化學(xué)與能源思考題與習(xí)題解答

1、第十章 化學(xué)與能源思 考 題 與 習(xí) 題 解 答1. 下列說法是否正確？ 如不正確，請說明原因。 （1） 煤的氣化是指在隔絕空氣條件下加強熱，使煤中有機物轉(zhuǎn)化成焦炭和可燃性氣體的過程。答：錯，煤的氣化是指在氧氣不足的條件下進行部分氧化，使煤中有機物轉(zhuǎn)化成可燃性氣體的過程。 （2） 煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生的主要污染物為CO和SO2，石油（汽油）在燃燒過程中產(chǎn)生的主要污染物為CO，因此石油產(chǎn)生的污染比煤炭輕。答：不確切，煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生的主要污染物為SO2、NOx和CO，石油（汽油）在燃燒過程中產(chǎn)生的主要污染物為CO、NOx和HC，相對而言，石油產(chǎn)生的污染比煤炭輕。 （3） 汽油的辛烷值分布在0

2、100之間，并對應(yīng)于汽油的標(biāo)號，80號的汽油表示汽油中含有80%辛烷和20%的其他烴類。答：錯，汽油的辛烷值可衡量汽油的抗震性，并對應(yīng)于汽油的標(biāo)號，80號的汽油表示該汽油的抗震性相當(dāng)于80%異辛烷和20%的正庚烷混合物的抗震性。 （4）為了避免含鉛汽油對大氣的污染，近年來世界各國普遍采用了甲基叔丁基醚 （MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）取代四乙基鉛作汽油添加劑。答：不確切，甲基叔丁基醚 （MTBE）添加劑在某些國家（如美國）已被禁止使用。（5） 發(fā)展核能是解決目前能源危機的重要手段，近年來北歐和我國政府均采取了積極的態(tài)度，加快核電站的建設(shè)。答：不確切，歐美大部分發(fā)達國家，基本上停建核電站或

3、提前關(guān)閉核電站，北歐國家甚至通過立法，要求在2010年前關(guān)閉已有核電站。 （6） 能引起環(huán)境污染的電池主要有鉛蓄電池、鎘鎳電池、氧化汞電池等，由于鋅、錳元素對環(huán)境的危害很小，因此鋅錳電池是無污染電池。答：錯，在生產(chǎn)的鋅錳電池時，為了防止電池中鋅溶解釋放氫氣，常在電池糊狀液中放入氯化汞。 （7） 在燃料電池中并沒有發(fā)生直接的燃燒反應(yīng)，它通過原電池原理不斷的將燃料直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這種電池能量轉(zhuǎn)換效率高，理論上可達100%。答：正確2. 填空題（1） 化石燃料包括 煤、石油和天然氣 ，我國是以 煤 消費為主的國家。 （2） 煤是由古代植物轉(zhuǎn)化而來的，煤的煤化過程包括了 植物殘骸 腐殖質(zhì) 泥煤 褐煤

4、煙煤 無煙煤 階段，若根據(jù)煤化的程度不同可將煤分為 四類，若根據(jù)煤炭中硫的含量不同又可將煤分為 泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤 四類。 （3） 煤的綜合利用方法主要包括 煤的焦化、煤的氣化和煤的液化 。 （4） 為了提高汽油的辛烷值，可采取兩種途徑，一是 直鏈烷烴催化重整變成帶支鏈的烷烴 ，二是 向汽油中添加抗震劑 。 （5） 發(fā)展核電曾被國際上認為是解決電力缺口的重要選擇。但有兩個問題必須引起高度重視：一是 電站的運行安全 ，一是 核廢料的處理 。 （6） 核聚變反應(yīng)比核裂變反應(yīng)作為能源更有發(fā)展前途，但要實現(xiàn)核聚變反應(yīng)發(fā)電，應(yīng)攻克的主要技術(shù)問題是 反應(yīng)有足夠的溫度，能夠控制反應(yīng)速率 。 （7） 堿

5、性鋅錳電池是第三代鋅錳電池。它克服了傳統(tǒng)鋅錳電池 石墨電極極化，電池漏液 的缺點，其特征是 電解液由原來的中性電解液變?yōu)殡x子導(dǎo)電性更好的堿性電解液，負極鋅也由原來的鋅片變?yōu)殇\粉 。 （8） 制約氫能源大規(guī)模應(yīng)用的因素為 廉價制取技術(shù)及氫的安全、方便貯存、運輸 ，最有希望突破的途徑有 熱化學(xué)分解制氫法、光化學(xué)制氫法、太陽能電池電解水制氫法和生物制氫法 。3. 區(qū)別下列概念 （1） 一次能源與二次能源通常把存在于自然界中的可直接利用其能量的能源稱為一次能源；而把必須用其它能源制取或產(chǎn)生的能源稱為二次能源 （2） 再生能源與非再生能源不隨人類的利用顯著減少的能源稱為再生能源，諸如風(fēng)、流水、潮汐、地?zé)?/p>

6、、日光及草木燃燒；而化石燃料和核燃料等隨人類的利用減少的能源稱為非再生能源。 （3） 核聚變與核裂變核聚變反應(yīng)是由兩種輕核結(jié)合成一個重核，同時釋放出巨大能量的變化過程；核裂變反應(yīng)又稱核分裂反應(yīng)，它是用中子（ ）轟擊較重原子核，使之分裂成較輕原子核的反應(yīng)。 （4） 一次電池與二次電池一次電池為放電后不能再重復(fù)使用的電池；二次電池是指電極活性物質(zhì)經(jīng)氧化還原反應(yīng)向外輸出電能（放電）而被消耗之后，可以用充電的方法使活性物質(zhì)恢復(fù)的電池，也稱為可充電電池。 （5） 鋰電池與鋰離子電池鋰電池是用金屬鋰作為負極活性物質(zhì)的電池的總稱, 又稱為鋰原子電池；而鋰離子電池的活性物質(zhì)為鋰離子。在鋰離子電池中正、負極材料

7、為Li+嵌入化合物。在充、放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，被形象地稱為“搖椅電池” （6） 普通鋅錳電池與堿性鋅錳電池早期的普通鋅錳電池是糊式電池，外殼用鋅皮作為負極，NH4Cl、ZnCl2等制成糊狀混合物作電解質(zhì)溶液，MnO2是正極，石墨碳棒起導(dǎo)電作用。糊式鋅錳電池可用下式表示：（）ZnZnCl2，NH4Cl（糊狀）MnO2C ( + )堿性鋅錳電池是第三代鋅錳電池。其重要特征是電解液由原來的中性電解液變?yōu)殡x子導(dǎo)電性更好的堿性電解液，負極鋅也由原來的鋅片變?yōu)殇\粉。堿性鋅錳電池可用下式表示：（）ZnKOH(79molL1)MnO2C ( + ) （7） 煤的氣化與煤的干鎦煤的氣

8、化是指煤在氧氣不足的情況下進行部分氧化，使煤中的有機物轉(zhuǎn)化為含有H2、CO等可燃性氣體的過程，因此煤氣的有效成分主要是H2、CO和CH4等。煤的干餾又稱煤的焦化，是指煤與空氣隔絕加強熱時，煤分解成固態(tài)的焦炭、液態(tài)的煤焦油和氣態(tài)的煤氣（焦?fàn)t氣）的過程。4. 試根據(jù)不同的能源分類方法，對下列能源分類： （1）石油 （2）氫氣 （3）乙醇 （6）沼氣 （7）鋰離子電池 （8）煤 （9）核能 （10）電力 （11）風(fēng)能 （12）潮汐能能源 常規(guī)能源一次能源 新能源 可再生能源（如潮汐能）非再生能源（如煤炭、石油、沼氣、核能）可再生能源（如風(fēng)能）非再生能源二次能源鋰離子電池、乙醇、電力、氫氣、沼氣等5寫

9、出下列幾種電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)方程式）（1） 普通鋅錳電池；鋅錳電池可用下式表示：（）ZnZnCl2，NH4Cl（糊狀）MnO2C ( + ) 接通外電路放電時，負極上鋅進行氧化反應(yīng)Zn(s) Zn2+(aq) + 2e 正極上MnO2發(fā)生還原反應(yīng)2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2e Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O 電池總反應(yīng)為Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(ag) + H2O(l)（2） 堿性鋅錳電池；堿性鋅錳電池可用下式表示：（）ZnKOH(79 molL1)Mn

10、O2C ( + )負極反應(yīng) Zn(s) +2OH(aq) ZnO(s) + H2O(l)+2e正極反應(yīng) MnO2(s) + 2H2O(l) + 2e Mn(OH)2(s) + 2OH(aq) 電池反應(yīng) Zn(s) + MnO2(s) + H2O(l) ZnO(s) + Mn(OH)2(s)（3） 鉛蓄電池；鉛蓄電池可用下式表示：（）PbH2SO4PbO2 ()放電時，反應(yīng)為：負極反應(yīng)Pb(s)+ SO42(aq)PbSO4(s) + 2e正極反應(yīng)PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42(aq) + 2ePbSO4(s) + 2H2O(l)電池反應(yīng)Pb(s) + PbO2(s) + 2H

11、2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)（4） 氫鎳電池；氫鎳電池可用下式表示：TiNi(LaNi)（一） H2KOH NiO(OH)C ( + )放電時，反應(yīng)為：負極反應(yīng) H2(g) + 2OH(aq) 2H2O(l) + 2e 正極反應(yīng) 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) + 2e 2Ni(OH)2(s) + 2OH(aq)電池反應(yīng) H2(g) + 2NiO(OH)(s) 2Ni(OH)2(s)（5） 鋰離子電池；鋰離子電池的符號表達式為： （一）CnLiClO4ECDECLiMO2（）充電放電充放電時，反應(yīng)為：正極反應(yīng)LiMO2 Li1xMO2 xLi+ xe放電

12、充電負極反應(yīng) nC xLi+ xe LixCn充電放電電池反應(yīng) LiMO2nC Li1xMO2 LixCn（6） 堿性氫氧燃料電池。堿性氫氧燃料電池反應(yīng)可由下式表示： （一）CH2KOHO2C （ + ）負極反應(yīng) H2(g) + 2OH(aq) 2H2O(l) + 2e正極反應(yīng) O2(g) + 2H2O(l) + 4e4OH(aq)電池反應(yīng) 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)6. 煤和由煤與水蒸氣反應(yīng)（C（s）+H2O（g） = H2（g）+CO（g）而得的水煤氣（CO與H2等物質(zhì)量的混合物）都可用做燃料，設(shè)煤含碳80%，其余可燃成份忽略不計。試通過計算說明，在實際應(yīng)用中以水煤氣代替

13、煤作燃料的優(yōu)缺點。（提示：在任何能量轉(zhuǎn)換過程中，總會有一些能量變成熱而擴散到環(huán)境中。例如，欲往某體系輸入 kJ的熱量，實際上提供的熱量要遠多于x kJ）。解：1mol純煤完全燃燒放出熱量為：C（s）+ O2（g）= CO2（g） /(kJ.mol1) 0 0 393.511 = 393.51 0 0 = 393.51 kJ.mol11mol純煤轉(zhuǎn)化為水煤氣，然后完全燃燒放出的熱量由下列反應(yīng)實現(xiàn)：（1） C（s）+ H2O（g） = H2（g）+CO（g） /(kJ.mol1) 0 241.82 0 110.525 = 110.525 (241.82) 0 = 131.295 kJ.mol1（2

14、） CO（g）+ 1/2 O2（g）= CO2（g） /(kJ.mol1) 110.525 0 393.51,2 = 393.51 (110.525) 0 = 282.985 kJ.mol1（3） H2（g） + 1/2 O2（g） = H2O（g） /(kJ.mol1) 0 0 241.82 ,3 = 241.82 0 0 = 241.82 kJ.mol1 = fH m,1 + fH m,3 + fHm,3 = 131.295 + (282.985) + (241.82) = 393.51 kJ·mol1由計算可見兩種方法釋放的反應(yīng)熱相同。但是在實際應(yīng)用中，由于煤與水蒸氣反應(yīng)的轉(zhuǎn)化

15、率不可能達到百分之百，同時能量的轉(zhuǎn)換過程中，總會有一些能量變成熱而擴散到環(huán)境中，因此實際上由煤轉(zhuǎn)化成水煤氣燃燒所放出的熱量要遠小于單純煤燃燒放出的熱量。但是由于水煤氣燃燒過程中沒有SO2的污染發(fā)生，因此其燃燒過程要比煤的燃燒過程潔凈的多。7某天然氣的體積百分組成為：CH4 85.0%，C2H6 10.0%，其余為不可燃組分。 氣體的溫度為298K，壓力為111kPa， 試計算燃燒1.00 m3 這種天然氣的rH298 是多少？ 解：1.00 m3天然氣，CH4 和C2H6分別占有的體積為： CH4 ：1.00 × 85.0% = 0.85 m3 C2H6：1.00 × 10

16、.0% = 0.10 m3根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程 PV=nRTCH4 和C2H6的物質(zhì)的量分別為：CH4 ：n= PV / RT = 111× 0.85 × 1000/ (8.314× 298 ) =38.08 molC2H6：n= PV / RT = 111× 0.10 × 1000/ (8.314× 298 ) =4.48 molCH4燃燒放出的熱量: CH4（g）+ 2 O2（g）= CO2（g）+ 2H2O（g） /(kJ.mol1) 74.85 0 393.51 241.82 = (393.51) + 2× ( 24

17、1.82) (74.85) 0 = 802.30 kJ.mol1 = n rH m = 38.08 × (802.30) = 30551.58 (kJ)C2H6燃燒放出的熱量: C2H6（g）+ 5/2 O2（g）= 2CO2（g）+ 3H2O（g） /(kJ.mol1) 83.68 0 393.51 241.82 = 2×(393.51) + 3×( 241.82) (83.68) 0 = 1428.8 kJ.mol1 = n = 4.48 × (1428.8) = 6401.02 kJ1.00 m3這種天然氣的 298298 = = + =(3055

18、1.58) + ( 6401.02) = 36952.60 kJ答：燃燒1.00 m3這種天然氣的 298 是 36952.60 kJ。8. 計算1m3煤氣（100kPa，273K）燃燒時所放出的熱量，已知煤氣組成為組分CO2C3H8O2COH2CH4N2含量/%4.04.00.55.030.552.04.5解：1.00 m3煤氣，C3H8、CO、 H2 、CH4分別占有的體積為： 0.04 m3 、0.05 m3 、0.305 m3 、0.520 m3 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程 PV=nRTC3H8、CO、 H2 、CH4的物質(zhì)的量分別為：C3H8 ：n= PV / RT = 100×

19、 0.04 × 1000/(8.314× 273 ) =1.76 molCO： n= PV / RT = 100× 0.05 × 1000/(8.314× 273 ) = 2.02 molH2 ： n= PV / RT = 100× 0.305× 1000/(8.314× 273 ) =13.44 molCH4 ： n= PV / RT = 100× 0.52 × 1000/(8.314× 273 ) =22.91 mol100kPa 和298.15K下C3H8（g）、CO（g）、 H

20、2（g） 、CH4（g）的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 /(kJ.mol1)分別為:2220.0、 282.985 、241.82、890.3. 1.00 m3煤氣燃燒放出的熱量為：(2220.0) ×1.76 + (282.985) ×2.02 + (241.82)×13.44 + (890.3)×22.91 = 28125.7 kJ答：1m3煤氣（100kPa，273K）燃燒時所放出的熱量為28125.7 kJ。9. 某油田原油的組成如下，計算此原油的燃燒熱值是多少（kJ·kg1）?組分CHONS灰分水分含量/%86.0412.140.540.200.150

21、.030.7解：設(shè)原油的組成為 CnHmOxNyS z,則燃燒反應(yīng)為：CnHmOxNySz（l）+(2n + m/2 + 2y + 2z x) /2 O2（g）= nCO2（g）+ (m/2) H2O（g）+ y NO2（g）+ z SO2（g）每kg原油含 C、H、N、S的物質(zhì)的量分別為：C: ( 1000× 0. 8604) / 12 = 71.7 mol H: ( 1000× 0. 1214 ) / 1 = 121.4 mol N: ( 1000× 0.0020 ) / 14= 0.01429 mol S: ( 1000× 0.0015) 32 =

22、 0.0469 mol原油燃燒熱值為： n（CO2）+ m/2（H2O）+y（NO2）+ z（SO2）=71.7×(393.51)+ 121.4 /2×( 241.82) + 0.01429×(+33.18) + 0.0469×(297.04)= 42882.45 (kJ·kg1)答：此原油的燃燒熱值是 42882.45 kJ·kg1。10一座每年發(fā)電量為1.0×106 kW的大型發(fā)電站，每年要耗標(biāo)準(zhǔn)煤3.5×106t ，（標(biāo)準(zhǔn)煤的高發(fā)熱值為30×106 J· 1） 試問同樣規(guī)模的核電站，每年需

23、要核燃料鈾235多少kg？秦山核電站某機組裝機容量為3×105 kW，每年需要核燃料鈾235多少kg?解：煤燃燒放出的總熱量為：3.5×106t×30×106 J·t1 = 1.05×1014 J設(shè)每克鈾235裂變釋放8.1×107 kJ·g 1則釋放1.05×1012 kJ熱量，需要鈾235為：（1.05×1014）/（8.1×107） = 1.29×106 g =1290×106 kg秦山核電站某機組裝機容量為3×105 kW, 需要鈾235為:(3×105) / ( 1×10) ×1.29×106= 3.87×105 g =387 kg答：發(fā)電量為1.0×106 kW的核電站每年需要核燃料鈾235為1290×106 kg；機組裝機容量為3×105 kW，每年需要核燃料鈾235為387kg11. 鐳的放射性衰變反應(yīng)為： 88226Ra 86222Rn + 24He試計算若1mol Ra鐳226放射性衰變釋放出來的能量為多少kJ？（已知，,的摩爾質(zhì)量分別為：4.0015g·mo11，