能源與化學(xué)能源是一種物質(zhì)資源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)

1、能源與化學(xué)1能源是一種物質(zhì)資源，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)；能量是人類社會各種經(jīng)濟活動的原動力。能源的開發(fā)和利用是社會經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。但是，隨著社會的發(fā)展，能源的供需矛盾日趨尖銳。因此，如何合理地利用現(xiàn)有能源，開發(fā)新的能源是人類必須關(guān)注的一個重大社會問題。 能源與化學(xué)2第一節(jié) 概 述一、能量的形態(tài)與轉(zhuǎn)化 1. 能量物質(zhì)做功的本領(lǐng)。2. 能量的形態(tài)：熱、機、生、化、光、電、核 。3. 能量的轉(zhuǎn)化：能源熱能其它能 (100%) 。 3二、能源的概念與分類1. 定義：能源可以從中獲得能量的資源。2. 分類: 可直接利用的為一次性能源，由其它能源制取的為二次性能源 ，不因人的利用而減少的是再生

2、能源，越用越少的是非再生能源。 能 源一次能源再生能源風(fēng)、流水、海流、草木、太陽輻射、地?zé)岱窃偕茉椿剂希?石油 天然氣油頁巖）核燃料（U Th Pu D） 二 次能 源電能、氫能、汽油、柴油、火藥、甲醇、丙烷、苯胺、硝化棉、硝化甘油4一、燃料的分類和組成 燃料產(chǎn)生熱能或動力的可燃性物質(zhì)。1. 分類: 第二節(jié) 燃料能源物 態(tài)天 然 燃 料人 造 燃 料 固體燃料木材 泥煤 褐煤 油頁巖木炭 焦炭 煤磚液體燃料石油汽油 煤油 柴油 酒精氣體燃料天然氣煤氣 石油裂化氣 沼氣52. 組成:有機可燃物（有機化合物+高分子化合物）；無機可燃物（可燃物+灰分（鹽+氧物）； 水份。元素組成：C、H、O

3、、N、S、少量金屬。燃料能源以煤為主。但是，它有許多缺點。煤的氣化受到人們的重視。天然氣在燃料能源中有許多優(yōu)點。6借助于化學(xué)變化將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱化學(xué)電源?？煞譃椋涸姵?一次性電池)；蓄電池(二次性電池，可逆電池)；燃料電池第三節(jié) 化學(xué)電源 7電池符號：（）ZnZnCl2 ，NH4Cl(糊)MnO2C(石墨)（）電極反應(yīng):（）Zn(s) Zn2+ + 2e- （）（）2MnO2(s) + 2NH4+ +2e- Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + 2H2O 電動勢: 1.5V。若用KOH代替NH4Cl制成堿性鋅錳電池,可多次充、放電。1. 鋅-錳干電池8電池符號：（）ZnHgK

4、OH(含ZnO)HgOHgPt（）電池反應(yīng):（）Zn(Hg) + 2OH- ZnO + H2O+ 2e-（）HgO（s）+ H2O + 2e- Hg（l）+ 2OH- 電動勢: 1.34V。電壓穩(wěn)定，可做成鈕扣電池。2.鋅-汞電池91.鉛蓄電池（鉛酸蓄電池）電池符號：（）Pb | H2SO4 | PbO2（）充、放電反應(yīng): Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O特點：電壓2.0V，電流0.5A?？啥虝r大電流放電。 酸易溢出，腐蝕性強。二、蓄電池10 鐵-鎳蓄電池電池符號:（）FeKOH（30%）Ni(OH)3 ()充放電反應(yīng)： Fe 2Ni(OH)3 Fe(OH)3 Ni特點是：

5、重量輕、體積小、抗震好 銀-鋅蓄電池電池符號: （）ZnKOH(40%)Ag2OAg()充放電反應(yīng)：Zn Ag2O H2O Zn(OH)2 2Ag特點是：電壓平穩(wěn)2. 堿性蓄電池11以可燃物為負極反應(yīng)物，氧或空氣為正極反應(yīng)物，以燃燒反應(yīng)為電池反應(yīng)，如此構(gòu)成的電池即燃料電池。 理論上燃料電池能量轉(zhuǎn)換可達100%，可用于建造大規(guī)模電站。是最潔凈的電源。1.氫-氧燃料電池電池符號： （）CH2KOH(35%)O2C()三、燃 料 電 池12電池反應(yīng)：（）H2 + 2OH- 2H2O+2e-（）O2 + 2H2O + 4e- 4OH- 電池總反應(yīng): 2H2 + O2 2H2O 正極需加催化劑（Pt 、

6、Pd、 Co2O3 、Ag等），負極以活性炭多孔鎳吸附H2。13電池符號： （）PtCH3OHH2SO4O2Pt() 電池反應(yīng): （）3/2O2+6H+6e- 3H2O（）CH3OH+H2O CO2+6H+6e- CH3OH+3/2O2 CO2+2H2O可用工業(yè)甲醇；可用KOH代硫酸。3. 其它燃料電池2.甲醇-氧燃料電池14煤、石油、天然氣都是非再生的，它們的形成過程十分漫長，而它們的消耗卻十分迅速。燃燒化石燃料向大氣排放大量的“溫室氣體” 、形成酸雨，并排放大量的煙塵，對環(huán)境造成了嚴重的破壞。能源危機正在逼近，人們不能不開發(fā)新的能源。一、氫 能1.氫燃料的特點:無毒、無污染， 最清潔；燃料

7、來自水，燃燒產(chǎn)物是水，可永遠循環(huán)使用； 點火溫度低，燃燒速度快，發(fā)熱量大;H2可直接利用，也可間接使用，是方便燃料。第四節(jié) 新能源152.氫燃料的制取 電解水： H2O H2 + 1/2O2 能量可用太陽能、電能。 熱分解水： H2O H2 + 1/2O2 （催化劑：Ca、Br2、Hg等。溫 度： 730-1000） 光分解水： H2O H2 + 1/2O2 光電分解水：以n-型氧化鈦為電極，在陽光下使水分解。163. 氫燃料的貯存 H2密度小，運輸和貯存都是很大問題 。液氫沸點低，常溫下壓力很大，對設(shè)備要求高。目前主要考慮貯氫金屬。1999年，我國研制出的納米碳管，是很好的貯氫材料。在298

8、K，200atm下碳納米管吸附氫（紅色）的模擬圖象。17二、核能目前唯一達到工業(yè)應(yīng)用、可以大規(guī)模替代化石燃料的能源，就是核能。1942年12月2日第一座反應(yīng)堆首次啟動時，功率僅為0.5瓦。60年后，核能已占全世界總能耗的6。國際原子能機構(gòu)公布，截至2002年底，全世界共有441臺核電機組在運行，2002年共生產(chǎn)電力2.574萬億千瓦小時，約占當年世界總發(fā)電量的17。其中，核發(fā)電量占本國總發(fā)電量比例最高的國家是立陶宛，達到80，其次是法國，達到79。 181.核裂變能把重核分裂成兩個中等質(zhì)量的核時，釋放出大量的能量。此過程稱核裂變。 核裂變需有足夠能量的中子的轟擊，而U-235、Pu-239只需

9、較 低能量的中子。因此,當前使用的核燃料主要是這兩種。1.核裂變能19例如：U-235在中子轟擊下裂變?yōu)锽a-140和Kr-93同時產(chǎn)生多個中子，接著就會發(fā)生爆炸式的連鎖反應(yīng)核裂變時出現(xiàn)質(zhì)量虧損，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，遵守愛因斯坦定律：E=mc2E=mc2其中 m = m（生成物）-m（反應(yīng)物） 按此式，1克U-235，核裂變能為-8.1107kJ， 相當于3噸煤燃燒所放出的熱量。 核裂變產(chǎn)物大多具有放射性，尤其Sr-90。所以原料和產(chǎn)物的貯存、處理都要有嚴格的安全措施。20 核聚變使很輕的核在異常高的溫度下合成較重的核 。核聚變時，放出更大的能量。按愛因斯坦公式， E = -1.698109

10、 kJmol-11克氘(或氚)比1克鈾產(chǎn)生的能量大得多。氘可由重水中得到。海水中重水達21020kg。核聚變資源極為豐富。 但是,核聚變需足夠高的溫度(109 ),足夠長的時間(1s)。而且要能人為控制不使爆炸。聚變不產(chǎn)生放射性產(chǎn)物。 2.核聚變能21 核能可以由兩種不同的路線釋放出來：重核裂變（爆裂），兩個輕核聚變（化合）。二者都是由于產(chǎn)物有更高的結(jié)合能。聚變作用難于進行是因為核間彼此排斥，不象裂變作用那樣。聚變不產(chǎn)生放射性產(chǎn)物。 22中國核能的歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展 一、中國和平利用核能的現(xiàn)狀1964年10月我國第一顆原子彈成功爆炸。上世紀80年代以來，以核電建設(shè)為重點，中國核能和平利用得到

11、較快發(fā)展，規(guī)模不斷擴大，科技水平不斷提高，呈現(xiàn)了良好的發(fā)展勢頭。中國自主設(shè)計建設(shè)的第一座核電站秦山核電站于1991年建成投產(chǎn)，結(jié)束了中國大陸無核電的歷史。1994年建成投產(chǎn)的大亞灣核電站開創(chuàng)了中外合作建設(shè)核電站的成功范例。1996年開始，中國又自主設(shè)計建設(shè)了秦山二期核電站；與國外合作建設(shè)了嶺澳核電站、秦山三期核電站和田灣核電站。截至2004年月，共有9臺核電機組投入運行，總裝機容量701萬千瓦；建設(shè)中的江蘇田灣核電站2005年全部建成投運，核電總裝機容量達913萬千瓦。 23二、未來發(fā)展為適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展和滿足能源不斷增長的需要，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，必須加快核能的發(fā)展。中國把核電作

12、為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，逐步提高核能在能源供應(yīng)總量中的比例。在經(jīng)濟發(fā)達、電力負荷集中的沿海地區(qū)，核電將成為電力結(jié)構(gòu)的重要支柱。中國和平利用核能事業(yè)有著良好的發(fā)展前景。 24 太陽上進行的反應(yīng)是核聚變反應(yīng)， 每天質(zhì)量變化4106噸， 向空間輻射能量41023kJs-1，這些能量的萬分之一足夠人類消耗。地球每天接受的輻射能可達61018kJ。其利用可分：1. 太陽能的直接利用熱能如太陽能集熱器；電能太陽能電池。 三、太陽能圖 太陽能電池25太陽能的能量密度低；晝、夜、陰、雨變化較大，所以太陽能的貯存是個問題。 2. 太陽能的間接利用 風(fēng)能、地?zé)?、海浪、水流等都來自太陽能。如：光合作用，潮汐發(fā)

13、電，風(fēng)力發(fā)電，水力發(fā)電等。26 生物質(zhì)能（biology energy）是目前用得最為廣泛的第四種能源，它占全球一次性能源需求量的14%。生物質(zhì)能資源極為豐富，是一種無害的能源。 生物質(zhì)能源又稱可再生有機質(zhì)能源，諸如木材、薪草、藻類等。生物質(zhì)能分布廣，儲量豐富，全球每年通過光合作用儲存于植物的能量，大約是世界目前消費能量的17倍。各國都非常重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用。 現(xiàn)代生物轉(zhuǎn)換技術(shù)包括轉(zhuǎn)換為電能和轉(zhuǎn)換為固體燃料、液體燃料、氣體燃料，小規(guī)模地取代礦物燃料。四、生物質(zhì)能27現(xiàn)代綠色能源酒精和沼氣1.綠色能源是一種生物質(zhì)能源于太陽能，太陽光經(jīng)過植物的光合作用轉(zhuǎn)變成體內(nèi)的生物質(zhì)能，生物質(zhì)能實質(zhì)上是有機物的化學(xué)能。2.目前利用：主要燃燒，能源利用10%。3.發(fā)展方向： 1）制取酒精或甲醇 2）制造沼氣28五.合成