能源化学(科普版)

1、 能源消费水平的高低，是衡量一个国能源消费水平的高低，是衡量一个国家在一定时期内经济技术发展水平的重要家在一定时期内经济技术发展水平的重要标志。标志。能能 源源能源概述能源概述常规能源常规能源新新 能能 源源化学电池化学电池2.1 能能 源源 概概 述述 能源是指能够转换成热能、光能、电磁能、能源是指能够转换成热能、光能、电磁能、机械能、化学能等各种能量形式的资源。机械能、化学能等各种能量形式的资源。 能源的形式有多种，如燃料、核能、太阳能、能源的形式有多种，如燃料、核能、太阳能、水力、地热、风能、潮汐能等等。水力、地热、风能、潮汐能等等。 能源的分类很多能源的分类很多: : 一次能源；二次能

2、源。一次能源；二次能源。 常规能源；新能源。常规能源；新能源。风 能三 峡 水 电站地热发电厂2.2 常常 规规 能能 源源2.2.1 煤炭煤炭 1. 煤的发热量：单位质量的煤完全燃烧所能使放煤的发热量：单位质量的煤完全燃烧所能使放 出的最大热量。衡量燃料作为能源的一个指标。出的最大热量。衡量燃料作为能源的一个指标。 通常煤完全燃烧所能放出的发热量为通常煤完全燃烧所能放出的发热量为30 kJg-1缺点缺点: :a.a.固体燃料，燃烧速率慢，利用效率低，运输不变。固体燃料，燃烧速率慢，利用效率低，运输不变。b.b.燃烧时产生有毒气体燃烧时产生有毒气体(SO2， SO3，CO)，污染大气。污染大气

3、。 褐煤是质地最差、发热量最低的一类煤，但它可以提炼成焦炭、煤焦油和焦炉气却是极好的化工原料。塑料和染料就是的褐煤“作品”。2.2. 煤的气化煤的气化：C(s) + H2O (g) = CO (g) + H2 (g) ； Hm ( 298.15K ) = 131.3kJ.mol-1 C (s) + O2 (g) = CO2 (g) Hm (298.15K) = - 393.5kJ.mol-1 CO (g) + H2 (g) = CH4 (g) + H2O (l) Hm (298.15K) = - 250.2kJ.mol-1人工合成天然气人工合成天然气(1) (1) 直接液化法：将煤在高温，高压

4、和催化剂存在直接液化法：将煤在高温，高压和催化剂存在 下加氢液化的方法。下加氢液化的方法。(2) (2) 间接液化法：先将煤气化，然后再合成液体燃间接液化法：先将煤气化，然后再合成液体燃 料的方法。料的方法。3.3.煤的液化：通过化学反应改变煤炭中的碳氢比例，煤的液化：通过化学反应改变煤炭中的碳氢比例， 使煤变成较轻的液态碳氢化合物。使煤变成较轻的液态碳氢化合物。2.2.2 石油和天然气石油和天然气1.石油：多种碳氢化合物的混合物。既是优良的燃料也是重要的化工原料。 十六烷十六烷辛烷辛烷 辛烯辛烯原油 脱水脱盐 分馏 精制汽油中最有代表性的是辛烷C8H18 催化裂解：催化裂解： C16H34

5、C8H18 + C8H16分流塔示意分流塔示意图图石油钻井平台2.天然气：一种低分子量烃类混合物。 优制的气体燃料也是重要的化工原料。 主要成分是甲烷。甲烷。 CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (l) Hm (298.15K) = - 890 kJ.mol-1 2.3 新新 能能 源源2.3.1 核核 能能 核能是原子核结构发生变化时放出的能量，核能是一种优质能源，能量密度大，便于存储和运输。核能分为核裂变能与核聚变能。 E = m c2E：表示系统能量改变量；表示系统能量改变量； m：表示系统质量改变量；表示系统质量改变量；c：表示光速：表示光速( 3 1

6、0 8 m s-1 )。爱因斯坦公式爱因斯坦公式1. 核裂变能核裂变能 _ _ 在中子在中子(10n)轰击下使较重的原子轰击下使较重的原子核分裂成较轻的原子核的反应所放出的能量。核裂核分裂成较轻的原子核的反应所放出的能量。核裂变反应是目前所有运转的核电站的基础。变反应是目前所有运转的核电站的基础。n2SrXeUnU10953813954236921023592 裂变产物非常复杂，已知至少有裂变产物非常复杂，已知至少有35种元素（从种元素（从 30Zn 到到 64Gd ）。1g U-235 放出的能量为放出的能量为 8 107 kJ核裂变产物大多具有放射性。核裂变产物大多具有放射性。核电站工作原

7、理示意图核电站工作原理示意图原子弹构造示意图原子弹构造示意图2. 2. 核聚变能核聚变能 _ _ 轻原子核在异常高的温度下轻原子核在异常高的温度下（约（约10 8 C）聚合成较重原子核时，放出的巨大）聚合成较重原子核时，放出的巨大能量。能量。 核聚变能比核裂变能威力大的多核聚变能比核裂变能威力大的多, ,它是一种它是一种最理想的清洁能源，是开发核能的主攻方向。最理想的清洁能源，是开发核能的主攻方向。nHeHH10423121 9.3.2 太太 阳阳 能能 太阳能的利用：1. 光光_热转换热转换：通过聚光器或集热器将太阳辐射能直接转换成热能。2. 光光_电转换电转换：利用太阳能光电池的半导体效应

8、将太阳辐射能直接转换为直流电。3. 光光_化学转换化学转换：利用太阳光能将CO2和H2O转换成碳水化合物和O2。核聚变能核聚变能e2HeH4014211 卫星升空后太阳照射在卫星的太阳能电池上，太阳能代替蓄电池成为永不枯竭的能源。哈勃太空望远镜2.3.3 氢氢 能能氢能是指以氢作为燃料时释放出来的热能。1. 1. 氢气的制取氢气的制取(1)电解法电解法：借助电能使水分解产生氢气。(2)光催化分解法光催化分解法：使用半导体为基础的催化体系，利用太阳光直接分解水。(3)光合作用光合作用：借助某些特殊植物，利用光合作用 将水转变为氢。2. 2. 氢气的储存氢气的储存 氢气的密度很低，运输和储存较为不

9、易，目前最理想的储氢方法是利用金属氢化物。 LaNi5 + 3H2 LaNi5H6微热微热 (200 - 300)KPa3. 3. 氢气的利用氢气的利用 氢气燃烧温度高，燃烧纯净，是一种优良的燃料，同时可利用氢氧燃料电池将氢能转化为电能使用。BMW氢能7系由能够使用氢燃料和汽油双燃料驱动 9.4 化化 学学 电电 池池 化学电池是以氧化剂作正极化学电池是以氧化剂作正极, , 还原剂作负还原剂作负极极, , 在一定介质条件下在一定介质条件下, ,利用自发进行的氧化利用自发进行的氧化还原反应还原反应, , 将化学能直接转变为电能的装置。将化学能直接转变为电能的装置。9.4.1 化学电池的分类化学电

10、池的分类一次电池（原电池）一次电池（原电池）二次电池（充电电池）二次电池（充电电池）燃料电池燃料电池1. 一次电池一次电池 活性物质放电后不能再生、充电的电池。活性物质放电后不能再生、充电的电池。根据电解质类型分为酸性和碱性两类。根据电解质类型分为酸性和碱性两类。 (1)酸性锌锰干电池酸性锌锰干电池(-) Zn | ZnCl2, NH4Cl(糊状糊状) | MnO2 | C (+)(2)(2)碱性锌锰干电池碱性锌锰干电池锌锰电池不同的负极结构，锌锰电池不同的负极结构，负极由锌片改为锌粉，外壳负极由锌片改为锌粉，外壳改用钢皮，正极仍用石墨和改用钢皮，正极仍用石墨和二氧化锰。二氧化锰。人们发现，当

11、用人们发现，当用KOH电解电解质溶液代替质溶液代替NH4Cl做电解质做电解质时，无论是电解质还是结构时，无论是电解质还是结构上都有较大变化，电池的比上都有较大变化，电池的比能量和放电电流都能得到显能量和放电电流都能得到显著的提高。著的提高。仅根据仅根据1995年统计资料表年统计资料表明，全世界干电池总产明，全世界干电池总产量为量为250亿只，其中碱亿只，其中碱锰电池为锰电池为70亿只。亿只。我国碱锰电也总产量近我国碱锰电也总产量近3亿只，仅占干电池总产亿只，仅占干电池总产量的量的3%，预计，预计5年内将年内将提高到提高到10%15。(3)锌汞电池锌汞电池 (-) Zn (Hg) | KOH(糊

12、状糊状,含饱和含饱和ZnO) | HgO | Hg(+) 绝缘体钢套的锌壳多孔隔离物Zn(OH)2 和HgO在KOH溶液中的糊状物Hg (或汞齐)总反应式: Zn+HgOZnO+Hg 锌汞电池主要用于自动曝光照相机助听器医疗仪器中。由于电池中大量使用氧化汞,用完后随意丢弃会严重污染环境,故其生产及使用范围正在趋向缩小部分正被锌银电池所取代。(4) 锂碘电池锂碘电池 心脏起搏器的电池提供电能心脏起搏器的电池提供电能进行工作。进行工作。 起搏器对心脏的每次起博都起搏器对心脏的每次起博都不允许失败，要求电池全部不允许失败，要求电池全部时间都在工作，绝不允许电时间都在工作，绝不允许电流有停顿。流有停顿

13、。 另外，电池植入人体内，要另外，电池植入人体内，要求特别稳定，里面的化学物求特别稳定，里面的化学物质不会泄漏，寿命长，重量质不会泄漏，寿命长，重量轻，体积小。现在心脏起搏轻，体积小。现在心脏起搏器中使用的是锂器中使用的是锂-碘电池碘电池(其其中用锂做电极，碘做电解质中用锂做电极，碘做电解质)，它的使用寿命是它的使用寿命是10年左右。年左右。 (-) Li | LiI | I2(不锈钢不锈钢)(+)阴极材料阳极栅网不锈钢外壳密封接线柱封接口 2. 2. 二次电池二次电池 活性物质具有充放电可逆性活性物质具有充放电可逆性, ,放电使用放电使用完可充电再生，循环使用。完可充电再生，循环使用。 (1

14、)铅蓄电池铅蓄电池 (-) Pb | H2SO4(1.251.30gcm-3) | PbO2 (+)(2)镍氢电池镍氢电池 (-) C | H2 | KOH | NiOOH (+)(3)钠硫电池钠硫电池 (-) Na | Al2O3 | S+Na2Sx | C (+) 钠硫电池具有许多钠硫电池具有许多特色之处：一个是特色之处：一个是比能量（即电池单比能量（即电池单位质量或单位体积位质量或单位体积所具有的有效电能所具有的有效电能量）高。其理论比量）高。其理论比能量是铅酸电池的能量是铅酸电池的3-4倍；另一个是倍；另一个是可大电流、高功率可大电流、高功率放电。再一个是充放电。再一个是充放电效率高。放电效率高。 钠硫电池开始作为电动汽车用的动力电池发展，无论从使用可提供的空间、电池本身的安全等方面均有一定的局限性。国外重点发展钠硫电池作为固定场合下（如电站储能），其应用目标瞄准电站负荷调平（即起削峰平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来）、UPS应急电源及瞬间补偿电源等。3.3.燃料电池燃料电