資源簡介

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
［核心素養發展目標］　1.了解汽車燃料，嘗試選擇、優化車用燃料，建立化學反應中物質變化與能量變化的關聯，初步形成利用化學反應中的物質變化和能量變化指導生產實踐的基本思路，體會化學科學對社會發展的貢獻，培養“科學態度與社會責任”的學科素養。2.通過設計安全氣囊，初步形成從化學反應中的物質變化和能量變化及反應速率的視角科學解決實際問題的思路和方法，培養“科學探究”的精神。
項目活動1　選擇車用燃料
1.車用燃料發展史
(1)1769年，法國人居紐最早使用　　作汽車燃料，這種汽車行駛速度慢，笨重而且不能長時間行駛。
(2)1885年，德國工程師卡爾·本茨制造了用　　　作燃料的汽車，這種燃料汽車行駛速度快、輕便，便于長時間、長距離行駛。
(3)現代汽車燃料仍在不斷優化，現已廣泛使用電能為能源的汽車，氫能源汽車也逐步走進現實生活。
2.車用燃料的反應原理
庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一，已知庚烷在汽缸中會發生反應：　　　　　　　　　　　　　。
思考1　(1)試從化學鍵的角度計算1 mol庚烷(C7H16)燃燒產生CO2和水蒸氣所釋放的能量。
則：1 mol庚烷燃燒產生CO2和水蒸氣所釋放的能量為　　　　。
(2)試用能量變化圖像表示庚烷燃燒的過程。
3.車用燃料的選擇
(1)能量角度
燃料發生的化學反應所釋放能量的多少，燃料達到燃點所吸收能量的多少。
(2)經濟角度
燃料的來源和價格滿足價廉易得。
(3)環境角度等
燃料和產物對環境無污染或污染小。
思考2　如圖為三種可燃物在空氣中燃燒的能量變化圖，試分析哪種作汽車燃料較好？為什么？
4.汽車尾氣的成分及防治
(1)尾氣成分：汽車尾氣中含有150~200種化合物，其中對環境不利的成分主要為　　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　　、　　　　，以及微量的醛、酚、過氧化物等。
(2)主要污染物來源：一氧化碳來自燃料的不完全燃燒，一氧化氮來自高溫或放電條件下N2和O2的反應，二氧化硫來源于含硫化合物的燃燒，碳氫化合物來源于燃料未燃燒或未完全燃燒的燃油、潤滑油及其產物等。
(3)尾氣的防治
汽車尾氣的防治，從根本上是開發新能源，如太陽能、氫能源等。
下圖為汽車尾氣處理系統中“三元催化器”的工作原理，試從氧化還原反應的角度，書寫NO和CO在催化劑作用下生成無害物質的化學方程式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
1.判斷正誤
(1)車用燃料達到燃點所需能量越高越好(　　)
(2)柴油中碳的含量比汽油高，若改用柴油作為汽車的燃料，則可以相對減少污染(　　)
(3)三元催化器能將汽車尾氣轉化為無害物質(　　)
(4)開發新能源是控制城市空氣污染源的方法之一(　　)
2.近年來，我國許多城市禁止汽車使用含鉛汽油的主要原因是(　　)
A.提高汽油燃燒效率 B.降低汽油成本
C.避免鉛污染大氣 D.鉛資源短缺
3.近年來，多地公共汽車大部分采用天然氣作為汽車的燃料，其主要目的是(　　)
A.防止石油短缺
B.降低成本
C.減少對大氣的污染
D.加大發動機的動力
4.汽車尾氣(含有碳氫化合物、CO、NOx、SO2等)是城市空氣的主要污染源，治理方法之一是在汽車排氣管上安裝“催化轉化裝置器”。它能使CO和NOx反應生成可參與大氣生態環境循環的無毒氣體，并使碳氫化合物充分燃燒，使SO2轉化。下列說法正確的是(　　)
A.CO和NOx反應的化學方程式為2xCO+2NOx2xCO2+N2
B.上述方法的缺點是導致空氣中CO2的含量增大，從而大大提高空氣的酸度
C.植樹造林，增大綠化面積，可有效控制城市的各種污染源
D.汽車改用天然氣或氫氣作為燃料，可以減少對空氣的污染
項目活動2　設計安全氣囊
1.現代安全氣囊系統的組成：　　　　　　、　　　　　　、　　　　　　　及其控制系統等。
2.氣體發生器中的物質
汽車安全氣囊系統中使用的作為氣體發生劑的物質一般具有　　　　　、　　　　　、　　　　　、　
　　　　、　　　　　等特點。目前使用的氣體發生劑主要由　　　　　　　、　　　　　　　、　　
　　　　　等物質按一定比例混合而成。
3.已知NaN3受到撞擊時，會發生反應：2NaN32Na+3N2↑，同時放出大量的熱，結合已有知識設計安全氣囊中所加入的物質及作用。
方案 選擇化學試劑的思路 選擇的化學藥品 化學藥品的作用
1 試劑發生反應放出大量氣體將氣囊迅速脹開，輔助試劑吸收熱量及腐蝕性物質，防止二次傷害 NaN3、Fe2O3、NH4NO3 NaN3分解產生大量氣體；Fe2O3吸收NaN3產生的Na；NH4NO3吸收產生的熱量，同時釋放大量氣體
2 試劑發生反應放出大量氣體將氣囊迅速脹開，輔助試劑吸收熱量及腐蝕性物質，防止二次傷害 NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3 NaN3分解產生大量氣體；Fe2O3吸收Na生成Na2O和Fe，KClO4作助氧化劑，吸收Na生成KCl和Na2O；NaHCO3吸收熱量，同時釋放CO2
3 試劑反應放出大量氣體，輔助試劑吸收熱量及腐蝕性物質 NaN3、KNO3、SiO2 NaN3分解產生大量氣體；KNO3吸收Na生成K2O、Na2O和N2；SiO2和生成的K2O及Na2O反應生成K2SiO3、Na2SiO3
寫出上述三個方案中相關反應的化學方程式：
(1)Fe2O3和Na反應：　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)NH4NO3分解生成N2O和H2O：　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)KClO4和Na反應生成Na2O和KCl：　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)SiO2和Na2O反應生成Na2SiO3：　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)SiO2和K2O反應生成K2SiO3：　　　　　　　　　　　　　　　　　。
思考　通過為安全氣囊選擇氣體發生劑，你對化學反應的利用有了哪些新的認識？
1.判斷正誤
(1)安全氣囊系統是一種被動安全性的保護系統(　　)
(2)安全氣囊從技術上講其實是一種化學反應，能夠生成氣體來填充囊袋(　　)
(3)開車時必須系上安全帶，否則的話安全氣囊會對人體造成傷害(　　)
(4)可以用水去直接沖洗安全氣囊位置(　　)
2.(2024·青島高一檢測)目前汽車安全氣囊的氣體發生劑主要由疊氮化鈉、三氧化二鐵、硝酸銨等物質組成，下列說法正確的是(　　)
A.安全氣囊打開時，產生的氣體只有氮氣
B.硝酸銨的作用只是吸收疊氮化鈉分解產生的熱量
C.三氧化二鐵的作用是與金屬鈉反應，防止鈉造成二次傷害
D.硝酸銨性質很穩定
3.某汽車安全氣囊的氣體發生劑含有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物質。當汽車發生碰撞時，氣體發生劑產生大量氣體使氣囊迅速膨脹，從而起到保護作用。
(1)NaN3是產氣劑，受到撞擊后分解產生N2和Na，N2的電子式為　　　　　。
(2)Fe2O3是主氧化劑，與Na反應生成的還原產物為　　　　　　　　(已知該反應為置換反應)。
(3)KClO4是助氧化劑，反應過程中與Na作用生成KCl和Na2O。KClO4含有化學鍵的類型為　　　　　　　，K的原子結構示意圖為　　　　　。
(4)NaHCO3是冷卻劑，通過吸收產氣過程中釋放的熱量而發生分解，其化學方程式為　　　　　　　　
　　　　　　　　　。
(5)100 g上述產氣藥劑產生的氣體通過堿石灰后得到N2 33.6 L(標準狀況)。
①用堿石灰除去的物質為　　　　　　　　　。
②該產氣藥劑中NaN3的質量分數為　　　　。
答案精析
項目活動1　選擇車用燃料
1.(1)煤　(2)汽油
2.C7H16(g)+11O2(g)7CO2(g)+8H2O(g)
思考1　(1)3 820.4 kJ
(2)
3.思考2　選用A燃料較好，因為該燃料在燃燒時，達到燃點所需要吸收的能量少，且可燃物燃燒反應所釋放的能量多。
4.(1)碳氫化合物　氮氧化物　一氧化碳　二氧化碳　二氧化硫　硫化氫　(3)2NO+2CON2+2CO2
應用體驗
1.(1)×　(2)×　(3)√　(4)√
2.C
3.C　［因為石油中含較多雜質如硫元素，燃燒后生成大氣污染物二氧化硫，雜質較多時，碳不完全燃燒產生一氧化碳多；而天然氣含有雜質少，天然氣的主要成分是甲烷，甲烷燃燒的化學方程式為CH4+2O2 CO2+2H2O，所以采用天然氣作為汽車的燃料，燃燒充分，燃燒時產生的一氧化碳少，對空氣污染小。］
4.A
項目活動2　設計安全氣囊
1.碰撞傳感器　緩沖氣囊　氣體發生器
2.生成物清潔　低腐蝕　有毒組分含量低　產氣量大　產氣快　疊氮化鈉　三氧化二鐵　硝酸銨
3.(1)Fe2O3+6Na3Na2O+2Fe
(2)NH4NO3N2O↑+2H2O↑
(3)KClO4+8NaKCl+4Na2O
(4)Na2O+SiO2Na2SiO3
(5)K2O+SiO2K2SiO3
思考　從化學反應速率的角度考慮，安全氣囊產生氣體的速率要快。
從化學反應中能量變化的角度考慮，NH4NO3可以吸收NaN3分解放出的熱量，同時考慮到NH4NO3自身的性質，其吸熱發生分解反應生成更多的氣體，符合安全氣囊產氣量大的要求。
從化學反應中物質變化的角度考慮，NaN3受到撞擊后生成有潛在危險的Na，因此應選擇Fe2O3消耗生成的Na，將其轉化成較為安全的Na2O。
應用體驗
1.(1)√　(2)√　(3)√　(4)×
2.C　［由題述物質組成的氣體發生劑在安全氣囊打開時，產生的氣體有氮氣、N2O和水蒸氣，A項錯誤；硝酸銨的作用是吸收疊氮化鈉分解產生的熱量，同時分解產生氣體，B項錯誤；三氧化二鐵的作用是與金屬鈉反應，生成鐵和較為安全的氧化鈉，C項正確；硝酸銨受熱或撞擊時發生分解，性質不穩定，D項錯誤。］
3.(1N 　(2)Fe(或鐵)　(3)離子鍵和共價鍵　　(4)2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O↑　(5)①CO2、H2O　②65%
解析　(2)根據置換反應的通式：一種單質+一種化合物另一種單質+另一種化合物，可知生成物為鐵和鈉的氧化物。(5)①產氣過程中會產生N2、CO2和水蒸氣，堿石灰可以吸收CO2和水蒸氣。②根據2NaN3~3N2，則n(NaN3)=×=1 mol，則m(NaN3)=1 mol×65 g·mol-1=65 g，故NaN3的質量分數為×100%=65%。(共34張PPT)
——利用化學反應解決實際問題
微項目　
研究車用燃料及安全氣囊
第2章
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核心素養
發展目標
1.了解汽車燃料，嘗試選擇、優化車用燃料，建立化學反應中物質變化與能量變化的關聯，初步形成利用化學反應中的物質變化和能量變化指導生產實踐的基本思路，體會化學科學對社會發展的貢獻，培養“科學態度與社會責任”的學科素養。
2.通過設計安全氣囊，初步形成從化學反應中的物質變化和能量變化及反應速率的視角科學解決實際問題的思路和方法，培養“科學探究”的精神。
內容索引
項目活動1　選擇車用燃料
項目活動2　設計安全氣囊
選擇車用燃料
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項目活動1　
1.車用燃料發展史
(1)1769年，法國人居紐最早使用___作汽車燃料，這種汽車行駛速度慢，笨重而且不能長時間行駛。
(2)1885年，德國工程師卡爾·本茨制造了用_____作燃料的汽車，這種燃料汽車行駛速度快、輕便，便于長時間、長距離行駛。
(3)現代汽車燃料仍在不斷優化，現已廣泛使用電能為能源的汽車，氫能源汽車也逐步走進現實生活。
項目活動1　選擇車用燃料
煤
汽油
2.車用燃料的反應原理
庚烷(C7H16)是汽油的主要成分之一，已知庚烷在汽缸中會發生反應：
____________ ____________________。
C7H16(g)+11O2(g) 7CO2(g)+8H2O(g)
(1)試從化學鍵的角度計算1 mol庚烷(C7H16)燃燒產生CO2和水蒸氣所釋放的能量。
則：1 mol庚烷燃燒產生CO2和水蒸氣所釋放的能量為 。
3 820.4 kJ
(2)試用能量變化圖像表示庚烷燃燒的過程。
答案
3.車用燃料的選擇
(1)能量角度
燃料發生的化學反應所釋放能量的多少，燃料達到燃點所吸收能量的多少。
(2)經濟角度
燃料的來源和價格滿足價廉易得。
(3)環境角度等
燃料和產物對環境無污染或污染小。
如圖為三種可燃物在空氣中燃燒的能量變化圖，試分析哪種作汽車燃料較好？為什么？
提示　選用A燃料較好，因為該燃料在燃燒時，達到燃點所需要吸收的能量少，且可燃物燃燒反應所釋放的能量多。
4.汽車尾氣的成分及防治
(1)尾氣成分：汽車尾氣中含有150~200種化合物，其中對環境不利的成分主要為 、 、 、 、 、______，以及微量的醛、酚、過氧化物等。
(2)主要污染物來源：一氧化碳來自燃料的不完全燃燒，一氧化氮來自高溫或放電條件下N2和O2的反應，二氧化硫來源于含硫化合物的燃燒，碳氫化合物來源于燃料未燃燒或未完全燃燒的燃油、潤滑油及其產物等。
碳氫化合物
氮氧化物
一氧化碳
二氧化碳
二氧化硫
硫化氫
(3)尾氣的防治
汽車尾氣的防治，從根本上是開發新能源，如太陽能、氫能源等。
下圖為汽車尾氣處理系統中“三元催化器”的工作原理，試從氧化還原反應的角度，書寫NO和CO在催化劑作用下生成無害物質的化學方程式： 。
2NO+2CO N2+2CO2
1.判斷正誤
(1)車用燃料達到燃點所需能量越高越好
(2)柴油中碳的含量比汽油高，若改用柴油作為汽車的燃料，則可以相對減少污染
(3)三元催化器能將汽車尾氣轉化為無害物質
(4)開發新能源是控制城市空氣污染源的方法之一
應用體驗
×
×
√
√
2.近年來，我國許多城市禁止汽車使用含鉛汽油的主要原因是
A.提高汽油燃燒效率 B.降低汽油成本
C.避免鉛污染大氣 D.鉛資源短缺
√
為了防止震動，常在汽油中加入抗震劑，四乙基鉛有很好的抗震作用，被廣泛采用。后來發現加入的四乙基鉛只有20%起了作用，其余80%隨尾氣排入大氣，含鉛化合物對人體有很大的危害，可通過呼吸或皮膚吸收進入人體，影響神經系統，造成意識障礙，引起幻聽、幻視、抽搐、昏迷直至死亡，尤其影響兒童智力發育，因此當前各國都采用其他抗震劑而不采用鉛制劑。
3.近年來，多地公共汽車大部分采用天然氣作為汽車的燃料，其主要目的是
A.防止石油短缺
B.降低成本
C.減少對大氣的污染
D.加大發動機的動力
√
因為石油中含較多雜質如硫元素，燃燒后生成大氣污染物二氧化硫，雜質較多時，碳不完全燃燒產生一氧化碳多；而天然氣含有雜質少，天然氣的主要成分是甲烷，甲烷燃燒的化學方程式為CH4+2O2 CO2+2H2O，所以采用天然氣作為汽車的燃料，燃燒充分，燃燒時產生的一氧化碳少，對空氣污染小。
4.汽車尾氣(含有碳氫化合物、CO、NOx、SO2等)是城市空氣的主要污染源，治理方法之一是在汽車排氣管上安裝“催化轉化裝置器”。它能使CO和NOx反應生成可參與大氣生態環境循環的無毒氣體，并使碳氫化合物充分燃燒，使SO2轉化。下列說法正確的是
A.CO和NOx反應的化學方程式為2xCO+2NOx===2xCO2+N2
B.上述方法的缺點是導致空氣中CO2的含量增大，從而大大提高空氣
的酸度
C.植樹造林，增大綠化面積，可有效控制城市的各種污染源
D.汽車改用天然氣或氫氣作為燃料，不會減少對空氣的污染
√
空氣中CO2的含量增大，不會大大提高空氣的酸度；植樹造林，增大綠化面積，并不能有效控制城市的各種污染源；汽車改用天然氣或氫氣作為燃料，會減少對空氣的污染。
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設計安全氣囊
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項目活動2
項目活動2　設計安全氣囊
1.現代安全氣囊系統的組成： 、 、 及其控制系統等。
2.氣體發生器中的物質
汽車安全氣囊系統中使用的作為氣體發生劑的物質一般具有　　 　 　、
　　　、 　　　 、　　　 、　　　等特點。目前使用的氣體發生劑主要由　　　 　、 　　　 、　　 等物質按一定比例混合而成。
碰撞傳感器
緩沖氣囊
氣體發生器
　　　　　　　
生成物清潔
低腐蝕
有毒組分含量低
產氣量大
產氣快
疊氮化鈉
三氧化二鐵
硝酸銨
3.已知NaN3受到撞擊時，會發生反應：2NaN3===2Na+3N2↑，同時放出大量的熱，結合已有知識設計安全氣囊中所加入的物質及作用。
方案 選擇化學試劑的思路 選擇的化學藥品 化學藥品的作用
1 試劑發生反應放出大量氣體將氣囊迅速脹開，輔助試劑吸收熱量及腐蝕性物質，防止二次傷害 NaN3、Fe2O3、NH4NO3 NaN3分解產生大量氣體；Fe2O3吸收NaN3產生的Na；NH4NO3吸收產生的熱量，同時釋放大量氣體
方案 選擇化學試劑的思路 選擇的化學藥品 化學藥品的作用
2 試劑發生反應放出大量氣體將氣囊迅速脹開，輔助試劑吸收熱量及腐蝕性物質，防止二次傷害 NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3 NaN3分解產生大量氣體；Fe2O3吸收Na生成Na2O和Fe，KClO4作助氧化劑，吸收Na生成KCl和Na2O；NaHCO3吸收熱量，同時釋放CO2
方案 選擇化學試劑的思路 選擇的化學藥品 化學藥品的作用
3 試劑反應放出大量氣體，輔助試劑吸收熱量及腐蝕性物質 NaN3、KNO3、SiO2 NaN3分解產生大量氣體；KNO3吸收Na生成K2O、Na2O和N2；SiO2和生成的K2O及Na2O反應生成K2SiO3、Na2SiO3
寫出上述三個方案中相關反應的化學方程式：
(1)Fe2O3和Na反應： 。
(2)NH4NO3分解生成N2O和H2O： 。
(3)KClO4和Na反應生成Na2O和KCl： 。
(4)SiO2和Na2O反應生成Na2SiO3： 。
(5)SiO2和K2O反應生成K2SiO3： 。
Fe2O3+6Na 3Na2O+2Fe
NH4NO3 N2O↑+2H2O↑
KClO4+8Na===KCl+4Na2O
Na2O+SiO2===Na2SiO3
K2O+SiO2===K2SiO3
通過為安全氣囊選擇氣體發生劑，你對化學反應的利用有了哪些新的認識？
提示　從化學反應速率的角度考慮，安全氣囊產生氣體的速率要快。
從化學反應中能量變化的角度考慮，NH4NO3可以吸收NaN3分解放出的熱量，同時考慮到NH4NO3自身的性質，其吸熱發生分解反應生成更多的氣體，符合安全氣囊產氣量大的要求。
從化學反應中物質變化的角度考慮，NaN3受到撞擊后生成有潛在危險的Na，因此應選擇Fe2O3消耗生成的Na，將其轉化成較為安全的Na2O。
1.判斷正誤
(1)安全氣囊系統是一種被動安全性的保護系統
(2)安全氣囊從技術上講其實是一種化學反應，能夠生成氣體來填充囊袋
(3)開車時必須系上安全帶，否則的話安全氣囊會對人體造成傷害
(4)可以用水去直接沖洗安全氣囊位置
×
√
√
√
2.(2024·青島高一檢測)目前汽車安全氣囊的氣體發生劑主要由疊氮化鈉、三氧化二鐵、硝酸銨等物質組成，下列說法正確的是
A.安全氣囊打開時，產生的氣體只有氮氣
B.硝酸銨的作用只是吸收疊氮化鈉分解產生的熱量
C.三氧化二鐵的作用是與金屬鈉反應，防止鈉造成二次傷害
D.硝酸銨性質很穩定
√
由題述物質組成的氣體發生劑在安全氣囊打開時，產生的氣體有氮氣、N2O和水蒸氣，A項錯誤；
硝酸銨的作用是吸收疊氮化鈉分解產生的熱量，同時分解產生氣體，B項錯誤；
三氧化二鐵的作用是與金屬鈉反應，生成鐵和較為安全的氧化鈉，C項正確；
硝酸銨受熱或撞擊時發生分解，性質不穩定，D項錯誤。
3.某汽車安全氣囊的氣體發生劑含有NaN3、Fe2O3、KClO4、NaHCO3等物質。當汽車發生碰撞時，氣體發生劑產生大量氣體使氣囊迅速膨脹，從而起到保護作用。
(1)NaN3是產氣劑，受到撞擊后分解產生N2和Na，N2的電子式為
　　　　　。
(2)Fe2O3是主氧化劑，與Na反應生成的還原產物為　　　　　(已知該反應為置換反應)。
Fe(或鐵)
根據置換反應的通式：一種單質+一種化合物===另一種單質+另一種化合物，可知生成物為鐵和鈉的氧化物。
(3)KClO4是助氧化劑，反應過程中與Na作用生成KCl和Na2O。KClO4含
有化學鍵的類型為　　　　　　 ，K的原子結構示意圖為　　　　。
(4)NaHCO3是冷卻劑，通過吸收產氣過程中釋放的熱量而發生分解，其化學方程式為________________________________。
離子鍵和共價鍵
2NaHCO3 Na2CO3+CO2↑+H2O↑
(5)100 g上述產氣藥劑產生的氣體通過堿石灰后得到N2 33.6 L(標準狀況)。
①用堿石灰除去的物質為　　　　 。
CO2 、H2O
產氣過程中會產生N2、CO2和水蒸氣，堿石灰可以吸收CO2和水蒸氣。
②該產氣藥劑中NaN3的質量分數為_____。
65%
根據2NaN3~3N2，則n(NaN3)=×=1 mol，則m(NaN3)=1 mol
×65 g·mol-1=65 g，故NaN3的質量分數為×100%=65%。
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