第二章化學(xué)與能源2

1、（一）核裂變能（一）核裂變能 使一個(gè)重原子核分裂成為兩個(gè)或兩個(gè)以使一個(gè)重原子核分裂成為兩個(gè)或兩個(gè)以上中等質(zhì)量原子核的過程，稱為核裂變。上中等質(zhì)量原子核的過程，稱為核裂變。核裂變是取得核能的重要途徑之一。核裂變是取得核能的重要途徑之一。只有一些質(zhì)量非常大的原子核，像鈾、只有一些質(zhì)量非常大的原子核，像鈾、釷等才能發(fā)生核裂變。原子核在發(fā)生核釷等才能發(fā)生核裂變。原子核在發(fā)生核裂變時(shí)，釋放出巨大的能量，裂變時(shí)，釋放出巨大的能量，1 1克克235235U U完完全發(fā)生核裂變后放出的能量相當(dāng)于燃燒全發(fā)生核裂變后放出的能量相當(dāng)于燃燒2.52.5噸煤所產(chǎn)生的能量。噸煤所產(chǎn)生的能量。一、核能一、核能 (Nucle

2、ar Energy) 核能又分重核裂變能和輕核聚變能。人類在利用裂變所放出的能量方面已取得很大進(jìn)展，現(xiàn)已建成各種類型的原子核反應(yīng)堆和原子能發(fā)電站。輕核聚變時(shí)放出的能量要比同質(zhì)量重核裂變時(shí)大幾倍，目前人工控制聚變反應(yīng)以利用其能量的研究正在積極進(jìn)行。核裂變核裂變 (Nuclear Fission) 又稱核分裂，它是將平均結(jié)合能比較小的重核，設(shè)法分裂成兩個(gè)或多個(gè)平均結(jié)合能大的中等質(zhì)量的原子核，同時(shí)釋放出核能。重核裂變，一般有自發(fā)裂變（核衰變）和感生裂變（外因引起）兩種方式。最初，人們?cè)Ｍ米园l(fā)裂變來獲取能量，但是卻不能現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橐粔K純鈾在45億年里才只有半數(shù)的原子核發(fā)生分裂變化，那么若有100萬

3、公斤的純鈾，它每天釋放出的能量還不夠發(fā) l度電。感生裂變才能獲得使用的能量。 居里夫婦在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初投身于尋找新的放射性元素的研究。從大量的瀝青鈾礦中，經(jīng)過多次的化學(xué)分離和純制，終于發(fā)現(xiàn)和得到了放射性比鈾強(qiáng)400倍的元素釙以及比鈾強(qiáng)200多萬倍的元素鐳。這一項(xiàng)艱巨的化學(xué)研究打開了20世紀(jì)原子物理學(xué)的大門。居里夫婦為此榮獲了1903年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1906年居里不幸遇車禍身亡，居里夫人繼續(xù)專心于鐳的研究和應(yīng)用，測定了鐳的原子量，建立了鐳的放射性標(biāo)準(zhǔn)。為了紀(jì)念居里，在1910年的放射學(xué)大會(huì)上一致決定把放射性強(qiáng)度的單位定名為居里，沿用至今。要大規(guī)模地和平利用裂變能必須滿足兩要大規(guī)模地和平利

4、用裂變能必須滿足兩個(gè)條件個(gè)條件: :第一，重核裂變要形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；第一，重核裂變要形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；第二，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須是可控的。實(shí)現(xiàn)可第二，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須是可控的。實(shí)現(xiàn)可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置稱為反應(yīng)堆?？劓?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置稱為反應(yīng)堆。151151鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的類型：鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的類型： 1.自持型。自持型。 2.發(fā)散型。發(fā)散型。 3.收斂型。收斂型。 204p裂變反應(yīng)堆的種類裂變反應(yīng)堆的種類:動(dòng)力堆動(dòng)力堆: 是主要用來產(chǎn)生動(dòng)力的反應(yīng)堆，一般包括沸水堆、壓水堆、重水堆、氣冷堆、快中子堆等。生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆: 主要是指石墨堆和重水堆，利用生產(chǎn)堆主要是生產(chǎn)易裂變的材料.研究性反應(yīng)堆研究性反應(yīng)堆: 用于科學(xué)研究的目的，

5、主要是為了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行不斷完善和改進(jìn)，它一般包括石墨堆、輕水堆、重水堆、高通量堆。產(chǎn)钚發(fā)電兩用堆產(chǎn)钚發(fā)電兩用堆: 其實(shí)是動(dòng)力堆和生產(chǎn)堆的結(jié)合，它既可以發(fā)電又可以生產(chǎn)钚，是一舉兩得的反應(yīng)堆。 反應(yīng)堆的一般結(jié)構(gòu)為反應(yīng)堆的一般結(jié)構(gòu)為：裂變材料裂變材料:（鈾、钚等）為固態(tài)（金屬棒、合金、氧化物）或液態(tài)（鹽溶液、熔融鹽）；中子減速劑中子減速劑: 石墨（石墨堆）、重水（重水堆）、普通水（輕水堆），裂變材料放置其中（由于普通水吸收熱中子的幾率比重水大得多，故輕水堆一般要用濃縮鈾作裂變材料）；反射層反射層: 防止中子泄漏，由鈹或石墨構(gòu)成；控制棒控制棒: 由硼和鎘構(gòu)成，當(dāng)中子增殖太快時(shí)插入此棒吸收中子，減緩反

6、應(yīng)；冷卻劑冷卻劑: 為液態(tài)水、重水或氣態(tài)空氣，循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行熱交換（核電站就是通過這種熱交換發(fā)生蒸氣，以推動(dòng)渦輪機(jī)而發(fā)電）；防護(hù)墻防護(hù)墻: 為設(shè)置在反射層外的金屬殼和1-2米厚的混凝土。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸l 放射性廢料的危害放射性廢料的危害核廢料是指含有核廢料是指含有、和和輻射的不穩(wěn)定元素并輻射的不穩(wěn)定元素并伴隨有熱產(chǎn)生的無用材料，核廢料進(jìn)入環(huán)境后伴隨有熱產(chǎn)生的無用材料，核廢料進(jìn)入環(huán)境后會(huì)造成水、大氣、土壤的污染，并通過各種途會(huì)造成水、大氣、土壤的污染，并通過各種途徑進(jìn)入人體，當(dāng)放射性輻射超過一定水平，就徑進(jìn)入人體，當(dāng)放射性輻射超過一定水平，就能殺死生物體

7、的細(xì)胞，妨礙正常細(xì)胞分裂和再能殺死生物體的細(xì)胞，妨礙正常細(xì)胞分裂和再生，引起細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的突變。生，引起細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的突變。研究表明，孕婦在懷孕初期腹部受過研究表明，孕婦在懷孕初期腹部受過X X光照射，她們生下的孩子與母親不受光照射，她們生下的孩子與母親不受X X光照射的孩子相比，死于白血病的概率光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大要大50%50%。受放射性污染的人在數(shù)年或。受放射性污染的人在數(shù)年或數(shù)十年后，可能出現(xiàn)癌癥、白內(nèi)障、失數(shù)十年后，可能出現(xiàn)癌癥、白內(nèi)障、失明、生長遲緩、生育力降低等遠(yuǎn)期效應(yīng)，明、生長遲緩、生育力降低等遠(yuǎn)期效應(yīng)，還可能出現(xiàn)胎兒畸形、流產(chǎn)、死產(chǎn)等遺還可能出現(xiàn)胎兒畸形

8、、流產(chǎn)、死產(chǎn)等遺傳效應(yīng)。傳效應(yīng)。 切爾諾貝利核電站切爾諾貝利核電站l 放射性核廢料的處理放射性核廢料的處理與核能相關(guān)的一個(gè)最困難的問題就與核能相關(guān)的一個(gè)最困難的問題就是在開采、燃料生產(chǎn)以及反應(yīng)堆的是在開采、燃料生產(chǎn)以及反應(yīng)堆的運(yùn)行過程中產(chǎn)生的核廢料的處理，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的核廢料的處理，如何處理這些廢料可能將是最終核如何處理這些廢料可能將是最終核能使用的最大障礙。目前，核廢料能使用的最大障礙。目前，核廢料的處理有的處理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三種方法。三種方法?！疤煸崽煸帷保喊押藦U料先固化成玻璃塊，裝到特制的合把核廢料先固化成玻璃塊，裝到特制的合金棺中，在棺材外面裝上隔熱外套

9、，然后金棺中，在棺材外面裝上隔熱外套，然后用航天飛機(jī)把它帶入預(yù)定的軌道，機(jī)械手用航天飛機(jī)把它帶入預(yù)定的軌道，機(jī)械手隨即把它推入太空，再點(diǎn)燃助推火箭將它隨即把它推入太空，再點(diǎn)燃助推火箭將它送入送入30003000千米的軌道上，讓核廢料遠(yuǎn)遠(yuǎn)離千米的軌道上，讓核廢料遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開人類生活的地球。開人類生活的地球。“火葬火葬”：火葬前，先在地下挖一個(gè)深坑，把放射性火葬前，先在地下挖一個(gè)深坑，把放射性物質(zhì)放入坑內(nèi)，用特制的蓋子把坑頂蓋好。物質(zhì)放入坑內(nèi)，用特制的蓋子把坑頂蓋好。將空氣凈化器上的一根導(dǎo)管從蓋子上插入將空氣凈化器上的一根導(dǎo)管從蓋子上插入坑內(nèi)，坑內(nèi)裝個(gè)碳電極，電極接通后，坑內(nèi)，坑內(nèi)裝個(gè)碳電極，電極接通

10、后，就會(huì)產(chǎn)生一股強(qiáng)大的電流，使坑內(nèi)的泥土就會(huì)產(chǎn)生一股強(qiáng)大的電流，使坑內(nèi)的泥土溫度上升到幾百度。溫度上升到幾百度。在這樣的高溫下，泥土開始溶化，使核在這樣的高溫下，泥土開始溶化，使核廢料均勻地分布在漿狀的泥石溶液里。廢料均勻地分布在漿狀的泥石溶液里。當(dāng)溶化的泥石漿冷卻后，與核廢料一起當(dāng)溶化的泥石漿冷卻后，與核廢料一起形成了一種類似天然巖石的堅(jiān)硬物質(zhì)，形成了一種類似天然巖石的堅(jiān)硬物質(zhì)，其硬度比天然花崗石和大理石更高，滲其硬度比天然花崗石和大理石更高，滲透性更低，而且體積也縮小了好幾倍。透性更低，而且體積也縮小了好幾倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物質(zhì)最后用泥土把坑封死，一切放射性物質(zhì)均被圍困在里

11、面，不會(huì)外泄。均被圍困在里面，不會(huì)外泄。“水葬水葬”就是將深海作為核廢料的墓場。就是將深海作為核廢料的墓場。將核廢料裝入密封的合金棺，再用混凝將核廢料裝入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。土密封在海底下面。核聚變核聚變 n由由2個(gè)或多個(gè)輕原子核聚合成一個(gè)較重的原子核的過個(gè)或多個(gè)輕原子核聚合成一個(gè)較重的原子核的過程叫核聚變，這時(shí)也將釋放很大的能量。例如程叫核聚變，這時(shí)也將釋放很大的能量。例如2個(gè)氘個(gè)氘核（核（12H）在高溫下可聚合生成）在高溫下可聚合生成1個(gè)氦核（個(gè)氦核（24He）n核聚變有幾個(gè)方面比核裂變優(yōu)越：其一，聚變產(chǎn)物核聚變有幾個(gè)方面比核裂變優(yōu)越：其一，聚變產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，沒有放

12、射性污染產(chǎn)生，沒有難于處是穩(wěn)定的氦核，沒有放射性污染產(chǎn)生，沒有難于處理的廢料；其二，聚變?cè)想馁Y源比較豐富，在理的廢料；其二，聚變?cè)想馁Y源比較豐富，在海水中氘和氫之比為海水中氘和氫之比為1.5 10-4：1，地球上海水總，地球上海水總量約為量約為1018噸，其中蘊(yùn)藏著大量的氘，提煉氘比提噸，其中蘊(yùn)藏著大量的氘，提煉氘比提煉鈾容易得多。煉鈾容易得多。 怎樣實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng) 必須將氘、氚等核燃料加熱到極高溫度(大約要 1億C以上)，在這樣高的溫度下，氘、氚混合燃料已超出大家非常熟悉的物質(zhì)三態(tài)（即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）而成為物質(zhì)的第四種狀態(tài)，即等離子體等離子體 。四大困難：1是超高溫；2是高密度

13、；3是約束時(shí)間長；4是保持純凈。正在研究的5種核聚變反應(yīng)方式1.托卡馬可型2.螺旋型3.反轉(zhuǎn)磁約束型4.鏡像磁場型5.激光型 208p氫能經(jīng)濟(jì)的背景氫能經(jīng)濟(jì)的背景n大氣中二氧化碳逐年增加，地球不斷變大氣中二氧化碳逐年增加，地球不斷變暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，造暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，造成的損失逐年增加。成的損失逐年增加。n化石能源儲(chǔ)量有限，消耗加快?；茉磧?chǔ)量有限，消耗加快。n能源結(jié)構(gòu)單一，過渡依賴化石能源。能源結(jié)構(gòu)單一，過渡依賴化石能源。n經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的壓力。經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的壓力。（二）理想的新能源（二）理想的新能源氫能氫能氫能的優(yōu)點(diǎn)：氫能的優(yōu)點(diǎn)

14、：1.熱值高。熱值高。2.易燃燒。易燃燒。3.原料來源豐富原料來源豐富(水水) .4.清潔無污染清潔無污染。5.應(yīng)用范圍廣。應(yīng)用范圍廣。202p氫氣作為能源遇到的兩個(gè)問題氫氣作為能源遇到的兩個(gè)問題 一、氫氣的制備一、氫氣的制備（）熱化學(xué)工藝制氫（）熱化學(xué)工藝制氫熱化學(xué)工藝主要是將碳水化合物熱化學(xué)工藝主要是將碳水化合物( (煤、石煤、石油、天然氣、生物質(zhì)等油、天然氣、生物質(zhì)等) ) 輸入高溫化學(xué)反輸入高溫化學(xué)反應(yīng)器應(yīng)器 ，生成由，生成由H2、CO 、CO2 和和 CH4 等等組成的合成氣體組成的合成氣體 ，然后進(jìn)行重整和水氣，然后進(jìn)行重整和水氣置換反應(yīng)來提高氫的產(chǎn)量置換反應(yīng)來提高氫的產(chǎn)量 ，最后

15、將氫氣，最后將氫氣分離提純得到可以用做交通燃料的氫氣。分離提純得到可以用做交通燃料的氫氣。（2 2）電解水制氫工藝）電解水制氫工藝該反應(yīng)只要對(duì)電解槽通入直流電即可進(jìn)該反應(yīng)只要對(duì)電解槽通入直流電即可進(jìn)行，操作簡單，效率較高行，操作簡單，效率較高 ，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了多種電解槽，如堿性電解槽、質(zhì)子展了多種電解槽，如堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽等。交換膜電解槽和固體氧化物電解槽等。理想的氫能源示意圖理想的氫能源示意圖 二、氫氣的儲(chǔ)存二、氫氣的儲(chǔ)存氣體儲(chǔ)存氣體儲(chǔ)存液體儲(chǔ)存液體儲(chǔ)存 近年來，大量的研究集中近年來，大量的研究集中在碳納在碳納米管儲(chǔ)氫方面，米管儲(chǔ)氫方面，主要是人們認(rèn)

16、主要是人們認(rèn)為碳納米為碳納米管的儲(chǔ)氫容量高，理論上管的儲(chǔ)氫容量高，理論上可達(dá)可達(dá)10%10%。（三）生物質(zhì)能（三）生物質(zhì)能1 1、來源、來源生物質(zhì)能生物質(zhì)能 : :生物質(zhì)能蘊(yùn)藏在動(dòng)物、植物、微生物體內(nèi)，生物質(zhì)能蘊(yùn)藏在動(dòng)物、植物、微生物體內(nèi)，它是由太陽能轉(zhuǎn)化而來的，可以說是現(xiàn)代的、可以再生它是由太陽能轉(zhuǎn)化而來的，可以說是現(xiàn)代的、可以再生的的“化石燃料化石燃料”，它可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。，它可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。 2 2、分類、分類 生物質(zhì)能主要有以下幾大類：生物質(zhì)能主要有以下幾大類： 城市垃圾，包括工業(yè)、生活和城市垃圾，包括工業(yè)、生活和商業(yè)垃圾，全球每年排放約商業(yè)垃圾，全球每年排放約 100

17、 100 億噸；億噸； 有機(jī)廢水，包括工業(yè)有機(jī)廢水，包括工業(yè)廢水和生活污水，全球每年排放約廢水和生活污水，全球每年排放約 4500 4500 億噸；億噸； 糞便類，牲糞便類，牲畜、家禽、人的糞便等，全球每年排放數(shù)百億噸以上；畜、家禽、人的糞便等，全球每年排放數(shù)百億噸以上； 林業(yè)林業(yè)生物質(zhì)，包括薪柴、枝丫、樹皮、樹根、落葉、木屑、刨花等；生物質(zhì)，包括薪柴、枝丫、樹皮、樹根、落葉、木屑、刨花等； 農(nóng)業(yè)廢棄物，包括秸稈、果殼、果核、玉米芯、甜菜渣、蔗渣農(nóng)業(yè)廢棄物，包括秸稈、果殼、果核、玉米芯、甜菜渣、蔗渣等；等； 水生植物，包括藻類、海草、浮萍、水葫蘆、蘆葦、水水生植物，包括藻類、海草、浮萍、水葫蘆

18、、蘆葦、水風(fēng)信子等；風(fēng)信子等； 能源植物，是一些生長迅速，輪伐期短的喬木、能源植物，是一些生長迅速，輪伐期短的喬木、灌木和草本植物，包括棉籽、芝麻、花生、大豆等。灌木和草本植物，包括棉籽、芝麻、花生、大豆等。 n燃料直接燃燒時(shí)，熱量利用率很低，僅燃料直接燃燒時(shí)，熱量利用率很低，僅15 左右，現(xiàn)用節(jié)柴灶熱量利用率最多也只能達(dá)到左右，現(xiàn)用節(jié)柴灶熱量利用率最多也只能達(dá)到25 左右，并且對(duì)環(huán)境有較大的污染。左右，并且對(duì)環(huán)境有較大的污染。 n經(jīng)過發(fā)酵或高溫?zé)岱纸獾确椒梢灾圃旒状?、?jīng)過發(fā)酵或高溫?zé)岱纸獾确椒梢灾圃旒状?、乙醇等干凈的液體燃料。乙醇等干凈的液體燃料。 n生物質(zhì)若在密閉容器內(nèi)經(jīng)高溫干餾也可以

19、生成生物質(zhì)若在密閉容器內(nèi)經(jīng)高溫干餾也可以生成一氧化碳一氧化碳(CO)、氫氣、氫氣(H2)、甲烷、甲烷(CH4)等可燃等可燃性氣體，這些氣體可用來發(fā)電。性氣體，這些氣體可用來發(fā)電。 n生物質(zhì)還可以在厭氧條件下生成沼氣生物質(zhì)還可以在厭氧條件下生成沼氣。3 3、生物質(zhì)能利用的現(xiàn)狀、生物質(zhì)能利用的現(xiàn)狀 n此外科學(xué)家們還成功地培育出若干植物新此外科學(xué)家們還成功地培育出若干植物新品種，如巴西的香膠樹品種，如巴西的香膠樹(亦稱石油樹亦稱石油樹)，每株，每株年產(chǎn)年產(chǎn)50 kg左右與石油成分相似的膠質(zhì)。美左右與石油成分相似的膠質(zhì)。美國人工種植的黃鼠草，每公頃可年產(chǎn)國人工種植的黃鼠草，每公頃可年產(chǎn)6000 kg石

20、油，美國西海岸的巨型海藻，可用以石油，美國西海岸的巨型海藻，可用以生產(chǎn)類似柴油的燃料油。把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)類似柴油的燃料油。把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃性的液體或氣體是使古老能源煥發(fā)青可燃性的液體或氣體是使古老能源煥發(fā)青春的途徑。春的途徑。 電池的分類：電池的分類：電池按照其使用性質(zhì)電池按照其使用性質(zhì)的不同可以分為的不同可以分為干電干電池、蓄電池、儲(chǔ)備電池、蓄電池、儲(chǔ)備電池和燃料電池池和燃料電池等幾大等幾大類。類。 銀鋅鈕扣電池銀鋅鈕扣電池 鈕扣式電池中常見的為銀鋅電池。銀鋅電池鈕扣式電池中常見的為銀鋅電池。銀鋅電池體積小、重量輕，可大電流放電，放電電壓體積小、重量輕，可大電流放電，放電電壓平穩(wěn)，工作電壓是