能源化學(xué)(科普版)

1、 能源消費(fèi)水平的高低，是衡量一個(gè)國能源消費(fèi)水平的高低，是衡量一個(gè)國家在一定時(shí)期內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平的重要家在一定時(shí)期內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。標(biāo)志。能能 源源能源概述能源概述常規(guī)能源常規(guī)能源新新 能能 源源化學(xué)電池化學(xué)電池2.1 能能 源源 概概 述述 能源是指能夠轉(zhuǎn)換成熱能、光能、電磁能、能源是指能夠轉(zhuǎn)換成熱能、光能、電磁能、機(jī)械能、化學(xué)能等各種能量形式的資源。機(jī)械能、化學(xué)能等各種能量形式的資源。 能源的形式有多種，如燃料、核能、太陽能、能源的形式有多種，如燃料、核能、太陽能、水力、地?zé)?、風(fēng)能、潮汐能等等。水力、地?zé)?、風(fēng)能、潮汐能等等。 能源的分類很多能源的分類很多: : 一次能源；二次能

2、源。一次能源；二次能源。 常規(guī)能源；新能源。常規(guī)能源；新能源。風(fēng) 能三 峽 水 電站地?zé)岚l(fā)電廠2.2 常常 規(guī)規(guī) 能能 源源2.2.1 煤炭煤炭 1. 煤的發(fā)熱量：單位質(zhì)量的煤完全燃燒所能使放煤的發(fā)熱量：單位質(zhì)量的煤完全燃燒所能使放 出的最大熱量。衡量燃料作為能源的一個(gè)指標(biāo)。出的最大熱量。衡量燃料作為能源的一個(gè)指標(biāo)。 通常煤完全燃燒所能放出的發(fā)熱量為通常煤完全燃燒所能放出的發(fā)熱量為30 kJg-1缺點(diǎn)缺點(diǎn): :a.a.固體燃料，燃燒速率慢，利用效率低，運(yùn)輸不變。固體燃料，燃燒速率慢，利用效率低，運(yùn)輸不變。b.b.燃燒時(shí)產(chǎn)生有毒氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生有毒氣體(SO2， SO3，CO)，污染大氣。污染大氣

3、。 褐煤是質(zhì)地最差、發(fā)熱量最低的一類煤，但它可以提煉成焦炭、煤焦油和焦?fàn)t氣卻是極好的化工原料。塑料和染料就是的褐煤“作品”。2.2. 煤的氣化煤的氣化：C(s) + H2O (g) = CO (g) + H2 (g) ； Hm ( 298.15K ) = 131.3kJ.mol-1 C (s) + O2 (g) = CO2 (g) Hm (298.15K) = - 393.5kJ.mol-1 CO (g) + H2 (g) = CH4 (g) + H2O (l) Hm (298.15K) = - 250.2kJ.mol-1人工合成天然氣人工合成天然氣(1) (1) 直接液化法：將煤在高溫，高壓

4、和催化劑存在直接液化法：將煤在高溫，高壓和催化劑存在 下加氫液化的方法。下加氫液化的方法。(2) (2) 間接液化法：先將煤氣化，然后再合成液體燃間接液化法：先將煤氣化，然后再合成液體燃 料的方法。料的方法。3.3.煤的液化：通過化學(xué)反應(yīng)改變煤炭中的碳?xì)浔壤?，煤的液化：通過化學(xué)反應(yīng)改變煤炭中的碳?xì)浔壤?使煤變成較輕的液態(tài)碳?xì)浠衔铩Ｊ姑鹤兂奢^輕的液態(tài)碳?xì)浠衔铩?.2.2 石油和天然氣石油和天然氣1.石油：多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。既是?yōu)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 脫水脫鹽 分餾 精制汽油中最有代表性的是辛烷C8H18 催化裂解：催化裂解： C16H34

5、C8H18 + C8H16分流塔示意分流塔示意圖圖石油鉆井平臺(tái)2.天然氣：一種低分子量烴類混合物。 優(yōu)制的氣體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 核能是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)放出的能量，核能是一種優(yōu)質(zhì)能源，能量密度大，便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。核能分為核裂變能與核聚變能。 E = m c2E：表示系統(tǒng)能量改變量；表示系統(tǒng)能量改變量； m：表示系統(tǒng)質(zhì)量改變量；表示系統(tǒng)質(zhì)量改變量；c：表示光速：表示光速( 3 1

6、0 8 m s-1 )。愛因斯坦公式愛因斯坦公式1. 核裂變能核裂變能 _ _ 在中子在中子(10n)轟擊下使較重的原子轟擊下使較重的原子核分裂成較輕的原子核的反應(yīng)所放出的能量。核裂核分裂成較輕的原子核的反應(yīng)所放出的能量。核裂變反應(yīng)是目前所有運(yùn)轉(zhuǎn)的核電站的基礎(chǔ)。變反應(yīng)是目前所有運(yùn)轉(zhuǎn)的核電站的基礎(chǔ)。n2SrXeUnU10953813954236921023592 裂變產(chǎn)物非常復(fù)雜，已知至少有裂變產(chǎn)物非常復(fù)雜，已知至少有35種元素（從種元素（從 30Zn 到到 64Gd ）。1g U-235 放出的能量為放出的能量為 8 107 kJ核裂變產(chǎn)物大多具有放射性。核裂變產(chǎn)物大多具有放射性。核電站工作原

7、理示意圖核電站工作原理示意圖原子彈構(gòu)造示意圖原子彈構(gòu)造示意圖2. 2. 核聚變能核聚變能 _ _ 輕原子核在異常高的溫度下輕原子核在異常高的溫度下（約（約10 8 C）聚合成較重原子核時(shí)，放出的巨大）聚合成較重原子核時(shí)，放出的巨大能量。能量。 核聚變能比核裂變能威力大的多核聚變能比核裂變能威力大的多, ,它是一種它是一種最理想的清潔能源，是開發(fā)核能的主攻方向。最理想的清潔能源，是開發(fā)核能的主攻方向。nHeHH10423121 9.3.2 太太 陽陽 能能 太陽能的利用：1. 光光_熱轉(zhuǎn)換熱轉(zhuǎn)換：通過聚光器或集熱器將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成熱能。2. 光光_電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換：利用太陽能光電池的半導(dǎo)體效應(yīng)

8、將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為直流電。3. 光光_化學(xué)轉(zhuǎn)換化學(xué)轉(zhuǎn)換：利用太陽光能將CO2和H2O轉(zhuǎn)換成碳水化合物和O2。核聚變能核聚變能e2HeH4014211 衛(wèi)星升空后太陽照射在衛(wèi)星的太陽能電池上，太陽能代替蓄電池成為永不枯竭的能源。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡2.3.3 氫氫 能能氫能是指以氫作為燃料時(shí)釋放出來的熱能。1. 1. 氫氣的制取氫氣的制取(1)電解法電解法：借助電能使水分解產(chǎn)生氫氣。(2)光催化分解法光催化分解法：使用半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的催化體系，利用太陽光直接分解水。(3)光合作用光合作用：借助某些特殊植物，利用光合作用 將水轉(zhuǎn)變?yōu)闅洹?. 2. 氫氣的儲(chǔ)存氫氣的儲(chǔ)存 氫氣的密度很低，運(yùn)輸和儲(chǔ)存較為不

9、易，目前最理想的儲(chǔ)氫方法是利用金屬氫化物。 LaNi5 + 3H2 LaNi5H6微熱微熱 (200 - 300)KPa3. 3. 氫氣的利用氫氣的利用 氫氣燃燒溫度高，燃燒純凈，是一種優(yōu)良的燃料，同時(shí)可利用氫氧燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能使用。BMW氫能7系由能夠使用氫燃料和汽油雙燃料驅(qū)動(dòng) 9.4 化化 學(xué)學(xué) 電電 池池 化學(xué)電池是以氧化劑作正極化學(xué)電池是以氧化劑作正極, , 還原劑作負(fù)還原劑作負(fù)極極, , 在一定介質(zhì)條件下在一定介質(zhì)條件下, ,利用自發(fā)進(jìn)行的氧化利用自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)還原反應(yīng), , 將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。9.4.1 化學(xué)電池的分類化學(xué)電

10、池的分類一次電池（原電池）一次電池（原電池）二次電池（充電電池）二次電池（充電電池）燃料電池燃料電池1. 一次電池一次電池 活性物質(zhì)放電后不能再生、充電的電池?；钚晕镔|(zhì)放電后不能再生、充電的電池。根據(jù)電解質(zhì)類型分為酸性和堿性兩類。根據(jù)電解質(zhì)類型分為酸性和堿性兩類。 (1)酸性鋅錳干電池酸性鋅錳干電池(-) Zn | ZnCl2, NH4Cl(糊狀糊狀) | MnO2 | C (+)(2)(2)堿性鋅錳干電池堿性鋅錳干電池鋅錳電池不同的負(fù)極結(jié)構(gòu)，鋅錳電池不同的負(fù)極結(jié)構(gòu)，負(fù)極由鋅片改為鋅粉，外殼負(fù)極由鋅片改為鋅粉，外殼改用鋼皮，正極仍用石墨和改用鋼皮，正極仍用石墨和二氧化錳。二氧化錳。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)

11、用人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用KOH電解電解質(zhì)溶液代替質(zhì)溶液代替NH4Cl做電解質(zhì)做電解質(zhì)時(shí)，無論是電解質(zhì)還是結(jié)構(gòu)時(shí)，無論是電解質(zhì)還是結(jié)構(gòu)上都有較大變化，電池的比上都有較大變化，電池的比能量和放電電流都能得到顯能量和放電電流都能得到顯著的提高。著的提高。僅根據(jù)僅根據(jù)1995年統(tǒng)計(jì)資料表年統(tǒng)計(jì)資料表明，全世界干電池總產(chǎn)明，全世界干電池總產(chǎn)量為量為250億只，其中堿億只，其中堿錳電池為錳電池為70億只。億只。我國堿錳電也總產(chǎn)量近我國堿錳電也總產(chǎn)量近3億只，僅占干電池總產(chǎn)億只，僅占干電池總產(chǎn)量的量的3%，預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)5年內(nèi)將年內(nèi)將提高到提高到10%15。(3)鋅汞電池鋅汞電池 (-) Zn (Hg) | KOH(糊

12、狀糊狀,含飽和含飽和ZnO) | HgO | Hg(+) 絕緣體鋼套的鋅殼多孔隔離物Zn(OH)2 和HgO在KOH溶液中的糊狀物Hg (或汞齊)總反應(yīng)式: Zn+HgOZnO+Hg 鋅汞電池主要用于自動(dòng)曝光照相機(jī)助聽器醫(yī)療儀器中。由于電池中大量使用氧化汞,用完后隨意丟棄會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境,故其生產(chǎn)及使用范圍正在趨向縮小部分正被鋅銀電池所取代。(4) 鋰碘電池鋰碘電池 心臟起搏器的電池提供電能心臟起搏器的電池提供電能進(jìn)行工作。進(jìn)行工作。 起搏器對(duì)心臟的每次起博都起搏器對(duì)心臟的每次起博都不允許失敗，要求電池全部不允許失敗，要求電池全部時(shí)間都在工作，絕不允許電時(shí)間都在工作，絕不允許電流有停頓。流有停頓

13、。 另外，電池植入人體內(nèi)，要另外，電池植入人體內(nèi)，要求特別穩(wěn)定，里面的化學(xué)物求特別穩(wěn)定，里面的化學(xué)物質(zhì)不會(huì)泄漏，壽命長，重量質(zhì)不會(huì)泄漏，壽命長，重量輕，體積小。現(xiàn)在心臟起搏輕，體積小。現(xiàn)在心臟起搏器中使用的是鋰器中使用的是鋰-碘電池碘電池(其其中用鋰做電極，碘做電解質(zhì)中用鋰做電極，碘做電解質(zhì))，它的使用壽命是它的使用壽命是10年左右。年左右。 (-) Li | LiI | I2(不銹鋼不銹鋼)(+)陰極材料陽極柵網(wǎng)不銹鋼外殼密封接線柱封接口 2. 2. 二次電池二次電池 活性物質(zhì)具有充放電可逆性活性物質(zhì)具有充放電可逆性, ,放電使用放電使用完可充電再生，循環(huán)使用。完可充電再生，循環(huán)使用。 (1

14、)鉛蓄電池鉛蓄電池 (-) Pb | H2SO4(1.251.30gcm-3) | PbO2 (+)(2)鎳氫電池鎳氫電池 (-) C | H2 | KOH | NiOOH (+)(3)鈉硫電池鈉硫電池 (-) Na | Al2O3 | S+Na2Sx | C (+) 鈉硫電池具有許多鈉硫電池具有許多特色之處：一個(gè)是特色之處：一個(gè)是比能量（即電池單比能量（即電池單位質(zhì)量或單位體積位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能所具有的有效電能量）高。其理論比量）高。其理論比能量是鉛酸電池的能量是鉛酸電池的3-4倍；另一個(gè)是倍；另一個(gè)是可大電流、高功率可大電流、高功率放電。再一個(gè)是充放電。再一個(gè)是充放電效率高。放電效率高。 鈉硫電池開始作為電動(dòng)汽車用的動(dòng)力電池發(fā)展，無論從使用可提供的空間、電池本身的安全等方面均有一定的局限性。國外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場合下（如電站儲(chǔ)能），其應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平（即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲(chǔ)在電池里，到白天用電高峰時(shí)再從電池中釋放出來）、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等。3.3.燃料電池燃料電