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第六章化学与能源本讲稿第一页，共二十六页 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(又又叫矿物燃料叫矿物燃料)，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，还还含有氢、氧、氮及硫、磷等含有氢、氧、氮及硫、磷等4848种元素。种元素。煤煤炭炭有有实实用用价价值值的的综综合合利利用用主主要要有有煤煤的的干干馏馏、气气化化和和液液化化。煤煤最主要的应用是直接作为燃料，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、合合成成纤纤维维、炸炸药药、染染料料、医医药等。药等。一、常规能源一、常规能源化石燃料化石燃料本讲稿第二页，共二十六页煤的气化：煤的气化：是把煤中的有机物转化为可燃件气体的过程。煤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，得到与有限的空气和水蒸气反应，得到种气态混合物，称之为种气态混合物，称之为半煤气：半煤气：如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这种气体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。煤与液态烃在化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约为约为1 18)8)。为使煤液化，需要加氢。为使煤液化，需要加氢。本讲稿第三页，共二十六页石油的形成：石油的形成：石油是由古代动、植物遗体在地壳石油是由古代动、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变化内部高温、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混合物。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石油所含的基本元素是碳和氢(达达97979898)，同，同时含少量硫、氧、氮等元素。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，如溶剂油、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。汽油、柴油、润滑油等。石油石油工业的粮食工业的粮食本讲稿第四页，共二十六页图6-1 原油加工示意图本讲稿第五页，共二十六页辛烷值辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛烷烷(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，爆震性极强的，爆震性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种烃的不正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，就可以得到该汽油的相对辛烷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，过去广泛使用的一种入法是值。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在汽油中添加少量抗震剂四乙基铅；现在为了提高汽油四乙基铅；现在为了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚 CHCH3 3O OC(CHC(CH3 3)3 3，又，又名名MTBEMTBE作为高辛烷值组分。目前，我国使用的作为高辛烷值组分。目前，我国使用的车用汽油标号车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如，例如9090号汽油表示该汽号汽油表示该汽油的辛烷值不低于油的辛烷值不低于9090。汽油和汽油的标号汽油和汽油的标号本讲稿第六页，共二十六页 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，它具有以下优点：原料来源丰富以下优点：原料来源丰富(水水)，取之不尽，用之不竭；，取之不尽，用之不竭；燃烧热值高，燃烧热值高，1 1千克千克H2H2燃烧可以放出近燃烧可以放出近1212万千焦热量，万千焦热量，相当于燃烧相当于燃烧3 3千克汽油千克汽油；无污染，不产生有毒有害气；无污染，不产生有毒有害气体。因此，氢能源是理想的新能源。体。因此，氢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备氢氢气气的问题，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气反应的蒸气反应的热化学法热化学法；阳光催化分解法；生物法阳光催化分解法；生物法等。等。二、理想的新能源二、理想的新能源氢能氢能本讲稿第七页，共二十六页 光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如钙和钙和联吡啶形成的配合物联吡啶形成的配合物。它吸收的阳光正好近似于水。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，分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和某些二氧化钛和某些含钙的化合物含钙的化合物也是较适用的催化剂。也是较适用的催化剂。有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要原理是：主要原理是：本讲稿第八页，共二十六页 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，使使人人类类找到了一种新的可再生的洁净能源。找到了一种新的可再生的洁净能源。本讲稿第九页，共二十六页 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。一种方法是高压高压下液化为液氢。下液化为液氢。但在常压下，氢气必须降温至但在常压下，氢气必须降温至-252-252度度才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有极好的绝热设备极好的绝热设备托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一种方法是严重火灾和爆炸事故。另一种方法是用某些金属或用某些金属或合金来储存氢。合金来储存氢。氢有一个奇持的性质，它会与某些氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属过渡金属(如钯等如钯等)或合金形成金属氢化物，如或合金形成金属氢化物，如1 1体积胶体积胶状佬状佬(Rh)(Rh)能吸收能吸收29002900体积氢气。当温度升高或体系氢体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢具有储压降低时，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。存量高、可逆、安全等优点。氢的储存方法氢的储存方法本讲稿第十页，共二十六页 研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解决能源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。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 本讲稿第十一页，共二十六页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，分分为为原原电电池池和和蓄电池蓄电池。原原电电池池 原原电电池池通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和隔隔膜膜等组成，它可表示为：负极等组成，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 原电池示意图本讲稿第十二页，共二十六页干电池干电池 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年英国化学家发明了年英国化学家发明了古典原电池。古典原电池。18651865年法国化学家勒克朗斯发明了第年法国化学家勒克朗斯发明了第个干电池，个干电池，现代的干电池不过是其改进。现代的干电池不过是其改进。本讲稿第十三页，共二十六页锌锰干电池结构图锌锰干电池结构图 本讲稿第十四页，共二十六页(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电解质用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解质，在这种，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；锌皮改为锌粉，反应的面积要比锌皮大得多，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，因此可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电因此可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电解液渗漏。解液渗漏。碱性干电池碱性干电池本讲稿第十五页，共二十六页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。银锌电池体积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，放电电压平稳，工作小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是电压是1.61.6伏，广泛应用于对体积和重量有严格要伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求的场合，但价格昂贵。求的场合，但价格昂贵。本讲稿第十六页，共二十六页蓄电池蓄电池 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用的也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用的化学电池。化学电池。(1)(1)铅蓄电池铅蓄电池 由金属铅板由金属铅板(负极负极)和紧附着二氧化铅的和紧附着二氧化铅的铅板铅板(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）的硫酸水溶液所组的硫酸水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达成。铅蓄电池充电后电压可达2.22.2伏伏；放电后电压下降，当电压；放电后电压下降，当电压降至降至l.25l.25伏伏时时(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，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克的照明光源。拖拉机、坦克的照明光源。本讲稿第十七页，共二十六页铅蓄电池铅蓄电池 的电极反应的电极反应本讲稿第十八页，共二十六页碱式镍镉蓄电池碱式镍镉蓄电池本讲稿第十九页，共二十六页银锌电池银锌电池本讲稿第二十页，共二十六页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，负极为氢电极（其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内部气体压力可达4MP4MP）。它的工作状态可划分为）。它的工作状态可划分为3 3种：正常工种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。作状态、过充电状态和过放电状态。表表6-1 6-1 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本讲稿第二十一页，共二十六页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年起在地球同步轨道年起在地球同步轨道条件下寿命超过条件下寿命超过1010年。此外，它承受过充电和过放电的能力很强。年。此外，它承受过充电和过放电的能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸的可能性。尽管但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸的可能性。尽管如此，氢镍电池的前景十分乐观，最终将在航天领域内全面取代如此，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电池。镉镍电池。本讲稿第二十二页，共二十六页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。本讲稿第二十三页，共二十六页锂电池的优异性能是：比能量高，使用温度范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。以固体电解质制成的锂围广，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，电压随放电时电池，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，特别适用于心脏起间下降缓慢，电池寿命长，特别适用于心脏起搏器的电源。主要缺点是：但在短路或某些重搏器的电源。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。负荷下，有发生爆炸的可能性。本讲稿第二十四页，共二十六页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）中的化学所谓燃料电池，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。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、燃料和氧化剂。工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两个电极上，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。确保电池连续稳定工作。图6-5 氢-氧燃料电池的工作原理本讲稿第二十五页，共二十六页图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能量，可降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。二则燃料电池的产物是水，经处理后可供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，更可减少携带重量宇航员饮用，更可减少携带重量。本讲稿第二十六页，共二十六页