《工程化學基礎》第4章-自用版

1、1第四章第四章 化學反應與能源化學反應與能源工程化學基礎2內 容 提 要 化學反應的實質是分子等結合態(tài)單元中的原子，在空間范圍和時間進程中經(jīng)過不同狀態(tài)，重新排列組合成新的分子等原子結合態(tài)單元。在這些化學反應中，反應物和生成物之間除了遵守質量守恒定律之外，還或多或少地伴有能量的變化。 本章主要討論： (1) 化學反應中的能量變化，預測化學反應進行的方向、程度(熱力學)； (2) 討論化學反應速率、影響化學反應速率的因素以及如何改變反應速率(動力學)； (3) 探討化學能的開發(fā)與利用等問題。3目 錄4. 1 熱化學與能量轉化4. 2 化學反應的方向和限度4. 3 化學平衡和反應速率4. 4 氧化還

2、原反應和能源的開發(fā)和利用44. 1 熱化學與能量轉化熱化學與能量轉化 1. 理解反應物和生成物的物質的量、聚集狀態(tài)、壓力、濃度、溫度等因素決定了化學反應系統(tǒng)的狀態(tài)，每一個確定的狀態(tài)有確定的能量；明確 H，U 分別是系統(tǒng)在等壓或等容過程中始態(tài)與終態(tài)的原子和分子等原子結合態(tài)單元總能量的改變。 2. 掌握能量守恒和轉化關系式 U = U2 U1 = Q + W 中的各符號名稱、意義和正負值的確定。 3. 明確 Qp，QV，f Hm，r Hm ，r Hm 等各符號的名稱、意義。 4. 掌握 r Hm (298. 15 K) 的計算，明確 r Hm (T)r Hm (298. 15 K) 的應用。 學學

3、 習習 要要 求求5HH：焓，total heatUU：內能，熱力學能pVTSGG：自由能，吉布斯函數(shù)S：熵，混亂度p、V、T：壓力、體積、溫度化學變化中的能量變化6一、熱化學能的變化一、熱化學能的變化 熱力學能熱力學能 U 是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，只要溫度 T、壓力 p、體積 V 和物質的量 n 等狀態(tài)因素被確定時，U 值就被確定。 熱力學能以前稱內能，符號為U；單位（J 或 kJ）。7U (Q + W) = 0 或 U = Q + W (4. 1)熱力學第一定律熱力學第一定律又稱能量守恒定律熱力學第一定律焦耳等人發(fā)現(xiàn)的Q 稱為熱稱為熱W 稱為功稱為功與途徑（或過程）有關8W =

4、 pV + W Q 0，表明系統(tǒng)對環(huán)境吸熱；Q 0，系統(tǒng)接受環(huán)境作功；W 0，自發(fā)；，自發(fā)； S孤孤 = 0，平衡；，平衡； S孤孤 0，非自發(fā)。，非自發(fā)。 一個孤立體系自發(fā)過程總是朝著熵增加的方向進行，這叫做熵增加原理熵增加原理。二、熵變熵變 S392. 標準摩爾熵和標準摩爾熵變計算標準摩爾熵和標準摩爾熵變計算 在絕對零度時，任何完美理想晶體的熵值等于零，即 S* (0 K) = 0 。 規(guī)定 1 mol 物質在標準狀態(tài)下的熵稱標準摩爾熵，用 Sm (B, T ) 表示，單位為 Jmol1K1。 水合離子的標準摩爾熵 f Sm (B, aq)，也是以氫離子的 f Sm (H+, aq) =

5、0 為基準而求得的相對值。 標準摩爾熵標準摩爾熵40)B(mBBmrSvS r Sm = y Sm (Y) + z Sm (Z)p Sm (P) + q Sm (Q)或(4. 6)p P + q Q = y Y + z Z或對任一反應：標準摩爾熵變計算標準摩爾熵變計算41例4. 6 計算 298. 15 K 、標準狀態(tài)下反應 CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 的標準摩爾反應熵 r Sm 。解：CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)Sm / (Jmol1K1) 91. 7 38. 1 213. 8= 1 Sm (CaO, s) + 1 Sm (CO2, g) + (1)

6、 Sm (CaCO3, s)= 38. 1+ 213. 8 91. 7 Jmol1K1= 160. 2 Jmol1K1)B(mBBmrSvS421. 化學反應的方向和限度三、吉布斯函數(shù)變三、吉布斯函數(shù)變 G根據(jù) rG 就可判斷任何一個反應：r G0 反應自發(fā)進行；r G = 0 反應進行到極限，達到平衡；r G0 反應不能進行。432. 標準摩爾生成吉布斯函數(shù)變 f Gm 與 標準摩爾吉布斯函數(shù)變 r Gm 在溫度 T 及標準狀態(tài)下，由指定單質的元素生成 1 mol 物質 B 時反應的標準摩爾吉布斯函數(shù)變，稱為該物質 B 的標準摩爾生成吉布斯函數(shù)變，符號為標準摩爾生成吉布斯函數(shù)變，符號為 f

7、Gm (B, T)，單位為，單位為 kJ mol 1。44在標準狀態(tài)下所有指定單質f Gm (B) = 0 kJmol1規(guī)定水合離子f Gm (H+, aq) = 0)B(K) 298(mfBBmrGvG對任一化學反應 45例4. 7 計算反應 2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g) 在 298. 15 K 時的標準摩爾反應吉布斯函數(shù)變 r Gm ，并判斷此時反應的方向。 解： = 251. 3 287. 6 kJmol1= 72. 6 kJmol1 0)B(mfBBmrGvG2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g)f Gm (B)/ (kJmol1) 87. 59

8、0 51. 3所以此反應向正向進行。 46例4. 8 BaCl2 是鋼鐵處理中常用的高溫鹽浴劑。長期使用會產生 BaO 有害成分。能否用 MgCl2 脫除 BaO？ 解： BaO(s) + MgCl2 (s) = BaCl2 (s) + MgO (s) f Gm (B)/ (kJmol1) 525. 1 591. 8 810. 4 569. 3= (810. 4 569. 3) (525. 1591. 8) kJmol1 = 262. 8 kJmol10 結論，加入 MgCl2 能使 BaO 轉化成 BaCl2 而脫除。 )B(K) 298(mfBBmrGvG473. 任意條件下的吉布斯函數(shù)變

9、 r G(1) 任意溫度 T 下的標準摩爾吉布斯函數(shù)變rGm (T)由于 r Hm (T) r Hm (298. 15 K) 和 r Sm (T) r Sm (298. 15 K)我們可以根據(jù)r Gm (T) = r Hm (T) Tr Sm (T)將 298. 15 K 的 r Hm 和 r Sm 值代入其中，則有：rGm (T) r Hm (298. 15) Tr Sm (298. 15)(4. 8)48例4. 9 估算反應 CaCO3(s) CaO (s) + CO2(g) 在標準狀態(tài)下的最低分解溫度。首先分析題意要求，要使 CaCO3 (s) 分解反應進行，須 r Gm 0，即 r H

10、m T r Sm 0， 解： 先分別求出 r Hm (298 K) 和 r Sm (298 K)，再根據(jù)式(4. 8) ，求出分解溫度 T。= (634. 9) + (393. 5 (1 207. 6) kJmol1= 179. 2 kJmol1)B(K) 15 .298(mfBBmrHvH49= (38. 1 + 213. 8 91. 7 ) Jmol1K1= 160. 2 Jmol1K1179. 2103 Jmol1 T 160. 2 Jmol1K1 0所以，298. 15 K 時在空氣中 CaCO3(s) 不能自發(fā)進行分解反應。 55若要使CaCO3 (s) 在空氣中能自發(fā)進行分解反應，

11、需 r Gm (T) 0，即r Gm (T) = r Gm (T) + RT lnQ 0r Gm (T) = r Hm (T) T r Sm (T) r Hm (298. 15 K) T r Sm (298. 15 K) =179. 2 T 160. 2103 ( kJmol1) r Gm(T) = 179. 2 T 160. 2103 + 8. 314 Jmol1K1 103 kJJ1 T ln0. 0003 = 179. 2 0. 1602 T 0. 0674 T = 179. 2 0. 2276 T 0 所以K 3 .7872276 . 02 .179T56例4. 12 試問常溫下金屬鋅

12、的制件在大氣中能否被空氣氧化，發(fā)生氧化在理論上要求氧的最低壓力是多少？ 解： (1) 設鋅為純鋅，取溫度為 25，并假定大氣為干燥空氣，此時氧的壓力為0. 21100 kPa Zn(s) + O2(g) = ZnO(s) f Hm / (kJmol1) 0 0 350. 5Sm / (Jmol1K1) 41. 6 205. 2 43. 7f Gm / (kJmol1) 0 0 320. 5 57r Hm = 350. 5 kJmol1，r Sm = 100. 53 Jmol1K1r Gm (298. 15) = r Hm (298. 15) T r Sm (298. 15)= (350. 5)

13、 kJmol1 298. 15 K (100. 53) Jmol1K1 103 kJJ1= 320. 52 kJmol1= 318. 6 kJmol1 = 320. 53 kJmol1 + 8. 314 Jmol1K1 103 kJJ1 298. 15 K ln (0. 21)1/2r Gm 15000 atm 時， r Gm(298.15 K) 0石墨 2.25 g/cm3金剛石 3.51 g/cm3733. 溫度的影響 根據(jù)mrmrmrlnKRTSTHGRSRTHKmrmrln無相變時有RSRTHK)15 .298()15 .298(lnmrmr74表4. 1 反應 C(s) + CO2(

14、g) 2 CO(g) 的 K 與 T 的關系 T / K 773. 15 873. 15 973. 15 1073. 15K 3. 24103 7. 6102 0. 89 6. 6T / K 473. 15 573. 15 673. 15 773. 15K 41. 3102 3. 87103 1. 71041. 4105表4. 2 反應 N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 的 K 與 T 的關系 75 若反應在 T1 和 T2 時的平衡常數(shù)分別為 K1 和 K2 ，則近似地有： RSRTHKmr1mr1lnRSRTHKmr2mr2ln兩式相減有： 21mr221111)()(ln

15、TTRHTKTK(4. 12 )761/TRSRTHKmrmrlnln K rHm 0吸熱反應不同熱效應時 ln K 與 1/T 關系圖77平衡常數(shù) K =126，判斷反應在 800 K 時的平衡常數(shù)有什么變化？并說明溫度升高對此反應的平衡的影響。 例4. 14 反應 CO(g) + H2O(g)CO2(g) + H2(g)在 500 K 時，解： 設 f Hm 不隨溫度變化fHm / (kJmol1) 110. 5 241. 8 393. 5 0 CO(g) + H2O(g)CO2(g) + H2(g) r Hm = (393. 5) (110. 5) (241. 8) kJmol1 = 4

16、1. 2 kJmol1 該正反應為放熱反應，其逆反應則為吸熱反應。從式(4. 12)可定性判斷溫度升高，其平衡常數(shù) K 是減小的，平衡向著減少生成物的方向移動。 78如果要進一步計算 800 K 時的 K ，可按（4. 12）估算如下： 21mr221111)()(lnTTRHTKTK80015001314 . 8102 .41126ln32KK2 = 3. 12 由計算知，溫度升高，K 變小，表明溫度升高平衡向生成反應物方向移動。 79的標準平衡常數(shù)，并簡單說明它們在滲碳過程中的意義。 例 4. 15 化學熱處理中高溫氣相滲碳中存在這樣的反應：2 CO(g)C(s) + CO2(g)試分別計

17、算 298. 15 K 和 1 173 K 時解： (1) f Hm (298. 15 K)/(kJmol1) 110. 5 0 393. 5 Sm (298. 15 K)/(Jmol1K1) 197. 7 5. 74 213. 8 r Hm (298. 15 K) = (393. 5) 2(110. 5) kJmol1 = 172. 5 kJmol1 r Sm (298. 15 K) = (213. 8 + 5. 74) 2197. 7 Jmol1K1 = 175. 9 Jmol1K12 CO(g)C(s) + CO2(g)80298. 15 K 時 r Gm = 172. 5 298. 1

18、5 (175. 9103) kJmol1ln K = r Gm (298. 15 K)/ RTK = 1. 101021 1 173 K 時： r Gm (1 173 K) = (172. 5)1 173(175. 9103) kJmol1= 33. 8 kJmol1= 120. 1 kJmol1= 120. 1103 Jmol1/(8. 314 mol1K1 298. 15 K) = 48. 45ln K = r Gm (1 173 K)/ RT= (33. 8)103 Jmol1/(8. 314 Jmol1K11 173 K) = 3. 466 K 3. 12102 81 高溫時平衡反應強

19、烈地向左移動，但達到平衡時仍有相當多可計量的 C 滲入，而且高溫有利于反應速率加快，有利于平衡的到達。 雖然低溫時有利于 CO 分解，但其反應速率很慢。若溫度比 1 173 K 還高，則可滲入的碳量就很少，相反會有利于脫碳，這也是不合適的。所以熱力學的估算為確定最佳滲碳工藝提供了理論依據(jù)。 結論：824. 勒夏特列原理 當體系達到平衡后，若改變平衡狀態(tài)的任一條件（如濃度、壓力或溫度），平衡就向著能減弱這個改變的方向移動。 必須注意，勒夏特列原理僅適用于平衡系統(tǒng)，但理想的平衡系統(tǒng)是不存在的，而近似的平衡系統(tǒng)卻普遍存在。1884年，法國化學家勒夏特列（Le. Chatlien）831. 化學反應速

20、率 對于任一化學反應 BBB0反應進度 d BBn反應的轉化速率 dd t反應速率 V四、化學反應速率和催化劑四、化學反應速率和催化劑 84tctVnVd)B(d1dd1BBB速率單位： molL1s1時間單位： s (秒)， min (分)，h (小時) 或 a (年) 濃度單位： moldm3 B： 計量數(shù)dc(B) ：濃度變化 85tcd)Y(dtcd)P(d圖4-4 反應物或產物濃度隨時間的變化曲線 tc時間c(Y)c(P)某時刻的反應速率瞬時反應速率Otcd)Y(dtcd)P(dtc時間c(Y)c(P)O86化學反應的速率正比于反應物濃度之積。1836 年，瓦格（Woage, P.）

21、等質量作用定律例如：反應 pP + qQ = yY + zZ 正= k正c p (P) c q (Q)逆= k逆c y (Y) c z (Z)87半衰期(t1/2)，即反應物消耗一半所需的時間。60Co 的 t1/2 = 5. 2年14C 的 t1/2 = 5 730 年238U 的 t1/2 = 4. 5109 年232Th 的 t1/2 = 1. 41010 年14C 常用于文物的年代測定238U 常用于地球的年齡測定232Th 是半衰期最長的同位素60Co 是醫(yī)用放射性同位素例如半衰期88碰撞理論 只有具有足夠能量的反應物分子的碰撞才有可能發(fā)生反應。這種能夠發(fā)生反應的碰撞叫有效碰撞有效碰

22、撞。 發(fā)生反應的有效碰撞的分子，還必須沿著特定的方向碰撞。 那些具有足夠高能量，能發(fā)生有效碰撞的分子稱為活化分子活化分子，要使普通分子成為活化分子所需最小能量稱為活化能活化能。2. 活化分子和活化能 89OCONO過渡態(tài)理論 具有足夠能量的分子彼此以適當?shù)目臻g取向相互靠近到一定程度時，會引起分子或原子內部結構的連續(xù)性變化，使原來以化學鍵結合的原子間的距離變長，而沒有結合的原子間的距離變短，形成了過渡態(tài)的構型，稱為活化絡合物活化絡合物。例如：活化絡合物(過渡態(tài))反應物(始態(tài))生成物(終態(tài))OCNOO+OCONO+90A+BCAB + CEa1abcEa2r Hm圖4-5 反應途徑的能量變化反應歷

23、程能量Ea2：逆反應活化能Ea1：正反應活化能r Hm = Ea1Ea2ABC活化配合物O913. 提高反應速率的措施 1889年，阿侖尼烏斯(S. Arrhenius，瑞典)ARTEklnlnaA ： 指前因子（又稱頻率因子） A 與溫度、濃度無關，僅與反應有關R ： 摩爾氣體常數(shù)T ： 熱力學溫度Ea： 活化能阿侖尼烏斯方程： 92若已知反應的活化能，lnk1 = Ea /RT1 + lnA在溫度 T2 時有： lnk2 = Ea/RT2 + lnA兩式相減得： 21a2111lnTTREkk在溫度 T1 時有：上式定量地表明： (1) 反應速率常數(shù) k 與反應時的溫度有關。因為活化能一般

24、是正值，所以若溫度增加，k 值增加。93例4. 16 根據(jù)實驗結果，在高溫時焦碳中碳與二氧化碳的反應為 C + CO2 2 CO，其活化能為 167. 36 kJmol1，計算自 900 K 升高到 1 000 K 時，反應速率的變化。解： 已知 Ea = 167. 36 kJmol1，T1 = 900 K，T2 = 1 000 K，R = 8. 314 Jmol1K1將以上值代入下式21a2111lnTTREkk000 119001314 . 81036 .1673= 2. 23737 . 912kk答：溫度自 900 K 升高到 1 000 K時，其反應速率增加到原來的 9. 37 倍。

25、94 (2) 反應速率常數(shù) k 還與活化能 Ea 的關系極大，活化能稍微降低，k 值就顯著增大。增加反應速率的具體措施可有以下幾種： (1) 增大濃度(2) 升高溫度(3) 采用催化劑來降低反應的活化能 954. 催化劑與化學反應速率 催化劑與反應物之間形成一種能量較低的活化配合物，改變了反應的途徑。無催化活化配合物無催化活化配合物Ea無催化無催化反應歷程能量催化活化配合物催化活化配合物Ea催化催化反應物生成物圖4-6 催化劑改變反應途徑示意圖 O96例如：反應 2 H2O2(aq) 2H2O(l) + O2(g)無催化劑時，反應的活化能為 75. 3 kJmol1；用 I 做催化劑時，反應的

26、活化能為 56. 5 kJmol1； 若使用過氧化氫酶，更能把反應速率提高到 1023 倍以上。97酶酶是生物體內特殊的催化劑酶催化特點(1) 高效(2) 專一性更強(3) 適宜的溫度和 pH 98負催化劑能降低反應速率的催化劑稱為負催化劑。如：防老劑緩蝕劑抗氧劑99 催化劑能縮短平衡到達的時間，但不能改變平衡狀態(tài)，反應的平衡常數(shù)不受影響。催化劑不能啟動熱力學證明不能進行的反應（即 r Gm 0 的反應）。 催化劑有均相催化和多相催化 1005. 光與化學反應速率 茲韋勒（H.Zewail）激光閃爍技術在 ICN I + CN 的實驗中，光解反應的過渡態(tài)壽命約為 200飛（1015）秒；在 N

27、aI Na + I 的光解反應實驗中， 觀察到了反應的過渡態(tài)在勢能面上的震蕩和解離的全過程。1999 年他獲得了諾貝爾化學獎。101 光化學反應比熱化學反應更具有選擇性。利用激光的單色光的激發(fā)能量，可以設計化學反應，如有機化學中可選擇恰當頻率的紅外激光使（反應物）結合態(tài)單元中的化學鍵或官能團活化，實現(xiàn)定向反應，這就是所謂的“分子裁剪”。 分子裁剪102*不可逆過程與自組織 不可逆過程限制熱機效率提高，使生命個體不可抗拒地趨向死亡，使世界趨向均勻、混亂、無序，不可逆過程好象是一種令人悲觀和討厭的東西。然而，遠離平衡的開放系統(tǒng)中的自組織現(xiàn)象，改變了不可逆過程的消極現(xiàn)象。在宇宙的一個局部一個遠離平衡

28、的開放系統(tǒng)中，不可逆過程扮演著建設者的角色，它能使系統(tǒng)中的局部表現(xiàn)出驚人的協(xié)同一致，為人們構造出奇妙的時空有序結構。為了與平衡結構(如晶體)相區(qū)別，稱這種有序結構為耗散結構或自組織。103 r Gm(298.15 K) = 2245 kJ. .mol-16CO2 + 6H2OC6H12O6 + 6O2hv葉綠素 r Sm(298.15 K) E (MnO2/Mn2+)，但它們的差值僅為 1. 358 1. 224 = 0. 134 V，127242222/ )Mn(/ )H(lg2059 . 0)/MnMnO()/MnMnO(ccccEE= 1. 208 + 0. 059 lgc(H+)/c2

29、 對于半反應 2 Cl = Cl2 + 2 e，根據(jù)能斯特方程式，同樣有2222/ )Cl(/ )Cl(lg2059 . 0)/ClCl()/ClCl(ccppEE22/ )Cl(/ )Cl(lg2059 . 0358 . 1ccpp因為在此反應中，加入 HCl 溶液，其 c(H+) = c(Cl) 。所以解得結果為：c(H+) = c(Cl) 7. 0 moldm3。欲使 p(Cl2)p 逸出，至少要求1. 208 + 0. 059 lgc(H+)/c 2 1. 358 0. 059 lgc(Cl)/c 128(3) 計算原電池的電動勢例4. 20 煤的燃燒反應為： C(石墨) 十 O2 C

30、O2，反應的標準吉布斯函數(shù)變 r Gm 394. 5 kJmo11。如果把該反應設計成燃料電池，其標準電動勢是多少？(以這個反應為基礎的燃料電池目前還沒有設計成功)。由式(4-17 )得：G = nFE (電池) V 02 . 1molC 500 964molJ 500 39411nFGE解：129(4) 計算氧化還原反應平衡常數(shù) 在 298. 15 K時的標準平衡常數(shù) K ；如果反應開始時，c(Pb2+) = 2. 0 moldm3，求達到平衡時的 Sn2+ 濃度和 Pb2+ 濃度。 例4. 21 計算下列反應： Sn(s) + Pb2+(aq) Pb(s) + Sn2+(aq) E正 =

31、E (Pb2+/Pb) 0. 1262 V E負 = E (Sn2+/Sn) 0. 1375 V 38 . 0059 . 02)1375 . 0(1262 . 0059 . 0)(lgnEEK負正K = 2. 40 解：故130 設達到平衡時 c(Sn2+) x moldm3Sn(s) + Pb2+(aq) Pb(s) + Sn2+(aq)初始濃度(moldm3 ) 2. 0 0平衡濃度(moldm3 ) 2. 0 x x)Pb()Sn(22ccK40 . 2)0 . 2(xxc(Sn2+) x = 1. 4 moldm3 ， c(Pb2+) = 0. 6 moldm31311. 鎘鎳蓄電池的

32、工作原理 鎘鎳電池是一種常見的二次堿性電池。電池符號電池符號：() Cd | KOH(1. 19 1. 21 gcm3) | NiO(OH) | C(+)電極反應電極反應:負極：Cd(s) + 2 OH (aq) = Cd(OH)2(s) + 2 e正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH電池特點電池特點： 鎘鎳電池的內部電阻小，電壓平穩(wěn)，反復充放電次數(shù)多，使用壽命長，且能夠在低溫環(huán)境下工作，常用于航天部門、電子計算器及便攜式家用電器的電源。四、化學電源四、化學電源132鎘鎳可充電電池1332. 氫鎳蓄電池 氫鎳電池是近幾年開發(fā)出來

33、的一種新電池，主要針對鎘氫鎳電池是近幾年開發(fā)出來的一種新電池，主要針對鎘鎳電池的鎘污染問題。鎳電池的鎘污染問題。電池符號電池符號：() Ti-Ni | H2(p) | KOH( c ) | NiO(OH) | C(+)電極反應電極反應:負極：H2(p) = 2 H+(c) + 2e正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH電池特點電池特點： 氫鎳電池由于材料無毒，無污染而被稱為綠色環(huán)保電池，電池電動勢約為1. 2 V，循環(huán)壽命可以很長。134氫鎳蓄電池MH+NiOOHM+Ni(OH)2放電充電1353. 銀鋅蓄電池 特點：內阻小、放電

34、功率大、電壓平穩(wěn)、電性能穩(wěn)定、使用安全可靠、比能量高(是鉛酸蓄電池的5倍，鎘鎳蓄電池的3倍)，因此多用于通信、激光武器、水中兵器、航空、航天、戰(zhàn)略核武器等軍事裝備，軍體器材遙控航模，新聞攝影和特殊電子儀器設備作配套電源。目前國內外已有多種不同結構特性的電池組正在各種軍事武器裝備上服役。 工作原理： Zn + 2 OH-ZnO + H2O + 2 e-充電放電Zn + 4 OH-Zn(OH)42- + 2 e-充電放電負極正極 AgO + H2O + 2 e-Ag + 2 OH-放電充電電池反應：Zn + AgOAg + ZnO放電充電1364. 鋰電池 鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質為負極的化

35、學電源的總稱。迄今，正在研究或生產中的鋰電池約有20多種，現(xiàn)在常用的是鋰蓄電池，電池可以反復充放電，降低了使用成本和減少了處理一次電池的困難。 當鋰電極用碳電極代替時，便成了最新式的鋰離子蓄電池，電池中鋰離子源由氧化鈷鋰 (LiCoO2) 材料提供，而碳電極可以吸藏鋰離子生成鋰碳化合物(LixC6 )850鋰電池及其保護電路137圖4-13138Lix C6x Li+ + 6 C + n e-負極放電充電Lix C6 + Li1-x CoO26 C + LiCoO2電池反應：放電充電特點：體積小，比能量高，單電池的輸出電壓高達 4. 2V。 鋰離子電池主要用于便攜式攝像機、液晶電視機、移動電話

36、機和筆記本計算機等。 鋰離子電池以及銀鋅電池等與鉛電池相比，具有重量輕、體積小、儲存能量大以及無污染等優(yōu)點，被稱為新一代無污染的綠色電池。 x Li+ + Li1-x CoO2 + n e- LiCoO2正極放電充電139 5. 燃料電池 電池符號： （-）C H2 KOH(30%) O2 C（+）電極反應： （-） 2 H2 + 4 OH- - 4 e- 4 H2O（+） O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-2 H2 + O2 2 H2O優(yōu)點：生成物不污染環(huán)境，且熱能轉化率高（達 80% 左右） 電池反應：電動勢：1. 23 V140左圖：燃料電池(日本)中科院大連化學物理研究所在

37、這一方面做了不少工作，成果顯著，但網(wǎng)上沒有相關的圖片，只好用日本的圖片(左圖)勉強湊乎一下。右圖：大連化學物理研究所“30千瓦質子交換膜燃料電池電動汽車”于2001年1月在湖北十堰試車成功。141 開路電壓是外電路沒有電流流過時電極之間的電位差(Ucc )，一般開路電壓小于電池電動勢。工作電壓又稱放電電壓或負荷電壓，是指有電流通過外路時，電池兩極間的電位差。IEVIIROIR原電池的電壓電流特性和電極極化曲線，歐姆電壓降曲線*開路電壓和工作電壓化學電源電池原理及制造技術p.24142 一次電池在開路時，在一定條件下（溫度、濕度等）貯存時容量下降。容量下降的原因主要是由負極腐蝕和正極自放電引起的

38、。 負極腐蝕：由于負極多為活潑金屬，其標準電極電位比氫電極負，特別是有正電性金屬雜質存在時，雜質與負極形成腐蝕微電池。 正極自放電：正極上發(fā)生副反應時，消耗正極活性物質，使電池容量下降。例如，鉛酸蓄電池正極 PbO2 和板柵鉛的反應，消耗部分活性 PbO2 。 PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 同時，正極物質如果從電極上溶解，就會在負極還原引起放電，還有雜質的氧化還原反應也消耗正、負極活性物質，引起自放電。*貯存性能和自放電143 一次電池的壽命是表征給出額定容量的工作時間（與放電倍率大小有關）。二次電池的壽命分充、放電循環(huán)使用壽命和濕擱置使用壽命。 影響蓄電池

39、循環(huán)使用壽命的主要因素有：在充放電過程中，電極活性表面積減小，使工作電流密度上升，極化增大；電極上活性物質脫落或轉移；電極材料發(fā)生腐蝕；電池內部短路；隔膜損壞和活性物質晶型改變，活性降低。*電池壽命時間輸出電壓沖放電周期記憶效應144鋅錳電池間隙放電曲線示意圖電池端電壓 U/V時間 t工作休息化學電源電池原理及制造技術p.107145含汞電池 河北省干電池檢驗站高級工程師 張虎：“通過檢測，電池的含汞量參差不齊，有的非常好，小于百萬分之一，符合無汞電池的要求；而有些電池的含汞量是非常非常高，甚至達到了 0.5%（5000 ppm），它高于低汞電池標準的 20 倍，高于無汞電池標準是一萬倍，它屬

40、于高汞電池。另外有一些電池，這樣的電池，盡管它標明電池是無汞的，它有一個無汞的標志，但是，這樣的電池是含汞電池?！?146電池中汞的作用 汞作為鋅負極的緩蝕劑是被后加進電池里去的，目的是為了減輕鋅電極的自放電時間。說通俗點，也就是增加電池的保質期，堿性鋅錳電池加汞后可增加四年的儲存時間。否則還沒有到消費者手中，電池就會自動吸氣、放電、鼓包、腐蝕。147信手一扔 拿 2000 年為例，我國生產的干電池有 170 億只，如果信手一扔，扔掉的將是：14.3萬噸鋅26萬噸二氧化錳125噸汞208噸銅2.7萬噸氯化鋅7.9萬噸氯化銨4.3萬噸碳棒 100億只廢舊電池 =防止兒童啃咬148表4. 4 能源的分類 類 別常 規(guī) 能 源新 能 源一次能源非再生能源化石能源：煤炭、石油、天然氣、油頁巖 核燃料：鈾、釷、钚、氘等再生能源水力能生物質能 原子能、風能、海洋溫差能、海流能、潮汐能、地熱能 二次能源電力、汽油、柴油、重油、焦炭、煤氣、水蒸氣、氫能、醇類燃料、沼氣 五、能源的開發(fā)利用五、能源的開發(fā)利用 149熱值高，其數(shù)值為 142. 9 MJkg1； 燃燒反應速率快，功率高；原料是水，取之不盡；產物是水，對環(huán)境無任何影響。氫氣的制備和儲運，使用安全性等。(1) 氫能優(yōu)點用氫作能源目前還存在一些問題150太