第一章 工程化學概論

第一章工程化學概論第1頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三本課程考試方式1）課程結(jié)束參加由學校組織的統(tǒng)考：閉卷考試。2）最后成績由4部分組成，考試成績50％，課堂到課率及隨堂測試10％，作業(yè)15％，積極參與課程討論25%。暑假期間：學校召開教風和學風建設工作會議高度重視，實施學業(yè)評價體系改革，大力推行“形成性評價”。改革試點課程終結(jié)性評價成績一般不得高于課程總成績的50%。提高命題質(zhì)量，增加主觀題減少客觀題，盡可能不使用如名詞解釋、填空、是非判斷等題，不得使用4年內(nèi)學生考試使用的試題。第2頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三教材及參考書教材：唐和清,工科基礎化學.北京:化學工業(yè)出版社,2009,第二版。參考書：浙江大學,普通化學.北京:高等教育出版社,2003,6江欞,工科化學.北京:化學工業(yè)出版社,2003,8曲保中,新大學化學.北京:科學出版社,2002,12武漢大學,無機化學.武漢:武漢大學出版社,1997,1第3頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三機械學科領域的相關化學問題首先看看目前國家在基礎研究領域?qū)C械學科提出的要求。機械學機械學是對各類機械產(chǎn)品進行功能綜合、定量描述以及性能控制的基礎技術科學，主要研究機械系統(tǒng)的特性，試圖應用機械系統(tǒng)相關的知識和信息發(fā)展新的設計理論與方法。機械學包括機構(gòu)學與機器組成原理、機械系統(tǒng)動力學、機械結(jié)構(gòu)強度學、機械摩擦學與表面技術、機械仿生學、機械設計理論和方法學、傳動機械學、機器人機械學等。制造科學主要研究加工出符合設計要求、提升客戶價值的產(chǎn)品所涉及的各種制造理論、方法、技術、工藝、裝備與系統(tǒng)等，包括零件成形制造、零件加工制造、制造系統(tǒng)與自動化、機械測試理論與技術、微/納機械系統(tǒng)等。第4頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三目前上述領域主要發(fā)展趨勢是：面向國家戰(zhàn)略需求和學科發(fā)展前沿，以及（潛在的）工業(yè)應用的基礎研究；面向環(huán)境友好、資源節(jié)約的設計與制造一體化的研究；面向超、精、尖、特（大/重）裝備的創(chuàng)新設計、制造原理與測試理論的研究，包括工藝機理、裝備原型樣機理論與技術；面向極端工況的設計與制造方法的研究，如尺度從宏觀向介觀、微觀、納觀擴展，參數(shù)由常規(guī)向超常或極端發(fā)展；機－電－液－磁－信息等多學科交叉、多場耦合的分析與設計方法的研究。第5頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三例如：化學機械系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展電子期間的微小化改變了人類的生活方式，微型機電系統(tǒng)應運而生。進入21世紀，納米科技的研究急速興起，生態(tài)環(huán)境和能源問題成為焦點，人們將更關注空間科技、地球科技和海洋科技，新的形勢對特種機械裝置的微小化提出了迫切的要求，如化學化工裝置等。盡管電子元器件實現(xiàn)了微小化，但實際應用于過程機械裝置時，涉及化學化工、熱力過程的微小化。例如：氫能提供了解決未來能源和環(huán)境問題的無線可能，但應用于汽車、深海潛艇時，制氫系統(tǒng)的微小化是關鍵。第6頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

微型飛行器：要實現(xiàn)良好的作戰(zhàn)性能，化學能源動力裝置的微小化是不可回避的問題。微型化學機械系統(tǒng)（McMSMicro-Chemo-MechanicalSystem）與微機電系統(tǒng)（MEMS）將具有同等重要的地位。第7頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三微槽道換熱器結(jié)構(gòu)“蛟龍”號“載人潛水器‘于2010年7月在中國南海執(zhí)行一次成功下潛任務。到達3759米深的海底。9小時03分的水下及海底作業(yè)第8頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三化學化工學科發(fā)展需要“三傳一反”概括了化工生產(chǎn)過程的全部特征?！叭齻鳌睘閯恿總鬟f、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞（化工單元操作），“一反”為化學反應過程。

作為學校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，交叉學科更容易產(chǎn)生學術火花。通過本課程的學習，希望化學基礎知識能給大家專業(yè)發(fā)展提供幫助。第9頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三第一章概論1.1化學與化學工業(yè)

研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及化學變化的規(guī)律的科學，是研究分子層次范圍內(nèi)的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和能量變化的科學；化學是分子科學，是物質(zhì)科學的基礎學科之一，化學是一門中心的、實用的、創(chuàng)造性的科學。1.化學第10頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)代化學：研究泛分子的科學-研究原子層次、分子層次、超分子層次、高分子層次、生物分子、納米分子與聚集體、復雜分子層次的科學。由于傳統(tǒng)化學會造成環(huán)境環(huán)境污染，化學又開始了保護世界，推動了傳統(tǒng)化學向綠色化學轉(zhuǎn)變。第11頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

2.化學工業(yè)

以化學過程為核心內(nèi)容和關鍵步驟的工業(yè)，通過化學過程實現(xiàn)全部或部分生產(chǎn)目的的工業(yè)?，F(xiàn)代化學已經(jīng)不是單一學科，化學與生命科學、材料科學、能源科學、生態(tài)環(huán)境學、信息學、納米技術、系統(tǒng)學等學科的交叉融合。作為工科大學生必須將強基礎化學知識的學習。第12頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三1.2化學工業(yè)的地位及影響化學與生活：衣-服裝；食-農(nóng)業(yè)、食品；住-建筑材料、裝飾、家庭陳設品；行：交通工具、燃料；日用品。化學與國防：武器、動力?；瘜W對健康和生命的貢獻：藥物化學?；瘜W與當今世界四大熱點問題：環(huán)境保護；能源的開發(fā)和利用；新材料研制；生命科學。第13頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三1.化學與生活1)衣

人造纖維：粘膠纖維、醋酸纖維和銅氨纖維。(人造棉、人造絲、人造毛和富強纖維等)都屬于人造纖維。合成纖維：以有機化合物為原料，利用化學合成的方法，經(jīng)過聚合反應合成的高分子聚合物。錦綸(尼龍)-聚酰胺纖維，滌綸(的確良)-聚酯纖維，腈綸-聚丙烯脂纖維；維綸(維尼綸)-聚乙烯醇纖維；丙綸-聚丙烯纖維；氯綸-聚氯乙烯纖維。合成纖維具有強度高，耐磨，彈性好，保暖，不發(fā)霉，但也存在致命的缺點，吸濕性差，不透氣等。第14頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3)日用化學品

食物的本質(zhì)是化學物質(zhì)，主要營養(yǎng)物質(zhì)包括：蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化食物(糖)、維生素、無機鹽(礦物質(zhì))、纖維素等。2)食

合成洗滌劑、肥皂、香精、香料、化妝品、牙膏、油墨、火柴、干電池、烷基苯、五鈉（三聚磷酸鈉）、骨膠、明膠、皮膠、甘油、硬脂酸、感光膠片、感光紙等。

肥皂：含有8~22個碳原子的脂肪酸或混合脂肪酸的堿性鹽類(無機的或有機的)的總稱，是脂肪酸鹽：RCOOM。第15頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2.化學與能源C、H、O、N、S、P

(C135H96O9NS)煤的化學組成雖然各有差別，公認平均組成(C135H96O9NS)。煤的熱值(發(fā)熱量，標準煤29.3MJ·kg-1，高質(zhì)煤>30MJ·kg-1)。1)煤①煤的成分②煤的潔凈利用技術水煤氣合成氣煤的液化燃料水煤漿燃料第16頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三a.水煤氣：C(s)+H2O(g)

=====CO(g)+H2(g)c.煤的液化燃料：以合成氣為原料，生產(chǎn)液體燃料。1200K缺氧b.合成氣：煤=====H2(40%)+CO(15%)+CH4(15%)+CO2(30%)

水蒸氣O2將H2和CO進行甲烷化反應，制取合成天然氣。

CO(g)+3H2(g)=CH4+H2O(l)(合成天然氣)合成氣油：nCO+(2n+1)H2==============CnH2n+2+nH2O活性Fe-Co170~200℃,1~2MPa合成甲醇：CO+

2H2O==============CH3OHCu300℃,20~30MPad.水煤漿燃料：70%煤粉+30%水+少量添加劑，可代替油使用。細菌選煤脫硫(合成氣)第17頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三一、煤潔凈技術煤潔凈技術包括煤炭燃燒前處理和凈化技術；煤炭高效清潔燃燒技術；煤炭燃燒后凈化技術以及煤炭轉(zhuǎn)化技術等四個領域。（1）燃燒前的處理和凈化技術（2）燃燒中凈化（3）燃燒后凈化——煙氣凈化第18頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三（1）燃燒前的處理和凈化技術

①洗選處理。這是除去或減少原煤中所含的灰粉、硫等雜質(zhì)，并按不同煤種、灰分、熱值和粒度分成不同品種等級，以滿足不同用戶需要的方法。目前我國原煤洗選約為1/3，遠遠低于發(fā)達國家70％以上的水平。②型煤加工。這是用機械方法將粉煤和低品位煤制成具有一定粒度和形狀的煤制品。高硫煤成型時可加入適量固硫劑，大大減少SO2排放。第19頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三③水煤漿。這是1970年代發(fā)展起來的一種以煤代油的新燃料。它是把灰分很低而揮發(fā)成分高的煤，研磨成250－300微米的微細煤粉，按煤約70％、水約30％的比例，加入0.5～1.0%分散劑和0.02～0.1的穩(wěn)定劑配制而成的，水煤漿可以像燃料油一樣運輸、儲存和燃燒。我國制漿工藝已達國際水平，并已建成商業(yè)性示范工程。（同學們可以查閱微生物氧化亞鐵硫桿菌水煤漿料制備中的脫硫機理）第20頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三（2）燃燒中凈化

先進的燃燒器是通過改進電站鍋爐以及工業(yè)鍋爐和窯爐的設計和燃燒技術，以減少污染物排放，并提高燃燒效率。國外已商業(yè)應用的有低NOx燃燒器，其燃燒過程是燃料和空氣逐漸混合，以降低火焰溫度，從而減少NOx生成；或者調(diào)節(jié)燃料與空氣的混合比，提供只夠燃料燃燒的氧，而不足以和氮結(jié)合成NOx。第21頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三（3）燃燒后凈化—煙氣凈化包括SO2、和顆粒NOx物的控制。煙塵，SO2變成亞硫酸鈣漿狀物。干法是用漿狀脫硫劑（石灰石）噴霧，與煙氣中的SO2反應，生成硫酸鈣，水分被蒸發(fā)，干燥顆粒用集塵器收集。這兩種方法脫硫效率達9０％。反應式為：SO2+CaO+O2→CaSO4

煙氣除塵，目前大型電站一般采用靜電除塵器，除塵效率可達99％以上。國外目前正在研究開發(fā)先進的脫硫工藝，以及可以同時脫除90％SO2和NOx的煙氣凈化新技術。煙氣凈化技術又分為除塵、脫硫、脫硝3類。第22頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

二、煙氣脫硫脫硝技術近期日本新開發(fā)出組合煙囪型簡易濕式脫硫裝置、臥式小型脫硫裝置、簡易石灰石--石膏脫硫裝置(可同時脫硫、除塵)；美國研制成功高效煙氣脫硫洗滌器及高利用率新型吸附劑；美國ALANCO環(huán)境公司開發(fā)研制了荷電干式噴射脫硫法；ABB公司開發(fā)了近海燃煤電廠海水煙氣脫硫技術。國內(nèi)針對大量中小型鍋爐開發(fā)了經(jīng)濟適用的煙氣凈化技術，如沖擊-鼓泡式和旋流水膜式煙氣脫硫除塵技術，堿性工業(yè)廢水煙氣脫硫工藝、陶瓷窯爐濕法收塵技術等。煙氣脫硝技術有選擇催化還原法、非催化還原法及吸附法等。第23頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三三、國外潔凈煤技術國外潔凈煤技術也發(fā)展較快，1986年3月美國率先推出“潔凈煤技術示范計劃（CCTP）”，主要包含四個方面：(1)先進的燃煤發(fā)電技術（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電－IGCC，流化床燃燒－CFBC，改進燃燒和直接燃煤熱機）；(2)環(huán)境保護設備（NOX與SOx控制）；(3)煤炭加工成潔凈能源技術（洗選、溫和氣化、液化）；(4)工業(yè)應用（煉鐵、水泥及其他行業(yè)控制硫、氮、灰塵排放和煙氣回收洗滌等）。已有13項取得初步商業(yè)化成果。歐共體國家正在研究開發(fā)的項目有煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC），煤和生物質(zhì)及廢棄物聯(lián)合氣化（或燃燒），循環(huán)流化床燃燒，固體燃料氣化與燃料電池聯(lián)合循環(huán)技術等。日本近年來開始較大幅度的增加煤炭的消費量，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g成為熱點。第24頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三正在開發(fā)的項目包括

(1)提高煤炭利用效率的技術；(2)脫硫、脫氮技術，如先進的煤炭洗選技術，氧燃燒技術，先進的廢煙處理技術，先進的焦炭生產(chǎn)技術等；(3)煤炭轉(zhuǎn)化技術，如煤炭直接液化，加氫氣化，煤氣化聯(lián)合燃料電池和煤的熱解等；(4)粉煤灰的有效利用技術。第25頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2)石油和天然氣4)干凈、無毒、無污染的二次能源-氫石油以汽油(辛烷)為代表：C8H18(l)+25/2O2=8CO2(g)+H2O(l)天然氣以甲烷為代表：CH4(g)+2O2=CO2(g)+2H2O(l)3)城市煤氣和液化氣城市煤氣：煤的合成氣和煉焦氣，主要成分為

H2(50%)+CO(15%)+CH4(15%)。液化氣：來自油田氣或煉廠氣，主要成分為高壓液化后的

C3H8+C4H10。需解決的三個問題：氫的制取、儲存、利用。第26頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三氫能源

氫能作為一種無污染的二次能源，由于具有資源豐富，氫燃燒熱值大且燃燒產(chǎn)物是水，不會產(chǎn)生大量的烴、CO、CO2、SO2和有機酸，造成環(huán)境污染等種種突出的優(yōu)勢，因此科學家們預測氫能將在未來的能源體系中占有一席之地，它與電力將成為21世紀能源體系的兩大支柱。但是，氫能要成為新能源結(jié)構(gòu)的支柱，還需要在氫氣的制取、氫氣的儲存與運輸以及氫能的利用方面繼續(xù)開展研究。開發(fā)制氫新技術，將主要考慮以水為原料，達到水分解制氫，氫燃燒生成水的循環(huán)過程。由于氫大量存在于水中，因此利用水制氫一旦技術成熟，達到實用化后，以氫為能源結(jié)構(gòu)主要支柱便成為可能。第27頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三制氫新技術的研發(fā)

目前世界上氫氣大部分以石油、天然氣和煤為原料制取，小部分來自電解水等。

開發(fā)制氫新技術，將主要考慮以水為原料，原則上要求制氫技術滿足大型化、高效率、低成本，使氫氣得到應用。

第28頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三電解水制氫

電解水制氫，關鍵是耗能問題。以電能換氫能，成本很高。但是，通過太陽光發(fā)電或熱發(fā)電以及海洋能、生物質(zhì)能、地熱能、非尖峰負荷的原子能電站產(chǎn)生的電能來制氫，可以降低氫的成本。同時，也需要開發(fā)低電耗、高效率的電解水制氫新技術。日本開發(fā)了高溫加壓法，將電解水的效率提高到75%；美國建成一種SPE工業(yè)裝置，能量效率達90%；我國研制了雙反應器制氫工藝。先進的PEM電解工藝，是一種可逆的電／氫轉(zhuǎn)換裝置，是燃料電池和產(chǎn)氫的電解槽的統(tǒng)一，總轉(zhuǎn)換效率可達95%。

第29頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三熱化學循環(huán)制氫

目前已研究出100多種分步熱化學循環(huán)流程制氫工藝。利用太陽能或高溫氣冷堆原子能電站的熱能，使反應不斷循環(huán)進行，達到連續(xù)制氫的目的。

第30頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三太陽能光解水制氫

利用半導體電極的光電化學效應制成太陽能光電化學電池，以水為原料，在太陽光照射下制取氫。雖然太陽能光解水制氫在實驗室己取得突破性進展，但仍有電極材料、電池結(jié)構(gòu)、電催化、光化學反應及光腐蝕穩(wěn)定性等一系列技術和理論上的難題需要解決，才能達到實用化。

第31頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三生物質(zhì)能制氫

利用植物的光合作用分解水制氫或產(chǎn)氫細菌在太陽光照射下制氫。這些方法仍屬實驗室探索階段。

第32頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三美國開發(fā)出制氫新技術美國科學家開發(fā)出一種用多糖制取氫的新技術。以這項技術為基礎，未來的氫動力汽車將攜帶易于存儲的碳水化合物，如淀粉。碳水化合物和水在特殊的酶作用下分解產(chǎn)生氫氣，然后通過燃料電池產(chǎn)生電力，驅(qū)動汽車前進。據(jù)美國科學促進會EurekAlert網(wǎng)站報道，這一成果是美國弗吉尼亞理工大學、橡樹嶺國家實驗室和佐治亞大學的科學家共同取得的，論文發(fā)表在《公共科學圖書館》雜志上。第33頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

淀粉、纖維素等碳水化合物含有大量的氫，但它們非常穩(wěn)定，只有在酶的作用下才會分解。在相關實驗中，科學家利用合成生物學的方法，使用由13種酶組成的混合物，將碳水化合物和水轉(zhuǎn)變成二氧化碳和氫氣。實驗顯示，這一反應在大約30攝氏度和1個大氣壓的條件下即可發(fā)生。將二氧化碳抽掉后，氫氣進入燃料電池產(chǎn)生電力。在反應中，氫是主要產(chǎn)物，效率比自然界里厭氧菌分解生物物質(zhì)產(chǎn)生氫的效率高3倍，每磅（約0．45公斤）氫的成本可能低于1美元。第34頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三718所制氫技術：電解水制氫第35頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三氫氣干燥純化裝置第36頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三氫的儲存和運輸

氫的儲存和運輸是氫能開發(fā)利用中極為重要的技術，因此氫氣的儲存和輸送技術的研究十分重要。氫氣常用高壓氣體儲存、低溫液氫儲存及現(xiàn)在正在開發(fā)的金屬儲氫材料的固體儲存。輸送方式除一般的交通工具以外，還有管道運輸方式。第37頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三高壓氣體儲存和運輸

大量用作化工原料的氫氣是將氫氣壓縮到15-20MPa，用高壓容器儲存。氫氣大量長期儲存還可以利用山洞、廢礦洞、巖洞、地下洞做儲氫庫。用車、船運輸。然而，氫氣的重量只占容器重量的1%-2%，且處于高壓下，因此在經(jīng)濟上和安全上都不可取。歐美采用管道遠距離輸送氫氣。美國休斯敦的空分公司通過φ100-300mm管道，把純度99.5%H2，輸送近100km，以0.4-5.6MPa的壓力供工廠使用。用管道運輸?shù)膬?yōu)越性在于：可以把現(xiàn)有的天然氣和城市煤氣管道輸送系統(tǒng)改造為氫氣輸送系統(tǒng)。

第38頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三低溫液體儲存和運輸

在-252.8℃的深冷狀態(tài)下將氫氣液化，氫體積大大縮小，用杜瓦瓶或真空絕熱容器儲存，用液氫罐車或槽車運送。液氫儲罐或儲槽的重量約為高壓鋼瓶重量的1/6-1/10，相對來說容器重量減輕。液氫同樣可以用真空絕熱管道輸送。但液化氫氣的能耗較大，對真空絕熱的要求比較高，存在氫氣蒸發(fā)損耗。第39頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三金屬儲氫材料儲存和運輸

由于高壓氣儲運及液態(tài)氫儲運方式存在著不安全、能耗高、儲量小、經(jīng)濟性差等重大缺陷，最有前景、安全經(jīng)濟的氫氣儲運方式是用金屬氫化物儲氫材料。

儲氫合金主要有三大系列：以LaNi5為代表的稀土系儲氫合金系列；以TiFe為代表的鈦系儲氫合金；以Mg2Ni為代表的鎂系儲氫材料。

第40頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三氫的應用

[在工業(yè)上的用途]

用作化工原料，生產(chǎn)化肥、染料、塑料、甲醇及油類和脂肪的氫化等。[在民生上的用途]氫可取代天然氣及煤氣為居民生活取暖、烹煮、加熱水等提供能源。[在交通運輸方面的用途]

氫可做合成燃料替代石油，用于汽車、飛機、船舶上。氫的燃燒熱值為142kJ/gH2，石油為48kJ/g。燃燒產(chǎn)物是水，對環(huán)境污染低，主要問題仍在于降低制氫的成本，解決氫的儲運等。第41頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三[在航空航天上的用途]

氫目前最重要的用途之一是作為航空航天工業(yè)用燃料，通過液氫、液氧燃燒產(chǎn)生的巨大推力將火箭等送上太空。[燃料電池發(fā)電和儲能]

燃料電池通過氫氣與氧氣或空氣的化學反應得到直流電，其發(fā)展按電解質(zhì)的不同可分為：堿性（AFC）、磷酸型（PAFC）、熔融碳酸鹽（MCFC）、固體氧化物（SOFC）、固體聚合物（SPEFC）、質(zhì)子交換膜（PEMFC）等。用燃料電池發(fā)電，能量密度大、發(fā)電效率高，PEMFC的效率可達70%以上。只要能降低重量和成本，用燃料電池取代內(nèi)燃機，便可大大提高燃料能源效率、減少污染。另外，還可將太陽能等可再生能源轉(zhuǎn)換成化學能儲存，然后通過燃料電池再轉(zhuǎn)換成電能。因此，氫燃料電池是未來電動汽車、電動船舶的理想電源，己用于航天飛船做電源。第42頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三[太陽能-氫能系統(tǒng)]所謂太陽能-氫能系統(tǒng)，即是太陽能-電能-氫能-電能的轉(zhuǎn)換過程。把氫作為季節(jié)性儲能介質(zhì)，夏季陽光充足時，光發(fā)電送入電解裝置供電解水制氫并儲存氫氣，將太陽能轉(zhuǎn)換成氫的化學能；冬季通過燃料電池將氫轉(zhuǎn)換成電能。其技術要點在于開發(fā)利用太陽能的光伏陣列與電解裝置的最佳配合，即電解裝置的電壓和電流匹配到光伏陣列的最大功率處，使產(chǎn)氫量達到最高。第43頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三化學與能源：國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要2006－2020年1．能源

能源在國民經(jīng)濟中具有特別重要的戰(zhàn)略地位。我國目前能源供需矛盾尖銳，結(jié)構(gòu)不合理；能源利用效率低；一次能源消費以煤為主，化石能的大量消費造成嚴重的環(huán)境污染。今后15年，滿足持續(xù)快速增長的能源需求和能源的清潔高效利用，對能源科技發(fā)展提出重大挑戰(zhàn)。第44頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)展思路(1)堅持節(jié)能優(yōu)先，降低能耗。攻克主要耗能領域的節(jié)能關鍵技術，積極發(fā)展建筑節(jié)能技術，大力提高一次能源利用效率和終端用能效率。(2)推進能源結(jié)構(gòu)多元化，增加能源供應。在提高油氣開發(fā)利用及水電技術水平的同時，大力發(fā)展核能技術，形成核電系統(tǒng)技術自主開發(fā)能力。風能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源技術取得突破并實現(xiàn)規(guī)?；瘧?。(3)促進煤炭的清潔高效利用，降低環(huán)境污染。大力發(fā)展煤炭清潔、高效、安全開發(fā)和利用技術，并力爭達到國際先進水平。(4)加強對能源裝備引進技術的消化、吸收和再創(chuàng)新。攻克先進煤電、核電等重大裝備制造核心技術。(5)提高能源區(qū)域優(yōu)化配置的技術能力。重點開發(fā)安全可靠的先進電力輸配技術，實現(xiàn)大容量、遠距離、高效率的電力輸配。第45頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三優(yōu)先主題

(1)工業(yè)節(jié)能：重點研究開發(fā)冶金、化工等流程工業(yè)和交通運輸業(yè)等主要高耗能領域的節(jié)能技術與裝備，機電產(chǎn)品節(jié)能技術，高效節(jié)能、長壽命的半導體照明產(chǎn)品，能源梯級綜合利用技術。

(2)煤的清潔高效開發(fā)利用、液化及多聯(lián)產(chǎn)：重點研究開發(fā)煤炭高效開采技術及配套裝備，重型燃氣輪機，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC），高參數(shù)超超臨界機組，超臨界大型循環(huán)流化床等高效發(fā)電技術與裝備，大力開發(fā)煤液化以及煤氣化、煤化工等轉(zhuǎn)化技術，以煤氣化為基礎的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)技術，燃煤污染物綜合控制和利用的技術與裝備等。

第46頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三(3)復雜地質(zhì)油氣資源勘探開發(fā)利用:重點開發(fā)復雜環(huán)境與巖性地層類油氣資源勘探技術，大規(guī)模低品位油氣資源高效開發(fā)技術，大幅度提高老油田采收率的技術，深層油氣資源勘探開采技術。

(4)可再生能源低成本規(guī)?；_發(fā)利用:重點研究開發(fā)大型風力發(fā)電設備，沿海與陸地風電場和西部風能資源密集區(qū)建設技術與裝備，高性價比太陽光伏電池及利用技術，太陽能熱發(fā)電技術，太陽能建筑一體化技術，生物質(zhì)能和地熱能等開發(fā)利用技術。

(5)超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障:重點研究開發(fā)大容量遠距離直流輸電技術和特高壓交流輸電技術與裝備，間歇式電源并網(wǎng)及輸配技術，電能質(zhì)量監(jiān)測與控制技術，大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)的安全保障技術，西電東輸工程中的重大關鍵技術，電網(wǎng)調(diào)度自動化技術，高效配電和供電管理信息技術和系統(tǒng)。第47頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主要支柱。我國是世界制造大國，但還不是制造強國；制造技術基礎薄弱，創(chuàng)新能力不強；產(chǎn)品以低端為主；制造過程資源、能源消耗大，污染嚴重。制造業(yè)第48頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)展思路：(１)提高裝備設計、制造和集成能力。以促進企業(yè)技術創(chuàng)新為突破口，通過技術攻關，基本實現(xiàn)高檔數(shù)控機床、工作母機、重大成套技術裝備、關鍵材料與關鍵零部件的自主設計制造。(2)積極發(fā)展綠色制造。加快相關技術在材料與產(chǎn)品開發(fā)設計、加工制造、銷售服務及回收利用等產(chǎn)品全生命周期中的應用，形成高效、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)的新型制造工藝。制造業(yè)資源消耗、環(huán)境負荷水平進入國際先進行列。(3)用高新技術改造和提升制造業(yè)。大力推進制造業(yè)信息化，積極發(fā)展基礎原材料，大幅度提高產(chǎn)品檔次、技術含量和附加值，全面提升制造業(yè)整體技術水平。第49頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

（1）基礎件和通用部件

（2）數(shù)字化和智能化設計制造

（3）流程工業(yè)的綠色化、自動化及裝備

（4）可循環(huán)鋼鐵流程工藝與裝備

（5）大型海洋工程技術與裝備

（6）基礎原材料

（7）新一代信息功能材料及器件

（8）軍工配套關鍵材料及工程化

優(yōu)先主題第50頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三基礎原材料重點研究開發(fā)滿足國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高性能復合材料及大型、超大型復合結(jié)構(gòu)部件的制備技術，高性能工程塑料，輕質(zhì)高強金屬和無機非金屬結(jié)構(gòu)材料，高純材料，稀土材料，石油化工、精細化工及催化、分離材料，輕紡材料及應用技術，具有環(huán)保和健康功能的綠色材料。第51頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三新材料

新材料技術將向材料的結(jié)構(gòu)功能復合化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備和使用過程綠色化發(fā)展。突破現(xiàn)代材料設計、評價、表征與先進制備加工技術，在納米科學研究的基礎上發(fā)展納米材料與器件，開發(fā)超導材料、智能材料、能源材料等特種功能材料，開發(fā)超級結(jié)構(gòu)材料、新一代光電信息材料等新材料。前沿技術：(1)智能材料與結(jié)構(gòu)技術智能材料與智能結(jié)構(gòu)是集傳感、控制、驅(qū)動（執(zhí)行）等功能于一體的機敏或智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。重點研究智能材料制備加工技術，智能結(jié)構(gòu)的設計與制備技術，關鍵設備裝置的監(jiān)控與失效控制技術等。

(2)高溫超導技術重點研究新型高溫超導材料及制備技術，超導電纜、超導電機、高效超導電力器件；研究超導生物醫(yī)學器件、高溫超導濾波器、高溫超導無損檢測裝置和掃描磁顯微鏡等靈敏探測器件。

(3)高效能源材料技術

重點研究太陽能電池相關材料及其關鍵技術、燃料電池關鍵材料技術、高容量儲氫材料技術、高效二次電池材料及關鍵技術、超級電容器關鍵材料及制備技術，發(fā)展高效能量轉(zhuǎn)換與儲能材料體系。第52頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

生命科學：1953年英國《自然》雜志

發(fā)表了英國克里克和美國沃特森的DNA雙

螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型，通過X-射線結(jié)構(gòu)分

析確定了生命物質(zhì)-核酸的空間結(jié)構(gòu)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析奠定了當今

分子生物學的基礎。二人因此獲得1962年

諾貝爾生理和醫(yī)學獎。sugarphosphatebackbonebaseshydrogenbondsbetweenbases4.化學與環(huán)境保護大氣污染：氣候變暖、煙霧污染、酸雨、臭氧層損耗……水體污染與防治：……3.化學對健康和生命的貢獻(藥物化學)固體廢棄物污染與防治：……第53頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

由于各學科之間的相互滲透日益增強，化學已經(jīng)滲透到每個工程技術領域?？梢钥隙?，現(xiàn)代工程技術上所面臨的課題需要的化學知識會越來越多。1.3學習化學的重要意義1.4化學物質(zhì)的分類與命名1.分類單質(zhì)化合物無機物有機物：烴、醇與酚、醛、酮、羧酸、胺、酯、……物質(zhì)2.命名：(略)第54頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三1.5化學發(fā)展簡史1.古代化學(15世紀以前)1)實用和自然哲學時期(～公元前后)a.100萬年前，原始社會，火的利用；b.公元前3000年左右，奴隸社會，以實用化學工藝為特征。埃及：煉鐵、鞣制皮革、提取藥物香料、制造陶器；c.公元前2500-2000年，中國銅的冶煉技術，殷代青銅；d.公元前一世紀，中國發(fā)明了造紙術。e.關于宇宙結(jié)構(gòu)問題，最早見解是我國商末(約公元前1140年)

出現(xiàn)在“易經(jīng)”中的“八卦”和“五行”學說。第55頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三商代青銅器(銅錫合金)Aristotle(384-322B.C.)Plato(427-347B.C.)Immortalphilosopherofantiquityf.公元前五世紀，Empedocles(安培多克爾)提出宇宙是由水、

火、氣、土“四原質(zhì)”構(gòu)成的。g.公元前400年德謨克利特：樸素原子論。第56頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

封建社會，中國道家化學煉丹(Pb3O4、HgS)。

公元二世紀，東漢魏伯陽著有世界最早煉丹術文獻；公元四世紀，東晉葛洪著有煉丹術巨著，發(fā)現(xiàn)了反應的可逆性(HgS←→Hg；Pb3O4←→Pb)及金屬的取代(Fe和Cu鹽)。這段時期，化學走入了歧途，但積累了更多的化學知識，提高了實驗技術，制作了操作器皿。2)煉金術、煉丹術時期(公元前后～公元1500年)h.公元前四世紀，亞里斯多德(Aristotle)提出冷、熱、干、濕的

“四原性”學說。第57頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三16世紀初，歐洲資本主義的發(fā)展使化學走上正路：煉金術改革，化學方法制成藥劑(無機物)；明代李時珍《本草綱目》，列有中藥材、礦物1000多種并附有制備方法、性質(zhì)介紹；明代宋應星著有《天工開物》(1639年)，總結(jié)了我國的工業(yè)技術。2.醫(yī)化學時期(公元1500～1700年)第58頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

英國的波義爾(Boyle)提出各種物質(zhì)的微粒都是由基本粒子的不同聚集體構(gòu)成的。對燃燒現(xiàn)象認為火是由一種實在的、具有重量的火微粒構(gòu)成的。

1700年，德國的施塔爾(Stahl)提出“燃素說”，清除了“四原性”學說。法國拉瓦錫(Lavoisier)燃燒的氧學說，近代化學由此萌芽。3.燃素說時期(公元1700～1774年)4.近代、現(xiàn)代化學(1774年后)第59頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

傳統(tǒng)的化學學科領域包括：無機化學、有機化學、物理化學、分析化學。新測試手段和新的數(shù)據(jù)處理方法不斷涌現(xiàn)促進了傳統(tǒng)學科的不斷完善。1.6化學學科的分支及其形成無機化學分析化學有機化學物理化學四大基礎化學第60頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

無機化學：除去碳氫化合物和其大多數(shù)衍生物外，無機化學是對所有元素和它們的化合物及反應進行實驗研究和理論解釋的科學。最初的化學是無機化學。如：青銅、陶瓷、彩陶、點金術、煉丹術、黑火藥等；以門捷列夫、Meyer的元素周期律為標志，標志現(xiàn)代無機化學形成。

貝采里烏斯(分析化學之父)分析天平的使用和定量分析的建立是分析化學形成的