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能源是一种物质资源，是人类生存和发展的物质基础；能量是人类社会各种经济活动的原动力。能源的开发和利用是社会经济发展水平的重要标志。但是，随着社会的发展，能源的供需矛盾日趋尖锐。因此，如何合理地利用现有能源，开发新的能源是人类必须关注的一个重大社会问题。能源与化学第一节概述一、能量的形态与转化1.能量—物质做功的本领。2.能量的形态：热、机、生、化、光、电、核。3.能量的转化：能源→热能→其它能(η100%)。二、能源的概念与分类1.定义：能源—可以从中获得能量的资源。2.分类:可直接利用的为一次性能源，由其它能源制取的为二次性能源，不因人的利用而减少的是再生能源，越用越少的是非再生能源。能源一次能源再生能源风、流水、海流、草木、太阳辐射、地热非再生能源化石燃料（煤石油天然气油页岩）核燃料（UThPuD）二次能源电能、氢能、汽油、柴油、火药、甲醇、丙烷、苯胺、硝化棉、硝化甘油一、燃料的分类和组成燃料—产生热能或动力的可燃性物质。1.分类:第二节燃料能源物态天然燃料人造燃料固体燃料木材泥煤褐煤油页岩木炭焦炭煤砖液体燃料石油汽油煤油柴油酒精气体燃料天然气煤气石油裂化气沼气2.组成:有机可燃物（有机化合物+高分子化合物）；无机可燃物（可燃物+灰分（盐+氧物））；水份。元素组成：C、H、O、N、S、少量金属。燃料能源以煤为主。但是，它有许多缺点。煤的气化受到人们的重视。天然气在燃料能源中有许多优点。借助于化学变化将化学能转化为电能的装置称化学电源。可分为：原电池(一次性电池)；蓄电池(二次性电池，可逆电池)；燃料电池第三节化学电源电池符号：（－）Zn∣ZnCl2，NH4Cl(糊)∣MnO2∣C(石墨)（＋）电极反应:（－）Zn(s)→Zn2++2e-（－）（＋）2MnO2(s)+2NH4++2e-→Mn2O3(s)+2NH3(aq)+2H2O电动势:1.5V。若用KOH代替NH4Cl制成碱性锌锰电池,可多次充、放电。1.锌-锰干电池电池符号：（－）Zn∣Hg∣KOH(含ZnO)∣HgO∣Hg∣Pt（＋）电池反应:（－）Zn(Hg)+2OH-→ZnO+H2O+2e-（＋）HgO（s）+H2O+2e-→Hg（l）+2OH-电动势:1.34V。电压稳定，可做成钮扣电池。2.锌-汞电池1.铅蓄电池（铅酸蓄电池）电池符号：（－）Pb|H2SO4|PbO2（＋）充、放电反应:Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O特点：电压2.0V，电流0.5A。可短时大电流放电。酸易溢出，腐蚀性强。二、蓄电池⑴铁-镍蓄电池电池符号:（－）Fe∣KOH（30%）∣Ni(OH)3(＋)充放电反应：Fe＋2Ni(OH)3Fe(OH)3＋Ni特点是：重量轻、体积小、抗震好⑵银-锌蓄电池电池符号:（－）Zn∣KOH(40%)∣Ag2O∣Ag(＋)充放电反应：Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag特点是：电压平稳2.碱性蓄电池以可燃物为负极反应物，氧或空气为正极反应物，以燃烧反应为电池反应，如此构成的电池即燃料电池。理论上燃料电池能量转换可达100%，可用于建造大规模电站。是最洁净的电源。1.氢-氧燃料电池电池符号：（－）C∣H2∣KOH(35%)∣O2∣C(＋)三、燃料电池电池反应：（－）H2+2OH-→2H2O+2e-（＋）O2+2H2O+4e-→4OH-电池总反应:2H2+O2→2H2O正极需加催化剂（Pt、Pd、Co2O3、Ag等），负极以活性炭多孔镍吸附H2。电池符号：（－）Pt∣CH3OH∣H2SO4∣O2∣Pt(＋)电池反应:（＋）3/2O2+6H++6e-→3H2O（－）CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。3.其它燃料电池2.甲醇-氧燃料电池煤、石油、天然气都是非再生的，它们的形成过程十分漫长，而它们的消耗却十分迅速。燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体”、形成酸雨，并排放大量的烟尘，对环境造成了严重的破坏。能源危机正在逼近，人们不能不开发新的能源。一、氢能1.氢燃料的特点:⑴无毒、无污染，最清洁；⑵燃料来自水，燃烧产物是水，可永远循环使用；⑶点火温度低，燃烧速度快，发热量大;⑷H2可直接利用，也可间接使用，是方便燃料。第四节新能源2.氢燃料的制取⑴电解水：H2O→H2+1/2O2能量可用太阳能、电能。⑵热分解水：H2O→H2+1/2O2（催化剂：Ca、Br2、Hg等。温度：730-1000℃）⑶光分解水：H2O→H2+1/2O2⑷光电分解水：以n-型氧化钛为电极，在阳光下使水分解。3.氢燃料的贮存H2密度小，运输和贮存都是很大问题。液氢沸点低，常温下压力很大，对设备要求高。目前主要考虑贮氢金属。1999年，我国研制出的纳米碳管，是很好的贮氢材料。在298K，200atm下碳纳米管吸附氢（红色）的模拟图象。二、核能目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，就是核能。1942年12月2日第一座反应堆首次启动时，功率仅为0.5瓦。60年后，核能已占全世界总能耗的6％。国际原子能机构公布，截至2002年底，全世界共有441台核电机组在运行，2002年共生产电力2.574万亿千瓦小时，约占当年世界总发电量的17％。其中，核发电量占本国总发电量比例最高的国家是立陶宛，达到80％，其次是法国，达到79％。1.核裂变能——把重核分裂成两个中等质量的核时，释放出大量的能量。此过程称核裂变。核裂变需有足够能量的中子的轰击，而U-235、Pu-239只需较低能量的中子。因此,当前使用的核燃料主要是这两种。1.核裂变能例如：U-235在中子轰击下裂变为Ba-140和Kr-93同时产生多个中子，接着就会发生爆炸式的连锁反应核裂变时出现质量亏损，亏损的质量转化为能量，遵守爱因斯坦定律：E=mc2∆E=∆mc2其中Δm=m（生成物）-m（反应物）按此式，1克U-235，核裂变能为-8.1×107kJ，相当于3吨煤燃烧所放出的热量。核裂变产物大多具有放射性，尤其Sr-90。所以原料和产物的贮存、处理都要有严格的安全措施。核聚变——使很轻的核在异常高的温度下合成较重的核。核聚变时，放出更大的能量。按爱因斯坦公式，ΔE=-1.698×109kJ·mol-11克氘(或氚)比1克铀产生的能量大得多。氘可由重水中得到。海水中重水达2×1020kg。核聚变资源极为丰富。但是,核聚变需足够高的温度(109℃),足够长的时间(1s)。而且要能人为控制不使爆炸。聚变不产生放射性产物。2.核聚变能核能可以由两种不同的路线释放出来：重核裂变（爆裂），两个轻核聚变（化合）。二者都是由于产物有更高的结合能。聚变作用难于进行是因为核间彼此排斥，不象裂变作用那样。聚变不产生放射性产物。中国核能的历史、现状和未来发展一、中国和平利用核能的现状1964年10月我国第一颗原子弹成功爆炸。上世纪80年代以来，以核电建设为重点，中国核能和平利用得到较快发展，规模不断扩大，科技水平不断提高，呈现了良好的发展势头。中国自主设计建设的第一座核电站——秦山核电站于1991年建成投产，结束了中国大陆无核电的历史。1994年建成投产的大亚湾核电站开创了中外合作建设核电站的成功范例。1996年开始，中国又自主设计建设了秦山二期核电站；与国外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。截至2004年７月，共有9台核电机组投入运行，总装机容量701万千瓦；建设中的江苏田湾核电站2005年全部建成投运，核电总装机容量达913万千瓦。二、未来发展为适应经济发展和满足能源不断增长的需要，实现经济、社会、生态环境的协调发展，必须加快核能的发展。中国把核电作为国家能源战略的重要组成部分，逐步提高核能在能源供应总量中的比例。在经济发达、电力负荷集中的沿海地区，核电将成为电力结构的重要支柱。中国和平利用核能事业有着良好的发展前景。太阳上进行的反应是核聚变反应，每天质量变化4×106吨，向空间辐射能量4×1023kJ·s-1，这些能量的万分之一足够人类消耗。地球每天接受的辐射能可达6×1018kJ。其利用可分：1.太阳能的直接利用热能—如太阳能集热器；电能—太阳能电池。三、太阳能图太阳能电池太阳能的能量密度低；昼、夜、阴、雨变化较大，所以太阳能的贮存是个问题。2.太阳能的间接利用风能、地热、海浪、水流等都来自太阳能。如：光合作用，潮汐发电，风力发电，水力发电等。生物质能（biologyenergy）是目前用得最为广泛的第四种能源，它占全球一次性能源需求量的14%。生物质能资源极为丰富，是一种无害的能源。生物质能源又称可再生有机质能源，诸如木材、薪草、藻类等。生物质能分布广，储量丰富，全球每年通过光合作用储存于植物的能量，大约是世界目前消费能量的17倍。各国都非常重视生物质能的开发利用。现代生物转换技术包括转换为电能和转换为固体燃料、液体燃料、气体燃料，小规模地取代矿物燃料。四、生物质能现代绿色能源——酒精和沼气1.绿色能源是一种生物质能源于太阳能，太阳光经过植物的光合作用转变成体内的生物质能，生物质能实质上是有机物的化学能。2.目前利用：主要燃烧，能源利用10%。3.发展方向：1）制取酒精或甲醇2）制造沼气五.合成新能源——一炭化学的使命1.一炭化学指以分子中只含一个碳原子的化合物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工的方法制造产品的化学体系的总称2.主要产品1）制氢2）合成化工原料，如甲醇、烯烃3.研究方法1）催化法CO2+CH4——CO+H2CO+H2——CH3OH目前主要是采用催化法，因此新型催化剂的开发成为工业发展的关键。2）射线法放射线的特点是可以在常温常压下进行，但需依赖电子加速器的进步