第一章-热化学

第一章-热化学第一页，共95页。1.1化学反应的热效应及体积功1.2焓及焓变1.3赫斯定律1.4标准生成焓及反应的标准焓变选读材料I能源本章小结第一页2第二页，共95页。学习要求：理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。

掌握状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。第二页3第三页，共95页。是化学热力学的一个分支。中学化学中用“化学反应中的能量变化”来简单地介绍该内容。热化学它用各种量热方法准确测量物理的、化学的以及生物过程的热效应，从而根据热效应来研究有关现象及规律性。主要回答诸如化学反应过程中吸收或放出的热量、化学反应的自发性(即两种物质之间能否发生化学反应)以及化学反应的限度(反应完成之后反应物的量与产物的量之间的关系)等化学家十分关注的一类基本问题。第三页4第四页，共95页。系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和空间。1.1.1系统与环境系统的分类：开放系统、封闭系统、隔离系统开放系统

有物质和能量交换封闭系统

只有能量交换隔离系统

无物质和能量交换Zn第四页5第五页，共95页。

例考察一个汽缸中待燃烧的氢气和氧气的混合物，氢气和氧气即为系统，气缸、活塞以及其他相关部分则为环境2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)+热量

虽然系统中氢原子和氧原子的化学形态发生了变化，但系统与环境间并没有发生物质交换，但却与环境以热和功的形式交换了能量。

H2和O2在密闭的金属气缸中燃烧构成封闭系统第五页6第六页，共95页。1.1.2状态与状态函数状态函数

用于表示系统性质的物理量X称状态函数，如气体的压力p、体积V、温度T等。状态

为系统一切性质的总和(有平衡和非平衡态之分)。如系统的宏观性质(体积、压力、质量、密度等)都处于定值，则系统为平衡态。

状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。第六页7第七页，共95页。状态函数的性质

状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始态和末态有关，而与变化的实际途径无关。

状态函数的性质系统压力从3pº变为p°始态末态第七页8第八页，共95页。状态函数可分为两类：广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。强度性质：其量值不具加和性，如温度、压力等。思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？

力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。第八页9第九页，共95页。1.1.3过程与途径系统状态发生任何的变化称为过程可逆过程

体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。实现一个过程的具体步骤称途径思考：过程与途径的区别。

设想如果你要把20°C的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。第九页10第十页，共95页。1.1.4热力学第一定律能量守恒定律（principleofconservationofenergy）:

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，但可以从一种形式转变成另一种形式。系统失去的能量必定被环境所得到，反之亦然。第十页11第十一页，共95页。1.1.5内能

系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？（Y）内能的特征：状态函数：系统的内能由它的状态决定无绝对数值：不能测得系统微粒拥有的能量的准确值，但能测出系统发生化学和物理变化前后的改变量。广度性质：其值与系统中物质的总质量成正比

符号：U

，单位：kJ。对于一个给定的系统，其内能有一个固定的值。第十一页12第十二页，共95页。内能改变量（∆U）

系统在终态与始态之间的内能差

∆U=U终-U始

数字和单位表明变化量；正负表明能量转移的方向；当U终>U始，

∆U为正，表示系统从环境中得到能量当U终>U始，∆U为负，表示系统失去能量并传递给环境始态和终态分别表示反应物和产物所处的状态。第十二页13第十三页，共95页。系统与环境状态与状态函数过程与途径热力学第一定律内能第十三页14第十四页，共95页。封闭系统与环境之间以功（W）和热（Q）的方式交换能量。热力学第一定律的代数式：∆U

=

Q

+

W

系统内能的改变量等于系统吸收或放出的热量加上环境对系统所做的功或系统对环境所做的功。1.1.6内能的改变量与热和功的关系第十四页15第十五页，共95页。放热过程(exthothermiccourse):过程中向环境中释放热量。

热:

在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。符号：Q

单位：kJ；

非状态函数：取决于过程变化的途径；系统吸热为正Q>0

，系统放热为负Q<0;吸热过程(endothermiccourse):过程中从环境中吸收热量。如：冰融化、固体NH4SCN与Ba(OH)2·8H2O

在室温下混合第十五页16第十六页，共95页。

符号：w

； 单位：kJ。

w不是状态函数，取决于过程变化的途径；分类：体积功（机械功或膨胀功）非体积功(电功，本章不讲)

系统对环境作功:w<0（为负）；环境对系统作功:w>0（为正）。只讲恒压体积功：体积功=w=-p(环)

ΔV=-

p(V2-V1)

p是系统内压，p=p(环)=常数对理想气体满足理气方程：PV=nRT功：在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。第十六页17第十七页，共95页。思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2)钢瓶中；将理想气体的温度提高20ºC时，是否做了体积功？1)做体积功，2)未做体积功。第十七页18第十八页，共95页。例点燃图中所示汽缸中的氢气和氧气。系统放出1.15kJ热。由于气体受热膨胀，引起了活塞上升，膨胀气体对环境做了0.48kJ的功，系统内能的变化量是多少？解

已知热由系统传给环境，且系统对环境做功。因此Q和W都是负值：

Q＝－1.15kJ，W＝－0.48kJ。根据方程式ΔU=Q+W，体系内能的变化量ΔU为

即系统传递给环境的能量为1.63kJ系统吸收热和环境对系统做功都能增加系统的内能。第十八页19第十九页，共95页。体积功w体的计算等外压膨胀过程中，系统对环境做体积功w体=–p

外(V2–V1)=–p外ΔV

pp外

=F/Al

w体=–F·lF为外界环境作用在活塞上的力p外

=F/A，l=ΔV/A2，因此，体积功w体=–(p外·

A)·(ΔV/A)

=–p外

ΔV系统膨胀做功示意图活塞移动方向第十九页20第二十页，共95页。理想气体的体积功理想气体的定义：

气体分子不占有体积，气体分子之间的作用力为0的气态系统被称为理想气体。理想气体的状态方程：例

1mol理想气体从始态100kPa,22.4dm3经等温恒外压p2=50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。解终态平衡时的体积为：负值表示系统对外做功。n：物质的量mol;R：摩尔气体常数8.314J·k-1·mol-1T：温度k第二十页21第二十一页，共95页。热力学第一定律数学表达式ΔU=U2-U1

=q+w某封闭系统，热力学能U1，从环境得到热q，从环境得功W，变到状态2，热力学能U2，则有：qw2U21U1第二十一页22第二十二页，共95页。1.2.1化学计量数一般用化学反应计量方程式表示化学反应中质量守恒关系，通式为：

B称为B的化学计量数。符号规定：反应物：

B为负；产物：

B为正。例

应用化学反应通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：N2+3H2==2NH3解用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH31.2.焓及焓变第二十二页23第二十三页，共95页。1.2.2反应进度思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。如对于反应：0=–N2–3H2+2NH3

，当有1molNH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成则反应进度为1mol。反应进度ξ

的定义：

反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。nB

为物质B的物质的量，dnB表示微小的变化量。或定义第二十三页24第二十四页，共95页。

化学反应时，系统吸收或放出的热量叫做反应的热效应，简称反应热。根据反应条件的不同，反应热又可分为：

恒容反应热恒压反应热1.2.3焓及焓变第二十四页25第二十五页，共95页。恒容反应热恒容过程，体积功w体

=0，不做非体积功w′=0时，所以，w=w体+

w′=0

，ΔU

=QV+w=

QV恒压反应热恒压过程，不做非体积功时，w体=–p(V2–V1)，所以

ΔU=Qp+w=

Qp

–p(V2–V1)

Qp=ΔU+p(V2–V1)第二十五页26第二十六页，共95页。∵QP

=△U+p(V2–

V1)=(U2-U1)+p(V2–

V1)=(U2+p

2V2)–(U1+p1V1)令

H=U+p

V

则Qp

=H2–

H1=ΔHH称为焓，是一个重要的热力学函数。单位：kJ状态函数无绝对数值第二十六页27第二十七页，共95页。公式Qp

=ΔH的意义：表明在恒压和不做非体积功的过程中，封闭系统从环境中所吸收的热量等于系统焓的增加。所以可以通过ΔH的计算求出QP

的值。QP=H2

–

H1=ΔHΔH为焓变ΔH<0QP<0

恒压反应系统放热;ΔH>0QP>0

恒压反应系统吸热。第二十七页28第二十八页，共95页。化学反应热的测量一般在弹式量热计中进行。第二十八页29第二十九页，共95页。1.2.4恒容反应热与恒压反应热的关系已知 恒容反应热：QV=ΔUV； 恒压反应热：Qp=ΔUp+p(V2–V1)Qp–QV=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT根据理想气体状态方程PV=nRT，有：对于理想气体，内能是温度的函数，等温过程，ΔUp

ΔUV，则：Qp–QV=p(V2–V1)=p∆V

Qp–QV

=ΔUp+p(V2–V1)-ΔU第二十九页30第三十页，共95页。思考：若反应C(石墨)+O2(g)→CO2(g)的Qp,m为–393.5kJ·mol–1，则该反应的QV,m为多少？对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在Qp-Qv=∆n(g)RT中，只需考虑气体的物质的量。该反应的Δn(g)=0，QV=Qp所以 对于没有气态物质参与的反应或Δn(g)=0的反应，QV

Qp

对于有气态物质参与的反应，且Δn(g)0的反应，QV

Qp第三十页31第三十一页，共95页。1.2.5热化学方程式

表示化学反应及其反应热（标准摩尔焓变）关系的化学反应方程式

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)

一个化学反应的焓变称作为反应焓或反应热，通常用ΔH表示

ΔH=H(产物)-H(反应物)第三十一页32第三十二页，共95页。聚集状态不同时，∆Hm

不同。

2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)，∆Hm=-571.66kJ·mol-1

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)，∆Hm=-483.62kJ·mol-1书写热化学方程式时应注意：标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态；第三十二页33第三十三页，共95页。反应热与反应式的化学计量数有关；化学计量数不同时,∆Hm不同。

H2(g)+1/2O2(g)→H2O(g)，∆Hm=-241.82kJ·mol-1

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)，∆Hm=-483.62kJ·mol-1

一般标注的是等压热效应Qp。如果没有特别注明，通常假定反应物和产物处在大气压环境和298.15K（25℃）的条件下。

第三十三页34第三十四页，共95页。CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)∆Hm=-802kJ·mol-1反应温度与压力的标注位置。物质聚集状态的标注（s,l,g,aq）方程的化学计量数：热化学方程式中化学计量数表示参加反应的各物质的物质的量，不具有表示分子个数的意义,因此，∆H的单位为kJ·mol-1或者J·mol-125̊C1.0x105

Pa第三十四页35第三十五页，共95页。例:下列关于H2(g)＋Cl2(g)＝2HCl(g)；△H＝－184.6

kJ/mol的叙述正确的是（）

A.1molH2(g)完全反应，生成2molHCl，放出热量184.6kJB.1分子H2(g)和Cl2反应，放出热量184.6kJC.101kPa,298K下1molH2(g)和Cl2(g)完全反应，生成2molHCl(g)，

放出热量184.6kJD.101kPa,25℃下1molH2(g)和Cl2(g)反应，生成2molHCl，吸收热

量184.6kJC第三十五页36第三十六页，共95页。例

在常压系统中燃烧4.5g甲烷，放出多少热？正逆反应焓变示意图

解常压下1molCH4燃烧放出802kJ的热量。由于1molCH4

的质量为16.0g，所以系统放出的热量负号表示系统释放给环境226kJ的热量。

第三十六页37第三十七页，共95页。

练习1：已知充分燃烧a

g乙炔气体时生成1mol二氧化碳气体和液态水，并放出热量bkJ,则乙炔燃烧的热化学方程式是：（A）第三十七页38第三十八页，共95页。1.2.6热化学方程式表示的意义（1）反应物与生成物的种类与聚集状态。（2）反应中各物质的物质的量与质量比。（3）反应中吸收或放出的热量：反应放热，∆H为“-”；反应吸热，∆H为“+”。CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)∆Hm=-802kJ·mol-1物质变化能量变化化学反应的过程，可以看作是能量“贮存”或者“释放”的过程。第三十八页39第三十九页，共95页。(4)系统的焓变可衡量系统存储了多少热量。2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)∆Hm=-483.6kJ·mol-1

氢气燃烧是强放热反应，表明反应物焓值较低，且反应能产生很强的爆炸力。(5)焓变的大小可以初步判断化学反应的方向。

绝大多数的反应是放热的，且∆Hm越负反应越容易进行。一般来说，系统内能减少，以热量形式传递给环境，对反应有利。第三十九页40第四十页，共95页。

少量的吸热反应额能在没有外力的作用下自发进行。如冰的融化过程：H2O(s)→H2O(l)∆Hm=6.01kJ·mol-1

这种在一定条件下，不需要借助任何外力可以自动进行的过程被称为自发过程（spontaneouscourse）。 粗略估计，∆Hm<

-100kJ·mol-1的反应，在任何条件下均能自发进行。第四十页41第四十一页，共95页。思考：需要加热的反应都是吸热反应吗？反应的能量差异是反应物与生成物之间存在能量差异,任何化学反应过程均会产生热效应。反应中旧化学键的断裂需要吸收的能量与新化学键的形成需要释放的能量不同。反应需要加热，可能是反应需要能量引发，如铝热反应过程。2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe

（不全部是）第四十一页42第四十二页，共95页。热容和比热容

热容分为等压热容Cp和等容热容CV。1mol物质的热容叫做摩尔热容。1g物质的热容叫做比热容，其单位是J·g-1·K-1。1.2.7反应热的实验测量系统吸热放热时，伴随着温度的改变。测量温度变化，即可算出化学反应的热量。物质温度每升高1K所需吸收的热量叫做该物质的热容。热容符号为C，单位是J·K-1。第四十二页43第四十三页，共95页。物质的热容与温度的关系随物质、聚集态、温度的不同而异。常用两种经验式：Cp,m=a+bT+cT2+...Cp,m=a+bT+c’T-2+...a,

b,c以及c’都是经验常数，由各物质本身的特性决定。第四十三页44第四十四页，共95页。弹式量热计设有nmol物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(J·K-1)，比热容为cs(J·K-1g-1)，则：

q=

-csms(T2-T1)=-CsΔT由于完全反应，因此摩尔反应热：

qm=q/n第四十四页45第四十五页，共95页。焓变的基本特点：某反应的与其逆反应的数值相等，符号相反。即:始态和终态确定之后，一步反应的焓变等于多步反应的焓变之和。即1.3赫斯定律第四十五页46第四十六页，共95页。1840年GermainHenriHess通过实验总结出一条规律:

在恒压或恒容条件下，化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其总反应放出或吸收的热总是相同的。始态终态中间态x、y为系数即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。第四十六页47第四十七页，共95页。

化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。始态

C(石墨)+O2(g)终态

CO2(g)中间态

CO(g)+½O2(g)原因：Qp=△H,QV=△U,而U,H是状态函数第四十七页48第四十八页，共95页。赫斯定律用处：由已知的热化学方程式(反应热)

进行四则运算，求出未知的热化学方程式（反应

热）。使用赫斯定律注意：参加四则运算的反应要求在相同的条件(温度，压力，体积等)下进行。作为运算结果的反应也在此条件下进行。参加四则运算的几个反应中的同一种物质要求具有相同的聚集状态，作为运算结果的反应中的同一种物质也具有此聚集状态。各步反应均不做非体积功。第四十八页49第四十九页，共95页。由赫斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。例已知反应和的反应焓，计算的反应焓，解(1)(2)第四十九页50第五十页，共95页。习题1，已知25̊C时2C(石墨)+

O2(g)=2CO(g)∆rHθm,1=-221kJ

mol-13Fe(s)+

2O2(g)=Fe3O4(s)∆rHθm,2=-1118kJ

mol-1求：Fe3O4(s)+

4C(石墨)=3Fe(s)+4CO(g)

∆rHθm,3

解：(1)x2(4)4C(石墨)+

2O2(g)=4CO(g)∆rHθm,4=2∆rHθm,1

(4)-(2)4C(石墨)-3Fe(s)=4CO(g)-Fe3O4(s)

移项即得所求方程∆rHθm,3

=

∆rHθm,4

-

∆rHθm,2

=

2∆rHθm,1

-

∆rHθm,2

=

[2x(-221)-(-1118)]kJ

mol-1=676kJ

mol-1第五十页51第五十一页，共95页。1.4.1标准生成焓1.标准状态

标准状态(标准态)：为物质的状态定义一个基线。

按照GB3102·8-93中的规定，标准状态时的压力pθ=100kpa，右上角标“θ”是表示标准状态的符号。标准状态并没有指定具体温度！1.4标准生成焓及反应的标准焓第五十一页52第五十二页，共95页。标准状态的规定

气体:T,p=100KPa（pθ）下，表现出理想气体特性的

气体纯物质的状态液，固体:T,

pɵ下纯物质的状态溶液中溶剂A:Pθ下，液体纯物质A的状态溶液中溶质B：pθ时，质量摩尔浓度

bθ=1mol·Kg-1，并表现出无限稀溶液中溶质的状态;本书采用近似

cθ=1mol·dm-3第五十二页53第五十三页，共95页。2.标准摩尔生成焓

定义：在温度T下,

由参考状态单质生成物质B(νB=+1)反应的标准摩尔焓变单位：kJ·mol-1

参考状态单质：一般是指在所讨论的温度T及标准压力pθ时最稳定状态的单质。通常称为指定单质。

如：O2(g),H2(g),Br2(l),I2(s),

石墨，白磷P4(s)

物质B(νB=+1)：1mol物质B。即反应进度为1mol。

显然，标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。第五十三页54第五十四页，共95页。注意事项：

是物质的生成反应的标准摩尔焓变，书写B的生成反应计量式时，要使B的化学反应计量数νB=

+1。即化学反应进度为一。亦即生成1mol的物质B。思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?(1)(3)(2)第五十四页55第五十五页，共95页。标准摩尔焓变及测定测定原理：由于qp=ΔH所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变.标准状态下,反应进度ξ=1mol的焓变称为反应的标准摩尔焓变:记作3.反应的标准焓变第五十五页56第五十六页，共95页。4反应的标准摩尔焓变的计算稳定单质反应物

标准状态生成物

标准状态

rHm

fHm(p)

fHm(r)计算的一般公式表示总和,n和m分别表示产物和反应物的化学计量系数根据赫斯定律可以由已知的所有反应物和产物的值计算过程的标准焓。第五十六页57第五十七页，共95页。也可写成：表示总和,vB表示产物和反应物的化学计量数公式第五十七页58第五十八页，共95页。：称为反应标准摩尔焓变：称为反应摩尔焓变：称为标准摩尔生成焓：称为反应焓变几个表示焓变的符号第五十八页59第五十九页，共95页。解从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩尔生成焓分别为–824.2和–1675.7kJ·mol-1。例

试计算铝热剂点火反应的反应计量式为：第五十九页60第六十页，共95页。注意事项物质的聚集状态，查表时仔细应用物质的标准摩尔生成焓计算反应标准摩尔焓时需要注意公式中化学计量数与反应方程式相符数值与化学计量数的选配有关；温度的影响通常情况下随温度变化很少。第六十页61第六十一页，共95页。1.热力学第一定律数学表达式ΔU=U2-U1

=q+w(w=–p外

ΔV)2.反应进度(与化学反应方程式的书写有关)3.恒容、恒压反应热QV=ΔUV；Qp=ΔH;Qp–QV=p(V2–V1)=p∆V=Δn(g)RT4.热化学方程式CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)∆Hm=-802kJ·mol-1物质变化能量变化5.赫斯定律第六十一页62第六十二页，共95页。

在恒压或恒容条件下，化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其总反应放出或吸收的热总是相同的。x、y为系数6.标准状态:

并没有指定具体温度.7.标准摩尔生成焓:

在温度T下,

由参考状态单质生成物质B(νB=+1)反应的标准摩尔焓变.8.反应的标准摩尔焓变的计算第六十二页63第六十三页，共95页。例

设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔完全燃烧放出的能量。解从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下。226.730-393.509-285.83第六十三页64第六十四页，共95页。例（a）计算1mol苯[C6H6(l)]燃烧生成CO2(g)和H2O(l)的标准焓变；（b）比较由1.00g丙烷和1.00g苯燃烧所产生的热量。解（a）第一步写出1molC6H6(l)燃烧的平衡反应方程式

第二步计算反应的标准焓变第六十四页65第六十五页，共95页。（b）同理可求出1mol丙烷燃烧的ΔrHmθ＝－2220kJ•mol-1。因此根据C3H8(g)和C6H6(l)的摩尔质量可以求出它们每克物质的燃烧热C3H8(g)：（－2220kJ·mol-1）×（1mol/44.0g）=－50.5kJ•g-1C6H6(l)：（－3267kJ·mol-1）×（1mol/78.0g）=－41.9kJ•g-1

碳氢化合物的燃烧热有一条重要的规律，即每克碳氢化合物燃烧所得到的能量在40~50kJ之间。第六十五页66第六十六页，共95页。1.5能源思考：能源利用为什么这么重要？工厂废弃如果世界能源消耗殆尽？交通瘫痪粮食减产城市废墟第六十六页67第六十七页，共95页。

能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。

能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）

之一。

能源是我们赖以生存的重要物质基础。第六十七页68第六十八页，共95页。一次能源二次能源常规

能源燃料能源煤炭、石油、天然气、生物质能煤气、焦碳、成品燃油、液化气、酒精非燃料能源水能电力、蒸汽、热水新能源燃料能源核能人工沼气、氢能非燃料能源太阳能、地热、风能、海洋能激光利用

状况使用

性质形成条件1.5.1世界能源的结构与能源危机1.能源的分类第六十八页69第六十九页，共95页。2世界能源的结构和消耗195019601970198019902010102030405060能源结构比例(%)年代世界消耗的一次能源结构煤炭

石油

天然气

水电及其它第六十九页70第七十页，共95页。3能量消耗前六名的国家美国中国俄罗斯日本德国印度51015202530能源结构比例(占世界%)

国家煤炭

石油

天然气

核能

水电25.410.47.26.04.12.9世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）趋势（比例）：石油和天然气下降；煤炭上升；核电上升。第七十页71第七十一页，共95页。4能源危机本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降。1.5.2煤炭与洁煤技术我国能源结构的特点:我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。第七十一页72第七十二页，共95页。1煤炭的成分与热值煤炭的主要成分：碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的热值：单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。标准煤的热值为29.3MJ·kg-1。无烟煤：低硫，较好；烟煤：高硫，燃烧环境污染；褐煤：储量大，但热值低。煤炭的分类：第七十二页73第七十三页，共95页。2洁净煤技术

洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。煤甲醇合成汽油液体燃料(新型液态燃料)第七十三页74第七十四页，共95页。1.5.3石油和天然气

石油

石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？

世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。第七十四页75第七十五页，共95页。石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。思考：以上产品中最重要的是什么？汽油。95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为55-72之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到79-88，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。1石油燃料产品第七十五页76第七十六页，共95页。2天然气天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。其热值约为55.6MJ•kg-1。天然气的优点：

可直接应用

易于管道输送

污染少思考：西气东送具有哪些重要意义？第七十六页77第七十七页，共95页。3沼气和生物质能

植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家使用过沼气吗？农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。第七十七页78第七十八页，共95页。4可燃冰—未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。CH4·xH2O(s)。形成条件：低温高压如0℃，76MPa。储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的2-3倍。分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。开采难，储量丰富。第七十八页79第七十九页，共95页。1.5.4煤气和液化气煤气煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品。液化气煤气的组成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ•M-3思考：与煤气相比，液化气有哪些优点？无毒、低污染、热值高于煤气。液化气作动力→绿色汽车←燃料电池（各国竞争发展）。第七十九页80第八十页，共95页。1.6清洁能源与可持续发展思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的(不考虑太阳的寿命)？思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？1：矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。2：开放性的结论1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。第八十页81第八十一页，共95页。我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。图治理前的热电厂最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。1.6.1能源开发与可持续发展第八十一页82第八十二页，共95页。1.6.2氢能氢能是一种理想的二次清洁能源。氢能的优点热值高，其数值为142.9MJ•kg-1。燃烧反应速率快，功率高原料是水，取之不尽产物是水，不污染环境思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用。第八十二页83第八十三页，共95页。1氢气的制取

太阳能光解

电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH电解思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？从经济上考虑是不可行的。利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制氢方法。是研究的热点。第八十三页84第八十四页，共95页。2氢气的储运

氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。合金贮氢法原理：氢可以与某些合金在较高的压力