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4. 某兴趣小组开展“家用燃料的变迁与合理使用”跨学科实践活动。
任务一:调查家用燃料变迁。
调查发现家用燃料变迁的大致历程:柴草→煤→液化石油气→天然气→……
【查阅资料】
①煤直接燃烧时,产生氮、硫的氧化物(会形成酸雨)和粉尘。
②1 kg 燃料完全燃烧时放出的热量如下表所示:
(1) 天然气的主要成分为$\ce{CH_{4}}$,在空气中完全燃烧生成两种氧化物,该反应的化学方程式为
(2)石油气能被压缩成液态储存在钢瓶中,请分析原因:
(3)结合资料分析,家用燃料从煤变迁到天然气的优点:
任务二:调查燃料合理使用。
(4)某同学收集到以下几种调控燃烧的事例,完成下表问题:
(5)“化学链燃烧”技术是能源领域研究的热点。基于$\ce{NiO - Ni}$载氧体的甲烷($\ce{CH_{4}}$)化学链燃烧技术如图所示:
①加热条件下,空气反应器中发生反应的化学方程式为
②X中主要物质的化学式为
③甲烷在空气中燃烧的耗氧量
④“化学链燃烧”技术可避免空气直接与甲烷接触,与甲烷在空气中燃烧相比,该技术的优点是
任务一:调查家用燃料变迁。
调查发现家用燃料变迁的大致历程:柴草→煤→液化石油气→天然气→……
【查阅资料】
①煤直接燃烧时,产生氮、硫的氧化物(会形成酸雨)和粉尘。
②1 kg 燃料完全燃烧时放出的热量如下表所示:
(1) 天然气的主要成分为$\ce{CH_{4}}$,在空气中完全燃烧生成两种氧化物,该反应的化学方程式为
$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$
。(2)石油气能被压缩成液态储存在钢瓶中,请分析原因:
分子间有空隙
。(3)结合资料分析,家用燃料从煤变迁到天然气的优点:
天然气燃烧产生的污染物少(或热值高,合理均可)
(写一点)。任务二:调查燃料合理使用。
(4)某同学收集到以下几种调控燃烧的事例,完成下表问题:
(5)“化学链燃烧”技术是能源领域研究的热点。基于$\ce{NiO - Ni}$载氧体的甲烷($\ce{CH_{4}}$)化学链燃烧技术如图所示:
①加热条件下,空气反应器中发生反应的化学方程式为
$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$
。②X中主要物质的化学式为
$\ce{N_{2}}$
。③甲烷在空气中燃烧的耗氧量
=
(填“＞”“=”或“＜”)甲烷通过该化学链燃烧的耗氧量。④“化学链燃烧”技术可避免空气直接与甲烷接触,与甲烷在空气中燃烧相比,该技术的优点是
减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量,提高了能量利用率(合理均可)
。答案
4. (1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) 分子间有空隙
(3) 天然气燃烧产生的污染物少(或热值高,合理均可)
(4) 增大燃料与氧气的接触面积
(5) ①$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$ ②$\ce{N_{2}}$ ③= ④减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量,提高了能量利用率(合理均可)
提示:(5) ②根据示意图可知,在空气反应器中,空气进入装置内发生了反应,则空气中的氧气与Ni发生反应,剩余的氮气不参与反应会排出。③由于甲烷在空气中燃烧和通过该化学链燃烧都是生成水和二氧化碳,所以理论上耗氧量相等。
(2) 分子间有空隙
(3) 天然气燃烧产生的污染物少(或热值高,合理均可)
(4) 增大燃料与氧气的接触面积
(5) ①$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$ ②$\ce{N_{2}}$ ③= ④减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量,提高了能量利用率(合理均可)
提示:(5) ②根据示意图可知,在空气反应器中,空气进入装置内发生了反应,则空气中的氧气与Ni发生反应,剩余的氮气不参与反应会排出。③由于甲烷在空气中燃烧和通过该化学链燃烧都是生成水和二氧化碳,所以理论上耗氧量相等。
解析
【分析】
本题围绕家用燃料变迁与化学链燃烧展开，需结合化学方程式书写规则、分子的性质、燃料的优缺点及化学链燃烧的原理逐一分析各小问：
1. 天然气主要成分$\ce{CH_{4}}$完全燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$，根据反应事实配平化学方程式；
2. 石油气能压缩是因为分子间有间隔，加压时间隔缩小；
3. 对比煤和天然气的燃烧产物、热值，分析家用燃料变迁的优点；
4. 调控燃烧的核心是促进燃烧，常见措施如增大接触面积；
5. 化学链燃烧中，空气反应器内$\ce{Ni}$与$\ce{O_{2}}$反应，剩余气体为$\ce{N_{2}}$，根据甲烷燃烧的反应原理判断耗氧量，结合反应过程分析技术优点。
【解析】
(1) $\ce{CH_{4}}$在空气中完全燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$，反应条件为点燃，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$；
(2) 石油气由分子构成，分子间存在间隔，加压时分子间间隔减小，因此能被压缩成液态储存在钢瓶中；
(3) 煤燃烧会产生氮、硫氧化物和粉尘，污染环境，而天然气燃烧产生的污染物少，且热值高，因此家用燃料从煤变迁到天然气的优点是天然气燃烧产生的污染物少（或热值高，合理即可）；
(4) 调控燃烧的事例中，通常通过增大燃料与氧气的接触面积促进燃烧，故答案为增大燃料与氧气的接触面积；
(5) ①空气反应器中，$\ce{Ni}$与$\ce{O_{2}}$在加热条件下反应生成$\ce{NiO}$，化学方程式为：$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$；②空气的主要成分是$\ce{O_{2}}$和$\ce{N_{2}}$，$\ce{O_{2}}$与$\ce{Ni}$反应后，剩余的主要物质为$\ce{N_{2}}$，故$\mathrm{X}$的化学式为$\ce{N_{2}}$；③甲烷燃烧的反应为$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$，无论直接燃烧还是化学链燃烧，消耗$\ce{O_{2}}$的量相同，故填“=”；④化学链燃烧避免空气直接与甲烷接触，减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量，提高了能量利用率（合理即可）。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) 分子间有空隙
(3) 天然气燃烧产生的污染物少（或热值高，合理均可）
(4) 增大燃料与氧气的接触面积
(5) ①$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$；②$\ce{N_{2}}$；③=；④减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量，提高了能量利用率（合理均可）
【知识点】
化学方程式书写、分子的特性、燃料的合理利用
【点评】
本题结合家用燃料变迁的跨学科实践，将化学知识与生活实际紧密结合，既考查了基础的化学方程式、分子性质等知识点，又拓展了新型燃烧技术的原理，引导学生关注能源与环境问题，题目难度适中，注重知识的应用。
【难度系数】
0.6
本题围绕家用燃料变迁与化学链燃烧展开，需结合化学方程式书写规则、分子的性质、燃料的优缺点及化学链燃烧的原理逐一分析各小问：
1. 天然气主要成分$\ce{CH_{4}}$完全燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$，根据反应事实配平化学方程式；
2. 石油气能压缩是因为分子间有间隔，加压时间隔缩小；
3. 对比煤和天然气的燃烧产物、热值，分析家用燃料变迁的优点；
4. 调控燃烧的核心是促进燃烧，常见措施如增大接触面积；
5. 化学链燃烧中，空气反应器内$\ce{Ni}$与$\ce{O_{2}}$反应，剩余气体为$\ce{N_{2}}$，根据甲烷燃烧的反应原理判断耗氧量，结合反应过程分析技术优点。
【解析】
(1) $\ce{CH_{4}}$在空气中完全燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$，反应条件为点燃，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$；
(2) 石油气由分子构成，分子间存在间隔，加压时分子间间隔减小，因此能被压缩成液态储存在钢瓶中；
(3) 煤燃烧会产生氮、硫氧化物和粉尘，污染环境，而天然气燃烧产生的污染物少，且热值高，因此家用燃料从煤变迁到天然气的优点是天然气燃烧产生的污染物少（或热值高，合理即可）；
(4) 调控燃烧的事例中，通常通过增大燃料与氧气的接触面积促进燃烧，故答案为增大燃料与氧气的接触面积；
(5) ①空气反应器中，$\ce{Ni}$与$\ce{O_{2}}$在加热条件下反应生成$\ce{NiO}$，化学方程式为：$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$；②空气的主要成分是$\ce{O_{2}}$和$\ce{N_{2}}$，$\ce{O_{2}}$与$\ce{Ni}$反应后，剩余的主要物质为$\ce{N_{2}}$，故$\mathrm{X}$的化学式为$\ce{N_{2}}$；③甲烷燃烧的反应为$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$，无论直接燃烧还是化学链燃烧，消耗$\ce{O_{2}}$的量相同，故填“=”；④化学链燃烧避免空气直接与甲烷接触，减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量，提高了能量利用率（合理即可）。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃} CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) 分子间有空隙
(3) 天然气燃烧产生的污染物少（或热值高，合理均可）
(4) 增大燃料与氧气的接触面积
(5) ①$\ce{2Ni + O_{2}\xlongequal{\Delta} 2NiO}$；②$\ce{N_{2}}$；③=；④减少了空气中氮气等不参与反应的气体带走的热量，提高了能量利用率（合理均可）
【知识点】
化学方程式书写、分子的特性、燃料的合理利用
【点评】
本题结合家用燃料变迁的跨学科实践，将化学知识与生活实际紧密结合，既考查了基础的化学方程式、分子性质等知识点，又拓展了新型燃烧技术的原理，引导学生关注能源与环境问题，题目难度适中，注重知识的应用。
【难度系数】
0.6
