大学化学——能源化学.ppt
能源消费水平的高低，是衡量一个国能源消费水平的高低，是衡量一个国家在一定时期内经济技术发展水平的重要家在一定时期内经济技术发展水平的重要标志。标志。第第 二二 章章 能能 源源2.1 能源概述能源概述2.2 常规能源常规能源2.3 新新 能能 源源2.4 化学电池化学电池2.1 能能 源源 概概 述述 能源是指能够转换成热能、光能、电磁能、能源是指能够转换成热能、光能、电磁能、机械能、化学能等各种能量形式的资源。机械能、化学能等各种能量形式的资源。 能源的形式有多种，如燃料、核能、太阳能、能源的形式有多种，如燃料、核能、太阳能、水力、地热、风能、潮汐能等等。水力、地热、风能、潮汐能等等。 能源的分类很多能源的分类很多: : 一次能源；一次能源；煤炭,石油,天然气 二次能源二次能源: : 汽油,煤油, 风 能新疆羊八井地热2.2 常常 规规 能能 源源2.2.1 煤炭煤炭 1. 煤的发热量：单位质量的煤完全燃烧所能使放煤的发热量：单位质量的煤完全燃烧所能使放 出的最大热量。出的最大热量。 衡量燃料作为能源的一个指标。衡量燃料作为能源的一个指标。 通常煤完全燃烧所能放出的发热量为通常煤完全燃烧所能放出的发热量为30 kJg-1缺点缺点: :a.a.固体燃料，燃烧速率慢，利用效率低，运输不变。固体燃料，燃烧速率慢，利用效率低，运输不变。b.b.燃烧时产生有毒气体燃烧时产生有毒气体(SO2， SO3，CO)，污染大气。污染大气。 褐煤是质地最差、发热量最低的一类煤，但它可以提炼成焦炭、煤焦油和焦炉气却是极好的化工原料。塑料和染料就是的褐煤“作品”。2.2. 煤的气化煤的气化：水煤气C(s) + H2O (g) = CO (g) + H2 (g) ； Hm ( 298.15K ) = 131.3kJ.mol-1人工合成天然气人工合成天然气 CO (g) + H2 (g) = CH4 (g) + H2O (l) Hm (298.15K) = - 250.2kJ.mol-1 在在101.325Pa ，200oC，催化剂存在下：，催化剂存在下： 6CO + 13H2 = C6H14 + 6H2O 8CO + 17H2 = C8H18 + 8H2O 8CO + 4H2 = C4H8 + 4CO23.3.煤的液化：通过化学反应改变煤炭中的碳氢比例，煤的液化：通过化学反应改变煤炭中的碳氢比例， 使煤变成较轻的液态碳氢化合物。使煤变成较轻的液态碳氢化合物。2.2.2 石油和天然气石油和天然气1.石油石油：多种碳氢化合物的混合物。既是优良 的燃料也是重要的化工原料。 十六烷十六烷辛烷辛烷 辛烯辛烯原油 脱水脱盐 分馏 精制汽油中最有代表性的是辛烷C8H18 催化裂解：催化裂解： C16H34 C8H18 + C8H16分流塔示意分流塔示意图图石油钻井平台2.天然气：一种低分子量烃类混合物。 优制的气体燃料也是重要的化工原料。 主要成分是甲烷。甲烷。 CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (l) Hm (298.15K) = - 890 kJ.mol-1 2.3 新新 能能 源源2.3.1 核核 能能 核能是原子核结构发生变化时放出的能量，核能是一种优质能源，能量密度大，便于存储和运输。核能分为核裂变能与核聚变能。 E = m c2E：表示系统能量改变量；表示系统能量改变量； m：表示系统质量改变量；表示系统质量改变量；c：表示光速：表示光速( 3 10 8 m s-1 )。爱因斯坦公式爱因斯坦公式1. 核裂变能核裂变能 _ _ 在中子在中子(10n)轰击下使较重的原子轰击下使较重的原子核分裂成较轻的原子核的反应所放出的能量。核裂核分裂成较轻的原子核的反应所放出的能量。核裂变反应是目前所有运转的核电站的基础。变反应是目前所有运转的核电站的基础。n2SrXeUnU10953813954236921023592 裂变产物非常复杂，已知至少有裂变产物非常复杂，已知至少有35种元素（从种元素（从 30Zn 到到 64Gd ）。1g U-235 放出的能量为放出的能量为 8 107 kJ核裂变产物大多具有放射性。核裂变产物大多具有放射性。中子诱发裂变形成链式反应中子诱发裂变形成链式反应核电站工作原理示意图核电站工作原理示意图原子弹构造示意图原子弹构造示意图2. 2. 核聚变能核聚变能 _ _ 轻原子核在异常高的温度下轻原子核在异常高的温度下（约（约10 8 C）聚合成较重原子核时，放出的巨大）聚合成较重原子核时，放出的巨大能量。能量。 核聚变能比核裂变能威力大的多核聚变能比核裂变能威力大的多, ,它是一种它是一种最理想的清洁能源，是开发核能的主攻方向。最理想的清洁能源，是开发核能的主攻方向。nHeHH10423121 9.3.2 太太 阳阳 能能 太阳能的利用：1. 光光_热转换热转换：通过聚光器或集热器将太阳辐射能直接转换成热能。2. 光光_电转换电转换：利用太阳能光电池的半导体效应将太阳辐射能直接转换为直流电。3. 光光_化学转换化学转换：利用太阳光能将CO2和H2O转换成碳水化合物和O2。核聚变能核聚变能e2HeH4014211 卫星升空后太阳照射在卫星的太阳能电池上，太阳能代替蓄电池成为永不枯竭的能源。2.3.3 氢氢 能能氢能是指以氢作为燃料时释放出来的热能。1. 1. 氢气的制取氢气的制取(1)电解法电解法：借助电能使水分解产生氢气。(2)光催化分解法光催化分解法：使用半导体为基础的催化体系， 利用太阳光直接分解水。(3)光合作用光合作用：借助某些特殊植物，利用光合作用 将水转变为氢。2. 2. 氢气的储存氢气的储存 氢气的密度很低，运输和储存较为不易，目前最理想的储氢方法是利用金属氢化物。 LaNi5 + 3H2 LaNi5H6微热微热 (200 - 300)KPa3. 3. 氢气的利用氢气的利用 氢气燃烧温度高，燃烧纯净，是一种优良的燃料，同时可利用氢氧燃料电池将氢能转化为电能使用。9.4 化化 学学 电电 池池 化学电池是以氧化剂作正极化学电池是以氧化剂作正极, , 还原剂作负还原剂作负极极, , 在一定介质条件下在一定介质条件下, ,利用自发进行的氧化利用自发进行的氧化还原反应还原反应, , 将化学能直接转变为电能的装置。将化学能直接转变为电能的装置。9.4.1 化学电池的分类化学电池的分类一次电池（原电池）一次电池（原电池）二次电池（充电电池）二次电池（充电电池）燃料电池燃料电池1. 一次电池一次电池 活性物质放电后不能再生、充电的电池。活性物质放电后不能再生、充电的电池。根据电解质类型分为酸性和碱性两类。根据电解质类型分为酸性和碱性两类。 (1)酸性锌锰干电池酸性锌锰干电池(-) Zn | ZnCl2, NH4Cl(糊状糊状) | MnO2 | C (+)(2)(2)碱性锌锰干电池碱性锌锰干电池(3)锌汞电池锌汞电池 (-) Zn (Hg) | KOH(糊状糊状,含饱和含饱和ZnO) | HgO | Hg(+) 绝缘体钢套的锌壳多孔隔离物Zn(OH)2 和HgO在KOH溶液中的糊状物Hg (或汞齐)(4) 锂碘电池锂碘电池 (-) Li | LiI | I2(不锈钢不锈钢)(+)阴极材料阳极栅网不锈钢外壳密封接线柱封接口 2. 2. 二次电池二次电池 活性物质具有充放电可逆性活性物质具有充放电可逆性, ,放电使用放电使用完可充电再生，循环使用。完可充电再生，循环使用。 (1)铅蓄电池铅蓄电池 (-) Pb | H2SO4(1.251.30gcm-3) | PbO2 (+)(3)钠硫电池钠硫电池 (-) Na | Al2O3 | S+Na2Sx | C (+)(2)镍氢电池镍氢电池 (-) C | H2 | KOH | NiOOH (+)3.3.燃料电池燃料电池 把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能。化为电能。 能量转化率实际约为能量转化率实际约为80%80%。组成正极（空气极）正极（空气极）氧化剂：氧气，氧化剂：氧气，空气空气负极（燃料极）负极（燃料极）还原剂：氢气，还原剂：氢气，甲烷，煤气，天甲烷，煤气，天然气然气电解质溶液电解质溶液(-) C | H2 | KOH(aq) | O2 | C (+)氢氧燃料电池示意图本章结束
