大学化学第04章-能源化学基础.ppt

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1、2021/1/8,1,现代大学化学ModernCollegeChemistry 第4章 能源化学基础 Chapter 4 Energy 1Cal=4.184 J,2021/1/8,6,4.1.2.3 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4.1.,2021/1/8,7,表4.1 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。,2021/

2、1/8,8,4.1.3 我国的能源状况与危机 4.1.3.1 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：储量占世界第三，产量占世界第一； 天然气：正在开发利用中。,2021/1/8,9,4.1.3.2 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！ 4.1.3.3 美国、日本等国的储能计划,2021/1/8,10,图5.2 已探明的世界石油储量与年产量之比R,4.2,2021/1/8,11,4.2 化石燃料：煤碳、石

3、油与天然气 4.2.1 燃烧热的定义与常见燃料的热值 4.2.1.1 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）,2021/1/8,12,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？,2021/1/8,

4、13,4.2.1.2 常见燃料的燃烧热 表4.2 常见燃料的热值（kJ/g）,2021/1/8,14,4.2.2 煤炭 4.2.2.1 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的。其过程为： 植物残骸腐殖质泥煤褐煤烟煤无烟煤 4.2.2.2 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。,2021/1/8,15,4.2.2.3 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。,2021/1/8,16,4.2.3 石油与天然气 4.2.3.1 石油与

5、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4.1 4.2.3.2 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）,2021/1/8,17,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

6、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。,2021/1/8,18,4.2.3.3 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。,2021/1/8,19,蒸馏塔示意图,2021

7、/1/8,20,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：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）,2021/1/8,21,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。,2021/1/8,22,不同化学

8、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 。,2021/1/8,23,4.3 化学电源(Batteries，Cells),电化学：研究电能与化学能之间相互转化规律以及转化过程中有关现象的科学 研究化学现象与电现象之间关系的学科,电化学过程借助一定的装置（原电池、电解池）完成化学反应，将电能转化为化学能，或者将化学能转化为电能,2021/1/8,24,在原电池中发生自发反应，可以对外做电

9、功，是 化学能转变为电能的过程 在电解池中对非自发反应施加电功，使其得以发生，是电能转变为化学能的过程,原电池（电池）：通过化学反应将化学能转变为电能的装置，亦称为化学电源。,2021/1/8,25,4.3.1.1 单液电池,4.3.1 常见电池的类型,2021/1/8,26,4.3.1.2 双液电池,用素烧瓷分开,2021/1/8,27,用盐桥分开：使得溶液中电荷达到平衡,2021/1/8,28,化学反应转变成可产生电能的电池的条件：,化学反应为氧化还原反应，或含氧化还原过程 适当的装置，使化学反应通过在电极上的反应来完成 两个电极，以及与电极建立电化学平衡的相应电解质 组成完整电路所需的其

10、他附属设备,2021/1/8,29,4.3.2 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, 氧化数升高, 产生电子, 为负极； 写在右边的发生还原作用, 氧化数降低, 消耗电子, 为正极； 不同材料之间的接触界面用“,”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。,2021/1/8,30,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

11、程为： Zn + Cu2+(c2) Zn2+(c1) + Cu,2021/1/8,31,4.3.3 化学电源分类,4.3.3.1 一次电池,电池中的反应物质进行一次电化学反应放电之后，就不能再次利用，如干电池、纽扣电池,2021/1/8,32,A. 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),2021/1/8,33,B. 碱性锌-锰

12、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) + 2OH-(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),2021/1/8,34,C. 锌-汞电池 电池符号：Zn,Hg | KOH-ZnO(糊状) | H

13、gO-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。,2021/1/8,35,D. 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) +

14、 2OH-(aq) 电池反应：Zn(s) + Ag2O(s) ZnO(s) + 2Ag(s) 电池特点：价格较高，但比容量较大。,2021/1/8,36,4.3.3.2 蓄电池（二次电池；可充电电池） 放电后可充电，使活性物质基本复原，可重复、多次利用。如铅蓄电池、锂离子电池等 A. 铅酸蓄电池 电池符号：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2 电池反应:,2021/1/8,37,B. 镍-镉电池 电池符号: Cd | KOH (1.191.21g/cm3) | NiO(OH),C 电池反应:,2021/1/8,38,C. 锂离子电池（摇椅电池） 充电时, (正)锂离子在外电场的作

15、用下进入层状石墨(负),处于高能态;放电时锂离子从高能态(负)脱离出来进入低能态(正),同时通过外回路放出多余的电能。 锂离子处于从正极负极正极的运动状态 。,2021/1/8,39,Li离子电池的优点：,1. 通讯，如手机,Li离子电池的用途：,1. 重量轻（从金属壳到塑料壳），能量密度大,2. 优良、安全，有防暴阀，环境污染较小,3. 比能量高，循环寿命长,4. 电压较高（3.6V），成本相对较低,2. 电子器件，电脑等,3. 人造器官用电，如心脏起搏器等,2021/1/8,40,4.3.3.3 燃料电池（连续电池） 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

16、，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。,2021/1/8,41,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,2021/1/8,42,燃料电池的优点,1、高效,化学能,热能,机械能,化学能,电能,机械能, 30%, 80%,2

17、、环境友好,不排放有毒的酸性氧化物，CO2比热电厂少40%，,3、重量轻，比能量高,用于航天，汽车工业，应急电源等 21世纪首选的清洁能源,产物水可利用，无噪音,4、稳定性好，可连续工作，可积木式组装，可移动,2021/1/8,43,氢氧燃料电池的难点,氢气的储存,液氢要求高压、低温，有危险性,钢瓶储氢，可使用氢气只占钢瓶质量的1%，也有危险性,研制储氢金属和其他储氢材料,研制用太阳能制备氢气,在298K，200atm下碳纳米管吸附氢（红色）的模拟图象,2021/1/8,44,4.4 核反应与核能源 4.4.1 原子核的组成 原子核（nuclei）由质子（proton） 和中子（neutron

18、）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； 原子序数=原子核中的质子数Z=原子的核外电子总数n;,2021/1/8,45,质子的静止质量为mp=1.00728u；中子的静止质量为mn=1.00867u; 电子的静止质量为me=0.00055u Mp=Mn=1840Me; A(元素的质量数)= Z (质子数) + N(中子数 ) (忽略电子的质量) 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,2021/1/8,46,稳定核,放射性核（不稳定核）,放射性,裂变,

19、放射性,放射性,+，-缓发裂变,质子放射性,重离子放射性,缓发质子,缓发中子,4.4.2 核的稳定性与衰变,2021/1/8,47,4.4.2.1 稳定核的A:Z(或N:Z)关系,图4.2 稳定核的A:P (或N:P)关系,(质子数),(质量数),由图可见，所有稳定核素的质量数与质子数之间存在良好的相关性，称对应区域为核的稳定区。不稳定的核一般不在这个区域，它们可以通过衰变来改变A/Z比值，从而回到稳定区域成为稳定核素。如，A,B点。,(2:1),A: 中子变质子 (负电子发射),B: 质子变中子 (正电子发射),2021/1/8,48,4.4.2.2 放射性同位素的衰变 目前已知的两千七百多

20、种核素中，绝大多数是不稳定的。不稳定的核素要自发地变化，转变为另一种核素，同时还要释放出一定的粒子流，这种性质称为放射性衰变。 核素在衰变过程中释放出来的粒子流，称为射线。 具有放射性的同位素，称为放射性同位素。,2021/1/8,49,放射性衰变的种类主要有以下几种： 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（释放负电子、正电子）或中子发射而达到其稳定核构型。如,2021/1/8,50,衰变：处于激发态的原子核可以通过射线（高能电 磁辐射）释放多余的能量，跃迁到低激发态或基态， 以求达到其稳定核

21、构型。 基态(ground state)：原子核可处于不同的能量状态，正常情况下处于最低的状态。 激发态(excited state)：原子核在某些核反应、核裂变及放射性衰变后仍处于高能状态。,2021/1/8,51,小知识: 放射性衰变纪年法考古学时钟 由太阳射线产生的中子流与大气中的14N碰撞引发核反应 生成14C（方程A），而14C是不稳定的放射性核素，会发 生衰变而回到14N（方程B）： 大气中12C、14C的浓度都是基本恒定的，因而大气中（因而各种活的生命体中）12C/14C的比值也是恒定的。 放射性同位素的衰变的动力学方程为ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰变掉一半所需的时间）t

22、=ln2/k1，与初始浓度c0无关。 不同放射性同位素的半衰期为,2021/1/8,52,例4.1 考古人员从徐州某古墓中找到一块棺木，经同位 素检测发现该木块中14C/12C之比是现代树木中14C/12C之 比的78%。问该古墓应属于哪个朝代？已知14C的半衰期 t= 5730年。 解：(14C/12C)古/(14C/12C)现=14C古/14C现=0.78 k1=ln2/t=ln2/5730=1.2110-4a-1 由ln(N0/N)=k1t 得 t=(1/k1)ln(N0/N)=(1/k1)ln(1/0.78)=2053年 答：该古墓可能属于汉代早期。,2021/1/8,53,4.4.3

23、 原子核的结合能 4.4.3.1 核子质量与核反应中的质量亏损 原子质量单位（碳单位）：国际标准化组织规定，以12C的原子质量的1/12作为原子质量的单位，记为amu或u。 质子的静止质量为mp=1.00728u；中子的静止质量为mn=1.00867u; 电子的静止质量为me=0.00055u。 4He的摩尔质量为4.00150g/mol；组成核子的原始质量为 21.00728u+21.00867u=4.03190u；质量亏损m=-0.0304u。说明在反应过程中有部分质量损失了。,2021/1/8,54,4.4.3.2 原子核的结合能Eb 根据Einstein质能关系式E= m C2，相应的

24、质量亏损通过能量的形式释放出来（核的能量降低了），称为原子核的结合能（Binding Energy), 记为Eb。 Eb越大，核子之间的结合就越牢固，原子核就越稳定。 对于比较不同原子核的稳定性，我们引入核子的平均结合能Eb,平均， Eb,平均= Eb/A (质量数)。 核子的平均结合能越大Eb,平均，原子核就越稳定。,2021/1/8,55,例4.2 已知12753I的摩尔质量是126.9004g/mol，计算核 子的平均结合能Eb,平均。 解：原子（12753I ）的质量是126.9004 amu 原子中核子的静止质量是53mp+(127-53)mn =128.0274 amu 质量亏损为

25、m=126.9004-128.0274=-1.12702 amu 核结合能为Eb= mC2=-(1.12702/6.0231026)(3108)2 =1.68410-10J 核子平均结合能Eb,平均=1.68410-10J/127=1.32610-12J,2021/1/8,56,图4.3Eb,平均随A的变化,由图可见，较轻的核和较重的核的核子平均结合能较小，稳定性较差，而中等质量的核的核子平均结合能较大，Fe 的Eb,平均最大，所以最稳定。A56, 大核变小核，更稳定(裂变) .,各原子核的核子平均结合能随质量数A的变化如图4.3。,裂变,聚变,2021/1/8,57,4.4.4 核的裂变与聚

26、变 4.4.4.1 核的裂变（fission） 重核受到激发分裂为几个中等质量原子核的现象 称为原子核裂变。重核裂变可以释放大量能量，为人 类提供一种新的能源。普通的核武器和核电站都依赖 于裂变过程产生的能量。,核裂变产物大多具有放射性。,2021/1/8,58,当一个重核 受到慢中子轰击，分裂成两个中等原子量的核，并放出一个到三个中子，这种中子称为再生中子，同时还释放大量的能量。如果分裂时放出的再生中子又能引起另外的 核分裂，可使反应继续下去，并不断释放大量原子核能，这种反应称为链式反应。,2021/1/8,59,4.4.4.2 原子弹与反应堆 核武器是利用核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆

27、 炸作用并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。 原子弹是主要利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式 反应原理之称的武器。,2021/1/8,60,核反应堆,通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数, 以形成所谓的自持链反应(self-sustaining chain reaction)。,2021/1/8,61,4.4.4.3 核的聚变(Fusion)-氢弹 由图4.3可见：核聚变所释放的能量大于核裂变所释放的能量；核聚变能比核裂变能威力大的多,它是一种最理想的清洁能源，是开发核能的主攻方向。 氢弹是主要利用重氢（氘）或超重氢（氚）等轻原子核的热核反应

28、原理制成的热核武器或聚变武器。,氢弹是利用内部一个小型铀原子弹爆炸产生的高温引爆的。,核聚变产物不是放射性的。,2021/1/8,62,核聚变所需的温度较高（T50,000,000）； 目前太阳上正在进行的是氢聚变成氦的反应，氢消耗到一定程度后进行H+He Li；He+HeC；等的反应，聚变所需要的温度也越来越高。如果星球质量（进而吸引力和压力）足够大，温度就足够高，最终会引发生成Fe的聚变，反应终止。星球变为白矮星（所在的位置称为黑洞）。白矮星特点：体积小、亮度低，但质量大、密度极高。,2021/1/8,63,4.5 可再生能源的利用 不随人类的利用而明显减少的能源称为可再生能源。常见的可再

29、生能源有太阳能，风能，水力能，潮汐能和地热能等。 4.5.1 太阳能 太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于106107吨标准煤的能量，相当于全世界能耗的1万倍，是真正的绿色能源。目前人类所使用的矿物燃料均来源于太阳亿万年来的奉献。 太阳能的利用包括太阳能电池、太阳炉等许多方面。 光热转换、光电转换和光化学转换等,2021/1/8,64,4.5.2 风能的利用,风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。 利用风力机可将风能转换成电能、机械能和热能等。风能利用的主要形式有风力发电、风力提水、风力致热以及风帆助航等。,2021/1/8,65,4.5.3

30、 氢能 4.5.3.1 氢能的特点 氢的燃烧热为143kJ/g,是汽油的3.25倍,是标准煤的4.77倍。是自然界中热值最高的燃料。 氢的燃烧产物为H2O，无废气、无烟尘，是自然界中最清洁的燃料。 自然界中含有大量的水（H2O），氢是自然界中含量最丰富的物质之一，是自然界中含量最高的潜在能源。 氢的燃烧对温度、压力的依赖性小，可用于更加恶劣（如极地低温）的工作环境。,2021/1/8,66,4.5.3.2 氢的制备 大气中几乎不含游离的氢，需通过一定的制备方法方能得到，因此，氢为二次能源。 目前人们提出的制氢方法有： 电解水法：2H2O(l)2H2(g)+O2(g) 高温(2000)热裂法：

31、2H2O(l)2H2(g)+O2(g) 催化热解法。,2021/1/8,67,4.5.3.3 氢的贮存 在室温下，在40L、150atm的钢瓶里只能贮存约0.5kg的氢。 储氢合金：能储存氢的金属和合金。 储氢量大、能耗低、工作压力低、使用方便，具有良好的应用前景。,2021/1/8,68,4.5.4 生物质能 绿色植物在叶绿素的作用下，将太阳能转化为化学能而储存在植物的根、茎、叶中。植物的根、茎、叶中储存的能量称为生物质能。 生物质能是可再生能源。 生物质能潜力大、种类多、来源广。有木材和森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、可燃生活垃圾，等。,2021/1/8,69,生物质能的应用方法有

32、直接燃烧法：如焚烧麦秸杆（取暖、做饭、发电）； 深加工法：将生物质材料压制成成型燃料，提高使用的便利性和燃烧效率； 热化学转换法：在高温绝氧的条件下，获得木炭、焦油和燃气； 生化转换法：如通过发酵生成沼气、酒精等。,2021/1/8,70,4.5.5 地热能,地热资源：是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。 地热资源，按赋存形式可分为水热型(又分为干蒸汽型、湿蒸汽型和热水型)、地压型、干热岩型和岩浆型4大类； 按温度高低可分为高温型(150)、中温型(90149)和低温型(89)。 地热能的利用方式主要有地热发

33、电和地热直接利用两大类。,2021/1/8,71,4.5.6 海洋能 海洋能：是指蕴藏在海洋中的可再生能源，它包括潮汐能、波浪能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同的能源形态。 海洋能按储存的能量形式，可分为机械能、热能和化学能。,2021/1/8,72,End of Chapter 4,2021/1/8,73,图4.1 石油、天然气在地层中的分布,海洋生物经过漫长的地质年代，与淤泥混合，首先形成腊状的生油岩，再退化成液态和气态的碳氢化合物。由于这些碳氢化合物比附近的岩石轻，它们又渗透到附近的有缝隙岩层中，直到渗透到上面紧密无法渗透的、本身则多空隙的岩层中。这样聚集到一起的石油形成油田。,2021/1/8,74,分馏装置示意图,2021/1/8,75,精馏塔的结构与外形,2021/1/8,76,炼油厂一角,