PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

I. Khái niệm về nhiên liệu hoá thạch. Nguồn gốc hình thành khí methane

1. Nhiên liệu hoá thạch là gì?

Nhiên liệu hoá thạch là các loại nhiên liệu tự nhiên được tạo thành từ quá trình phân huỷ các sinh vật bị chôn vùi cách đây hàng trăm triệu năm. Các nhiên liệu này chứa hàm lượng carbon cao.

Nhiên liệu hoá thạch tồn tại ở 3 thể: rắn, lỏng và khí.

Lưu ý quan trọng:

• Củi gỗ không phải nhiên liệu hoá thạch vì không được tạo thành từ quá trình phân huỷ sinh vật bị chôn vùi hàng trăm triệu năm.
• Ethanol (cồn) cũng không phải nhiên liệu hoá thạch vì được điều chế từ tinh bột, ethylene.
• Nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc tự nhiên và là tài nguyên không tái tạo (không vô tận).

2. Nguồn gốc hình thành khí methane

Nguồn gốc tự nhiên: Methane được hình thành từ các quá trình biến đổi sinh học và địa chất trong tự nhiên.

Nguồn gốc nhân tạo: Một lượng lớn methane còn sinh ra từ hoạt động con người:

• Phân huỷ sinh học chất hữu cơ trong bãi rác thải.
• Quá trình sản xuất nông nghiệp.
• Tiêu hoá thức ăn của gia súc.
• Sản xuất công nghiệp, chế biến, chưng cất, sản xuất khí mỏ dầu.

II. Khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch

1. Thực trạng khai thác hiện nay

Năng lượng hoá thạch chiếm tỉ lệ lớn nhất trong tổng các nguồn năng lượng khai thác hiện nay. Lượng khai thác và tiêu thụ hằng năm trên toàn cầu rất lớn.

Việt Nam xếp thứ tư trong khối Đông Nam Á về xuất khẩu dầu mỏ. Ngành công nghiệp dầu khí đóng góp quan trọng vào nền kinh tế quốc gia và khẳng định chủ quyền Việt Nam ở Biển Đông.

2. Dầu mỏ, khí thiên nhiên và khí mỏ dầu

Dầu mỏ là hỗn hợp ở thể lỏng, màu nâu đậm, nhẹ hơn nước, không tan trong nước. Thành phần chính là các hydrocarbon. Dầu mỏ không có công thức hoá học nhất định vì là hỗn hợp nhiều hydrocarbon.

Mỏ dầu thường có 3 lớp (từ trên xuống): lớp khí (khí mỏ dầu – thành phần chính $CH_4$) → lớp dầu lỏng → lớp nước mặn.

Khí thiên nhiên có trong các mỏ khí, thành phần chủ yếu là methane ($CH_4$), ngoài ra còn ethane, propane, butane…

Khí mỏ dầu có thành phần gần giống khí thiên nhiên nhưng hàm lượng methane thấp hơn.

3. Nhiên liệu và cách sử dụng hiệu quả

Nhiên liệu là những chất cháy được, khi cháy toả nhiệt và phát sáng. Gồm 3 loại: nhiên liệu rắn (than, gỗ, củi), nhiên liệu lỏng (xăng, dầu hoả), nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí mỏ dầu).

Nhiên liệu khí có năng suất toả nhiệt cao, dễ cháy hoàn toàn, ít gây độc hại cho môi trường.

Để sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và hiệu quả:

• Cung cấp đủ không khí hoặc oxygen (vừa đủ, không dư, không thiếu).
• Tăng diện tích tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí (chẻ nhỏ củi, đập nhỏ than…).
• Điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp nhu cầu sử dụng.

4. Lợi ích và hạn chế

Lợi ích:

• Có sẵn với trữ lượng lớn, khai thác dễ dàng, chi phí rẻ.
• Là nguồn nhiên liệu chính cho nhà máy nhiệt điện, luyện kim, xi măng, hoá chất, giao thông.
• Đáp ứng nhu cầu thắp sáng, sưởi ấm, nấu nướng, đi lại.

Hạn chế:

• Khai thác sản lượng lớn → nguy cơ cạn kiệt tài nguyên.
• Đốt cháy sinh ra $CO_2$, $CO$, oxide lưu huỳnh, oxide nitrogen → ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu.

5. Giải pháp hạn chế sử dụng nhiên liệu hoá thạch

• Sử dụng tiết kiệm nhiên liệu hoá thạch.
• Tăng cường đi lại bằng phương tiện giao thông công cộng, xe điện, xe đạp.
• Ưu tiên sử dụng xăng pha ethanol (xăng E5), sinh khối, biodiesel.
• Sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng; phân loại rác để tái chế.
• Chuyển đổi sang năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió).

Dập tắt xăng dầu cháy: Dùng chăn ướt chùm lên hoặc phủ cát vào ngọn lửa. Không phun nước (vì xăng dầu nhẹ hơn nước, nổi lên trên, lửa lan rộng hơn).

III. Nguồn carbon trong tự nhiên

1. Trạng thái tự nhiên của carbon

2. Chu trình carbon trong tự nhiên và vai trò của $CO_2$

Trong tự nhiên luôn có sự chuyển hoá carbon từ dạng này sang dạng khác, diễn ra thường xuyên, liên tục và tạo thành chu trình khép kín.

Quá trình phát thải $CO_2$ vào khí quyển:

• Hô hấp của sinh vật.
• Đốt cháy nhiên liệu hoá thạch.
• Cháy rừng, núi lửa phun trào.
• Sản xuất vôi, xi măng.

Quá trình hấp thụ $CO_2$ từ khí quyển:

• Cây xanh sử dụng $CO_2$ trong quang hợp → tạo hợp chất hữu cơ.
• $CO_2$ hoà tan vào nước biển, sông, hồ.
• Khi sinh vật bị vùi lấp → hợp chất carbon phân huỷ thành muối carbonate, nhiên liệu hoá thạch (qua hàng triệu năm).

$CO_2$ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng carbon trong hệ sinh thái và khí quyển.

IV. Nguyên nhân và hệ quả của hiệu ứng nhà kính, sự ấm lên toàn cầu

1. Nguyên nhân

$CO_2$ và $CH_4$ trong khí quyển tuy chiếm hàm lượng rất thấp nhưng là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính.

Nguyên nhân gia tăng $CO_2$: đốt quá nhiều nhiên liệu hoá thạch, thu hẹp diện tích rừng → mất cân bằng giữa lượng $CO_2$ thải ra và $CO_2$ được thực vật hấp thụ.

Từ năm 1901 đến 2020, hàm lượng $CO_2$ trong khí quyển tăng từ 0,030% đến 0,040%, góp phần làm nhiệt độ Trái Đất tăng thêm 1,5°C.

2. Hệ quả của sự ấm lên toàn cầu

• Thời tiết cực đoan: nhiều bão lớn, lũ lụt, hạn hán kéo dài → thiệt hại mùa màng.
• Băng tan, nước biển dâng: gây lở đất ven biển, ngập lụt đồng bằng, triều cường, xâm thực mặn.
• Acid hoá nước biển: $CO_2$ tan nhiều hơn trong nước biển → ảnh hưởng sinh vật biển.
• Thảm thực vật co hẹp, sa mạc hoá gia tăng, giảm đa dạng sinh học.

3. Biện pháp giảm lượng khí thải $CO_2$

• Hạn chế sử dụng năng lượng hoá thạch.
• Tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo (mặt trời, gió).
• Áp dụng công nghệ tiên tiến xử lý rác thải.
• Trồng cây gây rừng, phủ xanh đồi trọc, cải tạo đất hoang.
• Sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng (đèn LED, điều hoà hiệu suất cao…).

Câu hỏi đúng/sai – Củng cố lý thuyết

Câu 1. “Nhiên liệu hoá thạch là nguồn nhiên liệu tái tạo.”

→ SAI. Nhiên liệu hoá thạch cần hàng trăm triệu năm để hình thành → là tài nguyên không tái tạo.

Câu 2. “Nhiên liệu khí có năng suất toả nhiệt thấp, gây độc hại cho môi trường.”

→ SAI. Nhiên liệu khí có năng suất toả nhiệt cao, dễ cháy hoàn toàn, ít gây độc hại.

Câu 3. “Sự tăng nhiệt độ bầu khí quyển là nguyên nhân làm tăng $CO_2$.”

→ SAI. Đây là hệ quả chứ không phải nguyên nhân. Nguyên nhân chính là: đốt nhiều nhiên liệu hoá thạch, phá rừng, phát triển công nghiệp và giao thông.

Câu 4. “Trong tự nhiên, dầu mỏ có trong lòng đất.”

→ ĐÚNG. Dầu mỏ tồn tại trong các lớp đất, đá tại một số nơi trong vỏ Trái Đất.

Câu 5. “Than gầy là loại than có hàm lượng carbon thấp nhất.”

→ SAI. Than bùn mới là loại có hàm lượng carbon thấp nhất. Thứ tự tăng dần: than bùn < than nâu < than đá < than gầy (anthracite).

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Viết PTHH đốt cháy nhiên liệu – So sánh năng suất toả nhiệt

Phương pháp:

Các PTHH đốt cháy quan trọng:

$$C + O_2 \xrightarrow{t^o} CO_2$$

$$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^o} CO_2 + 2H_2O$$

$$C_2H_5OH + 3O_2 \xrightarrow{t^o} 2CO_2 + 3H_2O$$

$$2C_4H_{10} + 13O_2 \xrightarrow{t^o} 8CO_2 + 10H_2O$$

So sánh năng suất toả nhiệt: Dựa vào nhiệt lượng giải phóng khi đốt cháy 1 gam mỗi chất.

Ví dụ mẫu

Cho năng suất toả nhiệt: gỗ ~18 kJ/g, than đá ~25 kJ/g, dầu hoả ~43 kJ/g. Đốt cháy cùng khối lượng, nhiên liệu nào giải phóng nhiều nhiệt nhất?

Giải: Dầu hoả (43 kJ/g) > than đá (25 kJ/g) > gỗ (18 kJ/g).

→ Dầu hoả giải phóng nhiều nhiệt nhất.

Bài tập tương tự

Cho bảng: hydrogen 141,8 kJ/g; methane 55,5 kJ/g; butane 49,5 kJ/g; than 15–27 kJ/g. Xếp theo chiều giảm dần năng suất toả nhiệt và nêu lợi ích dùng hydrogen.

Giải:

Thứ tự giảm dần: Hydrogen > Methane > Butane > Than.

Lợi ích dùng hydrogen: không phát thải $CO_2$; sản phẩm cháy chỉ là nước ($H_2O$); có thể sản xuất từ năng lượng tái tạo; không độc, không ăn mòn.

Dạng 2: Tính khối lượng $CO_2$ sinh ra khi đốt cháy than

Phương pháp:

$$C + O_2 \xrightarrow{t^o} CO_2$$

Nếu than có tạp chất không cháy → tính khối lượng C thực tế trước:

$$m_C = m_{\text{than}} \times \dfrac{\% C}{100}$$

Rồi: $n_C = \dfrac{m_C}{12}$ → $n_{CO_2} = n_C$ → $m_{CO_2} = n_{CO_2} \times 44$

Ví dụ mẫu

Đốt cháy hoàn toàn 2 kg than chứa 10% tạp chất không cháy. Tính khối lượng $CO_2$ sinh ra.

Giải:

$m_C = 2000 \times 0{,}9 = 1800$ g

$n_C = \dfrac{1800}{12} = 150$ mol

$$C + O_2 \to CO_2$$

$n_{CO_2} = 150$ mol

$m_{CO_2} = 150 \times 44 = 6600$ g = 6,6 kg

Bài tập tương tự

Đốt cháy hoàn toàn 5 kg than chứa 90% carbon. Tính nhiệt lượng toả ra biết 1 mol C cháy toả 394 kJ.

Giải:

$m_C = 5000 \times 0{,}9 = 4500$ g

$n_C = \dfrac{4500}{12} = 375$ mol

$Q = 375 \times 394 = 147\,750$ kJ

Dạng 3: Tính thể tích $O_2$ cần đốt cháy khí thiên nhiên (hỗn hợp khí)

Phương pháp:

Khí thiên nhiên thường chứa: $CH_4$ (chủ yếu), $N_2$, $CO_2$… Chỉ $CH_4$ tham gia phản ứng cháy.

$$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^o} CO_2 + 2H_2O$$

Tính $V_{CH_4}$ thực tế = $V_{\text{khí}} \times \%CH_4$, rồi theo PTHH tìm $V_{O_2}$.

Với khí đo cùng điều kiện: tỉ lệ thể tích = tỉ lệ mol.

Ví dụ mẫu

Tính thể tích $O_2$ cần đốt cháy hoàn toàn 10 lít khí thiên nhiên chứa 96% $CH_4$, 2% $N_2$, 2% $CO_2$ (đo cùng điều kiện).

Giải:

$V_{CH_4} = 10 \times 0{,}96 = 9{,}6$ lít

$$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$$

$V_{O_2} = 2 \times 9{,}6 = 19{,}2$ lít

Bài tập tương tự

Đốt hoàn toàn V lít (đktc) khí thiên nhiên chứa 96% $CH_4$, 2% $N_2$, 2% $CO_2$, dẫn sản phẩm qua nước vôi trong dư thu 29,4 g kết tủa. Tính V.

Giải:

$n_{CaCO_3} = \dfrac{29{,}4}{100} = 0{,}294$ mol

$CO_2$ tổng gồm: $CO_2$ từ đốt $CH_4$ + $CO_2$ có sẵn trong khí.

Gọi $n_{CH_4} = x$ mol. Trong V lít khí: $n_{CH_4} = 0{,}96 \times \dfrac{V}{24{,}79}$; $n_{CO_2 \text{ sẵn}} = 0{,}02 \times \dfrac{V}{24{,}79}$

Đốt $CH_4$: $n_{CO_2} = n_{CH_4}$

Tổng $CO_2 = n_{CH_4} + n_{CO_2 \text{ sẵn}} = 0{,}96 \times \dfrac{V}{24{,}79} + 0{,}02 \times \dfrac{V}{24{,}79} = 0{,}98 \times \dfrac{V}{24{,}79}$

$n_{CaCO_3} = n_{CO_2 \text{ tổng}} = 0{,}294$

$0{,}98 \times \dfrac{V}{24{,}79} = 0{,}294$

$V = \dfrac{0{,}294 \times 24{,}79}{0{,}98} \approx 7{,}43$ lít

Dạng 4: Câu hỏi lý thuyết về nhiên liệu, chu trình carbon, hiệu ứng nhà kính

Phương pháp:

Nắm vững các nội dung chính:

Nhiên liệu hoá thạch: nguồn gốc tự nhiên, hàm lượng carbon cao, không tái tạo. Gồm: than mỏ (rắn), dầu mỏ (lỏng), khí thiên nhiên/khí mỏ dầu (khí).

Chu trình carbon: $CO_2$ đi vào sinh vật qua quang hợp, trở lại khí quyển qua hô hấp, đốt cháy, phân huỷ.

Hiệu ứng nhà kính: nguyên nhân chính là $CO_2$ và $CH_4$. Hệ quả: thời tiết cực đoan, băng tan, nước biển dâng, acid hoá đại dương, sa mạc hoá.

Ví dụ mẫu 1

Củi gỗ có phải nhiên liệu hoá thạch không? Vì sao?

Đáp án: Không. Vì củi gỗ lấy từ cây trồng hiện tại, không phải được tạo thành từ quá trình phân huỷ sinh vật bị chôn vùi cách đây hàng trăm triệu năm.

Ví dụ mẫu 2

$CO_2$ từ môi trường ngoài đi vào cơ thể sinh vật nhờ quá trình nào?

Đáp án: Nhờ quá trình quang hợp của cây xanh. Cây xanh hấp thụ $CO_2$ và nước, sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra chất hữu cơ (glucose) và $O_2$.

Bài tập tương tự

Nêu nguyên nhân gia tăng $CO_2$ trong khí quyển và biện pháp giảm thiểu.

Gợi ý:

Nguyên nhân: đốt nhiều nhiên liệu hoá thạch, phá rừng, phát triển công nghiệp và giao thông, núi lửa phun trào.

Biện pháp: hạn chế sử dụng nhiên liệu hoá thạch, chuyển sang năng lượng tái tạo, trồng cây gây rừng, sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng, đi phương tiện công cộng.

Dạng 5: Bài tập sử dụng nhiên liệu hiệu quả

Phương pháp:

Ba yếu tố cần đảm bảo:

1. Cung cấp đủ không khí/$O_2$ (vừa đủ, không dư không thiếu).
2. Tăng diện tích tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí.
3. Điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp nhu cầu.

Ví dụ mẫu

Để sử dụng gas tiết kiệm, hiệu quả, người ta làm gì?

Đáp án: Tuỳ nhiệt độ cần thiết để điều chỉnh lượng gas phù hợp. Không nên để gas quá lớn hay quá nhỏ.

Bài tập tương tự

Lợi ích nào không phải lợi ích của sử dụng nhiên liệu an toàn, hiệu quả?

A. Tránh cháy nổ. B. Giảm ô nhiễm. C. Tận dụng nhiệt lượng. D. Tăng lượng $CO_2$ thải ra.

→ Đáp án D. Tăng $CO_2$ là tác hại, không phải lợi ích.

SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. Nhiên liệu hoá thạch

• 1.1. Khái niệm: nhiên liệu từ sinh vật chôn vùi hàng trăm triệu năm, carbon cao
• 1.2. Dạng rắn: than mỏ (C); Lỏng: dầu mỏ (hydrocarbon); Khí: khí thiên nhiên ($CH_4$)
• 1.3. Methane: nguồn tự nhiên (địa chất) + nhân tạo (bãi rác, chăn nuôi, nông nghiệp)

2. Khai thác và sử dụng

• 2.1. Chiếm tỉ lệ lớn nhất trong tổng năng lượng khai thác
• 2.2. Lợi ích: nhiên liệu cho điện, luyện kim, xi măng, giao thông
• 2.3. Hạn chế: cạn kiệt, ô nhiễm, biến đổi khí hậu
• 2.4. Giải pháp: tiết kiệm, xe công cộng, xăng E5, năng lượng tái tạo

3. Nguồn carbon trong tự nhiên

• 3.1. Đơn chất: kim cương, than chì
• 3.2. Hợp chất vô cơ: $CO_2$, $CaCO_3$, $Na_2CO_3$
• 3.3. Hợp chất hữu cơ: $CH_4$, carbohydrate, protein

4. Chu trình carbon

• 4.1. Phát thải $CO_2$: hô hấp, đốt cháy, cháy rừng, núi lửa
• 4.2. Hấp thụ $CO_2$: quang hợp, hoà tan vào nước biển
• 4.3. Chu trình khép kín, liên tục

5. Hiệu ứng nhà kính – Ấm lên toàn cầu

• 5.1. Nguyên nhân: $CO_2$ + $CH_4$ tăng → hiệu ứng nhà kính
• 5.2. Hệ quả: thời tiết cực đoan, băng tan, nước biển dâng, acid hoá đại dương, sa mạc hoá
• 5.3. Giải pháp: năng lượng tái tạo, trồng rừng, tiết kiệm năng lượng

SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu