大学化学第04章-能源化学基础-2013-9-4

2020/3/31现代大学化学ModernCollegeChemistry第4章能源化学基础Chapter4Energy&Chemistry2020/3/32本章概要4.1能源的分类与能量的转化4.1.1能源的定义与分类；4.1.2能量的形态与转换；4.1.3我国的能源状况与危机4.2化石燃料：煤碳、石油与天然气4.2.1燃烧热的定义与常见燃料的热值；4.2.2煤炭；4.2.3石油与天然气4.3化学电源4.3.1化学电源的工作原理；4.3.2电池符号与电极上的化学反应；4.3.3几种常用的原电池；4.3.4几种常用的可充电电池；4.3.5燃料电池2020/3/334.4核反应与核能源4.4.1原子核的组成；4.4.2核的稳定性与衰变；4.4.3原子核的结合能；4.4.4核的裂变与聚变4.5可再生能源的利用4.5.1太阳能；4.5.2风能的利用；4.5.3氢能；4.5.4生物质能复习：教材第10章预习：教材第11章习题：10.2~10.52020/3/344.1能源的分类与能量的转化4.1.1能源的定义与分类定义：能源是指可以从中获得能量的资源。分类：可再生能源不随人类的利用而显著减少的能源非再生能源随人类的利用而减少的能源太阳能地热、火山风能、潮汐能一次能源存在于自然界中的、可直接利用的能源二次能源需依靠其它能源制取的能源电能、氢能、汽、柴油酒精、火炸药化石燃料(煤,石油,天然气)核燃料按能源的生成方式按能源在当代社会中的地位分：常规能源(石油、天然气等)和新能源(核能、太阳能、风能、氢能等)。按能源消费后是否造成环境污染分：污染能源和清洁型能源(太阳能、水能、电能氢能、燃料电池等)。2020/3/354.1.2能量的形态与转换4.1.2.1能量的形态有7种①机械能；②热能；③化学能；④电能；⑤光能；⑥核能；和⑦生物能。4.1.2.2能量的单位☻卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）☻焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J2020/3/364.1.2.3能量转换及其效率☻将一种能量转换为另一种形态的能量称为能量的转换。☻能量转换与守恒定律：能量形态A=能量形态B+热能损耗。热力学第一定律：ΔU=Q+W☻能量转换的效率：能量转换的效率较低，通常在15%~55%之间。不同形态能量之间的转换效率见表4.1.2020/3/37表4.1不同形态能量之间的转换效率因此，开发、研制高效率的能量转换技术和设备也是十分有意义的工作。类型转换过程效率(%)蒸汽机煤(油)燃烧蒸汽活塞运动机械能15~40热力发电煤(油)燃烧蒸汽汽轮机转动电能30~40汽(柴)油机燃油燃烧汽缸活塞运动机械能40~60化学电池化学物质化学反应电能70~85白炽灯电能光能10~20日光灯电能光能40~60发光二极管电能光能~90光伏电池光能电能14~262020/3/384.1.3我国的能源状况与危机4.1.3.1我国当前的非再生能源状况☻油田：玉门油田；大庆油田、辽河油田、中原油田；胜利油田、江苏油田等的状况；目前60%依靠进口；☻煤矿：储量占世界第三，产量占世界第一；☻天然气：正在开发利用中。2020/3/394.1.3.2我国可再生能源的利用状况☻太阳能（发电，热水）：低，但正逐步提高！☻风能（发电）、地热能、潮汐能，等：低！☻麦秸杆（发电，饲料，发酵）：低！4.1.3.3美国、日本等国的储能计划2020/3/310图5.2已探明的世界石油储量与年产量之比R1981198319851987198919911993199519971999200120032005051015202530354045R=(石油储量/年产量）年years4.22020/3/3114.2化石燃料：煤碳、石油与天然气4.2.1燃烧热的定义与常见燃料的热值4.2.1.1燃烧热的定义☻定义：标准状态下，单位质量的燃料完全燃烧后所释放出来的热量称为该物质的热值或燃烧热。记为cH，单位为kJ/mol或kJ/g。☻标准状态：指定温度T和标准大气压（用上标表示）2020/3/312☻单位质量(体积)：1g物质、1mol物质或1m3气态物质。☻完全燃烧：CCO2(g);SSO2(g)；NN2(g)；HH2O(l)；ClHCl(aq)☻已知反应2H2(g)+O2(g)2H2O(g)，H=-483.6kJ问H是H2(g)的燃烧热cH吗？为什么？2020/3/313物质热值物质热值物质热值甲烷(g)-55.6氢气(g)-142.9木材-19.0乙炔(g)-50.0一氧化碳(g)-10.1烟煤-25~-30苯(l)-41.9正/异丁烷-49.6无烟煤-20~-25乙醇(l)-31.1汽油-43~-45标准煤-30萘(s)-40.3柴油~424.2.1.2常见燃料的燃烧热表4.2常见燃料的热值（kJ/g）2020/3/3144.2.2煤炭4.2.2.1煤的形成煤是由古代植物经地壳变迁而积压地下，在高温高压的条件下经长期转化得到的。其过程为：植物残骸腐殖质泥煤褐煤烟煤无烟煤4.2.2.2煤的分类煤可根据其在燃烧过程中发烟与否分为烟煤和无烟煤。2020/3/3154.2.2.3煤化工煤中含有S、N、O、Si、Ca、Mg等杂质，影响其使用。以煤为原料，在一定的条件下生产、加工而获得其它化工原料、产品的工业称为煤化工。煤焦化隔绝空气时加热焦炉气（H2,CO,CO2,CH4,C2H4,NH3,苯,H2S等）煤焦油（单环芳烃、稠环芳烃、沥青，等）焦炭（用于冶金、电石，等）煤气化供氧不足时加热水煤气（用做燃料，用于化肥工业，纯碱工业）人造煤气（用做燃料）煤的液化人造石油，通过加热、裂解、催化加氢等步骤，可得到多种烃类物质。2020/3/3164.2.3石油与天然气4.2.3.1石油与天然气的形成石油与天然气是古代海洋中的生物由于地壳运动而沉积于地层中，在高温高压的条件下经长期作用而生成的产物。如图4.14.2.3.2石油与天然气的组成石油烃类非烃类（硫化氢;硫醇;硫醚;噻酚,吡啶,吡咯类,等）气态烃（石油气，C1~C4低沸点组分）液态烃固态烃（C36；凡士林，蜡，沥青，等）汽油（C5~C11正构烷烃，200℃馏分）煤油和柴油（C11~C20正构烷烃,200~350℃馏分）润滑油（C20~C36正构烷烃，300~500℃馏分）2020/3/317天然气（naturalgas）主要是甲烷（CH4）和低沸点挥发性组分的混合物。当其中甲烷的体积分数大于50%时便称为“干天然气”，否则称为“湿天然气”。小知识:”可燃冰”现象在一定的条件（如0℃，26MPa）下，水分子彼此间通过氢键形成一种笼状结构，该物质可将中性分子或离子(Cl2,CH4,Ar,Xe等)包于笼内而形成水合物(分子晶体)。研究表明：1m3可燃冰能贮存164m3标准状态下的CH4气体。2020/3/3184.2.3.3石油的加工石油是多种化学物质的混合物。必须经过分离、加工后才能使用。加工过程分蒸馏、裂解和精炼三种。蒸馏：利用混合物中各组分沸点间的差异将化合物进行分离的方法称为蒸馏。所用的设备称为蒸馏塔。2020/3/319蒸馏塔示意图2020/3/320裂解：石油中轻油所占的比例大约只有1/4~1/3。为了得到更多用途更广的轻油，可在热、催化剂等的作用下将大分子的重油裂解为小分子的轻油或短链烃。精炼：蒸馏和裂解所得到的轻油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不饱和烃类，影响油品的性能。通过脱硫、加氢等过程可降低这些杂质的含量。（炼油厂一角）2020/3/321小知识:汽车燃油的标号与辛烷值汽油在汽缸中正常燃烧时火焰传播速度为10-20m/s，在爆震燃烧时可达1500-2000m/s，后者条件下使气缸温度剧升，汽油燃烧不完全，机器强烈震动，从而使输出功率下降、机件受损、污染环境。2020/3/322不同化学结构的烃类，具有不同的抗爆震能力。异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的抗爆性能较好，辛烷值设定为100;正庚烷的抗爆性差，辛烷值设定为0。如某一汽油在引擎中所产生之爆震，正好与97%异辛烷及3%正庚烷之混合物的爆震程度相同，即称此汽油之辛烷值为97。品名正庚烷正辛烷正壬烷异辛烷甲苯乙苯苯辛烷值0-17-45100103.598.91152020/3/3234.3化学电源(Batteries，Cells)电化学：研究电能与化学能之间相互转化规律以及转化过程中有关现象的科学—研究化学现象与电现象之间关系的学科电化学过程借助一定的装置（原电池、电解池）完成化学反应，将电能转化为化学能，或者将化学能转化为电能2020/3/324在原电池中发生自发反应，可以对外做电功，是化学能转变为电能的过程在电解池中对非自发反应施加电功，使其得以发生，是电能转变为化学能的过程电能化学能电解电池原电池（电池）：通过化学反应将化学能转变为电能的装置，亦称为化学电源。2020/3/3254.3.1.1单液电池2HPt+HPtPtAgCl+AgHCl(a)4.3.1常见电池的类型2020/3/3264.3.1.2双液电池用素烧瓷分开ZnCu+4CuSO(aq)4ZnSO(aq)素瓷烧杯2020/3/327用盐桥分开：使得溶液中电荷达到平衡4ZnSO(aq)4CuSO(aq)ZnCu+盐桥2020/3/328化学反应转变成可产生电能的电池的条件：化学反应为氧化还原反应，或含氧化还原过程适当的装置，使化学反应通过在电极上的反应来完成两个电极，以及与电极建立电化学平衡的相应电解质组成完整电路所需的其他附属设备2020/3/3294.3.2电池符号与电极上的化学反应对原电池（化学能转变为电能的装置，Galvaniccell)，规定:写在左边的发生氧化作用,氧化数升高,产生电子,为负极；写在右边的发生还原作用,氧化数降低,消耗电子,为正极；不同材料之间的接触界面用“,”或“”隔开;盐桥用“║”表示；离子要标明浓度，气体要标明压力，纯固体可以不加说明；电池反应是两电极反应之和。2020/3/330如上述铜-锌电池可表为：ZnZn2+(c1)║Cu2+(c2)Cu电池反应方程为：负极：ZnZn2+(c1)+2e正极：Cu2+(c2)+2eCu总反应方程为：Zn+Cu2+(c2)Zn2+(c1)+Cu2020/3/3314.3.3化学电源分类4.3.3.1一次电池电池中的反应物质进行一次电化学反应放电之后，就不能再次利用，如干电池、纽扣电池2020/3/332A.传统锌-锰干电池电池符号：Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C负极反应:ZnZn2+(aq)+2e;正极反应:2NH4++2e2NH3+H2(g)2MnO2+H2(g)2MnO(OH)总反应:Zn+2MnO2+2NH4+(aq)2MnO(OH)+Zn(NH3)22+(aq)2020/3/333B.碱性锌-锰干电池在传统锌-锰干电池的基础上进行了以下几点改进:用碱性KOH糊状液代替中性NH4Cl糊状液，导电性更好；用锌粉代替锌板，接触面积更大，反应速度更快更彻底。电池符号：Zn|KOH(7~9mol/L)|MnO2,C(石墨)负极反应：Zn(s)+2OH-(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e正极反应：MnO2(s)+2H2O(l)+2eMn(OH)2(s)+2OH-(aq)电池反应：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)ZnO(s)+Mn(OH)2(s)2020/3/334C.锌-汞电池电池符号：Zn,Hg|KOH-ZnO(糊状)|HgO-Hg,C(石墨)负极反应：Zn(Hg)+2OH-(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e正极反应：HgO(s)+H2O(l)+2eHg(l)+2OH-(aq)电池反应：Zn(Hg)+HgO(s)ZnO(s)+Hg(l)电池特点：反应更彻底，电量更大。但汞对环境有污染，已于1999年禁止生产。2020/3/335D.银-