x年九年级化学下册素材(粤教版)《浅谈氢能源》.doc
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1、9.3 浅谈氢能源一、来源广泛,可再生:除空气中含有的氢气外,它主要是以化合物的形态贮存于水中,在水分子中,氢的重量占11,而地球是“二山七水一分田”,水是大量存在的。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比世界上所有矿物燃料放出的热量还要大9000倍;另外还可以从煤气和天然气中得到,也可通过太阳能、生物细菌分解农作物秸秆和有机废水中得到。氢燃料可再生和重复利用,不存在枯竭问题,海洋、湖泊、江河就是我们的“氢矿”。二、热值高:除核燃料外,它的燃烧热值,在所有的矿物燃料、生物燃料、化工燃料中名居榜首,每千克高达28900千卡,是汽油热值的3倍;三、燃烧产物是水,无污染:品质最纯洁,
2、氢本身无色、无臭、无毒,十分纯净,它自身燃烧后只生成水,而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质,而且它燃烧后所生成的水,还可继续制氢,反复循环使用。氢能源的三大缺点一、不能大量廉价地制取氢气:氢气的制取都是从次性能源转化而来,目前制取氢气的方法主要有:煤、焦碳气化制氢,天然气或石油产品转化制氢,各种工业生产的尾气回收或焦化厂、氯碱厂副产氢以及水电解制氢等。作为化工原料的含氢气体基本采用化石燃料制取,而作为工业氢气、石化行业加氢用的氢气,基本采用前面提及的含氢气体或工业生产的含氢尾气利用变压吸附法(PSA)或膜法分离或水电解法制取,这些制取方法国内外均有
3、一定的成熟经验。但均需消耗很多能量,使制得的氢气价格较贵。二、运输、贮存不方便:氢气可燃,在运输、贮存中碰撞或遇到高温或氢气不慎泄漏都可能导致火灾爆炸等危险。三、在使用中存在安全隐患:点燃氢气前必须验纯,氢气燃烧迅速,使用过程中可能导致能源的浪费。氢能源的发展方向一、利用太阳能等能源来分解水制取氢气二、寻找高效催化剂在常温下能分解水制取氢气三、利用海中微生物来分解水制取氢气氢能的诸多优点,赢得了人们的青睐。一致认为,用氢能取代碳氢化合物能源,将是一个重要的发展趋势。这种新能源已开始逐步形成,通过太阳能制得的氢,将成为普遍使用的一种高级能源,二三十年后,氢,必将是众多领域的重要能源。 能源与环境
4、 人类的生活离不开能源。如果没有能源,人就得吃生米、生菜、生肉,这对原始人来说,可以,对现代人来说,那不可想像。要把饭菜烧熟,就得能源。照明需要能源,坐汽车、火车、轮船、飞机也需要能源,炼钢炼铁、开动机器都得有能源。 目前在人类能源当中挑大梁的能源是煤、石油、天然气这些化石燃料。化石燃料的大量使用,给环境带来十分广泛的影响。 化石燃料的开采要毁掉一些土地,有时不可避免地要占用一部分农田。化石燃料的运输也会带来环境问题,如海上石油运输,经常发生事故,泄漏的原油污染大片海域;就是不发生事故,压舱水的排放也常常在小范围内使海域受到污染。化石燃料的燃烧,对环境产生的影响最大。其中硫氧化物、氮氧化物等各
5、种有害气体污染空气,已经使人们难以忍受,因为化石燃料的燃烧总是要排放出非常多的二氧化碳,甚至达到改变空气成分的比例的程度,使地球的气温升高,这已经成了全世界格外关注、十分头疼的一个环境问题。 怎样才能减少因能源使用而带来的环境影响呢? 首先,要节约能源。减少全人类的能源消耗,才能减少二氧化碳的排放。这是从环境保护的角度说,节约能源势在必行。另一方面,能源本身也存在着危机。据勘察,地球上可供开采的石油有816亿吨,天然气495亿吨,煤10万亿吨。现在全世界每年的能源总消耗量大体上是95亿吨标准煤,其中主要的是石油、天然气和煤,分别占45%、19%、25%,此外,还有7%的水电,3%的核能。按照目
6、前的消费状况,石油将在三四十年内采完,煤炭虽多,也只能开采250年左右。以后,随着科技水平的提高,这些矿物能源的储量也可能提高,但是,不管怎么说,地壳运动给我们预备下的矿物燃料总是有数的,我们用一点就少一点,不悠着点儿用,恐怕是要被动的。 其次,要利用高科技,开发新能源。目前原子能发电已进入实用阶段,受控热核聚变的探索也在步步前进,有望加入人类能源的行列。 再次,要积极利用自然能。其中包括,直接利用太阳能,太阳能发电、风力发电、海浪,潮汐发电、水力发电等。这些能源的使用,基本上对环境没有污染,因此被人们称作清洁能源。还有,还必须治理矿物能源燃烧产生的污染物。 还有一点必须说明的是,要注意解决广
7、大农村的能源问题。全世界的广大农村,能源相当缺乏。全球大约有15亿农村人口用不上煤、石油、天然气这些矿物燃料,他们只能砍柴烧,或烧牛羊粪或烧作物秸秆。有的农民要花费很大精力去剥树皮、砍灌木、铲草根、拣牛粪。这样做的结果,毁掉了很多树木,破坏了绿色植被,对生态环境也是一种巨大的破坏。由于全世界每年要烧掉4亿吨以上的牛粪和秸秆,使越来越贫瘠的土壤丧失了很多有机物还田的机会。不解决这些农民的能源问题,他们的生存环境就会更加恶化,他们也难以摆脱贫困的境地。 当前,我国的经济持续发展,能源消耗直线上升,环境问题日趋严重,亟须制定中长期能源发战略,要在厉行节能的同时,采取多能互补政策,特别要注意开发利用新
8、能源,其中尤其是要大力开发利用可再生能源。 能源的分类能源种类繁多,而且经过人类不断的开发与研究,更多新型能源已经开始能够满足人类需求。根据不同的划分方式,能源也可分为不同的类型。主要有以下七种分法。 一、按来源分为3类:1、来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)。除直接辐射外,并为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外,水能、风能、波浪能、海流能等也都是
9、由太阳能转换来的。 2、地球本身蕴藏的能量。通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源,如原子核能、地热能等。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为地壳、地幔和地核三层,它是一个大热库。地壳就是地球表面的一层,一般厚度为几公里至70公里不等。地壳下面是地幔,它大部分是熔融状的岩浆,厚度为2900公里。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核,地核中心温度为2000度。可见,地球上的地热资源贮量也很大。 3、地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。 二、按能源的产生方式分类有一次能源和二次能源。前者即天然能源,指在自然界现成存在的能源,如煤炭、石油、天然气、水
10、能等。后者指由一次能源加工转换而成的能源产品,如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。一次能源又分为可再生能源(水能、风能及生物质能)和非再生能源(煤炭、石油、天然气、油页岩等),其中煤炭、石油和天然气三种能源是一次能源的核心,它们成为全球能源的基础;除此以外,太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内;二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源,例如:电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。 三、按能源性质分有燃料型能源(煤炭、石油、天然气、泥炭、木材)和非燃料型能源(水能、风能、地热能、海洋能)。人类利
11、用自己体力以外的能源是从用火开始的,最早的燃料是木材,以后用各种化石燃料,如煤炭、石油、天然气、泥炭等。现正研究利用太阳能、地热能、风能、潮汐能等新能源。当前化石燃料消耗量很大,而且地球上这些燃料的储量有限。未来铀和钍将提供世界所需的大部分能量。一旦控制核聚变的技术问题得到解决,人类实际上将获得无尽的能源。 四、根据能否造成污染分根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源,污染型能源包括煤炭、石油等,清洁型能源包括水力、电力、太阳能、风能以及核能等。 五、根据能源使用的类型又可分为常规能源和新型能源。 利用技术上成熟,使用比较普遍的能源叫做常规能源。包括一次能源中的可再生的水力
12、资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。 新近利用或正在着手开发的能源叫做新型能源。新型能源是相对于常规能源而言的,包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能、氢能以及用于核能发电的核燃料等能源。由于新能源的能量密度较小,或品位较低,或有间歇性,按已有的技术条件转换利用的经济性尚差,还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用;但新能源大多数是再生能源。资源丰富,分布广阔,是未来的主要能源之一。 六、按能源的形态特征或转换与应用的层次对它进行分类。世界能源委员会推荐的能源类型分为:固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中,前三个类型统称化石
13、燃料或化石能源。已被人类认识的上述能源,在一定条件下可以转换为人们所需的某种形式的能量。比如薪柴和煤炭,把它们加热到一定温度,它们能和空气中的氧气化合并放出大量的热能。我们可以用热来取暖、做饭或制冷,也可以用热来产生蒸汽,用蒸汽推动汽轮机,使热能变成机械能;也可以用汽轮机带动发电机,使机械能变成电能;如果把电送到工厂、企业、机关、农牧林区和住户,它又可以转换成机械能、光能或热能。 七、商品能源和非商品能源凡进入能源市场作为商品销售的如煤、石油、天然气和电等均为商品能源。国际上的统计数字均限于商品能源。非商品能源主要指薪柴和农作物残余(秸秆等)。1975年,世界上的非商品能源约为太瓦年,相当于6
14、亿吨标准煤。据估计,中国1979年的非商品能源约合亿吨标准煤。 再生能源和非再生能源人们对一次能源又进一步加以分类。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源,反之称为非再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源;煤、石油和天然气等是非再生能源。地热能基本上是非再生能源,但从地球内部巨大的蕴藏量来看,又具有再生的性质。核能的新发展将使核燃料循环而具有增殖的性质。核聚变的能比核裂变的能可高出 510倍,核聚变最合适的燃料重氢(氘)又大量地存在于海水中,可谓“取之不尽,用之不竭”。核能是未来能源系统的支柱之一。 锂离子电池人们现在生活中常用到的锂离子电池
15、,其正极活性材料通常是LiCoO2、LiMn2O4等含锂化合物,负极活性材料是特殊结构的碳材料或SnO等金属氧化物。充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释放出锂离子,嵌入到在呈片层结构排列的负极材料中。放电时,锂离子则从负极析出,重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。锂离子电池因体积小、储电能量大、放电电压平稳、循环寿命长且污染少等优点,已广泛应用于移动 、手提电脑、摄像机、照相机等小型电器中,目前开发的大容量锂离子电池也已在电动汽车中开始试用。锂电池分为一次电池和二次电池两类,目前在照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池,而在摄像机、数码相机、 及笔记本电
16、脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池,即锂离子电池。与前者相比,锂离子电池的需求量逐年大幅度增长。与其他蓄电池相比,锂离子电池的优点在于开路电压高(市售电池多为镍氢和镍镉二次电池的开路电压为1.2V)、比容量大(是镍镉二次电池的倍,是镍氢二次电池的倍)、自放电率低(8%/月,远低于镍镉电池的30%和镍氢电池的40%)、寿命长(通常都可以达到千次以上)。没有记忆效应也是锂离子电池深受人们欢迎的突出优点,是其它二次电池所不具备的,人们在锂离子电池充电前不必顾及其中的电量是否已被用完。 保 健 与 化 学健康长寿是人类的共同愿望。许多资料表明,危害人类健康的疾病都与体内某些元素的平衡
17、失调有关。因此,了解生命元素的功能,并正确理解饮食、营养与健康的关系,树立平衡营养观念,对于预防疾病、增强体质、保持健康具有重要意义。人体内的化学元素概述一、人体中化学元素的分类存在于人体内的元素大致可分为必需元素(按其体内的含量不同,又可分为常量元素和微量元素)、非必需元素和有毒(有害)元素三种。人体内大约含30多种元素,其中有11种为常量元素,如碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钙、镁、钠等,约占99.95,其余0.05为微量元素或超微量元素。必需元素主要指以下四类:(1)生命过程的某一环节需要该元素的参与,即元素存在于所有健康的组织中;(2)生物体具有主动摄入并调节其体内分布和水平的元素;(3
18、)存在于体内的生物活性化合物的有关元素;(4)缺乏该元素时会引起生化生理变化,当补充后又能恢复的元素。哪些是构成人体的必需元素呢?19世纪初,化学家开始分析有机化合物,清楚地认识到活组织主要由碳、氢、氧和氮4种元素组成。仅这4种元素就约占人体体重的96。此外,体内还有少量磷。将人体内这5种元素的化合物挥发后就会留下一些白灰,大部分是骨骼的残留物,这些灰乃是无机盐的集合,在灰里可找到普通的食盐(NaCl)。食盐不单是增进食物味道的调味品,而且是人体组织中的一种基本成分。食草动物有时为了弥补食物中所缺的盐竟要舔吃盐渍地。有2030种普遍存在于组织中的元素,它们的浓度是变化的,而它们的生物效应和作用
19、还未被人们所认识,所以称它们为非必需元素。另外一些是能显著毒害机体的元素。如血液中非常低浓度的铅、镉或汞,对人体有害,就称为有毒或有害元素。二、人体内化学元素的功能人类在漫长的进化中,逐渐形成一套摄入、排泄和适应这些元素的保护机制,即人体内的元素,维持平衡状态是经过人类长期进化形成的。许多元素是否是必需还是有害,和摄入量(即在体内的浓度)有关。每一种必需元素在体内都有其合适的浓度范围,超过或不足都不利于人体健康。例如,人们对碘的最小量为0.1毫克/天,耐受量为1000毫克/天,当大于10000毫克/天时就会中毒。若人体自身用以维持稳定状态的调节机制出现障碍,便会发生疾病。有时元素的过量可能比缺
20、乏更令人担忧,因为某个元素的缺乏易于补充,而过量往往难以排除,或排除过程中会产生副作用。另外,在生物体内还存在协同作用或拮抗作用,即一种元素促进或抑制另一种元素的生物学作用的现象。例如,铜可以促进、锌可以抑制镉的毒性和吸收。在人体中,除碳、氢、氧、硫和氮参与各种有机化合物外,其他生物元素各具有一定的化学形态和功能,这些形态包括它们的游离水合离子、与生物大分子或小分子配体的配合物,以及构成硬组织的难溶化合物等。这些元素在人体内所起到的生理和生化作用,主要有以下几个方面:(1)结构材料。无机元素中钙、磷构成硬组织,碳、氢、氧、氮、硫构成有机大分子结构材料,如多糖、蛋白质等。(2)载体作用。人对某些
21、元素和物质的吸收、输送以及它们在体内的传递等物质和能量的代谢过程往往不是简单的扩散或渗透过程,而需要载体。金属离子或它们所形成的一些配合物在这个过程中担负重要作用。如含有Fe2+的血红蛋白对O2和CO2的运载作用等。(3)激活作用。人体内约有1/4的酶的活性与金属离子有关。有的金属离子参与酶的固定组成,称为金属酶。有一些酶必需有金属离子存在时才能被激活以发挥它的催化功能,这些酶称为金属激活酶,金属离子充当了酶的激活剂。(4)调节作用。体液主要是由水和溶解于其中的电解质所组成。生物体内大部分生理、生化活动是在体液中进行的,因此需要维持体液中水、电解质平衡和酸碱平衡等。存在于体液中的Na+、K+、
22、Cl-等离子在调节体液的物理、化学特性方面发挥了重要作用。(5)信使作用。生物体需要不断地协调机体内各种生物过程,这就要有各种传递信息的系统。细胞间的沟通即信号的传递需要接受器。化学信号的接受器是蛋白质。Ca2+作为细胞中功能最多的信使,它的主要受体是一种由很多氨基酸组成的单肽链蛋白质,称钙媒介蛋白质(分子量为16700)。氨基酸中的羧基可与Ca2+结合。钙媒介蛋白质与Ca2+结合而被激活,活化后的蛋白质可调节多种酶的活力。因此Ca2+能激活多种酶起到传递生命信息的作用。钙既具有信使作用,还是骨骼和牙齿的主要成分,能调控人体正常肌肉收缩和心肌收缩。如果血液中Ca2+过多,就会造成神经传导和肌肉
23、反应的减弱,使人对任何刺激都无反应;如果血液中Ca2+太少,又会造成神经和肌肉的超常激活,即便微小的刺激,比如一个响声、咳嗽,就会使人陷入痉挛性抽搐。磷也是骨骼和牙齿的一种重要元素。体内90的磷是以磷酸根(PO43-)的形式存在的。如牙釉质中的主要成分是羟基磷灰石Ca20(OH)2(PO4)6和少量的氟磷灰石Ca20F2(PO4)6、氯磷灰石Ca10Cl2(PO4)6等。磷酸可以和有机化合物中的羟基形成磷酸脂。如ATP就是三磷酸腺苷。磷的化学控制着核糖、核酸以及氨基酸、蛋白质的化学规律,从而控制着生命的化学进化。K+、Na+和Cl- 在体内的作用是错综复杂而又相互关联的。K+和Na+ 常以KC
24、l和NaCl形式存在。K+、Na+和Cl- 的首要作用是控制细胞、组织液和血液内的离子浓度、渗透压和电解质平衡。这种平衡对保持体液的正常流通和调节、维持体内的酸碱平衡都是必要的。K+和Na+(与Ca2+和Mg2+一起)有助于使神经和肌肉保持正常应激水平。KCl和NaCl的作用还在于能使蛋白质大分子保持在溶液之中,并调节血液的粘性或稠度处于适当状态。消化食物的胃酸和其他胃液、胰液及胆汁内某些助消化化合物的形成,都有血液里的钠盐和钾盐的参与。另外,视网膜对光脉冲反应的生理过程,也依赖于K+、Na+和Cl- 有适当的浓度。微量元素与人体健康关系极大、情况复杂。它们的浓度、价态、摄入肌体的途径等对人体
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