2.4《太阳能、生物质能和氢能的利用》导学案（含答案）

1．化石能源主要是指哪些物质形成的能源？
提示：煤、石油、天然气。
2．燃料的燃烧能将化学能转化成哪种能量形式？
提示：转化成热能和光能等。
3．植物通过光合作用能将CO2和水转化成哪些物质？
提示：转化成葡萄糖和氧气。
4．你知道的新能源有哪些？
提示：太阳能、氢能、核能、潮汐能、地热能。
[新知探究]
探究1　你知道目前利用太阳能有哪些方法，依据教材P47“你知道吗？”完成表格。
探究2　摄入人体内的淀粉是如何转化成能量的？
提示：淀粉在人体内水解转化成葡萄糖；葡萄糖氧化生成二氧化碳和水，释放出能量。
[必记结论]
1．太阳能的利用
能源是人类生活和社会发展的基础。地球上最基本的能源是太阳能。
2．太阳能利用的能量转化方式
被吸收的太阳能化学能热能、光能或电能
(1)太阳能转化为化学能：
①物质转化：
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。
②化学反应：6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2。
③能量转化：光能―→化学能。
(2)化学能转化为热能：
①物质转化：动物摄入体内的淀粉、纤维素能水解转化为葡萄糖，其氧化生成二氧化碳和水，释放出热量，供给生命活动的需要。
②化学反应为：(C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6；
C6H12O6＋6O2―→6H2O＋6CO2。
③能量转化：化学能―→热能。
[成功体验]
1．有关太阳能的利用，下面是四位同学的交流，请判断正误。
解析：甲、乙、丙三位同学描述的是太阳能利用中的存在问题，丁同学描述的是太阳能利用中的能量转化形式，太阳能热水器是将太阳能转化为热能。
答案：甲、乙、丙正确；丁错误。
2．下列有关太阳能的利用方式以及列举的实例错误的是(　　)
A．直接利用太阳辐射能的基本方式有四种：光—热转换、光—电转换、光—化学能转换和光—生物质能转换
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．将电能通过用电器进行照明的过程是一种光—电能转换过程
解析：选D　光—热转换、光—电转换、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。D项是将电能转换成光能的过程。
[新知探究]
探究1　生物质主要包括哪些物质？
提示：生物质包括农业废弃物(如植物的秸秆)、水生植物、油料植物、有机废弃物等。
探究2　沼气的主要成分是什么？如何除去沼气中的少量H2S、CO2杂质气体？
提示：CH4；用NaOH溶液可除去沼气中的少量H2S和CO2。
探究3　如何由甘蔗渣(主要成分是纤维素)制取酒精？
提示：甘蔗渣(主要成分是纤维素)在催化剂的作用下先水解生成葡萄糖；然后葡萄糖在酶的作用下发酵制得乙醇。
[必记结论]
1．生物质能的来源
植物及其加工产品所贮存的能量。
2．生物质能的利用方式
(1)直接燃烧(用纤维素代表植物枝叶的主要成分)：
化学方程式为(C6H10O5)n＋6nO26nCO2＋5nH2O。
(2)生物化学转换。
①制沼气：
沼气的成分主要是CH4，还含有CO2及少量H2S、NH3、PH3等。
②制乙醇：
化学反应：(C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6；
C6H12O62C2H5OH＋2CO2。
(3)热化学转换。
使生物质在一定条件下发生化学反应，产生热值较高的可燃气体。
[成功体验]
3．阅读下面的叙述，回答有关问题。
“生物质”是指由植物或动物生命体衍生得到的物质的总称。作为人类解决能源危机重要途径之一的“生物质能”，主要指用树木、庄稼、草类等植物直接或间接提供的能量。古老的刀耕火种、烧柴做饭、烧炭取暖等粗放用能方式正在被现代科学技术所改变。
(1)下面有关“生物质能”的说法，不正确的是(　　)
A．利用生物质能就是间接利用太阳能
B．生物质能源是可再生的能源
C．生物质能源是解决农村能源的主要途径
D．生物质能的缺点是严重污染环境
(2)沼气是有机废弃物(树叶、秸秆、草类及垃圾、粪便等)在隔绝空气的条件下发酵分解而成的气体，主要成分是甲烷。农村沼气池中发酵后的池底剩余物是很好的沤肥。下面有关结论中，错误的是(　　)
A．沼气是一种清洁的能源
B．使用沼气作能源可以保护森林
C．使用沼气给农民的生活带来了不便
D．使用沼气是对化学能的充分利用
解析：(1)生物质燃烧的生成物主要是CO2，对环境的污染程度较低，D错误。
(2)使用沼气能源可以减少其他能源的使用，进而保护森林。
答案：(1)D　(2)C
[新知探究]
探究1　与化石燃料相比，氢能源有哪些优点？
提示：优点是：①热值高；②来源广；③燃烧产物是水，无污染。
探究2　能否用电解水的方法来制取H2？该方法有何缺点？
提示：能，该反应的化学方程式为2H2O2H2↑＋O2↑；该方法的缺点是消耗大量的电能。
探究3　开发氢能需要解决哪些问题？
提示：①制取H2的能耗高；② H2的贮存和运输困难。
[必记结论]
1．氢能的优点
2．氢能利用存在的问题
(1)廉价的制氢技术——首要难点。
原因：制氢需要消耗大量的能量且效率低。
(2)安全可靠的贮氢和输氢方法——关键。
原因：H2易汽化、易燃、易爆。
3．氢能的产生和利用途径
(1)氢能的产生
①水煤气法：
②电解法：
③光解法：
(2)氢能的利用方式
①利用氢和氧化剂发生反应放出热能；
②利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；
③利用氢的热核反应释放出核能，这是氢能的一种特殊应用。
[成功体验]
4．近20年来，对以氢气为未来的动力燃料氢能源的研究获得了迅速发展，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(　　)
A．电解水　　　　　　　B．锌与稀硫酸反应
C．光解海水 D．以石油、天然气为原料
解析：选C　制H2的要求为可供开发又较经济，且资源可持续利用，A、B项不经济，D项可开发但石油、天然气为化石燃料不可持续利用。
5．今有两反应：①2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，
②NaH＋H2O===NaOH＋H2↑。
回答问题：
(1)指出H2O的作用：
反应①____________，反应②____________。
(2)反应①中的ΔH__________0(填“>”或“<”)。
解析：两反应中H2O均作氧化剂，反应①为放热反应。
答案：(1)氧化剂　氧化剂　(2)<
———————————————[关键语句小结]————————————————
1．太阳能利用的重要反应：
(1)6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2(太阳能→化学能)，
(2)(C6H10O5)n＋nH2OnC6H12O6，
淀粉或纤维素　　　　　葡萄糖
C6H12O6＋6O2―→6CO2＋6H2O(化学能→热能)。
葡萄糖
2．生物质能的利用：
(1)直接燃烧：(C6H10O5)n＋6nO26nCO2＋5nH2O，
(2)生物化学转换：制沼气；制乙醇。
(3)热化学转换。
3．氢能的三大优点：
(1)来源广　(2)无污染　(3)热值高
[例1]　人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”(包括风能、生物质能等太阳能的转换形态)，届时人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”。下列说法不正确的是(　　)
A．煤、石油和天然气都属于碳素燃料
B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应
C．太阳能电池可将太阳能直接转化为电能
D．目前研究菠菜蛋白质“发电”不属于太阳能文明
解析：选D　煤、石油和天然气都属于含碳元素的燃料，属于碳素燃料；太阳能经济，不会产生温室气体；利用光能电池可将太阳能直接转化为电能；菠菜属于绿色植物，是通过光合作用生成的，D说法不正确。
太阳能与其他能源的关系：
1．煤、石油、天然气等化石燃料与太阳能有关吗？
提示：煤、石油、天然气等化石燃料蕴藏的能量来自太阳能。
[例2]　[双选]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的热化学转换
解析：选CD　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—生物质能的转换本质是光—化学能的转换，B项正确；焚烧生活垃圾发电的能量转换过程是：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化学转换，D不正确。
(1)生物质能是新能源，可以再生，合理利用不会造成环境污染。
(2)生物质能通过生物化学转换可以制取CH4、乙醇等能源物质，生物质通过热化学转换可以制取CH4、CO、H2等可燃性气体。
2．如何由玉米制取酒精？写出反应的化学方程式。
提示：(1)(C6H＋nH2OnC6H
(2)C6H12O62C2H5OH＋2CO2↑
葡萄糖
[例3]　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．2H2O2H2↑＋O2↑
B．C＋H2O(g)CO＋H2
C．3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2
D．2H2O2H2↑＋O2↑
解析：选A　B、C、D三项都要消耗传统能源。而A项中太阳能是已被人类使用的新能源，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。
1．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：2H2O2H2↑＋O2↑。下列说法不正确的是(　　)
A．水的分解反应是放热反应
B．氢气是二次能源
C．使用氢气作燃料有助于控制温室效应
D．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
解析：选A　选项A中水的分解反应是吸热反应；选项B中在自然界中氢气无法直接取得，是二次能源；选项C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；选项D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。
1．能源的分类
(1)一次能源和二次能源：
　(2)再生能源与非再生能源：
(3)常规能源和新能源：
①常规能源：在一定历史时期和科学技术水平下，已经被广泛应用的能源。如煤炭、天然气、石油等。
②新能源：采用先进方法以及新发展的先进技术加以利用的能源。如太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能等。
2．化石燃料的缺点
(1)化石燃料都是不可再生的，且总量有限；
(2)燃烧化石燃料产生的SO2、NOx等严重污染环境。
3．新能源的优点
资源丰富，且有些可以再生，为再生性能源，对环境没有污染或污染小。
[例4]　有关能源的下列说法不正确的是(　　)
A．煤、石油、天然气均为化石能源
B．化石能源是非再生能源
C．氢能是可再生能源
D．氢能、核能均是无污染的高效能源
解析：选D　煤、石油、天然气属化石燃料，属非再生能源，A、B正确；氢能可再生且无污染，核能有污染，C正确，D错误。
能量之间的转化
2．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
解析：选B　石油燃烧是化学能转变为热能；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。
1．绿色能源是人类理想的能源，不会造成环境污染，下列能源不属于绿色能源的是(　　)
A. 氢能源　　　　　　　B. 太阳能
C. 风能 D. 石油
解析：选D　环境污染对人类的发展产生了巨大的障碍，这主要来自于三大化石燃料的燃烧、现代工业废物的排放等。人类意识到环境污染的反作用后，提出了绿色能源、绿色化学等理念。氢能是氢气燃烧提供的，产物是水，无污染；太阳能是最清洁的能源；风能的使用也不会给环境带来污染。石油是化石燃料，其中硫元素燃烧生成的二氧化硫、不完全燃烧产生的一氧化碳、高温燃烧产生的氮氧化物等都是污染物，因此石油不是绿色能源。
2．下列能量利用属于生物质能利用的是(　　)
A．石油气、天然气用作家庭燃料
B．农村用沼气池产生的沼气作燃料
C．太阳能热水器
D．汽油多用于汽车燃料
解析：选B　石油气、天然气、汽油均属于化石燃料，A、D错误；农村用沼气池产生沼气作燃料属于生物质能利用，B正确；太阳能热水器属于太阳能利用，C错误。
3．下列说法中不正确的是(　　)
A．电解水生成氢气和氧气时，电能转变成化学能
B．煤燃烧时化学能大部分转变成热能
C．绿色植物光合作用过程中太阳能转变成化学能
D．白炽灯工作时电能全部转变成光能
解析：选D　电解过程是电能转化为化学能，A正确；煤燃烧时化学能大部分转变成热能，少部分化学能转化为光能，B正确；绿色植物的光合作用过程中太阳能转变成化学能，C正确；白炽灯工作时电能大部分转变成光能，少部分转变成热能，D不正确。
4．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。我国拥有完全自主知识产权的氢燃料电池轿车“超越三号”已达到世界先进水平，并加快向产业化的目标迈进。氢能具有的优点包括(　　)
①原料来源广　②易燃烧、热值高　③储存方便
④制备工艺廉价易行
A．①②　　　B．①③　　　C．③④　　　D．②④
解析：选A　地球上有大量的水，可用水为原料制氢气。H2易燃烧，无污染，热值高，是一种高效、干净的新能源，但在利用氢燃料时，其储存和制备成本较高，到现在还不能大量使用。
5．(1)利用新能源发电的形式有很多，如图所示，其中A表示潮汐能发电，B表示地热能发电，C表示________能发电，D表示________能发电。
(2)人类所使用的能量绝大部分来源于太阳能，捕获太阳能的生物主要为绿色植物，其光合作用的总反应式是________________________________，光合作用的能量转换是把________转化为________。
解析：(1)从题图C可看出，风车发电，是将风能转化为电能；题图D是利用太阳能发电，是将太阳能转化为电能。
(2)绿色植物在光能作用下，将CO2和H2O转化为有机物和氧气，同时将光能转变为化学能贮存起来。
答案：(1)风　太阳
(2)6H2O＋6CO2＋6O2　光能　化学能
1．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
解析：选B　煤属于化石燃料，燃烧产物会严重污染空气。太阳能、燃料电池、氢能均为有发展前景的新能源。
2．下列措施不符合节能减排的是(　　)
A．大力发展火力发电，解决电力紧张问题
B．在屋顶安装太阳能热水器为居民提供生活用热水
C．用石灰对煤燃烧后形成的烟气脱硫，并回收石膏
D．用杂草、生活垃圾等有机废弃物在沼气池中发酵产生沼气，作家庭燃气
解析：选A　节能减排就是减少化石燃料的直接燃烧，如煤和石油等，开发利用太阳能、风能、潮汐能、核能等能源。因此A项中大力发展火力发电不符合节能减排的要求。
3．下列属于直接利用太阳辐射能的方式是(　　)
①光－热转换　②光－电转换　③光－化学能转换
④光－生物质能转换
A．①②③ B．①③④
C．①②④ D．①②③④
解析：选D　直接利用太阳能的方式基本上有四种：①光－热转换，②光－电转换，③光－化学能转换，④光－生物质能转换。
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不正确的是(　　)
A．用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
解析：选D　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。
5．生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能固化为化学能而贮存在生物质内部的能量，一直是人类赖以生存的重要能源。下列有关说法不正确的是(　　)
A．农村通过杂草和动物的粪便发酵制沼气，沼气的主要成分是甲烷
B．推广使用乙醇汽油，乙醇可由富含淀粉的谷物发酵产生
C．氢能可以通过电解海水，大量推广使用
D．开发生物质能有利于环境保护和经济可持续发展
解析：选C　电解海水可制得H2，但成本高，不能大量推广使用。
6．下列说法不正确的是(　　)
A．CO2、甲烷都属于温室气体
B．用甘蔗生产的燃料乙醇属可再生能源，利用乙醇燃料不会产生温室气体
C．氢能利用的难题是氢气的贮存与运输
D．太阳能电池可将太阳能直接转化为电能
解析：选B　乙醇作燃料产生CO2气体，会引起温室效应，B项错误。
7．下列有关能量转换的说法不正确的是(　　)
A．煤燃烧是化学能转化为热能的过程
B．化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能
C．动物体内葡萄糖被氧化成CO2是化学能转变成热能的过程
D．植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成热能的过程
解析：选D　葡萄糖氧化放出能量，是化学能转化为热能，C正确；选项D中应该是太阳能转化为化学能，D错误。
8．下列选项中不能说明乙醇作为燃料的优点是(　　)
A．燃烧时发生氧化反应
B．充分燃烧的产物不污染环境
C．乙醇是一种再生能源
D．燃烧时放出大量热量
解析：选A　所有燃料的燃烧都发生氧化反应。乙醇充分燃烧的产物是二氧化碳、水，对环境无污染，且放出大量的热量，这是乙醇作为燃料的优点。而煤、石油的燃烧会产生污染物SO2。由于许多植物发酵都可以制得乙醇，其燃烧产物又可通过光合作用变为葡萄糖，最终变成制乙醇的原料，所以乙醇是一种可再生的能源。
9．“可燃冰”又称“天然气水合物”，它是在海底的高压、低温条件下形成的，外观像冰。1体积“可燃冰”可贮藏100～200体积的天然气。下面关于“可燃冰”的叙述不正确的是(　　)
A．“可燃冰”有可能成为人类未来的重要能源
B．“可燃冰”是一种比较洁净的能源
C．“可燃冰”提供了水可能变成油的例证
D．“可燃冰”的主要可燃成分是甲烷
解析：选C　由“可燃冰”又称“天然气水合物”可知，“可燃冰”的可燃成分为天然气即CH4；由于CH4中不含N、S等可产生大气污染物的元素，故“可燃冰”可作为清洁能源；又由“1体积‘可燃冰’可贮藏100～200体积的天然气”可知，它有可能成为人类未来的重要能源；从以上分析可知，“可燃冰”并不是由H2O变化得来的，C不正确。
10．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的能量
D．氢气不易贮存和运输，无开发利用价值
解析：选C　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。
11．某人设想利用下述反应的联合与循环来生产能解决目前环境和能源问题的某种物质：
①3FeCl2＋4H2O(g)Fe3O4＋6HCl＋H2
②4Fe3O4＋12Cl2＋12HCl12FeCl3＋6H2O＋5O2
③6FeCl36FeCl2＋3Cl2↑
试回答：
(1)该人欲生产的这种物质是________。
(2)从化学原理来看这种生产的实质是____________________________________。
(3)若生产条件和设备均很理想，在生产过程中只需添加的原料是________。
解析：从三个反应的产物来看，能够解决目前环境和能源问题的物质是氢气，所以该反应是用来制备氢气的。又因为这三个反应是“联合与循环”生产氢气的，所以可以将三个方程式叠加，可得总的化学方程式为2H2O===2H2↑＋O2↑，故产物为H2和O2，其中 H2能解决目前环境和能源问题；FeCl2和Cl2作催化剂，HCl、Fe3O4和FeCl3是中间产物。
答案：(1)H2　(2)使水分解为氢气和氧气　(3)水
12．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_______________________________。
解析：(1)电解水需要消耗大量电能。
(2)11.2 L H2为＝0.5 mol，故2 mol H2燃烧生成液态水放出热量为×2 mol＝，故该反应的热化学方程式为2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－4Q kJ·mol－1。
(3)H2作为“绿色能源”优点有三：来源丰富；热值高；无污染。
答案：(1)需大量电能
(2)2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　
ΔH＝－4Q kJ·mol－1
(3)来源丰富(H2O)，燃烧放出的热量多，产物无污染
13．能源可分为一级能源和二级能源，自然界中以现成形式提供的能源称为一级能源，需依靠其他能源间接制取的能源称为二级能源。H2是一种高效且没有污染的二级能源，它可以由自然界中大量存在的水来制取：2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋517.6 kJ·mol－1。根据以上叙述，回答下列问题：
(1)关于用水制取二级能源H2，以下研究方向中正确的是(　　)
A．构成水的氢和氧是可以燃烧的物质，因此可研究在水不分解的情况下，使氢气成为二级能源
B．设法将太阳聚焦，产生高温，使水分解产生H2
C．寻找高效催化剂，使水分解产生H2，同时释放能量
D．寻找特殊的化学物质，用于开发廉价能源，如分解水制取H2
(2)1 mol氢气燃烧时约放出286 kJ的热量，而每1 kg汽油燃烧时约放出46 000 kJ的热量，氢气被公认为是21世纪替代矿物燃料的理想能源。请你试述氢气作为能源的三个主要优点：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________。
解析：水分子中的氢、氧以化合态存在，所以不可能直接燃烧，故选项A错误；高温状态下，水可以分解为氢气和氧气，但需要能量，太阳能是地球万能之源，取之不尽，用之不竭，所以可以设法收集(如聚焦)太阳能，用于水的分解，故选项B正确；催化剂的存在，只能加快化学反应速率，不会改变一个化学反应的方向，所以再“高效”的催化剂，也只能使水分解，不可能同时释放能量，因水分解必须吸收能量，故选项C也是错误的；选项D是正确的，廉价的能源，如太阳能(如果有合适的材料，太阳能的转化率较高)、水力资源丰富的地区的水能(可能转化为电能，利用电能电解水)等。
答案：(1)BD　(2)①以水为原料，来源丰富　②单位质量的氢气燃烧时放出的热量多(约为143 000 kJ·kg－1，远远大于汽油的46 000 kJ·kg－1)　③燃烧产物是水，没有污染