1、第 1 页 共 15 页 理科综合题库 燃料 先请阅读下列材料： 上海新闻晨报 2000年 8月 10日报道： 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。 这是一则普通
2、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很大的优越性。在上海，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天然气。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。 该报当天又报道了另一条重要消息： 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 200
3、2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
4、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。 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。非燃料第 2 页 共 15 页 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？ 因气体
5、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。 气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。 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。 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
6、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
7、，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 天然气 热 值 15.6MJ/m3 47.3MJ/kg 109 MJ/m3 38.7 MJ/m3 把煤转化成煤气的方法很多，主要有： 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。 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，所以第 3 页 共 15 页 它仅是管道煤气的次要气源。 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。 由于这是一个吸热反应，故必须交替鼓入空气和水蒸气，
8、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。 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。 化学反应的热量变化（反应热 ）可以用热化学方程式来表示，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。 热化学方程式中，化学式前的
9、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。 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。 管道煤气中三种可燃成分作用可以从热值贡献、燃
10、烧性能和生产成本等方面加以比较。 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 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。 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第 4 页 共 15 页 和最好的燃烧性能。平时实验中，可以观察
11、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。 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 H2O 高温 CO2 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。 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
12、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。 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
13、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。 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
14、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、天第 5 页 共 15 页 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） 被
15、誉为改变未来世界的十大科技之一的燃料电池是一种新型的无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，正以势不可档之势挤入汽车工业和电力工业。它是一种不经过燃烧，将燃料的化学能直接转换成电能的装置。它主要由燃料、氧化剂、电极、电解质组成。在结构上与 传统电池一样具有正负电极，正负电极被电解质分隔。它以还原剂（用氢作燃料，也可以添加一个氢气变换器，直接使用甲醇、天然气、甚至石油、柴油、煤等作燃料）为负极反应物，以氧化剂（如氧气、空气等）为正极反应物。为了使燃料便于进行电极反应，要求电极材料兼有催化剂的特性。可用多孔碳、多孔镍、铂、钯等贵金属以及聚四氟乙烯等电极材料。电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电
16、解质及高聚物质子交换膜等数种。以下是一种氢 氧燃料电池的工作原理图。电解质为有机高分子聚合物，它不是传导氧离子而是传导质子 H+，是通透质子的交换膜燃料电池。 燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，氢气和氧气源源不断地送入，反应连续不断地进行，于是在电池内产生了持续的电流。反应的生成物是水，不会造成对环境的污染。燃料电池之所以能成为载人航天器的首选电池，另一个很重要的原因是相中了它生成的“废物” 水。这正好解决了宇航员在太空的饮水间题。当年美国“阿彼罗 11 号”宇航飞船在长达八天的登月旅行中。三位宇航员的生活用水，来自于燃料电池提供的水。 请回答下列问题： 一小实验：煮沸一定质量水消耗煤气量
17、的测定 【参考答案】 实验目的 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。 学会用对比实验得到结论的科学方法。 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。 第 6 页 共 15 页 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
18、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。 二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
19、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 三写出氢 氧燃料电池正负极发生的电极反应式。并注明是氧化反应还是还原反应。写出电池的总反应方程式。若用燃料电池发电；输出电流的电流强度为 A，则每小时能合成多少水？（已知阿佛加德罗常数 NA=6.021023mol
20、1，电子的电量 e=1.60 10 19 C） 【参考答案】 略 179.3g 第 7 页 共 15 页 四电池燃料氢可利用甲醇、天然气、石油、柴油等燃料，通过一个氢气变换器而得到。写出利用天然气转化为氢的化学方程式 【参考答案】 CH4 H2O 一定条件 3H2 CO； CO H2O 一定条件 H2 CO2 五燃料电池在发电的同时，还合成了水，这正好解决了宇航员在太空中饮水的问题。 1宇航员饮用合成水，通过消化系统，大部分在下列哪一处被吸收 A 口腔 B 食道 C 小肠 D 大肠 2原生质中含量最多的化学成分是 A 糖类 B 水 C 无机盐 D 蛋白 质 3水通过自由扩散的方式出入细胞，这种
21、运输方式不需要 也不需要 。 4水在生物体中以 和 两种形成存在。水既是 的重要组成成分，又是细胞内的 。各种生物体的生命活动，都是绝对不能离开水的。 5人体排泄水的途经主要有三条： 以尿的形式经过泌尿系统排出； 以 的形成经过 排出； 以 的形成经过 排出。 6尿的形式包括滤过、重吸收和 三个过程。 当血液流经肾小球时，除了血浆中的血细胞和 以外，其他如水分、无机盐、葡萄糖和尿素等物质，都可以经过肾小球滤过到 内，形成原尿。 机体每日从肾小球滤过的钠可达 500g以上，但每日由尿排出的钠仅为3 5g，试分析原因及其意义。 【参考答案】 1 C 2 B 3不需要消耗细胞内新陈代谢所释放的能量，
22、也不需载体蛋白质来协助。 4水在生物体中以结合水和自由 水两种形式存在。水既是细胞结构的重要组成成分，又是细胞内的良好溶剂。 5以汗的形式经过皮肤排出 以气体的形式经过呼吸系统排出 6分泌 大分子蛋白质 肾小囊腔 说明滤液中的 Na+有 99%以上被肾小管和集合管重吸收。这对机体维第 8 页 共 15 页 持细胞外液中 Na+的浓度和内环境的相对稳定起着重要作用。 六请根据文中质子交换膜燃料电池工作原理图，说明负载的电流方向为 。 【参考答案】 从右到左 因为氢气失去电子，电子从左向右通过负载。 七如右图所示为千瓦级质子交换膜燃 料电池组性能图谱，工作条件是：以 H2和 O2作为反应气体，控制
23、电池温度为 85，保持 H2与O2 压 强分 别 为 0.45MPa 和0.50MPa。 根据该图回答下列问题： l计算该电池组稳定后的内阻r大小约为多少？ 2当输出电流大于 40A时，电池的输出功率范围 3当电池的输出功率为 1kw时，相当于电动势为多少的普通电池？ 【参考答案】 1 0.1 2 1kW 3 30.7V 八用某种燃料电池的电炉供电，设电炉的额定功率 P0=400w，电池在不接负载时的路 端电压与电炉的额定电压相同，当电炉接到该电源上时，电炉实际消耗的功率 P1=324w，若两个这样的炉并联接到该电源上，求两个电炉实际消耗的总功率 P2为多少？ 【参考答案】 九容积为 0.67
24、2 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】 第 9 页 共 15 页 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
25、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。 十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
26、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） 点燃 CO2（ g） 2H2O（ g） 846kJ 2C2H6（ g） 7O2（ g） 点燃 4CO2（ g） 6H2O（ g） 3306kJ C3H8（ g） 5O2（ g） 点燃 3CO2（ g） 4H2O（ g） 2200kJ 2C4H10（ g） 13O2（ g） 点燃 8CO2（ g） 10H2O（ g） 5800kJ C5H12（ l） 8O2（ g） 点燃
27、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% 第 10 页 共 15 页 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
28、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）。 十一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。 1如果燃气进口直径不变，通风口直径应怎样改变？ 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
29、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 r2，知半径变为 9.3倍 十二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 十三两支点燃的蜡烛，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，
