初中九年级化学 化石能源的合理利用第1课时 知识清单

初中九年级化学化石能源的合理利用第1课时知识清单一、化石能源家族：煤、石油、天然气的全景透视（一）化石能源的定义与共性【基础】★★★★☆化石能源，顾名思义，是源于远古化石的能源。在漫长的地质历史时期，古代植物的遗骸被埋藏在地下，经过复杂而缓慢的生物化学和物理化学变化，逐渐形成了今天我们赖以生存的煤、石油和天然气。它们仨被统称为三大化石燃料。它们具有以下几个鲜明的共性：1.来源的同一性：都是由古代生物（主要是植物）的遗骸转化而来，因此被称为“化石”能源。2.组成的复杂性：它们都不是纯净物，而是由多种有机物和无机物组成的复杂混合物。3.性质的可燃性：它们都含有碳、氢元素，能够与氧气发生剧烈的氧化反应，并释放出大量的热量，这是它们作为燃料的核心价值。4.储量的有限性：它们的形成需要数以百万年计的地质年代，而人类的开采和消耗速度远超其再生速度，因此属于不可再生能源。这是我们今天必须节约使用、寻求替代能源的根本原因。（二）工业的粮食——煤【重要】★★★★★煤，被誉为“工业的粮食”，是千百万年前，古代森林的植物在沼泽等低洼环境中大量堆积，随后被地壳运动埋入地下，在与空气隔绝的条件下，经过长期的高温高压和复杂的生物化学作用而形成的黑色或棕黑色sedimentaryrock（沉积岩）。1.组成元素：煤的主要组成元素是碳（C），此外还含有一定量的氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）等元素。其中，硫元素的存在是煤作为燃料时一个不容忽视的环境问题来源。2.物理状态：煤是成分复杂的固体混合物。3.核心性质：煤具有可燃性。4.综合利用：煤的加工利用并非简单的直接燃烧。现代煤化工的一个重要方向是煤的干馏（也称焦化），这是一个化学变化过程。将煤隔绝空气加强热，使其分解，可以生成一系列更有价值的产物：（1）焦炭：固体产物，主要成分是碳，质地坚硬多孔。它广泛应用于金属冶炼（特别是炼铁），是钢铁工业的重要原料。（2）煤焦油：液体产物，是一种黑褐色的油状混合物，含有数百种有机化合物，是生产染料、农药、医药、合成纤维、塑料等多种化工产品的宝贵原料。（3）煤气：气体产物，主要成分是氢气（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）等可燃性气体。煤气可作为工业燃料或城市居民生活燃气。5.考点与易错点：【高频考点】极易将煤的干馏误认为是物理变化。务必记住，干馏是“隔绝空气加强热”，生成了新物质，因此是化学变化。而石油的分馏则是利用沸点不同进行的分离，属于物理变化，两者截然不同。（三）工业的血液——石油【重要】★★★★★石油，被称为“工业的血液”，通常是一种粘稠的、深褐色的液体。它的形成与古代海洋或湖泊中的生物（如浮游生物、藻类等）有关，这些生物遗体被埋藏后，经过复杂的化学转化而形成。1.组成元素：石油的主要组成元素是碳（C）和氢（H），两种元素的总含量高达97%98%，此外还含有少量的硫、氧、氮等元素。2.物理状态：石油是粘稠的液体混合物。3.炼制原理：石油中包含了从几个碳原子到几十个碳原子的多种烃类化合物，它们的沸点各不相同。石油的炼制正是利用了这一性质，采用分馏的方法，在加热炉中加热，使不同沸点的组分气化，然后在分馏塔中从上到下（温度由低到高）冷凝分离，从而得到不同用途的产物。这个过程是物理变化。4.主要产品及用途：【热点】（1）燃料类：石油气（化工原料或民用燃料）、汽油（汽车燃料）、煤油（航空燃料、照明）、柴油（拖拉机、卡车、轮船等重型机械燃料）、重油（轮船燃料、锅炉燃料）。（2）其他化工原料和产品：石蜡（蜡烛、包装材料）、沥青（铺路、建筑材料）、石油焦（电极、冶炼）以及用于生产塑料、合成纤维、合成橡胶、化肥、农药等的各种基础有机化工原料。5.考点与易错点：【高频考点】【难点】石油分馏产物的用途是常见考点。同时，要深刻理解分馏与干馏的本质区别：分馏是物理变化，干馏是化学变化。（四）较清洁的燃料——天然气【重要】★★★★★天然气是蕴藏在地层中的可燃性气体，常与石油伴生，也有单独的气藏。1.主要成分：天然气的主要成分是甲烷（CH4）。甲烷是最简单的有机化合物，也是相对分子质量最小的有机物。2.物理性质：甲烷是一种无色、无味的气体，密度比空气小（标准状况下，约为0.717g/L，是空气密度的一半左右），极难溶于水。3.化学性质——可燃性：【核心考点】甲烷具有可燃性，在空气中燃烧，产生淡蓝色火焰，生成水和二氧化碳，并放出大量的热。其燃烧的化学方程式是必须熟练掌握的内容：CH4+2O2点燃CO2+2H2O4.性质检验与鉴别：（1）检验甲烷中是否含有氢、碳元素：点燃甲烷气体，在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯。若烧杯内壁出现水雾（或水珠），证明燃烧产物中有水，说明甲烷中一定含有氢元素。迅速将烧杯翻转过来，向其中倒入少量澄清石灰水并振荡，若澄清石灰水变浑浊，证明燃烧产物中有二氧化碳，说明甲烷中一定含有碳元素。（2）鉴别氢气、一氧化碳和甲烷：这是考试中的难点和高频考点。鉴别这三种无色、无味、可燃性气体的唯一可靠方法就是检验它们的燃烧产物。氢气燃烧只生成水；一氧化碳燃烧只生成二氧化碳；甲烷燃烧同时生成水和二氧化碳。通过冷而干燥的烧杯和澄清石灰水，即可将它们一一区分。5.安全与环保：（1）安全性：天然气是一种易燃易爆气体，与空气混合后，遇明火极易发生爆炸。因此，使用天然气时必须注意通风，并定期检查管道、阀门，防止泄漏。【安全警示】如果发现家中天然气泄漏，绝对不能开启任何电器开关或使用明火，应立即关闭总阀门，迅速打开门窗通风，并到室外安全地带报警。（2）环保性：相比于煤和石油，天然气燃烧充分，产生的二氧化硫和烟尘等污染物很少，因此被公认为一种相对清洁的化石燃料。但它的主要燃烧产物二氧化碳，仍是导致温室效应的主要气体之一。6.拓展应用——沼气与可燃冰：【热点】【素养拓展】（1）沼气：将农作物秸秆、杂草、人畜粪便等废弃物，在密闭的沼气池中，经过微生物的发酵作用，可以产生以甲烷为主要成分的混合气体，这就是沼气。沼气是一种可再生能源，在农村推广使用，既可以解决燃料问题，又能改善环境卫生。（2）可燃冰：学名天然气水合物，是天然气（主要是甲烷）和水在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质，主要分布于深海沉积物或陆域永久冻土中。可燃冰储量巨大，燃烧热值高，且燃烧后几乎不产生任何残渣或粉尘，被公认为是一种潜力巨大的未来新能源。然而，其开采难度极大，如果开采不当，可能导致甲烷气体大量泄漏，引发比二氧化碳更为严重的温室效应，甚至导致海底滑坡等地质灾害。二、化学反应中的能量变化【基础】★★★☆☆（一）能量的表现形式化学反应在生成新物质的同时，总是伴随着能量的变化，而这种变化通常主要表现为热量的变化——即放热或吸热。这是化学反应的基本特征之一。（二）常见的放热反应和吸热反应1.放热反应：在反应过程中释放热量的化学反应。（1）所有燃烧反应：如煤、石油、天然气、木柴、氢气等的燃烧。（2）缓慢氧化：如动植物的呼吸作用、食物的腐烂、金属的生锈等。（3）金属与酸的反应：例如镁（Mg）与稀盐酸（HCl）反应生成氢气，会放出大量的热，手摸试管壁可以明显感觉到发热。Mg+2HCl→MgCl2+H2↑（4）酸碱中和反应：酸和碱作用生成盐和水的反应，几乎都是放热反应。（5）生石灰（CaO）与水反应：这是初中化学中一个重要的放热反应，生成熟石灰氢氧化钙。CaO+H2O→Ca(OH)22.吸热反应：在反应过程中吸收热量的化学反应。（1）大多数分解反应：如碳酸钙（CaCO3）在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳，需要持续加热才能进行。CaCO3高温CaO+CO2↑（2）碳与二氧化碳的反应：在高温条件下，碳能与二氧化碳反应生成一氧化碳，这是一个典型的吸热反应。C+CO2高温2CO（3）氢氧化钡晶体[Ba(OH)2·8H2O]与氯化铵（NH4Cl）晶体的反应：这是一个非常有趣的吸热反应，反应时烧杯壁会因吸热而变得冰冷，甚至使烧杯与下面的木板冻在一起。（三）理解能量变化的误区【难点】【易错点】1.误区一：需要加热才能发生的反应一定是吸热反应。这是错误的。判断反应是放热还是吸热，取决于反应物和生成物总能量的相对高低，而不是反应条件。例如，木炭的燃烧（C+O2点燃CO2）是一个剧烈的放热反应，但反应需要先通过加热（点燃）来引发。点燃只是提供反应发生所需的最小能量（活化能），反应一旦启动，释放的热量足以维持反应继续进行。而碳酸钙的分解反应（CaCO3高温CaO+CO2↑）不仅需要加热，而且在加热过程中始终需要吸收热量，停止加热反应即停止，这才是吸热反应。2.误区二：所有化学反应都会伴随明显的热量变化。虽然任何化学反应都伴随着能量变化，但有些反应的能量变化非常微弱，不易被察觉。但理论上，能量守恒是化学反应的普遍规律。三、燃料的充分燃烧：原理与实践【重要】★★★★☆（一）燃料充分燃烧的重要意义燃料如果不能充分燃烧，会带来两大问题：1.资源浪费：燃烧不充分，燃料中的碳、氢等可燃成分未能完全转化为二氧化碳和水，而是生成了一氧化碳、碳氢化合物等，导致燃料的热能释放不完全，造成能源的极大浪费。2.环境污染：不充分燃烧会产生大量的黑烟（炭粒）和有毒的一氧化碳气体，严重污染空气，危害人体健康。（二）实现充分燃烧的条件【核心考点】要使燃料充分燃烧，通常需要考虑以下两个关键因素：1.燃烧时要有足够多的空气（氧气）：氧气是助燃剂，充足的氧气是燃料完全氧化的前提。例如，在灶具上调大风门，增加进氧量，可以使火焰由红变蓝，燃烧更充分。2.燃料与空气要有足够大的接触面积：接触面积越大，燃料分子与氧气分子碰撞的机会就越多，燃烧就越剧烈、越充分。（1）改变燃料状态：将固体燃料（如煤）粉碎或制成“蜂窝煤”，在煤粉上打孔，都是为了增大与空气的接触面积。（2）使用液体燃料：将油料雾化，形成细小的油滴喷入炉膛，也是极大增加接触面积的有效方式。（3）使用气体燃料：气体燃料能与空气实现最充分的混合，因此燃烧效率最高。（三）生活中的应用与安全1.燃气灶的调节：当燃气灶的火焰呈现黄色或橙色，锅底出现黑色时，说明空气不足，燃烧不充分。此时应调大灶具的进风口（风门），增加空气进入量。2.燃气泄漏报警器的安装：安装位置取决于燃气的密度。（1）天然气（主要成分甲烷，密度比空气小）：报警器应安装在靠近天花板的上方。（2）液化石油气（主要成分丙烷、丁烷等，密度比空气大）：报警器应安装在靠近地面的下方。四、能源现状与未来展望：责任与担当【素养升华】★★★☆☆（一）化石能源的储量危机根据已探明的储量和当前的年开采量估算，煤、石油和天然气等化石能源的可开采年限都是有限的。尤其是石油和天然气，可能在本世纪内就面临枯竭。这并非危言耸听，而是我们必须正视的现实。（二）化石能源的环境代价化石能源的大规模利用，尤其是低效、不充分的燃烧，给地球环境带来了沉重的负担：1.温室效应：大量二氧化碳的排放，是导致全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、极端气候事件频发的主要原因。2.酸雨：煤燃烧产生的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）排入大气，经过一系列化学反应形成硫酸和硝酸，随雨水降落形成酸雨。酸雨会酸化土壤和水体，腐蚀建筑物和古迹，危害动植物生长。3.空气污染：燃料不充分燃烧产生的一氧化碳、碳氢化合物、炭粒、尘粒，以及燃烧过程中产生的氮氧化物等，是形成雾霾、光化学烟雾等大气污染现象的重要因素，直接危害人体呼吸系统和心血管系统健康。（三）新能源的开发与利用【热点】【素养拓展】面对化石能源日益枯竭和环境压力日益增大的双重挑战，人类必须走可持续发展的能源之路，大力开发和利用清洁、可再生能源。1.正在开发的新能源：太阳能、风能、水能、核能、地热能、潮汐能、生物质能（如沼气、生物乙醇、生物柴油）等。2.最理想的燃料——氢能：氢气作为燃料，具有三大无可比拟的优点：（1）资源丰富：氢元素是宇宙中含量最丰富的元素，地球上水就是氢的“仓库”。（2）热值高：除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料中最高的，是汽油发热值的3倍。（3）无污染：氢气燃烧的产物是水，不会产生任何温室气体、有害气体或烟尘，是真正的“零排放”清洁能源。3.氢能利用的挑战：目前氢能的大规模应用还面临两大技术难题：（1）制取成本高：如何廉价地从水中或其它物质中大量制取氢气，仍是需要攻克的难关。（2）储存和运输困难：氢气密度极小，易燃易爆，如何安全、高效地储存和运输氢气，是另一个亟待解决的关键技术问题。五、单元核心考点整合与解题策略（一）本课时核心考点网络1.三大化石燃料的名称、类别、不可再生属性。2.煤、石油、天然气的组成元素、主要成分、物理状态。3.煤的干馏（化学变化）与石油的分馏（物理变化）的本质区别。4.天然气（甲烷）的物理性质、化学性质（可燃性）及燃烧产物的检验。5.鉴别氢气、一氧化碳、甲烷三种气体的方法（燃烧产物检验）。6.使燃料充分燃烧的条件及现实意义。7.燃料不充分燃烧的危害及化石燃料使用带来的环境问题。8.化学反应中常见的放热反应与吸热反应实例。9.新能源的开发方向及氢能的优点。（二）典型考向与解题步骤分析1.考向一：概念辨析题【例】下列有关化石能源的叙述，正确的是（）A.石油是一种纯净物B.天然气的主要成分是氢气C.煤、石油、天然气都是可再生能源D.煤被称为“工业的粮食”【解题步骤】第一步：审题，明确题干要求“正确”。第二步：逐项分析选项。A项，石油是复杂的混合物，错误。B项，天然气主要成分是甲烷（CH4），不是氢气，错误。C项，三大化石燃料都是不可再生的，错误。D项，煤的别称是“工业的粮食”，正确。第三步：确定答案D。2.考向二：性质鉴别题【例】如何用化学方法鉴别氢气、一氧化碳和甲烷三瓶无色气体？【解题步骤】第一步：分析三种气体的组成差异。H2只含氢，CO只含碳和氧，CH4含碳和氢。第二步：基于差异，选择检验燃烧产物的方法。第三步：设计实验操作。分别点燃三种气体，在火焰上方各罩一个冷而干燥的烧杯。第四步：观察并记录现象。烧杯内壁无水珠产生的是CO；烧杯内壁有水珠产生的气体是H2或CH4。第五步：进一步鉴别。将产生水珠的两个烧杯迅速翻转，分别倒入少量澄清石灰水，振荡。使澄清石