化学人教版九年级上册燃烧的合理利用与开发

燃料的合理利用和开发刘明
一、教学目的要求
1.知道化石燃料是人类社会重要的自然资源，对人类生活起着重要作用；同时，了解化石燃料的不可再生性，认识合理开采和节约使用化石燃料的重要性。

2.知道石油炼制出的几种主要产品及其用途。

3.了解化学反应中的能量变化，认识燃料充分燃烧的重要性。

二、本课题分析
化石燃料是生活和生产中常用的燃料，煤、石油和天然气等对于学生来说也并不陌生。

所以，本课题采用活动与探究的编写方式，通过学生自己思考、阅读和讨论，来学习有关煤和石油的知识，以培养学习的能力。

关于天然气，则是从认识其主要成分出发，通过实验，进一步认识燃料的燃烧和应用。

在了解化石燃料对人类所起的重要作用的同时，让学生对化石燃料的使用年限进行估算，以认识到合理开发和节约使用资源的重要性。

本单元通过燃烧反应中热量的利用，引出化学反应中的能量变化，从而认识到化学反应的重要作用。

教学建议如下：
1.关于煤和石油，可参照书中的形式，引导学生思考、阅读、讨论。

也可根据实际情况进行教学，如采用预先进行调查(查阅书籍、报刊、上网、参观访问等)，课上讨论等。

2.关于天然气，通过实验引导学生观察和分析，写出化学方程式。

农村的学校可结合当地的情况，讨论沼气的利用。

3.关于化学反应与能量，结合实验和讨论，了解化学反应中伴随能量变化的现象。

对于燃料的充分燃烧，根据学生的情况，可采用讨论的形式组织教学。

4.可根据具体情况，选学拓展性课题“煤和石油的综合利用”。

三、实验说明和建议
【实验7-3】联系氢气和一氧化碳点燃前必须验纯的知识，指出甲烷点燃前也必须验纯，否则可能发生爆炸(按体积分数计爆炸极限为5%～15%)，以此说明煤矿井内严禁烟火的重要性。

四、部分习题参考答案及说明
1. (1)A (2)C
五、资料
1.可燃冰──天然气水合物
可燃冰外观为无色透明冰状晶体，是一种气体水合物。

早在1778年英国化学家普利斯特里(J.Priestley)就着手研究哪些气体可以生成气体水合物，以及生成气体水合物的温度和压力条件。

1934年，人们发现，在油气输送管道和加工设备中有冰状固体堵塞现象，经研究证明，这些固体不是冰，而是比冰熔点高的气体分子水合物。

当时研究的目的是如何抑制和防止气体分子水合物堵塞管道和设备问题。

1965年，前苏联科学家预言，天然气水合物可能存在于海洋底部的地表层中，后来他们在西伯利亚冻土带发现了天然气水合物。

从此，各国政府和科学家对天然气水合物作为潜在的能源，产生了极大的兴趣。

30多年来，对天然气水合物的结构、性能、形成、开采和应用进行了研究，使人们对天然气水合物有了比较深入的了解。

(1)天然气水合物的形成与储藏
天然气水合物，或称甲烷水合物，是笼型水合物，属于主客体化合物。

水分子间以氢键相互吸引构成笼子，作为主体，甲烷作为客体居于笼中，以范德华力与水分子相互吸引而形成笼型水合物。

笼子的空间与气体分子的大小必须匹配，才能形成稳定的笼型水合物。

除甲烷外，Ar、Kr、O2、N2、乙烷、丙烷、氯氟烃和硫化物等都可作为客体形成笼型水合物。

图 7-1 笼型水合物结构
应用X射线衍射等技术已确定不同大小笼型水合物的结构，有的呈五角十二面体，有的呈五角六角十六面体等。

甲烷水合物形成的条件为：
①温度不能太高。

海底的温度是2 ℃至4 ℃，适合甲烷水合物的形成，高于20 ℃就分解。

②压力要足够大。

在0 ℃时，只需要3 MPa就可形成甲烷水合物。

海深每增加10 m，压力就增大0.1 MPa，因此海深300 m就可达到3 MPa，越深压力越大，甲烷水合物就越稳定。

估计海深300 m至2 000 m应有甲烷水合物存在。

③要有甲烷气源。

一般认为，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解会产生甲烷；还有人认为，石油和天然气是在地球深处(地幔)产生并不断进入地壳的；海底岩层是多孔状介质。

在上述三个条件具备的情况下，可在介质的空隙中生成甲烷水合物。

甲烷分子被若干个水分子形成的笼型结构接纳，生成甲烷笼型水合物，分散在海底岩层的空隙中。

在常温常压下，甲烷水合物即分解为甲烷和水。

1 m3的“可燃冰”可释放164 m3的甲烷，所以，“可燃冰”可看作高度压缩的天然气。

最有可能形成甲烷水合物的区域是：(1)高纬度的冻土层。

如美国的阿拉斯加、俄罗斯的西伯利亚都已有发现，而且俄国已开采近20年。

(2)海底大陆架斜坡。

如美国和日本的近海海域，加勒比海沿岸及我国南海和东海海底均有储藏，估计我国黄海海域和青藏高原的冻土带也有储藏。

估计全世界甲烷水合物的储量达1.87×1017m3(按甲烷计)，是目前煤、石油和天然气储量的二倍，其中，海底的甲烷水合物储量占99%。

(2)如何开采甲烷水合物
天然气是洁净能源，燃烧后不产生二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等污染物。

甲烷水合物是继化石燃料之后的潜在能源。

由于甲烷水合物是分散分布在岩石的孔隙中，难以开采。

如果开采不当，甲烷气体逸入大气，将会使地球温室效应大大增强，造成灾难。

甲烷在大气中占0.5%，但它造成的温室效应却是CO2温室效应的20倍。

目前提出开采的设想有：(1)热解法；(2)降压法；(3)置换法。

因CO2比甲烷易形成水合物，如将液态CO2送入海底，就可置换出笼型水合物中的甲烷。

不管用哪种方法开采，都必须保证甲烷水合物中的甲烷不逸散到大气中，否则将引起灾难性后果。

目前，世界各国科学家和我国科学家都在加紧研究这一技术课题。

2.燃料电池
燃料电池是一种化学电池，它将物质发生化学反应时释出的能量直接转变为电能。

燃料电池与普通化学电池不一样，它工作时需要外界连续地向其供给燃料和氧化剂。

正是由于它是把燃料进行化学反应释放出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。

燃料电池在结构上与蓄电池相似，由正极、负极和电解液组成，两极多是由铁、镍等惰性微孔材料制成，它们有利于气体燃料及空气或氧气通过，但不参与化学反应。

以氢氧燃料电池为例，电池工作时，从负极将氢气输送进去，从正极将氧气输送进去，氢气和氧气在电池内部发生电化学反应，使燃料的化学能转变为电能。

除了氢气，甲烷、煤气等也可作为燃料电池的燃料。

目前，已研制成功铝空气燃料电池，它是用纯铝作负极，空气作正极。

铝空气电池可以代替汽油作为汽车动力。

这种电池还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。

燃料电池具有能量转化率高，对环境污染小，工作时安静且无机械磨损等许多优点，今后将会在汽车、通讯等许多方面得到应用。