44 bài tập Khoa học tự nhiên 9 Nguồn nhiên liệu có lời giải (Phần 1)

– Các loại nhiên liệu đã được sử dụng là: than, dầu, khí gas.

– Loại nhiên liệu được tạo ra từ dầu mỏ: dầu, khí gas.

a) Dầu mỏ là chất lỏng, sánh, thường có màu nâu sẫm, không tan trong nước và nhẹ hơn nước.

b) Giải thích: Vì dầu mỏ là chất lỏng, sánh, thường có màu nâu sẫm, không tan trong nước và nhẹ hơn nước nên khi dầu tràn ra biển sẽ gây ra nhiều hậu quả khôn lường:

– Lượng dầu tràn lan trên mặt nước tạo thành một lớp bề mặt màu đen hoặc nâu ngăn cản sự truyền ánh sáng, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và tiêu diệt các sinh vật phù du.

– Lớp dầu ngăn cản sự trao đổi khí giữa nước và không khí làm lượng oxyen trong nước không đủ, dẫn đến tình trạng sinh vật biển chết hàng loạt.

– Gây ô nhiễm môi trường biển.

– Lượng dầu sẽ ngấm vào mang, cơ quan hô hấp của loài cá dẫn đến chết vì ngạt thở; khi bị dính dầu chim trời không thể bay do lông bị ướt hoặc không điều hòa được thân nhiệt,…

– Nếu bất kỳ loài động vật nào ăn phải dầu này có thể gây ngộ độc trong toàn bộ chuỗi thức ăn, gây tổn hại đến hệ sinh thái biển.

* Cách khai thác

– Khai thác dầu mỏ: Sử dụng thiết bị khoan sâu, xuyên qua các lớp đá để tiếp cận các nguồn dầu. Dầu mỏ (dầu thô) được khai thác từ giếng dầu, sau đó vận chuyển đến nhà máy lọc dầu để sơ chế, rồi cho qua tháp chưng cất hoặc tháp xử lí hoá học để tạo ra các sản phẩm phục vụ đời sống.

– Khai thác khí thiên nhiên: Tương tự như việc khai thác dầu mỏ, việc khai thác khí thiên nhiên cũng phức tạp và yêu cầu kĩ thuật cao. Khí thiên nhiên thường được khai thác từ các mỏ khí tự nhiên. Sản phẩm từ khí thiên nhiên là methane và một lượng nhỏ các hydrocarbon khác như ethane, propane, butane, ...

– Khai thác khí mỏ dầu: Khí mỏ dầu được khai thác cùng với khai thác dầu mỏ (từ cùng một giếng dầu), thành phần chính là methane (có hàm lượng thấp hơn so với khí thiên nhiên) và nhiều khí khác (ethane, propane, ...).

* Sản phẩm chế biến từ dầu mỏ như khí đốt, xăng, dầu thắp, dầu diesel, dầu mazut, nhựa đường, dầu thô.

* Dầu mỏ, khí thiên nhiên, khí mỏ dầu có nhiều ứng dụng quan trọng phục vụ nhu cầu cuộc sống của con người như:

– Sản phẩm chế biến từ dầu mỏ phục vụ đời sống như: khí đốt (gas), xăng, dầu (dầu hoả, dầu diesel, ...), ..

– Khí thiên nhiên là nguồn nhiên liệu, nguyên liệu quý giá và có nhiều ứng dụng trong sản xuất điện năng, công nghiệp hoá chất, ...

– Khí mỏ dầu thường được dùng làm nhiên liệu.

Khai thác dầu mỏ và khí mỏ dầu gồm nhiều giai đoạn:

– Khoan, thu dầu và khí.

– Loại bỏ tạp chất để thu được dầu thô, vận chuyển đến nhà máy lọc dầu (bằng ống dẫn hoặc tàu chở dầu).

– Tại nhà máy lọc dầu, dầu thô được xử lí chủ yếu bằng phương pháp chưng cất để thu được nhiều loại sản phẩm khác nhau ở các khoảng nhiệt độ khác nhau. Sau đó, dầu và khí sẽ được vận chuyển đến cơ sở sử dụng với các mục đích khác nhau.

a) Khi dầu thô cháy sẽ luôn có CO$_{2}$ và H$_{2}$O do thành phần chính của dầu là các hydrocarbon.

b) Khí thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu vì dễ cháy, khi cháy tỏa ra lượng nhiệt lớn.

* So sánh

Khai thác dầu mỏ và khí mỏ dầu gồm nhiều giai đoạn:

– Khoan, thu dầu và khí: Ở giai đoạn này, người ta khoan và đặt ống dẫn xuống tới lớp dầu lỏng (còn gọi là giếng dầu). Ở giai đoạn đầu, do áp suất trong dầu mỏ cao lên dầu thường theo ống tự phun lên. Sau một thời gian, khi áp suất trong mỏ dầu giảm đi, phải bơm nước hoặc khí xuống để đẩy dầu lên.

– Loại bỏ tạp chất để thu được dầu thô, vận chuyển đến nhà máy lọc dầu (bằng ống dẫn hoặc tàu chở dầu).

– Tại nhà máy lọc dầu, dầu thô được xử lí chủ yếu bằng phương pháp chưng cất để thu được nhiều loại sản phẩm khác nhau ở các khoảng nhiệt độ khác nhau. Sau đó, dầu và khí sẽ được vận chuyển đến cơ sở sử dụng với các mục đích khác nhau.

Mỏ dầu thường có ba lớp:

– Lớp khí ở phía trên gọi là khí mỏ dầu (hay còn gọi là khí đồng hành). Khí mỏ dầu chứa chủ yếu là khí methane (khoảng 75%) và một số hydrocarbon khí khác.

– Lớp dầu lỏng có hoà tan khí ở giữa là hỗn hợp phức tạp của nhiều loại hydrocarbon và một lượng nhỏ các hợp chất khác.

– Dưới đáy mỏ dầu là một lớp nước mặn.

Một số ứng dụng của sản phẩm chưng cất dầu mỏ như:

– Khí đốt (gas) phục vụ nhu cầu nấu nướng.

– Xăng, dầu cung cấp nhiên liệu cho xe máy, ô tô, máy bay, máy móc hoạt động.

– Nhựa đường dùng để trải đường đi.

– …

Một số mỏ dầu đang được khai thác ở nước ta:

– Mỏ Bạch Hổ;

– Cụm mỏ Sư tử Đen, Sư tử Vàng, Sư tử Trắng và Sư tử Nâu;

– Mỏ Tê Giác Trắng;

– Mỏ Lan Tây – Rồng Đôi Tây.

– …

– Một số sản phẩm thu được trong quá trình chưng cất dầu mỏ là: khí hóa lỏng, dầu nhẹ, naphtha nhẹ, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu bôi trơn, sáp paraffin, nhựa đường.

– Thành phần chính của khí thiên nhiên là methane (có thể chiếm tới 95% về thể tích), phần còn lại là ethane, propane, carbon dioxide, hydrogen sulfide, hơi nước, …

– Thành phần chính của xăng là các alkane có số nguyên từ C từ C5–C10.

– Thành phần chính của dầu hỏa là các alkane có số nguyên tử C từ C10–C16.

– Thành phần chính của dầu diesel là các alkane có số nguyên tử C từ C16–C21.

– Dầu mỏ và khí mỏ dầu tồn tại ở một số nơi trong vỏ trái đất.

– Nguyên nhân dẫn đến sự hình thành dầu mỏ và khí mỏ dầu: được hình thành từ xác của động và thực vật nhỏ đã chết dưới các đáy biển cách đây 10 đến 600 triệu năm. Khi xác động vật chìm sâu dưới đáy biển qua hàng nghìn năm các sinh vật phân rã thành các hợp chất giàu carbon hình thành lên lớp vật chất hữu cơ. Khi trộn lẫn với trầm tích biển thì hình thành lên các lớp đá phiến mịn. Các lớp trầm tích không ngừng lắng đọng bên trên tạo nên một sức ép lớn làm nóng đá gốc. Sau cùng, nhiệt độ và áp suất đã hóa lỏng các vật liệu hữu cơ trở thành khí dầu mỏ.

b) Các ứng dụng của dầu mỏ và khí mỏ dầu: nhiên liệu (sưởi ấm, bếp gas); dung môi; nhiên liệu cho động cơ đốt trong (xe máy, ô tô,...); nhiên liệu cho động cơ phản lực; nhiên liệu cho động cơ diesel và các lò nung; chất bôi trơn; sáp bóng, sáp dầu khoáng; bề mặt đường nhựa, giấy dầu lợp mái.

a) Nhiên liệu là những chất cháy được, khi cháy tỏa nhiệt và phát sáng. Ví dụ:

– Nhiên liệu rắn: Than, gỗ, củi..

– Nhiên liệu lỏng: dầu hỏa, dầu diesel, xăng..

– Nhiên liệu khí: gas, khí hydrogen...

b) Trong ba loại nhiên liệu rắn, lỏng, khí, loại nhiên liệu khí dễ đốt cháy hoàn toàn nhất vì nhiên liệu khí dễ khuyếch tán trong không khí để cháy.

– Bếp nấu ăn ở Việt Nam hiện đang sử dụng nhiên liệu là gas, than.

– Xe máy sử dụng nhiên liệu xăng.

– Ô tô sử dụng nhiên liệu là dầu diesel.

Một số biện pháp sử dụng các loại nhiên liệu: gas, than, xăng, dầu an toàn và hiệu quả:

+ Cần tắt thiết bị khi không sử dụng.

+ Bảo dưỡng xe thường xuyên để đảm bảo động cơ xe hoạt động hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu.

+ Sử dụng và lưu trữ nhiên liệu cần tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc về an toàn cháy, nổ và hướng dẫn của nhà sản xuất.

+ Bình gas cần được đặt nơi thông thoáng và cách xa nguồn nhiệt, đồng thời chúng ta nên thường xuyên kiểm tra để tránh rò rỉ.

+ Không đốt cháy than, gas, …trong không gian kín, tránh nguy cơ ngộ độc khí.

Để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, ta nên:

– Cung cấp đủ không khí hoặc oxygen để nhiên liệu cháy hoàn toàn.

– Tăng diện tích tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí.

– Điều chỉnh lượng nhiên liệu để duy trì sự cháy ở mức độ cần thiết, phù hợp với nhu cầu sử dụng, nhằm tận dụng nhiệt lượng do sự cháy toả ra.

a) Tạo các lỗ trong viên than tổ ong để tăng diện tích tiếp xúc giữa than và không khí và để cung cấp đủ oxi cho quá trình cháy.

b) Quạt gió vào bếp lò khi nhóm lửa làm tăng lượng oxygen (có trong không khí) để quá trình cháy diễn ra dễ dàng hơn.

c) Đậy bớt của lò khi ủ bếp để hạn chế lượng oxygen (có trong không khí) để hạn chế quá trình cháy.

a) Khi quạt gió vào bếp củi vừa bị tắt, lượng oxygen tăng lên, sự cháy diễn ra mạnh hơn và lửa sẽ bùng lên.

b) Khi quạt gió vào ngọn nến đang cháy, nến tắt là do ngọn lửa của nến nhỏ nên khi quạt, lượng gió vào nhiều sẽ làm nhiệt độ hạ thấp đột ngột và nến bị tắt.

Ý nghĩa của các việc làm:

a) Tăng diện tích tiếp xúc giữa nhiên liệu với không khí, tạo điều kiện cho sự hòa trộn và phản ứng cháy tốt hơn.

b) Tăng diện tích tiếp xúc giữa nhiên liệu với không khí, tạo điều kiện cho sự hòa trộn và phản ứng cháy tốt hơn. Quá trình đốt than có thể được kiểm soát để giảm thiểu khí thải.

Các biện pháp nhằm giảm phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mà nước ta đang thực hiện:

– Sử dụng điều hòa nhiệt độ và thiết bị lạnh hiệu suất cao trong dịch vụ thương mại và gia dụng.

– Sử dụng đèn thắp sáng tiết kiệm điện.

– Sử dụng thiết bị đun nóng mặt trời.

– Sử dụng khí sinh học và nhiên liệu sạch thay than trong đun nấu gia đình, …

Nguyên nhân làm gia tăng khói thải và các hạt bụi mịn vào không khí:

– Khí thải do các phương tiện giao thông hoạt động thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu.

– Khí thải do đốt cháy các nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện, khu công nghiệp …

Một số biện pháp hạn chế tình trạng ô nhiễm hiện nay:

– Sử dụng các phương tiện công cộng thay cho phương tiện cá nhân.

– Giảm bớt lượng chì (lead) có trong nhiên liệu.

– Tăng hiệu suất đốt cháy nhiên liệu động cơ.

– Đưa thêm chất xúc tác vào ống xả động cơ nhằm tiếp tục chuyển hoá alkane trong khí thải động cơ thành carbon dioxide và nước.

– Trồng nhiều cây xanh….

a) Do xăng, dầu dễ bắt lửa, dễ cháy và khi cháy toả ra lượng nhiệt lớn nên phải chứa xăng, dầu trong các thùng chứa chuyên dụng và bảo quản ở những kho riêng.

b) Do xăng, dầu nhẹ hơn nước, không tan trong nước nên nổi trên mặt nước do tác động sóng biển và thủy triều các váng xăng, dầu lan rộng làm các sinh vật biển nhiễm độc hoặc chết hàng loạt … Do đó các sự cố tràn dầu trên biển thường gây ra thảm hoạ cho một vùng biển rất rộng.

c) Không được dùng nước để dập đám cháy gây ra do xăng dầu. Bởi vì xăng dầu nhẹ hơn nước, nếu ta dập đám cháy gây ra bởi xăng dầu bằng nước thì nước lan tỏa đến đâu xăng dầu lan tỏa đến đó khiến đám cháy còn lan rộng lớn và khó dập tắt hơn.

– Thành phần chính của khí thiên nhiên, khí dầu mỏ, xăng, nhiên liệu phản lực (jet fuel) và dầu diesel là các alkane.

– Ngoài ra, các alkane còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất các hoá chất hữu cơ hiện nay.

– Xăng có thành phần chính là các phân tử alkane có số nguyên tử carbon từ 7 – 11 nguyên tử. Vì xăng là các phân tử không phân cực trong khi nước là phân tử phân cực, nên xăng không tan được trong nước. Đồng thời, chất béo là hợp chất không phân cực nên chất béo cũng tan được trong xăng.

– Dầu mỡ sửa chữa xe cũng là các phân tử alkane nên không thể tan được trong nước, điều đó được hiểu là dầu mỡ trên tay bác thợ sửa chữa xe không thể làm sạch chỉ bởi nước. Bác thợ sửa xe thường dùng dầu hoả (là các phân tử alkane có số nguyên tử carbon từ 12 – 15 nguyên tử) để hoà tan các vết dầu mỡ, sau đó rửa lại bằng xà phòng.

Sử dụng biogas mang lại các lợi ích:

– Tránh được mầm bệnh cho vật nuôi, tận dụng được nguồn phân bón, thu được khí gas.

– Giải phóng sức lao động cho nội trợ.

– Giữ được môi trường xanh sạch đẹp.

– Tiết kiệm được chi phí hàng tháng.

a) H$_{2}$ khi cháy tỏa ra nhiệt lượng lớn nhất.

b) CH$_{4}$ khi cháy phát thải ít CO$_{2}$ nhất.

c) C$_{6}$H$_{12}$ khi cháy phát thải nhiều CO$_{2}$ nhất.

Phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy butane:

2C$_{4}$H$_{10}$ + 13O$_{2}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ 8CO$_{2}$ + 10H$_{2}$O (phản ứng có nhiệt độ)

Bộ phận trộn nhiên liệu được điều chỉnh phù hợp nhất khi lượng oxygen cung cấp đủ để butane cháy hoàn toàn. Từ phương trình hóa học, tỉ lệ thể tích butane và oxygen (bằng với tỉ lệ số mol) khi được điều chỉnh đạt giá trị 2:13 sẽ giúp nhiên liệu butane cháy tối đa, khiến động cơ hoạt động tốt nhất.

a) Tổng lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hỗn hợp sẽ là tổng năng lượng từ butane và propane:

0,4. 2 877 + 0,6. 2 220 = 2 482,8 kJ

b)

– Nhà máy Lọc Dầu Dung Quất (Quảng Ngãi).

– Nhà máy Lọc Dầu Nghi Sơn (Thanh Hóa).

– Nhà máy Điện khí Nhơn Trạch (Đồng Nai).

– Nhà máy Lọc Dầu (Cà Mau).

Gọi số mol của propane và butane là x

Theo bài ra ta có: 44x + 58x = 1.1000 ⇒ x = 9,8 mol.

Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy 1 kg loại gas là: 9,8.(2220 + 2878) = 49960,4 kJ.

Trong 1 lít khí gas có 0,4 lít propane (số mol = 0,0161 mol) và 0,6 lít butane (số mol = 0,0242).

Lượng nhiệt toả ra tương ứng:

0,0161.2 220 + 0,0242.2 875 = 35,742 + 69,575 = 105,317 (kJ).

a)

– Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 gam methane là: ${Q}_{{\mathrm{CH}}_{4}}=\frac{1}{16}.891=55{,}69\ \mathrm{kJ}$

– Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 gam ethane là: ${Q}_{{C}_{2}{H}_{6}}=\frac{1}{30}.1561=52{,}03\ \mathrm{kJ}$

– Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 gam propane là: ${Q}_{{C}_{3}{H}_{8}}=\frac{1}{44}.2220=50{,}45\ \mathrm{kJ}$

– Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 gam butane là: ${Q}_{{C}_{4}{H}_{10}}=\frac{1}{58}.2878=49{,}62\ \mathrm{kJ}$

b) Khi đốt cháy 1 gam alkane trong số các alkane ở trên thì methane sẽ tỏa ra nhiệt lượng nhiều nhất.

a) Số mol khí CH4 là: ${n}_{{\mathrm{CH}}_{4}}$ = 1.0,95 = 0,95 mol

Số mol khí C2H6 là: ${n}_{{C}_{2}{H}_{6}}$ = 1.0,05 = 0,05 mol

Khối lượng của 1 mol khí thiên nhiên trên là: m = 0,95.16 + 0,05.28 = 16,6 gam

b) Tính trong 167 gam khí thiên nhiên

Ta có:

${n}_{{\mathrm{CH}}_{4}}=0{,}95.\frac{167}{16{,}6}$ ≈ 9,56 mol

n $_{C2H4}$≈ 0,50mol

Lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 167 gam khí thiên nhiên trên là:

Q = 9,56.890 + 0,50.1561 = 9288,9 kJ

a) Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg C2H4 là: $\frac{1423.1000}{28}$ = 50821,4 kJ

Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg C2H2 là: $\frac{1320.1000}{26}$ = 50769,2 kJ

b) ${n}_{{C}_{2}{H}_{2}}=\frac{12{,}395}{24{,}79}.20\%=0{,}1$ (mol); ${n}_{{C}_{2}{H}_{4}}=\frac{12{,}395}{24{,}79}.80\%=0{,}4$ (mol)

Nhiệt lượng toả ra khi đốt là: 0,1.1320 + 0,4.1423 = 701,2 (kJ)