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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