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1、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 1.常见的汽车燃料 (1)燃料通常指能够将自身存储的_能通过化学反 应(燃烧)转变为_能的物质。 (2)自从汽车问世,汽车燃料经历了从_到_的变 迁。 化学 热 煤汽油 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_化合物、_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,能引起光化 学烟雾等。 碳氢氮氧 (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_,碳氢化合物氧化成_ 和_,NOx
2、被还原成_等。 CO2CO2 H2ON2 3.汽车安全气囊气体发生剂 (1)特点 汽车安全气囊用的气体发生剂一般具有生成物_、 低_、有毒组分含量_、产气量_、产气速度_ 等特点。 清洁 腐蚀低大快 (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 _、_、_等物质按一定比例 混合而成。其氧化剂主要是_。 叠氮化钠三氧化二铁硝酸铵 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_ _。 2NaN3 2Na+3N2 = .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_ _。 .三氧化
3、二铁和钠反应,生成铁和氧化钠,反应的化学 方程式为_。 NH4NO3 N2O + 2H2O Fe2O3+6Na 2Fe+3Na2O = = 【情境思考】 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,汽车尾气的主要成分中包含的主要污染物有氮氧 化物、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。 项目活动1:选择车用燃料 目前汽车所使用的燃料主要是汽油和柴油。而 随着汽车保有量的逐年增加,汽车尾气排放造成的环境 污染以及石油资源
4、逐渐匮乏的问题已不容忽视,因此各 种代用燃料也得到了越来越广泛的应用。目前国内开 发使用的发动机代用燃料包括天然气、液化石油气、 甲醇、乙醇、生物质燃料、氢气以及二甲基醚等。 (1)燃料燃烧是放热反应还是吸热反应?试用图象分析 燃料燃烧过程中发生能量变化的本质原因。 提示:燃烧是放热反应,所以反应物能量大于生成物能 量,图示如下: (2) 请根据图示判断哪种燃料更适合作车用燃油?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。 (3)如何减少汽车污染对城市环境的危害? 提示:要减少汽车污染对城市环境的危害,最有效的办 法是调整城市交通政策,大幅减少私家车数量,优先发
5、 展公交,提倡自行车交通;同时,还应加速发展、普及环 保型汽车,减少对化石燃料的依赖。使用先进的汽车尾 气处理技术,对不符合尾气排放标准的汽车进行淘汰或 改造。定期清洗三元催化器,保持机动车尾气净化性 能。汽车尾气中氮氧化物治理的方法之一是在汽车的 排气管上装一个“催化转换器”。它的特点是使CO与 NO反应,生成无毒气体。反应方程式:2CO+2NO 2CO2+N2。催化剂 = 【探究总结】 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
6、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。 2.六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 炼钢炼钢 烟气Fe2O3烟尘尘、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 氯氯碱工业业Cl2,一般用NaOH溶液吸收 【迁移应用】 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
7、量变化示 意图如图: 该反应是_(填“放热反应”或“吸热反应”) 。 (3)在汽车尾气系统中安装催化转化器,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:_。 【解析】(1)NO2与H2O反应生成HNO3与NO; (2)反应能量变化=945 kJmol-1+498 kJmol-1+2 (-630) kJmol-1=+183 kJmol-1,反应为吸热反应。 (3)NO被CO还原为N2,CO被氧化为CO2。 答案:(1)3NO2+H2O=2HNO3+NO (2)吸热反应 (3)2NO+2CO N2+2CO2 催化剂 = 项
8、目活动2:设计安全气囊 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。 请查阅相关资料,尝试思考解决下列问题。 1.气体发生器中的物质应具有哪些性质?你能找到哪些 符合要求的物质? 2.目前,叠氮化钠(NaN3)是在汽车安全气囊系统中普遍 使用的物质之一。汽车受到猛烈碰撞时,点火器点火引 发叠氮化钠迅速分解,产生氮气和金属钠,同时释放大 量的热,如果你是设计师,你会同时在安全气囊系统中 加入哪些其他物质?为什么? 【活动探究】 方案设计: 方案 选择选择 的化学 药药品 选择选择 化学药药品 的思路 每种
9、化学药药品 的作用 1叠氮化钠钠产产生保护护气产产生氮气 方案 选择选择 的化学 药药品 选择选择 化学药药品 的思路 每种化学药药品 的作用 2硝酸铵铵 吸收反应产应产 生 的热热量,同时时 产产生气体 生成一氧化二 氮和水蒸气 3氧化铁铁 反应应除去生成 的腐蚀蚀性强的 物质质 与钠钠反应应生成 铁铁和氧化钠钠 【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:2NaN3 2Na+3N2 (分解反应、氧化还原反 应);NH4NO3 N2O+2H2O (分解反应、氧化还原 反应);Fe2O3+6Na 2Fe+3Na2O(置换反应、氧化还原 反应)。 = = = (2)选
10、取安全气囊中的气体发生剂应遵循什么原则? 提示: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、产气速率快等特点。 【探究总结】 叠氮化钠型安全气囊撞击时发生的反应 1.2NaN3 2Na +3N2 2.NH4NO3 N2O+2H2O 3.Fe2O3+6Na 2Fe+3Na2O = = = 【迁移应用】 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:2NaN3 2Na+3N2,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
11、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: 2NaN3 2Na+3N2 2 3 2 mol n n= =3 mol,故标准状况下生成氮气的体积= 3 mol22.4 Lmol-1=67.2 L。 = 答案:(1)1 mol (2)67.2 L 课题任务:从反应速率和反应限度两方面研究合成氨条 件的选择 【情境创设】 弗里茨哈伯是合成氨工业的创造者,1909年,成 为第一个从空气中制造出氨的科学家,使人类从此摆脱 了依靠天然氮肥的被动局面,加速世界农业的发展, 因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。但他的另 外一面使他的获奖变得
12、很不光彩:第一次世界大战中, 哈伯担任德国化学兵工厂厂长时负责研制生产氯气、 芥子气等毒气,并使用于战争之中,造成近百万人伤亡, 是第一个把化学武器应用于战争的人。但是合成氨以 廉价的方式大规模的生产了氨气,为工业、农业提供了 稳定而充足的氨以及非游离氮,使人类摆脱了从矿石中 获得非游离氮的状态,对于人类现代化有不可估量的贡 献。 【素养解读】 1.核心素养: (1)证据推理与模型认知:建立认知模型,并能运用模型 解释化学现象,揭示现象的本质和规律。 (2)科学探究与创新意识:能发现和提出有探究价值的 问题,能从问题和假设出发,依据研究目的,设计探究方 案。 (3)科学态度与社会责任:具有探索
13、未知、崇尚真理的 意识;具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。 2.素养目标: 通过课题的探究学习,了解可逆反应概念及影响可逆反 应速率和限度的因素。 【素养探究】 【探究一】从化学反应速率角度考虑合成氨条件的选 择 1.合成氨工业的简要流程可用方框图表示为 (1)原料气的制取:合成氨的原料氮气和氢气一般通过 什么途径获取? 提示:N2:将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的 O2与碳作用生成CO2,除去CO2后得N2。 H2:用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下 制取。用煤和水制H2的主要反应为C+H2O(g) CO+H2, CO+H2O(g) CO2+H2。 高温 = 催化剂
14、 = (2)合成氨反应的方程式是N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),反应为放热反应,请从反应速率的角度讨论应 采取什么样的条件更有利于氨气的快速生成? 高温、高压 催化剂 提示:影响化学反应的因素有浓度、温度、压强和催化 剂,速率越大越有利于氨气的快速生成,所以从速率的 角度考虑应该采取高温、高压、加大氢气和氮气的浓 度、加入催化剂提高反应速率。 【探究二】从化学反应限度角度考虑合成氨条件的选 择 2.根据合成氨反应的方程式特点(N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),反应为放热反应),试从反应限度的角度讨论 以下问题: 高温、高压 催化剂 (1)试从放热反应和吸热反应的角度讨论,高温
15、还是低 温有利于氨气的生成? 提示:反应是放热反应,低温时平衡正向移动,有利于氨 气的生成。 (2)试从浓度的角度讨论如何改变能有利于氨气的生成 ?从经济性上考虑,应该让氢气的浓度大一点还是氮气 的浓度大一点? 提示:增加反应物的浓度有利于平衡正向移动,减少生 成物有利于氨气的生成,所以反应中应减少氨气的浓度 。从经济性上考虑,氢气的价格比氮气贵,所以应适当 增大氮气的浓度,增大氢气的转化率。 (3)从压强角度考虑,高压还是低压有利于氨气的生成? 从技术和经济角度考虑,是不是压强越高越好? 提示:反应为气体体积减小的反应,所以加压平衡正向 移动,有利于氨气的生成。如从技术和经济角度考虑, 压强
16、越高对设备的要求越高,会增加成本,所以并不是 压强越高越好,要采取适当的高压。 (4)从催化剂角度考虑,是不是增加催化剂有利于氨气 的生成? 提示:催化剂只能增加反应的速率,不能影响反应的限 度,所以加入催化剂并不利于氨气的生成。 【探究三】合成氨实际条件的选择 (1)合成氨实际采取的温度在700 K左右,请综合反应速 率、反应限度和催化剂等情况查阅资料说明原因。 提示:温度越高,反应速率越大,但不利于氨的合成,在 实际生产中一般控制反应温度在700 K左右(且在此温 度时催化剂的活性最大)。 (2)高压有利于合成氨反应速率和反应的限度,请讨论 实际生产中应根据什么选择反应的压强? 提示:压强
17、越大越有利于合成氨,但在实际生产中,应根 据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强, 大致分为低压、中压和高压三种类型,一般采用高压。 (3)结合合成氨反应的速率和限度,查阅资料说明合成 氨中氮气和氢气的最合适的比例是多少?反应中如何使 生成的氨气分离出来? 提示:合成氨通常采用N2和H2物质的量之比为 12.8 的投料比,并且及时将混合气体降低温度使氨气液化从 反应混合物中分离出去。 (4)从节约原材料和提高平衡转化率的角度分析,反应 后的混合气体应该如何处理? 提示:应循环利用,把反应后的气体通入反应容器继续 反应。 【探究四】【迁移应用】 工业合成硫酸的示意图如下,其中最重要的一步
18、反应是 在接触室中发生的: 2SO2+O2 2SO3(反应为放热反应)。高压有利于三氧 化硫的生成,已知常压下二氧化硫的转化率就在百分之 九十以上,请问反应是否还需要高压? 提示:不需要。高压对设备的要求变高,会增加成本。 【素养评价】 1.宏观辨识与微观探析水平1:能从物质的宏观特征 入手对物质及其反应进行分类和表征。 2.科学探究与创新意识水平3:具有较强的问题意识, 能提出探究的问题和假设,依据假设提出实验方案,独 立完成实验。 3.证据推理与模型认知水平4:能依据各类物质及其 反应的不同特征寻找充分的证据,能解释证据与结论之 间的关系。 4.科学探究与创新意识水平4:能根据文献和实际需 要提出综合性的探究课题,根据假设提出多种探究方案 ,评价和优化方案。 5.科学态度与社会责任水平3:具有理论联系实际的 观念,有将化学成果应用于生产、生活的意识,能依据 实际条件并运用所学的化学知识和方法解决生产、生 活中简单的化学问题。