现代大学化学课件-能源化学基础

現代大學化學

ModernCollegeChemistry

第4章能源化學基礎Chapter4Energy&Chemistry

2021-12-30*本章概要4.1能源的分類與能量的轉化

4.1.1能源的定義與分類；4.1.2能量的形態與轉換；4.1.3我國的能源狀況與危機4.2化石燃料：煤碳、石油與天然氣

4.2.1燃燒熱的定義與常見燃料的熱值；4.2.2煤炭；4.2.3石油與天然氣4.3化學電源

4.3.1化學電源的工作原理；4.3.2電池符號與電極上的化學反應；4.3.3幾種常用的原電池；4.3.4幾種常用的可充電電池；4.3.5燃料電池2021-12-30*4.4核反應與核能源

4.4.1原子核的組成；4.4.2核的穩定性與衰變；

4.4.3原子核的結合能；4.4.4核的裂變與聚變4.5可再生能源的利用

4.5.1太陽能；4.5.2風能的利用；4.5.3氫能；

4.5.4生物質能復習：教材第10章預習：教材第11章習題：10.2~10.52021-12-30*4.1

能源的分類與能量的轉化4.1.1能源的定義與分類定義：

能源是指可以從中獲得能量的資源。分類：

可再生能源不隨人類的利用而顯著減少的能源非再生能源隨人類的利用而減少的能源太陽能地熱、火山風能、潮汐能一次能源存在於自然界中的、可直接利用的能源二次能源需依靠其他能源制取的能源電能、氫能、汽、柴油酒精、火炸藥化石燃料

(煤,石油,天然氣)核燃料按能源的生成方式按能源在當代社會中的地位分：常規能源(石油、天然氣等)和新能源(核能、太陽能、風能、氫能等)。按能源消費後是否造成環境污染分：污染能源和清潔型能源(太陽能、水能、電能氫能、燃料電池等)。2021-12-30*4.1.2能量的形態與轉換4.1.2.1能量的形態有7種

①機械能；②熱能；③化學能；④電能；⑤光能；

⑥核能；和⑦生物能。4.1.2.2能量的單位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J2021-12-30*4.1.2.3能量轉換及其效率將一種能量轉換為另一種形態的能量稱為能量的轉換。能量轉換與守恆定律：能量形態A=能量形態B+熱能損耗。 熱力學第一定律：ΔU=Q+W能量轉換的效率：能量轉換的效率較低，通常在15%~55%之間。不同形態能量之間的轉換效率見表4.1.2021-12-30*表4.1不同形態能量之間的轉換效率

因此，開發、研製高效率的能量轉換技術和設備也是十分有意義的工作。類型轉換過程效率(%)蒸汽機煤(油)燃燒

蒸汽

活塞運動

機械能15~40熱力發電煤(油)燃燒

蒸汽

汽輪機轉動

電能30~40汽(柴)油機燃油燃燒

汽缸活塞運動

機械能40~60化學電池化學物質

化學反應

電能70~85白熾燈電能

光能10~20日光燈電能

光能40~60發光二極體電能

光能~90光伏電池光能

電能14~262021-12-30*4.1.3我國的能源狀況與危機4.1.3.1我國當前的非再生能源狀況油田：玉門油田；大慶油田、遼河油田、中原油田；勝利油田、江蘇油田等的狀況；目前60%依靠進口；煤礦：儲量占世界第三，產量占世界第一；天然氣：正在開發利用中。2021-12-30*4.1.3.2我國可再生能源的利用狀況太陽能（發電，熱水）：低，但正逐步提高！風能（發電）、地熱能、潮汐能，等：低！麥秸杆（發電，飼料，發酵）：低！4.1.3.3美國、日本等國的儲能計畫2021-12-30*圖5.2已探明的世界石油儲量與年產量之比R4.22021-12-30*4.2化石燃料：煤碳、石油與天然氣4.2.1燃燒熱的定義與常見燃料的熱值4.2.1.1燃燒熱的定義定義：標準狀態下，單位品質的燃料完全燃燒後所釋放出來的熱量稱為該物質的熱值或燃燒熱。記為

cH

，單位為kJ/mol或kJ/g。標準狀態：指定溫度T和標準大氣壓（用上標

表示）2021-12-30*單位品質(體積)：1g物質、1mol物質或1m3氣態物質。完全燃燒：CCO2(g);SSO2(g)；NN2(g)；

HH2O(l)；ClHCl(aq)已知反應2H2(g)+O2(g)2H2O(g)，

H=-483.6kJ

問

H是H2(g)的燃燒熱

cH

嗎？為什麼？2021-12-30*物質熱值物質熱值物質熱值甲烷(g)-55.6氫氣(g)-142.9木材-19.0乙炔(g)-50.0一氧化碳(g)-10.1煙煤-25~-30苯(l)-41.9正/異丁烷-49.6無煙煤-20~-25乙醇(l)-31.1汽油-43~-45標準煤-30萘(s)-40.3柴油~424.2.1.2常見燃料的燃燒熱

表4.2常見燃料的熱值（kJ/g）2021-12-30*4.2.2煤炭4.2.2.1煤的形成

煤是由古代植物經地殼變遷而積壓地下，在高溫高壓的條件下經長期轉化得到的。其過程為：

植物殘骸

腐殖質

泥煤

褐煤

煙煤

無煙煤4.2.2.2煤的分類 煤可根據其在燃燒過程中發煙與否分為煙煤和無煙煤。2021-12-30*4.2.2.3煤化工

煤中含有S、N、O、Si、Ca、Mg等雜質，影響其使用。以煤為原料，在一定的條件下生產、加工而獲得其他化工原料、產品的工業稱為煤化工。煤焦化隔絕空氣時加熱焦爐氣（H2,CO,CO2,CH4,C2H4,NH3,苯,H2S等）煤焦油（單環芳烴、稠環芳烴、瀝青，等）焦炭（用於冶金、電石，等）煤氣化供氧不足時加熱水煤氣（用做燃料，用於化肥工業，純鹼工業）人造煤氣（用做燃料）煤的液化

人造石油，通過加熱、裂解、催化加氫等步 驟，可得到多種烴類物質。2021-12-30*4.2.3石油與天然氣4.2.3.1石油與天然氣的形成

石油與天然氣是古代海洋中的生物由於地殼運動而沉積於地層中，在高溫高壓的條件下經長期作用而生成的產物。如圖4.14.2.3.2石油與天然氣的組成石油烴類非烴類（硫化氫;硫醇;硫醚;噻酚,吡啶,吡咯類,等）氣態烴（石油氣，C1~C4低沸點組分）液態烴固態烴（>C36；凡士林，蠟，瀝青，等）汽油（C5~C11正構烷烴，<200℃餾分）煤油和柴油（C11~C20正構烷烴,200~350℃餾分）潤滑油（C20~C36正構烷烴，300~500℃餾分）2021-12-30*

天然氣（naturalgas）主要是甲烷（CH4）和低沸點揮發性組分的混合物。當其中甲烷的體積分數大於50%時便稱為“幹天然氣”，否則稱為“濕天然氣”。小知識:”可燃冰”現象在一定的條件（如0℃

，26MPa）下，水分子彼此間通過氫鍵形成一種籠狀結構，該物質可將中性分子或離子

(Cl2,CH4,Ar,Xe等)包於籠內而形成水合物(分子晶體)。研究表明：1m3可燃冰能貯存164m3標準狀態下的CH4氣體。2021-12-30*4.2.3.3石油的加工

石油是多種化學物質的混合物。必須經過分離、加工後才能使用。加工過程分蒸餾、裂解和精煉三種。蒸餾：利用混合物中各組分沸點間的差異將化合物進行分離的方法稱為蒸餾。所用的設備稱為蒸餾塔。2021-12-30*蒸餾塔示意圖

2021-12-30*裂解：石油中輕油所占的比例大約只有1/4~1/3。為了得到更多用途更廣的輕油，可在熱、催化劑等的作用下將大分子的重油裂解為小分子的輕油或短鏈烴。精煉：蒸餾和裂解所得到的輕油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不飽和烴類，影響油品的性能。通過脫硫、加氫等過程可降低這些雜質的含量。（煉油廠一角）2021-12-30*小知識:汽車燃油的標號與辛烷值汽油在汽缸中正常燃燒時火焰傳播速度為10-20m/s，在爆震燃燒時可達1500-2000m/s，後者條件下使氣缸溫度劇升，汽油燃燒不完全，機器強烈震動，從而使輸出功率下降、機件受損、污染環境。

2021-12-30*不同化學結構的烴類，具有不同的抗爆震能力。異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的抗爆性能較好，辛烷值設定為100;正庚烷的抗爆性差，辛烷值設定為0。如某一汽油在引擎中所產生之爆震，正好與97%異辛烷及3%正庚烷之混合物的爆震程度相同，即稱此汽油之辛烷值為97。

品名正庚烷正辛烷正壬烷異辛烷甲苯乙苯苯辛烷值0-17-45100103.598.91152021-12-30*4.3化學電源(Batteries，Cells)電化學：研究電能與化學能之間相互轉化規律以及轉化過程中有關現象的科學

—研究化學現象與電現象之間關係的學科電化學過程借助一定的裝置（原電池、電解池）完成化學反應，將電能轉化為化學能，或者將化學能轉化為電能2021-12-30*在原電池中發生自發反應，可以對外做電功，是化學能轉變為電能的過程在電解池中對非自發反應施加電功，使其得以發生，是電能轉變為化學能的過程電能

化學能電解電池

原電池（電池）：通過化學反應將化學能轉變為電能的裝置，亦稱為化學電源。2021-12-30*4.3.1.1單液電池HCl(a)4.3.1常見電池的類型2021-12-30*4.3.1.2雙液電池用素燒瓷分開2021-12-30*用鹽橋分開：使得溶液中電荷達到平衡2021-12-30*化學反應轉變成可產生電能的電池的條件：化學反應為氧化還原反應，或含氧化還原過程適當的裝置，使化學反應通過在電極上的反應來完成兩個電極，以及與電極建立電化學平衡的相應電解質組成完整電路所需的其他附屬設備2021-12-30*4.3.2電池符號與電極上的化學反應對原電池（化學能轉變為電能的裝置，Galvaniccell)，規定:寫在左邊的發生氧化作用,氧化數升高,產生電子,為負極；寫在右邊的發生還原作用,氧化數降低,消耗電子,為正極；不同材料之間的接觸介面用“,”或“

”隔開;鹽橋用“║”表示；離子要標明濃度，氣體要標明壓力，純固體可以不加說明；電池反應是兩電極反應之和。2021-12-30*如上述銅-鋅電池可表為：ZnZn2+(c1)║Cu2+(c2)Cu電池反應方程為： 負極： ZnZn2+(c1)+2e

正極： Cu2+(c2)+2eCu

總反應方程為：Zn+Cu2+(c2)Zn2+(c1)+Cu2021-12-30*4.3.3化學電源分類4.3.3.1一次電池

電池中的反應物質進行一次電化學反應放電之後，就不能再次利用，如乾電池、紐扣電池2021-12-30*A.傳統鋅-錳乾電池電池符號：Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C負極反應:

ZnZn2+(aq)+2e;正極反應:2NH4++2e2NH3+H2(g)2MnO2+H2(g)2MnO(OH)總反應:Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH)+Zn(NH3)22+(aq)2021-12-30*B.鹼性鋅-錳乾電池在傳統鋅-錳乾電池的基礎上進行了以下幾點改進:用鹼性KOH糊狀液代替中性NH4Cl糊狀液，導電性更好；用鋅粉代替鋅板，接觸面積更大，反應速度更快更徹底。電池符號：

Zn|KOH(7~9mol/L)|MnO2,C(石墨)負極反應：Zn(s)+2OH-(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e正極反應：MnO2(s)+2H2O(l)+2eMn(OH)2(s)+2OH-(aq)電池反應：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)ZnO(s)+Mn(OH)2(s)2021-12-30*C.鋅-汞電池電池符號：Zn,Hg|KOH-ZnO(糊狀)|HgO-Hg,C(石墨)負極反應：Zn(Hg)+2OH-(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e正極反應：HgO(s)+H2O(l)+2eHg(l)+2OH-(aq)電池反應：Zn(Hg)+HgO(s)ZnO(s)+Hg(l)電池特點：反應更徹底，電量更大。但汞對環境有污染，已於1999年禁止生產。2021-12-30*D.銀-鋅紐扣電池電池符號：Zn-ZnO|KOH(40%)|Ag2O-Ag負極反應：Zn(s)+2OH-(aq)Zn(OH)2(s)+2e正極反應：Ag2O(s)+H2O(l)+2e2Ag(s)+2OH-(aq)電池反應：Zn(s)+Ag2O(s)ZnO(s)+2Ag(s)電池特點：價格較高，但比容量較大。2021-12-30*4.3.3.2蓄電池（二次電池；可充電電池）放電後可充電，使活性物質基本復原，可重複、多次利用。如鉛蓄電池、鋰離子電池等A.鉛酸蓄電池電池符號：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2電池反應:

2021-12-30*B.鎳-鎘電池電池符號:Cd|KOH(1.19~1.21g/cm3)|NiO(OH),C電池反應:2021-12-30*C.鋰離子電池（搖椅電池）充電時,(正)鋰離子在外電場的作用下進入層狀石墨(負),處於高能態;放電時鋰離子從高能態(負)脫離出來進入低能態(正),同時通過外回路放出多餘的電能。鋰離子處於從正極→負極→正極的運動狀態。2021-12-30*Li離子電池的優點：1.通訊，如手機Li離子電池的用途：1.重量輕（從金屬殼到塑膠殼），能量密度大2.優良、安全，有防暴閥，環境污染較小3.比能量高，迴圈壽命長4.電壓較高（3.6V），成本相對較低2.電子器件，電腦等3.人造器官用電，如心臟起搏器等2021-12-30*4.3.3.3燃料電池（連續電池）

原電池和蓄電池將有限量的化學物質儲存在電池內部，故均不能連續、長時間工作，給許多實際使用帶來不便。 燃料電池將化學物質儲存在電池外部，故可隨原料的不斷輸入而連續發電。常用的燃料（還原劑）有：氫,甲醇,肼,天然氣,等；常用的氧化劑有：

O2，Cl2，Br2，等；

常用的介質有：酸溶液,堿溶液,鹽溶液,等。2021-12-30*電池符號：M1,H(g,p1)|KOH(35%)|O2(g,p2),M2負極反應：H2+2OH-

2H2O+2e正極反應：½O2+H2O+2e2OH-電池反應：H2+½O2H2O2021-12-30*燃料電池的優點

1、高效

化學能

熱能

機械能

化學能

電能

機械能

<30%

>80%

2、環境友好

不排放有毒的酸性氧化物，CO2比熱電廠少40%，

3、重量輕，比能量高用於航太，汽車工業，應急電源等21世紀首選的清潔能源

產物水可利用，無噪音

4、穩定性好，可連續工作，可積木式組裝，可移動2021-12-30*氫氧燃料電池的難點氫氣的儲存液氫要求高壓、低溫，有危險性鋼瓶儲氫，可使用氫氣只占鋼瓶品質的1%，也有危險性研製儲氫金屬和其他儲氫材料研製用太陽能製備氫氣在298K，200atm下碳納米管吸附氫（紅色）的模擬圖象2021-12-30*4.4核反應與核能源4.4.1原子核的組成原子核（nuclei）由質子（proton） 和中子（neutron）組成；質子和 中子統稱為核子；元素的化學性質由核外電子的構型和數目確定；原子核的性質由質子和中子的數目確定；原子序數=原子核中的質子數Z=原子的核外電子總數n;2021-12-30*AX,

如12C,235U，等。Z692質子的靜止品質為mp=1.00728u；中子的靜止品質為mn=1.00867u;電子的靜止品質為me=0.00055uMp=Mn=1840Me;A(元素的質量數)=Z(質子數)+N(中子數)(忽略電子的品質)質子數相同而中子數不同的元素處於元素週期表中的同一位置，稱為同位素（Isotope），如氕，氘，氚;核可表為2021-12-30*穩定核放射性核（不穩定核）

放射性裂變

放射性

放射性

+，-－緩發裂變質子放射性重離子放射性

－緩發質子

－緩發中子4.4.2核的穩定性與衰變2021-12-30*4.4.2.1穩定核的A:Z(或N:Z)關係圖4.2穩定核的A:P(或N:P)關係(質子數)(質量數)

由圖可見，所有穩定核素的質量數與質子數之間存在良好的相關性，稱對應區域為核的穩定區。不穩定的核一般不在這個區域，它們可以通過衰變來改變A/Z比值，從而回到穩定區域成為穩定核素。如，A,B點。(2:1)A:中子變質子(負電子發射)B:質子變中子(正電子發射)2021-12-30*4.4.2.2放射性同位素的衰變目前已知的兩千七百多種核素中，絕大多數是不穩定的。不穩定的核素要自發地變化，轉變為另一種核素，同時還要釋放出一定的粒子流，這種性質稱為放射性衰變。核素在衰變過程中釋放出來的粒子流，稱為射線。具有放射性的同位素，稱為放射性同位素。

2021-12-30*

放射性衰變的種類主要有以下幾種：

衰變：質量數（AorN）較大的不穩定同位素通過釋放

粒子（）來達到它的穩定核結構，如：

衰變：中子數較多的不穩定同位素可通過

衰變（釋放負電子、正電子）或中子發射而達到其穩定核構型。如4He2238U(鈾)

234Th(釷)+4He（

粒子）92902

emission9Li

9Be+0e(負電子，

粒子)34-1nemission9Li

8Li+1n(中子)3302021-12-30*

衰變：處於激發態的原子核可以通過

射線（高能電磁輻射）釋放多餘的能量，躍遷到低激發態或基態，

以求達到其穩定核構型。基態(groundstate)：原子核可處於不同的能量狀態，正常情況下處於最低的狀態。激發態(excitedstate)：原子核在某些核反應、核裂變及放射性衰變後仍處於高能狀態。2021-12-30*小知識:放射性衰變紀年法—考古學時鐘由太陽射線產生的中子流與大氣中的14N碰撞引發核反應生成14C（方程A），而14C是不穩定的放射性核素，會發生衰變而回到14N（方程B）：

大氣中12C、14C的濃度都是基本恒定的，因而大氣中（因而各種活的生命體中）12C/14C的比值也是恒定的。放射性同位素的衰變的動力學方程為ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰變掉一半所需的時間）t½=ln2/k1，與初始濃度c0無關。不同放射性同位素的半衰期為A：14N+1n

14C+

1pB:14C

14N+0

706167-1同位素14C

14N+

40K

40Ar+

671920t½(年)57301.3

1092021-12-30*例4.1

考古人員從徐州某古墓中找到一塊棺木，經同位素檢測發現該木塊中14C/12C之比是現代樹木中14C/12C之比的78%。問該古墓應屬於哪個朝代？已知14C的半衰期t½=5730年。 解：(14C/12C)古/(14C/12C)現=14C古/14C現=0.78

k1=ln2/t½=ln2/5730=1.2110-4a-1

由ln(N0/N)=k1t得

t=(1/k1)ln(N0/N)=(1/k1)ln(1/0.78)=2053年 答：該古墓可能屬於漢代早期。2021-12-30*4.4.3原子核的結合能4.4.3.1核子品質與核反應中的品質虧損原子品質單位（碳單位）：國際標準化組織規定，以12C的原子品質的1/12作為原子品質的單位，記為amu或u。質子的靜止品質為mp=1.00728u；中子的靜止品質為mn=1.00867u;電子的靜止品質為me=0.00055u。4He的摩爾品質為4.00150g/mol；組成核子的原始品質為2

1.00728u+21.00867u=4.03190u；品質虧損∆m=-0.0304u。說明在反應過程中有部分品質損失了。2021-12-30*4.4.3.2原子核的結合能Eb根據Einstein質能關係式E=∆m

C2，相應的品質虧損通過能量的形式釋放出來（核的能量降低了），稱為原子核的結合能（BindingEnergy),記為Eb。

Eb越大，核子之間的結合就越牢固，原子核就越穩定。對於比較不同原子核的穩定性，我們引入核子的平均結合能Eb,平均，Eb,平均=Eb/A(質量數)。核子的平均結合能越大Eb,平均，原子核就越穩定。2021-12-30*例4.2

已知12753I的摩爾品質是126.9004g/mol，計算核子的平均結合能Eb,平均。解：原子（12753I）的品質是126.9004amu

原子中核子的靜止品質是53

mp+(127-53)

mn =128.0274amu

品質虧損為∆m=126.9004-128.0274=-1.12702amu

核結合能為Eb=∆mC2=-(1.12702/6.0231026)(3108)2

=1.68410-10J

核子平均結合能Eb,平均=1.68410-10J/127=1.32610-12J2021-12-30*圖

4.3

Eb,平均

隨

A

的

變

化

由圖可見，較輕的核和較重的核的核子平均結合能較小，穩定性較差，而中等品質的核的核子平均結合能較大，Fe的Eb,平均最大，所以最穩定。A<56，小核變大核越穩定(聚變);A>56,大核變小核，更穩定(裂變).

各原子核的核子平均結合能隨質量數A的變化如圖4.3。裂變聚變2021-12-30*4.4.4核的裂變與聚變4.4.4.1核的裂變（fission）

重核受到激發分裂為幾個中等品質原子核的現象稱為原子核裂變。重核裂變可以釋放大量能量，為人類提供一種新的能源。普通的核武器和核電站都依賴於裂變過程產生的能量。

核裂變產物大多具有放射性。2021-12-30*

當一個重核受到慢中子轟擊，分裂成兩個中等原子量的核，並放出一個到三個中子，這種中子稱為再生中子，同時還釋放大量的能量。如果分裂時放出的再生中子又能引起另外的核分裂，可使反應繼續下去，並不斷釋放大量原子核能，這種反應稱為鏈式反應。235U235U142Ba+91Kr+31n235U+1n56360137Te+97Zr+21n524002021-12-30*4.4.4.2原子彈與反應堆

核武器是利用核裂變或聚變反應釋放的能量，產生爆炸作用並具有大規模殺傷破壞效應的武器的總稱。

原子彈是主要利用鈾235或鈈239等重原子核的裂變鏈式反應原理之稱的武器。2021-12-30*

核反應爐

通過受控核裂變反應獲得核能的裝置，可使裂變產生的中子數等於各種過程消耗的中子數,以形成所謂的自持鏈反應(self-sustainingchainreaction)。

2021-12-30*4.4.4.3核的聚變(Fusion)-氫彈由圖4.3可見：核聚變所釋放的能量大於核裂變所釋放的能量；核聚變能比核裂變能威力大的多,它是一種最理想的清潔能源，是開發核能的主攻方向。氫彈是主要利用重氫（氘）或超重氫（氚）等輕原子核的熱核反應原理製成的熱核武器或聚變武器。氫彈是利用內部一個小型鈾原子彈爆炸產生的高溫引爆的。

＋

＋40000000

℃

核聚變產物不是放射性的。2021-12-30*核聚變所需的溫度較高（T>50,000,000℃）；目前太陽上正在進行的是氫聚變成氦的反應，氫消耗到一定程度後進行H+He

Li；He+HeC；……等的反應，聚變所需要的溫度也越來越高。如果星球品質（進而吸引力和壓力）足夠大，溫度就足夠高，最終會引發生成Fe的聚變，反應終止。星球變為白矮星（所在的位置稱為黑洞）。白矮星特點：體積小、亮度低，但品質大、密度極高。2021-12-30*4.5可再生能源的利用

不隨人類的利用而明顯減少的能源稱為可再生能源。常見的可再生能源有太陽能，風能，水力能，潮汐能和地熱能等。4.5.1太陽能

太陽每秒鐘輻射到地球上的能量相當於106~107噸標準煤的能量，相當於全世界能耗的1萬倍，是真正的綠色能源。目前人類所使用的礦物燃料均來源於太陽億萬年來的奉獻。 太陽能的利用包括太陽能電池、太陽爐等許多方面。

光——熱轉換、光——電轉換和光——化學轉換等2021-12-30*4.5.2風能的利用

風能是指太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻，引起各地溫差和氣壓不同，導致空氣運動而產生的能量。利用風力機可將風能轉換成電能、機械能和熱能等。風能利用的主要形式有風力發電、風力提水、風力致熱以及風帆助航等。2021-12-30