大学化学 化学与能源讲解

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1、第六章 化学与能源 chemistry and energy,6-1 能源的分类（1）,按能量形式分类,6-1 能源的分类（2）,按能量来源分类,6-2 化石燃料（1）,目前全世界使用的能源90% 取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可再生能源。 从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为： 石 油：1万亿桶 天然气：120万亿立方米 煤 炭：1万亿吨,储量有限的化石燃料！,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：,6-2-1 石油（1）,石油的形成 水中生物的遗骸下沉而埋没于地下； 因地热或地压等作

2、用经千百万年变成石油； 石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中,工业的血液,6-2-1 石油（2）,石油的组成 石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中75以上是各种各样的烃类，其他组成是含氧、含氮、含硫以及含金属的化合物。石油中烃类的主要组分是烷烃、环烷烃和芳烃。烯烃的含量很少。烷烃中有直链和带支链的。,6-2-1 石油（3）,石油的炼制 分馏：按沸点高低分离（如轻油：分馏温度小于350C的组分如汽油、煤油、柴油） 裂化：将重油转化为轻油 重整：增加支链烷烃比例，并可获得芳香烃 加氢精制：脱氮硫,汽油性能的表征辛烷值,提高汽油辛烷值的方法： 提高异辛烷的含量铂铼重整 加少量的四乙基铅Pb(

3、C2H5)4 取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰（MMT）、醇类以及甲基叔丁基醚MTBE，CH3O(CH3)3用量最大。,汽油抗暴性能的间接量度,石油化工产品及用途,石油化学工业的一级产品，大致分为： 烯类：包括乙烯、丙稀、丁二烯 苯类：苯、甲苯、二甲苯 炔类：乙炔 芳香族：萘 合成气（即COH2） 从这五类基础原料出发；经过一系列化学加工后，可以得到成千上万的石油化工产品可制成一系列为工农业、国防、科学技术和人民生活不可缺少的重要产品。,6-2-2 煤,煤的结构,按含碳量可分为： 泥煤：50% 褐煤：50-78% 烟煤：75-90% 无烟煤：90-92% 燃烧

4、慢、效率低、有污染等缺点,洁净煤技术,煤的转化,气化 以水蒸气、氧气或空气为气化剂，让煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为煤气（H2、CH4、CO等） 焦化（干馏） 隔绝空气的条件加热分解煤得焦炭和焦炉煤气（氢气与甲烷） 液化（人造石油） 直接加氢液化或气化后进一步合成燃油或燃气,6-3 核能（1）,核裂变能与核电站 核裂变是指一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量（1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量），核裂变是取得核能的重要途径之

5、一。,魔鬼与天使,6-3 核能（2）,大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件: 重核裂变要形成链式反应； 链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。,链式反应,中子,鈾-235 核分裂,是否会象原子那样爆炸？,核裂变能的利用带来的问题,核废料是指含有、和辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。目前，核废料的处理有“天葬”、“水葬”和“火葬”三种方法。,放射性废料的处理,6-3 核能（3）,核聚变 由2个或多个轻原子

6、核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放出很大的能量。 与U235裂变相比 热值高一个量级 产物无污染 原料含量高,天然的核聚变场所,核聚变能量的利用,核力是一种短程力，只有当两个核的距离接近万分之一毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，为了消除核间的电斥力，必须提供极高的能量 据测算这样的能量将使氘核的温度达到5.6108 k 氢弹的起爆？ 在此高温下氘完全电离成等离子气体，必须强磁场才能束缚 漫长的道路,6-4 化学电源,电池的分类： 电池按照其使用性质的不同可以分为一次电池（干电池、原电池）、二次电池（蓄电池）和燃料电池等几大类。,实用能源,6-4-1 原电池（1）

7、,锌锰干电池： 负极是锌做的圆筒 正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。,6-4-1 原电池（2）,电池符号： 负极反应 正极反应 电池总反应 正极反应中生成NH3 同负极反应生成的Zn2+ ，可生成Zn（NH3）42 配离子，从而抑制Zn2+ 浓度增大，保持电势接近恒定，也防止NH3 在电极上积累，造成极化。此电池的电动势为 1.5V。,6-4-2 蓄电池（1）,氢镍蓄电池（高压镍氢电池） 正极：Ni电极（NiO（OH）+H2O + e =Ni(OH)2+OH-） 负极：氢电极 （1/2H2 + OH- =H2O + e） 总反应：1/2H2 + NiO(OH) = Ni

8、(OH)2 电解质：KOH 电池内氢气的压力：0.34MPa,6-4-2 蓄电池（2）,锂离子电池 正极反应：LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe 负极反应：C + xLi+ xe- CLix 电池总反应：LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + CLix,6-4-3 燃料电池,燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。,燃料电池的原理,负极 正极 总反

9、应,以氢氧碱性燃料电池为例,6-5 太阳能,与其他能源相比，太阳能具有独特的优点： 它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”。 到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。 成本低廉，可以再生。,光电转换,太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。 太阳能电池；太阳能电站,光热转换,低温热利用： 地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统 中温热利用： 空调制冷、制盐以及其它工业用热 高温热利用： 聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉,6

10、-6 氢能,在新能源的探索中，氢气被认为是理想的二次能源。氢气作为动力燃料有很多优点。 干净、无毒。 燃料热值大，能满足热机对燃料的要 求。 资源丰富。 应用范围广，适用性强。 有关氢能源的研究，目前面临三大课题：氢气的制取；氢的贮存和输送；氢的利用。,6-6-1 氢气的制备,电解水制氢 成熟方法、可采用剩余水利电力 化学燃料制氢 生物制氢 光化学制氢人工光合作用,6-6-2 氢气的贮存与输送,氢化物作为贮存材料，应具有如下特点 贮存的密度高，也就是说单位体积能吸收更多的H2 。 化学稳定性好，特别是对于空气和水都应该是“惰性”的，以利应用。 金属氢化物分解时的反应热不能太高，以减少能耗。 吸

11、H2和放H2的压力能适合于使用H2 的设备的需要，且吸H2和放H2的速率较快。 贮氢金属的使用寿命长，其活性较好，不易中毒失效。 贮氢金属的成本要低，以便于推广,6-6-2 氢能的用途,氢气的用途很广，可作燃料和化工原料，也用作金属冶炼的还原剂、燃料电池的燃料。氢气属于洁净的燃料，其燃烧性能很特殊，如氢气中混有空气容易引起爆炸。故须配合研制相应的特殊燃烧装置。在民用方面，氢气可用作城市燃气，氢气也可以直接用来发电。氢能汽车是最清洁的交通工作。,第七章 化学与材料 chemistry and material,7-1 材料的概述,材料： 材料是指人类制作物品、器件、构件和机器或其它有用物品的物质

12、。 材料是一切科学技术发展的基础，是人类文明进步的里程碑 化学是材料发展的基础。化学是在分子、原子、离子的层次上研究物质结构、组成、性质、变化及应用的科学。,材料的分类,传统上根据材料的成分与特性，把物质分为无机材料（金属材料和无机非金属材料）、有机高分子材料和复合材料 依据材料的用途，通常将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是指利用材料具有的力学和物理、化学性质，被广泛用于机械制造、工程建设、交通运输及能源等部门的材料。功能材料是指利用具有的某种声、光、电、磁和热等性能，应用于微电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域的材料。智能材料是功能材料的最新发展，它具有环境判断功能

13、、自我修复功能和时间轴功能，智能材料被誉为21世纪材料。,7-2 无机材料,金属材料 无机非金属材料 无机功能材料 纳米材料 粉末冶金法,7-2-1 金属材料,金属材料可分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。黑色金属材料包括铁、锰和铬以及它们的合金。除黑色金属外的其他各种金属及其合金统称为有色金属。有色金属品种繁多，又可细分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属和贵金属,7-2-1-1 钢铁（1）,钢铁是使用最广泛的一类黑色金属材料，其消耗量约占金属材料的90。其冶炼方法是用焦炭高温还原精选过的氧化铁矿石，冶炼时还需加入一定比例的石灰石和二氧化硅作助熔剂造渣，其主要反应如下：,铁水中

14、含34%的C，以Fe3C形式存在,7-2-1-1 钢铁（2）,铁水以不同方式冷却，可以得到性质不同，用途也各不相同的生铁。当铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和石墨，因其断口为灰色被称为灰口铁；若将铁水骤冷，Fe3C来不及分解，其断口为白色故称为白口铁。 钢铁是铁碳合金的总称。钢铁中含碳2的叫生铁， 0.02的叫纯铁，介于二者之间的称为钢。其中含碳0.020.25的称为低碳钢，介于0.250.60的称为中碳钢，含碳量在0.602的称为高碳钢。,7-2-1-1 钢铁（3）,纯铁的晶体结构 碳在钢中存在的方式是间充在铁晶格的空隙中，形成间隙合金结构。碳在钢中能够以4中方式间充在铁的金属晶格中，形成奥

15、氏体、渗碳体、马氏体、铁素体4种物相。,体心立方,面心立方,体心立方,C的可能位置,7-2-1-1 钢铁（4）,钢铁的腐蚀：指钢铁和周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏。根据腐蚀发生的机理不同，可分为： 化学腐蚀：指单纯由化学作用而引起的腐蚀。 电化学腐蚀：指当金属与电解质溶液接触时，由于电化学作用而引起的腐蚀。,7-2-1-1 钢铁（5）,钢铁的防腐 覆盖层法：常见的方法，指在金属表面涂上涂料、过塑、搪瓷、镀上耐腐蚀的金属，金属表面的化学处理均属此方法。 阴极保护法：被保护的金属（Fe）作为阴极而不遭受腐蚀，此法分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。 阳极保护法：与阴极保护

16、相反，是把直流电源的正极与被保护的金属相连，适用于阳极氧化后能成钝态的金属。 缓蚀剂法：在腐蚀介质中，加入少量能减少腐蚀速率的物质（叫缓蚀剂）以防止腐蚀的方法叫做缓蚀剂法。,7-2-1-2 特种合金,特种合金是指具有特殊功能，在特殊条件下作结构材料使用的一种合金，如轻质合金、硬质合金、高温合金、低温合金等，虽然使用量较小，但是属于极端条件下不可取代的材料，因此非常重要。,轻质铝合金,铝的炼制 纯铝质软，不耐磨，强度低，不能作结构材料；加入一定量的铜、镁等元素可制得硬铝，主要用作建筑装饰材料等；再加入57的锌可制成被称为超硬铝的铝锌镁铜合金，这种合金硬度高，密度小，易成型，是良好的航空轻质结构材料。 随着飞机性能要求的日益提高，提高轻质合金综合性能，并同时降低合金密度是轻质合金的主要发展方向。铝锂合金便是在这样背景下迅速发展的一类新型轻质合金。,硬质合金,硬质合金是指第4（B）、5（B）、6（B）族的金属和原子半径小的碳、氮、硼形成的间隙合金，这些合金