第一章 緒論_熱力學(xué)

1、大 學(xué) 化 學(xué)大 學(xué) 化 學(xué) 緒 論化學(xué)是一門既古老又年輕的科學(xué)。Victor MeyerCurie, MarieAlfred Bernhard Nobel化學(xué)是研究和創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)，與日常生活和人類社會(huì)等都有非常密切的關(guān)系?；瘜W(xué)是一門中心性的、實(shí)用的和創(chuàng)造性的科學(xué)，主要是研究物質(zhì)的分子轉(zhuǎn)變規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)與物理一起屬于自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。研究現(xiàn)狀化合物5000萬種時(shí)間分辨率：1 fs空間分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13 g。1. 化學(xué)的定義與分支學(xué)科化學(xué)是在原子和分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及其變化規(guī)律和變化過程中能量關(guān)系的科學(xué)無機(jī)化學(xué)：無機(jī)物有機(jī)化學(xué)：碳?xì)浠衔锛把苌?/p>

2、分析化學(xué)：測(cè)量和表征物理化學(xué)：所有物質(zhì)系統(tǒng)高分子化學(xué)：高分子化合物若干新分支：環(huán)境化學(xué)、核化學(xué)等等化學(xué)的分支學(xué)科2. 化學(xué)的地位和作用 化學(xué)仍是解決食物短缺問題的主要學(xué)科之一 化學(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用 化學(xué)是生命科學(xué)的重要支柱3. 學(xué)習(xí)的目的與內(nèi)容學(xué)習(xí)目的 幫助相關(guān)課程內(nèi)容的理解，了解當(dāng)代化學(xué)學(xué)科的概貌 用化學(xué)的觀點(diǎn)分析、認(rèn)識(shí)工作中的化學(xué)問題學(xué)習(xí)內(nèi)容 理論化學(xué) 應(yīng)用化學(xué)：化合物知識(shí)；化學(xué)在相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用Geiger detectorGeiger detector1.1 反應(yīng)熱的測(cè)量1.2 反應(yīng)熱的理

3、論計(jì)算1.3 常見能源及其清潔利用1.4 清潔能源與可持續(xù)發(fā)展核能. 核燃料和核能的來源. 核電的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展趨勢(shì)第一章. 熱化學(xué)與能源1 .1 反應(yīng)熱的測(cè)量系統(tǒng)：作為研究對(duì)象的那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系的其它物質(zhì)和 空間。1.1.1 基本概念1. 系統(tǒng)與環(huán)境開放系統(tǒng)有物質(zhì)和能量交換封閉系統(tǒng)只有能量交換隔離系統(tǒng)無物質(zhì)和能量交換2. 相系統(tǒng)中任何物理和化學(xué)性質(zhì)完全相同的、均勻部分稱為相。根據(jù)相的概念，系統(tǒng)可分為：單相（均勻）系統(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng) 相與相之間有明確的界面。QUIZ：1) 101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s

4、)同時(shí)共存時(shí)系統(tǒng)中的相數(shù)為多少。2) CaCO3(s)分解為CaO (s)和CO2(g)并達(dá)到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)。1）在此條件下，存在3相（氣、液、固各一相）2）3相（氣體1相，固體2相）3. 狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)用于表示系統(tǒng)性質(zhì)的物理量X 稱狀態(tài)函數(shù)，如氣體的壓力p、體積V、溫度T 等。狀態(tài)就是系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和。有平衡態(tài)和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)也必然發(fā)生部分或全部變化。狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì) 狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，狀態(tài)函數(shù)的變化量只與系統(tǒng)的始、末態(tài)有關(guān)，而與變化的實(shí)際途徑無關(guān)。狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)外壓從3p變?yōu)?/p>

5、pVT3p當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)壓力p和體積V的變化量與途徑無關(guān)。廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：其量值具有加和性，如體積、質(zhì)量等。強(qiáng)度性質(zhì)：其量值不具有加和性，如溫度、壓力等。QUIZ：力和面積是什么性質(zhì)的物理量？它們的商即壓強(qiáng)(熱力學(xué)中稱為壓力)是強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。由此可以得出什么結(jié)論？另另：摩爾體積(體積除以物質(zhì)的量)是什么性質(zhì)的物理量？答：力和面積都是廣度性質(zhì)的物理量。結(jié)論是兩個(gè)廣度性質(zhì)的物理量的商是一個(gè)強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。4. 過程與途徑 系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程； 實(shí)現(xiàn)一個(gè)過程的具體步驟稱途徑。QUIZ：過程與途徑的區(qū)別。如果把20的水燒開，要完

6、成“水燒開”這個(gè)過程，可以有多種具體的“途徑”：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒開再降至常壓?？赡孢^程體系經(jīng)過某一過程，由狀態(tài)變到狀態(tài)之后，如果通過逆過程能使體系和環(huán)境都完全復(fù)原，這樣的過程稱為可逆過程。它是在一系列無限接近平衡條件下進(jìn)行的過程。5. 化學(xué)計(jì)量數(shù)一般用化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程表示化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系， 通式為：B0BBB 稱為B 的化學(xué)計(jì)量數(shù)。符號(hào)規(guī)定：反應(yīng)物： B為負(fù)；產(chǎn)物：B為正。例例1.1 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)通式形式表示下列合成氨的化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3解：解：用化學(xué)反應(yīng)通式表示為： 0= - N2 - 3H2 + 2NH36. 反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)

7、進(jìn)度 的定義：BBdnd 反應(yīng)進(jìn)度的單位是摩爾（mol），它與化學(xué)計(jì)量數(shù)的選配有關(guān)。nB 為物質(zhì)B的物質(zhì)的量，d nB表示微小的變化量?；蛘叨x為QUIZ：反應(yīng)進(jìn)度與化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫有關(guān)嗎？答：有關(guān)。如對(duì)于反應(yīng)： 0 = N2 3H2 + 2NH3 ，當(dāng)有1mol NH3生成時(shí)，反應(yīng)進(jìn)度為0.5mol。若將反應(yīng)寫成22313NHNH22則反應(yīng)進(jìn)度為1 mol。BBB( )(0)nn1.1.2 反應(yīng)熱的測(cè)量反應(yīng)熱指化學(xué)反應(yīng)過程中系統(tǒng)放出或吸收的熱量。熱化學(xué)規(guī)定：系統(tǒng)放熱為負(fù)，系統(tǒng)吸熱為正。摩爾反應(yīng)熱指當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為1 mol時(shí)系統(tǒng)放出或吸收的熱量。1. 反應(yīng)熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法設(shè)有n mol物質(zhì)完

8、全反應(yīng)，所放出的熱量使彈式量熱計(jì)與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計(jì)與恒溫水浴的熱容為Cs(JK-1)， 比熱容為cs(JK-1kg-1 )，則：ss21s()qc m TTCT m/qq n由于完全反應(yīng)， = n因此摩爾反應(yīng)熱：QUIZ：反應(yīng)熱有定容反應(yīng)熱和定壓反應(yīng)熱之分。前者的反應(yīng)條件是恒容，后者的反應(yīng)條件是恒壓。用彈式量熱計(jì)測(cè)量的反應(yīng)熱是定容反應(yīng)熱還是定壓反應(yīng)熱？定容反應(yīng)熱例例1.1 聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：24211b12(N H )0.5000g(H O)1210g848J K4.18 .293.18K294.82Ks

9、m mc cJ K T T 解解：燃燒0.5g聯(lián)氨放熱為kJ69.9J9690J)18.29382.294()848121018.4()OH()OH()OH(b22b2TcTmcqqqmol0156. 0) 1/(molg0 .32/g)5 . 00(11mV,molkJ2 .621mol0156. 0/kJ69. 9/qq2. 熱化學(xué)方程式 表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的方程式稱為熱化學(xué)方程式。其標(biāo)準(zhǔn)寫法是：先寫出反應(yīng)方程，再寫出相應(yīng)反應(yīng)熱，兩者之間用分號(hào)或逗號(hào)隔開。例如：標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物的量和狀態(tài)書寫熱化學(xué)方程式時(shí)應(yīng)注意：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O

10、(l)； 1mV,molkJ620q2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 1molkJ570p,mq若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。 反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學(xué)計(jì)量數(shù)有關(guān)； 一般標(biāo)注的是等壓熱效應(yīng)qp。QUIZ：qp與qv相同嗎？不相同1.2 反應(yīng)熱的理論計(jì)算 并不是所有的反應(yīng)熱都可以實(shí)驗(yàn)測(cè)定。例如反應(yīng)：2C(s) + O2(g) = 2CO(g)QUIZ：為什么上述反應(yīng)的反應(yīng)熱無法實(shí)驗(yàn)測(cè)定？實(shí)驗(yàn)過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。因此，只能用理論方法來計(jì)算反應(yīng)熱。1.2.1 熱力學(xué)第一定律封閉系統(tǒng)，不做非體積功時(shí)，若系統(tǒng)從環(huán)境吸收熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)

11、熱力學(xué)能的增加U (U2 U1)為：U = q + w熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在熱力學(xué)中的的應(yīng)用。其中，熱力學(xué)能從前稱為內(nèi)能。1. 熱力學(xué)能系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量的總和。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)包括分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)以及電子運(yùn)動(dòng)和核運(yùn)動(dòng)。內(nèi)能的特征： 狀態(tài)函數(shù) 無絕對(duì)數(shù)值 廣度性質(zhì)由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的相互作用十分復(fù)雜，因此目前尚無法測(cè)定內(nèi)能的絕對(duì)數(shù)值。QUIZ：同樣的物質(zhì)，在相同的溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行的飛機(jī)上，后者靜止在地面上。兩者的內(nèi)能相同嗎？答：相同。2. 熱在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而交換的能量稱為熱。熱的符號(hào)規(guī)定： 系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱

12、為負(fù)。熱量q不是狀態(tài)函數(shù)3. 功與體積功在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。功的符號(hào)規(guī)定： （注意功符號(hào)的規(guī)定尚不統(tǒng)一）系統(tǒng)得功為正，系統(tǒng)作功為負(fù)。由于系統(tǒng)體積發(fā)生變化而與環(huán)境所交換的功稱為體積功w體。所有其它的功統(tǒng)稱為非體積功w 。w = w體+ w 功w也不是狀態(tài)函數(shù)QUIZ：1mol理想氣體，密閉在1)氣球中，2) 鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20C時(shí)，是否做了體積功？答：1)1)做體積功，2)2)未做體積功。熱無序能；功有序能；能的品位不同。一封閉系統(tǒng)，熱力學(xué)能U1，從環(huán)境吸收熱q ，得功w，變到狀態(tài)2,熱力學(xué)能U2，則有：U1U2q 0w 0U =

13、q +w 5. 體積功w體的計(jì)算等外壓過程中，體積功w體= p 外(V2 V1) = p外V p外 = F / A，l = V / A，因此，體積功w體= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V pp外 = F / Al圖1.4 體積功示意圖理想氣體的體積功理想氣體的定義：氣體分子不占有體積，氣體分子之間的作用力為0的氣態(tài)系統(tǒng)被稱為理想氣體。理想氣體的狀態(tài)方程：pVnRT例例1.2 1 mol理想氣體從始態(tài)100kPa, 22.4dm3經(jīng)等溫恒外壓p2 = 50kPa膨脹到平衡，求系統(tǒng)所做的功。解解：終態(tài)平衡時(shí)的體積為：-33-3321 12/100000Pa22.4 10 m /

14、50000Pa44.8 10 mVpVp3350000Pa(44.822.4) 10 m1120JwpV 體外負(fù)值表示系統(tǒng)對(duì)外做功。6. 理想氣體可逆過程體積功封閉系統(tǒng)的等溫過程中，理想氣體壓力p和體積V之間的關(guān)系稱為理想氣體的等溫線：pV當(dāng)系統(tǒng)從始態(tài)變到終態(tài)時(shí)，可以有多種途徑： 經(jīng)恒外壓p2：1221()Wp VV 經(jīng)恒外壓p 膨脹到平衡，再經(jīng)恒外壓p2：始態(tài)(p1,V1)終態(tài)(p2,V2)p2p1V1V2W1W2pV中間態(tài)(p,V)2122()()Wp VVp VV 顯然，|W2| |W1|圖1.5 理想氣體的體積功QUIZ：經(jīng)什么途徑系統(tǒng)可以做最大功？答：外壓無限接近系統(tǒng)的壓力時(shí)。可逆過

15、程體積功設(shè)砝碼對(duì)系統(tǒng)施加了p2的壓力，砝碼和砂子施加了p1的壓力，當(dāng)將砂子一粒一粒地揀去，系統(tǒng)從始態(tài)變到終態(tài)。揀去一粒砂子，系統(tǒng)的壓力從pi+1變?yōu)閜i，同時(shí)系統(tǒng)的體積變化為Vi，iiiVpW當(dāng)砂子足夠小時(shí)， pi可以用系統(tǒng)的壓力來代替。 pi = nRT/Vi,并可以用積分代替加和：12ln2121VVnRTdVVnRTpdVWVVVVpiViPi+1(p1, V1)(p2, V2)圖1.6 可逆過程的體積功這一微小過程中系統(tǒng)做功：pi Vi，整個(gè)過程中做功：1.2.2 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱與焓通常把反應(yīng)物和生成物具有相同溫度時(shí)，系統(tǒng)吸收或放出的熱量叫做反應(yīng)熱。根據(jù)反應(yīng)條件的不同，反應(yīng)熱又可分為

16、： 定容反應(yīng)熱恒容過程，體積功w體 = 0，不做非體積功 w =0時(shí)，所以， w= w體+ w =0 ，qV = U 定壓反應(yīng)熱恒壓過程，不做非體積功時(shí)， w體= p(V2V1)，所以qp = U + p(V2V1)1. 焓 qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1)令 H = U + p V則qp =H2 H1=HH 稱為焓，是一個(gè)重要的熱力學(xué)函數(shù)。公式qp =H 的意義：1）等壓熱效應(yīng)即為焓的增量，故qP也只決定于始終態(tài)，而與途徑無關(guān)。2）可以通過H的計(jì)算求出的qP值。QUIZ：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知

17、道它的絕對(duì)數(shù)值？答：是狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它的絕對(duì)數(shù)值。2. 定容反應(yīng)熱與定壓反應(yīng)熱的關(guān)系已知定容反應(yīng)熱：qV = U；定壓反應(yīng)熱：qp = Up + p(V2 V1)等溫過程， Up UV，則：qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT對(duì)于理想氣體反應(yīng)，有：對(duì)于有凝聚相參與的理想氣體反應(yīng)，由于凝聚相相對(duì)氣相來說，體積可以忽略，因此在上式中，只需考慮氣體的物質(zhì)的量。H U = qp qV = p(V2 V1)QUIZ：若反應(yīng) C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m為393.5kJmol 1，則該反應(yīng)的qV ,m 為多少？答：該反應(yīng)的n(g) = 0， qV

18、= qp *對(duì)于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)或n(g) 0的反應(yīng)，qV qp對(duì)于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)，且n(g) 0的反應(yīng)，qV qp3. 蓋斯定律 化學(xué)反應(yīng)的恒壓或恒容反應(yīng)熱只與物質(zhì)的始態(tài)或終態(tài)有關(guān)而與變化的途徑無關(guān)。始態(tài)C(石墨) + O2(g)終態(tài)CO2(g)1 m,rH中間態(tài)CO(g) + O2(g)2 m,rH3 m,rH3 m,r2 m,r1 m,rHHH即熱化學(xué)方程式可像代數(shù)式那樣進(jìn)行加減運(yùn)算。(2)-(1) COO21C2式式112,1 ,3,molkJ5 .100molkJ)283(5 .393mrmr mrHHH由蓋斯定律知：若化學(xué)反應(yīng)可以加和，則其反應(yīng)熱也可以加和。12,mol

19、kJ0 .283 Hmr COO21CO22 COO21CO22例例1.3 已知反應(yīng) COOC22和的反應(yīng)焓，計(jì)算 COO21C2的反應(yīng)焓， COOC22解：解：11 ,molkJ5 .393 Hmr1.2.3 反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算1. 熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：氣體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)壓力p 下表現(xiàn)出理想氣體性質(zhì)的純氣體狀態(tài)溶液中溶質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是:標(biāo)準(zhǔn)壓力p 下，質(zhì)量摩爾濃度為m (1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài); 采用近似c =1.0 mol.dm-3)液體或固體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是:標(biāo)準(zhǔn)壓力p 下的純液體或純固體。2. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓指定單質(zhì)通常指標(biāo)準(zhǔn)壓力和該溫度下最穩(wěn)定的單質(zhì)。如C

20、：石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P為白磷(s)，即P（s，白）。298.15K時(shí)的數(shù)據(jù)可以查到。顯然，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)指定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為0 0。生成焓的負(fù)值越大，表明該物質(zhì)鍵能越大，對(duì)熱越穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)由指定單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)B時(shí)反應(yīng)的焓變稱為標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，記作 fmHQUIZ：以下哪些反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱不是生成焓(反應(yīng)物和生成物都是標(biāo)準(zhǔn)態(tài))?21C()O ( )CO(g)2g石墨22C()O (g)CO (g)石墨221CO(g)O ( )CO) 2 (gg(1)22C()O (g)2CO (g) (4) 石墨(2)(3)答： （2）不是3. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變及測(cè)定測(cè)定原理：由于qp

21、 =H所以可以通過在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)定恒溫恒壓條件下的反應(yīng)熱得到反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下, ,反應(yīng)進(jìn)度 = = 1mol1mol的焓變稱為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變: :記作)(m,rTH4. 反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算穩(wěn)定單質(zhì)可從手冊(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算298.15K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓.反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)生成物標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) r Hm f Hm (p) f Hm (r)由蓋斯定律，得：Bm,fBBmrHH標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變計(jì)算示例從手冊(cè)查得298.15K時(shí)Fe2O3和Al2O3的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓分別為824.2和1675.7kJmol-1。例例1.4 試計(jì)算鋁熱劑點(diǎn)火反應(yīng)的反應(yīng)計(jì)量式為：)K15.298(mr H ) s (F

22、e2) s (OAl) s (OFe2Al(s)32321132mf32mfmrmolkJ5 .851molkJ)2 .842()7 .1675()K15.298,OFe()K15.298,OAl()K15.298( H HH注意事項(xiàng) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)，查表時(shí)仔細(xì)應(yīng)用物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓時(shí)需要注意 公式中化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)方程式相符 數(shù)值與化學(xué)計(jì)量數(shù)的選配有關(guān)； 溫度的影響)K15.298()(mrmr HTHQUIZ：正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱的數(shù)值相等，符號(hào)相反正確否？答答：正確。這 也是熱化學(xué)定律的重要內(nèi)容。例題例題1.4 設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，計(jì)算1mol乙炔完全燃

23、燒放出的能量。 )(OH)g(CO2)g(O25)g(HC22222l解：從手冊(cè)查得298.15K時(shí)，各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如下。1mfmolkJ/ )K298( H226.73 0 -393.509 -285.83rmBfmB(298.15)(B, 298.15)52 393.509)( 285.83)0226.73211299.58 (kJ mol)HKH K 1.3 常見能源及其清潔利用 能源是自然界中為人類提供能量的物質(zhì)資源。 能源是當(dāng)今社會(huì)的三大支柱（材料、能源、信息）之一。 能源是我們賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。1.3.1 世界能源的結(jié)構(gòu)與能源危機(jī)1.1.能源的分類一次能源一次能源二次

24、能源二次能源常規(guī)常規(guī)能源能源燃料能源燃料能源煤炭、石油、天然煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)能氣、生物質(zhì)能煤氣、焦碳、成品燃煤氣、焦碳、成品燃油、液化氣、酒精油、液化氣、酒精非燃料能源非燃料能源 水能水能電力、蒸汽、熱水電力、蒸汽、熱水新能源新能源燃料能源燃料能源核能核能人工沼氣、氫能人工沼氣、氫能非燃料能源非燃料能源太陽能、地?zé)?、風(fēng)太陽能、地?zé)?、風(fēng)能、海洋能能、海洋能激光激光利用狀況使用 性質(zhì)形成條件表1.2 能源的分類2. 世界能源的結(jié)構(gòu)和消耗195019601970198019902010102030405060能源結(jié)構(gòu)比例(%)年代圖1.7 世界消耗的一次能源結(jié)構(gòu)煤炭石油天然氣水電及其它3.

25、 能量消耗前六名的國家美國中國俄羅斯日本德國印度51015202530能源結(jié)構(gòu)比例(占世界%) 國家煤炭石油天然氣核能水電25.410.47.26.04.12.9圖1.8 世界六國消耗的一次能源比例及總比例（占世界）趨勢(shì)（比例）：石油和天然氣下降；煤炭上升；核電上升。4. 能源危機(jī)本質(zhì)：能量總量不變，質(zhì)量衰退了，有序能下降。可利用之“有效能”減少了，于是產(chǎn)生了能源危機(jī)1.3.2 煤炭與潔凈煤技術(shù)我國煤炭的一個(gè)特點(diǎn)是煤炭中含硫量較高，煤炭中的硫在燃燒時(shí)生成二氧化硫。SO2和粉塵是煤燃燒的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以煤炭的開采和燃燒都會(huì)引起環(huán)境污染。我國能源的現(xiàn)狀特點(diǎn)1）

26、能源總量豐富，但人均不足；2）能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比例太小煤炭占一次能源的76%，天然氣消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。3）能源利用率低，能耗高浪費(fèi)嚴(yán)重。1. 煤炭的成分與熱值煤炭的主要成分：碳、氫、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的熱值：單位質(zhì)量或體積的燃料完全燃燒放出的熱量。標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.3MJkg-1。無煙煤：低硫，較好；煙煤 ：高硫，燃燒環(huán)境污染；褐煤：儲(chǔ)量大，但熱值低。煤炭的分類：2. 潔凈煤技術(shù)潔凈煤技術(shù)于1986年由美國率先提出，現(xiàn)已成為解決環(huán)境和能源問題的主導(dǎo)技術(shù)之一。煤22H O O ) 汽化劑（合成氣甲醇合成汽油液體燃料(新型液態(tài)燃料)2H24C

27、OH CHO 汽化劑煉焦甲烷化焦炭水煤氣合成天然氣氣體燃料（）（）70%30%煤粉水水煤漿少量添加劑1.3.3 石油和天然氣 石油石油是多種烴類的混合物，其中含有鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量含氧、含硫的有機(jī)物。1. 石油燃料產(chǎn)品石油經(jīng)過分餾和裂解等加工過程后可得到石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油和瀝青等產(chǎn)品。95%的汽油用于驅(qū)動(dòng)汽車。衡量汽油質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是辛烷值。直餾汽油的辛烷值約為5572之間，在汽油中加入少量四乙基鉛可以將辛烷值提高到7988，為了防止鉛在汽缸中沉積，加入少量二溴乙烷，使生成揮發(fā)性的溴化鉛，與尾氣一同排入大氣。汽車尾氣主要污染物：NO、CO、HC和含鉛化物等。解決方法

28、：采用無鉛汽油，對(duì)汽車尾氣進(jìn)行催化凈化。2. 天然氣天然氣是低級(jí)烷烴的混合物，主要成分是甲烷，常與石油伴生。其熱值約為55.6MJ kg-1。天然氣的優(yōu)點(diǎn)： 可直接應(yīng)用 易于管道輸送 污染少3. 沼氣和生物質(zhì)能植物殘?bào)w在隔絕空氣的情況下發(fā)生自然分解時(shí)產(chǎn)生的氣體稱為沼氣。沼氣約含60%的甲烷，其余為二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。生物質(zhì)能的現(xiàn)代利用是將植物枝桿等在汽化爐中加壓汽化制成可燃?xì)怏w。4. 可燃冰未來的新能源天然氣被包進(jìn)水分子中，在深海的低溫高壓下形成的透明結(jié)晶，外形似冰，極容易燃燒，故稱“可燃冰”。 CH4xH2O (s)。形成條件：低溫高壓如0，76 MPa。儲(chǔ)量：尚難正確估計(jì)

29、。預(yù)測(cè)總量相當(dāng)于161萬億噸煤，可用100萬年；是地球上煤、石油和天然氣能量總和的23倍。分布：深水大陸架和陸地永久凍土帶。我國東海、南海有大量可燃冰，約相當(dāng)于全國石油儲(chǔ)量的一半。開采難，儲(chǔ)量豐富。1.3.4 煤氣和液化氣煤氣煤的合成氣及煉焦氣都是城市煤氣。來源于石油，主要成分為丙烷、丁烷等，煉油廠的副產(chǎn)品。液化氣煤氣的組成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，熱值約16MJ M-3優(yōu)點(diǎn)：無毒、低污染、熱值高于煤氣。液化氣作動(dòng)力 綠色汽車 燃料電池（各國競爭發(fā)展）。1.4 清潔能源與可持續(xù)發(fā)展1.4.1 能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展我國能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比重太小。必須合理開發(fā)及進(jìn)一步開發(fā)新

30、能源，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。最有希望的清潔能源是氫能、太陽能以及核能和生物質(zhì)能等?？沙掷m(xù)發(fā)展三原則：公平性、共同性和持續(xù)性。圖1.9 熱電廠污染1.4.2 氫能氫能是一種理想的二次清潔能源。氫能的優(yōu)點(diǎn) 熱值高，其數(shù)值為142.9MJ kg-1。 燃燒反應(yīng)速率快，功率高 原料是水，取之不盡 產(chǎn)物是水，不污染環(huán)境氫作能源目前還存在一些問題：經(jīng)濟(jì)的制備方法，安全高效的儲(chǔ)運(yùn)方法和有效地利用。1. 氫氣的制取 太陽能光解 電解作為氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品，是目前工業(yè)氫氣的制備方法。2NaCl + 2H2O Cl2 + H2 + 2NaOH電解用電解的方法大規(guī)模制取用作能源的氫氣，從經(jīng)濟(jì)上考慮是不可行的。利用太陽光

31、的能量催化分解水得到氫氣，最有前途的制氫方法。是研究的熱點(diǎn)。2. 氫氣的儲(chǔ)運(yùn)氫氣的密度小，且極難加壓液化，因此氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸是一個(gè)比較困難的問題。合金貯氫法原理：氫可以與某些合金在較高的壓力下生成化合物，這些化合物在合適的條件下可以釋放出氫氣。如鑭鎳合金：開發(fā)研究貯氫合金材料是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門分支。LaNi5 + 3H2 LaNi5H6300kPa加熱1.4.3 太陽能太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然核聚變能。太陽能的利用不會(huì)引起環(huán)境污染，不會(huì)破壞自然生態(tài)。因此是人類最可靠、最有前景的能源形式。太陽能的利用方法是將太陽能轉(zhuǎn)換為更方便使用的能量形式，主要有以下三種： 轉(zhuǎn)換為熱能 轉(zhuǎn)換

32、為電能 轉(zhuǎn)換為化學(xué)能圖1.10 1. 轉(zhuǎn)換為熱能太陽能熱水器是目前廣泛利用太陽能最典型的一個(gè)例子。其原理就是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，是目前直接利用太陽能的最主要方式。將光能轉(zhuǎn)換為熱能的關(guān)鍵是吸收材料，一般選用黑色、表面粗糙的材料以減少反射，增加對(duì)光子的有效吸收。太陽光能的缺點(diǎn)：1、能量密度低，因此設(shè)備的表面積必須很大。2、對(duì)天氣的依賴性強(qiáng)。2. 轉(zhuǎn)換為電能光電池是人們最感興趣的將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種設(shè)備。當(dāng)光照射到一些半導(dǎo)體材料上時(shí)，半導(dǎo)體材料中的電子就可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶并產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。光電池在收音機(jī)、計(jì)算器、汽車、飛機(jī)、人造衛(wèi)星等航天器的儀表等方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。3. 轉(zhuǎn)換為化學(xué)能植物能夠

33、從空氣中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太陽能進(jìn)行光合作用合成碳水化合物而以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存能量。太陽能光解制氫是近幾年的熱門研究課題。這是將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的一種最有效的方法。模擬光合作用也是各國科學(xué)家感興趣的課題。核能核能的產(chǎn)生主要有兩種方式，核裂變和核聚變。釋放的能量用質(zhì)能方程計(jì)算：2Emc 在中子的轟擊作用下，較重原子核分裂成輕原子核的反應(yīng)稱為核裂變反應(yīng)。235114291192056360UnBa Kr3 n. 核燃料和核能的來源1. 核裂變反應(yīng)該反應(yīng)損失質(zhì)量m = 0.2118gmol-1，能量變化為：2181 2101( 0.2118g mol ) (3 10 m s )1.904 10 kJ molEmc 此能量相當(dāng)于634.5噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放的能量。核裂變是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，不加控制則可制造成原子彈；如加以控制，例如使用慢化劑水，重水和石墨，則可建造成核電站。2. 核聚變反應(yīng)高溫作用下，輕原子核合并成較重原子核的反應(yīng)。23411120HHHen釋放的能量同樣用質(zhì)能方程計(jì)算。太陽能就是氫的核聚變能，經(jīng)計(jì)算1mol 聚變放出的