能源与化学全解

第2章自然界的物质第4章能源与化学第3章物质的形成与变化第5章生活与化学第1章化学的世界

第

4章

能源与化学

目录4-4其他能源●核反应(影片欣赏)●质能转换(例题4-3)●核能的运用●核能的其他和平用途

(进阶例题10)●太阳能●多元能源的开发

(进阶例题11、进阶例题12)●煤的组成●煤的干馏●水煤气●煤的优缺点【补充】●天然气(进阶例题6、进阶例题7)4-3化学电池●氧化还原反应●锌铜电池(例题4-2)●干电池●碱性干电池●验电条的神奇魔力【补充】●铅蓄电池●铅蓄电池放电与充电●汞电池●镍镉电池

(进阶例题8、进阶例题9)4-1能源与燃料●能源的种类(影片欣赏)●反应热●影响反应热的因素●莫耳燃烧热与莫耳生成热●反应热的性质●燃料热值(例题4-1、进阶例题1)4-2化石能源●化石能源(影片欣赏)●石油分馏的主要馏份及用途

(进阶例题2、进阶例题3)●汽油●汽油添加剂●热裂解●石油产品知多少?【补充】(进阶例题4、进阶例题5)回页首能源的种类3.其他能源：地热、波浪、潮汐2.太阳能●化石燃料：如煤、石油、天然气等。●核能：铀-235进行核分裂产生的能源。1.目前人类的主要能源是

及

。化石燃料核能影片欣赏：能量请按黄色按钮反应热△H＝(生成物能量的总和)－(反应物能量的总和)

吸热反应

放热反应

.△H＞0

△H＜0能量生成物反应物生成物反应物ΔH＞0吸热反应ΔH＜0放热反应影响反应热的因素1.化学反应热会受到反应型态、反应物的量、物质状态、温度及压力等因素的影响。2.反应热与反应过程

，不受催化剂的影响。3.以

时的反应热作为标准反应热。4.以反应方程式表示反应的能量变化时，除了写出反应物及生成物，尚须标示物质状态及反应热，此方程式称为

。无关1atm、25℃热化学方程式在1atm及25℃时，1.0莫耳物质完全燃烧所引起的热量变化，称为该物质的

。H2(g)

＋½O2(g)

─→H2O(l)△H＝

kJ

氢的莫耳燃烧热也是

。－286水的莫耳生成热莫耳燃烧热莫耳燃烧热与莫耳生成热反应热的性质2.反应物相同，生成物不同，则反应热

。

C(s)＋O2(g)

─→CO2(g)△H＝－394kJ

C(s)＋1/2O2(g)─→CO(g)△H＝

kJ1.反应物愈多，反应热愈

。

H2(g)＋1/2O2(g)

─→H2O(l)△H＝－286kJ

2H2(g)＋O2(g)─→2H2O(l)△H＝

kJ－572－110大不同3.反应物生成物均相同，状态不同，则反应热

。

H2(g)

＋1/2O2(g)

─→H2O(l)△H＝－286kJH2(g)

＋1/2O2(g)

─→H2O(g)△H＝－242kJH2O(l)→H2O(g)△H＝

kJ不同44燃料热值●燃料的热值常以

来表示●热值愈高的燃料就是

的燃料。千焦/千克(kJ/kg)较佳常见燃料热值19000~31000煤42000~44000柴油44000~46000煤油46000~48000汽油46000~50000液化石油气33000~50000天然气热值(kJ/kg)燃料例题4-1燃烧一莫耳氢气可放热286kJ，计算氢气的热值有多少kJ/kg？一莫耳氢气的质量2.0克，1000克氢气等于500莫耳，燃烧后共放热286kJ×500＝143000kJ，所以氢气的热值为143000kJ/kg。参考解答进阶例题1已知甲烷(CH4)的莫耳燃烧热为－880kJ，乙烷(C2H6)的莫耳燃烧热为－1540kJ，若以同重量计算，何者放热量较大？

参考解答

甲烷甲烷(CH4＝16)，乙烷(C2H6＝30)，每克的燃烧放出热量大小为＞故燃烧热值(kJ/kg)：甲烷＞乙烷化石能源●石油主要是

的混合物●烃类也称为

。●利用混合物中各成份的分子量及沸点的差异，将不同的成分分开，称为

。烃类碳氢化合物岩石岩石砂石油页岩岩石底土油井油气土壤分馏影片欣赏：石油请按黄色按钮石油分馏的主要馏份及用途沥青＞C22残留物润滑油、蜡纸＞350C17～C22蜡油柴油机燃料250～400C15～C20柴油灯油、喷射机燃料175～300C12～C16煤油汽车燃料、有机溶剂60～200汽油有机溶剂20～60C5

～C6石油醚燃料(液化石油气，LPG)＜20石油气用途分馏温度(℃)含碳数成分C1

～C4C6

～C12进阶例题2石油是由烃类化合物组成的混合物，右图是精炼石油的分馏塔简图，碳数约为13-19的馏份由丙出口流出，(1)甲出口与丙出口的馏份相比，下列叙述何者正确？

参考解答(C)(A)两者的沸点一样(B)甲出口之馏份的平均分子量比丙的大(C)丙出口之馏份的平均分子量比甲的大(D)两者的平均分子量一样，但化学结构不同

进阶例题3(2)有关各出口馏份的性质与用途，下列叙述何者正确？

参考解答(D)(A)甲出口之馏份是气体，冷凝收集后，多用作飞机燃油(B)乙出口之馏份的碳数超过30，多用作工业溶剂(C)含铅汽油直接从丙出口流出，辛烷值高，可防爆震(D)丁出口的产物是分子量非常大的残余物，如沥青

【91学测】

汽油1.引擎震爆(knocking)：汽油蒸气在内燃机汽缸内燃烧时产生高压气体，推动活塞转动，若因燃烧太快使活塞受力不均匀，会产生引擎震爆现象，损害引擎且减低引擎动力。2.燃料的抗震爆程度以燃料的

表示。3.辛烷值愈高，燃料燃烧时产生震爆程度愈

。4.订定标准：

正庚烷(C7H16)震爆程度严重，辛烷值定为

。

异辛烷(C8H18)震爆程度小，辛烷值定为

。5.市售95汽油(O.N.＝95)震爆程度

由体积95%异辛烷和5%正庚烷混合燃料的震爆程度。辛烷值(O.N.值)小0100相当于汽油添加剂1.含铅汽油：●在汽油中添加少许

以提高其辛烷值●并加入少量

作为铅的清除剂，使燃烧后生成易挥发的溴化铅PbBr2●

缺点：燃烧后产生铅化合物的污染四乙基铅[Pb(C2H5)4]二溴乙烷●在汽油中添加

(简称MTBE)及醇类等以提高其辛烷值。●燃烧后不会造成铅污染的问题。甲基第三丁基醚[CH3OC(CH3)3]

2.无铅汽油：热裂解●

烷类经高温强热加上适当催化剂发生

。●

丙烷裂解生成丙烯、乙烯、甲烷、氢等小分子。热裂解裂解───→(加热、催化剂)(丙烯)(氢)(甲烷)(乙烯)石油产品知多少？

【补充】数据链路～中国石油(股)公司网站－石油教室气体类产品：如天然气、液化天然气、丙烷等。燃料类产品：如汽油、煤油、燃料油等。润滑油脂：按用途分

1.车辆与机动机械用润滑油脂

2.工业机械用润滑油脂

3.船舶用润滑油脂柏油类产品溶剂类产品：如油漆溶剂、去渍油等。石油化学品：如乙烯、丙烯、甲苯等。进阶例题4有关石油与烷类的叙述，何者正确？(A)热裂炼是将较大的烷类分子转变成经济价值高的小分子(B)石油醚是由原油分馏而得的纯质，是一种化合物(C)常温常压下丙烷与丁烷为气体，高压下则液化成高挥发性的液体(D)钾丢入石油醚中，会燃烧爆炸(E)实验室用的正己烷主要是由石油中分馏而得

进阶例题4参考解答

(A)(C)(B)石油醚是混合物(D)石油醚为烷类的混合物，与金属钾不反应，故碱金属储存于煤油或柴油中(E)石油分馏仅能获得混合物进阶例题5有关汽油抗震爆能力和辛烷值的下列叙述，何者正确？(A)抗震爆能力：95无铅汽油＞92无铅汽油

(B)含铅汽油是指汽油中含有PbO2添加剂

(C)辛烷值愈高的汽油，其抗震爆能力愈低

(D)98无铅汽油中异辛烷的体积占98﹪

进阶例题5参考解答

(A)(B)含铅汽油是指汽油中含有四乙基铅添加剂(C)辛烷值愈高的汽油，其抗震能力愈高(D)98无铅汽油是指汽油抗震程度相当于体积比异辛烷：正庚烷＝98：2混合物的抗震程度，并非一定含有98%的异辛烷煤的组成1.煤(coal)是埋在地下的

，受到长期地热与高压逐渐碳化而形成的黑色固体物质。2.煤主要成分是

及少量硫、氮、氢和氧，燃烧时会产生硫及氮的氧化物，造成酸雨。植物碳酸酸酸煤的干馏将煤隔绝空气强热至高温分解●

煤气与水煤气都没有特殊气味，但均含剧毒的

，故须添加微量

气体，因其臭味在气体外泄时易生警觉。●煤焦在高温下与水蒸气反应产生一氧化碳和氢气为主的混合气体，俗称

，是工业上的重要燃料。水煤气水煤气C(s)＋H2O(g)

─→CO(g)＋H2(g)一氧化碳二乙基硫(C2H5)2S煤的优缺点

【补充】～优点～

1.比石油价格便宜。

2.开采较容易，储量丰富，约还可以使用200年。

3.燃烧效率不断提高。

4.可作化工原料，用途很多。

～缺点～

1.煤作为燃料时，发热量比石油低。

2.因不能用管道输送，煤的运输时不如石油方便。

3.燃烧时污染性大，造成空气污染及固体废物。数据源：台湾大学－地质科学典藏数字化计划－矿物篇网站1.天然气主要由

、

组成，是低碳数的烷类混合物。天然气

3.天然气也可用来制造氢气、氨、尿素及甲醇等重要的化学工业原料。甲烷乙烷2.天然气无臭无毒且热值高，是理想的燃料。进阶例题6下列有关煤之叙述，下列何者正确？(A)依含碳量比而言：泥煤＞褐煤＞烟煤＞无烟煤(B)煤经干馏后其气相产物称为水煤气(C)苯、萘可自煤中分馏而得(D)干馏烟煤所得之产物，几全为无机化合物(E)焦煤可用作冶铁与炼钢进阶例题6参考解答

(C)(E)(A)依含碳量比而言：泥煤＜褐煤＜烟煤＜无烟煤(B)煤经干馏后其气相产物为煤气(D)干馏烟煤所得之产物，除焦炭外大部分为有机化合物进阶例题7关于化石燃料的成分，下列那些正确？

(A)天然气的主要成份为CH4、C2H6(B)水煤气的主要成份为CO、H2O(C)煤气的主要成份为CH4、H2、CO(D)液化石油气的主要成份为含碳数C4~C6的烷类(E)煤气与水煤气均有臭味，是因为含有具有臭味的苯及甲苯进阶例题7参考解答

(A)

(C)(B)水煤气的主要成份为CO、H2

(D)液化石油气的主要成份为丙烷与丁烷(E)煤气与水煤气的臭味是有机硫化物添加剂氧化还原反应1.氧化：失去电子称为

反应，为

。2.还原：获得电子称为

反应，为

。3.氧化还原必同时发生氧化还原剂还原氧化剂Zn(s)＋Cu2+(aq)─→Zn2+(aq)＋Cu(s)

电子

电子

.

.

剂

剂还原氧化失去获得还原氧化锌铜电池阴极(正极)

电子流(导线)

阳极(负极)←─←─Zn(s)＋Cu2+(aq)

─→Zn2+(aq)＋Cu(s)铜棒质量

。锌棒质量

。溶液蓝色变

。溶液颜色

。不变减轻增加淡例题4-2已知铜金属放出电子的能力大于银。将铜棒置于装有1.0M硝酸铜水溶液的烧杯中，将银棒置于装有1.0M硝酸银水溶液的烧杯中，U型玻璃管装有硝酸钾饱和水溶液作为盐桥，利用上述装置组成电池，请指出：(1)电池的净反应式(2)阳极与阴极(3)电子流动方向

例题4-2参考解答(1)铜金属放出电子的能力大于银，所以电池的净反应为：

Cu(s)＋

2Ag＋

─→

Cu2＋

＋

2Ag(s)(2)铜棒上发生氧化反应，所以铜棒是阳极，

银棒上发生还原反应，所以银棒是阴极。(3)电子由铜棒(阳极)经外电路流向银棒(阴极)。干电池（勒克朗舍电池）●电极：

为阳极，

(石墨棒)为阴极，属于惰性电极。●电解质：

、氯化锌(ZnCl2)及二氧化锰(MnO2)的糊状混合物。●电压为

伏特●

电池锌罐碳棒氯化铵(NH4Cl)1.5一次(+)(-)石墨电极(阴极)乳状填充物锌壳(阳极)MnO2糊状物碱性干电池（勒克朗舍电池的改良）●干电池缺点：碳棒上最初生成

及

，会阻碍碳棒界面上的反应，称为

。

(1)电解质中氯化锌吸收

。

(2)二氧化锰作为氧化剂与

反应生成Mn2O3及水●碱性干电池以

取代氯化铵，使电解质呈碱性，放电时不产生气体，电压变动小，放电容量大，不易产生漏液现象，耐寒性也较佳。氨气氢气极化氨气氢气氢氧化钾【补充】市面上有些电池，只要按住正负极的两点就可测出剩余的电力，这是为什么呢？我们要检查电池是否仍有足够的电力，主要是依赖验电条的帮忙。什么是验电条呢？它是一种电阻器，可因外在电压的强弱改变它的发光范围。以前是电池与验电条分开，使用时才将验电条连接于电池上。现在有些厂商为了方便使用者，将验电条直接贴在电池外面，所以我们只要触压正负极的两个接点就能知道电池的状况了！！验电条的神奇魔力铅蓄电池●电极：阳极为金属

，阴极为

(PbO2)●电解质：

，

●电压：每一个单位为

伏特，汽车用电池是由6个单位串联成12伏特●

电池铅二氧化铅硫酸2二次铅蓄电池放电与充电

●放电时：铅金属释出电子产生

，二氧化铅得到电子亦反应成

，两电极重量均

，电池电压会逐渐减小。●充电时：外接直流电源的负极接在

电极(阴极)，正极接在

电极(阳极)上。硫酸铅(PbSO4)硫酸铅增加Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)

2PbSO4(s)＋2H2O(l)放电─→←─充电铅二氧化铅汞电池●电极：阳极为

粉阴极为

。●电解质：

。●电压：约为

伏特●含有汞金属，须严格回收●以

取代氧化汞，可避免严重污染锌氧化汞(HgO)氢氧化钾1.35氧化银排气孔锌(阳极)KOH/ZnO电解质氧化汞(阴极)绝缘层镀锡内璧不绣钢外壳镍镉电池1.电极：阳极为

金属，阴极为

。2.电解质：

。3.电压约为

伏特4.

电池，多用于预备电源、安全照明、摄影机等。镉氧化镍氢氧化钾1.3二次进阶例题8关于勒克朗舍电池(干电池)，下列叙述何者正确？(A)以碳棒为阳极(B)阳极反应为Zn2＋＋2e－─→Zn(C)电解质为MnO2、NH4Cl和ZnCl2的混合物(D)MnO2是还原剂参考解答

(C)

(A)以碳棒为阴极(B)阳极反应为Zn─→Zn2＋＋2e－(D)MnO2是氧化剂

进阶例题9下列关于常用电池的叙述，何者正确？(A)碱性干电池以锌为正极，二氧化锰为负极，以氢氧化钾的糊状物为电解液(B)镍镉电池可重复充电，为二次电池的一种(C)铅蓄电池以二氧化铅为正极，以稀硫酸为电解液(D)铅蓄电池必须回收，以防止铅的污染(E)干电池放电后，电池内水分减少，故称为干电池

进阶例题9参考解答

(B)(C)

(D)(A)碱性干电池以锌为负极，碳棒为正极，以氢氧化钾的糊状物为电解液。(E)干电池放电后，电池内水份增加。核反应1.放射性：自然界中不稳定的原子核会释放出射线或能量，本身蜕变成不同原子核。2.射线：原子核蜕变放出的射线主要有三种：

α-射线(即

)，β-射线(即

)，

γ射线(高能

)。

.

.

─→++α-射线β-射线电磁波氦核电子影片欣赏：核能请按黄色按钮1.爱因斯坦在相对论中提出：E＝

。2.单位：能量(E)

，物质质量(m)

，c为光速

。3.每克物质可转换成

焦耳的能量

E＝mc2＝(1×10－3kg)×(3×108m/s)2＝

。4.铀-235的核分裂反应，质量损耗率约0.095%

每公斤铀-235反应约产生

焦耳的能量质能转换mc2千克3×108公尺/秒9×10139×1013J8.5×1013焦耳例题4-3请参考表4-1计算出每公斤铀-235原子核的核分裂反应产生的能量，约为每公斤液化石油气燃烧热值的多少倍？例题4-3参考解答表4-1液化石油气燃烧热值为46000~50000kJ/kg，每公斤铀-235原子的核分裂反应产生的能量8.5×1013J=8.5×1010kJ8.5×1010kJ÷50000kJ=1.7×106倍即同质量的铀核反应产生的能量大约是液化石油气的一百七十万倍。核能的运用1.核反应器又称反应炉。2.反应炉内有燃料棒、控制棒、传导热的水。3.燃料棒含浓度3~5％的铀-235。4.控制棒是以能吸收中子的材料，如镉金属或硼。5.依热传递方式不同而分为沸水式及压水式。核能的其他和平用途【补充】6.建筑结构分析检查。5.农产品的抗芽及灭菌、灭虫。4.太空探测。3.医疗使用：核子医学及灭菌消毒。2.利用半生期，估计古生物的年代。1.放射线标定：化学反应机构的研究、地下水的含量研究、生物的迁移研究。进阶例题10(A)钴60释放加马(γ)射线，属短暂半生期之同位素，通常藉注射或口服作诊疗之用。(B)核磁共振显影仪是利用放射性原理的诊断仪器(C)两种放射性同位素，同时由相同的原子数目开始衰变，在同一时段内衰变的数目，半生期短者比半生期长者为多。(D)放射性同位素的应用，是利用放出的γ射线杀死细菌或病毒。