大學(xué)化學(xué)教程9化學(xué)與能源

1、第五章 化學(xué)與能源前言n能源危機(jī)n新能源的開(kāi)發(fā)能源的定義與分類n定義：可為人類利用的各種能量形式的自然資源n分類第一節(jié) 化石燃料n煤n石油n天然氣可開(kāi)采時(shí)間（年）中國(guó) 世界102 26223 4961 57 合理利用1.煤n現(xiàn)代的成煤理論認(rèn)為煤化過(guò)程是：植物泥炭（腐蝕泥）褐煤煙煤無(wú)煙煤 無(wú)煙煤煙煤褐煤泥煤含碳量/%85957085507050煤n成分 有機(jī)成分 無(wú)機(jī)成分：硫酸鹽（如Ca、Mg、Fe等）、硅酸鹽（K、Na、Ca、Mg、Al等）、硫化物、氧化亞鐵等元素CHONS含量/%855.07.60.71.7煤煤的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)模型煤的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)模型 煤的綜合利用n原因： 燃燒反應(yīng)速度慢，利用率低 污

2、染環(huán)境 產(chǎn)生固體垃圾n措施 ：（1）煤的清潔化 （2）煤的提純分離具體方法：煤的焦化、氣化、液化煤的焦化焦炭：煉鐵，少量用作化工原料制造電石、電極等。煤焦油是黑色粘稠性的油狀液體，是醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、染料等行業(yè)的原料焦?fàn)t氣：可燃?xì)怏w之外，還有乙烯等化工原料 煤的氣化n煤在氧氣不足的情況下部分氧化，使煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。 煤的液化n煤和石油都含由C，H，O等組成的有機(jī)物n煤的平均表現(xiàn)分子量大約是石油的10倍煤加熱裂解，然后在催化劑的作用下加氫，得到多種燃料油。實(shí)際工藝相當(dāng)復(fù)雜，涉及裂解、縮合、加氫、脫氧、脫氮、脫硫、異構(gòu)化等多種化學(xué)反應(yīng)。 2. 石油n成因:由遠(yuǎn)古海洋或湖泊中的動(dòng)植物遺體

3、在地下經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的復(fù)雜變化而形成棕黑色粘稠液態(tài)混合物 石油的組成元素燃料CHONS發(fā)熱量/kJ.g1石油中含量/%83-8710-140.05-2.00.02-0.200.05-8.048煤炭中含量/%80-903-65-80.5-1.01-230烴類的復(fù)雜混合物石油的加工n石油中所含化合物種類繁多。必須經(jīng)過(guò)多步煉制，才能使用。n主要過(guò)程：分餾、裂化、重整、精制等。分餾n 烴（碳?xì)浠衔铮┑姆悬c(diǎn)隨碳原子數(shù)增加而升高 ，經(jīng)加熱氣化、冷凝把石油中沸點(diǎn)不同的化合物分離 溫度范圍/C分餾產(chǎn)品名稱烴分子中所含碳原子數(shù)主要用途氣體石油氣C1C4化工原料，氣體燃料輕油30180溶劑油汽油C5C6C6C10溶劑

4、汽車，飛機(jī)用液體燃料180280煤油C10C16液體燃料，溶劑280350柴油C17C20重型卡車，拖拉機(jī)，輪船用燃料，各種柴油機(jī)用燃料重油350500潤(rùn)滑油凡士林C18C30蠟燭，肥皂瀝青C30C40建筑業(yè)，鋪路500渣油C40做電極，金屬鑄造燃料裂化n原因：分餾得到的輕油占1/31/4，質(zhì)量不好。n方法：熱烈化低分子烯烴 催化裂化高質(zhì)量汽油n實(shí)質(zhì)是烴分子C-C鏈斷裂，裂解產(chǎn)物是小分子的烴類和烯烴 催化重整n在一定的溫度壓力下，汽油中的直鏈烴在催化劑表面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的“重新調(diào)整”，轉(zhuǎn)化為帶支鏈的烷烴異構(gòu)體，這就能有效地提高汽油的辛烷值，同時(shí)還可得到一部分芳香烴 。加氫精制n汽油、煤油、柴油中都

5、混有少量含N或含S的雜環(huán)有機(jī)物 。n方法：在一定溫度和壓力下使H2和這些雜環(huán)有機(jī)物起反應(yīng)生成NH3或H2S而分離 。3. 天然氣n天然氣的主要成分是甲烷（CH4），也有少量乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8），n和石油伴生，但一般埋藏部位較深。據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，每噸石油大概伴有1000 m3的天然氣n天然氣是最“清潔”的燃料，燃燒產(chǎn)物CO2和H2O，并且熱值也很高（56 kJg1），管道輸送也很方便 第二節(jié) 核能n原子核的變化 n分為：核裂變?cè)訌?、核?dòng)力 核聚變氫彈核裂變n由中子 轟擊較重原子核使之分裂成較輕原子核的反應(yīng)n若人工控制使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在一定程度上連續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生的能量加熱水蒸氣，推動(dòng)發(fā)電機(jī)核電

6、站的基本原理；n若讓裂變釋放的能量不斷積聚，最后則可以在瞬間釀成巨大的爆炸原子彈的原理。 原子彈構(gòu)造核電站工作原理核電的安全運(yùn)行核廢料的處理核聚變n由2個(gè)或多個(gè)輕原子核聚合成一個(gè)較重的原子核，同時(shí)釋放巨大能量。n優(yōu)勢(shì)： 聚變時(shí)所釋放的能量為核裂變的幾倍 產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，沒(méi)有放射性污染產(chǎn)生，沒(méi)有難于處理的廢料 聚變?cè)想馁Y源比較豐富n不足：聚變反應(yīng)需要非常高的溫度，以克服兩個(gè)帶正電的氘核之間的巨大排斥力 +國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃n（ITER，稱“人造太陽(yáng)”計(jì)劃），上個(gè)世紀(jì)80年代提出，是目前世界上僅次于國(guó)際空間站的大型國(guó)際科學(xué)工程計(jì)劃，中國(guó)是簽署這一合作計(jì)劃的7個(gè)國(guó)家之一n目標(biāo)就是要建造

7、一個(gè)可自持燃燒的核聚變實(shí)驗(yàn)堆，通過(guò)近億度高溫使氫的同位素氘、氚形成等離子體，發(fā)生核聚變反應(yīng)，釋放巨大能量，為人類尋找新能源提供了最為現(xiàn)實(shí)的途徑n2006年9月28日, 中國(guó)最新一代可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置在安徽合肥首次放電成功第三節(jié) 新能源n氫能n太陽(yáng)能n生物質(zhì)能氫能（二次能源）n優(yōu)點(diǎn)：無(wú)污染、燃燒值大、用途廣泛n問(wèn)題：制取技術(shù)、貯存運(yùn)輸太陽(yáng)能n利用方法：轉(zhuǎn)化為熱能、化學(xué)能、電能n太陽(yáng)能熱水器： 終端使用溫度在100以下，可供生活熱水、取暖等； 在100300之間，可供烹調(diào)、工業(yè)用熱等； 300以上，可以供發(fā)電站使用 太陽(yáng)能電池n利用方法：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能n具有安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、不需燃料、無(wú)需架設(shè)輸電網(wǎng)、規(guī)?？纱罂尚〉葍?yōu)點(diǎn)， n光電池材料：多晶硅、單晶硅（摻入少量硼、砷）、碲化鎘（CdTe）、硒化銅銦（CuInSe）等n衛(wèi)星上的電源、