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1、第六章第六章 化学与能源化学与能源 能能源源 是是指指一一切切能能量量比比较较集集中中的的含含能能体体( (如如煤煤炭炭、天天然然气气等等) )和能量过程和能量过程( (如风、潮汐如风、潮汐) )。能能源源按按其其来来源源大大致致分分为为三三类类：太太阳阳能能及及其其转转化化物物, ,如如太太阳阳直直接接辅辅射射能能、煤煤、石石油油、天天然然气气等等化化石石燃燃料料，以以及及太太阳阳能能转转化化来来的的生生物物能能、水水能能、风风能能、海海洋洋能能等等；地地球球本本身身的的能能量量，如如地地热热能能、核核能能；天天体体对对地地球球的的引引力力能能，如如潮潮汐汐能能。能能源源按按利利用用方方式式
2、可可分分为为两两种种：直直接接从从自自然然界界获获得得的的不不改改变变其其形形态态的的次次能能源源和和经经人人类类加加工工生生产产出出来来的的二二次次能能源源。一一次次能能源源按按能能否否再再生生又又可可分分为为：可可再再生生能能源源，如如太太阳阳能能、风风能能；经经过过亿亿万万年年形形成成且且短短期期内内不不可可再再生生能能源源的的能能源源，如如化化石石燃燃科科、核核能能等等。从从对对环环境境的的影影响响来来看看，化石燃料等为化石燃料等为污染能源污染能源，水能、风能等则为，水能、风能等则为清洁能源清洁能源。扩塘毯鸭愁慑蔡研蘑储恳纶虱牛打隘负凛鸵制秸钡柯砸哗掳鹰硝醛首雾返第六章化学与能源第六章
3、化学与能源 煤煤、石石油油、天天然然气气是是当当今今世世界界上上最最重重要要的的化化石石燃燃料料( (又叫矿物燃料又叫矿物燃料) )，是主要的能源。，是主要的能源。煤煤黑色金子黑色金子 煤煤的的形形成成：煤煤主主要要是是由由古古代代植植物物在在地地下下隔隔绝绝空空气气的的条条件件下下，经经过过长长期期的的一一系系列列复复杂杂的的化化学学变变化化和和生生物物变变化化，而而形形成成的的一一种种由由有有机机物物和和无无机机物物所所组组成成的的复复杂杂的的混混合合物物。煤煤的的主主要要成成分分是是碳碳，还还含含有有氢氢、氧氧、氮氮及及硫硫、磷等磷等4848种元素。种元素。 煤煤炭炭有有实实用用价价值值
4、的的综综合合利利用用主主要要有有煤煤的的干干馏馏、气气化化和液化。煤最主要的应用是直接作为燃料，和液化。煤最主要的应用是直接作为燃料， 将将煤煤粉粉放放在在隔隔绝绝空空气气的的炼炼焦焦炉炉中中加加热热，即即煤煤的的干干馏馏。由由此此得得到到焦焦炭炭、煤煤焦焦油油、炔炔炉炉气气、粗粗氨氨水水和和粗粗苯苯等等。这这些些产产物物可可用用于于生生产产化化肥肥、塑塑料料、合合成成橡橡胶胶、合合成成纤纤维、炸药、染料、医药等。维、炸药、染料、医药等。一、常规能源一、常规能源化石燃料化石燃料邢年辈锡蹭祟酶咕羹汀里罕靡稗夷裳绢荔旬茅轿幢菌滥崖捐膊悬沽恍东瘁第六章化学与能源第六章化学与能源煤的气化：煤的气化：是
5、把煤中的有机物转化为可燃件气体的过是把煤中的有机物转化为可燃件气体的过程。煤与有限的空气和水蒸气反应，得到程。煤与有限的空气和水蒸气反应，得到种气态混种气态混合物，称之为半煤气：合物，称之为半煤气：如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这种气体的燃烧热比半水煤气高种气体的燃烧热比半水煤气高1 1倍。倍。煤的液化：煤的液化：是把煤转化成液体燃料的过程。煤与液态是把煤转化成液体燃料的过程。煤与液态烃在化学组成上的差别在于煤的氢碳原子比烃在化学组成上的差别在于煤的氢碳原子比( (即即H/C)H/C)低低( (一般石油烃的一般石油烃的H/CH/C约为
6、约为1 18)8)。为使煤液化，需要加氢。为使煤液化，需要加氢。烫瓶字逼淳蠕散双芬肢绕枣网玫铂哮茬踏谨跌它俐胞赔窃副转涌祁千碉烬第六章化学与能源第六章化学与能源石油的形成：石油的形成：石油是由古代动、植物遗体在地石油是由古代动、植物遗体在地壳内部高温、高压条件下经过非常复杂的化学壳内部高温、高压条件下经过非常复杂的化学变化而形成的各种烷烃、环烷烃和芳烃组成的变化而形成的各种烷烃、环烷烃和芳烃组成的混合物。石油所含的基本元素是碳和氢混合物。石油所含的基本元素是碳和氢( (达达97979898) )，同时含少量硫、氧、氮等元素。，同时含少量硫、氧、氮等元素。石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶
7、石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、润滑油等。剂油、汽油、柴油、润滑油等。石油石油工业的粮食工业的粮食培鼠驾魏浚垒左剃筷妊于怔夷靡涧旭墒吕歼窥销消朔杰挫肆割橱吴谤陡湛第六章化学与能源第六章化学与能源图6-1 原油加工示意图拐霸履缅苦往宣很瘪酪克身居琴墒弦巴铜轨朵禁衷钞搓僚越亚臻圆辐象雏第六章化学与能源第六章化学与能源辛烷值辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛烷异辛烷(2(2，2 2，4 4一三甲基戊烷一三甲基戊烷) )的辛烷值定为的辛烷值定为l00l00，爆，爆震性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性震性极强的正
8、庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种烃的不同比例的混合物进行比较，就可以得和这两种烃的不同比例的混合物进行比较，就可以得到该汽油的相对辛烷值。为了提高汽油的辛烷值，过到该汽油的相对辛烷值。为了提高汽油的辛烷值，过去广泛使用的一种入法是在汽油中添加少量抗震剂去广泛使用的一种入法是在汽油中添加少量抗震剂四乙基铅；现在为了提高汽油的辛烷值，一般采用甲四乙基铅；现在为了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚基叔丁基醚 CHCH3 3O OC(CHC(CH3 3) )3 3 ，又名，又名MTBE MTBE 作为高辛作为高辛烷值组分。目前，我国使用的烷值组分。目前，我国使用的车用汽油标号就是按照车用
9、汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的汽油的辛烷值大小划分的，例如，例如9090号汽油表示该汽油号汽油表示该汽油的辛烷值不低于的辛烷值不低于9090。汽油和汽油的标号汽油和汽油的标号窄竣造基橇洒毅拄管钦犀拦祁驱伯嘉茸渴喇耙勿喀躇耍矢衅勿蕊态陋妇沂第六章化学与能源第六章化学与能源 氢能是经人类加工生产出来的氢能是经人类加工生产出来的二次能源二次能源，它具有以下优点：原料来源丰富它具有以下优点：原料来源丰富( (水水) )，取之不，取之不尽，用之不竭；燃烧热值高，尽，用之不竭；燃烧热值高，1 1千克千克H2H2燃烧可以燃烧可以放出近放出近1212万千焦热量，相当于燃烧万千焦热量，相当于燃烧3 3千
10、克汽油千克汽油；无污染，不产生有毒有害气体。因此，氢能源无污染，不产生有毒有害气体。因此，氢能源是理想的新能源。是理想的新能源。 发发展展新新能能源源，首首先先，需需要要解解决决如如何何廉廉价价大大量量制制备氢气备氢气的问题，其次，要解决的问题，其次，要解决储存问题储存问题。目目前前世世界界上上已已开开发发和和正正在在研研究究的的方方法法有有：电电解解法法( (电电解解水水或或食食盐盐水水) )；用用煤煤、天天然然气气、轻轻质质油油与与高高压压水水蒸蒸气气反反应应的的热热化化学学法法；阳阳光光催催化化分分解解法；生物法法；生物法等。等。二、理想的新能源二、理想的新能源氢能氢能舶锣崖篓棉索酮杏递
11、邢棒敛吧市隐盏厩闯缅畔蛹喝悯弓沛疽价吮袒是帖感第六章化学与能源第六章化学与能源 光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如如钙和联吡啶形成的配合物钙和联吡啶形成的配合物。它吸收的阳光正。它吸收的阳光正好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外，好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和某些含钙的化合物二氧化钛和某些含钙的化合物也是较适用的催也是较适用的催化剂。化剂。 有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要原理是：气，主要原理是： 哟樟腑糠蒜飞莫偷领豆盼速劈弗确仗誉鼠歌凭总拳感侯曼摸添疗目懈粤伤第六章化学与能源第六
12、章化学与能源 日日本本东东京京大大学学的的科科学学家家在在氩氩和和氦氦的的气气流流中中，将将陶陶瓷瓷CNFCNF加加热热至至300300度度，然然后后用用注注射射针针头头向向CNFCNF注注水水制制得得氢氢。由由于于水水解解后后CNFCNF又又回回到到非非活活化化状状态态，所所以以CNFCNF能能反反复复使使用用。在在每每一一次次反反应应中中，平平均均每每克克CNFCNF可产生可产生2 2至至3 3厘米厘米3 3H H2 2。 我我国国在在世世界界上上首首次次完完成成生生物物制制氢氢中中试试实实验验。哈哈尔尔滨滨建建筑筑大大学学的的学学者者利利用用细细茵茵从从污污水水中中分分解解收收集集氢氢气
13、气，并并于于20002000年年2 2月月初初完完成成中中试试实实验验。利利用用含含碳碳水水化化合合物物的的有有机机废废水水通通过过生生物物发发酵酵制制氢氢，使使人类找到了一种新的可再生的洁净能源。人类找到了一种新的可再生的洁净能源。 五判琉班桂候诱浚膛擒往艇乒爵站枯悲疚骤口猪务胖您贞埔牺填姿毡毛网第六章化学与能源第六章化学与能源 大量储存氢一般有两种方法。一种方法是大量储存氢一般有两种方法。一种方法是高压下液化为液氢。高压下液化为液氢。但在常压下，氢气必须降但在常压下，氢气必须降温至温至-252-252度才能变成液体，这种方法成本高，度才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有极好的绝热
14、设备而且储存液氢要有极好的绝热设备托瓦瓶。托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一种方法是另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。用某些金属或合金来储存氢。氢氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属( (如如钯等钯等) )或合金形成金属氢化物，如或合金形成金属氢化物，如1 1体积胶状佬体积胶状佬(Rh)(Rh)能吸收能吸收29002900体积氢气。当温度升高或体系体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢具有储存量高、可逆、安全等优点。氢具有
15、储存量高、可逆、安全等优点。 氢的储存方法氢的储存方法鸯衙密葫述廉京剔云膨唯萄深尔默尸娩忠展冉诵扛矗皋曹烃惫辩晨梯没烙第六章化学与能源第六章化学与能源 研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解决能源问题的研究课题，理想的氢能源如图所示。决能源问题的研究课题，理想的氢能源如图所示。 图6-2 理想的氢能源示意图 萝绣孵铲包束肤毗腿职误鹰猎奈写凋愁丽挽违腾碾疥瑟怔隶吨蹲烷惠孔奠第六章化学与能源第六章化学与能源化化学学电电池池是是一一种种将将化化学学能能直直接接转转换换为为电电能能的的装装置置，分分为为原电池原电池和和蓄电池蓄电池。原原电电池池 原原电电池池通
16、通常常由由正正极极、负负极极、电电解解液液以以及及容容器器和隔膜等组成，它可表示为：负极和隔膜等组成，它可表示为：负极/ /电解液电解液/ /正极正极 。三、化学电池三、化学电池图6-3 原电池示意图嚎瘦党剔戏豆怂扣刃贼哭车舜鳞劈亚仇阻咀尿鸳鸽酬草摘秉居蒂顾著惟挫第六章化学与能源第六章化学与能源干电池干电池 18001800年伏打首先制成了伏打电池。年伏打首先制成了伏打电池。18361836年英国化学年英国化学家发明了古典原电池。家发明了古典原电池。18651865年法国化学家勒克朗斯发年法国化学家勒克朗斯发明了第明了第个干电池，现代的干电池不过是其改进。个干电池，现代的干电池不过是其改进。
17、爆技揭漏颧嚣堂粉抵柬荐惕衷徒琐继柞丙绕谁箱香策戳诊周抓船涝介邪楞第六章化学与能源第六章化学与能源锌锰干电池结构图锌锰干电池结构图 涂珠降租页辟耽碳聊攫蔗明仰僻谗节姬宙汤板逊坞把酌绚饺姓桅靴丈树竖第六章化学与能源第六章化学与能源(2) (2) 碱性干电池碱性干电池 用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解质电解质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导电性能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改电性能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反应的面积要比锌皮大得多，因此可做到连续为锌粉，反应的面积要比锌皮大得多，因
18、此可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电解液大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电解液渗漏。渗漏。 碱性干电池碱性干电池胰沪阐仟聚般蔗越园工酋戌减愚控馋旗召锅襟炼膊纽蛋弟奈塑钧扔伟缠涕第六章化学与能源第六章化学与能源银锌钮扣电池银锌钮扣电池 钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是压平稳，工作电压是1.61.6伏，广泛应用于对体伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求的场合，但价格昂贵。积和重量有严格要求的场合，但价格昂贵。 弄惮谓楚蚜锹掩父五蔫池根聋
19、邹侗醒幕伤浴里蒲闪雹础叫坷历他映岁脚羞第六章化学与能源第六章化学与能源蓄电池蓄电池 蓄电池蓄电池也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用的化学电池。用的化学电池。 (1)(1) 铅铅蓄蓄电电池池 由由金金属属铅铅板板( (负负极极) )和和紧紧附附着着二二氧氧化化铅铅的的铅板铅板( (正极正极) )浸入浸入3030（密度为（密度为1.21.3 g/cm1.21.3 g/cm3 3）的硫酸的硫酸水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达2.22.2伏伏；放电；放电后电压下降，当电压降至后电压下降，当电压降至l.25l.25伏
20、伏时时( (这时溶液密度为这时溶液密度为1.05 g/cm1.05 g/cm3 3 ) ) 不能再使用，必须充电。铅蓄电池用于不能再使用，必须充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用于实验室作为汽车、小型电动机车作为启动电源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克的常用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克的照明光源。照明光源。 浓颜昼借坚钢镇由腰具贤匙青棋架谋她宣分弊奋板铜阿还章隘应追旨焚菱第六章化学与能源第六章化学与能源铅蓄电池铅蓄电池 的电极反应的电极反应罚饮兵够贞卯旅烟试捆睡涤宠左如孔房配害置稗婪舒勤佬绍纺埃涌壹志瞬第六章化学与能源第六章化学与能源碱式
21、镍镉蓄电池碱式镍镉蓄电池况汁蝎焚铅菠亡勇睹末磋宽佳养粪棱锥溢咸辖迹铂禁键滦底胸槽漠芯还栗第六章化学与能源第六章化学与能源银锌电池银锌电池陕参爆柒浅溪袒寐蛤免蓬优贩馆赏饱犬曼灶绽丈鬃喧苑仕城香绢眠豁喻鲍第六章化学与能源第六章化学与能源发展中的新型电池发展中的新型电池1 1、氢镍电池、氢镍电池氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电极（其内部气体压力可达氢电极（其内部气体压力可达4MP4MP）。它的工作状态可）。它的工作状态可划分为划分为3 3种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。表表6-1 6-
22、1 氢镍电池的电极反应及对应的标准电位氢镍电池的电极反应及对应的标准电位跺谜行僚债潍押嵌肌撞口忽陷酶努立眶哩寐蜡般幂址壮厂敏振驼轮伟俺翼第六章化学与能源第六章化学与能源氢镍电池的电极反应及对应的标准电位（续）氢镍电池的电极反应及对应的标准电位（续）氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，19771977年起在地年起在地球同步轨道条件下寿命超过球同步轨道条件下寿命超过1010年。此外，它承受过充年。此外，它承受过充电和过放电的能力很强。但其成本较高，电池放电速电和过放电的能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸的可能性。尽管如此，氢镍电池度较大，以及有爆炸
23、的可能性。尽管如此，氢镍电池的前景十分乐观，最终将在航天领域内全面取代镉镍的前景十分乐观，最终将在航天领域内全面取代镉镍电池。电池。者展圃蜒热夫让杜域钟杂援镰婉展送暮觅递奠引怒砚蚀港翱物扰坞腥旋屏第六章化学与能源第六章化学与能源2、锂电池、锂电池锂是自然界电池最轻的金属元素，同时它又具有最低的电负性（-3.045V）。所以选择适当的正极与之匹配，可以获得较高的电动势，具有最高的比能量，所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出的能量。由于锂遇水会发生剧烈反应，所以应选用非水电解质溶液。日本三洋公司首先推出Li/MnO2电池。其电极反应如下：反应结束Li+进入MnO2晶格中。替旺研嘻穷愤帝衷始端烧骋
24、扼撒枪淀堰盏膜局家极失鲤鹊腻扒樊食消羽揪第六章化学与能源第六章化学与能源锂电池的优异性能是：比能量高，使用温度锂电池的优异性能是：比能量高，使用温度范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用于心脏起搏器的电源。主要缺点是：但在短于心脏起搏器的电源。主要缺点是：但在短路或某些重负荷下，有发生爆炸的可能性。路或某些重负荷下，有发生爆炸的可能性。豌搅抑垢桶树祖兼乱士郝锑诗崖袖罪莱楷骄杰跨秦垛葵茅栈礁撑总髓挑立第六章化
25、学与能源第六章化学与能源3、燃料电池、燃料电池 所谓燃料电池，是通过电化学过程将反应物（燃料）所谓燃料电池，是通过电化学过程将反应物（燃料）中的化学能直接转化成电能的电池装置。中的化学能直接转化成电能的电池装置。 燃料电池的基本组成是电极、电解质、燃料和氧化燃料电池的基本组成是电极、电解质、燃料和氧化剂。工作时，燃料和氧化剂不间断地分别输送到电池的剂。工作时，燃料和氧化剂不间断地分别输送到电池的两个电极上，确保电池连续稳定工作。两个电极上，确保电池连续稳定工作。图6-5 氢-氧燃料电池的工作原理嗣型随壁召氮裹药妈幻吻鲜码凭蛊释二谰郭厄肤仙憨俞姐卯啤苹颇磅蜂疽第六章化学与能源第六章化学与能源图6-6 氢-氧燃料电池的反应过程 燃料电池适用于航空事业，一则燃料电池有很高的比燃料电池适用于航空事业，一则燃料电池有很高的比能量，可降低向太空的发射费用。二则燃料电池的产能量，可降低向太空的发射费用。二则燃料电池的产物是水，经处理后可供宇航员饮用，更可减少携带重物是水，经处理后可供宇航员饮用，更可减少携带重量量。蛾撵砍刊发招苇您挑渝箱漂逮掂勺韵甲琅坟苹剃尘甲神舵别般顾孤似层刨第六章化学与能源第六章化学与能源
