202X年新教材高中化学第2章化学键化学反应规律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课件鲁科版必修2

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1.1.常见的汽车燃料常见的汽车燃料(1)(1)燃料通常指能够将自身存储的燃料通常指能够将自身存储的_能通过化学反能通过化学反应应( (燃烧燃烧) )转变为转变为_能的物质。能的物质。(2)(2)自从汽车问世自从汽车问世, ,汽车燃料经历了从汽车燃料经历了从_到到_的变的变迁。迁。化学化学热热煤煤汽油汽油2.2.汽车尾气污染及处理汽车尾气污染及处理(1)(1)汽车尾气污染汽车尾气污染是指由汽车排放的废气造成的环境污染。主要污染物是指由汽车排放的废气造成的环境污染。主要污染物为为_化合物、化合物、_化物、一氧化碳、二氧化硫、化物、一氧化碳、二氧

2、化硫、硫化氢硫化氢, ,以及微量的醛、酚、过氧化物等以及微量的醛、酚、过氧化物等, ,能引起光化能引起光化学烟雾等。学烟雾等。碳氢碳氢氮氧氮氧(2)(2)汽车尾气处理汽车尾气处理即汽车尾气由原有毒气体即汽车尾气由原有毒气体, ,变成无毒气体变成无毒气体, ,再排放到大再排放到大气中。从而可减少对大气环境的污染。气中。从而可减少对大气环境的污染。采用催化剂采用催化剂: :将将COCO氧化成氧化成_,_,碳氢化合物氧化成碳氢化合物氧化成_和和_,NO_,NOx x被还原成被还原成_等。等。COCO2 2COCO2 2H H2 2O ON N2 23.3.汽车安全气囊气体发生剂汽车安全气囊气体发生剂

3、(1)(1)特点特点汽车安全气囊用的气体发生剂一般具有生成物汽车安全气囊用的气体发生剂一般具有生成物_、低低_、有毒组分含量、有毒组分含量_、产气量、产气量_、产气速度、产气速度_等特点。等特点。清洁清洁腐蚀腐蚀低低大大快快(2)(2)常见气体发生剂种类常见气体发生剂种类成分成分: :目前目前, ,用于汽车安全气囊的气体发生剂主要由用于汽车安全气囊的气体发生剂主要由_、_、_等物质按一定比例等物质按一定比例混合而成。其氧化剂主要是混合而成。其氧化剂主要是_。叠氮化钠叠氮化钠三氧化二铁三氧化二铁硝酸铵硝酸铵FeFe2 2O O3 3原理原理.汽车受到强烈撞击时汽车受到强烈撞击时, ,点火器点火引

4、发叠氮化钠分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解为氮气和金属钠。反应的化学方程式为_ _ _。2NaN2NaN3 32Na+3N2Na+3N2 2=.硝酸铵吸收叠氮化钠放出的热量硝酸铵吸收叠氮化钠放出的热量, ,生成一氧化二氮生成一氧化二氮气体和水蒸气气体和水蒸气, ,反应的化学方程式为反应的化学方程式为_。.三氧化二铁和钠反应三氧化二铁和钠反应, ,生成铁和氧化钠生成铁和氧化钠, ,反应的化学反应的化学方程式为方程式为_。NHNH4 4NONO3 3 N N2 2OO+ 2H+ 2H2 2OOFeFe2 2O O3 3+6Na 2Fe+3Na+6Na 2Fe+3Na

5、2 2O O=【情境情境思考思考】随着汽车应用的日益广泛随着汽车应用的日益广泛, ,汽车尾气产生的污染越来越汽车尾气产生的污染越来越严重严重, ,汽车尾气的主要成分中包含的主要污染物有氮氧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是如何产生的吗? ?提示提示: :氮氧化物是火花塞放电时空气中的氮气和氧气反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应产生的; ;一氧化碳是汽油中碳元素不完全燃烧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。

6、含铅化合物是汽油添加剂防爆剂燃烧后产生的。项目活动项目活动1:1:选择车用燃料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随着汽车保有量的逐年增加, ,汽车尾气排放造成的环境汽车尾气排放造成的环境污染以及石油资源逐渐匮乏的问题已不容忽视污染以及石油资源逐渐匮乏的问题已不容忽视, ,因此各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、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。甲醇、

7、乙醇、生物质燃料、氢气以及二甲基醚等。(1)(1)燃料燃烧是放热反应还是吸热反应燃料燃烧是放热反应还是吸热反应? ?试用图象分析试用图象分析燃料燃烧过程中发生能量变化的本质原因。燃料燃烧过程中发生能量变化的本质原因。提示提示: :燃烧是放热反应燃烧是放热反应, ,所以反应物能量大于生成物能所以反应物能量大于生成物能量量, ,图示如下图示如下: :(2) (2) 请根据图示判断哪种燃料更适合作车用燃油请根据图示判断哪种燃料更适合作车用燃油? ?为什为什么么? ?提示提示: :选择燃料选择燃料A A。因为。因为A A达到燃点所需要的能量少且放达到燃点所需要的能量少且放出的热量多。出的热量多。(3)

8、(3)如何减少汽车污染对城市环境的危害如何减少汽车污染对城市环境的危害? ?提示提示: :要减少汽车污染对城市环境的危害要减少汽车污染对城市环境的危害, ,最有效的办最有效的办法是调整城市交通政策法是调整城市交通政策, ,大幅减少私家车数量大幅减少私家车数量, ,优先发优先发展公交展公交, ,提倡自行车交通提倡自行车交通; ;同时同时, ,还应加速发展、普及环还应加速发展、普及环保型汽车保型汽车, ,减少对化石燃料的依赖。使用先进的汽车尾减少对化石燃料的依赖。使用先进的汽车尾气处理技术气处理技术, ,对不符合尾气排放标准的汽车进行淘汰或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

9、器改造。定期清洗三元催化器, ,保持机动车尾气净化性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排气管上装一个“催化转换器催化转换器”。它的特点是使。它的特点是使COCO与与NONO反应反应, ,生成无毒气体。反应方程式生成无毒气体。反应方程式:2CO+2NO :2CO+2NO 2CO2CO2 2+N+N2 2。催化剂催化剂=【探究总结探究总结】1.1.化学反应选择应遵循的原则化学反应选择应遵循的原则(1)(1)从反应物的角度主要考虑从反应物的角度主要考虑: :性质、状态、价格、安性质、状态、价格、安全性和原料的

10、利用率的高低。全性和原料的利用率的高低。(2)(2)从生成物的角度主要考虑从生成物的角度主要考虑: :生成物是否有污染的副生成物是否有污染的副产物产物, ,与产物是否易分离。与产物是否易分离。(3)(3)从反应条件的角度考虑从反应条件的角度考虑: :条件是否简便、节能。条件是否简便、节能。(4)(4)从操作的角度考虑从操作的角度考虑: :操作是否简便、易行。操作是否简便、易行。2.2.六大工业尾气的主要成分六大工业尾气的主要成分硫酸工厂尾气硫酸工厂尾气SOSO2 2、O O2 2、N N2 2等等, ,一般用氨水吸收一般用氨水吸收硝酸工厂尾气硝酸工厂尾气NONO、NONO2 2、N N2 2、

11、O O2 2等等, ,一般用一般用NaOHNaOH溶液吸收溶液吸收高炉煤气高炉煤气COCO、COCO2 2、N N2 2等等, ,一般回收利用一般回收利用炼钢烟气炼钢烟气FeFe2 2O O3 3烟尘、烟尘、COCO等等, ,一般回收利用一般回收利用焦炉气焦炉气H H2 2、CHCH4 4、C C2 2H H4 4、COCO等等, ,可用作燃可用作燃料、化工原料料、化工原料氯碱工业氯碱工业ClCl2 2, ,一般用一般用NaOHNaOH溶液吸收溶液吸收【迁移应用迁移应用】NONOx x是汽车尾气中的主要污染物之一。是汽车尾气中的主要污染物之一。(1)NO(1)NOx x能形成酸雨能形成酸雨,

12、,写出写出NONO2 2转化为转化为HNOHNO3 3的化学方程式的化学方程式: :_。(2)(2)汽车发动机工作时会引发汽车发动机工作时会引发N N2 2和和O O2 2反应反应, ,其能量变化示其能量变化示意图如图意图如图: :该反应是该反应是_(_(填填“放热反应放热反应”或或“吸热反应吸热反应”) )。(3)(3)在汽车尾气系统中安装催化转化器在汽车尾气系统中安装催化转化器, ,可有效降低可有效降低NONOx x的排放。的排放。当尾气中空气不足时当尾气中空气不足时,NO,NOx x在催化转化器中被还原成在催化转化器中被还原成N N2 2排排出。写出出。写出NONO被被COCO还原的化学

13、方程式还原的化学方程式:_:_。【解析解析】(1)NO(1)NO2 2与与H H2 2O O反应生成反应生成HNOHNO3 3与与NO;NO;(2)(2)反应能量变化反应能量变化=945 kJmol=945 kJmol-1-1+498 kJmol+498 kJmol-1-1+2+2(-630) kJmol(-630) kJmol-1-1=+183 kJmol=+183 kJmol-1-1, ,反应为吸热反应。反应为吸热反应。(3)NO(3)NO被被COCO还原为还原为N N2 2,CO,CO被氧化为被氧化为COCO2 2。答案答案: :(1)3NO(1)3NO2 2+H+H2 2O=2HNOO

14、=2HNO3 3+NO+NO(2)(2)吸热反应吸热反应(3)2NO+2CO N(3)2NO+2CO N2 2+2CO+2CO2 2催化剂催化剂=项目活动项目活动2:2:设计安全气囊设计安全气囊 安全气囊作为车身被动安全安全气囊作为车身被动安全性辅助配置性辅助配置, ,越来越受到人们的越来越受到人们的重视。现代安全气囊系统由碰重视。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撞传感器、缓冲气囊、气体发生器及其控制系统等组成。成。请查阅相关资料请查阅相关资料, ,尝试思考解决下列问题。尝试思考解决下列问题。1.1.气体发生器中的物质应具有哪些性质气体发生器中的物质应具有哪些

15、性质? ?你能找到哪些你能找到哪些符合要求的物质符合要求的物质? ?2.2.目前目前, ,叠氮化钠叠氮化钠(NaN(NaN3 3) )是在汽车安全气囊系统中普遍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使用的物质之一。汽车受到猛烈碰撞时, ,点火器点火引点火器点火引发叠氮化钠迅速分解发叠氮化钠迅速分解, ,产生氮气和金属钠产生氮气和金属钠, ,同时释放大同时释放大量的热量的热, ,如果你是设计师如果你是设计师, ,你会同时在安全气囊系统中你会同时在安全气囊系统中加入哪些其他物质加入哪些其他物质? ?为什么为什么? ?【活动探究活动探究】方案设计方案设计: :方案方案选择的化学

16、选择的化学药品药品选择化学药品选择化学药品的思路的思路每种化学药品每种化学药品的作用的作用1 1叠氮化钠叠氮化钠产生保护气产生保护气产生氮气产生氮气方案方案选择的化学选择的化学药品药品选择化学药品选择化学药品的思路的思路每种化学药品每种化学药品的作用的作用2 2硝酸铵硝酸铵吸收反应产生吸收反应产生的热量的热量, ,同时产同时产生气体生气体生成一氧化二生成一氧化二氮和水蒸气氮和水蒸气3 3氧化铁氧化铁反应除去生成反应除去生成的腐蚀性强的的腐蚀性强的物质物质与钠反应生成与钠反应生成铁和氧化钠铁和氧化钠【思考思考讨论讨论】(1)(1)安全气囊中发生的三个反应分别是什么反应类型安全气囊中发生的三个反应

17、分别是什么反应类型? ?提示提示: :2NaN2NaN3 3 2Na+3N 2Na+3N2 2 ( (分解反应、氧化还原反分解反应、氧化还原反应应);NH);NH4 4NONO3 3 N N2 2O+2HO+2H2 2O (O (分解反应、氧化还原分解反应、氧化还原反应反应);Fe);Fe2 2O O3 3+6Na 2Fe+3Na+6Na 2Fe+3Na2 2O(O(置换反应、氧化还原置换反应、氧化还原反应反应) )。=(2)(2)选取安全气囊中的气体发生剂应遵循什么原则选取安全气囊中的气体发生剂应遵循什么原则? ?提示提示: :气体发生剂一般具有生成物清洁、低腐蚀、有毒气体发生剂一般具有生成

18、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。组分含量低、产气量大、产气速率快等特点。【探究总结探究总结】叠氮化钠型安全气囊撞击时发生的反应叠氮化钠型安全气囊撞击时发生的反应1.2NaN1.2NaN3 3 2Na +3N 2Na +3N2 22.NH2.NH4 4NONO3 3 N N2 2O+2HO+2H2 2OO3.Fe3.Fe2 2O O3 3+6Na 2Fe+3Na+6Na 2Fe+3Na2 2O O=【迁移应用】【迁移应用】汽车常装有安全气囊汽车常装有安全气囊, ,当发生强烈碰撞时当发生强烈碰撞时, ,瞬间引发以瞬间引发以下反应下反应:2NaN:2NaN3 3 2Na+

19、3N 2Na+3N2 2,所产生的气体快速充所产生的气体快速充满气囊满气囊, ,可以达到保护车内人员的目的。可以达到保护车内人员的目的。(1)(1)若气囊中装有若气囊中装有65 g NaN65 g NaN3 3, ,则其物质的量为则其物质的量为_;_;=(2)(2)若若2 mol NaN2 mol NaN3 3完全分解完全分解, ,在标准状况下在标准状况下, ,气囊膨胀的气囊膨胀的体积约为体积约为_。【解析解析】(1)65 g NaN(1)65 g NaN3 3的物质的量的物质的量= =1 mol;= =1 mol;165 g65 g mol(2)(2)设生成氮气的物质的量为设生成氮气的物质的

20、量为n,n,则则: :2NaN2NaN3 3 2Na+3N 2Na+3N2 22 2 3 32 mol2 mol n nn= =3 mol,n= =3 mol,故标准状况下生成氮气的体积故标准状况下生成氮气的体积= =3 mol3 mol22.4 Lmol22.4 Lmol-1-1=67.2 L=67.2 L。=2 mol 32答案答案: :(1)1 mol(1)1 mol(2)67.2 L(2)67.2 L课题任务课题任务: :从反应速率和反应限度两方面研究合成氨条从反应速率和反应限度两方面研究合成氨条件的选择件的选择【情境创设情境创设】弗里茨弗里茨哈伯是合成氨工业的创造者哈伯是合成氨工业的

21、创造者,1909,1909年年, ,成成为第一个从空气中制造出氨的科学家为第一个从空气中制造出氨的科学家, ,使人类从此摆脱使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面了依靠天然氮肥的被动局面, ,加速世界农业的发展加速世界农业的发展, ,因此获得因此获得19181918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。但他的另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很不光彩外一面使他的获奖变得很不光彩: :第一次世界大战中第一次世界大战中, ,哈伯担任德国化学兵工厂厂长时负责研制生产氯气、哈伯担任德国化学兵工厂厂长时负责研制生产氯气、芥子气等毒气芥子气等毒气, ,并使用于战争之中并使用于战争之中, ,造成近

22、百万人伤亡造成近百万人伤亡, ,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廉价的方式大规模的生产了氨气, ,为工业、农业提供了为工业、农业提供了稳定而充足的氨以及非游离氮稳定而充足的氨以及非游离氮, ,使人类摆脱了从矿石中使人类摆脱了从矿石中获得非游离氮的状态获得非游离氮的状态, ,对于人类现代化有不可估量的贡对于人类现代化有不可估量的贡献。献。【素养解读素养解读】1.1.核心素养核心素养: :(1)(1)证据推理与模型认知证据推理与模型认知: :建立认知模型建立认知模型, ,并能运用模型并能运用模型解释化学现象解释

23、化学现象, ,揭示现象的本质和规律。揭示现象的本质和规律。(2)(2)科学探究与创新意识科学探究与创新意识: :能发现和提出有探究价值的能发现和提出有探究价值的问题问题, ,能从问题和假设出发能从问题和假设出发, ,依据研究目的依据研究目的, ,设计探究方设计探究方案。案。(3)(3)科学态度与社会责任科学态度与社会责任: :具有探索未知、崇尚真理的具有探索未知、崇尚真理的意识意识; ;具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。2.2.素养目标素养目标: :通过课题的探究学习通过课题的探究学习, ,了解可逆反应概念及影响可逆反了解可逆反应概念及影响可逆反应

24、速率和限度的因素。应速率和限度的因素。【素养探究素养探究】【探究一探究一】从化学反应速率角度考虑合成氨条件的选从化学反应速率角度考虑合成氨条件的选择择1.1.合成氨工业的简要流程可用方框图表示为合成氨工业的简要流程可用方框图表示为(1)(1)原料气的制取原料气的制取: :合成氨的原料氮气和氢气一般通过合成氨的原料氮气和氢气一般通过什么途径获取什么途径获取? ?提示提示: :N N2 2: :将空气液化、蒸发分离出将空气液化、蒸发分离出N N2 2或者将空气中的或者将空气中的O O2 2与碳作用生成与碳作用生成COCO2 2, ,除去除去COCO2 2后得后得N N2 2。H H2 2: :用水

25、和燃料用水和燃料( (煤、焦炭、石油、天然气等煤、焦炭、石油、天然气等) )在高温下在高温下制取。用煤和水制制取。用煤和水制H H2 2的主要反应为的主要反应为C+HC+H2 2O(g) CO+HO(g) CO+H2 2, ,CO+HCO+H2 2O(g) COO(g) CO2 2+H+H2 2。高温高温=催化剂催化剂=(2)(2)合成氨反应的方程式是合成氨反应的方程式是N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) (g) 2NH2NH3 3(g),(g),反应为放热反应反应为放热反应, ,请从反应速率的角度讨论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采取什么样的条

26、件更有利于氨气的快速生成? ?高温、高压高温、高压催化剂催化剂提示提示: :影响化学反应的因素有浓度、温度、压强和催化影响化学反应的因素有浓度、温度、压强和催化剂剂, ,速率越大越有利于氨气的快速生成速率越大越有利于氨气的快速生成, ,所以从速率的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。度、加入催化剂提高反应速率。【探究二探究二】从化学反应限度角度考虑合成氨条件的选从化学反应限度角度考虑合成氨条件的选择择2.2.根据合成氨反应的方程式特点根据合成氨反应的方程式特点(N(N2 2(g)+3H(g)+3H2

27、 2(g) (g) 2NH2NH3 3(g),(g),反应为放热反应反应为放热反应),),试从反应限度的角度讨论试从反应限度的角度讨论以下问题以下问题: :高温、高压高温、高压催化剂催化剂(1)(1)试从放热反应和吸热反应的角度讨论试从放热反应和吸热反应的角度讨论, ,高温还是低高温还是低温有利于氨气的生成温有利于氨气的生成? ?提示提示: :反应是放热反应反应是放热反应, ,低温时平衡正向移动低温时平衡正向移动, ,有利于氨有利于氨气的生成。气的生成。(2)(2)试从浓度的角度讨论如何改变能有利于氨气的生成试从浓度的角度讨论如何改变能有利于氨气的生成? ?从经济性上考虑从经济性上考虑, ,应

28、该让氢气的浓度大一点还是氮气应该让氢气的浓度大一点还是氮气的浓度大一点的浓度大一点? ?提示提示: :增加反应物的浓度有利于平衡正向移动增加反应物的浓度有利于平衡正向移动, ,减少生减少生成物有利于氨气的生成成物有利于氨气的生成, ,所以反应中应减少氨气的浓度所以反应中应减少氨气的浓度。从经济性上考虑。从经济性上考虑, ,氢气的价格比氮气贵氢气的价格比氮气贵, ,所以应适当所以应适当增大氮气的浓度增大氮气的浓度, ,增大氢气的转化率。增大氢气的转化率。(3)(3)从压强角度考虑从压强角度考虑, ,高压还是低压有利于氨气的生成高压还是低压有利于氨气的生成? ?从技术和经济角度考虑从技术和经济角度

29、考虑, ,是不是压强越高越好是不是压强越高越好? ?提示提示: :反应为气体体积减小的反应反应为气体体积减小的反应, ,所以加压平衡正向所以加压平衡正向移动移动, ,有利于氨气的生成。如从技术和经济角度考虑有利于氨气的生成。如从技术和经济角度考虑, ,压强越高对设备的要求越高压强越高对设备的要求越高, ,会增加成本会增加成本, ,所以并不是所以并不是压强越高越好压强越高越好, ,要采取适当的高压。要采取适当的高压。(4)(4)从催化剂角度考虑从催化剂角度考虑, ,是不是增加催化剂有利于氨气是不是增加催化剂有利于氨气的生成的生成? ?提示提示: :催化剂只能增加反应的速率催化剂只能增加反应的速率

30、, ,不能影响反应的限不能影响反应的限度度, ,所以加入催化剂并不利于氨气的生成。所以加入催化剂并不利于氨气的生成。【探究三探究三】合成氨实际条件的选择合成氨实际条件的选择(1)(1)合成氨实际采取的温度在合成氨实际采取的温度在700 K700 K左右左右, ,请综合反应速请综合反应速率、反应限度和催化剂等情况查阅资料说明原因。率、反应限度和催化剂等情况查阅资料说明原因。提示提示: :温度越高温度越高, ,反应速率越大反应速率越大, ,但不利于氨的合成但不利于氨的合成, ,在在实际生产中一般控制反应温度在实际生产中一般控制反应温度在700 K700 K左右左右( (且在此温且在此温度时催化剂的

31、活性最大度时催化剂的活性最大) )。(2)(2)高压有利于合成氨反应速率和反应的限度高压有利于合成氨反应速率和反应的限度, ,请讨论请讨论实际生产中应根据什么选择反应的压强实际生产中应根据什么选择反应的压强? ?提示提示: :压强越大越有利于合成氨压强越大越有利于合成氨, ,但在实际生产中但在实际生产中, ,应根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大致分为低压、中压和高压三种类型, ,一般采用高压。一般采用高压。(3)(3)结合合成氨反应的速率和限度结合合成氨反应的速率和限度, ,查阅资料说明合成查阅资料说明合成氨中氮气和氢气的最合适的比例