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1、能源与化学,9.1 能源概述 1.能源的分类 2. 世界能源结构与消费 3. 中国能源现状及趋势 4.能源开发利用趋势 限制并有计划的开采石油和天然气 发展原子能 加速开发利用新能源 节流,表9-1 能源分类,表9-2 世界能源消费量和构成, 标准煤1kg发热量为29260kj的煤 例：某原煤的发热量为20920kj/kg，则1kg这种原煤相当于标准煤： 20920/29260 = 0.7150kg,表 9-3 中国的能源现状和构成,9.2 煤、石油和天然气,1. 煤的种类及主要成分,煤的化学组成,C：主要可燃成分， C (s) + O2 (g) = CO2 (g) rHm(298.15k)=
2、 -393.5 kjmol-1 H：主要可燃元素 有效氢与C S P结合，可燃烧 化合氢与O 结合，不能燃烧 O , S, N等：有害成分,2. 煤的有效洁净利用洁净煤技术 （Clean Coal Technology 简称 CCT）,中国洁净煤技术主要技术领域： 煤炭利用前净化技术 煤炭洁净燃烧 煤炭的转化技术 污染控制与废气、废物管理,（1） 煤的气化,1) C + O2 = CO2 6) CO + H2O = CO2 + H2 2) C + 1/2 O2 = CO 7) C + 2H2 = CH4 3) C + CO2 = 2CO 8) CO + 3H2 = CH4+ H2O 4) C
3、+ H2O = CO + H2 9) CO + 2H2 = CH4 5) C + 2H2O = CO2 + 2H2 10) CO2 + 4H2 = CH4+ 2H2O,（2）煤的液化,煤与石油的区别： 煤： H : C = 0.40.8 石油： H : C = 1.51.8 煤分子量石油分子量10倍,直接液化法 间接液化法,煤间接液化工厂,3.石油和天然气,石油的主要组成元素为 C H O N S 8387% 1014% 0.0525% 0.020.25% 0.058,和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。 （2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主 煤中的碳氢化合物以芳烃为主,各种石油产品：,9.
4、3 核能,1. 原子核的组成和结合能,例： 23592U A = 235 Z = 92 n = 235-92 =143 23892U A = 238 Z = 92 n =238-92 = 146 23592U 和23892U 是两种不同的核素，且互为同位素,原子核 质子（p） 质子和中子总称为核子 中子（n）,核素（质子数和中子数都相同的一类元素）： AZX X元素符号 Z质子数，即原子序数 A核子总数，称为质量数,质量数（A）= 质子数（Z）+ 中子数（n）,同位数质子数相同而中子数不同的核素互为同位数,核引力原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力,原子核的结合能若干个核子结合成原子核时所
5、释放的能量 结合能的计算： 质量亏损 m = （中子质量+质子质量）- 核的质量 E = mc2 c（光速）= 3108 ms-1 E = mc2 例：计算1mol质子和1mol中子结合成1mol氘核（21H）时可释放出多少能量（结合能）,解： 1mol质子 m = 1.00728g 1mol中子 m = 1.00867g 1mol 21H m =2.01355g m = (1.00728g+1.00867g) 2.01355g =0.00240g =2.410-6kg E = mc2 = 2.410-6kg(3108 ms-1)2 =2.16108kj,各原子核的每克结合能是不同的,通常 核
6、子数（质量数）小的原子核，每克结合能小 核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大 核子数（质量数）大于200的原子核，每克结合能变小,核反应使原子核转变成新原子核的过程 核裂变让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度 的新原子核的过程 核聚变让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大 的新原子核的过程,2.核裂变,核裂变：是用中子（10n）轰击较重原子核使之分裂成较轻 原子核的反应。,U-235裂变链式反应：,1gU-235可放出 8107kj的能量 1g煤完全燃烧放出的热量为：30kj 1gU-235产生的能量相当于2.7106g煤燃烧产生的能量,核裂变的核燃料：U-235 U-23
7、3 Pu-239,例： 14456Ba + 8956Kr +3 10n 23592U + 10n 14054Xe + 9438Sr +2 10n 13351Sb + 9941Nb + 4 10n,核燃料U-235、Pu-239 中子吸收剂（控制棒）：B Cd Hf 控制 n = 1 中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子,反应堆：,核电站运行的两大问题：安全问题,核废料的处理问题,例： 21H + 21H 42He 1g氘聚变时放出的能量为：5.810 8 kj,3.核聚变,核聚变： 由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。,中国环流一号,核聚变的优点： 核聚变产物氦核，稳
8、定，无放射性污染，无难于处理的废料 核聚变原料氘、氚，资源丰富，可从海水中提取 1kg海水中含有0.03g氘，地球上的海水约有1018吨，聚变原料十分丰富。,实现核聚变的两个关键问题： 反应温度足够高：109 人为控制核聚变反应的速度受控核聚变,9.4新能源的开发、利用,1. 氢能以氢作为燃料而释放出的能量 氢能的特点： （1）氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出10倍 （2）氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油发热值的3倍。 （3）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快 。 （4）制氢的原料水，资源极为丰富。 燃烧产物水，对环
9、境无污染。 （5）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。 （6）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。,（1）氢的制取,氢的制取方法： 水煤气法：在高温下用C做还原剂，与水反应 C + H2O = CO + H2 电解法： 2H2O(l) = 2H2(g) + O2(g) 热化学分解法 太阳能制氢：,H2O = H2 + 1/2 O2 反应中键能的变化为： 断开H2O分子中2mol O-H 键需吸收930kj的能量 生成1mol H-H 键放出463kj的能量 生成0
10、.5mol O=O 键放出249kj的能量 分解1mol的H2O需提供的能量为：930kj-436kj-249kj=245kj,（2）氢的储存,氢的密度 = 0.071 gcm-1, 不利于储存， 如：15MPa压力下，40dm3的钢瓶只能装0.5kg的H2。 若是将氢液化，t=-253，需耗费很高的能量。,储氢合金： 镁系储氢合金 MgH2 Mg2Ni 稀土系储氢合金 LaNi5 MmNiMn (混合稀土) 钛系储氢合金 TiH2 TiMn1.5,例： 镧镍合金LaNi5的吸氢反应：,2. 太阳能、风能,太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为： 4 11H 42He + 2 -10e- 该反应释放出的核能约为：2.39109kjmol-1。 太阳能利用方法： 1）光热转换 2）光电转换,3.生物质能,中国第一座垃圾发电站： 深圳垃圾发电站,1）经过发酵或高温热分解制备甲醇、乙醇等液体燃料。 2）在密闭容器内经高温干馏生成一氧化碳、氢气、甲烷等气体燃料。 3）在厌氧条件下生成沼气（CH4）。,
