能源是一种物质资源是人类生存和发展的物质基础;能量是学习资料

能源与化学17:52:04生活与化学能源是一种物质资源，是人类生存和发展的物质基础；能量是人类社会各种经济活动的原动力。能源的开发和利用是社会经济发展水平的重要标志。但是，随着社会的发展，能源的供需矛盾日趋尖锐。因此，如何合理地利用现有能源，开发新的能源是人类必须关注的一个重大社会问题。

能源与化学17:52:04生活与化学第一节

概

述一、能量的形态与转化

1.能量—物质做功的本领。

2.能量的形态：热、机、生、化、光、电、核

。

3.能量的转化：能源→热能→其它能(η<100%)。

17:52:04生活与化学二、能源的概念与分类

1.定义：能源—可以从中获得能量的资源。

2.分类:

可直接利用的为一次性能源，由其它能源制取的为二次性能源

，不因人的利用而减少的是再生能源，越用越少的是非再生能源。

能

源一次

能源再生

能源风、流水、海流、草木、太阳辐射、地热非再生

能源化石燃料（煤

石油

天然气油页岩）核燃料（UThPuD）

二

次

能

源电能、氢能、汽油、柴油、火药

、甲醇、丙烷、苯胺、硝化棉、硝化甘油17:52:04生活与化学

2.组成:有机可燃物（有机化合物+高分子化合物）；

无机可燃物（可燃物+灰分（盐+氧物））；

水份。元素组成：C、H、O、N、S、少量金属。燃料能源以煤为主。但是，它有许多缺点。煤的气化受到人们的重视。天然气在燃料能源中有许多优点。17:52:04生活与化学煤石油天然气化石燃料的利用17:52:04生活与化学化石燃料煤：“工业的粮食”，是人类历史上最古老的化石燃料之一。石油：“工业的血液”天然气：地下自然形成的可燃性气体，主要成分是甲烷（CH4)三大化石燃料17:52:04生活与化学煤、石油、天然气的形成煤、石油、天然气的元素组成煤、石油、天然气的分布煤、石油、天然气的用途煤、石油、天然气的热值和燃烧产物比较化石燃料与环境污染化石燃料17:52:04生活与化学煤的形成17:52:04生活与化学石油的形成17:52:04生活与化学天然气的形成17:52:04生活与化学煤的组成碳元素氢元素氮元素氧元素硫元素17:52:04生活与化学碳元素氢元素氧元素硫元素氮元素石油的组成17:52:04生活与化学天然气的组成天然气主要是由碳和氢组成的气态碳氢化合物，其中最主要的是甲烷（）17:52:04生活与化学分布情况：山西内蒙古河北山东安徽江苏17:52:04生活与化学分布情况：东北、华北、新疆等地17:52:04生活与化学分布情况：新疆四川17:52:04生活与化学西气东输“西气东输”是开发大西北的一项重大工程，该工程将天然气从新疆塔里木输送至上海西郊，输气管道全长4200多千米，横跨9个省、市、自治区。这一重大工程的实施，将取代部分工业和居民使用的煤炭和燃油，有效改善大气环境，提高人民的生活质量。17:52:04生活与化学煤的干馏煤焦碳+煤焦油+焦炉气加强热隔绝空气思考：煤的干馏属于什么变化？化学变化17:52:04生活与化学煤的综合利用17:52:04生活与化学石油的综合利用石油的分馏17:52:04生活与化学石油的分馏属于什么变化？

根据原油中各物质沸点不同进行分离；属于物理变化。17:52:04生活与化学17:52:04生活与化学甲烷——沼气池塘里的沼气17:52:04生活与化学现象：1、看到蓝色火焰2、放热3、烧杯内壁有水雾4、迅速将烧杯到转后，倒入澄清石灰水，澄清石灰水变浑浊甲烷燃烧（点燃前需要检验纯度）17:52:04生活与化学可燃冰是一种天然气水合物，埋藏在海底岩石中，在低温高压条件下，一体积可燃冰可以储载100-200倍体积的甲烷气体，具有能量高，燃烧值大等优点。17:52:04生活与化学沼气的制取和利用17:52:04生活与化学燃料的热值：

是一定量燃料完全燃烧放出的热量。燃料热值（J/Kg)原煤2.1×107原油4.2×107天然气3.9×107煤气1.56×107液化气4.7×107柴草约1.7×107例：运用表格中常见的燃料的热值数据，思考：要将1Kg水烧开，分别需要下列表格中的燃料的质量由大到小的排列顺序是-----------煤气>柴草>原煤>天然气>原油>液化气17:52:04生活与化学燃烧产物（从元素组成判断）煤、石油：碳元素氢元素氧元素氮元素硫元素二氧化碳、一氧化碳、粉尘水氮的氧化物二氧化硫天然气：(CH4)碳元素氢元素二氧化碳、一氧化碳水思考：从节约能源、保护环境上来考虑应提倡使用哪种燃料？17:52:04生活与化学化石燃料燃烧与环境污染1、全球气候变化

温室效应2、热污染

局部区域的水温上升3、大气污染粉尘、酸雨、一氧化碳污染17:52:04生活与化学17:52:04生活与化学酸雨的危害17:52:04生活与化学思考:地球上的矿物资源是有限的,总有一天会被完全消耗掉.我们如何解决人类所面临的能源短缺问题?17:52:04生活与化学解决方法：1、节约现有能源2、加强能源的综合利用3、开发利用新能源17:52:04生活与化学地热能潮汐能风能核能水能太阳能17:52:04生活与化学17:52:04生活与化学借助于化学变化将化学能转化为电能的装置称化学电源。可分为：原电池(一次性电池)；

蓄电池(二次性电池，可逆电池)；

燃料电池第三节

化学电源

17:52:04生活与化学电池符号：（－）Zn∣ZnCl2，NH4Cl(糊)∣MnO2∣C(石墨)（＋）电极反应:（－）Zn(s)→Zn2++2e-（－）（＋）2MnO2(s)+2NH4++2e-→Mn2O3(s)+2NH3(aq)+2H2O

电动势:1.5V。若用KOH代替NH4Cl制成碱性锌锰电池,可多次充、放电。

1.锌-锰干电池17:52:04生活与化学电池符号：（－）Zn∣Hg∣KOH(含ZnO)∣HgO∣Hg∣Pt（＋）电池反应:（－）Zn(Hg)+2OH-→ZnO+H2O+2e-

（＋）HgO（s）+H2O+2e-→Hg（l）+2OH-

电动势:1.34V。电压稳定，可做成钮扣电池。

2.锌-汞电池17:52:04生活与化学

1.铅蓄电池（铅酸蓄电池）电池符号：（－）Pb|H2SO4|PbO2（＋）充、放电反应:Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O特点：电压2.0V，电流0.5A。可短时大电流放电。酸易溢出，腐蚀性强。二、蓄电池17:52:04生活与化学⑴铁-镍蓄电池电池符号:

（－）Fe∣KOH（30%）∣Ni(OH)3(＋)充放电反应：

Fe＋2Ni(OH)3Fe(OH)3＋Ni特点是：重量轻、体积小、抗震好⑵银-锌蓄电池电池符号:

（－）Zn∣KOH(40%)∣Ag2O∣Ag(＋)充放电反应：Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag特点是：电压平稳

2.碱性蓄电池17:52:04生活与化学以可燃物为负极反应物，氧或空气为正极反应物，以燃烧反应为电池反应，如此构成的电池即燃料电池。

理论上燃料电池能量转换可达100%，可用于建造大规模电站。是最洁净的电源。

1.氢-氧燃料电池电池符号：（－）C∣H2∣KOH(35%)∣O2∣C(＋)三、燃料电池17:52:04生活与化学电池反应：（－）H2+2OH-

→2H2O+2e-

（＋）O2+2H2O+4e-→4OH-

电池总反应:

2H2+O2→2H2O

正极需加催化剂（Pt、Pd、Co2O3、Ag等）负极以活性炭多孔镍吸附H2。17:52:04生活与化学电池符号：（－）Pt∣CH3OH∣H2SO4∣O2∣Pt(＋)电池反应:（＋）3/2O2+6H++6e-→3H2O

（－）CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。

3.其它燃料电池

2.甲醇-氧燃料电池17:52:04生活与化学煤、石油、天然气都是非再生的，它们的形成过程十分漫长，而它们的消耗却十分迅速。燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体”、形成酸雨，并排放大量的烟尘，对环境造成了严重的破坏。能源危机正在逼近，人们不能不开发新的能源。一、氢能

1.氢燃料的特点:⑴无毒、无污染，最清洁；

⑵燃料来自水，燃烧产物是水，可永远循环使用；

⑶点火温度低，燃烧速度快，发热量大;

⑷H2可直接利用，也可间接使用，是方便燃料。第四节

新能源17:52:04生活与化学

2.氢燃料的制取⑴电解水：H2O→H2+1/2O2能量可用太阳能、电能。

⑵热分解水：H2O→H2+1/2O2（催化剂：Ca、Br2、Hg等。温度：730-1000℃）

⑶光分解水：H2O→H2+1/2O2

⑷光电分解水：以n-型氧化钛为电极，在阳光下使水分解。17:52:04生活与化学

3.氢燃料的贮存

H2密度小，运输和贮存都是很大问题。液氢沸点低，常温下压力很大，对设备要求高。目前主要考虑贮氢金属。1999年，我国研制出的纳米碳管，是很好的贮氢材料。17:52:04生活与化学二、核能目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，就是核能。1942年12月2日第一座反应堆首次启动时，功率仅为0.5瓦。60年后，核能已占全世界总能耗的6％。国际原子能机构公布，截至2002年底，全世界共有441台核电机组在运行，2002年共生产电力2.574万亿千瓦小时，约占当年世界总发电量的17％。其中，核发电量占本国总发电量比例最高的国家是立陶宛，达到80％，其次是法国，达到79％。17:52:04生活与化学

1.核裂变能——把重核分裂成两个中等质量的核时，释放出大量的

能量。此过程称核裂变。

核裂变需有足够能量的中子的轰击，而U-235、Pu-239只需较低能量的中子。因此,当前使用的核燃料主要是这两种。1.核裂变能17:52:04生活与化学例如：U-235在中子轰击下裂变为Ba-140和Kr-93同时产生多个中子，接着就会发生爆炸式的连锁反应核裂变时出现质量亏损，亏损的质量转化为能量，遵守爱因斯坦定律：E=mc2

∆E=

∆mc2其中Δm=m（生成物）-m（反应物）

按此式，1克U-235，核裂变能为-8.1×107kJ，相当于3吨煤燃烧所放出的热量。

核裂变产物大多具有放射性，尤其Sr-90。所以原料和产物的贮存、处理都要有严格的安全措施。17:52:04生活与化学

核聚变——使很轻的核在异常高的温度下合成较重的核。核聚变时，放出更大的能量。按爱因斯坦公式，

ΔE=-1.698×109kJ·mol-1

1克氘(或氚)比1克铀产生的能量大得多。氘可由重水中得到。海水中重水达2×1020kg。核聚变资源极为丰富。

但是,核聚变需足够高的温度(109℃

),足够长的时间(1s)。而且要能人为控制不使爆炸。聚变不产生放射性产物。2.核聚变能17:52:04生活与化学

核能可以由两种不同的路线释放出来：重核裂变（爆裂），两个轻核聚变（化合）。二者都是由于产物有更高的结合能。聚变作用难于进行是因为核间彼此排斥，不象裂变作用那样。聚变不产生放射性产物。17:52:04生活与化学中国核能的历史、现状和未来发展一、中国和平利用核能的现状1964年10月我国第一颗原子弹成功爆炸。上世纪80年代以来，以核电建设为重点，中国核能和平利用得到较快发展，规模不断扩大，科技水平不断提高，呈现了良好的发展势头。中国自主设计建设的第一座核电站——秦山核电站于1991年建成投产，结束了中国大陆无核电的历史。1994年建成投产的大亚湾核电站开创了中外合作建设核电站的成功范例。1996年开始，中国又自主设计建设了秦山二期核电站；与国外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。截至2004年７月，共有9台核电机组投入运行，总装机容量701万千瓦；建设中的江苏田湾核电站2005年全部建成投运，核电总装机容量达913万千瓦。17:52:04生活与化学二、未来发展为适应经济发展和满足能源不断增长的需要，实现经济、社会、生态环境的协调发展，必须加快核能的发展。中国把核电作为国家能源战略的重要组成部分，逐步提高核能在能源供应总量中的比例。在经济发达、电力负荷集中的沿海地区，核电将成为电力结构的重要支柱。中国和平利用核能事业有着良好的发展前景。17:52:04生活与化学

太阳上进行的反应是核聚变反应，每天质量变化4×106吨，向空间辐射能量4×1023kJ·s-1，这些能量的万分之一足够人类消耗。地球每天接受的辐射能可达6×1018kJ。其利用可分：1.太阳能的直接利用热能—如太阳能集热器；电能—太阳能电池。三、太阳能图太阳能电池17:52:04生活与化学太阳能的能量密度低；昼、夜、阴、雨变化较大，所以太阳能的贮存是个问题。2.太阳能的间接利用

风能、地热、海浪、水流等都来自太阳能。如：光合作用，潮汐发电，风力发电，水力发电等。1