化学与日常生活7课件

化学与日常生活黄婷第四章化学与能源概述煤石油天然气化学电源核能清洁能源4.1概述能源：《科学技术百科全书》能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源《大英百科全书》能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量《能源百科全书》“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。一、能源的发展历史柴草时期煤炭时期石油时期二、能源的分类按来源：来自地球以外的太阳能来自地球本身由月球、太阳等天体对地球的引力而产生按生成方式：一次能源二次能源按对能源的认识过程：常规能源新能源按能否再生：非再生能源再生能源按消耗后是否造成环境污染：清洁能源（绿色能源）非清洁能源三、能量的转化能量的转化和守恒定律内能：物质体系中，分子的动能、势能、电子能量、核能等的总称。4.2煤矿物燃料/化石燃料按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料一、煤的燃烧煤的形成：煤主要是由古代植物在地下隔绝空气的条件下，经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用，而形成的一种由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。根据煤化程度不同，可分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。煤的主要成分是碳、氢、氧，还含有氮、硫、磷等元素，以及泥、沙等矿物质和水分。有效氢：与碳、磷、硫结合的氢化合氢：与氧结合煤的燃烧大致经历热干燥、挥发份析出、着火燃烧、剩余焦炭的着火和燃烧等过程。按含硫质量分数分为：低硫煤（小于1.5%）、中硫煤（1.5%-2.5%）、高硫煤（2.5%-4.0%）、富硫煤（大于4%）。加入适量生石灰(CaO)可净化固硫。流化床燃烧技术，又称沸腾床燃烧煤油混烧技术二、煤的气化煤的气化反应是指用氧、空气、水蒸气等氧化剂与高温煤层或煤粒相互作用，使煤中有机物在氧气不足的情况下进行不完全氧化，转化成含有氢气、甲烷、一氧化碳等的可燃性混合气体的过程。煤的高温干馏将煤在隔绝空气的条件下，加热到600-800℃，煤中的有机物受热分解，生成焦炭和主要含甲烷、挥发性有机物的焦炉煤气。煤的发生炉气化将空气通入高温煤层，得到含二氧化碳、一氧化碳、氢气、氮气的空气煤气。热值不高煤的水煤气化将水蒸气通入高温煤层使之煤气化，产生的气体是水煤气。（主要成分是CO和H2）热值较高半水煤气煤的加氢气化将煤先转化成煤气，然后将煤气转变成富含甲烷的干净煤气。热值极高合成气将纯氧和水蒸气在加压下通入高温煤层，煤中的苯酚等挥发出来，生成含氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳的气态混合物燃料，称混合气。煤的地下气化技术煤的热核气化技术用核反应器放出来的热量代替煤作为热源，使煤完全用于气化生产。煤气的用途：用作燃料；化工原料；煤气化联合循环发电。三、煤的液化直接液化：在高温和高压下，将煤粉碎与溶剂混合，通入氢气和催化剂，进行加氢裂化。间接液化：将煤先气化，然后在较低的压力和温度下反应。据催化剂和反应条件不一样，最终产物可为石蜡、烯烃类、醇类。四、水煤浆将煤炭、水、部分添加剂，磨碎后成为一种类似于石油的可以流动的煤基流体燃料。优点：燃烧效果好；环保效果明显；工艺上具有许多优越性；五、洁净煤技术洁净煤技术(CleanCoalTechnology，简称CCT)的含义是：旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。中国洁净煤技术包括四个领域，十四项技术：煤炭加工领域：选煤、型煤、水煤浆煤炭高效燃烧与先进发电技术领域煤炭转化领域：气化、液化、燃料电池污染排放控制与废弃物处理领域煤炭脱硫技术燃烧前脱硫技术：采用物理、化学、生物方法对原煤进行清洗，将煤中的硫部分去除，使煤净化。如重力法、浮选法、油团聚集法、磁性分离法、静电分离法、重液体富集法等。燃烧中脱硫：煤在炉内燃烧时，向炉内喷入脱硫剂（常用石灰石、熟石灰），脱硫剂的煅烧产物与煤燃烧过程中产生的二氧化硫、三氧化硫发生反应，生成盐，最后以灰的形式排出炉外。烟气脱硫：二氧化硫与碱性物质反应而从烟气中脱出。湿法烟气脱硫技术干法或半干法烟气脱硫技术微生物脱硫：常压、低于100℃的温和条件下，利用微生物代谢过程中的氧化还原反应达到脱硫的目的。4.3石油一、石油的成因有机成油理论无机成油理论二、石油的基本组成石油是多种碳氢化合物的混合物，主要是烷烃、环烷烃、芳香烃、烯烃、少量有机硫化物、有机氧化物、有机氮化物、水分、矿物质等。石蜡基石油烷烃基石油中间基石油芳香基石油三、石油的分馏处理汽油无色至淡黄色的易流动液体。石油中的轻油馏分：石油常压蒸馏40℃至200℃馏分。根据制造过程可分为直馏汽油、热裂化汽油、催化裂化汽油、重整汽油、焦化汽油、叠合汽油、加氢裂化汽油、裂解汽油和烷基化汽油、合成汽油等。抗爆性：指汽油在各种使用条件下抗爆震燃烧的能力。车用汽油的抗爆性用辛烷值表示。辛烷值高，抗爆性好。辛烷值：异辛烷的抗爆性较好，辛烷值给定为100，正庚烷的抗爆性差，给定为0，汽油辛烷值的测定是以异辛烷和正庚烷为标准燃料，使其产生的爆震强度与试样相同，标准燃料中异辛烷所占的体积百分数就是试样的辛烷值。汽油的牌号：通常按辛烷值划分，其数值与辛烷值相同。安定性：指汽油在自然条件下，长时间放置的稳定性。用胶质和诱导期及碘价表征。胶质越低越好，诱导期越长越好，碘价表示烯烃的含量。提高汽油的辛烷值：加入添加剂：抗暴剂四乙基铅、甲基叔丁基醚、二茂铁、五羰基铁改变汽油的烃类组成：重油的裂化：热裂化、催化裂化、加氢裂化轻油的催化重整小分子的烷基化4.4天然气主要成分是甲烷，少量乙烷及其他碳氢化合物，着火点为810-2010K，爆炸范围是5-14%。液化天然气可燃冰：天然气水合物（NaturalGasHydrate），是一种白色固体物质，外形像冰。可燃冰是天然气分子（烷类）被包进水分子中，在海底一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下结晶形成的。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。（1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水）易燃气体的安全使用瓦斯：英文Gas。主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数。瓦斯爆炸：瓦斯浓度在5-16%之间，浓度为9.5％时其爆炸威力最大矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的自由基。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。天然气：主要成分是甲烷。比空气轻。爆炸极限5-15%水煤气：主要成分是氢气、一氧化碳、二氧化碳、微量硫化氢。比空气轻。爆炸极限为4.5-40%液化石油气：主要成分是丙烷、丁烷等。比空气重。爆炸极限2-9%。可燃气体燃烧与爆炸危险性评价爆炸极限可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限。在低于爆炸下限时不爆炸也不着火，这是由于可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；在高于爆炸上限不会发生爆炸，但会着火，这是由于空气不足，导致火焰不能蔓延。爆炸极限气体或蒸气的爆炸极限的单位，是以在混合物中所占体积的百分比(％)来表示，可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积的质量比g／m3来表示同一混合系，由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等的都能使爆炸极限发生变化。一般规律是：混合系原始温度升高，则爆炸极限范围增大，即下限降低、上限升高。因为系统温度升高，分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统。系统压力增大，爆炸极限范围也扩大，这是由于系统压力增高，使分子间距离更为接近，碰撞几率增高，使燃烧反应更易进行。压力降低，则爆炸极限范围缩小；当压力降至一定值时，其上限与下限重合，此时对应的压力称为混合系的临界压力。压力降至临界压力以下，系统便不成为爆炸系统(个别气体有反常现象)。混合系中所含惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小，惰性气体浓度提高到某一数值，混合系就不能爆炸。容器、管子直径越小，则爆炸范围就越小。当管径(火焰通道)小到一定程度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散出的热量就会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最大管径称为该混合系的临界直径。点火能的强度高、热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大。除上述因素外，混合系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围。最小点火能是指能引起爆炸性混合物燃烧爆炸时所需的最小能量。闪点在稳定的空气环境中，可燃性液体或固体表面产生的蒸气在试验火焰作用下被闪燃时的最低温度叫闪点。可燃液体挥发的蒸汽与空气混合达到一定浓度遇明火发生一闪即逝的燃烧，或者将可燃固体加热到一定温度后，遇明火会发生一闪即灭的闪燃现象，叫闪燃。物质名称最小点火能mJ氢气0.019甲烷0.25乙烷0.25环氧乙烷0.065乙烯0.096爆炸压力可燃气体、可燃液体蒸汽、可燃粉尘与空气的混合物，爆炸物品在密闭容器中着火爆炸时所产生的压力称爆炸压力爆炸压力的最大值称最大爆炸压力。名称爆炸极限（体积%）最大爆炸压力㎏／㎝2爆炸危险度下限（L）上限(U)标准汽油1.17.08.55.4氢4.075.67.417.9甲烷5.015.07.22.0液化石油气（概略值）1.89.08.64.0义马煤制气（焦炉煤气与此类似）4.9(5)35.6(35)7.06.4乙炔

1.582.010353.74.5化学电源化学电源：利用化学反应把化学能转化成电能的装置。一、化学电源的原理及特点Zn→Zn2++2eCu2++2e→Cu（-）Zn∣ZnSO4‖CuSO4∣Cu（+）化学能直接转化成电能的必要条件：在化学电源中发生的化学过程是有电子得失的氧化还原过程给予适当的装置使反应分别在两个电极上进行，电子必须通过外线路做功电池一般由正极、负极、电解质、容器、隔膜等组成。化学电源的特点：化学能的利用率高容易提高比能量比能量：单位电源设备总质量所输出的总能量，W·h·Kg-1易小型化：功率、体积碱性MnO2、ZnCl2、NH4Cl、H2O碳（石墨）正极Zn负极中性二、常用化学电池1.一次电池--原电池只能使用一次的化学电源放电容量大小主要与电极活性物质有关（1）中性锌-二氧化锰电池（-）Zn∣ZnCl2，NH4Cl（糊状）∣MnO2（石墨）（+）

电池电动势为1.5V（2）碱性锌-二氧化锰电池（-）Zn∣KOH，[Zn（OH）4]2-∣MnO2（+）电容量较中性干电池大3-5倍。（3）锌-氧化汞电池（-）Zn（Hg）∣KOH（糊状，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溶液中的糊状物汞或汞齐2.二次电池--蓄电池放电后可以充电再用的化学电源充电和放电蓄电池一次放电的容量取决于电池内部所含电极活性物质的量和利用率充放电循环次数取决于电极的可逆性及隔膜和结构材料等在充放电循环过程中的稳定性（1）铅-酸蓄电池正极：活性物质二氧化铅负极：海绵状铅电解液：硫酸水溶液PbO2+Pb+2H2SO4→PbSO4+2H2O2.06-2.08V；廉价；比能量低；自放电大。（2）碱式镉-镍电池负极：金属镉正极：氧化镍电解液：KOH或NaOH水溶液（-）Cd∣KOH（或NaOH）∣NiOOH（+）1.2V；使用寿命长，自放电小，低温性能好（3）银-锌蓄电池（-）Zn∣KOH（40%）∣Ag2O（Ag）（+）工作电压稳定，约1.5V；比能量高；内阻小；价格贵，循环寿命短，低温性能较差。（4）氢-镍电池正极：镍化氢负极：氢电池电解液：KOH7mol/L和LiOH15g/L放电：MH+NiOOH→M+Ni（OH）2M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。常用储氢合金为LaNi5循环寿命长；承受过充电和过放电的能力强；初始成本高；自放电速度较大（5）锂电池正极材料常选用MnO2或CuO选用非水电解液可以制成一次电池，也可制成二次电池比能量高，使用温度范围宽，体积小，电压随放电时间缓慢下降，可预示电池使用寿命。短路或某些重负荷条件下有发生爆炸的可能性3.燃料电池燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。燃料电池是一类连续地将燃料氧化过程的化学能直接转换为电能的电化学电池。以如氢、肼、烃、天然气等燃料作为负极活性物质以氧气、空气等氧化剂作为正极活性物质。能量转换效率高，电池能长时间持续运行，污染小，噪音低；成本高。燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展，即碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）磷酸盐型燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）固体氧化型燃料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）固体聚合物燃料电池（SolidPolymerFuelCell,SPFC,又称为质子交换膜燃料电池，ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）生物燃料电池（BEFC）。按工作温度：工作温度从室温到373K(100℃)的为常温燃料电池，如SPFC；工作温度在373K(100℃)～573K(300℃)之间的为中温燃料电池，如PAFC；工作温度在873K(600℃)以上的为高温燃料电池，如MCFC和SOFC。电池与代号碱性燃料电池

AFC磷酸型燃料电池

PAFC固体高分子型质子膜燃料电池PEMFC熔融碳酸盐型燃料电池MCFC固体氧化型燃料电池SOFC工作温度/℃60-120180-21080-100600-700900-1000燃料高纯H2H2

H2

H2-COCH4

H2-COCH4

氧化剂高纯O2空气空气空气+CO2

空气电解质KOHH3PO4质子交换膜(K,Li)2CO3

Y2O3,ZrO2

阳极催化剂PtPtPtNiNi,ZrO2

阴极催化剂PtPtPtNiOLa-Sr-MnO2

4.6核能19世纪末英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。1898年居里夫人发现新的放射性元素钋。1902年居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年爱因斯坦提出质能转换公式。1914年英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。1935年英国物理学家查得威克发现了中子。1939年德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎1954年苏联建成了世界上第一座核电站--奥布灵斯克核电站。核能：是指原子核里的核子（中子或核子）重新分配和组合时释放出来的能量。核裂变能：重元素（如铀、钚等）的原子核发生裂变时释放出来的能量核聚变能：轻元素（氘、氚）的原子核在发生聚变反应时释放出来的能量核能的优点：核能是高度浓集的能源，又是地球上储量最丰富的能源核电是清洁能源核电的经济性优于火电以核燃料代替煤和石油，可将煤和石油完全作为化工原料，有利于资源的合理利用。一、原子核的结构和核能1.原子核的结构核子核力质量亏损原子核的结合能每个核子的平均结合能（比结合能）核力核力是使核子组成原子核的作用力核力属于强相互作用力的一类。原子核中有中子、质子，质子是带正电的，所以质子之间会互相排斥，是非常强大的核力将它们吸引在一起，使它们在非常小的区域形成原子核。核力的特点：短程力，核力只有在原子核的线度内才发生作用．强相互作用，质子间产生库仑斥力，而核力能抗拒库仑斥力而使质子紧密结合在一起，这说明核力很强，它比库仑力大100倍，核力与核电荷无关，质子间的核力，中子间的核力，及质子与中子间的核力都相等，核子不能无限靠近，即核力除表现为引力之外，在某些情况下表现为斥力．大体上说核子间的距离在0.8-1.5费米(1费米)之间表现为引力；小于0.8费米表现为斥力，大于4-5费米时核力急剧下降，几乎消失；大于10费米时，核力消失．核力也是一种交换力，核子之间通过交换p介子而发生强相互作用，此类似于光子是电磁相互作用的传播者．核力是饱和性，这种饱合性使得原子核和水一样，呈现不可压缩性，即原子核的密度近似为常数．原子核的质量总小于组成原子核的各个粒子质量的总和--质量亏损爱因斯坦质能公式：△E=△mc2

例：氦原子核的静止质量为4.00150U1个质子的静止质量为1.00728U1个中子的静止质量为1.00728U（原子质量单位U：等于碳12的一个中性原子处于基态时静止质量的1/12。通过实验测得1U=1.6605×10-27千克）所以，E=0.0304×1.6605×10-27×（2.99793×108）2=4.5369×10-12J所以，由质子和中子组成1mol氦核产生的能量为：6.02217×1023×4.5369×10-12=2.7322×1012J·mol核反应核衰变：自发过程核裂变核聚变2.核裂变用中子轰击较重原子核，使之分裂成较轻原子核的反应。如U235、U238、Pu239等例：1g铀235释放出的能量为8.1×107KJ链反应裂变临界能和临界体积原子弹3.核聚变核聚变是使很轻的原子核在异常高的温度下合并形成较重的原子核的反应。又称热核反应。1g核燃料产生的能量为3.37×108KJ氢弹二、核能的开发和利用1.核电站反应堆是核电站的核心。反应堆由堆芯、冷却系统、控制保护系统、反射层、屏蔽系统等几部分构成原子核反应堆可分为热中子反应堆堆芯内有慢化剂，如水、铍、石墨、重水等。沸水堆、压水堆、重水堆、石墨堆核燃料的利用率很低快中子增值堆使反应堆中的铀238转变为钚239废料的处理、燃料初装量大、倍增时间长可控聚变堆必要条件：反应温度达一亿摄氏度，并且此时处于高温等离子态的反应物不能与器壁碰撞；等离子体约束时间要达到1s；等离子体密度要达到每立方厘米500万亿个。目前还处于基础研究阶段压水堆核电站发电原理2.核武器原子弹：重核裂变铀235、钚239氢弹：轻核聚变氘、氚、氘化锂-6中子弹：中子和γ射线3.核潜艇：以压水堆作为核动力装置4.原子核反应堆燃料的制备和处理丰度：铀235为0.714%，铀238为99.28%，铀233为0.006%破碎的矿石用硫酸或碳酸钠等溶剂将铀浸出→萃取、离子交换、焙烧→八氧化三铀（黄饼，70-90%）→转化为UF6→浓缩（气体扩散法、气体离心法、激光法）4.7清洁能源一、太阳能1.光-热转换：用集光器或集热器将太阳辐射能转换成热能。太阳能热水器太阳房太阳能热电站2.光-电转换：将太阳辐射能直接转换为电能基本原理：光电效应太阳能电池：硅太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池）、化合物半导体太阳能电池、有机半导体太阳能电池3.光-化学转换：将太阳辐射能直接转换为化学能光合作用目前只要研究利用太阳能制氢：热化学制氢法、光电解电池制氢法4.太阳能的优势：开采使用方便；环保安全；技术和应用都有巨大发展潜力；经济。二、氢能1.优势：资源丰富；污染较小；氢燃烧速度快，热值大；氢能能够储存；氢能