令人着迷的“可燃冰”

文章编号:1005-6629(2010)05-0079-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

[题目]

从能源的角度看,“可燃冰”可视为被高度压缩的天然气资源,其能量密度是天然气的2~5倍;“可燃冰”清洁无污染,燃烧后几乎不产生任何废弃物。

1 探究可燃冰的结构

“可燃冰”有三种结构, 如图1所示, 分别是结构Ⅰ、结构Ⅱ和结构H。

[问题1]试根据题意,写出符合条件的化学式:

[问题2]结构H型“可燃冰”是由34个水分子通过氢键连接而成的单晶,其中4种不同的空隙中:假定3个空隙各囚禁1个CH4,2个空隙各囚禁1个C2H6,1个空隙囚禁C4H10,其余空隙中为空的。77.8 g这种结构的“可燃冰”中的气体全部释放出来,完全燃烧后可产生的热量为_____kJ。

(已知燃烧热:CH4:-890 kJ・mol-1;C2H6:-1190 kJ・mol-1;C4H10:-2900 kJ・mol-1)

2 探究可燃冰的形成

[问题3]“可燃冰”的主要成分是甲烷、乙烷等可燃性气体与水分子的结晶水合物。它是由埋在海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中,厌氧性细菌把有机质分解,最后形成石油和天然气(石油气),其中许多天然气被包进水分子中,在海底的低温与高压下形成了类似冰的透明晶体,这就是“可燃冰”。下列说法中不正确的是

A.“可燃冰”将有可能成为新能源

B.“可燃冰”实质是水变成的固态油

C.常温、常压下“可燃冰”是一种稳定的物质

D.我国青藏高原冻土层可能存在巨大体积的“可燃冰”

3 探究可燃冰的开采

[问题4]我国已与德国合作,在近期启动钻探“可燃冰”的实物样品的工作,实现“可燃冰”钻探零的突破。“可燃冰”的主要成分CH4是一种会产生温室效应的气体,等物质的量的CH4和CO2产生的温室效应前者大。下列是有关“可燃冰”的叙述其中不正确的是

A.“可燃冰”可以燃烧,说明水具有可燃性

B.等质量的CH4和CO2产生的温室效应也是前者大

C.“可燃冰”蕴藏量极为丰富,合理开发利用,可减少能源的紧缺情况

D.可燃冰”在开采中如发生泄露,大量甲烷气体分解出来进入大气层,全球温室效应将迅速增大。

[命题意图]

试题以能源情境为背景,旨在考查学生处理题给信息形成结论的能力、运用化学知识解决相关社会问题的能力、对化学事实分析判断的能力。试题构建源于教材、适当综合、推陈出新。考生只要迅速查找到课本中与之相似的知识点,理解命题者的意图,适时迁移,就能很好地完成答题要求。

“可燃冰”是一种新能源,把涉及生产、生活、科技等知识作为背景材料,创设问题情景,让学生从化学的视角去进行观察和分析,可以真正做到理论联系实际,学以致用。因此,本题较好地体现了考试的教育功能。

[试题点评]

能源是制约国家进步的重要因素,开发新能源是各国大力研究的课题,新能源主要包括氢能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和其他可再生能源。合理地开发利用新能源,可以改善和优化能源结构,保护环境,提高人民生活质量,促进国民经济和社会可持续发展。

“可燃冰”的形成有三个基本条件:首先温度不能太高,在零度以上可以生成,最高是20 ℃左右,再高就分解了;第二压力要够,但不需太大。0 ℃时,30个大气压以上它就可能生成;第三,地底要有气源。所以,最有可能形成“可燃冰”的区域是高纬度的冻土层和深海底层。

人类要开采埋藏于深海的“可燃冰”,尚面临着许多新问题。不管用哪种方法开采,都必须保证甲烷水合物中的CH4不逸到大气中,否则,将引起灾难性的后果。有学者认为,在导致全球气候变暖方面,甲烷所起的作用比二氧化碳要大10~20倍。而“可燃冰”矿藏哪怕受到最小的破坏,都足以导致甲烷气体的大量泄漏。一旦这种泄露得不到控制,全球温室效应将迅速增大,大气升温后,海水温度也将随之升高、地层温度上升,这会造成海底的“可燃冰”的自动分解,引起恶性循环。

“可燃冰”有望成为21世纪的新能源之一。但是,它也会带给人类新的困难,只有合理的、科学的开发和利用,才会真正造福人类。由此可见,“可燃冰”在作为未来新能源的同时,也是一种危险的能源。需要小心对待这柄“双刃剑”。

[解题思路]

本题密切联系社会实际,引导学生关注社会热点问题,设置基于化学基本知识但又不失灵活性, 很好地体现新教材的理念和高考命题特点。

(1)由结构Ⅰ型可燃冰的有关说明可知,结构Ⅰ中水的总分子数为:46+2=48个,甲烷分子为6个。N(CH4)∶N(H2O)=6∶48=1∶8, 结构Ⅰ的化学式为CH4・8H2O; 同理,结构Ⅱ的化学式为C2H6・7H2O。

(2)结构H型可燃冰中有3个CH4,2个C2H6,1个C4H10,34个H2O。故其化学式可写成3CH4・2C2H6・C4H10・34H2O,摩尔质量为778 g・mol-1,77.8 g结构H的物质的量为0.1 mol,产生的热量为0.3 mol×890 kJ・mol-1+0.2 mol×1190 kJ・mol-1+0.1 mol×2900 kJ・mol-1=795 kJ。

(3)可燃冰有望取代煤、石油和天然气,成为21世纪的新能源之一。A项正确;水的组成元素是H和O,而可燃冰的组成元素是C、H、O,根据元素守恒,B项错误;可燃冰是在高温、低压下形成的,在常温、常压下可燃冰可挥发成甲烷等可燃性气体,故C项错误;根据可燃冰形成的条件,我国青藏高原冻土层可能存在巨大体积的可燃冰,所以D项正确。

(4)可燃冰燃烧是因为在减压或升温后它会释放出的甲烷等可燃性气体,不是水的燃烧,A项错误;由题已知,等物质的量的CH4和CO2产生的温室效应前者大,根据CH4和CO2的摩尔质量比较,等质量的CH4和CO2产生的温室效应还是前者大,B项正确;可燃冰蕴藏量极为丰富,是天然气能量密度的2~5倍,燃烧后几乎不产生除CO2外的任何废弃物。如合理开发利用,可减少能源的紧缺情况,C项正确;可燃冰在开采中如发生泄露,大量甲烷气体分解出来进入大气层,甲烷所起的作用比二氧化碳要大10~20倍,所以全球温室效应将迅速增大。D项正确。

[答案]

1. CH4・8H2OC2H6・7H2O

2. 795

3. B、C

4. A

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