第二章化学与能源

第二章化学与能源第1页，课件共84页，创作于2023年2月本章内容§2.1能源现状§2.2常规能源§2.3新能源开发§2.4化学电源第2页，课件共84页，创作于2023年2月2012年全球能源消费结构§2.1能源现状第3页，课件共84页，创作于2023年2月第4页，课件共84页，创作于2023年2月

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50~60%、50~70%、70~80%、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§2.2常规能源第5页，课件共84页，创作于2023年2月3亿年前的古生代泥煤褐煤烟煤“化石能源”无烟煤煤的形成煤炭形成视频成岩作用煤化作用第6页，课件共84页，创作于2023年2月无烟煤（含碳量95%左右）褐煤(含碳量50%-70%）第7页，课件共84页，创作于2023年2月煤的结构片断示意图：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年第8页，课件共84页，创作于2023年2月世界煤炭的储备和分布

第9页，课件共84页，创作于2023年2月煤的利用方式直接燃烧热效率低；化学利用率低；严重污染环境。第10页，课件共84页，创作于2023年2月煤的综合利用——煤的干馏（焦化）煤干馏是煤化工的重要过程之一，是指煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭、煤焦油、焦煤气等产物的过程。高温干馏（900～1100℃）中温干馏（700～900℃）低温干馏(500～600℃)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第11页，课件共84页，创作于2023年2月干馏的实验装置：第12页，课件共84页，创作于2023年2月干馏产品：第13页，课件共84页，创作于2023年2月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。第14页，课件共84页，创作于2023年2月1700C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。第15页，课件共84页，创作于2023年2月实验室分馏装置第16页，课件共84页，创作于2023年2月煤的综合利用——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。第17页，课件共84页，创作于2023年2月在高温下与水蒸气作用可得水煤气：与有限的空气和水蒸气反应就可得半煤气：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原子第18页，课件共84页，创作于2023年2月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N2

+3H22NH3催化剂合成氨反应：第19页，课件共84页，创作于2023年2月二、石油—工业的血液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（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年第20页，课件共84页，创作于2023年2月成份：由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的烃类混合物。第21页，课件共84页，创作于2023年2月烃类化合物（碳氢化合物）分类：烷烃（C-C）烯烃（含C=C）炔烃(含CΞC)乙烃甲烷第22页，课件共84页，创作于2023年2月烃类化合物命名（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C8H18C18H38十八烷第23页，课件共84页，创作于2023年2月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。第24页，课件共84页，创作于2023年2月分馏产品第25页，课件共84页，创作于2023年2月分馏产品分子中含碳原子数沸点范围用途溶剂油C5—C6

30—1500C油脂、橡胶、油漆生产中作溶剂汽油C5—C11

2200C以下（80-2000C）飞机、汽车等汽油机燃料航空煤油C10—C15

150—2500C喷气式飞机燃料煤油C11—C16180—3100C拖拉机用燃料，工业洗涤剂柴油C15—C18

200—3600C重型汽车、军舰、轮船、坦克、拖拉机等各种高速柴油机燃料润滑油

C16—C20

3600C以上机械上的润滑剂、减少机械磨损、防锈凡士林液态烃和固态烃混合润滑剂、防锈剂石蜡C20—C30

制蜡纸、绝缘材料沥青C30—C40

铺路、建筑材料、防腐涂剂石焦油主要成分C制电极、生产SiC石油分馏产品及其用途第26页，课件共84页，创作于2023年2月汽油小常识？第27页，课件共84页，创作于2023年2月发动机爆震现象：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，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。第28页，课件共84页，创作于2023年2月正庚烷（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<芳香烃第29页，课件共84页，创作于2023年2月“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，汽油的质量越好！第30页，课件共84页，创作于2023年2月如何提高汽油品质（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第31页，课件共84页，创作于2023年2月

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。第32页，课件共84页，创作于2023年2月§2.3新能源开发一、核能-魔鬼与天使1.原子结构道尔顿原子学说(1803年)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；第33页，课件共84页，创作于2023年2月

电子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。第34页，课件共84页，创作于2023年2月测出电子的荷质比为

-e/me=-1.76×1011C·kg-1打破了“原子不可再分”的概念；ABC英国物理学家JJThomson(1856－1940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。1906年荣获诺贝尔物理学奖第35页，课件共84页，创作于2023年2月

1895年起，M.Curie等人发现一些原子不稳定，具有放射性(radioactivity)。放射性衰变(radioactivedecay)：核衰变主要有三种类型：-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)第36页，课件共84页，创作于2023年2月多数粒子通过金箔，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)ErnestRutherford，1871-19371911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！原子有核模型(1911年)第37页，课件共84页，创作于2023年2月原子直径10-10m

原子核10-15m

第38页，课件共84页，创作于2023年2月质子(proton)——1919年，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=1836.1526675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，不带电性第39页，课件共84页，创作于2023年2月原子核核外电子（带负电）质子（带正电）中子原子内结构粒子之间的数量关系:原子结构原子核符号表示：①原子序数(Z)=②质量数（A）=质子数=核电荷数=核外电子数质子数（P）+中子数（N）第40页，课件共84页，创作于2023年2月元素周期表第41页，课件共84页，创作于2023年2月氢（H）101碳（C）661216氧（O）8中子数16868146同位素：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原子核符号第42页，课件共84页，创作于2023年2月Z<20,中子数(N)/质子数(P)=1时，核最稳定；原子核是由带正电的质子和不带电的中子紧密结合的（质子和中子统称为核子）。2.核的结构Z增大，稳定核内N/P逐渐增大；N/P>1.6时(Z>84钋Po)，原子核发生自发裂变；核愈稳定，核子结合时释放的能量也愈大，这能量称为核的结合能。

核的结合能计算用爱因斯坦的质能方程:E=mc2第43页，课件共84页，创作于2023年2月

一个质子和中子的静止质量分别为1.00728u和1.00867u。氦原子核（He）质量应为4.03190u，但实际氦原子核的静止质量为4.00150u，相差质量0.03040u，称为质量亏损（1u=1.6605655×10-27kg)。该质量差可转化的能量为：E=mc2=0.03040u×1.6605655×10-27kgu-1×(2.99793×108ms-1)2=4.5369×10-12J（负值，放出能量）核子平均结合能：E/核子数（核子相对稳定性）第44页，课件共84页，创作于2023年2月核子平均结合能曲线核裂变核聚变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第45页，课件共84页，创作于2023年2月3.核反应和核能自发核反应：诱导核反应：天然放射性元素，Ra-228粒子轰击（中子、α射线）第46页，课件共84页，创作于2023年2月核裂变U235921kg23592U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。问题：23592U含量低，中子被U-238吸收，抑制裂变！第47页，课件共84页，创作于2023年2月浓缩铀中子降能法中肯质量（临界体积）0.7%>2%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第48页，课件共84页，创作于2023年2月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第49页，课件共84页，创作于2023年2月第50页，课件共84页，创作于2023年2月快中子反应堆（快堆）：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。第51页，课件共84页，创作于2023年2月在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。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

。第52页，课件共84页，创作于2023年2月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”。第53页，课件共84页，创作于2023年2月核技术的应用：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第54页，课件共84页，创作于2023年2月动力应用：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-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。第55页，课件共84页，创作于2023年2月核能利用带来的问题：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”：核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，外面装上隔热外套，然后送入太空；第56页，课件共84页，创作于2023年2月“火葬”：把放射性物质放入深坑内，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上插入坑内，坑内装４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几百度。泥土开始溶化，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，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。“水葬”：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。第57页，课件共84页，创作于2023年2月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；01e和0+1e分别代表电子和正电子）：γ第58页，课件共84页，创作于2023年2月

1942年流亡到美国的匈牙利物理学家特勒(E.Teller)

提出有可能用原子弹爆炸所产生的高温来引发轻核聚变反应（当时美国即将制造出第一颗原子弹）。1944年费米算得在地球上氘核单独聚变的点火温度为4亿度，而氘和氚实现热核反应的点火温度为5000万度。原子弹爆炸所产生的高温足够为氘和氚热核反应的点火。1952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65吨，爆炸力约为1000万吨TNT，是广岛爆炸的原子弹的500倍。同样质量的核燃料，聚变反应比裂变反应放出更高的能量。第59页，课件共84页，创作于2023年2月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。第60页，课件共84页，创作于2023年2月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。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：太阳能电池第61页，课件共84页，创作于2023年2月三、可燃冰—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立方米可燃冰含有200多立方米的甲烷气体。“天然气水合物”

第62页，课件共84页，创作于2023年2月思考题：一般化学变化和核反应的区别？第63页，课件共84页，创作于2023年2月§2.4化学电源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。第64页，课件共84页，创作于2023年2月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第65页，课件共84页，创作于2023年2月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）第66页，课件共84页，创作于2023年2月负极正极原电池(Galvaniccell)：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（盐桥）；同时发生三个过程：一、原电池第67页，课件共84页，创作于2023年2月负极(电子流出)：正极(电子流入)：2e电池反应（总反应）

氧化反应还原反应电极反应（半反应）

氧化还原电对：Zn2+/Zn;Cu2+/Cu

第68页，课件共84页，创作于2023年2月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；第69页，课件共84页，创作于2023年2月自制水果电池：第70页，课件共84页，创作于2023年2月二、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）；锌筒石墨棒MnO2和C普通锌-锰干电池结构NH4Cl、ZnCl2

和

H2O等第71页，课件共84页，创作于2023年2月缺点：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：第72页，课件共84页，创作于2023年2月碱性锌锰电池（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+e→MnO(OH)+OH－MnO(OH)+H2O+OH－→Mn(OH)4－Mn(OH)4－+e→Mn(OH)42－正极负极Zn+2OH－→Zn(OH)2+2eZn(OH)2+2OH－→Zn(OH)42－Zn+MnO2+2H2O+4OH－→Mn(OH)42－+Zn(OH)42－总反应第73页，课件共84页，创作于2023年2月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。第74页，课件共84页，创作于2023年2月负极：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-铅蓄电池第75页，课件共84页，创作于2023年2月电压为2V，通常六个一组，为12V负极：正极：电池反应：第76页，课件共84页，创作于2023年2月充电放电使用维护(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