第七单元 能源的合理利用与开发

自学建议 🌟

1. 燃烧和灭火是一对"反义词"。燃烧要同时满足三个条件，灭火就是破坏其中任意一个。用这个思路记，灭火原理一秒就懂。
2. "燃烧条件"的探究是重点实验：预习时想清楚——为什么用对比的方法？怎么做到"只改变一个条件、其他不变"（这就是控制变量，科学探究的基本功）。
3. 方程式主攻三个：甲烷燃烧、乙醇燃烧、氢气制取。可燃气体的方程式，点燃前都要先验纯。
4. 易燃易爆的安全常识、怎样让燃料充分燃烧、新能源有哪些，都和日常生活有关，预习时多想想身边的例子。
5. 多关注"双碳"——碳达峰、碳中和：这是国家大事，也和化学直接相关。

单元导学（学习目标）

学完这一单元，你要能：

• 说出燃烧的条件和灭火的原理，了解易燃物和易爆物的安全知识。
• 认识化学反应中的能量变化（放热、吸热），体会"控制变量"这种科学研究方法。
• 了解化石能源（煤、石油、天然气）的利用及其对环境的影响。
• 知道清洁能源和新能源的种类，会写相关重点化学方程式。
• 认识合理调控燃烧对生产生活的意义，树立节能、低碳、绿色生活的意识。

课题1 燃料的燃烧

一、燃烧的定义

• 概念：通常情况下，可燃物与氧气发生的一种发光、放热的剧烈的氧化反应叫作燃烧。
• 关键词拆解：
  • "可燃物"——只有可燃物才能发生燃烧（如酒精、红磷、木炭），水、大理石等不能燃烧；
  • "与氧气"——初中阶段所说的燃烧，是可燃物与**氧气（或空气）**发生的反应；
  • "发光、放热"——与缓慢氧化（如呼吸作用、铁生锈，放热但不发光）区分开；
  • "剧烈的氧化反应"——燃烧属于氧化反应，只是进行得非常剧烈。
• 辨析：燃烧一定发光、放热；但发光放热的变化不一定是燃烧（如灯泡通电发光发热，属物理变化）。

二、燃烧的条件

（一）三个条件（缺一不可）

1. 可燃物；
2. 氧气（或空气）；
3. 达到燃烧所需的最低温度（着火点）。

• 着火点：物质燃烧所需的最低温度，是物质的固有属性，一般不能改变（灭火是"使温度降到着火点以下"，不是"降低着火点"）。
• 📊 教材表7-1 通常状况下一些常见物质的着火点：

物质	白磷	红磷	木材	木炭	无烟煤
着火点/℃	40	260	240~270	320~400	600~700

• 🧠 记忆口诀："燃烧三兄弟：可燃、有氧气、温度够得着（着火点）。"

（二）探究实验（控制变量法）

• 装置：在 500 mL 烧杯中加入 300 mL 热水，并放入用硬纸圈圈住的一小块白磷；在烧杯上盖一片薄铜片，铜片一端放一小堆干燥的红磷，另一端放一小块已用滤纸吸去表面水的白磷。
• 事实1：铜片上的白磷燃烧，红磷不燃烧（二者温度相同、都与氧气接触，差别只在着火点：白磷 40 ℃ < 红磷 260 ℃）→ 说明燃烧需要温度达到着火点。
• 事实2：铜片上的白磷燃烧，而热水中的白磷不燃烧（温度都已达到白磷着火点，差别只在是否接触氧气）→ 说明燃烧需要与氧气（或空气）接触。
• 事实3：用导管对准热水中的白磷通入少量氧气（或空气）后，热水中的白磷燃烧 → 再次说明燃烧需要氧气（或空气）。
• 控制变量法：① 控制温度、氧气等因素不变，改变可燃物（红磷/白磷）；② 控制温度、可燃物等因素不变，改变有无氧气。把多变量问题变成多个单变量问题分别研究，最后综合解决。
• 结论：三个条件同时满足才能燃烧，这是教材经典的"对比实验"，中考常考填空。

三、灭火的原理和方法

（一）灭火原理（破坏燃烧条件）

灭火原理	对应破坏的条件	生活例子
清除可燃物或使可燃物与其他物品隔离	可燃物	森林中设置防火隔离带、搬走液化气罐
隔绝氧气（或空气）	与氧气接触	油锅着火盖锅盖、用 CO₂ 灭火器
使温度降到着火点以下	温度达着火点	纸箱着火用水浇灭、油罐着火用水喷淋降温

• 一句话总结：灭火的原理就是破坏燃烧的条件。
• ⚠️ 易错提醒：不能说"降低着火点"。着火点是物质固有的，水灭火主要是使温度降到着火点以下（同时水汽化还能隔绝部分空气）。

（二）常见灭火器

• 干粉灭火器：利用压缩的氮气等吹出干粉（主要含碳酸氢钠或磷酸二氢铵），有隔绝空气等作用；流动性好、喷射率高、不腐蚀容器、不易变质，除扑灭一般火灾外，还可扑灭油、气等燃烧引起的火灾。
• 二氧化碳灭火器：将液态二氧化碳储存在小钢瓶中，灭火时喷出，有降温和隔绝空气的作用；灭火后不留痕迹、不损坏物体，可用来扑灭图书、档案、贵重设备、精密仪器等存放场所的火灾。
• 水基型灭火器：产生的泡沫喷射到燃料表面，使可燃物与空气隔绝；能快速高效灭火，可扑灭非水溶性可燃液体（如汽油、柴油）以及木材、棉布等固体材料燃烧引起的火灾。
• 💡 生活例子：图书馆、档案室配二氧化碳灭火器；厨房油锅着火可用锅盖盖灭（隔绝空气）或放入较多的蔬菜（降温），切勿用水泼。
• 🚨 火场应对：发现火险立即拨打 119；火势不大时，根据可燃物及起火原因选择合适的方法和灭火器材；火势较大或有蔓延趋势时，用湿毛巾捂住口鼻迅速离开着火区域。

四、易燃物和易爆物的安全知识

（一）爆炸

• 概念：易燃物（可燃气体、粉尘等）在有限的空间内急剧地燃烧，就会在短时间内聚积大量的热，使气体迅速膨胀而引起爆炸。
• 例子：燃放鞭炮就是使火药在极小的空间内燃烧而引起爆炸；天然气、煤气或液化石油气泄漏，面粉、煤粉飘散在空气中，这些可燃气体或粉尘聚集在通风不良的有限空间并达到一定含量时，遇到明火就会急剧地燃烧，很可能发生爆炸事故。
• 辨析：爆炸不一定都是化学变化（如车胎、锅炉超压属物理爆炸）；但可燃性气体或粉尘遇明火引起的爆炸是化学变化。

（二）爆炸极限

• 概念：可燃气体等在空气中达到一定的含量时，遇到火源就会发生爆炸，这个能发生爆炸的含量范围叫作爆炸极限。
• 📊 教材表7-2 几种可燃气体的爆炸极限（体积分数）：

可燃气体	H₂	CH₄	CO
爆炸极限	4% ~ 74%	5% ~ 16%	12% ~ 74%

• 生活例子：加油站、油库、面粉加工厂、纺织厂和煤矿的矿井内都有"严禁烟火"等字样或消防安全标志（当心易燃物、当心爆炸物、禁止吸烟、禁止烟火、禁止放易燃物、禁止燃放鞭炮等），因为这些地方的空气中常混有可燃气体或粉尘，遇明火就有发生爆炸的危险。
• 安全知识：在生产、运输、使用、储存易燃物和易爆物时，必须严格遵守有关规定，绝不允许违章操作；家中燃气泄漏时应先关阀门、开门窗通风，切勿开关电器、拨打电话以免产生电火花。

五、燃料的充分燃烧

• 不充分燃烧的危害：当氧气不充足时，燃料不能充分燃烧，产生黑烟，并生成一氧化碳等物质，使燃料的利用率降低，浪费资源，且污染空气。
• 两个条件：
  1. 燃烧时要有足够的空气（氧气）；
  2. 燃料与空气要有足够大的接触面。
• 生活例子：
  • 煤粉比煤块燃烧更旺 → 增大了与氧气的接触面积；
  • 做饭时燃气灶火焰呈黄色或橙色、锅底出现黑色物质，说明燃烧不充分，此时需调节灶具的进风口，增大进气量。
• 💡 意义：合理调控燃烧等化学反应，对于生产、生活及科学研究具有重要意义。

六、化学反应中的能量变化

大量事实和研究证明：化学反应在生成新物质的同时，还伴随着能量的变化，通常表现为热量的变化（放热现象或吸热现象）。

（一）放热反应 🔥

• 概念：放出热量的反应。
• 例子：
  • 乙醇（酒精）燃烧——酒精是乙醇（C₂H₅OH）的俗称，在空气中燃烧放出大量的热，实验室用酒精灯加热正是利用这一点：
    • ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+3{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}2{\mathrm{CO}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
  • 氧化钙与水反应（生石灰变熟石灰）【实验7-1】：在试管中加入少量生石灰（CaO），再加入 2 mL 水，插入温度计：
    • $\mathrm{CaO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\frac{\underset{―}{}}{}\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$
    • 现象：温度计示数明显升高，试管发烫——氧化钙与水反应生成氢氧化钙，并放出热量。
    • 💡 生石灰常用作干燥剂，也是自热食品发热包的主要成分之一。
    • ⚠️ 生石灰有腐蚀性，切勿用手拿取，使用时要戴护目镜，防止接触眼睛、皮肤、衣服。
  • 其他：各种燃料的燃烧都放热。人类需要的大部分能量是由化学反应放出的——人们利用燃烧等化学反应放出的能量发电、发射火箭，利用爆炸放出的能量开采矿物、开山炸石、拆除危旧建筑等。

（二）吸热反应 ❄️

• 概念：吸收热量的反应。
• 例子：
  • 碳单质与二氧化碳的反应（高温下）：
    • $\mathrm{C}+{\mathrm{CO}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{高}\mathrm{温}}}{}2\mathrm{CO}$
    • 这个反应吸收热量。
• 🧠 记忆口诀："燃料燃烧放热暖洋洋；碳夺二氧化碳，吸热变 CO 凉。"

课题2 化石能源的合理利用

一、化石能源的利用

目前人类利用的能量大多来自化石能源——煤、石油和天然气等。它们是由古代生物的遗骸经一系列复杂变化形成的，属不可再生能源；因常被用作燃料，也称化石燃料。

（一）煤 🪨

• 成分：煤是复杂的混合物，主要含有碳元素，此外还含有氢、氧、氮、硫等元素。
• 作燃料：主要是利用碳与氧气反应所放出的热量。
  • $\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}{\mathrm{CO}}_2$
• 综合利用：将煤隔绝空气加强热使之分解（习惯上称为干馏），或让煤与其他物质反应，可以得到焦炭、煤焦油、煤气（焦炉煤气）、粗氨水等许多有用的物质。
  • 煤气是由一氧化碳、氢气和甲烷等组成的混合气体，可用作居民生活燃气和化工原料。
• 辨析：煤隔绝空气加强热分解有新物质生成，属化学变化；与下面石油"利用沸点不同进行分离"（物理变化）对比记忆。
• 🇨🇳 国情：我国化石能源"煤多油少"。依靠自主创新的煤间接液化成套技术，我国 2022 年建成了全球单体规模最大的煤间接液化项目，对解决石油资源短缺、保障国家能源安全意义重大。

（二）石油 🛢️

• 原油：从地下开采出来的石油叫作原油，一般是黏稠的液体，属混合物。
• 成分：主要含有碳和氢两种元素。
• 炼制：将石油加热并使用催化剂炼制，再利用各成分的沸点不同进行分离，可得到汽油、煤油、柴油等多种燃料和化工原料。
  • "利用沸点不同进行分离"（习惯上称为分馏）没有新物质生成，属物理变化；
  • 而把石油中相对分子质量较大的分子裂解成相对分子质量较小的分子，有新物质生成，属化学变化。
• 液化石油气：是石油化工的一种产品，加压后可储存在钢瓶中，一般作燃料使用。⚠️ 它易燃易爆，钢瓶内压强较大，使用时要注意安全。

（三）天然气（主要成分甲烷 CH₄）🔥

• 存在与成分：有石油的地方一般都有天然气；天然气主要含有由碳和氢组成的气态碳氢化合物，其中最主要的成分是甲烷（CH₄）。
• 地位：与煤、石油相比，天然气是一种较清洁的燃料（燃烧产物主要是 CO₂ 和 H₂O，几乎不产生 SO₂ 和烟尘），我国很多地区已用天然气代替煤以减少污染。
• 🇨🇳 我国是世界上最早利用天然气的国家，明代《天工开物》记载了我国古代劳动人民利用天然气熬制井盐。
• 甲烷的性质：
  • 物理性质：无色、无味的气体，密度比空气小（相对分子质量 16 < 29），难溶于水。
  • 化学性质（可燃性）：在空气中燃烧产生蓝色火焰：
    • ${\mathrm{CH}}_4+2{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}{\mathrm{CO}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
  • 【实验7-2】：点燃从导管放出的甲烷，在火焰上方罩一个干燥的烧杯 → 烧杯内壁出现水雾；迅速把烧杯倒过来，注入少量澄清石灰水振荡 → 石灰水变浑浊。说明甲烷中含有氢元素和碳元素。
    • ${\mathrm{CO}}_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2\frac{\underset{―}{}}{}{\mathrm{CaCO}}_3\downarrow +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
  • ⚠️ 易错提醒：点燃甲烷前，要先检验甲烷的纯度（验纯）！可燃性气体不纯时点燃可能发生爆炸。
  • 💡 收集方法：难溶于水 → 排水法；密度比空气小 → 向下排空气法。
• 💡 沼气：池沼中产生的沼气，主要成分也是甲烷。把秸秆、杂草、人畜粪便等废弃物放在密闭的沼气池中发酵，就会产生沼气，可用作燃料（沼气煮饭、沼气发电，出料还可作沼气肥）。

（四）可燃冰 🧊

• 海底埋藏着大量可燃烧的"冰"——可燃冰，是在高压和低温条件下形成的，主要成分是甲烷水合物。
• 优点：热值高、储量巨大，有望成为未来新能源；风险：开发和利用不当，有可能引发地质灾害和温室效应加剧等问题。
• 🇨🇳 2017 年，我国在南海神狐海域进行的可燃冰试采获得成功，创造了产气时长和产气总量的世界纪录，且未对周边大气和海洋环境造成影响。

二、降低化石能源利用对环境的影响

（一）环境问题

污染物	来源	环境影响
二氧化硫（SO₂）、氮的氧化物	煤等化石能源燃烧	这些气体或其在空气中反应后的生成物溶于雨水，形成酸雨
CO、未燃烧的碳氢化合物、氮的氧化物、烟尘	汽车使用的汽油或柴油燃烧后随尾气排放	造成空气污染
CO₂	大量化石能源燃烧	引起温室效应加剧，导致全球变暖

• ⚠️ 易错提醒：CO₂ 不属于空气污染物（是空气的正常成分、光合作用原料），但大量排放会加剧温室效应；空气污染物指的是 CO、SO₂、氮的氧化物、烟尘等。

（二）改进措施（提高燃料质量 + 改进使用技术）

• 用煤方面：大力推广使用脱硫煤，改进生产中使用的脱硫设备，很多地区用天然气代替煤；
• 汽车方面：改进汽车发动机的燃烧方式，使用催化净化装置，加大尾气检测力度，推广使用电动汽车；
• 总体方向：使燃料充分燃烧、提高能源利用率，积极开发和利用新能源，推动能源消费结构向清洁低碳方向转变。

三、开发和利用新能源

化石能源不可再生，且大量使用会带来环境问题，人类巨大的能源需求也使其面临枯竭危险，因此开发和利用新能源已成为人类的迫切需求。

（一）氢能 💧

• 优点：① 无毒；② 热值高——完全燃烧放出的热量约为同质量甲烷的两倍或同质量汽油的三倍；③ 燃烧后的产物是水，不会污染空气，也不会向大气排放二氧化碳；④ 原料（水）资源丰富。
• 教材定位：氢气是一种清洁的高能燃料，已应用于航天、交通等领域（我国研制的大推力氢氧火箭发动机、氢能源市域列车）；从环境保护角度看，氢气是最理想的燃料。
• 燃烧：
  • $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\frac{\underset{―}{\mathrm{点}\mathrm{燃}}}{}2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
• 制取：
  • 工业上：一般通过电解水或以化石能源为原料制取；
    • $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\frac{\underset{―}{\mathrm{通}\mathrm{电}}}{}2{\mathrm{H}}_2\uparrow +{\mathrm{O}}_2\uparrow$
  • 实验室：常用锌与稀硫酸反应制取：
    • $\mathrm{Zn}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\frac{\underset{―}{}}{}{\mathrm{ZnSO}}_4+{\mathrm{H}}_2\uparrow$
    • 发生装置：固液不加热型；
    • 收集方法：排水法（难溶于水，较纯净）或向下排空气法（密度比空气小）。
    • ⚠️ 氢气是可燃性气体，点燃前必须验纯！
• 困难：目前氢气大量制取和储运的成本较高，在生产和生活中还未能广泛应用；随着科技发展，氢气有可能成为主要的能源之一。

（二）其他新能源 ☀️

• 太阳能、风能、地热能、潮汐能、核能、生物质能等（生物质包括植物、动物、微生物以及动物产生的废弃物等）。
• 意义：促进能源消费结构不断优化，向清洁低碳方向转变。
• 🇨🇳 我国已建成世界最大规模的清洁发电体系：青海德令哈熔盐光热发电、浙江温州滩涂光伏发电、福建福清"华龙一号"核电、广东阳江海上风电等。
• 💡 选择燃料要综合考虑资源、环境、技术和经济等多方面因素，倡导节能减排和绿色消费。

结语

能源，是人类文明的血液。从钻木取火到氢能飞驰，化学一直在帮我们更聪明地使用能量。这一课你带走的不只是几个方程式——甲烷、乙醇的燃烧，氢气的制取——更是"充分燃烧、节约能源、拥抱新能源"的意识。考试常把"燃烧条件—灭火原理—爆炸安全—化石能源—新能源"串成综合题，预习时就把这条线理顺，开学就能轻松领跑！🎉