工程化学概论课件

本课程主要内容

物质结构基础化学热力学化学动力学水化学（溶液化学与离子平衡）电化学（材料在环境中的失效与防护）同学们感兴趣的内容讨论课6-8学时）本课程考试方式1）课程结束参加由学校组织的统考：闭卷考试。2）最后成绩由4部分组成，考试成绩50％，课堂到课率及随堂测试10％，作业15％，积极参与课程讨论25%。暑假期间：学校召开教风和学风建设工作会议高度重视，实施学业评价体系改革，大力推行“形成性评价”。改革试点课程终结性评价成绩一般不得高于课程总成绩的50%。提高命题质量，增加主观题减少客观题，尽可能不使用如名词解释、填空、是非判断等题，不得使用4年内学生考试使用的试题。教材及参考书教材：唐和清,工科基础化学.北京:化学工业出版社,2009,第二版。参考书：浙江大学,普通化学.北京:高等教育出版社,2003,6江棂,工科化学.北京:化学工业出版社,2003,8曲保中,新大学化学.北京:科学出版社,2002,12武汉大学,无机化学.武汉:武汉大学出版社,1997,1目前上述领域主要发展趋势是：面向国家战略需求和学科发展前沿，以及（潜在的）工业应用的基础研究；面向环境友好、资源节约的设计与制造一体化的研究；面向超、精、尖、特（大/重）装备的创新设计、制造原理与测试理论的研究，包括工艺机理、装备原型样机理论与技术；面向极端工况的设计与制造方法的研究，如尺度从宏观向介观、微观、纳观扩展，参数由常规向超常或极端发展；机－电－液－磁－信息等多学科交叉、多场耦合的分析与设计方法的研究。例如：化学机械系统经过几十年的发展电子期间的微小化改变了人类的生活方式，微型机电系统应运而生。进入21世纪，纳米科技的研究急速兴起，生态环境和能源问题成为焦点，人们将更关注空间科技、地球科技和海洋科技，新的形势对特种机械装置的微小化提出了迫切的要求，如化学化工装置等。尽管电子元器件实现了微小化，但实际应用于过程机械装置时，涉及化学化工、热力过程的微小化。例如：氢能提供了解决未来能源和环境问题的无线可能，但应用于汽车、深海潜艇时，制氢系统的微小化是关键。

微型飞行器：要实现良好的作战性能，化学能源动力装置的微小化是不可回避的问题。微型化学机械系统（McMSMicro-Chemo-MechanicalSystem）与微机电系统（MEMS）将具有同等重要的地位。化学化工学科发展需要“三传一反”概括了化工生产过程的全部特征。“三传”为动量传递、热量传递和质量传递（化工单元操作），“一反”为化学反应过程。

作为学校创新人才的培养，交叉学科更容易产生学术火花。通过本课程的学习，希望化学基础知识能给大家专业发展提供帮助。第一章概论1.1化学与化学工业

研究物质的组成、结构、性质及化学变化的规律的科学，是研究分子层次范围内的物质的结构和能量变化的科学；化学是分子科学，是物质科学的基础学科之一，化学是一门中心的、实用的、创造性的科学。1.化学现代化学：研究泛分子的科学-研究原子层次、分子层次、超分子层次、高分子层次、生物分子、纳米分子与聚集体、复杂分子层次的科学。由于传统化学会造成环境环境污染，化学又开始了保护世界，推动了传统化学向绿色化学转变。1.2化学工业的地位及影响化学与生活：衣-服装；食-农业、食品；住-建筑材料、装饰、家庭陈设品；行：交通工具、燃料；日用品。化学与国防：武器、动力。化学对健康和生命的贡献：药物化学。化学与当今世界四大热点问题：环境保护；能源的开发和利用；新材料研制；生命科学。1.化学与生活1)衣

人造纤维：粘胶纤维、醋酸纤维和铜氨纤维。(人造棉、人造丝、人造毛和富强纤维等)都属于人造纤维。合成纤维：以有机化合物为原料，利用化学合成的方法，经过聚合反应合成的高分子聚合物。锦纶(尼龙)-聚酰胺纤维，涤纶(的确良)-聚酯纤维，腈纶-聚丙烯脂纤维；维纶(维尼纶)-聚乙烯醇纤维；丙纶-聚丙烯纤维；氯纶-聚氯乙烯纤维。合成纤维具有强度高，耐磨，弹性好，保暖，不发霉，但也存在致命的缺点，吸湿性差，不透气等。3)日用化学品

食物的本质是化学物质，主要营养物质包括：蛋白质、脂肪、碳水化食物(糖)、维生素、无机盐(矿物质)、纤维素等。2)食

合成洗涤剂、肥皂、香精、香料、化妆品、牙膏、油墨、火柴、干电池、烷基苯、五钠（三聚磷酸钠）、骨胶、明胶、皮胶、甘油、硬脂酸、感光胶片、感光纸等。

肥皂：含有8~22个碳原子的脂肪酸或混合脂肪酸的碱性盐类(无机的或有机的)的总称，是脂肪酸盐：RCOOM。a.水煤气：C(s)+H2O(g)

=====CO(g)+H2(g)c.煤的液化燃料：以合成气为原料，生产液体燃料。1200K缺氧b.合成气：煤=====H2(40%)+CO(15%)+CH4(15%)+CO2(30%)

水蒸气O2将H2和CO进行甲烷化反应，制取合成天然气。

CO(g)+3H2(g)=CH4+H2O(l)(合成天然气)合成气油：nCO+(2n+1)H2==============CnH2n+2+nH2O活性Fe-Co170~200℃,1~2MPa合成甲醇：CO+

2H2O==============CH3OHCu300℃,20~30MPad.水煤浆燃料：70%煤粉+30%水+少量添加剂，可代替油使用。细菌选煤脱硫(合成气)一、煤洁净技术煤洁净技术包括煤炭燃烧前处理和净化技术；煤炭高效清洁燃烧技术；煤炭燃烧后净化技术以及煤炭转化技术等四个领域。（1）燃烧前的处理和净化技术（2）燃烧中净化（3）燃烧后净化——烟气净化（1）燃烧前的处理和净化技术

①洗选处理。这是除去或减少原煤中所含的灰粉、硫等杂质，并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同品种等级，以满足不同用户需要的方法。目前我国原煤洗选约为1/3，远远低于发达国家70％以上的水平。②型煤加工。这是用机械方法将粉煤和低品位煤制成具有一定粒度和形状的煤制品。高硫煤成型时可加入适量固硫剂，大大减少SO2排放。（2）燃烧中净化

先进的燃烧器是通过改进电站锅炉以及工业锅炉和窑炉的设计和燃烧技术，以减少污染物排放，并提高燃烧效率。国外已商业应用的有低NOx燃烧器，其燃烧过程是燃料和空气逐渐混合，以降低火焰温度，从而减少NOx生成；或者调节燃料与空气的混合比，提供只够燃料燃烧的氧，而不足以和氮结合成NOx。（3）燃烧后净化—烟气净化包括SO2、和颗粒NOx物的控制。烟尘，SO2变成亚硫酸钙浆状物。干法是用浆状脱硫剂（石灰石）喷雾，与烟气中的SO2反应，生成硫酸钙，水分被蒸发，干燥颗粒用集尘器收集。这两种方法脱硫效率达9０％。反应式为：SO2+CaO+O2→CaSO4

烟气除尘，目前大型电站一般采用静电除尘器，除尘效率可达99％以上。国外目前正在研究开发先进的脱硫工艺，以及可以同时脱除90％SO2和NOx的烟气净化新技术。烟气净化技术又分为除尘、脱硫、脱硝3类。

二、烟气脱硫脱硝技术近期日本新开发出组合烟囱型简易湿式脱硫装置、卧式小型脱硫装置、简易石灰石--石膏脱硫装置(可同时脱硫、除尘)；美国研制成功高效烟气脱硫洗涤器及高利用率新型吸附剂；美国ALANCO环境公司开发研制了荷电干式喷射脱硫法；ABB公司开发了近海燃煤电厂海水烟气脱硫技术。国内针对大量中小型锅炉开发了经济适用的烟气净化技术，如冲击-鼓泡式和旋流水膜式烟气脱硫除尘技术，碱性工业废水烟气脱硫工艺、陶瓷窑炉湿法收尘技术等。烟气脱硝技术有选择催化还原法、非催化还原法及吸附法等。正在开发的项目包括

(1)提高煤炭利用效率的技术；(2)脱硫、脱氮技术，如先进的煤炭洗选技术，氧燃烧技术，先进的废烟处理技术，先进的焦炭生产技术等；(3)煤炭转化技术，如煤炭直接液化，加氢气化，煤气化联合燃料电池和煤的热解等；(4)粉煤灰的有效利用技术。2)石油和天然气4)干净、无毒、无污染的二次能源-氢石油以汽油(辛烷)为代表：C8H18(l)+25/2O2=8CO2(g)+H2O(l)天然气以甲烷为代表：CH4(g)+2O2=CO2(g)+2H2O(l)3)城市煤气和液化气城市煤气：煤的合成气和炼焦气，主要成分为

H2(50%)+CO(15%)+CH4(15%)。液化气：来自油田气或炼厂气，主要成分为高压液化后的

C3H8+C4H10。需解决的三个问题：氢的制取、储存、利用。电解水制氢

电解水制氢，关键是耗能问题。以电能换氢能，成本很高。但是，通过太阳光发电或热发电以及海洋能、生物质能、地热能、非尖峰负荷的原子能电站产生的电能来制氢，可以降低氢的成本。同时，也需要开发低电耗、高效率的电解水制氢新技术。日本开发了高温加压法，将电解水的效率提高到75%；美国建成一种SPE工业装置，能量效率达90%；我国研制了双反应器制氢工艺。先进的PEM电解工艺，是一种可逆的电／氢转换装置，是燃料电池和产氢的电解槽的统一，总转换效率可达95%。

热化学循环制氢

目前已研究出100多种分步热化学循环流程制氢工艺。利用太阳能或高温气冷堆原子能电站的热能，使反应不断循环进行，达到连续制氢的目的。

太阳能光解水制氢

利用半导体电极的光电化学效应制成太阳能光电化学电池，以水为原料，在太阳光照射下制取氢。虽然太阳能光解水制氢在实验室己取得突破性进展，但仍有电极材料、电池结构、电催化、光化学反应及光腐蚀稳定性等一系列技术和理论上的难题需要解决，才能达到实用化。

生物质能制氢

利用植物的光合作用分解水制氢或产氢细菌在太阳光照射下制氢。这些方法仍属实验室探索阶段。

美国开发出制氢新技术美国科学家开发出一种用多糖制取氢的新技术。以这项技术为基础，未来的氢动力汽车将携带易于存储的碳水化合物，如淀粉。碳水化合物和水在特殊的酶作用下分解产生氢气，然后通过燃料电池产生电力，驱动汽车前进。据美国科学促进会EurekAlert网站报道，这一成果是美国弗吉尼亚理工大学、橡树岭国家实验室和佐治亚大学的科学家共同取得的，论文发表在《公共科学图书馆》杂志上。

淀粉、纤维素等碳水化合物含有大量的氢，但它们非常稳定，只有在酶的作用下才会分解。在相关实验中，科学家利用合成生物学的方法，使用由13种酶组成的混合物，将碳水化合物和水转变成二氧化碳和氢气。实验显示，这一反应在大约30摄氏度和1个大气压的条件下即可发生。将二氧化碳抽掉后，氢气进入燃料电池产生电力。在反应中，氢是主要产物，效率比自然界里厌氧菌分解生物物质产生氢的效率高3倍，每磅（约0．45公斤）氢的成本可能低于1美元。718所制氢技术：电解水制氢氢气干燥纯化装置氢的储存和运输

氢的储存和运输是氢能开发利用中极为重要的技术，因此氢气的储存和输送技术的研究十分重要。氢气常用高压气体储存、低温液氢储存及现在正在开发的金属储氢材料的固体储存。输送方式除一般的交通工具以外，还有管道运输方式。高压气体储存和运输

大量用作化工原料的氢气是将氢气压缩到15-20MPa，用高压容器储存。氢气大量长期储存还可以利用山洞、废矿洞、岩洞、地下洞做储氢库。用车、船运输。然而，氢气的重量只占容器重量的1%-2%，且处于高压下，因此在经济上和安全上都不可取。欧美采用管道远距离输送氢气。美国休斯敦的空分公司通过φ100-300mm管道，把纯度99.5%H2，输送近100km，以0.4-5.6MPa的压力供工厂使用。用管道运输的优越性在于：可以把现有的天然气和城市煤气管道输送系统改造为氢气输送系统。

低温液体储存和运输

在-252.8℃的深冷状态下将氢气液化，氢体积大大缩小，用杜瓦瓶或真空绝热容器储存，用液氢罐车或槽车运送。液氢储罐或储槽的重量约为高压钢瓶重量的1/6-1/10，相对来说容器重量减轻。液氢同样可以用真空绝热管道输送。但液化氢气的能耗较大，对真空绝热的要求比较高，存在氢气蒸发损耗。金属储氢材料储存和运输

由于高压气储运及液态氢储运方式存在着不安全、能耗高、储量小、经济性差等重大缺陷，最有前景、安全经济的氢气储运方式是用金属氢化物储氢材料。

储氢合金主要有三大系列：以LaNi5为代表的稀土系储氢合金系列；以TiFe为代表的钛系储氢合金；以Mg2Ni为代表的镁系储氢材料。

氢的应用

[在工业上的用途]

用作化工原料，生产化肥、染料、塑料、甲醇及油类和脂肪的氢化等。[在民生上的用途]氢可取代天然气及煤气为居民生活取暖、烹煮、加热水等提供能源。[在交通运输方面的用途]

氢可做合成燃料替代石油，用于汽车、飞机、船舶上。氢的燃烧热值为142kJ/gH2，石油为48kJ/g。燃烧产物是水，对环境污染低，主要问题仍在于降低制氢的成本，解决氢的储运等。[在航空航天上的用途]

氢目前最重要的用途之一是作为航空航天工业用燃料，通过液氢、液氧燃烧产生的巨大推力将火箭等送上太空。[燃料电池发电和储能]

燃料电池通过氢气与氧气或空气的化学反应得到直流电，其发展按电解质的不同可分为：碱性（AFC）、磷酸型（PAFC）、熔融碳酸盐（MCFC）、固体氧化物（SOFC）、固体聚合物（SPEFC）、质子交换膜（PEMFC）等。用燃料电池发电，能量密度大、发电效率高，PEMFC的效率可达70%以上。只要能降低重量和成本，用燃料电池取代内燃机，便可大大提高燃料能源效率、减少污染。另外，还可将太阳能等可再生能源转换成化学能储存，然后通过燃料电池再转换成电能。因此，氢燃料电池是未来电动汽车、电动船舶的理想电源，己用于航天飞船做电源。[太阳能-氢能系统]所谓太阳能-氢能系统，即是太阳能-电能-氢能-电能的转换过程。把氢作为季节性储能介质，夏季阳光充足时，光发电送入电解装置供电解水制氢并储存氢气，将太阳能转换成氢的化学能；冬季通过燃料电池将氢转换成电能。其技术要点在于开发利用太阳能的光伏阵列与电解装置的最佳配合，即电解装置的电压和电流匹配到光伏阵列的最大功率处，使产氢量达到最高。化学与能源：国家中长期科学与技术发展规划纲要2006－2020年1．能源

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。我国目前能源供需矛盾尖锐，结构不合理；能源利用效率低；一次能源消费以煤为主，化石能的大量消费造成严重的环境污染。今后15年，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。发展思路(1)坚持节能优先，降低能耗。攻克主要耗能领域的节能关键技术，积极发展建筑节能技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率。(2)推进能源结构多元化，增加能源供应。在提高油气开发利用及水电技术水平的同时，大力发展核能技术，形成核电系统技术自主开发能力。风能、太阳能、生物质能等可再生能源技术取得突破并实现规模化应用。(3)促进煤炭的清洁高效利用，降低环境污染。大力发展煤炭清洁、高效、安全开发和利用技术，并力争达到国际先进水平。(4)加强对能源装备引进技术的消化、吸收和再创新。攻克先进煤电、核电等重大装备制造核心技术。(5)提高能源区域优化配置的技术能力。重点开发安全可靠的先进电力输配技术，实现大容量、远距离、高效率的电力输配。优先主题

(1)工业节能：重点研究开发冶金、化工等流程工业和交通运输业等主要高耗能领域的节能技术与装备，机电产品节能技术，高效节能、长寿命的半导体照明产品，能源梯级综合利用技术。

(2)煤的清洁高效开发利用、液化及多联产：重点研究开发煤炭高效开采技术及配套装备，重型燃气轮机，整体煤气化联合循环（IGCC），高参数超超临界机组，超临界大型循环流化床等高效发电技术与装备，大力开发煤液化以及煤气化、煤化工等转化技术，以煤气化为基础的多联产系统技术，燃煤污染物综合控制和利用的技术与装备等。

(3)复杂地质油气资源勘探开发利用:重点开发复杂环境与岩性地层类油气资源勘探技术，大规模低品位油气资源高效开发技术，大幅度提高老油田采收率的技术，深层油气资源勘探开采技术。

(4)可再生能源低成本规模化开发利用:重点研究开发大型风力发电设备，沿海与陆地风电场和西部风能资源密集区建设技术与装备，高性价比太阳光伏电池及利用技术，太阳能热发电技术，太阳能建筑一体化技术，生物质能和地热能等开发利用技术。

(5)超大规模输配电和电网安全保障:重点研究开发大容量远距离直流输电技术和特高压交流输电技术与装备，间歇式电源并网及输配技术，电能质量监测与控制技术，大规模互联电网的安全保障技术，西电东输工程中的重大关键技术，电网调度自动化技术，高效配电和供电管理信息技术和系统。制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是制造强国；制造技术基础薄弱，创新能力不强；产品以低端为主；制造过程资源、能源消耗大，污染严重。制造业发展思路：(１)提高装备设计、制造和集成能力。以促进企业技术创新为突破口，通过技术攻关，基本实现高档数控机床、工作母机、重大成套技术装备、关键材料与关键零部件的自主设计制造。(2)积极发展绿色制造。加快相关技术在材料与产品开发设计、加工制造、销售服务及回收利用等产品全生命周期中的应用，形成高效、节能、环保和可循环的新型制造工艺。制造业资源消耗、环境负荷水平进入国际先进行列。(3)用高新技术改造和提升制造业。大力推进制造业信息化，积极发展基础原材料，大幅度提高产品档次、技术含量和附加值，全面提升制造业整体技术水平。

（1）基础件和通用部件

（2）数字化和智能化设计制造

（3）流程工业的绿色化、自动化及装备

（4）可循环钢铁流程工艺与装备

（5）大型海洋工程技术与装备

（6）基础原材料

（7）新一代信息功能材料及器件

（8）军工配套关键材料及工程化

优先主题基础原材料重点研究开发满足国民经济基础产业发展需求的高性能复合材料及大型、超大型复合结构部件的制备技术，高性能工程塑料，轻质高强金属和无机非金属结构材料，高纯材料，稀土材料，石油化工、精细化工及催化、分离材料，轻纺材料及应用技术，具有环保和健康功能的绿色材料。新材料

新材料技术将向材料的结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化发展。突破现代材料设计、评价、表征与先进制备加工技术，在纳米科学研究的基础上发展纳米材料与器件，开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料，开发超级结构材料、新一代光电信息材料等新材料。前沿技术：(1)智能材料与结构技术智能材料与智能结构是集传感、控制、驱动（执行）等功能于一体的机敏或智能结构系统。重点研究智能材料制备加工技术，智能结构的设计与制备技术，关键设备装置的监控与失效控制技术等。

(2)高温超导技术重点研究新型高温超导材料及制备技术，超导电缆、超导电机、高效超导电力器件；研究超导生物医学器件、高温超导滤波器、高温超导无损检测装置和扫描磁显微镜等灵敏探测器件。

(3)高效能源材料技术

重点研究太阳能电池相关材料及其关键技术、燃料电池关键材料技术、高容量储氢材料技术、高效二次电池材料及关键技术、超级电容器关键材料及制备技术，发展高效能量转换与储能材料体系。

生命科学：1953年英国《自然》杂志

发表了英国克里克和美国沃特森的DNA双

螺旋结构的分子模型，通过X-射线结构分

析确定了生命物质-核酸的空间结构。

DNA双螺旋结构的解析奠定了当今

分子生物学的基础。二人因此获得1962年

诺贝尔生理和医学奖。sugarphosphatebackbonebaseshydrogenbondsbetweenbases4.化学与环境保护大气污染：气候变暖、烟雾污染、酸雨、臭氧层损耗……水体污染与防治：……3.化学对健康和生命的贡献(药物化学)固体废弃物污染与防治：……

由于各学科之间的相互渗透日益增强，化学已经渗透到每个工程技术领域。可以肯定，现代工程技术上所面临的课题需要的化学知识会越来越多。1.3学习化学的重要意义1.4化学物质的分类与命名1.分类单质化合物无机物有机物：烃、醇与酚、醛、酮、羧酸、胺、酯、……物质2.命名：(略)1.5化学发展简史1.古代化学(15世纪以前)1)实用和自然哲学时期(～公元前后)a.100万年前，原始社会，火的利用；b.公元前3000年左右，奴隶社会，以实用化学工艺为特征。埃及：炼铁、鞣制皮革、提取药物香料、制造陶器；c.公元前2500-2000年，中国铜的冶炼技术，殷代青铜；d.公元前一世纪，中国发明了造纸术。e.关于宇宙结构问题，最早见解是我国商末(约公元前1140年)

出现在“易经”中的“八卦”和“五行”学说。商代青铜器(铜锡合金)Aristotle(384-322B.C.)Plato(427-347B.C.)Immortalphilosopherofantiquityf.公元前五世纪，Empedocles(安培多克尔)提出宇宙是由水、

火、气、土“四原质”构成的。g.公元前400年德谟克利特：朴素原子论。

封建社会，中国道家化学炼丹(Pb3O4、HgS)。

公元二世纪，东汉魏伯阳著有世界最早炼丹术文献；公元四世纪，东晋葛洪著有炼丹术巨著，发现了反应的可逆性(HgS←→Hg；Pb3O4←→Pb)及金属的取代(Fe和Cu盐)。这段时期，化学走入了歧途，但积累了更多的化学知识，提高了实验技术，制作了操作器皿。2)炼金术、炼丹术时期(公元前后～公元1500年)h.公元前四世纪，亚里斯多德(Aristotle)提出冷、热、干、湿的

“四原性”学说。16世纪初，欧洲资本主义的发展使化学走上正路：炼金术改革，化学方法制成药剂(无机物)；明代李时珍《本草纲目》，列有中药材、矿物1000多种并附有制备方法、性质介绍；明代宋应星著有《天工开物》(1639年)，总结了我国的工业技术。2.医化学时期(公元1500～1700年)

英国的波义尔(Boyle)提出各种物质的微粒都是由基本粒子的不同聚集体构成的。对燃烧现象认为火是由一种实在的、具有重量的火微粒构成的。

1700年，德国的施塔尔(Stahl)提出“燃素说”，清除了“四原性”学说。法国拉瓦锡(Lavoisier)燃烧的氧学说，近代化学由此萌芽。3.燃素说时期(公元1700～1774年)4.近代、现代化学(1774年后)

传统的化学学科领域包括：无机化学、有机化学、物理化学、分析化学。新测试手段和新的数据处理方法不断涌现促进了传统学科的不断完善。1.6化学学科的分支及其形成无机化学分析化学有机化学物理化学四大基础化学

无机化学：除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，无机化学是对所有元素和它们的化合物及反应进行实验研究和理论解释的科学。最初的化学是无机化学。如：青铜、陶瓷、彩陶、点金术、炼丹术、黑火药等；以门捷列夫、Meyer的元素周期律为标志，标志现代无机化学形成。

贝采里乌斯(分析化学之父)分析天平的使用和定量分析的建立是分析化学形成的标志。

JönsJakobBerzelius：原子量的测定；电荷的概念(二元论)；化学符号和化学方程式的创始人。

分析化学：含量的测定、成分的分析、结构的表征，是分析化学的三大领域。分