燃料[下学期]
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燃料
家庭用气体燃料
【阅读】
本报讯：本市城区用气居民已达350万户，燃气产业形成管道煤气、液化气和天然气“三气并存”的多元结构，其用户比约为10:3:1。
到目前为止，本市已有管道煤气用户 248.46万户，液化气用户76万户，天然气用户25万户。其中基本无毒又不易爆燃的天然气来自东海平湖油气田，今年年底日供应量可达120万米3。据悉，本市专门负责能源开发的申能公司已筹划东海平湖油气田扩建工程项目。项目建成后，本市天然气日供应量可提高至200万米3，天然气用户数可望超过液化气用户。
摘自上海《新闻晨报》2000年8月10日
这是一则普通的新闻报道，但传出了重要的信息，上海市区已基本普及了煤气并将扩大天然气用户。以前，上海大多数家庭使用的燃料是煤球、煤饼，从形态上看，它们是固体燃烧，基本上是直接燃煤。而现在三气并存：管道煤气、液化气和天然气，它们是气体燃料。气体燃料比固体燃料有哪些优越性呢？这三种气体燃料有什么不同？怎样把煤加工成煤气？这其中有丰富的化学知识呢！
该报当天又报道了2002年前，“上海内环线内将建成基本无燃煤区”和“西气东输工程”的消息。这说明不仅民宅，还包括工厂企业都将改燃煤为燃气，逐步改燃管道煤气为燃天然气。本讲座中还将讨论，这一调整上海能源结构的重大举措，将对上海大气环境改善带来的影响。
【知识梳理】
1．矿物燃料和气体燃料
在社会生产、家庭生活中都要消耗能量，燃料是人类赖以获取能量的物质。煤、石油和天然气叫矿物燃料，此外还有薪柴燃料、核燃料等。非燃料的能量来源有太阳能、水力、风力、地热等。至今，矿物燃料约占人类能量总消耗量的95％。
管道煤气由煤加工制得，液化气是石油炼制产物，天然气则能直接使用。家庭生活中，为什么要使用气体燃料呢？
① 因气体易扩散，故气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的能量利用率。
② 气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。
③ 固体煤中含有硫、氮等杂质，直接燃煤、煤球或煤饼会产生大量二氧化硫、氮氧化物（NOx）、粉尘等，造成大气污染，住宅环境也烟灰满天，厨房空气的污染则更严重。
城市居民用气，最先发展的是管道煤气，以后产生液化气作为补充，天然气则是近年发展起来的气体燃料。在城市发展史上，煤气普及率成为城市文明程度的重要指标。
2．管道煤气、液化气和天然气的成分和发热量
管道煤气的可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占48%～50%，10%～15%和13%～18%。这三种气体燃烧时放出的热量是不一样的，下表列出了它们的燃烧热。
H2、CO和CH4的燃烧热（kJ/mol）
H2 CO CH4
燃烧热 285.5 282.5 889.5
液化气又叫液化石油气，主要成分和燃烧热见下表：
液化气的成分及其燃烧热
名称 丙烷 丙烯 丁烷 丁烯
化学式 C3H8 C3H6 C4H10 C4H8
体积分数 7% 28% 23% 42%
燃烧热（kJ/mol） 2247 2126 2996 2720
液化气中C3、C4的烃是沸点较低的成分，用蒸馏的方法很容易从石油分馏气、裂化气中分离出来，经降温加压转化为液态，贮存于钢瓶中，供煤气管道还未接通的地区或农村、山区使用。
天然气的主要成分是甲烷，还有少量的其他气态烃，天然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。
三种气体燃料的热值大体为以下数值：（见下表）
管道煤气、液化气和天然气的热值
管道煤气 液化气 天然气
热 值 15.6MJ/m3 47.3MJ/kg
109 MJ/m3 38.7 MJ/m3
3．煤加工成煤气的化学原理
把煤转化成煤气的方法很多，主要有：
① 发生炉煤气：由热空气和灼热的煤反应制得，其可燃成分是一氧化碳，同时含有较多量的氮气。
C＋O2CO2 CO2＋C2CO
发生炉煤气生产容易，价格低廉，但热值太低，且一氧化碳有毒，所以它仅是管道煤气的次要气源。
② 水煤气：将水蒸气鼓入灼热的煤粉，得到的气体叫水煤气，其可燃成分是一氧化碳和氢气。
C＋H2OCO＋H2
由于这是一个吸热反应，故必须交替鼓入空气和水蒸气，才能维持炉温。水煤气的热值也不高，也是管道煤气的次要气源。
③ 干馏煤气（焦炉气）：即煤干馏得到的气体，其可燃成分是甲烷和氢气，同时得到副产品焦炭和煤焦油。干馏煤气热值高，是管道煤气的主要气源。
一个大型的煤气厂，有多种类型的制气设备，一般是将上述数种气源气体掺混，使之达到一定的热值和良好的燃烧性质，才贮于大型贮气柜中，送入城市煤气管道网络。
4．热化学方程式、燃烧热和热值
化学反应的热量变化（反应热）可以用热化学方程式来表示，例如：
H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（液）＋285.5kJ
CH4（气）＋2O2（气）→CO2（气）＋2H2O（液）＋889.5kJ
书写热化学方程式时，必须注明物质的状况，例如1mol氢气完全燃烧生成气态水，放出241.6 kJ的热，其差值（43.9 kJ）是1mol液态水变成水蒸气所吸热的热量。
H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（气）＋241.6kJ
热化学方程式中，化学式前的系数是表示物质的量的数值（rnol），因此可以是分数，其数值必须与热量数值对应。例如：
CO（气）十1/2 O2（气）→CO2（气）＋282.5kJ
2CO（气）＋O2（气）→2CO2（气）＋565kJ
不同燃料在氧气中完全燃烧时，反应热各不相同。科学上规定，在25℃，1.013×105Pa时，1mol纯净物完全燃烧生成二氧化碳和液态水所产生的热量叫燃烧热，单位是kJ/mol。燃烧热数值越大，物质燃烧时放出的热量越多。前文已介绍过甲烷的燃烧热较氢气和一氧化碳高，如果在煤气中增加甲烷的含量就可以提高煤气的发热量。
由于实际使用的燃料大都不是纯净物，通常用热值来表示它们的发热量。热值是指1m3或1kg燃料完全燃烧时放出的热量，单位是kJ/m3或kJ/kg。
例题：某种水煤气，CO和H2的体积比为1︰1，此外还有10％的不可燃成分，试通过燃烧热计算这种水煤气的近似热值（MJ/m3）。（假设为标准状况）
解：查表可知，H2和CO的燃烧热分别为285.5kJ/mol和2825kJ/mol。
假设该水煤气处于标准状况，1m3水煤气所含H2和CO的物质的量为：
1000×(1－10%)×50%/22.4＝20.1(mol)。
该种水煤气的热值：20.1×(285.5＋282.5)＝1.14×104kJ/m3＝11.4MJ/m3。
【专题导读】
1．管道煤气中三种可燃成分作用的比较分析。
可以从热值贡献、燃烧性能和生产成本等方面加以比较。
①热值贡献比较：管道煤气中，氢气的含量最高，其热值贡献是否最大呢？我们要作具体的计算才能回答这一问题。先根据三种成分的大体比例确定 l个含量数值，如 H2 50％，CO 15％，CH4 18％，然后作近似计算。
燃烧1m3管道煤气，其中
H2产生的热量：285.5×1000×50%/22.4＝6.37×103kJ；
CO产生的热量：282.5×1000×15%/22.4＝1.89×103kJ；
CH4产生的热量：889.5×1000×18%/22.4＝7.15×103kJ；
由此可知，CH4的含量虽然只占18％，但热值的贡献最大。H2占50％，其热量贡献仍低于CH4，CO的热值贡献最小。
②燃烧性能比较：气体的燃烧性能与该气体的扩散速度有关，H2、CO和CH4中，H2的相对分子质量最小，气体密度最小，故而有最大的扩散速度和最好的燃烧性能。平时实验中，可以观察到H2的火焰很长，而燃烧平稳。管道煤气中50％的H2保证了良好的燃烧火焰。
③生产成本比较：从生产角度看，发生炉煤气的成本最低，干馏煤气的成本最高，我们可以理解为；CO成本低，CH4的成本高。如果在煤气中增加 CO的含量，固然可以降低煤气的价格，但CO有毒，故此做法不可取。恰恰相反，煤气厂技术人员曾致力于降低CO含量的努力，即把CO转换成H2（CO＋H2OCO2＋H2），但要提高成本。每降低5％的CO，代以H2，煤气的成本要增加10％～20％。当时因主要任务是普及煤气而没有采用。
2．用液化气烧水煮饭为什么比管道煤气快？从经济上看，哪一种更合算？
从发热量看，液化气是比管道煤气更优质的气体燃料。在钢瓶中的液化气是液体，打开阀门减压后变成气体使用，因此液化气有两个热值：47.3 MJ/kg和109MJ/m3。用后者数值与管道煤气（热值为15.6MJ/m3）比较，管道煤气只有液化气的1/6～1/7，所以用液化气烧水煮饭要快得多了。（思考：为什么使用液化气时，容易产生热量浪费？）
按目前的市场价格，管道煤气每立方米（即1个“字”）0.90元，液化气每千克2.6元。讨论哪一种合算，应该换算到产生相同发热量的消耗量，或者计算1千克液化气相当于多少立方米的管道煤气。结论应该是差不多的。
3．推广使用天然气为什么是城市燃气的发展方向？
管道煤气是一种清洁燃料，然而这是相对于住宅、居室环境而言的，从城市大环境看，没有改善城市大气的污染程度。原因很简单，制造煤气要燃煤，使用煤气没有降低城市的煤炭消耗量。原来一家一户煤球炉的废气仅仅变成由数家煤气厂排放而已。
液化气是发热量高的优质清洁燃料，但液化气使用不便，且要消耗宝贵的石油资源，天然气则是一种既有管道煤气的方便，又有液化气无毒、发热量高的优点的燃料，所以，推广使用天然气的是城市燃气产业的发展方向。
【阅读】
东海天然气工程和国家西气东输工程
2000年 8月上旬，上海市政府召开的《落实国家西气东输会议精神，加快调整上海能源结构》工作会议传出信息：上海将停建燃煤电厂和煤制气厂，抓紧建设燃气电厂，争取在2002年前，上海内环线内建成“基本无燃煤区”，这是一个多么令人振奋的消息！
目前，本市每年消耗煤炭4 200万吨，占一次能源消耗量的70％，在一次能源中，天然气的份额很低。今年东海平湖油气田的年供应量是4.4亿米3。东海平湖油气田扩建工程已经启动，建成后年供应量将达73亿米3，能供50万户居民使用。
我国天然气资源十分丰富，但60％在中西部地区，如新疆、四川有着巨大的储量。中央提出开发大西部的战略，西气东输工程将耗资1 200亿元，建设一条长约4 200千米的管道主干线，从新疆开始，途经甘、宁、陕、晋、豫、苏等地，进入长江三角洲及沿海城镇。预计2001年动工，2003年上半年便可进入上海，届时上海天然气年供应量将达到18亿米3，并迅速扩大，至2005年达到30亿米3。
上海内环线内，找不到煤炭的踪影，这是怎样的一幅画面呢？可以预见，上海城区的天空，将呈现目前只能在草原上才能见到的“蓝天白云”的绚丽景象。
【小实验】
煮沸一定质量水消耗煤气量的测定
实验目的
①学会测定煤气量的方法，分析多次实验得到提高热利用率的各种方法。
②学会用对比实验得到结论的科学方法。
③利用家庭条件，自己设计实验步骤，完成实验报告。
实验步骤（参考）
1．取2～3L冷水（可用1.25L普通塑料饮料瓶作量器）加入锅中，记录煤气表读数。点燃煤气，并将煤气灶内外圈火焰都开足，记录时间（精确至秒），当水沸腾（有大量气泡出现时），熄灭火焰，记录所用时间和煤气表读数。
在相同条件下，用内外圈中火、内圈小火加热，再做2次实验。把实验结果记录于下表。
煤气表读数 煤气消耗量 消耗时间
加热前 加热后
大 火
中 火
小 火
2．在煤气灶上加防风罩或用保温锅，在其余条件相同的情况下，再做上述实验。自行设计实验条件、实验步骤并自己编制记录表。
3．比较实验数据的差异，分析造成差异的原因，得到节约煤气，提高热利用率的方法，并完成实验报告。
【内容拓展】
1．能源资源及其分类
我们经常听到能源这个名词，容易望文生义，认为指的就是能量的来源。其实，这种理解并不确切。确切地说，能源是能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质或物质运动的统称，包括矿物燃料、阳光、流水、波浪、薪柴等。
能源有多种分类。从能源的原有形态是否改变的角度分为自然界现存的一次能源和由一次能源加工转化而成的二次能源。煤、石油、天然气、水力、太阳能等是一次能源，煤气、液化气、汽油、煤油、酒精等是二次能源。
从能源能否循环再生角度，可将能源分为可再生能源和不可再生能源。煤、石油是古代动植物经长期地质运动作用形成的，开采一点就少一点，这是不可再生能源；像太阳能、风力、地热或从绿色植物中制取的酒精等，它们可以取之不尽，用之不竭，是可再生能源。
此外，能源还可分为燃料能源和非燃料能源，常规能源和新能源等。
例题：把下列14种能源按要求填入下表，并指出哪些是不可再生能源。
煤、石油、水力、汽油、铀、薪柴、酒精、天然气、液化气、热水、煤气、蒸汽、风力、电。
一次能源 二次能源
燃料能源
非燃料能源
请同学们自行完成此题的解答。
2．气体燃料的爆炸极限是怎样规定的
家用燃气给我们生活带来许多方便，但也潜伏了不少危险。上海和其他城镇，年年都会发生爆炸火灾事件，年年都会有人因使用不当而发生煤气中毒。所以，我们要科学地使用气体燃料。
大家都知道，点燃氢气前要检验氢气的纯度，就是因为氢气和空气混合物遇见明火或电火花就会爆炸的缘故，这种能爆炸的混合气体中所含可燃气体的浓度范围叫这种可燃气体的爆炸极限。一般用体积分数表示。
当混合气体中可燃气体的体积分数减少到或增加到不能形成爆炸性混合物时的那一浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限。下表列出了各种气体燃料的爆炸极限；
各种燃气的爆炸极限（V%）
发生炉煤气 水煤气 干馏煤气 液化气 天然气
爆炸极限
（上限～下限） 17.3～87.1 6.3～73.8 4.7～26.5 2～10 5～6
可燃气体爆炸极限宽度大的，容易发生爆炸。从表中可知，液化气、天然气的爆炸极限较管道煤气各种成分的宽度要小，因而具有不易爆的特点（注意：并非不会爆炸）
例题：借助上表的数值，计算天然气爆炸最剧烈时，空气中含天然气的体积分数（二位有效数字）。
分析：查表可知，天然气的爆炸极限是5％～16％，爆炸最剧烈的体积分数一定在这一范围内。爆炸最剧烈可理解为天然气和氧气的体积比符合化学反应的体积比（均无剩余）的状况。
解：设天然气为1L，
CH4＋2O2→CO2＋2H2O
则，天然气完全燃烧所需氧气体积为2L。
爆炸最剧烈时天然气的体积分数：×100％＝9.5％。
【科学观察】
管道煤气、液化气的燃烧器的比较
燃烧器是燃气灶具的核心部件，它的设计必须确保燃气的完全燃烧，同时可以灵活地控制火焰大小。管道煤气和液化气的灶具不能混用，这是什么原因呢？让我们来观察它们的燃烧器的差异。
观察目的：观察液化气燃烧器上有一个调节空气量的风门（叫洞风板），对比管道煤气的燃烧器，并分析设计的原因。
观察内容和记录：
管道煤气燃烧器 液化气燃烧器
相同点 燃气均分为两个进口，分散后形成大圈、小圈火焰，开关能灵活控制进气量。
不同点 无风门，空气在火焰燃烧时由周围空气供给。 有风门，点燃前，空气已部分进入液化气中。
观察讨论：为什么液化气燃烧器上必须有一个风门？
液化气的成分是C3、C4的烃类，完全燃烧时所需空气量很大。例如，1L丁烷燃烧（2C4H10＋13O2→8CO2＋10H2O）需氧气6.5L，折合成空气约为31L，丁烷燃烧时，单单靠火焰周围的空气来支持燃烧，必定要发生不完全燃烧。因此液化气在灶具上燃烧所需要的空气是分两次供给的。一次空气量由风门调节，约占全部需要量的70%。空气引进后，在燃烧器内部混合。二次空气量则由火焰周围的空气供给。
请同学们自己回答，为什么管道煤气燃烧器不一定要有这一风门的设计。
思考：使用液化气，为什么开始时风门要调小些，使用一段时间（若干天）后，风门要调大些？
提示：液化气中C3或分的沸点比C4成分低，开始使用时排出的C3成分多。
【综合问题】（供向理科方向发展的学生学习）
例题：煤气中毒是CO中毒，其原因是CO与血红蛋白（Hb）结合成Hb·CO，使血红蛋白失去输送O2功能的缘故。CO进入血液后有如下平衡：CO＋Hb·O2O2＋Hb·CO，试回答：
（1）煤气中毒病人，可以通过进入高压氧舱的方法来救治，请用化学平衡的原理加以说明。
（2）已知该反应平衡时，的比值是一个不受浓度影响的常数，在人体体温37℃下，该常数为220。又已知当血液中的比值大于0.02时，人的智力会受到损伤，此时c（CO）与c（O2）的比值应小于 。
（3）抽烟时，进入肺部的空气中c（CO）＝10－4mol/L，c（O2）＝10－2mol/L，则c（Hb·CO）为c（H·O2）的 倍，据此分析长期抽烟对人智力的影响。
分析与解：
（1）在高压氧舱中，煤气中毒患者吸入氧气浓度较高的空气后，CO＋Hb·O2O2＋Hb·CO，平衡向左移，使 Hb·CO转化为Hb·O2，恢复血红蛋白的输氧功能。
（2）因为＝220，是一个常数，当＝0.02时，＝÷220＝＝9.09×10－5，即小于该值时，人的智力还未受到损伤。
（3）将c（CO）、C（O2）数位代入常数表示式：
＝220
则＝220×＝0.022（即0.022倍）。
因为0.022＞0.02，故从这一角度分析，长期抽烟，对人的智力有损伤作用。
【基本训练】
1．H2的热值为108MJ/m3，试转换成以kg计量的热值（MJ/kg），同时分析H2作为一种高能燃料的原因。（参考热值：汽油46MJ/kg、煤油21.8MJ/kg，供比较）
2．假设某城镇为急于普及煤气，把小化肥厂的合成氨原料气，增加H2含量后（H2 50％、N2 50％）输入管道供民用，试计算这种煤气的热值是否达到15.6kJ/m3的标准？
（本专题《家庭用气体燃料》由本站导师 陆惊帆教授 撰写）
【综合练习】
一．门窗紧闭的厨房内一旦发生煤气大量泄漏，极容易发生爆炸。当你从室外进入厨房嗅到极浓的煤气异味时，在下列操作中，你认为最合适的是
A 立即开启抽油烟机排出煤气，关闭煤气源
B 立即打开门和窗，关闭煤气源
C 立即打开电灯，寻找泄漏处
D 上述三者可同时进行
【参考答案】
B
本题是化学知识与物理知识的综合，也是科学知识与日常生活的结合，涉及到人身安全问题，有一定的实际意义。
选项A和C的错点是，开启抽油烟机或电灯时，在“开关”处有电火花发生，这火花立即会点燃“开关”处的煤气，从而引发室内的煤气爆炸，后果非常严重。
二．读下表，完成回答
1．由表分析， 是一种理想的燃料。
2．试简述这种理想能源的主要优点。
① ；③ ；③ 。
几种常见燃料的热值表
燃料主要成分 热值（千焦／摩）
酒精 1367
焦炭（C） 300
天然气（主要是CH4） 896
氢气 286
汽油（C8H18为例） 5 472
【参考答案】
1．汽油
2．① 汽油充分燃烧后基本没有环境污染 ② 汽油是液体燃料，运输及携带比较方便 ③ 汽油的热值高
三．读下列材料，完成回答
以汽油和柴油为燃料的机动车所排放的尾气，是当今城市大气污染物的主要来源。有资料显示，在北京的冬季采暖期，大气中74％的烃、63％的一氧化碳和37％的氮氧化物来自汽车尾气；而在非采暖期，上述三种污染物的比例更高，分别上升到79％、80％和55％。要治理城市大气污染，改用新型燃料是有效途径之一。
1．在冬季采暖期，汽车尾气排放的三种污染物的比例有所下降，原因是
2．大气中的烃及一氧化碳是由于汽车燃料与空气中的氧气反应不完全而造成的。很多机动车（特别是以柴油为燃料的汽车）在行驶过程中不仅噪音巨大，而且还排放大量黑烟。若某机动车燃料为CxHy，，写出它不完全燃烧分别生成“黑烟”和一氧化碳的两个化学方程式： 。并进一步说明：为什么柴油机车排放的尾气比汽油机车排放的尾气更加浓黑？
3．若改用新型燃料作为机动车的动力来源，以此减轻城市大气污染，最好用
A 无烟煤 B 压缩天然气 C 电瓶 D 液化石油气
【参考答案】
1．冬季采暖期，有新的污染源加入大气污染，才导致汽车尾气污染所占比例的下降。采暖主要用的是煤为燃料，煤的不完全燃烧以及其中所含的杂质都会导致空气污染程度加大
2．
因为柴油的烷烃值更高
3．B
四．某城市的管道煤气是水煤气和焦炉煤气混合而成的。某住宅四楼（高约10m）一居民家厨房发生管道煤气泄漏爆炸事故，急救人员迅速赶到现场，护送伤员及煤气中毒者去医院抢救。
1．生产水煤气的化学反应方程式是
2．管道煤气致人中毒的主要原因是什么？
3．调查人员发现该住户的煤气泄漏点的泄漏速度为6.0g/min，而从调查中发现煤气是在达到室内空气质量的6％时爆炸的，问爆炸时煤气已泄漏了约几个小时（假定厨房内空气体积为25m3）？
4．爆炸时厨房温度可迅速升高到1800℃，估算此时产生的气体压强约为多少个大气压？
5．产生的高压可摧毁门窗及其他室内设施，调查人员在损坏的窗外草地上发现飞得最远的玻璃碎片离该楼墙脚的距离为14m，试估算气体爆炸初期的速度（经验表明该速度约是玻璃碎片飞出时最大速度的100倍）。
【参考答案】
1．略
2．略
3．5.375h
4．7atm
5．10m/s
五．容积为0.672 L的密闭容器中，有一定质量的氧气和甲烷的混合气（其中含有甲烷气体0.48g）。混合气的温度为546K、压强为4atm，容器壁上还有一点火装置。已知每mol甲烷完全燃烧生成液态水时放出热量890kJ，每mol无烟煤完全燃烧放出热量403.2kJ，试求：
1．混合气中甲烷气体的压强多大？
2．混合气中所含氧气的质量多大？
3．完全燃烧无烟煤和甲烷放出相同热量时，所释放的CO2的百分比多大？并说明由此可得出什么结论？
【参考答案】
1．2atm
2．0.96g
3．220％
通过上述计算可见，燃烧煤炭大量释放的CO2，将加剧热岛效应，使全球升温，造成人类生存环境的恶化，因此，改变燃料的种类，减少CO2的排放是保护环境的重要内容。
本题以混合气的点燃为研究对象，综合物理、化学两门学科的知识内容，涉及思维的迁移、发散和判断、理解、推理和分析解决实际问题等多方面能力的综合应用。
本题通过交叉，渗透化学和物理学的基本概念和规律解答了现实生活中重大污染源的问题，改变燃料种类是当务之急，目前世界上公认的优质民用燃料是天然气，它的热值高、燃烧充分、无杂质而且价格低廉，预计不久即可普及使用。
六．某液化石油气由相差1个碳原子的A、B两种烷烃组成。使mg此液化气在过量O2中燃烧的产物通过盛有无水CaCl2的干燥管，干燥管增重了4.608g，再使之通过100mL3.04mol/L的NaOH溶液，然后将反应液低温蒸干，可得19.026g白色固体。
1．此白色固体是什么物质？
2．A、B各为何种物质？其质量分数各为多少？
3．已知：
CH4（g）＋2O2（g）CO2（g）＋2H2O（g）＋846kJ
2C2H6（g）＋7O2（g）4CO2（g）＋6H2O（g）＋3306kJ
C3H8（g）＋5O2（g）3CO2（g）＋4H2O（g）＋2200kJ
2C4H10（g）＋13O2（g）8CO2（g）＋10H2O（g）＋5800kJ
C5H12（l）＋8O2（g）5CO2（g）＋6H2O（g）＋3059kJ
现有质量为500g、容积为4L的铝壶，其中盛满20℃的水，latm下需燃烧135g此液化气才能将水烧开，燃料的利用率多大？
4．这种程度的利用率说明了什么问题？根据你学到的知识谈谈工业生产和日常生活中可采取哪些措施提高燃料的利用率？
【参考答案】
1．Na2CO3 0.105mol；NaHCO3 0.094mol。
2．C3H8 0.44；C4H10 0.56
3．20.06%
4．此液化灶燃料的利用率较低，能量损失较大。
建议：在农村要改革低效炉灶，推广使用节能炉灶，将散发的热量用于加热水等；在城市要实行热电并供（如火力发电站）等；在生产中要利用科学技术改良热机性能，充分利用气体带走的内能（如热电并供、高温气体的循环使用——热交换等），合理开发常规能源（煤、石油、天然气等），大力开发新能源（核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等）。
七．用液化石油气作燃料，已普遍进入现代家庭的厨房中，它的主要成分是烷属烃和烯属烃系列混合物，现将各物在一个大气压下的沸点分别列表于下：
名称 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 乙烯 丙稀 丁烯 戊烯
沸点[℃] －161.7 －88.6 －42.2 －0.5 36.1 －102.4 －47.7 －6.5 30.1
请回答：
1．有人发现液化石油气用完后，残留在钢瓶内的液体能溶解油脂，就将它倒出来作洗涤剂，洗擦物件的油泥，这种废物利用的做法，因何不可取？
2．有人为了充分用完瓶内残留液体，就用火去烤钢瓶，在此钢瓶的合格证上标有：
充装介质 最大充装量 实测容积 气密试验压力
液化石油气 15kg 35.5L 2.1MPa
若残留瓶内液体有0.75kg，在关闭阀门的条件下，请估算瓶内气温升至多少摄氏度时，会出现险情？
【参考答案】
这是一道化学和物理综合测试题，考查学生是否能根据各物的沸点，判定残液的主要化学成分和安全使用液化石油气的常识。本题的研究对象是残液，所以必须首先要弄清残液的化学成分。而据沸点表可知，在常温下（取27℃），随着瓶内压强的降低，沸点低的液体必然首先汽化，所以剩留残液必然是沸点高于常温的液体。使用液化石油气，应从安全第一去想。
1．从表中可知，在诸温下未能汽化的残液，主要是沸点相对较高的戊烷和戊烯。此两物在空气中较易浑发成气体，当这些气体在室内达到一定比例后，如遇明火，就会引发火灾，所以不可取。
2．气虽“用完”，在常温下（取300K）瓶内仍有1个大气压较迟汽化的丁烷和丁烯为主的残气，其摩尔数应是：n＝1.44mol。残液mol数约为10.56mol，在高温时残液完全汽化，瓶内总摩尔数为n＝12mol。据气态方程得：T＝474℃。
八．燃气灶具因燃气成分、供气压力不同而结构不同。今有一套燃烧沼气的炉灶要改装为烧液化石油气（C4H10）的炉灶。
2．假如气体的流速u与气体压强p成正比，单位时间内气体流量Vs与气体流速u和气道截面积A的关系为：Vs＝uA。当液化石油气经减压阀后压强变为1.8×1.01×105Pa流入燃烧灶，沼气压强则为1.5×1.01×105pa。当燃气入口径不变，风门单位截面积进入空气的流速不变。当沼气炉灶改装为液化气灶时，圆形风门的半径应该改变到原来的多少倍？
【参考答案】
1．同体积液化气比甲烷燃烧耗氧多，故风门口径要增大。
2．由题意知，液化气流量和甲烷流量比为：1.8:1.5
由耗氧关系，两者耗空气量之比为：3.9:1。
由Vs＝uA，u相同。则截面积A变为3.9倍，而A＝πr2，知半径变为倍
九．你能否在轨道空间站里享受烛光晚餐？蜡烛将怎样燃烧，在失重状态下，燃烧状况会受到什么影响？如果蜡烛的燃烧速率为14g/h，O2的消耗速率为多少mol/s？（注：假设蜡烛组成为纯饱和烃，燃烧产物为CO2和H2O）
【参考答案】
蜡烛中的蜡在火焰加热下熔化，由毛细作用进入蜡芯并在火焰中气化，在火焰的边缘上与氧相遇而发生燃烧。火焰产生的热气密度低于周围的冷空气，因而上升，氧气为正常浓度的冷空气被“吸入”，形成如右图所示的对流模式。在地表上，燃料燃烧时氧的供给同时受对流和火焰附近的浓度梯度所造成的扩散所制约。在失重条件下，供氧只能靠扩散作用，因而供氧速率下降，所以明亮的火焰连几分之一秒都难以维持！
蜡烛完全燃烧时的化学反应为：(CH2)n＋1.5nO2→nCO2＋nH2O
若略去饱和烃分子两端的氢，可以认为每1mol(14g)(CH2)n饱和烃要消耗1.5mol O2。氧的消耗速率为4×10－4mol/s
十．两支点燃的蜡烛，一高一低（高差不大），欲用一只透明无底的可乐瓶制的罩子（比蜡烛高得不太多）将它们罩起来，不久，高的蜡烛先熄灭，为什么？在发生火灾时，会产生不少有害气体，人在逃离火灾时是用直立身子跑离火灾区，还是弯着腰跑离火灾区，为什么？
【参考答案】
因为CO2不助燃，在常温下CO2比空气密度大，它将沉于下方，似乎应该低的蜡烛先熄灭。但在这个实验中，CO2是在燃烧中产生的，它的温度远比周围空气的温度高得多，所以它的密度比较“冷”的空气小，故它升在上方，使高的蜡烛先熄灭。
基于同样的原因，火灾中产生的有毒气体，由于它的温度高会升在上方，所以人跑离火灾区时要弯着腰。
十一．某地区久旱不雨，气象部门预测该地区某日12km上空有浓重的降水云气通过。该地区拟用单级小火箭发射某种物质进行人工降雨。火箭的主要燃料是“偏二甲肼”，已知该化合物由C、H、N三种元素组成，WC＝40％，WH=13.33％，其分子量为60。通过结构分析可知，该物质分子中有一个氮原子以存在，且不与H原子直接相连。燃料的氧化剂是N2O4，燃烧产物只有CO2、H2O、N2，5.00g“偏二甲胼”完全燃烧时可放出212.5kJ热量。当火箭上升到 10km时燃料耗尽，剩余部分的质量为 30kg，它继续上升到降水云气层后爆炸，设空气的阻力恒为质量的0.05倍。
1．试列举2种可用作人工降雨的化学物质。
2．写出燃料燃烧的热化学方程式（有机物用结构简式表示）。
3．假设燃料燃烧放出的热量有 1/4转化为火箭在10km时的机械能，求所需“偏二甲胼”的质量。
【参考答案】
1．Ag、干冰
2．热化学方程式为
（l）＋N2O4（l）→2CO2（g）＋4H2O（g）＋N2（g）＋2250J
3．341.6g
本题是立足于现实生活的应用型和能力型综合试题。它以人工降雨为情景，以反应热、上抛运动、能量转换与守恒等为联系点和发散点，综合理化知识进行设问，实现了以知识立意向以能力立意的转变。
341.6（g）（远小于30kg，可忽略不计）。
十二．1993年10月21日，南京炼油厂310号油罐汽油泄漏，一拖拉机行驶至附近，随着轰的一声巨响，瞬间油罐起火爆炸，后经及时扑救，火于20个小时后基本扑灭，可十几支消防水龙头仍对油罐继续喷水6小时。10月24日，市环保部门对炼油厂和市区上空大气进行监测，测知其污染指标均没超过国家有关标准。试依据学过的化学知识回答：
1．310号油罐起火的原因？
2．火灭后为何要继续对油罐喷水？
3．市环保部门要监测大气中哪些有害气体？
4．用烧碱溶液可吸收其中一种气体，该气体在烧煤时也能放出，写出有关的化学方程式。
【参考答案】
1．由于油罐汽油泄漏，使油罐附近的空气中含有大量的汽油气体，当拖拉机行驶至附近时，发动机产生的火花或火星将空气中的汽油气体引燃，从而致使油罐起火爆炸。
2．火灭后还要继续对油罐喷水的原因是为了进一步降低油罐的温度，使其低于汽油的着火点，防止汽油重新燃烧，发生爆炸。
3．市环保部门要监测大气中的有害气体是SO2、CO、NO2等。
4．SO2＋2NaOH==Na2SO3＋H2O
十三．近些年来某些城市中的汽车超标排放尾气，大气污染十分严重。为减轻污染，北京、上海、长沙等城市已投入了很多的环保型车辆。这些车辆使用液化气作燃料，排放污染值只有普通车的1/5。现假定液化气只由C3H8（W=80%）和C4H10(W=20％)组成，且假定每完全燃烧lg C3H8或C4H8生成CO2和H2O（g）时均能放出热量50.00kJ。
1．试写出它们燃烧的热化学方程式。
2．某公共汽车满载时10t，假设每站上下车人数的质量相等，阻力是车重的0.05倍，最大输出功率为100kW。汽车从静止开始匀加速运动10s后达最大速度，然后以此速度行驶1.5krn，再匀减速运动10s到停止。已知：该线路全程16km，该汽车每天往返6趟，汽车发动机的效率为50％，问该汽车每天要消耗液化气多少千克？
【参考答案】
1．C３H8（g）＋5O2（g）→3CO2（g）＋4H2O(g)＋2200kJ
C4H10（g）＋13/2 O2（g）→4CO2（g）＋5H2O（g）＋2900kJ
2．19.8kg
本题结合社会生活中的热点问题，由理化为主干知识编写而成。
十四．为了降低汽车尾气对大气的污染，北京市有关部门拟用甲醇替代液化石油气作为公交车的燃料。
1．甲醇作为汽车燃料的好处是
2．1g甲醇在25℃时完全燃烧生成液态水时可放热24.2 kJ，据此写出甲醇燃烧生成100℃二氧化碳气体和水蒸气的热化学方程式（已知：水的比热是4.18J/g·℃，液化热为2253J/g，假设100℃时水完全汽化，忽略CO2吸热）
3．假设 1小时燃烧甲醇4.2 kg，其热效率为50％，若汽车的平均速率为36 km/h。估算其牵引力为 （热量按上题中热化学方程式计算）
【参考答案】
1．甲醇可由植物制得，燃烧产物是二氧化碳和水，对环境没有污染，属于“绿色能源”。
2．略
3．1232N
十五．酒精是一种优质液体燃料，它燃烧值高，无污染，无残留固体，但携带或运输则不如固体物质方便。如在酒精中加入一定的添加剂，可制出固体酒精。其配幼方法如下：
①将1kg NaOH加入10L 95％的酒精中溶解，配制成0.1g/mL的NaOH酒精溶液备用。
②将82L 95％的酒精和6.5kg硬脂酸加入带搅拌器和温度计的装置，用水浴加热至60～70℃，在不断搅拌下使硬脂酸全部溶解。
③加入0.5kg Cu(NO3)2，搅拌均匀。
④随后慢慢滴加配制的0.1g/mL的NaOH酒精溶液，使溶液保持微沸。整个过程约30min完成。
⑤放置冷却至50～60℃左右，将溶液倒入模具，凝固后用塑料袋包装即得成品。
该方法中制得的硬脂酸钠具有疏松框架结构，似海绵吸水一样“吸收”了酒精。该产品碱性低、灼烧残渣少，像蜡烛一样可以用刀任意切割，放在铁板、砖块等上面即可点燃，工艺简单，价格便宜，无污染。
阅读以上材料，思考并回答下列问题：
1．酒精是一种优良的有机溶剂，为什么能用酒精来配制0.1g/mL的NaOH酒精溶液？
2．NaOH是强碱，但制成的固体酒精碱性很低。试通过计算说明原因。
3．此固体酒精燃烧后剩余的少量残渣是什么物质？
4．为什么要在固体酒精中加入硝酸铜？
5．在固体酒精的制作过程中，为什么不直接用较廉价的硬脂酸钠，而要用新制（NaOH和硬脂酸在混合溶液微沸的情况下制取）的硬脂酸钠？
【参考答案】
1．乙醇中含有极性基团－OH，是极性分子，NaOH是离子化合物，据相似相溶原理，NaOH可溶于酒精溶液中。
2．NaOH 25 mol；硬脂酸22.89mol；C u(NO3)2 2.66mol
中和硬脂酸需NaOH为22.89mol，剩下的2.11mol NaOH与Cu(NO3)2反应消耗掉，故固体酒精碱性很低。
3．固体酒精是由硬脂酸钠、NaNO3、Cu(NO3)2、Cu(OH)2和乙醇组成，点燃后有的燃烧，有的分解，所以残渣由CuO、NaNO2、Na2CO3组成。
4．加入硝酸铜的目的一是反应掉剩余的NaOH，二是生成的NaNO2和剩余的Cu(NO3)2。在高温下具强氧化性，能充分氧化硬脂酸钠，使固体酒精燃烧充分。
5．固体酒精的形成是因硬脂酸钠内部有无数小孔，形成了较大的表面积，吸附能力大大增强，所以能像海绵一样吸住酒精。事先制的硬脂酸钠是实心块状的，难形成较多的微孔；在新制硬脂酸钠的过程中，加热保持微沸，有利于形成更多的徽孔，能大大增强其负荷乙醇的能力。
十六．1．火药是我国古代炼丹家发明的。 朝中期的书籍里，已经记载了制成火药的方法。北宋时期在 上已广泛使用火药。到了元朝，火药和火药武器经由 人传到了欧洲。
2．黑火药的成份是硝酸钾、硫磺和木炭。若黑火药爆炸时生成了硫化钾、氮气和二氧化碳，则所发生反应的化学方程式为。在这个反应中，被还原的元素是 。当有 36 g碳元素全部反应时，可生成标况下气体 L，在1.01×105 Pa时，这些气体若被加热到100℃，体积变成 L。
3．黑火药可制成鞭炮，燃放鞭炮对环境会产生危害，其中比较严重的危害有 （写出二条）。
4．据报道，2000年除夕夜，在北京市丰台区一禁放烟花爆竹地区，发生一起与燃放鞭炮有关的惨剧。事件过程是：几个小孩将点燃的鞭炮塞到化粪池中，引起化粪池内沼气爆炸，并将铁制井盖炸碎炸飞，其中一块正好击中一女孩头部，女孩不幸身亡。沼气的主要成份是 ，它在空气里的爆炸极限是含该气体 5％～15％（体积分数）。该气体完全燃烧生成液态水时放热 55.625 kJ，则该气体燃烧的热化学方程式为
5．假设上题中化粪池竖井是一个直径0.7m，高3m的圆柱体，含沼气 5％。化粪池井盖质量为 20 kg，平均炸成十块，求一块铁片飞出的速度是多少？（假设化粪池中气体是在标况下）
6．某学生在禁放区放鞭炮，受到居委会主任的制止。这位学生认为，节日放鞭炮是为增添节日气氛，这是他个人的权利，别人无权干涉。请回答：从权利和义务的关系上看，这位学生的理由为什么是错误的？
【参考答案】
1．唐 军事 阿拉伯
2．2KNO3＋S＋3C→K2S＋N2↑＋3CO2↑ 硫和氮 89.6 122.4
3．噪声污染、二氧化硫等对空气的污染
4．甲烷；略
5．47.8m/s
6．权利与义务是统一的。公民都享有宪法和法律规定的权利，同时必须履行宪法和法律规定的义务。只想享有权利，不愿履行义务，或者想少尽义务而多享受权利，都是错误的。
十七．现在一种能简便、快速富集氧气的新技术以引起国外工业、农业、卫生、科研等部门的热切关注，它叫富氧膜技术。应用该技术能将空气中氧气体的体积分数由20％提高到24％～40％。它是一种节能、高效、防污染的新技术，因而受到人们的广泛关注。
1．传统的方法是 的物理方法得到高浓度的氧气，能耗大、设备繁且操作也不方便。
2．我国科学家在1987年研制出了富氧浓度为28％～30％的有机硅一聚钒富氧膜及装置。该装置具有重要用途。例如将该装置用于池塘养鱼可 （填“提高”、“降低”）溶解氧的浓度，从而提高鱼苗养殖密度和鱼产量，这是因为鱼儿进行生命活动是由 （填“有氧”、“无氧”）呼吸提供能量来消耗氧气，若氧气不足，高密度养殖会使鱼儿发生窒息性死亡。
3．如将该装置用于玻璃和工业锅炉，可以节能15％，这是为什么？
4．如果设想将该装置产生的富氧空气用于汽车发动机作为助燃气体会有哪些优点？
【参考答案】
1．传统制氧是降温加压使空气变为液态空气，再分馏得到高浓度氧气。
2．提高 有氧
3．可使熔炉或锅炉内燃料充分燃烧而节约能源（热效率提高）
4．具有的优点是节能消烟、提高功率；降低大气污染的作用；富氧供给使汽、柴油机排出的CO和NO污染物大为减少。
十八．内燃机是将化学能转化为机械能的装置，根据燃料的不同可分为汽油机和柴油机等类型。汽油机和柴油机的工作原理均为利用燃料燃烧产生大量的气体和热能，推动活塞进行往复运动。汽油机和柴油机工作原理的区别在于压缩的工作物质和点火方式的不同：汽油机是将汽油雾化后和空气混合，利用活塞下行吸入汽缸，然后活塞上行进行压缩，到一定体积（活塞几乎上行到顶端）后采用火花塞（也称火嘴，一种采用高压放电产生火花的装置）打火，从而点燃混合气体，使之体积剧烈膨胀，推动活塞下行。当活塞下行到底部时，活门打开，并利用二次上行的压力排出气体，完成一个循环过程；而柴油机则是吸入空气进行压缩，到一定程度产生高温高压后喷入雾化的柴油，由于此时压缩空气的温度已经超过了柴油的燃点，柴油立即燃烧推动活塞上行。柴油机的压缩比远高于汽油机（这也是柴油机效率高于汽油机的原因之一）。试根据上述信息回答下列问题：
1．内燃机推动活塞往复的直线运动可通过连杆和 转化为圆周运动，从而驱动车辆和其它机械进行运转。
2．某195柴油机的压缩比为1:20，室温27℃，大气压强1.01×105Pa。压缩到最大限度时，气缸内的压强为3.03×106Pa，此时混合气体的温度是 ℃
3．检测发动机尾气发现，汽油机尾气中氮氧化物（以NOx表示）的含量远高于柴油机尾气，请解释原因，并写出相关的化学方程式。
4．由石油分馏而得到的汽油称直馏汽油，由裂化而得到的汽油称裂化汽油。单从使用效果看，汽油机一般使用何种汽油为宜，为什么？
5．若汽油机使用的汽油（辛烷C8H18）在气缸内完全燃烧，则空气的质量与辛烷的质量之比x值为 ；若空气的质量与辛烷的质量之比大于x值，则尾气中有害气体含量较多的是 ；若空气的质量与辛烷的质量之比小于x值，则尾气中有害气体含量较多的是 。
6．为减少汽车对城市大气的污染，1998年6月我国成功地开发出了以新燃料作能源的“绿色汽车”，这种汽车可避免有毒的有机铅、苯和苯的同系物以及多环芳烃的排放，保护环境。这种“绿色汽车”的燃料是
A 甲醇 B 汽油 C 柴油 D 重油
7．汽车尾气除上述NOx有毒气体外，还有燃料未完全燃烧的还原性气体以及SO2气体等。目前治理的方法是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”（用铂、钯合金作催化剂），使上述气体反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使燃料充分燃烧及SO2的转化，但“催化转换器”能在一定程度上提高空气的酸度。请问这是为什么？写出相应的化学反应方程式，并请你想出两种控制城市空气污染源的方法。
8．某日，一少女所驾驶的摩托车遭飞贼抢劫，此时少女迅速拿出一小物件，对着已逃出几十米开外的摩托车一按按钮，只见摩托车立即熄火停车而将飞贼抛出老远。你认为这种“遥控停车装置”最可能的原理是什么？
9．你站在离路口几十米的地方观察红绿灯下等候通行的两辆外形完全相同的大卡车，如何判断哪一辆是采用的柴油机？
10．柴油平均含碳约85％，含氢约14％。前几年的报刊杂志上报道了“中国的第五大发明”：把25％的柴油和75％的水混合起来，加少量“膨化剂”，就可以变成“膨化柴油”，简称“水变油”。据说，它和天然的柴油有相同的热值。此“发明”得到包括我国某名牌大学校长在内的若干位教授专家的肯定，并通过了“鉴定”；但同时被中科院何柞麻院士等一大批教授、专家所否定。问：“水变油”是否可能？请你设计一个实验思路（不必详述实验操作过程），证明水是否能变成油？
11．展望21世纪，人类最理想的燃料是什么？为什么？目前存在的主要问题是什么？
【参考答案】
内燃机原理及其相关知识涉及到物理、化学、环保等方面的知识，比较适合编写理科综合试题。本题涉及的知识有：物理知识——机械原理；气态方程、遥控原理等；化学知识——汽油和柴油的组成、物质燃烧原理、放电条件下的氮氧化合、简单石油化工、环境化学、原子核的初步知识等。题中还特意设置了一道揭露类似于“法轮功”的伪科学试题，有助于考生提高辨别真伪科学的能力。从设题的特点看，本题仍采用“平行式”命题，题中有客观性命题，也有具有创意性的主观性命题，这有利于检查考生文理科的综合素质。
1．据初中物理中的机械原理知：内燃机的活塞运动是通过连杆和曲轴转换为圆周运动，从而驱动汽车的。
2．由气态方程知 T＝627℃
3．汽油机的点火方式为电火花点火，此时空气中的氮气和氧气化合。（反应式略）
4．因裂化汽油中含大量的不饱和烃，活性高，易被氧化，不稳定，故过去汽油机一般使用直馏汽油。
5．汽油燃烧较复杂，可写为2 C8H18＋17O2→16CO＋18H2O（不完全燃烧），2 C8H18＋25O2→16CO2＋18H2O（完全燃烧）。由此方程式很容易算出x＝14.7。若空气的质量与辛烷的质量之比大于x，则尾气中有害气体多为NOx或NO和NO2；反之，则为CO。
6．因汽油、柴油和重油这些从石油中提取的矿物燃料燃烧后会对环境造成污染，故应选用A。
7．本小题涉及环保问题，由题给信息可知：（反应式略），故空气的酸度提高。要控制城市污染源，必须控制矿物燃料的用量，如使用电动车、开发和使用氢能源等。
8．根据燃烧三要素，欲使摩托车熄火，可从三个角度考虑：一是停止供油，二是停止供空气，三是不点火。前两种角度涉及到油路或气体通道的机械控制，遥控技术复杂，可靠性差，唯有通过断开火花塞供电电源使之不能点火最简便易行。据此可简答成：利用遥控器断开火花塞电源，即可停车。
9．由于距离较远，无法通过闻气味、听声音来区别。可根据柴油比汽油的碳原子多，含碳量高，燃烧时冒黑烟来区别。可简答成：观察汽车的排气管，由停车怠速状态加油起步时冒黑烟的是柴油机，这是因为柴油中的烃分子比汽油大，突然加油时燃烧不充分所致。
10．本小题意在揭露伪科学。水的组成是11％的氢和89％的氧，柴油平均为14％的氢和85％的碳。水要变成柴油，水中的氧元素必须定量地分别变成氢、碳两种元素，例如： O→C＋4H， 3O→4C这涉及到原子核的碎裂与重组，需要极高的能量（类似于原子弹爆炸的变化），少量的“膨化剂”难以提供如此高的能量，可见，“水变油”难成事实。鉴定的方法是，在防伪的条件下，对现场配制的“膨化柴油”与柴油同时进行化学分析，看看彼此的元素组成是否相同或相近似，以说明氧是否变成了碳和氢；也可进行同位素分析，如果氧变成氢和碳，则其同位素含量一定不同于柴油中的氢和碳。
11．因氢气的燃烧值大，且燃烧后生成水，无污染，故为理想的燃料。目前存在的问题是：水具有很高的热稳定性，即使加热到2000K，也只有0.588％的水分解成氢气和氧气，必须寻找一种方法，使水在常温下分解。
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家庭用气体燃料
【阅读】
本报讯：本市城区用气居民已达350万户，燃气产业形成管道煤气、液化气和天然气“三气并存”的多元结构，其用户比约为10:3:1。
到目前为止，本市已有管道煤气用户 248.46万户，液化气用户76万户，天然气用户25万户。其中基本无毒又不易爆燃的天然气来自东海平湖油气田，今年年底日供应量可达120万米3。据悉，本市专门负责能源开发的申能公司已筹划东海平湖油气田扩建工程项目。项目建成后，本市天然气日供应量可提高至200万米3，天然气用户数可望超过液化气用户。
摘自上海《新闻晨报》2000年8月10日
这是一则普通的新闻报道，但传出了重要的信息，上海市区已基本普及了煤气并将扩大天然气用户。以前，上海大多数家庭使用的燃料是煤球、煤饼，从形态上看，它们是固体燃烧，基本上是直接燃煤。而现在三气并存：管道煤气、液化气和天然气，它们是气体燃料。气体燃料比固体燃料有哪些优越性呢？这三种气体燃料有什么不同？怎样把煤加工成煤气？这其中有丰富的化学知识呢！
该报当天又报道了2002年前，“上海内环线内将建成基本无燃煤区”和“西气东输工程”的消息。这说明不仅民宅，还包括工厂企业都将改燃煤为燃气，逐步改燃管道煤气为燃天然气。本讲座中还将讨论，这一调整上海能源结构的重大举措，将对上海大气环境改善带来的影响。
【知识梳理】
1．矿物燃料和气体燃料
在社会生产、家庭生活中都要消耗能量，燃料是人类赖以获取能量的物质。煤、石油和天然气叫矿物燃料，此外还有薪柴燃料、核燃料等。非燃料的能量来源有太阳能、水力、风力、地热等。至今，矿物燃料约占人类能量总消耗量的95％。
管道煤气由煤加工制得，液化气是石油炼制产物，天然气则能直接使用。家庭生活中，为什么要使用气体燃料呢？
① 因气体易扩散，故气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的能量利用率。
② 气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。
③ 固体煤中含有硫、氮等杂质，直接燃煤、煤球或煤饼会产生大量二氧化硫、氮氧化物（NOx）、粉尘等，造成大气污染，住宅环境也烟灰满天，厨房空气的污染则更严重。
城市居民用气，最先发展的是管道煤气，以后产生液化气作为补充，天然气则是近年发展起来的气体燃料。在城市发展史上，煤气普及率成为城市文明程度的重要指标。
2．管道煤气、液化气和天然气的成分和发热量
管道煤气的可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占48%～50%，10%～15%和13%～18%。这三种气体燃烧时放出的热量是不一样的，下表列出了它们的燃烧热。
H2、CO和CH4的燃烧热（kJ/mol）
H2 CO CH4
燃烧热 285.5 282.5 889.5
液化气又叫液化石油气，主要成分和燃烧热见下表：
液化气的成分及其燃烧热
名称 丙烷 丙烯 丁烷 丁烯
化学式 C3H8 C3H6 C4H10 C4H8
体积分数 7% 28% 23% 42%
燃烧热（kJ/mol） 2247 2126 2996 2720
液化气中C3、C4的烃是沸点较低的成分，用蒸馏的方法很容易从石油分馏气、裂化气中分离出来，经降温加压转化为液态，贮存于钢瓶中，供煤气管道还未接通的地区或农村、山区使用。
天然气的主要成分是甲烷，还有少量的其他气态烃，天然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。
三种气体燃料的热值大体为以下数值：（见下表）
管道煤气、液化气和天然气的热值
管道煤气 液化气 天然气
热 值 15.6MJ/m3 47.3MJ/kg
109 MJ/m3 38.7 MJ/m3
3．煤加工成煤气的化学原理
把煤转化成煤气的方法很多，主要有：
① 发生炉煤气：由热空气和灼热的煤反应制得，其可燃成分是一氧化碳，同时含有较多量的氮气。
C＋O2CO2 CO2＋C2CO
发生炉煤气生产容易，价格低廉，但热值太低，且一氧化碳有毒，所以它仅是管道煤气的次要气源。
② 水煤气：将水蒸气鼓入灼热的煤粉，得到的气体叫水煤气，其可燃成分是一氧化碳和氢气。
C＋H2OCO＋H2
由于这是一个吸热反应，故必须交替鼓入空气和水蒸气，才能维持炉温。水煤气的热值也不高，也是管道煤气的次要气源。
③ 干馏煤气（焦炉气）：即煤干馏得到的气体，其可燃成分是甲烷和氢气，同时得到副产品焦炭和煤焦油。干馏煤气热值高，是管道煤气的主要气源。
一个大型的煤气厂，有多种类型的制气设备，一般是将上述数种气源气体掺混，使之达到一定的热值和良好的燃烧性质，才贮于大型贮气柜中，送入城市煤气管道网络。
4．热化学方程式、燃烧热和热值
化学反应的热量变化（反应热）可以用热化学方程式来表示，例如：
H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（液）＋285.5kJ
CH4（气）＋2O2（气）→CO2（气）＋2H2O（液）＋889.5kJ
书写热化学方程式时，必须注明物质的状况，例如1mol氢气完全燃烧生成气态水，放出241.6 kJ的热，其差值（43.9 kJ）是1mol液态水变成水蒸气所吸热的热量。
H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（气）＋241.6kJ
热化学方程式中，化学式前的系数是表示物质的量的数值（rnol），因此可以是分数，其数值必须与热量数值对应。例如：
CO（气）十1/2 O2（气）→CO2（气）＋282.5kJ
2CO（气）＋O2（气）→2CO2（气）＋565kJ
不同燃料在氧气中完全燃烧时，反应热各不相同。科学上规定，在25℃，1.013×105Pa时，1mol纯净物完全燃烧生成二氧化碳和液态水所产生的热量叫燃烧热，单位是kJ/mol。燃烧热数值越大，物质燃烧时放出的热量越多。前文已介绍过甲烷的燃烧热较氢气和一氧化碳高，如果在煤气中增加甲烷的含量就可以提高煤气的发热量。
由于实际使用的燃料大都不是纯净物，通常用热值来表示它们的发热量。热值是指1m3或1kg燃料完全燃烧时放出的热量，单位是kJ/m3或kJ/kg。
例题：某种水煤气，CO和H2的体积比为1︰1，此外还有10％的不可燃成分，试通过燃烧热计算这种水煤气的近似热值（MJ/m3）。（假设为标准状况）
解：查表可知，H2和CO的燃烧热分别为285.5kJ/mol和2825kJ/mol。
假设该水煤气处于标准状况，1m3水煤气所含H2和CO的物质的量为：
1000×(1－10%)×50%/22.4＝20.1(mol)。
该种水煤气的热值：20.1×(285.5＋282.5)＝1.14×104kJ/m3＝11.4MJ/m3。
【专题导读】
1．管道煤气中三种可燃成分作用的比较分析。
可以从热值贡献、燃烧性能和生产成本等方面加以比较。
①热值贡献比较：管道煤气中，氢气的含量最高，其热值贡献是否最大呢？我们要作具体的计算才能回答这一问题。先根据三种成分的大体比例确定 l个含量数值，如 H2 50％，CO 15％，CH4 18％，然后作近似计算。
燃烧1m3管道煤气，其中
H2产生的热量：285.5×1000×50%/22.4＝6.37×103kJ；
CO产生的热量：282.5×1000×15%/22.4＝1.89×103kJ；
CH4产生的热量：889.5×1000×18%/22.4＝7.15×103kJ；
由此可知，CH4的含量虽然只占18％，但热值的贡献最大。H2占50％，其热量贡献仍低于CH4，CO的热值贡献最小。
②燃烧性能比较：气体的燃烧性能与该气体的扩散速度有关，H2、CO和CH4中，H2的相对分子质量最小，气体密度最小，故而有最大的扩散速度和最好的燃烧性能。平时实验中，可以观察到H2的火焰很长，而燃烧平稳。管道煤气中50％的H2保证了良好的燃烧火焰。
③生产成本比较：从生产角度看，发生炉煤气的成本最低，干馏煤气的成本最高，我们可以理解为；CO成本低，CH4的成本高。如果在煤气中增加 CO的含量，固然可以降低煤气的价格，但CO有毒，故此做法不可取。恰恰相反，煤气厂技术人员曾致力于降低CO含量的努力，即把CO转换成H2（CO＋H2OCO2＋H2），但要提高成本。每降低5％的CO，代以H2，煤气的成本要增加10％～20％。当时因主要任务是普及煤气而没有采用。
2．用液化气烧水煮饭为什么比管道煤气快？从经济上看，哪一种更合算？
从发热量看，液化气是比管道煤气更优质的气体燃料。在钢瓶中的液化气是液体，打开阀门减压后变成气体使用，因此液化气有两个热值：47.3 MJ/kg和109MJ/m3。用后者数值与管道煤气（热值为15.6MJ/m3）比较，管道煤气只有液化气的1/6～1/7，所以用液化气烧水煮饭要快得多了。（思考：为什么使用液化气时，容易产生热量浪费？）
按目前的市场价格，管道煤气每立方米（即1个“字”）0.90元，液化气每千克2.6元。讨论哪一种合算，应该换算到产生相同发热量的消耗量，或者计算1千克液化气相当于多少立方米的管道煤气。结论应该是差不多的。
3．推广使用天然气为什么是城市燃气的发展方向？
管道煤气是一种清洁燃料，然而这是相对于住宅、居室环境而言的，从城市大环境看，没有改善城市大气的污染程度。原因很简单，制造煤气要燃煤，使用煤气没有降低城市的煤炭消耗量。原来一家一户煤球炉的废气仅仅变成由数家煤气厂排放而已。
液化气是发热量高的优质清洁燃料，但液化气使用不便，且要消耗宝贵的石油资源，天然气则是一种既有管道煤气的方便，又有液化气无毒、发热量高的优点的燃料，所以，推广使用天然气的是城市燃气产业的发展方向。
【阅读】
东海天然气工程和国家西气东输工程
2000年 8月上旬，上海市政府召开的《落实国家西气东输会议精神，加快调整上海能源结构》工作会议传出信息：上海将停建燃煤电厂和煤制气厂，抓紧建设燃气电厂，争取在2002年前，上海内环线内建成“基本无燃煤区”，这是一个多么令人振奋的消息！
目前，本市每年消耗煤炭4 200万吨，占一次能源消耗量的70％，在一次能源中，天然气的份额很低。今年东海平湖油气田的年供应量是4.4亿米3。东海平湖油气田扩建工程已经启动，建成后年供应量将达73亿米3，能供50万户居民使用。
我国天然气资源十分丰富，但60％在中西部地区，如新疆、四川有着巨大的储量。中央提出开发大西部的战略，西气东输工程将耗资1 200亿元，建设一条长约4 200千米的管道主干线，从新疆开始，途经甘、宁、陕、晋、豫、苏等地，进入长江三角洲及沿海城镇。预计2001年动工，2003年上半年便可进入上海，届时上海天然气年供应量将达到18亿米3，并迅速扩大，至2005年达到30亿米3。
上海内环线内，找不到煤炭的踪影，这是怎样的一幅画面呢？可以预见，上海城区的天空，将呈现目前只能在草原上才能见到的“蓝天白云”的绚丽景象。
【小实验】
煮沸一定质量水消耗煤气量的测定
实验目的
①学会测定煤气量的方法，分析多次实验得到提高热利用率的各种方法。
②学会用对比实验得到结论的科学方法。
③利用家庭条件，自己设计实验步骤，完成实验报告。
实验步骤（参考）
1．取2～3L冷水（可用1.25L普通塑料饮料瓶作量器）加入锅中，记录煤气表读数。点燃煤气，并将煤气灶内外圈火焰都开足，记录时间（精确至秒），当水沸腾（有大量气泡出现时），熄灭火焰，记录所用时间和煤气表读数。
在相同条件下，用内外圈中火、内圈小火加热，再做2次实验。把实验结果记录于下表。
煤气表读数 煤气消耗量 消耗时间
加热前 加热后
大 火
中 火
小 火
2．在煤气灶上加防风罩或用保温锅，在其余条件相同的情况下，再做上述实验。自行设计实验条件、实验步骤并自己编制记录表。
3．比较实验数据的差异，分析造成差异的原因，得到节约煤气，提高热利用率的方法，并完成实验报告。
【内容拓展】
1．能源资源及其分类
我们经常听到能源这个名词，容易望文生义，认为指的就是能量的来源。其实，这种理解并不确切。确切地说，能源是能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质或物质运动的统称，包括矿物燃料、阳光、流水、波浪、薪柴等。
能源有多种分类。从能源的原有形态是否改变的角度分为自然界现存的一次能源和由一次能源加工转化而成的二次能源。煤、石油、天然气、水力、太阳能等是一次能源，煤气、液化气、汽油、煤油、酒精等是二次能源。
从能源能否循环再生角度，可将能源分为可再生能源和不可再生能源。煤、石油是古代动植物经长期地质运动作用形成的，开采一点就少一点，这是不可再生能源；像太阳能、风力、地热或从绿色植物中制取的酒精等，它们可以取之不尽，用之不竭，是可再生能源。
此外，能源还可分为燃料能源和非燃料能源，常规能源和新能源等。
例题：把下列14种能源按要求填入下表，并指出哪些是不可再生能源。
煤、石油、水力、汽油、铀、薪柴、酒精、天然气、液化气、热水、煤气、蒸汽、风力、电。
一次能源 二次能源
燃料能源
非燃料能源
请同学们自行完成此题的解答。
2．气体燃料的爆炸极限是怎样规定的
家用燃气给我们生活带来许多方便，但也潜伏了不少危险。上海和其他城镇，年年都会发生爆炸火灾事件，年年都会有人因使用不当而发生煤气中毒。所以，我们要科学地使用气体燃料。
大家都知道，点燃氢气前要检验氢气的纯度，就是因为氢气和空气混合物遇见明火或电火花就会爆炸的缘故，这种能爆炸的混合气体中所含可燃气体的浓度范围叫这种可燃气体的爆炸极限。一般用体积分数表示。
当混合气体中可燃气体的体积分数减少到或增加到不能形成爆炸性混合物时的那一浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限。下表列出了各种气体燃料的爆炸极限；
各种燃气的爆炸极限（V%）
发生炉煤气 水煤气 干馏煤气 液化气 天然气
爆炸极限
（上限～下限） 17.3～87.1 6.3～73.8 4.7～26.5 2～10 5～6
可燃气体爆炸极限宽度大的，容易发生爆炸。从表中可知，液化气、天然气的爆炸极限较管道煤气各种成分的宽度要小，因而具有不易爆的特点（注意：并非不会爆炸）
例题：借助上表的数值，计算天然气爆炸最剧烈时，空气中含天然气的体积分数（二位有效数字）。
分析：查表可知，天然气的爆炸极限是5％～16％，爆炸最剧烈的体积分数一定在这一范围内。爆炸最剧烈可理解为天然气和氧气的体积比符合化学反应的体积比（均无剩余）的状况。
解：设天然气为1L，
CH4＋2O2→CO2＋2H2O
则，天然气完全燃烧所需氧气体积为2L。
爆炸最剧烈时天然气的体积分数：×100％＝9.5％。
【科学观察】
管道煤气、液化气的燃烧器的比较
燃烧器是燃气灶具的核心部件，它的设计必须确保燃气的完全燃烧，同时可以灵活地控制火焰大小。管道煤气和液化气的灶具不能混用，这是什么原因呢？让我们来观察它们的燃烧器的差异。
观察目的：观察液化气燃烧器上有一个调节空气量的风门（叫洞风板），对比管道煤气的燃烧器，并分析设计的原因。
观察内容和记录：
管道煤气燃烧器 液化气燃烧器
相同点 燃气均分为两个进口，分散后形成大圈、小圈火焰，开关能灵活控制进气量。
不同点 无风门，空气在火焰燃烧时由周围空气供给。 有风门，点燃前，空气已部分进入液化气中。
观察讨论：为什么液化气燃烧器上必须有一个风门？
液化气的成分是C3、C4的烃类，完全燃烧时所需空气量很大。例如，1L丁烷燃烧（2C4H10＋13O2→8CO2＋10H2O）需氧气6.5L，折合成空气约为31L，丁烷燃烧时，单单靠火焰周围的空气来支持燃烧，必定要发生不完全燃烧。因此液化气在灶具上燃烧所需要的空气是分两次供给的。一次空气量由风门调节，约占全部需要量的70%。空气引进后，在燃烧器内部混合。二次空气量则由火焰周围的空气供给。
请同学们自己回答，为什么管道煤气燃烧器不一定要有这一风门的设计。
思考：使用液化气，为什么开始时风门要调小些，使用一段时间（若干天）后，风门要调大些？
提示：液化气中C3或分的沸点比C4成分低，开始使用时排出的C3成分多。
【综合问题】（供向理科方向发展的学生学习）
例题：煤气中毒是CO中毒，其原因是CO与血红蛋白（Hb）结合成Hb·CO，使血红蛋白失去输送O2功能的缘故。CO进入血液后有如下平衡：CO＋Hb·O2O2＋Hb·CO，试回答：
（1）煤气中毒病人，可以通过进入高压氧舱的方法来救治，请用化学平衡的原理加以说明。
（2）已知该反应平衡时，的比值是一个不受浓度影响的常数，在人体体温37℃下，该常数为220。又已知当血液中的比值大于0.02时，人的智力会受到损伤，此时c（CO）与c（O2）的比值应小于 。
（3）抽烟时，进入肺部的空气中c（CO）＝10－4mol/L，c（O2）＝10－2mol/L，则c（Hb·CO）为c（H·O2）的 倍，据此分析长期抽烟对人智力的影响。
分析与解：
（1）在高压氧舱中，煤气中毒患者吸入氧气浓度较高的空气后，CO＋Hb·O2O2＋Hb·CO，平衡向左移，使 Hb·CO转化为Hb·O2，恢复血红蛋白的输氧功能。
（2）因为＝220，是一个常数，当＝0.02时，＝÷220＝＝9.09×10－5，即小于该值时，人的智力还未受到损伤。
（3）将c（CO）、C（O2）数位代入常数表示式：
＝220
则＝220×＝0.022（即0.022倍）。
因为0.022＞0.02，故从这一角度分析，长期抽烟，对人的智力有损伤作用。
【基本训练】
1．H2的热值为108MJ/m3，试转换成以kg计量的热值（MJ/kg），同时分析H2作为一种高能燃料的原因。（参考热值：汽油46MJ/kg、煤油21.8MJ/kg，供比较）
2．假设某城镇为急于普及煤气，把小化肥厂的合成氨原料气，增加H2含量后（H2 50％、N2 50％）输入管道供民用，试计算这种煤气的热值是否达到15.6kJ/m3的标准？
（本专题《家庭用气体燃料》由本站导师 陆惊帆教授 撰写）
【综合练习】
一．门窗紧闭的厨房内一旦发生煤气大量泄漏，极容易发生爆炸。当你从室外进入厨房嗅到极浓的煤气异味时，在下列操作中，你认为最合适的是
A 立即开启抽油烟机排出煤气，关闭煤气源
B 立即打开门和窗，关闭煤气源
C 立即打开电灯，寻找泄漏处
D 上述三者可同时进行
【参考答案】
B
本题是化学知识与物理知识的综合，也是科学知识与日常生活的结合，涉及到人身安全问题，有一定的实际意义。
选项A和C的错点是，开启抽油烟机或电灯时，在“开关”处有电火花发生，这火花立即会点燃“开关”处的煤气，从而引发室内的煤气爆炸，后果非常严重。
二．读下表，完成回答
1．由表分析， 是一种理想的燃料。
2．试简述这种理想能源的主要优点。
① ；③ ；③ 。
几种常见燃料的热值表
燃料主要成分 热值（千焦／摩）
酒精 1367
焦炭（C） 300
天然气（主要是CH4） 896
氢气 286
汽油（C8H18为例） 5 472
【参考答案】
1．汽油
2．① 汽油充分燃烧后基本没有环境污染 ② 汽油是液体燃料，运输及携带比较方便 ③ 汽油的热值高
三．读下列材料，完成回答
以汽油和柴油为燃料的机动车所排放的尾气，是当今城市大气污染物的主要来源。有资料显示，在北京的冬季采暖期，大气中74％的烃、63％的一氧化碳和37％的氮氧化物来自汽车尾气；而在非采暖期，上述三种污染物的比例更高，分别上升到79％、80％和55％。要治理城市大气污染，改用新型燃料是有效途径之一。
1．在冬季采暖期，汽车尾气排放的三种污染物的比例有所下降，原因是
2．大气中的烃及一氧化碳是由于汽车燃料与空气中的氧气反应不完全而造成的。很多机动车（特别是以柴油为燃料的汽车）在行驶过程中不仅噪音巨大，而且还排放大量黑烟。若某机动车燃料为CxHy，，写出它不完全燃烧分别生成“黑烟”和一氧化碳的两个化学方程式： 。并进一步说明：为什么柴油机车排放的尾气比汽油机车排放的尾气更加浓黑？
3．若改用新型燃料作为机动车的动力来源，以此减轻城市大气污染，最好用
A 无烟煤 B 压缩天然气 C 电瓶 D 液化石油气
【参考答案】
1．冬季采暖期，有新的污染源加入大气污染，才导致汽车尾气污染所占比例的下降。采暖主要用的是煤为燃料，煤的不完全燃烧以及其中所含的杂质都会导致空气污染程度加大
2．
因为柴油的烷烃值更高
3．B
四．某城市的管道煤气是水煤气和焦炉煤气混合而成的。某住宅四楼（高约10m）一居民家厨房发生管道煤气泄漏爆炸事故，急救人员迅速赶到现场，护送伤员及煤气中毒者去医院抢救。
1．生产水煤气的化学反应方程式是
2．管道煤气致人中毒的主要原因是什么？
3．调查人员发现该住户的煤气泄漏点的泄漏速度为6.0g/min，而从调查中发现煤气是在达到室内空气质量的6％时爆炸的，问爆炸时煤气已泄漏了约几个小时（假定厨房内空气体积为25m3）？
4．爆炸时厨房温度可迅速升高到1800℃，估算此时产生的气体压强约为多少个大气压？
5．产生的高压可摧毁门窗及其他室内设施，调查人员在损坏的窗外草地上发现飞得最远的玻璃碎片离该楼墙脚的距离为14m，试估算气体爆炸初期的速度（经验表明该速度约是玻璃碎片飞出时最大速度的100倍）。
【参考答案】
1．略
2．略
3．5.375h
4．7atm
5．10m/s
五．容积为0.672 L的密闭容器中，有一定质量的氧气和甲烷的混合气（其中含有甲烷气体0.48g）。混合气的温度为546K、压强为4atm，容器壁上还有一点火装置。已知每mol甲烷完全燃烧生成液态水时放出热量890kJ，每mol无烟煤完全燃烧放出热量403.2kJ，试求：
1．混合气中甲烷气体的压强多大？
2．混合气中所含氧气的质量多大？
3．完全燃烧无烟煤和甲烷放出相同热量时，所释放的CO2的百分比多大？并说明由此可得出什么结论？
【参考答案】
1．2atm
2．0.96g
3．220％
通过上述计算可见，燃烧煤炭大量释放的CO2，将加剧热岛效应，使全球升温，造成人类生存环境的恶化，因此，改变燃料的种类，减少CO2的排放是保护环境的重要内容。
本题以混合气的点燃为研究对象，综合物理、化学两门学科的知识内容，涉及思维的迁移、发散和判断、理解、推理和分析解决实际问题等多方面能力的综合应用。
本题通过交叉，渗透化学和物理学的基本概念和规律解答了现实生活中重大污染源的问题，改变燃料种类是当务之急，目前世界上公认的优质民用燃料是天然气，它的热值高、燃烧充分、无杂质而且价格低廉，预计不久即可普及使用。
六．某液化石油气由相差1个碳原子的A、B两种烷烃组成。使mg此液化气在过量O2中燃烧的产物通过盛有无水CaCl2的干燥管，干燥管增重了4.608g，再使之通过100mL3.04mol/L的NaOH溶液，然后将反应液低温蒸干，可得19.026g白色固体。
1．此白色固体是什么物质？
2．A、B各为何种物质？其质量分数各为多少？
3．已知：
CH4（g）＋2O2（g）CO2（g）＋2H2O（g）＋846kJ
2C2H6（g）＋7O2（g）4CO2（g）＋6H2O（g）＋3306kJ
C3H8（g）＋5O2（g）3CO2（g）＋4H2O（g）＋2200kJ
2C4H10（g）＋13O2（g）8CO2（g）＋10H2O（g）＋5800kJ
C5H12（l）＋8O2（g）5CO2（g）＋6H2O（g）＋3059kJ
现有质量为500g、容积为4L的铝壶，其中盛满20℃的水，latm下需燃烧135g此液化气才能将水烧开，燃料的利用率多大？
4．这种程度的利用率说明了什么问题？根据你学到的知识谈谈工业生产和日常生活中可采取哪些措施提高燃料的利用率？
【参考答案】
1．Na2CO3 0.105mol；NaHCO3 0.094mol。
2．C3H8 0.44；C4H10 0.56
3．20.06%
4．此液化灶燃料的利用率较低，能量损失较大。
建议：在农村要改革低效炉灶，推广使用节能炉灶，将散发的热量用于加热水等；在城市要实行热电并供（如火力发电站）等；在生产中要利用科学技术改良热机性能，充分利用气体带走的内能（如热电并供、高温气体的循环使用——热交换等），合理开发常规能源（煤、石油、天然气等），大力开发新能源（核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等）。
七．用液化石油气作燃料，已普遍进入现代家庭的厨房中，它的主要成分是烷属烃和烯属烃系列混合物，现将各物在一个大气压下的沸点分别列表于下：
名称 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 乙烯 丙稀 丁烯 戊烯
沸点[℃] －161.7 －88.6 －42.2 －0.5 36.1 －102.4 －47.7 －6.5 30.1
请回答：
1．有人发现液化石油气用完后，残留在钢瓶内的液体能溶解油脂，就将它倒出来作洗涤剂，洗擦物件的油泥，这种废物利用的做法，因何不可取？
2．有人为了充分用完瓶内残留液体，就用火去烤钢瓶，在此钢瓶的合格证上标有：
充装介质 最大充装量 实测容积 气密试验压力
液化石油气 15kg 35.5L 2.1MPa
若残留瓶内液体有0.75kg，在关闭阀门的条件下，请估算瓶内气温升至多少摄氏度时，会出现险情？
【参考答案】
这是一道化学和物理综合测试题，考查学生是否能根据各物的沸点，判定残液的主要化学成分和安全使用液化石油气的常识。本题的研究对象是残液，所以必须首先要弄清残液的化学成分。而据沸点表可知，在常温下（取27℃），随着瓶内压强的降低，沸点低的液体必然首先汽化，所以剩留残液必然是沸点高于常温的液体。使用液化石油气，应从安全第一去想。
1．从表中可知，在诸温下未能汽化的残液，主要是沸点相对较高的戊烷和戊烯。此两物在空气中较易浑发成气体，当这些气体在室内达到一定比例后，如遇明火，就会引发火灾，所以不可取。
2．气虽“用完”，在常温下（取300K）瓶内仍有1个大气压较迟汽化的丁烷和丁烯为主的残气，其摩尔数应是：n＝1.44mol。残液mol数约为10.56mol，在高温时残液完全汽化，瓶内总摩尔数为n＝12mol。据气态方程得：T＝474℃。
八．燃气灶具因燃气成分、供气压力不同而结构不同。今有一套燃烧沼气的炉灶要改装为烧液化石油气（C4H10）的炉灶。
2．假如气体的流速u与气体压强p成正比，单位时间内气体流量Vs与气体流速u和气道截面积A的关系为：Vs＝uA。当液化石油气经减压阀后压强变为1.8×1.01×105Pa流入燃烧灶，沼气压强则为1.5×1.01×105pa。当燃气入口径不变，风门单位截面积进入空气的流速不变。当沼气炉灶改装为液化气灶时，圆形风门的半径应该改变到原来的多少倍？
【参考答案】
1．同体积液化气比甲烷燃烧耗氧多，故风门口径要增大。
2．由题意知，液化气流量和甲烷流量比为：1.8:1.5
由耗氧关系，两者耗空气量之比为：3.9:1。
由Vs＝uA，u相同。则截面积A变为3.9倍，而A＝πr2，知半径变为倍
九．你能否在轨道空间站里享受烛光晚餐？蜡烛将怎样燃烧，在失重状态下，燃烧状况会受到什么影响？如果蜡烛的燃烧速率为14g/h，O2的消耗速率为多少mol/s？（注：假设蜡烛组成为纯饱和烃，燃烧产物为CO2和H2O）
【参考答案】
蜡烛中的蜡在火焰加热下熔化，由毛细作用进入蜡芯并在火焰中气化，在火焰的边缘上与氧相遇而发生燃烧。火焰产生的热气密度低于周围的冷空气，因而上升，氧气为正常浓度的冷空气被“吸入”，形成如右图所示的对流模式。在地表上，燃料燃烧时氧的供给同时受对流和火焰附近的浓度梯度所造成的扩散所制约。在失重条件下，供氧只能靠扩散作用，因而供氧速率下降，所以明亮的火焰连几分之一秒都难以维持！
蜡烛完全燃烧时的化学反应为：(CH2)n＋1.5nO2→nCO2＋nH2O
若略去饱和烃分子两端的氢，可以认为每1mol(14g)(CH2)n饱和烃要消耗1.5mol O2。氧的消耗速率为4×10－4mol/s
十．两支点燃的蜡烛，一高一低（高差不大），欲用一只透明无底的可乐瓶制的罩子（比蜡烛高得不太多）将它们罩起来，不久，高的蜡烛先熄灭，为什么？在发生火灾时，会产生不少有害气体，人在逃离火灾时是用直立身子跑离火灾区，还是弯着腰跑离火灾区，为什么？
【参考答案】
因为CO2不助燃，在常温下CO2比空气密度大，它将沉于下方，似乎应该低的蜡烛先熄灭。但在这个实验中，CO2是在燃烧中产生的，它的温度远比周围空气的温度高得多，所以它的密度比较“冷”的空气小，故它升在上方，使高的蜡烛先熄灭。
基于同样的原因，火灾中产生的有毒气体，由于它的温度高会升在上方，所以人跑离火灾区时要弯着腰。
十一．某地区久旱不雨，气象部门预测该地区某日12km上空有浓重的降水云气通过。该地区拟用单级小火箭发射某种物质进行人工降雨。火箭的主要燃料是“偏二甲肼”，已知该化合物由C、H、N三种元素组成，WC＝40％，WH=13.33％，其分子量为60。通过结构分析可知，该物质分子中有一个氮原子以存在，且不与H原子直接相连。燃料的氧化剂是N2O4，燃烧产物只有CO2、H2O、N2，5.00g“偏二甲胼”完全燃烧时可放出212.5kJ热量。当火箭上升到 10km时燃料耗尽，剩余部分的质量为 30kg，它继续上升到降水云气层后爆炸，设空气的阻力恒为质量的0.05倍。
1．试列举2种可用作人工降雨的化学物质。
2．写出燃料燃烧的热化学方程式（有机物用结构简式表示）。
3．假设燃料燃烧放出的热量有 1/4转化为火箭在10km时的机械能，求所需“偏二甲胼”的质量。
【参考答案】
1．Ag、干冰
2．热化学方程式为
（l）＋N2O4（l）→2CO2（g）＋4H2O（g）＋N2（g）＋2250J
3．341.6g
本题是立足于现实生活的应用型和能力型综合试题。它以人工降雨为情景，以反应热、上抛运动、能量转换与守恒等为联系点和发散点，综合理化知识进行设问，实现了以知识立意向以能力立意的转变。
341.6（g）（远小于30kg，可忽略不计）。
十二．1993年10月21日，南京炼油厂310号油罐汽油泄漏，一拖拉机行驶至附近，随着轰的一声巨响，瞬间油罐起火爆炸，后经及时扑救，火于20个小时后基本扑灭，可十几支消防水龙头仍对油罐继续喷水6小时。10月24日，市环保部门对炼油厂和市区上空大气进行监测，测知其污染指标均没超过国家有关标准。试依据学过的化学知识回答：
1．310号油罐起火的原因？
2．火灭后为何要继续对油罐喷水？
3．市环保部门要监测大气中哪些有害气体？
4．用烧碱溶液可吸收其中一种气体，该气体在烧煤时也能放出，写出有关的化学方程式。
【参考答案】
1．由于油罐汽油泄漏，使油罐附近的空气中含有大量的汽油气体，当拖拉机行驶至附近时，发动机产生的火花或火星将空气中的汽油气体引燃，从而致使油罐起火爆炸。
2．火灭后还要继续对油罐喷水的原因是为了进一步降低油罐的温度，使其低于汽油的着火点，防止汽油重新燃烧，发生爆炸。
3．市环保部门要监测大气中的有害气体是SO2、CO、NO2等。
4．SO2＋2NaOH==Na2SO3＋H2O
十三．近些年来某些城市中的汽车超标排放尾气，大气污染十分严重。为减轻污染，北京、上海、长沙等城市已投入了很多的环保型车辆。这些车辆使用液化气作燃料，排放污染值只有普通车的1/5。现假定液化气只由C3H8（W=80%）和C4H10(W=20％)组成，且假定每完全燃烧lg C3H8或C4H8生成CO2和H2O（g）时均能放出热量50.00kJ。
1．试写出它们燃烧的热化学方程式。
2．某公共汽车满载时10t，假设每站上下车人数的质量相等，阻力是车重的0.05倍，最大输出功率为100kW。汽车从静止开始匀加速运动10s后达最大速度，然后以此速度行驶1.5krn，再匀减速运动10s到停止。已知：该线路全程16km，该汽车每天往返6趟，汽车发动机的效率为50％，问该汽车每天要消耗液化气多少千克？
【参考答案】
1．C３H8（g）＋5O2（g）→3CO2（g）＋4H2O(g)＋2200kJ
C4H10（g）＋13/2 O2（g）→4CO2（g）＋5H2O（g）＋2900kJ
2．19.8kg
本题结合社会生活中的热点问题，由理化为主干知识编写而成。
十四．为了降低汽车尾气对大气的污染，北京市有关部门拟用甲醇替代液化石油气作为公交车的燃料。
1．甲醇作为汽车燃料的好处是
2．1g甲醇在25℃时完全燃烧生成液态水时可放热24.2 kJ，据此写出甲醇燃烧生成100℃二氧化碳气体和水蒸气的热化学方程式（已知：水的比热是4.18J/g·℃，液化热为2253J/g，假设100℃时水完全汽化，忽略CO2吸热）
3．假设 1小时燃烧甲醇4.2 kg，其热效率为50％，若汽车的平均速率为36 km/h。估算其牵引力为 （热量按上题中热化学方程式计算）
【参考答案】
1．甲醇可由植物制得，燃烧产物是二氧化碳和水，对环境没有污染，属于“绿色能源”。
2．略
3．1232N
十五．酒精是一种优质液体燃料，它燃烧值高，无污染，无残留固体，但携带或运输则不如固体物质方便。如在酒精中加入一定的添加剂，可制出固体酒精。其配幼方法如下：
①将1kg NaOH加入10L 95％的酒精中溶解，配制成0.1g/mL的NaOH酒精溶液备用。
②将82L 95％的酒精和6.5kg硬脂酸加入带搅拌器和温度计的装置，用水浴加热至60～70℃，在不断搅拌下使硬脂酸全部溶解。
③加入0.5kg Cu(NO3)2，搅拌均匀。
④随后慢慢滴加配制的0.1g/mL的NaOH酒精溶液，使溶液保持微沸。整个过程约30min完成。
⑤放置冷却至50～60℃左右，将溶液倒入模具，凝固后用塑料袋包装即得成品。
该方法中制得的硬脂酸钠具有疏松框架结构，似海绵吸水一样“吸收”了酒精。该产品碱性低、灼烧残渣少，像蜡烛一样可以用刀任意切割，放在铁板、砖块等上面即可点燃，工艺简单，价格便宜，无污染。
阅读以上材料，思考并回答下列问题：
1．酒精是一种优良的有机溶剂，为什么能用酒精来配制0.1g/mL的NaOH酒精溶液？
2．NaOH是强碱，但制成的固体酒精碱性很低。试通过计算说明原因。
3．此固体酒精燃烧后剩余的少量残渣是什么物质？
4．为什么要在固体酒精中加入硝酸铜？
5．在固体酒精的制作过程中，为什么不直接用较廉价的硬脂酸钠，而要用新制（NaOH和硬脂酸在混合溶液微沸的情况下制取）的硬脂酸钠？
【参考答案】
1．乙醇中含有极性基团－OH，是极性分子，NaOH是离子化合物，据相似相溶原理，NaOH可溶于酒精溶液中。
2．NaOH 25 mol；硬脂酸22.89mol；C u(NO3)2 2.66mol
中和硬脂酸需NaOH为22.89mol，剩下的2.11mol NaOH与Cu(NO3)2反应消耗掉，故固体酒精碱性很低。
3．固体酒精是由硬脂酸钠、NaNO3、Cu(NO3)2、Cu(OH)2和乙醇组成，点燃后有的燃烧，有的分解，所以残渣由CuO、NaNO2、Na2CO3组成。
4．加入硝酸铜的目的一是反应掉剩余的NaOH，二是生成的NaNO2和剩余的Cu(NO3)2。在高温下具强氧化性，能充分氧化硬脂酸钠，使固体酒精燃烧充分。
5．固体酒精的形成是因硬脂酸钠内部有无数小孔，形成了较大的表面积，吸附能力大大增强，所以能像海绵一样吸住酒精。事先制的硬脂酸钠是实心块状的，难形成较多的微孔；在新制硬脂酸钠的过程中，加热保持微沸，有利于形成更多的徽孔，能大大增强其负荷乙醇的能力。
十六．1．火药是我国古代炼丹家发明的。 朝中期的书籍里，已经记载了制成火药的方法。北宋时期在 上已广泛使用火药。到了元朝，火药和火药武器经由 人传到了欧洲。
2．黑火药的成份是硝酸钾、硫磺和木炭。若黑火药爆炸时生成了硫化钾、氮气和二氧化碳，则所发生反应的化学方程式为。在这个反应中，被还原的元素是 。当有 36 g碳元素全部反应时，可生成标况下气体 L，在1.01×105 Pa时，这些气体若被加热到100℃，体积变成 L。
3．黑火药可制成鞭炮，燃放鞭炮对环境会产生危害，其中比较严重的危害有 （写出二条）。
4．据报道，2000年除夕夜，在北京市丰台区一禁放烟花爆竹地区，发生一起与燃放鞭炮有关的惨剧。事件过程是：几个小孩将点燃的鞭炮塞到化粪池中，引起化粪池内沼气爆炸，并将铁制井盖炸碎炸飞，其中一块正好击中一女孩头部，女孩不幸身亡。沼气的主要成份是 ，它在空气里的爆炸极限是含该气体 5％～15％（体积分数）。该气体完全燃烧生成液态水时放热 55.625 kJ，则该气体燃烧的热化学方程式为
5．假设上题中化粪池竖井是一个直径0.7m，高3m的圆柱体，含沼气 5％。化粪池井盖质量为 20 kg，平均炸成十块，求一块铁片飞出的速度是多少？（假设化粪池中气体是在标况下）
6．某学生在禁放区放鞭炮，受到居委会主任的制止。这位学生认为，节日放鞭炮是为增添节日气氛，这是他个人的权利，别人无权干涉。请回答：从权利和义务的关系上看，这位学生的理由为什么是错误的？
【参考答案】
1．唐 军事 阿拉伯
2．2KNO3＋S＋3C→K2S＋N2↑＋3CO2↑ 硫和氮 89.6 122.4
3．噪声污染、二氧化硫等对空气的污染
4．甲烷；略
5．47.8m/s
6．权利与义务是统一的。公民都享有宪法和法律规定的权利，同时必须履行宪法和法律规定的义务。只想享有权利，不愿履行义务，或者想少尽义务而多享受权利，都是错误的。
十七．现在一种能简便、快速富集氧气的新技术以引起国外工业、农业、卫生、科研等部门的热切关注，它叫富氧膜技术。应用该技术能将空气中氧气体的体积分数由20％提高到24％～40％。它是一种节能、高效、防污染的新技术，因而受到人们的广泛关注。
1．传统的方法是 的物理方法得到高浓度的氧气，能耗大、设备繁且操作也不方便。
2．我国科学家在1987年研制出了富氧浓度为28％～30％的有机硅一聚钒富氧膜及装置。该装置具有重要用途。例如将该装置用于池塘养鱼可 （填“提高”、“降低”）溶解氧的浓度，从而提高鱼苗养殖密度和鱼产量，这是因为鱼儿进行生命活动是由 （填“有氧”、“无氧”）呼吸提供能量来消耗氧气，若氧气不足，高密度养殖会使鱼儿发生窒息性死亡。
3．如将该装置用于玻璃和工业锅炉，可以节能15％，这是为什么？
4．如果设想将该装置产生的富氧空气用于汽车发动机作为助燃气体会有哪些优点？
【参考答案】
1．传统制氧是降温加压使空气变为液态空气，再分馏得到高浓度氧气。
2．提高 有氧
3．可使熔炉或锅炉内燃料充分燃烧而节约能源（热效率提高）
4．具有的优点是节能消烟、提高功率；降低大气污染的作用；富氧供给使汽、柴油机排出的CO和NO污染物大为减少。
十八．内燃机是将化学能转化为机械能的装置，根据燃料的不同可分为汽油机和柴油机等类型。汽油机和柴油机的工作原理均为利用燃料燃烧产生大量的气体和热能，推动活塞进行往复运动。汽油机和柴油机工作原理的区别在于压缩的工作物质和点火方式的不同：汽油机是将汽油雾化后和空气混合，利用活塞下行吸入汽缸，然后活塞上行进行压缩，到一定体积（活塞几乎上行到顶端）后采用火花塞（也称火嘴，一种采用高压放电产生火花的装置）打火，从而点燃混合气体，使之体积剧烈膨胀，推动活塞下行。当活塞下行到底部时，活门打开，并利用二次上行的压力排出气体，完成一个循环过程；而柴油机则是吸入空气进行压缩，到一定程度产生高温高压后喷入雾化的柴油，由于此时压缩空气的温度已经超过了柴油的燃点，柴油立即燃烧推动活塞上行。柴油机的压缩比远高于汽油机（这也是柴油机效率高于汽油机的原因之一）。试根据上述信息回答下列问题：
1．内燃机推动活塞往复的直线运动可通过连杆和 转化为圆周运动，从而驱动车辆和其它机械进行运转。
2．某195柴油机的压缩比为1:20，室温27℃，大气压强1.01×105Pa。压缩到最大限度时，气缸内的压强为3.03×106Pa，此时混合气体的温度是 ℃
3．检测发动机尾气发现，汽油机尾气中氮氧化物（以NOx表示）的含量远高于柴油机尾气，请解释原因，并写出相关的化学方程式。
4．由石油分馏而得到的汽油称直馏汽油，由裂化而得到的汽油称裂化汽油。单从使用效果看，汽油机一般使用何种汽油为宜，为什么？
5．若汽油机使用的汽油（辛烷C8H18）在气缸内完全燃烧，则空气的质量与辛烷的质量之比x值为 ；若空气的质量与辛烷的质量之比大于x值，则尾气中有害气体含量较多的是 ；若空气的质量与辛烷的质量之比小于x值，则尾气中有害气体含量较多的是 。
6．为减少汽车对城市大气的污染，1998年6月我国成功地开发出了以新燃料作能源的“绿色汽车”，这种汽车可避免有毒的有机铅、苯和苯的同系物以及多环芳烃的排放，保护环境。这种“绿色汽车”的燃料是
A 甲醇 B 汽油 C 柴油 D 重油
7．汽车尾气除上述NOx有毒气体外，还有燃料未完全燃烧的还原性气体以及SO2气体等。目前治理的方法是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”（用铂、钯合金作催化剂），使上述气体反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使燃料充分燃烧及SO2的转化，但“催化转换器”能在一定程度上提高空气的酸度。请问这是为什么？写出相应的化学反应方程式，并请你想出两种控制城市空气污染源的方法。
8．某日，一少女所驾驶的摩托车遭飞贼抢劫，此时少女迅速拿出一小物件，对着已逃出几十米开外的摩托车一按按钮，只见摩托车立即熄火停车而将飞贼抛出老远。你认为这种“遥控停车装置”最可能的原理是什么？
9．你站在离路口几十米的地方观察红绿灯下等候通行的两辆外形完全相同的大卡车，如何判断哪一辆是采用的柴油机？
10．柴油平均含碳约85％，含氢约14％。前几年的报刊杂志上报道了“中国的第五大发明”：把25％的柴油和75％的水混合起来，加少量“膨化剂”，就可以变成“膨化柴油”，简称“水变油”。据说，它和天然的柴油有相同的热值。此“发明”得到包括我国某名牌大学校长在内的若干位教授专家的肯定，并通过了“鉴定”；但同时被中科院何柞麻院士等一大批教授、专家所否定。问：“水变油”是否可能？请你设计一个实验思路（不必详述实验操作过程），证明水是否能变成油？
11．展望21世纪，人类最理想的燃料是什么？为什么？目前存在的主要问题是什么？
【参考答案】
内燃机原理及其相关知识涉及到物理、化学、环保等方面的知识，比较适合编写理科综合试题。本题涉及的知识有：物理知识——机械原理；气态方程、遥控原理等；化学知识——汽油和柴油的组成、物质燃烧原理、放电条件下的氮氧化合、简单石油化工、环境化学、原子核的初步知识等。题中还特意设置了一道揭露类似于“法轮功”的伪科学试题，有助于考生提高辨别真伪科学的能力。从设题的特点看，本题仍采用“平行式”命题，题中有客观性命题，也有具有创意性的主观性命题，这有利于检查考生文理科的综合素质。
1．据初中物理中的机械原理知：内燃机的活塞运动是通过连杆和曲轴转换为圆周运动，从而驱动汽车的。
2．由气态方程知 T＝627℃
3．汽油机的点火方式为电火花点火，此时空气中的氮气和氧气化合。（反应式略）
4．因裂化汽油中含大量的不饱和烃，活性高，易被氧化，不稳定，故过去汽油机一般使用直馏汽油。
5．汽油燃烧较复杂，可写为2 C8H18＋17O2→16CO＋18H2O（不完全燃烧），2 C8H18＋25O2→16CO2＋18H2O（完全燃烧）。由此方程式很容易算出x＝14.7。若空气的质量与辛烷的质量之比大于x，则尾气中有害气体多为NOx或NO和NO2；反之，则为CO。
6．因汽油、柴油和重油这些从石油中提取的矿物燃料燃烧后会对环境造成污染，故应选用A。
7．本小题涉及环保问题，由题给信息可知：（反应式略），故空气的酸度提高。要控制城市污染源，必须控制矿物燃料的用量，如使用电动车、开发和使用氢能源等。
8．根据燃烧三要素，欲使摩托车熄火，可从三个角度考虑：一是停止供油，二是停止供空气，三是不点火。前两种角度涉及到油路或气体通道的机械控制，遥控技术复杂，可靠性差，唯有通过断开火花塞供电电源使之不能点火最简便易行。据此可简答成：利用遥控器断开火花塞电源，即可停车。
9．由于距离较远，无法通过闻气味、听声音来区别。可根据柴油比汽油的碳原子多，含碳量高，燃烧时冒黑烟来区别。可简答成：观察汽车的排气管，由停车怠速状态加油起步时冒黑烟的是柴油机，这是因为柴油中的烃分子比汽油大，突然加油时燃烧不充分所致。
10．本小题意在揭露伪科学。水的组成是11％的氢和89％的氧，柴油平均为14％的氢和85％的碳。水要变成柴油，水中的氧元素必须定量地分别变成氢、碳两种元素，例如： O→C＋4H， 3O→4C这涉及到原子核的碎裂与重组，需要极高的能量（类似于原子弹爆炸的变化），少量的“膨化剂”难以提供如此高的能量，可见，“水变油”难成事实。鉴定的方法是，在防伪的条件下，对现场配制的“膨化柴油”与柴油同时进行化学分析，看看彼此的元素组成是否相同或相近似，以说明氧是否变成了碳和氢；也可进行同位素分析，如果氧变成氢和碳，则其同位素含量一定不同于柴油中的氢和碳。
11．因氢气的燃烧值大，且燃烧后生成水，无污染，故为理想的燃料。目前存在的问题是：水具有很高的热稳定性，即使加热到2000K，也只有0.588％的水分解成氢气和氧气，必须寻找一种方法，使水在常温下分解。
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