第二章化学与能源-1

1、 2.1 能源现状 2.2 常规能源 2.3 新能源开发 2.4 化学电源2012年全球能源消费结构 煤是一种碳质岩石，由一定地质年代生长的繁茂植物，在适宜的环境中，逐渐堆积成厚层，并埋没在水底和泥沙中，经过漫长的天然煤化作用而形成的。根据煤化程度的不同，分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤4类, 含碳量分别是5060% 、 5070% 、 7080% 、95% 。我国是世界产煤炭第一大国，出口第二大国。一、煤最主要的固体燃料3亿年前的古生代泥煤褐煤烟煤“化石能源”无烟煤u 煤的形成煤炭形成视频http:/成岩作用成岩作用煤化作用煤化作用无烟煤（含碳量95%左右）褐煤(含碳量50%-70%）u 煤的结

2、构片断示意图：所含元素：C、H、O、N、S、P由有机物和无机物所组成的复杂的混合物.200-300年世界煤炭的储备和分布世界煤炭的储备和分布 u 煤的利用方式直接燃烧1.热效率低；2.化学利用率低；3.严重污染环境。煤的综合利用 煤的干馏 （焦化）煤干馏煤干馏是煤化工的是煤化工的重要过程之一，是指煤在隔绝空气条件下重要过程之一，是指煤在隔绝空气条件下加热、分解，加热、分解，生成焦炭、煤焦油、焦煤气等生成焦炭、煤焦油、焦煤气等产物的过程。产物的过程。高温干馏（高温干馏（90090011001100）中中温温干馏（干馏（700700900900）低温干馏低温干馏 ( (500500600600)加

3、热终温加热终温黑色半焦，煤气产率低，焦油产率高；银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低干馏的实验装置：干馏产品： 焦炭在高温隔绝空气时可以与石灰反应生成碳化钙（电石），并用于制备气焊中的乙炔气。CaOCCaC2CO+3000 C0石灰焦炭电石 一氧化碳电炉3CaC2+ 2H2OCa(OH)2+ C2H2170 0C以下：苯、甲苯、二甲苯、苯的同系物； 170 230 ：酚类和萘； 230 以上：复杂的芳香族化合物； 残渣：稠厚的黑色沥青。 煤焦油是含有多种芳香族化合物的复杂的混合物,可以通过分馏的方法使其中的重要成分分离出来。实验室分馏装置煤的综合利用 煤的气化煤在特定的设备内，在一定温度及压力下

4、使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。在高温下与水蒸气作用可得水煤气：C+H2OCO+H2(g)合成气或水煤气与有限的空气和水蒸气反应就可得半煤气：水蒸气煤空气CO+H2+N2+主要反应有：燃气煤气中毒：血红素Fe原子与CO结合力大于O2原子半煤气的另一个用途是小型化肥厂合成氨的原料：水气转换，提高H2含量CO+ H2OCO2+H2催化剂催化剂N2 + 3 H22 NH3催化剂催化剂合成氨反应：二、石油工业的血液u 石油的形成石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下（

5、地热或地压等作用），经过千百万年的漫长转化过程而生成。石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中。50年成份：由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的烃类混合物。烃类化合物（碳氢化合物）分类：烷烃（C-C）烯烃 （含C=C）炔烃 (含CC)乙烃甲烷烃类化合物命名（中国化学会） 碳原子数1-10的直链烷烃，我国采用天干体系，即用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸代表碳原子数；11个以上碳原子用数字称呼。正丁烷异丁烷同分异构体C4H10丁烷辛烷C8H18C18H38 十八烷u 石油炼制分馏石油是烃的混合物，因此没有固定的沸点。含碳原子数越少的烃，沸点越低。因此，在给石油加热时，低沸点的烃先汽化，经过冷凝

6、液化后分离出来。随着温度的升高，较高沸点的烃再汽化，经过冷凝化后又分离出来。这样不断地加热汽化和冷凝液化，就可以把石油分成不同沸点范围产物。这种方法叫石油的分馏。分馏出来的各种成分叫做馏分。每一种馏分仍然是多种烃的混合物。分馏产品分馏产品分馏产品 分子中含碳原子数分子中含碳原子数 沸点范围沸点范围 用途用途 溶剂油溶剂油 C C5 5CC6 6 30150 30150 0 0C C 油脂、橡胶、油漆油脂、橡胶、油漆生产中作溶剂生产中作溶剂 汽油汽油 C5C11 220 220 0 0C C 以下以下 （80-80-200 200 0 0C C）飞机、汽车等汽油飞机、汽车等汽油机燃料机燃料 航空

7、煤油航空煤油 C C1010CC1515 150250 150250 0 0C C 喷气式飞机燃料喷气式飞机燃料 煤油煤油C C1111CC16 16 180310 180310 0 0C C 拖拉机用燃料，工拖拉机用燃料，工业洗涤剂业洗涤剂 柴油柴油 C C1515CC1818 200360 200360 0 0C C 重型汽车、军舰、重型汽车、军舰、轮船、坦克、拖拉轮船、坦克、拖拉机等各种高速柴油机等各种高速柴油机燃料机燃料 润滑油润滑油 C C1616CC2020 360 360 0 0C C以上以上机械上的润滑剂、机械上的润滑剂、减少机械磨损、防减少机械磨损、防锈锈 凡士林凡士林 液态

8、烃和固态烃混液态烃和固态烃混合合 润滑剂、防锈剂润滑剂、防锈剂 石蜡石蜡 C C2020CC3030 制蜡纸、绝缘材料制蜡纸、绝缘材料 沥青沥青 C C3030CC4040 铺路、建筑材料、铺路、建筑材料、防腐涂剂防腐涂剂 石焦油石焦油 主要成分主要成分 C C 制电极、生产制电极、生产SiC SiC 石油分馏产品及其用途石油分馏产品及其用途汽油小常识发动机爆震现象：内燃机在运转时要经过进气、压缩、点火和排气4个冲程。其中，点火这一动作必须在气缸的活塞把汽油蒸汽压缩到汽缸的另一端底处时才能实施。然而，若汽油质量不佳，在活塞只压到一半时已发生自燃造成压力骤增，把本来应该继续向前的活塞硬推了回去，

9、造成机械装置的严重不协调。此时汽车的发动机产生震动，发出猛烈的金属敲击声，这就是所谓的爆震现象。汽油性能的表征辛烷值(汽油对爆震的特别阻抗标准)自燃点低的烃类成分越多，汽油的质量就越差。正庚烷（C7）自燃点为223；异辛烷（2，2，4-三甲基戊烷）自燃点为418 。自燃点从低到高的顺序：直链烃 支链烃，环烷烃 芳香烃“异辛烷”抗爆震性较好，辛烷值定为100； “正庚烷” 抗爆震性差，辛烷值定为0。例： 92#汽油，就是它的抗爆震度与92异辛烷和8正庚烷混合物的抗爆震度相同。汽油的抗震性能用“辛烷值”表示：把汽油的抗震性与这两种烃的不同成分的混合物相比较，就可得到该汽油的相对辛烷值。辛烷值越高，

10、汽油的质量越好！如何提高汽油品质（辛烷值）？ 添加抗暴剂：二溴乙烷乙醇或甲醇四乙基铅 0.1% 组合汽油：辛烷值提高 13-17； 氧化铅 （固体，磨损气缸）二溴化铅（随废气排出） 污染大气上海市 1997年10月1日 禁用含铅汽油全国 2000年1月1日发动机改进甲基叔丁基醚 催化重整/裂化：催化重整： 将汽油送入高温反应器，在催化剂作用下，将直链烃转变为自燃点较高的支链烃或芳香烃，从而有效的提高汽油的辛烷值。催化裂化：裂化就是在一定条件下，将碳原子数较多的碳氢化合物分解为各种小分子的烷烃类，以增加汽油的产量。一、核能-魔鬼与魔鬼与天使天使1. 原子结构 u 道尔顿原子学说 (1803年)

11、一切物质都是由最小的、不可再分的微粒原子构成；原子是坚实的、不可再分的实心球；1897年，英国物理学家J.J. Thomson利用阴极射线管（研究低压气体的放电时）发现。测出电子的荷质比为 -e/me = -1.76 1011 Ckg-1打破了“原子不可再分”的概念；ABC英国物理学家英国物理学家J J Thomson(18561940年)人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”9位学生获诺贝尔奖，包括他的儿子。 19061906年荣获诺贝尔物理学奖年荣获诺贝尔物理学奖 1895年起，M. Curie等人发现一些原子不稳定，具有放射性 (radioactivity)。核衰变主要有

12、三种类型： -衰变 ( -radiation)：氦核42He ( 粒子He2+) -衰变 ( -radiation)：电子 ( 粒子) -衰变 ( -radiation)：高能光子 ( 射线)多数 粒子通过金箔，少数产生很小的偏转，而极少数粒子折回；欧内斯特卢瑟福(英)Ernest Rutherford ，1871-1937 1911年，卢瑟福 (E.Rutherford)通过对高速 粒子(He2+)对金箔的轰击而产生散射现象，提出了原子有核模型。遇到质量很大、体积很小且带正电荷的核！u 原子有核模型(1911年)原子直径 10-10m 原子核 10-15m 质子 (proton) 1919年

13、，卢瑟福 利用 粒子轰击氮原子核，发现质子，并证实质子是原子核的组成部分。质子-电子质量比 mp/me = 1 836.152 6675 中子 (neutron) 于1932年由英国物理学家查德威克（J. Chadwick）发现。质量同质子一样，不带电性NHeOH+Be+HeCn+1474217811944212610原子核核外电子（带负电）质子（带正电） 中子原子内结构粒子之间的数量关系:XAZ原子核符号表示：原子序数(Z) = 质量数（A）=质子数=核电荷数=核外电子数质子数（P）+中子数（N）元素周期表 氢 （H） 101碳（C） 661216氧（O） 8中子数16868146同位素：

14、原子序数相同，原子质量因中子数不同而不同 的元素。 铀（U） 92146238929214323592质子数 8电子数质量数H11C126C146O168U23892U23592原子核符号 Z 1.6时时(Z84 钋钋 Po)，原子核发生自发裂变，原子核发生自发裂变； 核核愈稳定，核子结合时释放的能量也愈大，这能愈稳定，核子结合时释放的能量也愈大，这能量称为核的量称为核的结合能结合能。 核核的结合能计算用的结合能计算用爱因斯坦的质爱因斯坦的质能能方程方程: :E = E = m m c c2 2 一个质子和中子的静止质量分别为一个质子和中子的静止质量分别为1.00728 u和和1.00867

15、u。氦原子核（。氦原子核（He）质量）质量应为应为4.03190 u，但实，但实际氦原子核的静止质量为际氦原子核的静止质量为4.00150 u，相差质量，相差质量0.03040 u，称为，称为质量质量亏损亏损（1u = 1.660565510 -27 kg) 。 该质量差可该质量差可转化的能量转化的能量为：为： E = m c2= 0.03040 u1.660565510 - 27 kg u - 1 (2.99793 10 8 m s -1) 2 = 4.536910 - 12 J（负值，放出能量）（负值，放出能量）核子平均结合能：核子平均结合能： E/核子数（核子数（核子核子相对稳定性）相对

16、稳定性）核子平均结合能曲线将一个相对不稳定的原子核转变为一个更稳定的原子核，会释放能量。大核裂变为中等大小的核小核聚变为大核自发核反应：诱导核反应：NHeOH+Be+HeCn+1474217811944212610天然放射性元素，Ra-228粒子轰击（中子、射线）u 核裂变92 U+n XeSrBaKrIY(氙 ）（ 氪 ）（ 锶 ）（ 钡 ）（ 钇 ）（ 碘 ）235012341391439590135383639535456010101nnn+U23592 1 kg 23592U的核全部裂变时所产生的能量相当于2500 吨左右优质煤燃烧时所放出的热量。 浓缩铀 中子降能法 中肯质量（临界体

17、积）0.7% 2%分离同位素法：气体扩散、气体离心法等分离同位素法：气体扩散、气体离心法等能量 1/40eV，U-238不吸收减速剂（重水、石墨） 石墨反应堆 重水反应堆n链式反应（爆炸）可控核反应（反应堆）镉棒，可控的吸收多余中子人们将核反应堆形象地比喻为核电站的“锅炉”，在这种“锅炉”里烧的是铀、钚等核燃料。在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而“快堆”的“燃料”却越烧越多，成了魔炉。中国实验快堆:2011年7月成功实现并网发电。在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚b)。1个239Pu吸收1个快中子发生裂变反应，会放出2.45个快中子，除去1个用于链式裂变反应后，剩下的1.45个

18、快中子会被装在反应区周围的238U（大量存在）吸收，产生1.45个新的核燃料原子239Pu 。就是说在核锅炉中一边“烧”掉，又一边使238U转为成新的，而且新产生的比“烧”掉的还多。这就使“快堆”的燃料越烧越多。“快堆”增殖核燃料把铀资源的利用率大大提高了，因为它正好解决了热中子核反应堆产生的大量238U废料堆积问题。因此“快堆”被人们称为“明天的核电站锅炉”。 军事：原子弹1945年7月美国第一颗原子弹“小男孩”“胖子” 广岛长崎 二战期间1949年1952年1960年1964年苏联英国法国中国U-235Pu-239 动力应用：核电站、核潜艇 同位素应用： 医学应用：射线消毒、扫描、手术等C

19、-14测文物年代标记原子（示踪原子）:水(D2O)在人体内停留时间为2星期； 化学反应历程 酯化反应（18O）C-14半衰期 5730年，活体从外界吸收C-14，含量基本不变；生物死亡之后，体内C-14含量不断减少，从其减少量可推断生物死亡时间。1. 放射性废料的危害 2. 放射性核废料的处理放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。“天葬天葬”：核废料先固化成玻璃块，装到特制的核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中合金棺中，外面，外面装上隔热外套，装上隔热外套，然后送入太空；然后送入太空；“火葬火葬”：把把放射性物质放放射性物质放入深坑

20、内入深坑内，用特制的盖，用特制的盖子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，就上插入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到几百度几百度。泥土泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，最后，最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面

21、，用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄不会外泄。“水葬水葬”：将深海作为核废料的墓场。将核废料将深海作为核废料的墓场。将核废料装入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。装入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。u 核聚变轻原子核聚合成较重原子核并放出巨大能量的过程，由于核间的相互排斥作用，常温下难以自发进行。太阳等恒星内部所进行的正是由氢核聚变成氦核的过程。在太阳等恒星内部温度极高，轻核能获得足够的动能来克服核间斥力，而自动发生持续核聚变。（和分别代表光子和伽玛射线；01 e和 0+1 e分别代表电子和正电子）： H114He42+2e+2v+r23+ M eV26氢弹中

22、核聚变H31+H21He42+n100+1 1942年流亡到美国的匈牙利物理学家特勒年流亡到美国的匈牙利物理学家特勒(E. Teller) 提出有可能用提出有可能用原子弹爆炸所产生的高温来引原子弹爆炸所产生的高温来引发轻核聚变反应发轻核聚变反应（当时美国即将制造出第一颗原子（当时美国即将制造出第一颗原子弹）。弹）。1944年费米算得在地球上氘核单独聚变的点火年费米算得在地球上氘核单独聚变的点火温度为温度为4 4亿度亿度，而氘和氚实现热核反应的点火温度为，而氘和氚实现热核反应的点火温度为5000万度万度。原子弹爆炸所产生的高温足够为氘和氚热。原子弹爆炸所产生的高温足够为氘和氚热核反应的点火。核反

23、应的点火。1952年美国在马绍尔群岛上成功地爆年美国在马绍尔群岛上成功地爆炸了第一颗以液态氘和氚为燃料的氢弹，这颗氢弹重炸了第一颗以液态氘和氚为燃料的氢弹，这颗氢弹重65吨，爆炸力约为吨，爆炸力约为1000万吨万吨TNT，是广岛爆炸的原子，是广岛爆炸的原子弹的弹的500倍倍。同样质量的核燃料，聚变反应比裂变反。同样质量的核燃料，聚变反应比裂变反应放出更高的能量。应放出更高的能量。 科学家们曾对常温下能否实现核聚变作了大量研究，至今仍未成功。目前人工核聚变只能在氢弹爆炸和有加速器产生的高能粒子碰撞中实现。1967年6月17日，在我国西部地区成功地爆炸了第一颗氢弹。这次试验是中国继第一颗原子弹爆炸

24、成功后，在核武器发展方面的又一次飞跃，标志着中国核武器的发展进入了一个新阶段。太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。过程产生的能量。二、太阳能-能源之母光-热转换：太阳能光热灶，太阳能高温炉光-化学转换：光化学反应光电转换：太阳能电池三、可燃冰未来的新能源未来的新能源可燃冰是一种无色透明冰状晶体，是甲烷和水所形成的一种笼型气体水合物，水分子通过氢键相互吸引构成笼，甲烷分子就存在在这种笼中，甲烷分子与水分子间通过范德华力相互吸引而形成笼型水合物。它还是一种清洁的能源，燃烧几乎不会产生有害的污染物质。据分析，1立方米

25、可燃冰含有200多立方米的甲烷气体。 “天然气水合物天然气水合物” 思考题：一般化学变化和核反应的区别？化学电源是利用化学反应所得的化学能直接转换为电能的装置，即电池。化学电池分类一次电池二次电池燃料电池碱性锌锰电池铅蓄电池氢氧燃料电池锂离子电池普通锌锰干电池锌银纽扣电池Zn（活泼金属）失去核外电子，变为带正电荷的Zn2+ ; 铜离子得到电子变为铜原子； 电子发生就地转移，无电流产生；氧化还原反应（有电子转移或电子得失）负极正极原电池 (Galvanic cell)：利用氧化还原反应将化学能转变为电能的装置。1.两个电极表面分别发生氧化反应和还原反应；2.电子流过外电路；3.离子流过电解质溶液

26、（盐桥）；同时发生三个过程：一、原电池负极 (电子流出)：22ZnZne正极 (电子流入)：22ZnCuZnCu2e2e 电池反应（总反应） 氧化反应22CueCu还原反应电极反应（半反应） 氧化还原电对： Zn2+ / Zn; Cu2+ / Cu 将化学能转变为电能的两个必要条件：1. 氧化反应和还原反应分隔在两个区域进行；2. 电子必须通过外电路流动；自制水果电池：二、一次电池负极：1# 电池或 5#电池1. 锌锰电池(干电池)正极：电解液：锌片；二氧化锰（石墨）；氯化锌/氯化铵水溶液（淀粉糊状）；锌筒锌筒石墨棒石墨棒MnOMnO2 2和和C C普通锌普通锌- -锰干电池结构锰干电池结构N

27、HNH4 4ClCl、ZnClZnCl2 2 和和 H H2 2O O等等缺点： 随电流的消耗，外包装锌皮逐渐变薄，甚至洞穿；负极： 正极：电池反应： 2( )()2Zn sZnaqe4223322()2( )2( )2()( )NHaqMnO seMn O sNHaqH O l2422332( )2()2( )()( )2()( )Zn sNHaqMnO sZnaqMn O sNHaqH O l碱性锌锰电池（改进型）负极：锌粉；正极： 二氧化锰（石墨）；电解液：氢氧化钾水溶液；MnO2+H2O+eMnO(OH)+OHMnO(OH)+H2O+OHMn(OH)4Mn(OH)4+eMn(OH)42

28、正极负极Zn+2OHZn(OH)2+2eZn(OH)2+2OHZn(OH) 42Zn+MnO2+2H2O+4OHMn(OH)42+Zn(OH)42总反应2. 锂锰电池（扣式） 3V负极： 金属锂；正极: 二氧化锰；电解液：高氯酸锂的有机溶液；Li+MnO2=LiMnO2Li Li+ + eMnO2+Li+ + e = MnO2(Li)负极正极总反应锂：重量轻；避免水。优点：体积小，使用温度范围广，电池寿命长，特别适 用于心脏起搏器的电源。缺点：在短路或某些重负荷下，有发生爆炸的可能性。负极：金属铅板；正极：紧附着二氧化铅的铅板；电解液：30%的硫酸水溶液；三、二次电池-铅蓄电池电压为2V，通常

29、六个一组，为12V 负极： 正极：电池反应： 244( )( )2Pb sSOPbSO se22442( )4()()2 ( )2( )PbO sHaqSOaqePbSO sH O l22442( )( )4()2() 2( )2( )Pb sPbO sHaqSOaqPbSO sH O l)(2)(22)()(24422lOHsPbSOSOHsPbOsPb?充电放电使用维护(避免过充、过放；温度过高、过低）放电后，生成的硫酸铅(PbSO4)是一种结构疏松，活性很高的结晶物。充电时，正负极板上的疏松细密的硫酸铅又转变为硫酸、铅和氧化铅。充电时：若充电参数不匹配，充电电压高、电流大或者充电时间长，就会导致蓄电池的失水率加大，严重的析气会损坏蓄电池，造成蓄电池的早期失效。 过放电，将使细小硫酸铅晶体结成较大的晶体，在充电时很 难使它再还原，直接影响蓄池的容量和寿命。碱式镍镉电池 ： 负极： 正极：使用注意事项：充电时必须使用小电流、长时间的方法；具有“记忆效应”，必须在电量全部用完之后再充电。2NiO(OH) + 2H2O+2e-=2Ni(OH)2 + 2OH-2( )2()()2Cd sOHaqCd OHe镍氢电池 ： 负极： 正极：22( )( )2() ( )()NiOOH sH O leNi OHsOH