大学化学能源化学

大学化学能源化学第1页/共42页本章概要2.1能源的分类与能量的转化

2.1.1能源的定义与分类；2.1.2能量的形态与转换；2.1.3我国的能源状况与危机2.2化石燃料：煤碳、石油与天然气

2.2.1燃烧热的定义与常见燃料的热值；2.2.2煤炭；2.2.3石油与天然气2.3化学电源

2.3.1化学电源的工作原理；2.3.2电池符号与电极上的化学反应；2.3.3几种常用的原电池；2.3.4几种常用的可充电电池；2.3.5燃料电池2.4核反应与核能源

2.4.1原子核的组成；2.4.2核的稳定性与衰变；2.4.3原子核的结合能；2.4.4核的裂变与聚变2.5可再生能源的利用

2.5.1太阳能；2.5.2风能的利用；2.5.3氢能；2.5.4生物质能第2页/共42页2.1

能源的分类与能量的转化2.1.1能源的定义与分类定义：可以从中获得能量的资源称为能源。分类：

一次能源存在于自然界中的、可直接利用的能源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、潮汐能电能、氢能汽、煤、柴油酒精、火炸药二次能源需依靠其它能源制取的能源化石燃料

(煤,石油,天然气)核燃料第3页/共42页2.1.2能量的形态与转换2.1.2.1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。2.1.2.2能量的单位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J2.1.2.3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2.1.第4页/共42页表2.1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电灯电能光能10~20第5页/共42页2.1.3我国的能源状况与危机2.1.3.1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。2.1.3.2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！2.1.3.3美国、日本等国的储能计划第6页/共42页图2.2已探明的世界石油储量与年产量之比R第7页/共42页2.2化石燃料：煤碳、石油与天然气2.2.1燃烧热的定义与常见燃料的热值2.2.1.1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）单位质量(体积)：1g物质、1mol物质或1m3气态物质。完全燃烧：CCO2(g);SSO2(g)；NN2(g)；HH2O(l)；ClHCl(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？第8页/共42页2.2.2煤炭2.2.2.1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~422.2.1.2常见燃料的燃烧热（表2.2）

表2.2常见燃料的热值（kJ/g）第9页/共42页2.2.2.2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。2.2.2.3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。第10页/共42页2.2.3石油与天然气2.2.3.1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2.12.2.3.2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）第11页/共42页

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。2.2.3.3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。第12页/共42页蒸馏：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。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）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。

第13页/共42页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。

2.3化学电源(Batteries，Cells)

通过化学反应将化学能直接转变为电能的装置叫做化学电源。2.3.1化学电源的工作原理品名正庚烷正辛烷正壬烷异辛烷甲苯乙苯苯辛烷值0-17-45100103.598.9115第14页/共42页第15页/共42页2.3.2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，产生电子，为负极；写在右边的发生还原作用，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。如上述铜-锌电池可表为：ZnZn2+(c1)║Cu2+(c2)Cu电池反应方程为：

负极： ZnZn2+(c1)+2e

正极： Cu2+(c2)+2eCu

总反应方程为：

Zn+Cu2+(c2)Zn2+(c1)+Cu第16页/共42页2.3.3几种常用的原电池2.3.3.1传统锌-锰干电池电池符号：Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C负极反应:

ZnZn2+(aq)+2e;正极反应:2NH4++2e2NH3+H2(g)2MnO2+H2(g)2MnO(OH)总反应:Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH)+Zn(NH3)22+(aq)2.3.3.2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。第17页/共42页电池符号：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)+2eMn(OH)2(s)+2OH-(aq)电池反应：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)ZnO(s)+Mn(OH)2(s)2.3.3.3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)+2eHg(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。第18页/共42页2.3.3.4银-锌纽扣电池电池符号：Zn-ZnO|KOH(40%)|Ag2O-Ag负极反应：Zn(s)+2OH-(aq)Zn(OH)2(s)+2e正极反应：Ag2O(s)+H2O(l)+2e2Ag(s)+2OH-(aq)电池反应：Zn(s)+Ag2O(s)ZnO(s)+2Ag(s)电池特点：价格较高，但比容量较大。2.3.4几种常用的可充电电池2.3.4.1铅酸蓄电池电池符号：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2电池反应:

第19页/共42页2.3.4.2镍-镉电池电池符号:Cd|KOH(1.19~1.21g/cm3)|NiO(OH),C电池反应:2.3.4.3锂离子电池充电时,锂离子在外电场的作用下进入层状石墨,处于高能态;放电时锂离子从高能态脱离出来进入低能态(正极),同时通过外回路放出多余的电能。第20页/共42页2.3.5燃料电池

原电池和蓄电池将有限量的化学物质储存在电池内部，故均不能连续、长时间工作，给许多实际使用带来不便。 燃料电池将化学物质储存在电池外部，故可随原料的不断输入而连续发电。常用的燃料（还原剂）有：氢,甲醇,肼,天然气,等；常用的氧化剂有：

O2，Cl2，Br2，等；

常用的介质有：酸溶液,碱溶液,盐溶液,等。第21页/共42页电池符号：M1,H(g,p1)|KOH(35%)|O2(g,p2),M2负极反应：H2+2OH-

2H2O+2e正极反应：½O2+H2O+2e2OH-电池反应：H2+½O2H2O第22页/共42页AX,如12C,235U，等。Z6922.4核反应与核能源2.4.1原子核的组成原子核（nuclei）由质子（proton） 和中子（neutron）组成；质子和 中子统称为核子；元素的化学性质由核外电子的构型和数目确定；原子核的性质由质子和中子的数目确定；Mp=Mn=1840Me;原子序数=原子核中的质子数Z=原子的核外电子总数n;A(元素的质量数)=Z（质子数）+N（中子数）;质子数相同而中子数不同的元素处于元素周期表中的同一位置，称为同位素（Isotope），如氕，氘，氚;核可表为第23页/共42页2.4.2核的稳定性与衰变2.4.2.1稳定核的A:Z(或N:Z)关系2.4.2.2放射性同位素的衰变

衰变：质量数（AorN）较大的不稳定同位素通过释放粒子（）来达到它的稳定核结构，如：

衰变：中子数较多的不稳定同位素可通过衰变（释放负电子）或中子发射而达到其稳定核钩型。如衰变：富能核通过射线（高能电磁辐射）释放多余的能量，以求达到其稳定核构型。4He2238U(铀)234Th(钍)+4He（粒子）92902

emission9Li9Be+0e(负电子，粒子)34-1nemission9Li8Li+1n(中子)330第24页/共42页小知识:放射性衰变纪年法—考古学时钟由太阳射线产生的中子流与大气中的14N碰撞引发核反应生成14C（方程A），而14C是不稳定的放射性核素，会发生衰变而回到14N（方程B）：

大气中12C、14C的浓度都是基本恒定的，因而大气中（因而各种活的生命体中）12C/14C的比值也是恒定的。放射性同位素的衰变的动力学方程为ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰变掉一半所需的时间）t½=ln2/k1，与初始浓度c0无关。不同放射性同位素的半衰期为A：14N+1n14C+

1pB:14C14N+0706167-1同位素14C14N+40K40Ar+671920t½(年)57301.3109第25页/共42页例2.1

考古人员从徐州某古墓中找到一块棺木，经同位素检测发现该木块中14C/12C之比是现代树木中14C/12C之比的78%。问该古墓应属于哪个朝代？已知14C的半衰期t½=5730年。 解：(14C/12C)古/(14C/12C)现=14C古/14C现=0.78

k1=ln2/t½=ln2/5730=1.2110-4a-1

由ln(N0/N)=k1t 得

t=(1/k1)ln(N0/N)=(1/k1)ln(1/0.78)=2053年 答：该古墓可能属于汉代早期。第26页/共42页2.4.3原子核的结合能2.4.3.1核子质量与核反应中的质量亏损原子质量单位（碳单位）：国际标准化组织规定，以12C的原子质量的1/12作为原子质量的单位，记为amu或u。质子的静止质量为mp=1.00728u；中子的静止质量为mn=1.00867u;电子的静止质量为me=0.00055u。4H的摩尔质量为4.00150g/mol；组成核子的原始质量为21.00728u+21.00867u=4.03190u；质量亏损∆m=-0.0304u。说明在反应过程中有部分质量损失了。2.4.3.2原子核的结合能Eb

根据Einstein质能关系式E=∆m

C2，相应的质量亏损通过能量的形式释放出来（核的能量降低了），称为原子核的结合能（BindingEnergy),记为Eb。第27页/共42页例2.2

已知12753I的摩尔质量是126.9004g/mol，计算核子的平均结合能Eb,average。解：原子（12753I）的质量是126.9004amu

原子中核子的静止质量是53×mp+(127-53)×mn

质量亏损为∆m=126.9004-128.0274=-1.12702amu

核结合能为Eb=∆mC2=-(1.12702/6.0231026)(3108)2

=1.68410-10J

核子平均结合能Eb,average=1.68410-10J/127=1.32610-12J各原子核的核子平均结合能随质量数A的变化关系如图2.3。2.4.4核的裂变与聚变第28页/共42页2.4.4.1核的裂变（fission）

由于一个核的裂变可生成多个 中子，进而可引发多个核的裂 变，因此核的裂变是一个支链 反应，如

2.4.4.2原子弹与反应堆235U235U142Ba+91Kr+31n235U+1n56360137Te+97Zr+21n52400第29页/共42页2.4.4.3核的聚变(Fusion)-氢弹由图2.3可见：核聚变所释放的能量大于核裂变所释放的能量；核聚变所需的温度较高（T>50,000,000℃）；目前太阳上正在进行的是氢聚变成氦的反应，氢消耗到一定程度后进行H+HeLi；He+HeC；……等的反应，聚变所需要的温度也越来越高。如果星球质量（进而吸引力和压力）足够大，温度就足够高，最终会引发生成Fe的聚变，反应终止。星球变为白矮星（所在的位置称为黑洞）。第30页/共42页2.5可再生能源的利用

不随人类的利用而明显减少的能源称为可再生能源。常见的可再生能源有太阳能，风能，水力能，潮汐能和地热能等。2.5.1太阳能

太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于106~107吨标准煤的能量，相当于全世界能耗的1万倍，是真正的绿色能源。目前人类所使用的矿物燃料均来源于太阳亿万年来的奉献。 太阳能的利用包括太阳能电池、太阳炉等许多方面。第31页/共42页2.5.2风能的利用新疆达板城第32页/共42页2.5.3氢能2.5.3.1氢能的特点