《微項目研究車用燃料及安全氣囊—利用化學反應解決實際問題》化學鍵化學反應規律PPT
第一部分內容：必備知識·素養奠基
1.常見的汽車燃料
(1)燃料通常指能夠將自身存儲的_____能通過化學反應(燃燒)轉變為___能的物質。
(2)自從汽車問世,汽車燃料經歷了從___到_____的變遷。
2.汽車尾氣污染及處理
(1)汽車尾氣污染
是指由汽車排放的廢氣造成的環境污染。主要污染物為_____化合物、_____化物、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫,以及微量的醛、酚、過氧化物等,能引起光化學煙霧等。
(2)汽車尾氣處理
即汽車尾氣由原有毒氣體,變成無毒氣體,再排放到大氣中。從而可減少對大氣環境的污染。采用催化劑:將CO氧化成___,碳氫化合物氧化成___和___,NOx被還原成__等。
3.汽車安全氣囊氣體發生劑
(1)特點
汽車安全氣囊用的氣體發生劑一般具有生成物_____、低_____、有毒組分含量___、產氣量___、產氣速度___等特點。
(2)常見氣體發生劑種類
①成分:目前,用于汽車安全氣囊的氣體發生劑主要由_________、___________、_______等物質按一定比例混合而成。其氧化劑主要是_____。
②原理
Ⅰ.汽車受到強烈撞擊時,點火器點火引發疊氮化鈉分解為氮氣和金屬鈉。反應的化學方程式為___________________。
Ⅱ.硝酸銨吸收疊氮化鈉放出的熱量,生成一氧化二氮氣體和水蒸氣,反應的化學方程式為_______________________。
Ⅲ.三氧化二鐵和鈉反應,生成鐵和氧化鈉,反應的化學方程式為_______________________。
【情境·思考】
隨著汽車應用的日益廣泛,汽車尾氣產生的污染越來越嚴重,汽車尾氣的主要成分中包含的主要污染物有氮氧化物、一氧化碳、含鉛化合物等。你知道這些污染物是如何產生的嗎?
提示:氮氧化物是火花塞放電時空氣中的氮氣和氧氣反應產生的;一氧化碳是汽油中碳元素不完全燃燒產生的;含鉛化合物是汽油添加劑防爆劑燃燒后產生的。
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微項目研究車用燃料及安全氣囊利用化學反應解決實際問題PPT，第二部分內容：關鍵能力·素養形成
項目活動1:選擇車用燃料
目前汽車所使用的燃料主要是汽油和柴油。而隨著汽車保有量的逐年增加,汽車尾氣排放造成的環境污染以及石油資源逐漸匱乏的問題已不容忽視,因此各種代用燃料也得到了越來越廣泛的應用。目前國內開發使用的發動機代用燃料包括天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、生物質燃料、氫氣以及二甲基醚等。
(1)燃料燃燒是放熱反應還是吸熱反應?試用圖象分析燃料燃燒過程中發生能量變化的本質原因。
提示:燃燒是放熱反應,所以反應物能量大于生成物能量,圖示如下:
(2) 請根據圖示判斷哪種燃料更適合作車用燃油?為什么?
提示:選擇燃料A。因為A達到燃點所需要的能量少且放出的熱量多。
(3)如何減少汽車污染對城市環境的危害?
提示:要減少汽車污染對城市環境的危害,最有效的辦法是調整城市交通政策,大幅減少私家車數量,優先發展公交,提倡自行車交通;同時,還應加速發展、普及環保型汽車,減少對化石燃料的依賴。使用先進的汽車尾氣處理技術,對不符合尾氣排放標準的汽車進行淘汰或改造。定期清洗三元催化器,保持機動車尾氣凈化性能。汽車尾氣中氮氧化物治理的方法之一是在汽車的排氣管上裝一個“催化轉換器”。它的特點是使CO與NO反應,生成無毒氣體。反應方程式:2CO+2NO 2CO2+N2。
【探究總結】
1.化學反應選擇應遵循的原則
(1)從反應物的角度主要考慮:性質、狀態、價格、安全性和原料的利用率的高低。
(2)從生成物的角度主要考慮:生成物是否有污染的副產物,與產物是否易分離。
(3)從反應條件的角度考慮:條件是否簡便、節能。
(4)從操作的角度考慮:操作是否簡便、易行。
2.六大工業尾氣的主要成分
【遷移應用】
NOx是汽車尾氣中的主要污染物之一。
(1)NOx能形成酸雨,寫出NO2轉化為HNO3的化學方程式:_____________________________________。
(2)汽車發動機工作時會引發N2和O2反應,其能量變化示意圖如圖:
該反應是________(填“放熱反應”或“吸熱反應”)。
(3)在汽車尾氣系統中安裝催化轉化器,可有效降低NOx的排放。
當尾氣中空氣不足時,NOx在催化轉化器中被還原成N2排出。寫出NO被CO還原的化學方程式:____________。
【解析】(1)NO2與H2O反應生成HNO3與NO;
(2)反應能量變化=945 kJ·mol-1+498 kJ·mol-1+2×
(-630) kJ·mol-1=+183 kJ·mol-1,反應為吸熱反應。
(3)NO被CO還原為N2,CO被氧化為CO2。
項目活動2:設計安全氣囊
安全氣囊作為車身被動安全性輔助配置,越來越受到人們的重視?，F代安全氣囊系統由碰撞傳感器、緩沖氣囊、氣體發生器及其控制系統等組成。
請查閱相關資料,嘗試思考解決下列問題。
1.氣體發生器中的物質應具有哪些性質?你能找到哪些符合要求的物質?
2.目前,疊氮化鈉(NaN3)是在汽車安全氣囊系統中普遍使用的物質之一。汽車受到猛烈碰撞時,點火器點火引發疊氮化鈉迅速分解,產生氮氣和金屬鈉,同時釋放大量的熱,如果你是設計師,你會同時在安全氣囊系統中加入哪些其他物質?為什么?
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微項目研究車用燃料及安全氣囊利用化學反應解決實際問題PPT，第三部分內容：課題探究·素養應用
課題任務:從反應速率和反應限度兩方面研究合成氨條件的選擇
【情境創設】
弗里茨·哈伯是合成氨工業的創造者,1909年,成為第一個從空氣中制造出氨的科學家,使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面,加速世界農業的發展,因此獲得1918年瑞典科學院諾貝爾化學獎。但他的另外一面使他的獲獎變得很不光彩:第一次世界大戰中,哈伯擔任德國化學兵工廠廠長時負責研制生產氯氣、芥子氣等毒氣,并使用于戰爭之中,造成近百萬人傷亡,是第一個把化學武器應用于戰爭的人。但是合成氨以廉價的方式大規模的生產了氨氣,為工業、農業提供了穩定而充足的氨以及非游離氮,使人類擺脫了從礦石中獲得非游離氮的狀態,對于人類現代化有不可估量的貢獻。
【素養解讀】
1.核心素養:
(1)證據推理與模型認知:建立認知模型,并能運用模型解釋化學現象,揭示現象的本質和規律。
(2)科學探究與創新意識:能發現和提出有探究價值的問題,能從問題和假設出發,依據研究目的,設計探究方案。
(3)科學態度與社會責任:具有探索未知、崇尚真理的意識;具有節約資源、保護環境的可持續發展意識。
2.素養目標:
通過課題的探究學習,了解可逆反應概念及影響可逆反應速率和限度的因素。
【素養探究】
【探究一】從化學反應速率角度考慮合成氨條件的選擇
1.合成氨工業的簡要流程可用方框圖表示為
(1)原料氣的制取:合成氨的原料氮氣和氫氣一般通過什么途徑獲取?
(2)合成氨反應的方程式是N2(g)+3H2(g)
2NH3(g),反應為放熱反應,請從反應速率的角度討論應
采取什么樣的條件更有利于氨氣的快速生成?
提示:影響化學反應的因素有濃度、溫度、壓強和催化劑,速率越大越有利于氨氣的快速生成,所以從速率的角度考慮應該采取高溫、高壓、加大氫氣和氮氣的濃度、加入催化劑提高反應速率。
【探究二】從化學反應限度角度考慮合成氨條件的選擇
2.根據合成氨反應的方程式特點(N2(g)+3H2(g)
2NH3(g),反應為放熱反應),試從反應限度的角度討論以下問題:
(1)試從放熱反應和吸熱反應的角度討論,高溫還是低溫有利于氨氣的生成?
提示:反應是放熱反應,低溫時平衡正向移動,有利于氨氣的生成。
(2)試從濃度的角度討論如何改變能有利于氨氣的生成?從經濟性上考慮,應該讓氫氣的濃度大一點還是氮氣的濃度大一點?
提示:增加反應物的濃度有利于平衡正向移動,減少生成物有利于氨氣的生成,所以反應中應減少氨氣的濃度。從經濟性上考慮,氫氣的價格比氮氣貴,所以應適當增大氮氣的濃度,增大氫氣的轉化率。
(3)從壓強角度考慮,高壓還是低壓有利于氨氣的生成?從技術和經濟角度考慮,是不是壓強越高越好?
提示:反應為氣體體積減小的反應,所以加壓平衡正向移動,有利于氨氣的生成。如從技術和經濟角度考慮,壓強越高對設備的要求越高,會增加成本,所以并不是壓強越高越好,要采取適當的高壓。
(4)從催化劑角度考慮,是不是增加催化劑有利于氨氣的生成?
提示:催化劑只能增加反應的速率,不能影響反應的限度,所以加入催化劑并不利于氨氣的生成。
【探究三】合成氨實際條件的選擇
(1)合成氨實際采取的溫度在700 K左右,請綜合反應速率、反應限度和催化劑等情況查閱資料說明原因。
提示:溫度越高,反應速率越大,但不利于氨的合成,在實際生產中一般控制反應溫度在700 K左右(且在此溫度時催化劑的活性最大)。
(2)高壓有利于合成氨反應速率和反應的限度,請討論實際生產中應根據什么選擇反應的壓強?
提示:壓強越大越有利于合成氨,但在實際生產中,應根據反應設備可使用的鋼材質量及綜合指標來選擇壓強,大致分為低壓、中壓和高壓三種類型,一般采用高壓。
(3)結合合成氨反應的速率和限度,查閱資料說明合成氨中氮氣和氫氣的最合適的比例是多少?反應中如何使生成的氨氣分離出來?
提示:合成氨通常采用N2和H2物質的量之比為 1∶2.8 的投料比,并且及時將混合氣體降低溫度使氨氣液化從反應混合物中分離出去。
(4)從節約原材料和提高平衡轉化率的角度分析,反應后的混合氣體應該如何處理?
提示:應循環利用,把反應后的氣體通入反應容器繼續反應。
【探究四】【遷移應用】
工業合成硫酸的示意圖如下,其中最重要的一步反應是在接觸室中發生的:
2SO2+O2 2SO3(反應為放熱反應)。高壓有利于三氧
化硫的生成,已知常壓下二氧化硫的轉化率就在百分之
九十以上,請問反應是否還需要高壓?
【素養評價】
1.宏觀辨識與微觀探析—水平1:能從物質的宏觀特征入手對物質及其反應進行分類和表征。
2.科學探究與創新意識—水平3:具有較強的問題意識,能提出探究的問題和假設,依據假設提出實驗方案,獨立完成實驗。
3.證據推理與模型認知—水平4:能依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據,能解釋證據與結論之間的關系。
4.科學探究與創新意識—水平4:能根據文獻和實際需要提出綜合性的探究課題,根據假設提出多種探究方案,評價和優化方案。
5.科學態度與社會責任—水平3:具有理論聯系實際的觀念,有將化學成果應用于生產、生活的意識,能依據實際條件并運用所學的化學知識和方法解決生產、生活中簡單的化學問題。
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