大学化学第2章-能源化学

1、现代化学概论 General Modern Chemistry,第2章 能源化学,本章概要 2.1 能源的分类与能量的转化 2.1.1 能源的定义与分类；2.1.2 能量的形态与转换；2.1.3 我国的能源状况与危机 2.2 化石燃料：煤碳、石油与天然气 2.2.1 燃烧热的定义与常见燃料的热值；2.2.2 煤炭；2.2.3 石油与天然气 2.3 化学电源 2.3.1 化学电源的工作原理；2.3.2 电池符号与电极上的化学反应；2.3.3 几种常用的原电池；2.3.4 几种常用的可充电电池；2.3.5 燃料电池 2.4 核反应与核能源 2.4.1 原子核的组成；2.4.2 核的稳定性与衰变；2.4.3 原子核的结合能；2.4.4 核的裂变与聚变 2.5 可再生能源的利用 2.5.1 太阳能； 2.5.2 风能的利用； 2.5.3 氢能； 2.5.4 生物质能,2.1 能源的分类与能量的转化 2.1.1 能源的定义与分类 定义：可以从中获得能量的资源称为能源。 分类：,一次能源 存在于自然界中的、 可直接利用的能源,可再生能源 不随人类的利用 而显著减少的能源,非再生能源 随人类的利用

2、而减少的能源,太阳能 地热、火山 风能、潮汐能,电能、氢能 汽、煤、柴油 酒精、火炸药,二次能源 需依靠其它能源 制取的能源,化石燃料 (煤,石油,天然气) 核燃料,2.1.2 能量的形态与转换 2.1.2.1 能量的形态有7种 机械能；热能；化学能；电能；光能；核能；和生物能。 2.1.2.2 能量的单位 卡路里 (Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal） 焦耳 (Jole, J)；千焦 (kJ); 1Cal=4.184 J 2.1.2.3 能量转换及其效率 将一种能量转换为另一种形态的能量称为能量的转换。 能量转换与守恒定律：能量形态A=能量形态B+热能损耗。 热力学第一定律：U = Q - W 能量转换的效率：能量转换的效率较低，通常在15% 55%之间。不同形态能量之间的转换效率见表2.1.,表2.1 不同形态能量之间的转换效率,因此，开发、研制高效率的能量转换技术和设备也是十分有意义的工作。,2.1.3 我国的能源状况与危机 2.1.3.1 我国当前的非再生能源状况 油田：玉门油田；大庆油田、辽河油田、中原油田；胜利油田、江苏油田等的状况；目前60%依靠进口； 煤矿：

3、储量占世界第三，产量占世界第一； 天然气：正在开发利用中。 2.1.3.2 我国可再生能源的利用状况 太阳能（发电，热水）：低，但正逐步提高！ 风能（发电）、地热能、潮汐能，等：低！ 麦秸杆（发电，饲料，发酵）：低！ 2.1.3.3 美国、日本等国的储能计划,图2.2 已探明的世界石油储量与年产量之比R,2.2 化石燃料：煤碳、石油与天然气 2.2.1 燃烧热的定义与常见燃料的热值 2.2.1.1 燃烧热的定义 定义：标准状态下，单位质量的燃料完全燃烧后所释放出来的热量称为该物质的热值或燃烧热。记为cH，单位为kJ/mol或kJ/g。 标准状态：指定温度T 和标准大气压（用上标 表示） 单位质量(体积)：1g 物质、1 mol 物质或1 m3 气态物质。 完全燃烧：CCO2 (g); S SO2(g)；N N2(g)；H H2O(l)；Cl HCl(aq) 已知反应 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)，H=-483.6kJ 问H是H2(g)的燃烧热cH吗？为什么？,2.2.2 煤炭 2.2.2.1 煤的形成 煤是由古代植物经地壳变迁而积压地下，在高温高压的条件下经长期转化得到

4、的。其过程为： 植物残骸腐殖质泥煤褐煤烟煤无烟煤,2.2.1.2 常见燃料的燃烧热（表2.2） 表2.2 常见燃料的热值（kJ/g）,2.2.2.2 煤的分类 煤可根据其在燃烧过程中发烟与否分为烟煤和无烟煤。 2.2.2.3 煤化工 煤中含有S、N、O、Si、Ca、Mg等杂质，影响其使用。以煤为原料，在一定的条件下生产、加工而获得其它化工原料、产品的工业称为煤化工。,煤焦化 隔绝空气时加热,焦炉气（H2,CO,CO2,CH4,C2H4,NH3,苯,H2S等） 煤焦油（单环芳烃、稠环芳烃、沥青，等） 焦炭（用于冶金、电石，等）,煤气化 供氧不足时加热,水煤气（用做燃料，用于化肥工业，纯碱工业） 人造煤气（用做燃料）,煤的液化 人造石油，通过加热、裂解、催化加氢等步 骤，可得到多种烃类物质。,2.2.3 石油与天然气 2.2.3.1 石油与天然气的形成 石油与天然气是古代海洋中的生物由于地壳运动而沉积于地层中，在高温高压的条件下经长期作用而生成的产物。如图2.1 2.2.3.2 石油与天然气的组成,石 油,烃类,非烃类（硫化氢;硫醇;硫醚;噻酚,吡啶,吡咯类,等）,气态烃（石油气，C1C4

5、低沸点组分）,液态烃,固态烃（C36；凡士林，蜡，沥青，等）,汽油（C5C11正构烷烃，200馏分） 煤油和柴油（C11C20正构烷烃,200350馏分） 润滑油（C20C36正构烷烃，300500馏分）,天然气（natural gas）主要是甲烷（CH4）和低沸点挥发性组分的混合物。当其中甲烷的体积分数大于50%时便称为“干天然气”，否则称为“湿天然气”。,小知识:”可燃冰”现象 在一定的条件（如 0 ，26MPa）下， 水分子彼此间通过氢键形成一种笼状 结构，该物质可将中性分子或离子 (Cl2,CH4, Ar, Xe等)包于笼内而形成 水合物(分子晶体)。研究表明： 1 m3 可燃 冰能贮存164 m3标准状态下的CH4气体。,2.2.3.3 石油的加工 石油是多种化学物质的混合物。必须经过分离、加工后才能使用。加工过程分蒸馏、裂解和精炼三种。,蒸馏：利用混合物中各组分沸点间的差异将化合物进行分离的方法称为蒸馏。所用的设备称为蒸馏塔。 裂解：石油中轻油所占的比例大约只有1/41/3。为了得到更多用途更广的轻油，可在热、催化剂等的作用下将大分子的重油裂解为小分子的轻油或短链烃。 精炼

6、：蒸馏和裂解所得到的轻油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不饱和烃类，影响油品的性能。通过脱硫、加氢等过程可降低这些杂质的含量。（炼油厂一角） 小知识: 汽车燃油的标号与辛烷值 汽油在汽缸中正常燃烧时火焰传播速度为10-20m/s，在爆震燃烧时可达1500-2000m/s，后者条件下使气缸温度剧升，汽油燃烧不完全，机器强烈震动，从而使输出功率下降、机件受损、污染环境。,不同化学结构的烃类，具有不同的抗爆震能力。异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的抗爆性能较好，辛烷值设定为100;正庚烷的抗爆性差，辛烷值设定为0。 如某一汽油在引擎中所产生之爆震，正好与97%异辛烷及3%正庚烷之混合物的爆震程度相同，即称此汽油之辛烷值为97 。 2.3 化学电源(Batteries，Cells) 通过化学反应将化学能直接转变为电能的装置叫做化学电源。 2.3.1 化学电源的工作原理,2.3.2 电池符号与电极上的化学反应 对原电池（化学能转变为电能的装置，Galvanic cell)，规定: 写在左边的发生氧化作用，产生电子，为负极； 写在右边的发生还原作用，消耗电子，为正极； 不同材料之间的接触界面用

7、“,”或“”隔开;盐桥用“”表示； 离子要标明浓度，气体要标明压力，纯固体可以不加说明； 电池反应是两电极反应之和。 如上述铜-锌电池可表为：ZnZn2+(c1)Cu2+(c2)Cu 电池反应方程为： 负极： ZnZn2+(c1)+2e 正极： Cu2+(c2)+2e Cu 总反应方程为： Zn + Cu2+(c2) Zn2+(c1) + Cu,2.3.3 几种常用的原电池 2.3.3.1 传统锌-锰干电池 电池符号：Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C 负极反应: ZnZn2+(aq)+2e; 正极反应: 2NH4+2e 2NH3 + H2(g) 2MnO2+H2(g) 2MnO(OH) 总反应: Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH) + Zn(NH3)22+(aq),2.3.3.2 碱性锌-锰干电池 在传统锌-锰干电池的基础上进行了以下几点改进: 用碱性KOH糊状液代替中性NH4Cl糊状液，导电性更好； 用锌粉代替锌板，接触面积更大，反应速度更快更彻底。,电池符号： Zn | KOH(79mol/L) | MnO2,C(石墨) 负极反应：Zn(s) + 2O

8、H-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e 正极反应：MnO2(s)+2H2O(l)+2e Mn(OH)2(s)+2OH-(aq) 电池反应：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l) ZnO(s)+Mn(OH)2(s) 2.3.3.3 锌-汞电池 电池符号：Zn,Hg | KOH-ZnO(糊状) | HgO-Hg,C(石墨) 负极反应：Zn(Hg) +2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e 正极反应：HgO(s) + H2O(l) + 2e Hg(l) + 2OH-(aq) 电池反应：Zn(Hg) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l) 电池特点：反应更彻底，电量更大。但汞对环境有污染，已于1999年禁止生产。,2.3.3.4 银-锌纽扣电池 电池符号：Zn-ZnO | KOH(40%) | Ag2O-Ag 负极反应：Zn(s) + 2OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e 正极反应：Ag2O(s) + H2O(l) +2e 2Ag(s) + 2OH-(aq) 电池反应：Zn(s) + Ag2O(s) ZnO(s) + 2Ag(s) 电池

9、特点：价格较高，但比容量较大。,2.3.4 几种常用的可充电电池 2.3.4.1 铅酸蓄电池 电池符号：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2 电池反应:,2.3.4.2 镍-镉电池 电池符号: Cd | KOH (1.191.21g/cm3) | NiO(OH),C 电池反应:,2.3.4.3 锂离子电池 充电时,锂离子在外电 场的作用下进入层状石 墨,处于高能态;放电时 锂离子从高能态脱离出 来进入低能态(正极), 同时通过外回路放出多 余的电能。,2.3.5 燃料电池 原电池和蓄电池将有限量的化学物质储存在电池内部，故均不能连续、长时间工作，给许多实际使用带来不便。 燃料电池将化学物质储存在电池外部，故可随原料的不断输入而连续发电。,常用的燃料（还原剂） 有： 氢, 甲醇, 肼, 天然气, 等； 常用的氧化剂有： O2，Cl2，Br2，等； 常用的介质有： 酸溶液, 碱溶液, 盐溶液, 等。,电池符号：M1,H (g,p1) | KOH(35%) | O2(g,p2),M2 负极反应：H2+2OH- 2H2O + 2e 正极反应：O2+H2O+2e 2OH- 电池反应：H2+ O2 H2O,2.4 核反应与核能源 2.4.1 原子核的组成 原子核（nuclei）由质子（proton） 和中子（neutron）组成；质子和 中子统称为核子； 元素的化学性质由核外电子的构型和数目确定；原子核的性质由质子和中子的数目确定； Mp=Mn=1840Me; 原子序数=原子核中的质子数Z=原子的核外电子总数n; A(元素的质量数)= Z（质子数）+ N（中子数）; 质子数相同而中子数不同的元素处于元素周期表中的同一位置，称为同位素（Isotope），如氕，氘，氚; 核可表为,2.4.2 核的稳定性与衰变 2.4.2.1 稳定核的A:Z(或N:Z)关系 2.4.2.2 放射性同位素的衰变 衰变：质量数（A or N）较大的不稳定同位素通过释放 粒子（ ）来达到它的稳定核结构，如： 衰变：中子数较多的不稳定同位素可通过 衰变

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