa中Na与HCOO之间存在离子键，HCOO中存在共价键，C项正确；释氢过程中，每消耗0.1 mol H2O放出0.1 mol H2，但没说明状态，无法知道其体积，D项不正确。

题组四

能源的转化与利用

7．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

答案

B 解析

石油燃烧是化学能转化为热能；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。

8．为消除目前燃料燃烧时产生的环境污染，同时缓解能源危机，有关专家提出了利用太阳能制取氢能的构想。

－－＋－－＋

下列说法正确的是(

) A．H2O的分解反应是放热反应

B．氢能源已被普遍使用

C．2 mol H2O具有的总能量低于2 mol H2和1 mol O2具有的总能量

D．氢气不易贮存和运输，无开发利用价值

答案

C 解析

2H2O===2H2↑＋O2↑是吸热反应，说明2 mol H2O的能量低于2 mol H2

和1 mol O2的能量。因由水制取H2耗能多且H2不易贮存和运输，所以氢能源利用并未普及，但发展前景广阔。

9．有专家指出，如果利用太阳能使燃烧产物如CO2、H2O、N2等重新组合，那么，不仅可以消除对大气的污染，还可以节约燃料，缓解能源危机。观察下面图示，判断在此构想的物质循环中，太阳能最终转化为(

)

A．化学能

C．生物质能

答案

B 解析

理解图示的转化关系便可顺利解题。关键信息是利用太阳能使CO2、H2O、N2等重新组合，根据图示可知燃料燃烧后转化为燃烧产物并放出热量，燃烧产物又结合太阳能转化为燃料，如此循环可知太阳能最终转化为热能。故选B。

10．煤、石油、天然气和生物质能的能量形成和转换利用过程基本上是(

) A．太阳能→化学能→热能

B．太阳能→机械能→电能

C．生物质能→电能→化学能→热能

D．太阳能→机械能→化学能

答案

A 解析

煤、石油、天然气是远古植物吸收太阳能固定下来的能量，是储存在地壳下面的“太阳能”，可以说是远古植物将太阳能转换化学能而储存下来的；生物质能是植物进行光合作用将太阳能转换的化学能。最后化学能通过各种途径变为热能、电能等能量形式。

[能力提升]

11．(1)请在每个化学方程式后的横线上注明化学反应过程中能量的主要转化形式。

①Zn＋Ag2O＋H2O????Zn(OH)2＋2Ag：________(填正向反应的能量转化形式)。

充电②2C2H2＋5O2――→4CO2＋2H2O：________。

③6H2O＋6CO2――→C6H12O6＋6O2：________。

光能④CaCO3=====CaO＋CO2↑：________。

(2)沼气是一种廉价的能源，它是由秸秆、杂草等废弃物经微生物发酵后产生的，有关过程如下：

(C6H10O5)n(纤维素)＋nH2O――→3nCO2↑＋3nCH4↑＋能量

①上述过程的实际意义是______________________________________。

②在使用沼气做饭时，需要注意的问题是___________________________________。

③建立沼气发电站，可以把________能转化为电能，沼气被称为________能源。

细菌高温叶绿素点燃放电B．热能

D．电能

答案

(1)①化学能转化为电能

②化学能转化为热能

③光能转化为化学能

④热能转化为化学能

(2)①即是能源的一个重要来源，也是扩大肥源、提高肥效、改善农村卫生条件的重要措施

②防止沼气泄漏，保持厨房通风良好

③生物质

新

解析

(1)①放电时，该反应在原电池中进行，将化学能转化为电能。

②C2H2(乙炔)燃烧时主要将化学能转化为热能。

③绿色植物进行光合作用时，主要将光能转化为化学能。

④石灰石(CaCO3)高温分解时，主要将热能转化为化学能。

(2)秸秆、杂草等废弃物经微生物发酵后产生沼气，可将生物质能转化为化学能，获得洁净的燃料，既可以提供能源，也可以扩大肥源、提高肥效、改善农村卫生条件。沼气与空气混合后遇到明火会发生爆炸，在使用沼气做饭时，要防止沼气泄漏，保护厨房通风良好。建立沼气发电站，可以把生物质能转化为电能。

12．科学家认为，氢气是一种高效而无污染的理想能源，近20年来，对氢能源的研究获得了迅速发展。

(1)已知1 mol H2完全燃烧生成液态水放出285.8 kJ的热量，试写出H2燃烧的热化学方程式：________________________________________________________________________。

(2)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________(填字母)。

A．电解水

C．光解海水

B．锌和稀硫酸反应

D．以石油、天然气为原料制取

(3)某学生查阅大量资料，提出下列用水制取氢气的研究方向：

①研究在水不发生化学反应的情况下制取氢气，同时释放能量

②设法将太阳光聚焦，产生高温，使水分解产生氢气

③寻找高效催化剂，提高水在一定条件下分解产生氢气的转化率

④寻找特殊化学物质，用于开发廉价能源，用以分解水制取氢气

请你从上述研究方向中，选择其中不合理的一项，并简述理由：

不合理的是________，理由是_______________________________________________。

1答案

(1)H2(g)＋O2(g)===H2O(l) 2ΔH＝－285.8 kJ·mol1

－(2)C

(3)①

水分子中不含氢气分子，不可能在不发生化学反应的情况下得到氢气，且水分解是吸热反应(或③

催化剂能提高水分解产生氢气的反应速率，但不能提高水的转化率) 解析

(2)电解水需要消耗大量的电力，A项不正确；锌和稀硫酸反应生成的氢气太少，不能满足生产需要，且不经济，B项不正确；以石油和天然气为原料制取氢气也需要消耗大量的能源，D项不正确。

13．保护环境已成为当前和未来的一项全球性重大课题。为解决目前燃料使用过程中的环境污染问题，并缓解能源危机，有的专家提出利用太阳能促使燃料循环使用的构想，如图所示：

请回答下列问题：

(1)过程Ⅰ的能量转化形式为__________能转化为__________能。

(2)上述转化过程中，ΔH1和ΔH2的关系是__________。

(3)断裂1 mol化学键所需的能量见下表：

E/kJ·mol1

－H—N 393 H—O 460 N≡N 941 O＝O 499

常温下，N2与H2O反应生成NH3的热化学方程式为

________________________________________________________________________。

答案

(1)太阳

化学

(2)ΔH1＝－ΔH2

(3)2N2(g)＋6H2O(l)===4NH3(g)＋3O2(g) ΔH＝1 189 kJ·mol1

－解析

(1)由图可知，过程Ⅰ是太阳能转化为化学能。(2)由能量守恒定律可知，ΔH1＝－ΔH2。(3)常温下，N2与H2O反应生成NH3的反应为2N2(g)＋6H2O(l) ===4NH3(g)＋3O2(g)

ΔH＝2×941 kJ·mol1＋6×2×460 kJ·mol1－(4×3×393 kJ·mol1＋3－－－×499 kJ·mol1)＝1 189 kJ·mol1，热化学方程式为2N2(g)＋6H2O(l)===4NH3(g)＋3O2(g)

ΔH－－＝1 189 kJ·mol1。

－14．分析下图，回答以下问题：

(1)电解水生成H2，首先要解决的问题是__________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)标准状况下，11.2 L H2燃烧生成液态的水，放出Q

kJ的热量，写出该反应的热化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)氢气作为理想的“绿色能源”的主要理由是___________________________________。

(4)氢氧燃料电池是氢能源利用的一个重要方向。氢气在________极上发生________反应，氧气在________极上发生________反应。

若电解质溶液为KOH溶液，写出正、负极上的电极反应式：负极________________________________________________________________________，

正极________________________________________________________________________。

答案

(1)需大量电能

(2)2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)

ΔH＝－4Q kJ·mol1

－(3)来源丰富(H2O)，燃烧放出的热量多，产物无污染

(4)负

氧化

正

还原

2H2－4e＋4OH===4H2O

O2＋4e＋2H2O===4OH

11.2 LQ kJ解析

(2)11.2 L H2为故2 mol H2燃烧生成液态水放出热量为×－1＝0.5 mol，0.5 mol22.4 L·mol2 mol＝4Q kJ，故该反应的热化学方程式为2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)

ΔH＝－4Q kJ·mol1。

－－－－－(3)H2作为“绿色能源”优点有：来源丰富；热值高；无污染。

(4)在氢氧燃料电池中，H2在负极失电子发生氧化反应，O2在正极发生还原反应。若电解质为KOH溶液，则负极为2H2－4e＋4OH===4H2O，正极为O2＋4e＋2H2O===4OH。

－－－－