大學(xué)工程化學(xué)第六章-化學(xué)與能源

1、化學(xué)與能源1概述能源 是為人類提供熱、光、動力等有用能量的物質(zhì)或物質(zhì) 運動。能源利用歷史進程：柴薪時代 -煤炭時代 -石油時代 -?能源分類：按 利用方式分：直接從自然界獲得的不改變其形 態(tài)的一次能源和經(jīng)人類加工生產(chǎn)出來的二次能源。T按能否再生 分：可再生能源，如太陽能、風(fēng)能；不可再生能源T的能源， 如化石燃科、核能等。石油一、常規(guī)能源一一化石燃料（一）石油一工業(yè)的糧食石油的形成：石油是由古代動、植物遺體在地殼內(nèi)部高溫、高 壓條件下經(jīng)過非常復(fù)雜的化學(xué)變化而形成的各種烷燒、環(huán)烷燒和芳煌組成的混合物。石油所含的基本元素是碳和氫（達97%-98%）,同時含少量硫、氧、氮等元素。t海上鉆井分儲：利用混

2、合物中不同大小分子的沸煮!通過蒸儲的方法可 以得到不同沸點的產(chǎn)物，隨碳原子毅而升高以下的組成物：汽油、煤油、柴油；3 油、石蠟、瀝青等。9汽油和汽油的標(biāo)號 ? 汽油質(zhì)量的好壞在于其燃點與汽車發(fā)動機協(xié)調(diào)的關(guān)系，用 辛烷值 （即汽油牌號）表示，如抗震性最好的異辛烷的辛烷值定為 100， 辛烷值低的汽油會發(fā)生爆燃及冒黑煙 。 T重整： 把餾分中的烴類分子重新排列而構(gòu)成新的分子結(jié)構(gòu)。 目的 使支鏈異構(gòu)體增加，芳烴增加，大大提高汽油的辛烷值。裂化：為 提高汽油產(chǎn)量，將石油中非汽油組分的長鏈大分子烴類人為的切斷，已得到更多的汽油組分。精制：為減少污染物，提高油品，常對燃料油進行催化加氫處理，使氮、硫變成

3、H2S、 NH 3而去除。（二）煤一黑色金子（二）煤 黑色金子煤的形成： 煤主要是由古代植物 在地下隔絕空氣的條件下，經(jīng)過長期的一系列復(fù)雜的化學(xué)變化和生物變化，而形成的一種由有機物和無機物所組成的復(fù)雜的混合物。煤炭有實用價值的綜合利用主要有煤的干餾、氣化和液化。煤最主要的應(yīng)用是直接作為燃料。將煤粉放在隔絕空氣的煉焦?fàn)t中加熱，使某些成分發(fā)生熱分解，即 煤的干餾 。由此得到焦炭、煤焦油（芳香族化合物）、焦?fàn)t氣（氫氣、一氧化碳）等。煤的液化：將煤轉(zhuǎn)換成可替代石油的液體燃料和用于合成的化 工原料。讓煤加熱裂解，使大分子變小，然后在催化劑的作用 下加氫可以得到多種燃料油。煤的氣化：是把煤中的有機物轉(zhuǎn)化為

4、可燃件氣體的過程。煤與有 限的空氣和水蒸氣反應(yīng)，得到一種氣態(tài)混合物，稱之為 半煤氣：H2O(g) + C(s) + 空氣一A co(g) + H2(g) + N2(g)如果將煤在高溫時與水蒸氣反應(yīng)即可制水煤氣，這種氣體的燃燒熱比半水煤氣高1倍。C + h2o -co + h2:、理想的新能源植裝料做原子11原子彈是利用核 裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出的 能1造成殺傷破壞作 用的核武器,（一）核能臺匕核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（又叫核反應(yīng)）時放出的能量叫原子核能,簡稱原子能或核能。核反應(yīng)的熱效應(yīng)來源于原子核的變化，核反應(yīng)可分為核衰變、核裂變和核聚變?nèi)箢?。物質(zhì)所具有的原子核能要比化學(xué)能大幾百萬倍以至上千萬倍，lkg U

5、-235裂變放出的能 量相當(dāng)于2500t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒放出的能量。(1)核裂變能原子核(如U-235)受高能中子轟擊時分裂為質(zhì)量較輕的新原子核 的過程叫做核裂變。 核裂變的同時還產(chǎn)生幾個中子和釋放大量的 能量。U-235裂變過程中，每消耗一個中子，能產(chǎn)生幾個中子； 新增中子引起更多鈾 U-235的裂變，再次使中子數(shù)倍增；如此反 復(fù)，就形成了鏈?zhǔn)竭B鎖反應(yīng)，從而釋放出更多的核能。1 n + q2U - 93Sr+ 93Xe + 2 1n+能量09238540中子 鈾 銀 氤 中子1千克鈾核發(fā)生裂變時， 放出的能量相當(dāng)于燃燒 2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤。核中,站 中 使用的主要是鈾核裂變。13由兩個或多個氫原

6、子核聚合成一個較重的原子核的過 程叫核聚變，這時也將釋放出極大的能量。41DeuteriumHelium 氮TritiumNeutron1 H 1 H 4 He01n原子核聚變時，放出的能量比核裂變時還要大。但氫彈中的核聚變目前人們還無法控制。世界第一顆氫彈一一麥克“麥克”爆炸成功核武器核武器，也叫核子武器和原子武器，是利用自持（不需外界干預(yù)，自身可持續(xù)進行） 核裂變或核聚變反應(yīng)（或兩者 兼有）瞬間釋放出的巨大能量產(chǎn)生爆炸作用造成大規(guī)模殺傷或破壞以及造成大面積污染效果的 武器，主要包括裂變 核武器（第一代核武器，通常稱為原子彈） 和聚變核武器（亦稱為氫彈）。亦有些還在武器內(nèi)部放入具有感生發(fā)射的

7、輕元素，以增大輻射強度擴大污染，或加強中子放射以秦山核電站核能利用的前景核電站最先使用的是鈾 -235 ，以后擴展到鈾 -238 、釷 - 232，它們在地殼中蘊藏量巨大，如果全部利用可供人類用上幾千年。海水中含有大量的氘，因此科學(xué)家正在研究解決從海水 中提取氘作為核動力，使海水中的全部核能釋放出來， 足夠人類用上百億年。太陽能(1)光熱轉(zhuǎn)換：利用各種集熱部件將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能這是人類最早利用太陽能的方式(2)光電轉(zhuǎn)換：將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池是利用半導(dǎo)體(如單晶硅，該電池轉(zhuǎn)換效率15袖右)的光伏效應(yīng)進行光電轉(zhuǎn)換。工UMsH大颼軌而立帖(3)光化學(xué)轉(zhuǎn)換：直接利用太陽能來驅(qū)動化學(xué)反

8、應(yīng)負極：TiO2f 2e-+2P+ （空穴）H2O+2P+-2H+1/2O2正極：2H+2e-H 2i1 Li氫ruQi極光 化學(xué)電油示救I割總反應(yīng)：H2 2H+1/2O2（三）氫能氫是宇宙中最豐富的元素之一，但是在地 球上單質(zhì)氫的含量微乎其微。氫能屬于二次 能源，只能由其他能源進行轉(zhuǎn)化而得到。?氫化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)比較活潑，一般不存在單原子的 氫，都是以雙原子構(gòu)成氣體氫分子或與其他元素結(jié)合的形 式存在。還原性強，易燃易爆。?主要優(yōu)點：氫氣是優(yōu)質(zhì)燃料，燃燒熱值高，每千克氫燃燒 的熱量約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃 燒的 產(chǎn)物是水，對環(huán)境無污染，是最清潔的能源之一。(1)制氫

9、技術(shù)化石燃料制氫 生物制氫四 解水制氫A.水制氫類別 水電 解制工藝類型 普通水電解制氫、 重水電解制氫、煤 水漿電解制氫、超 臨界壓力電解水制特點能量轉(zhuǎn)換效率一般為75%-5%,工藝簡單，無污染，但消耗電量大B、生物質(zhì)制氫生物質(zhì)來源：生物界一切有生命的可以生長的有機物質(zhì)，包 括動植物和微生物。所有生物質(zhì)都有一定的能量，而作為能 源利用的主要是農(nóng)林業(yè)的副產(chǎn)品及其加工殘余物，也包括人 畜糞便和有機廢棄物。(2)氫的儲存氫氣是密度最低的氣體，又易著火、爆炸，因此解決氫能的儲存和運輸問題也是開發(fā)氫能的關(guān)鍵。目前氫的儲存方式主要有： 氫氣高壓壓縮、氫氣液化和金屬 氫化物儲氫。,tVwiCATMDOE(

10、3)氫的利用A.用做內(nèi)燃機燃料 氫內(nèi)燃機與汽油內(nèi)燃機相比， 系統(tǒng)效率高, 發(fā)動機壽命長，環(huán)境友好，使用經(jīng)濟。目前氫內(nèi)燃機汽車還在 示范階段，困難在于沒有適宜的車載儲氫技術(shù)；氫內(nèi)燃機飛機 和氫燃料火箭前景更好。B.用做燃料電池氫能利用的最理想方式，是電解水制氫的逆反應(yīng)。用于 燃料電池汽車，系統(tǒng)較簡化且可提高燃料電池的效率。 但氫的儲存量有限，目前正在研究合適的儲氫方式。燃 料電池還可用在固定式電站，也可用作小型或微型便攜 電源。C.用于熱核反應(yīng)氫的同位素笊和晁是核聚變反應(yīng)最為常見的原料DeuteriumfritiumNeutronHelium 氮1 H 3 H 4 He01n(四)生物質(zhì)能(1)

11、生物質(zhì)能：以生物質(zhì)為載體的能量。(2)來源：生物界一切有生命的可以生長的有機物質(zhì)，包括 動植物和微生物。所有生物質(zhì)都有一定的能量，而作為能源 利用的主要是農(nóng)林業(yè)的副產(chǎn)品及其加工殘余物，也包括人畜 糞便和有機廢棄物。生物質(zhì)能為人類提供了基本燃料。(3)生物質(zhì)能的分類? 一是生物柴油，是用油菜籽、向日葵、油棕楣、大豆、 篦麻等油料作物加工的動力柴油?二是酒精燃料，是從甘蔗、玉米、薯類作物或農(nóng)作物秸 稈中提煉、加工的燃料乙醇。?三是利用牛糞產(chǎn)生 沼氣發(fā)電。它們可替代石油和煤炭等礦物能源，在使用過程中對環(huán)境造成 的污染比較小，被稱為清潔的可再生能源。?優(yōu)點：清潔，節(jié)能，不消耗礦物資源，可再生等。?利用

12、太陽能通過生物質(zhì)制氫是最有前景的制氫途徑生物質(zhì)為可再生資源，通過光合作用進行能量和物質(zhì) 轉(zhuǎn)換，太陽能可以作為產(chǎn)氫的一次能源，降低生物質(zhì)制 燃料成本；在常溫常壓下通過酶的催化作用得到燃料。廣酉隆安的生物油發(fā)電廠（ 五 ） 風(fēng)能（ 1）風(fēng)能： 風(fēng)能 是指空氣的動能。（ 2）風(fēng)能的形成：地球表面接受太陽輻射能的不同，使各地大氣溫度不同，造成 大氣密度和氣壓的差別 從而形成風(fēng)。所以風(fēng)能是由太陽輻射能轉(zhuǎn)化過來的。(4)風(fēng)能的應(yīng)用風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電風(fēng)帆助航風(fēng)力提水風(fēng)力致熱（六）地?zé)崮躣-X、應(yīng)用范圍：發(fā)電、洗浴、取 暖、灌溉等地?zé)崮埽旱厍騼?nèi)部具有的熱能 稱為地?zé)崮埽堑厍虮旧硖N藏 的能量?，F(xiàn)代人們常說的溫泉， 就是人類的祖先在很久以前就 開始利用的一種地?zé)崮?。?yīng)用形式：地下熱水、地?zé)嵴?氣。47（七）海洋能海洋能是指依附在海水中的可再生能 源，包括：潮汐能、波浪能、海洋溫 差能、海洋鹽差能和海流能等，更廣 義的海洋能源還包括海洋上空的風(fēng)能、 海洋表面的太陽能以及海洋生物質(zhì)能 等。海洋能理論上可再生的總量為 766億千瓦。海洋能開發(fā)利 用的方式主要是發(fā)