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1、l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。能源与化学第一节 概 述l一、能量的形态与转化l1.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(100%)。l二、能源的概念与分类l1. 定义：能源可以从中获得能量的资源。l2. 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
2、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（U Th Pu D） 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l一、燃料的分类和组成l 燃料产生热能或动力的可燃性物质。l1.分类:第二节 燃料能源物 态天 然 燃 料人 造 燃 料 固体燃料木材 泥煤 褐煤 油页岩木炭 焦炭 煤砖液体燃料石油汽油 煤油 柴油 酒精气体燃料天然气煤气 石油裂化气 沼气l2. 组成:l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。l元素组成：C、H、O、N、S、少量金属。
3、l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。l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：l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l电池符号：l（）ZnZnCl2，NH4Cl(糊)MnO2C(石墨)（）l电极反应:（）Zn(s)Zn2+2e-（）（）2MnO2(s)+2NH4+2e-Mn2O3(s)+2NH3(aq)+2H2Ol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l电池符号：l（）ZnHgKOH(含ZnO)HgOHgPt（）l电池反
4、应:l（）Zn(Hg)+2OH-ZnO+H2O+2e-（）HgO（s）+H2O+2e-Hg（l）+2OH-l电动势:1.34V。电压稳定，可做成钮扣电池。2.锌-汞电池l1.铅蓄电池（铅酸蓄电池）l电池符号：（）Pb|H2SO4|PbO2（）l充、放电反应:PbPbO22H2SO42PbSO42H2Ol特点：电压2.0V，电流0.5A。可短时大电流放电。l酸易溢出，腐蚀性强。二、蓄电池l铁-镍蓄电池l电池符号:（）FeKOH（30%）Ni(OH)3()l充放电反应：Fe2Ni(OH)3Fe(OH)3Nil特点是：重量轻、体积小、抗震好l银-锌蓄电池l电池符号:（）ZnKOH(40%)Ag2OA
5、g()l充放电反应：ZnAg2OH2OZn(OH)22Agl特点是：电压平稳2.碱性蓄电池l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。l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。l1.氢-氧燃料电池l电池符号：l（）CH2KOH(35%)O2C()三、燃料电池电池反应：（）H2+2OH-2H2O+2e-（）O2+2H2O+4e-4OH-电池总反应:2H2+O22H2O正极需加催化剂（Pt、Pd、Co2O3、Ag等），负极以活性炭多孔镍吸附H2。l电池符号：（）PtCH3OHH2SO4O2Pt()l电池反应:l（）
6、3/2O2+6H+6e-3H2O（）CH3OH+H2OCO2+6H+6e-CH3OH+3/2O2CO2+2H2Ol可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。l3.其它燃料电池2.甲醇-氧燃料电池l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。l一、氢能l1.氢燃料的特点:l无毒、无污染，最清洁；燃料来自水，燃烧产物是水，可永远循环使用；点火温度低，燃烧速度快，发热量大;H2可直接利用，也可间接使用，是方便燃料。第四节新能源l2.氢燃料的制
7、取l电解水：H2OH2+1/2O2能量可用太阳能、电能。热分解水：H2OH2+1/2O2（催化剂：Ca、Br2、Hg等。温度：730-1000）光分解水：H2OH2+1/2O2光电分解水：以n-型氧化钛为电极，在阳光下使水分解。l3.氢燃料的贮存lH2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。l目前主要考虑贮氢金属。l1999年，我国研制出的纳米碳管，是很好的贮氢材料。在298K，200atm下碳纳米管吸附氢（红色）的模拟图象。二、核能l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。l1942年12月2日第一座反应堆首次启动时，功率仅为0.5瓦。
8、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。l1.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。l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l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l核裂变时出现质量亏损
9、，亏损的质量转化为能量，遵守爱因斯坦定律：lE=mc2lE=mc2l其中m=m（生成物）-m（反应物）l按此式，1克U-235，核裂变能为-8.1107kJ，相当于3吨煤燃烧所放出的热量。l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。l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。l按爱因斯坦公式，E=-1.698109kJmol-11克氘(或氚)比1克铀产生的能量大得多。l氘可由重水中得到。海水中重水达21020kg。核聚变资源极为丰富。l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
10、炸。l聚变不产生放射性产物。2.核聚变能l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。中国核能的历史、现状和未来发展l一、中国和平利用核能的现状l1964年10月我国第一颗原子弹成功爆炸。l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。l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。l1994年建成投产的大亚湾核电站开创了中外合作建设核电站
11、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。l二、未来发展l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。l中国和平利用核能事业有着良好的发展前景。l太阳上进行的l反应是核聚变反应，l每
12、天质量变化4106吨，l向空间辐射能量41023kJs-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61018kJ。其利用可分：l1.太阳能的直接利用l热能如太阳能集热器；l电能太阳能电池。三、太阳能图太阳能电池l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。l2.太阳能的间接利用l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。l生物质能（biologyenergy）是目前用得最为广泛的第四种能源，它占全球一次性能源需求量的14%。生物质能资源极为丰富，是一种无害的能源。l生物质能源又称可再生有机质能源，诸如木材、薪
13、草、藻类等。生物质能分布广，储量丰富，全球每年通过光合作用储存于植物的能量，大约是世界目前消费能量的17倍。各国都非常重视生物质能的开发利用。l现代生物转换技术包括转换为电能和转换为固体燃料、液体燃料、气体燃料，小规模地取代矿物燃料。四、生物质能现代绿色能源酒精和沼气l1.绿色能源是一种生物质能源于太阳能，太阳光经过植物的光合作用转变成体内的生物质能，生物质能实质上是有机物的化学能。l2.目前利用：主要燃烧，能源利用10%。l3.发展方向：l1）制取酒精或甲醇l2）制造沼气五.合成新能源一炭化学的使命1.一炭化学指以分子中只含一个碳原子的化合物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工的方法制造产品的化学体系的总称2.主要产品1）制氢2）合成化工原料，如甲醇、烯烃l3.研究方法l1）催化法lCO2+CH4CO+H2lCO+H2CH3OHl目前主要是采用催化法，因此新型催化剂的开发成为工业发展的关键。l2）射线法l放射线的特点是可以在常温常压下进行，但需依赖电子加速器的进步
