能源與化學(xué)全解

第2章自然界的物質(zhì)第4章能源與化學(xué)第3章物質(zhì)的形成與變化第5章生活與化學(xué)第1章化學(xué)的世界

第

4章

能源與化學(xué)

目錄4-4其他能源●核反應(yīng)(影片欣賞)●質(zhì)能轉(zhuǎn)換(例題4-3)●核能的運(yùn)用●核能的其他和平用途

(進(jìn)階例題10)●太陽能●多元能源的開發(fā)

(進(jìn)階例題11、進(jìn)階例題12)●煤的組成●煤的干餾●水煤氣●煤的優(yōu)缺點(diǎn)【補(bǔ)充】●天然氣(進(jìn)階例題6、進(jìn)階例題7)4-3化學(xué)電池●氧化還原反應(yīng)●鋅銅電池(例題4-2)●干電池●堿性干電池●驗(yàn)電條的神奇魔力【補(bǔ)充】●鉛蓄電池●鉛蓄電池放電與充電●汞電池●鎳鎘電池

(進(jìn)階例題8、進(jìn)階例題9)4-1能源與燃料●能源的種類(影片欣賞)●反應(yīng)熱●影響反應(yīng)熱的因素●莫耳燃燒熱與莫耳生成熱●反應(yīng)熱的性質(zhì)●燃料熱值(例題4-1、進(jìn)階例題1)4-2化石能源●化石能源(影片欣賞)●石油分餾的主要餾份及用途

(進(jìn)階例題2、進(jìn)階例題3)●汽油●汽油添加劑●熱裂解●石油產(chǎn)品知多少?【補(bǔ)充】(進(jìn)階例題4、進(jìn)階例題5)回頁首能源的種類3.其他能源：地?zé)帷⒉ɡ?、潮?.太陽能●化石燃料：如煤、石油、天然氣等?！窈四埽衡?235進(jìn)行核分裂產(chǎn)生的能源。1.目前人類的主要能源是

及

?；剂虾四苡捌蕾p：能量請(qǐng)按黃色按鈕反應(yīng)熱△H＝(生成物能量的總和)－(反應(yīng)物能量的總和)

吸熱反應(yīng)

放熱反應(yīng)

.△H＞0

△H＜0能量生成物反應(yīng)物生成物反應(yīng)物ΔH＞0吸熱反應(yīng)ΔH＜0放熱反應(yīng)影響反應(yīng)熱的因素1.化學(xué)反應(yīng)熱會(huì)受到反應(yīng)型態(tài)、反應(yīng)物的量、物質(zhì)狀態(tài)、溫度及壓力等因素的影響。2.反應(yīng)熱與反應(yīng)過程

，不受催化劑的影響。3.以

時(shí)的反應(yīng)熱作為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱。4.以反應(yīng)方程式表示反應(yīng)的能量變化時(shí)，除了寫出反應(yīng)物及生成物，尚須標(biāo)示物質(zhì)狀態(tài)及反應(yīng)熱，此方程式稱為

。無關(guān)1atm、25℃熱化學(xué)方程式在1atm及25℃時(shí)，1.0莫耳物質(zhì)完全燃燒所引起的熱量變化，稱為該物質(zhì)的

。H2(g)

＋?O2(g)

─→H2O(l)△H＝

kJ

氫的莫耳燃燒熱也是

。－286水的莫耳生成熱莫耳燃燒熱莫耳燃燒熱與莫耳生成熱反應(yīng)熱的性質(zhì)2.反應(yīng)物相同，生成物不同，則反應(yīng)熱

。

C(s)＋O2(g)

─→CO2(g)△H＝－394kJ

C(s)＋1/2O2(g)─→CO(g)△H＝

kJ1.反應(yīng)物愈多，反應(yīng)熱愈

。

H2(g)＋1/2O2(g)

─→H2O(l)△H＝－286kJ

2H2(g)＋O2(g)─→2H2O(l)△H＝

kJ－572－110大不同3.反應(yīng)物生成物均相同，狀態(tài)不同，則反應(yīng)熱

。

H2(g)

＋1/2O2(g)

─→H2O(l)△H＝－286kJH2(g)

＋1/2O2(g)

─→H2O(g)△H＝－242kJH2O(l)→H2O(g)△H＝

kJ不同44燃料熱值●燃料的熱值常以

來表示●熱值愈高的燃料就是

的燃料。千焦/千克(kJ/kg)較佳常見燃料熱值19000~31000煤42000~44000柴油44000~46000煤油46000~48000汽油46000~50000液化石油氣33000~50000天然氣熱值(kJ/kg)燃料例題4-1燃燒一莫耳氫氣可放熱286kJ，計(jì)算氫氣的熱值有多少kJ/kg？一莫耳氫氣的質(zhì)量2.0克，1000克氫氣等于500莫耳，燃燒后共放熱286kJ×500＝143000kJ，所以氫氣的熱值為143000kJ/kg。參考解答進(jìn)階例題1已知甲烷(CH4)的莫耳燃燒熱為－880kJ，乙烷(C2H6)的莫耳燃燒熱為－1540kJ，若以同重量計(jì)算，何者放熱量較大？

參考解答

甲烷甲烷(CH4＝16)，乙烷(C2H6＝30)，每克的燃燒放出熱量大小為＞故燃燒熱值(kJ/kg)：甲烷＞乙烷化石能源●石油主要是

的混合物●烴類也稱為

?！窭没旌衔镏懈鞒煞莸姆肿恿考胺悬c(diǎn)的差異，將不同的成分分開，稱為

。烴類碳?xì)浠衔飵r石巖石砂石油頁巖巖石底土油井油氣土壤分餾影片欣賞：石油請(qǐng)按黃色按鈕石油分餾的主要餾份及用途瀝青＞C22殘留物潤(rùn)滑油、蠟紙＞350C17～C22蠟油柴油機(jī)燃料250～400C15～C20柴油燈油、噴射機(jī)燃料175～300C12～C16煤油汽車燃料、有機(jī)溶劑60～200汽油有機(jī)溶劑20～60C5

～C6石油醚燃料(液化石油氣，LPG)＜20石油氣用途分餾溫度(℃)含碳數(shù)成分C1

～C4C6

～C12進(jìn)階例題2石油是由烴類化合物組成的混合物，右圖是精煉石油的分餾塔簡(jiǎn)圖，碳數(shù)約為13-19的餾份由丙出口流出，(1)甲出口與丙出口的餾份相比，下列敘述何者正確？

參考解答(C)(A)兩者的沸點(diǎn)一樣(B)甲出口之餾份的平均分子量比丙的大(C)丙出口之餾份的平均分子量比甲的大(D)兩者的平均分子量一樣，但化學(xué)結(jié)構(gòu)不同

進(jìn)階例題3(2)有關(guān)各出口餾份的性質(zhì)與用途，下列敘述何者正確？

參考解答(D)(A)甲出口之餾份是氣體，冷凝收集后，多用作飛機(jī)燃油(B)乙出口之餾份的碳數(shù)超過30，多用作工業(yè)溶劑(C)含鉛汽油直接從丙出口流出，辛烷值高，可防爆震(D)丁出口的產(chǎn)物是分子量非常大的殘余物，如瀝青

【91學(xué)測(cè)】

汽油1.引擎震爆(knocking)：汽油蒸氣在內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)燃燒時(shí)產(chǎn)生高壓氣體，推動(dòng)活塞轉(zhuǎn)動(dòng)，若因燃燒太快使活塞受力不均勻，會(huì)產(chǎn)生引擎震爆現(xiàn)象，損害引擎且減低引擎動(dòng)力。2.燃料的抗震爆程度以燃料的

表示。3.辛烷值愈高，燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生震爆程度愈

。4.訂定標(biāo)準(zhǔn)：

正庚烷(C7H16)震爆程度嚴(yán)重，辛烷值定為

。

異辛烷(C8H18)震爆程度小，辛烷值定為

。5.市售95汽油(O.N.＝95)震爆程度

由體積95%異辛烷和5%正庚烷混合燃料的震爆程度。辛烷值(O.N.值)小0100相當(dāng)于汽油添加劑1.含鉛汽油：●在汽油中添加少許

以提高其辛烷值●并加入少量

作為鉛的清除劑，使燃燒后生成易揮發(fā)的溴化鉛PbBr2●

缺點(diǎn)：燃燒后產(chǎn)生鉛化合物的污染四乙基鉛[Pb(C2H5)4]二溴乙烷●在汽油中添加

(簡(jiǎn)稱MTBE)及醇類等以提高其辛烷值。●燃燒后不會(huì)造成鉛污染的問題。甲基第三丁基醚[CH3OC(CH3)3]

2.無鉛汽油：熱裂解●

烷類經(jīng)高溫強(qiáng)熱加上適當(dāng)催化劑發(fā)生

?！?/p>

丙烷裂解生成丙烯、乙烯、甲烷、氫等小分子。熱裂解裂解───→(加熱、催化劑)(丙烯)(氫)(甲烷)(乙烯)石油產(chǎn)品知多少？

【補(bǔ)充】數(shù)據(jù)鏈路～中國(guó)石油(股)公司網(wǎng)站－石油教室氣體類產(chǎn)品：如天然氣、液化天然氣、丙烷等。燃料類產(chǎn)品：如汽油、煤油、燃料油等。潤(rùn)滑油脂：按用途分

1.車輛與機(jī)動(dòng)機(jī)械用潤(rùn)滑油脂

2.工業(yè)機(jī)械用潤(rùn)滑油脂

3.船舶用潤(rùn)滑油脂柏油類產(chǎn)品溶劑類產(chǎn)品：如油漆溶劑、去漬油等。石油化學(xué)品：如乙烯、丙烯、甲苯等。進(jìn)階例題4有關(guān)石油與烷類的敘述，何者正確？(A)熱裂煉是將較大的烷類分子轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的小分子(B)石油醚是由原油分餾而得的純質(zhì)，是一種化合物(C)常溫常壓下丙烷與丁烷為氣體，高壓下則液化成高揮發(fā)性的液體(D)鉀丟入石油醚中，會(huì)燃燒爆炸(E)實(shí)驗(yàn)室用的正己烷主要是由石油中分餾而得

進(jìn)階例題4參考解答

(A)(C)(B)石油醚是混合物(D)石油醚為烷類的混合物，與金屬鉀不反應(yīng)，故堿金屬儲(chǔ)存于煤油或柴油中(E)石油分餾僅能獲得混合物進(jìn)階例題5有關(guān)汽油抗震爆能力和辛烷值的下列敘述，何者正確？(A)抗震爆能力：95無鉛汽油＞92無鉛汽油

(B)含鉛汽油是指汽油中含有PbO2添加劑

(C)辛烷值愈高的汽油，其抗震爆能力愈低

(D)98無鉛汽油中異辛烷的體積占98﹪

進(jìn)階例題5參考解答

(A)(B)含鉛汽油是指汽油中含有四乙基鉛添加劑(C)辛烷值愈高的汽油，其抗震能力愈高(D)98無鉛汽油是指汽油抗震程度相當(dāng)于體積比異辛烷：正庚烷＝98：2混合物的抗震程度，并非一定含有98%的異辛烷煤的組成1.煤(coal)是埋在地下的

，受到長(zhǎng)期地?zé)崤c高壓逐漸碳化而形成的黑色固體物質(zhì)。2.煤主要成分是

及少量硫、氮、氫和氧，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生硫及氮的氧化物，造成酸雨。植物碳酸酸酸煤的干餾將煤隔絕空氣強(qiáng)熱至高溫分解●

煤氣與水煤氣都沒有特殊氣味，但均含劇毒的

，故須添加微量

氣體，因其臭味在氣體外泄時(shí)易生警覺。●煤焦在高溫下與水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳和氫氣為主的混合氣體，俗稱

，是工業(yè)上的重要燃料。水煤氣水煤氣C(s)＋H2O(g)

─→CO(g)＋H2(g)一氧化碳二乙基硫(C2H5)2S煤的優(yōu)缺點(diǎn)

【補(bǔ)充】～優(yōu)點(diǎn)～

1.比石油價(jià)格便宜。

2.開采較容易，儲(chǔ)量豐富，約還可以使用200年。

3.燃燒效率不斷提高。

4.可作化工原料，用途很多。

～缺點(diǎn)～

1.煤作為燃料時(shí)，發(fā)熱量比石油低。

2.因不能用管道輸送，煤的運(yùn)輸時(shí)不如石油方便。

3.燃燒時(shí)污染性大，造成空氣污染及固體廢物。數(shù)據(jù)源：臺(tái)灣大學(xué)－地質(zhì)科學(xué)典藏?cái)?shù)字化計(jì)劃－礦物篇網(wǎng)站1.天然氣主要由

、

組成，是低碳數(shù)的烷類混合物。天然氣

3.天然氣也可用來制造氫氣、氨、尿素及甲醇等重要的化學(xué)工業(yè)原料。甲烷乙烷2.天然氣無臭無毒且熱值高，是理想的燃料。進(jìn)階例題6下列有關(guān)煤之?dāng)⑹?，下列何者正確？(A)依含碳量比而言：泥煤＞褐煤＞煙煤＞無煙煤(B)煤經(jīng)干餾后其氣相產(chǎn)物稱為水煤氣(C)苯、萘可自煤中分餾而得(D)干餾煙煤所得之產(chǎn)物，幾全為無機(jī)化合物(E)焦煤可用作冶鐵與煉鋼進(jìn)階例題6參考解答

(C)(E)(A)依含碳量比而言：泥煤＜褐煤＜煙煤＜無煙煤(B)煤經(jīng)干餾后其氣相產(chǎn)物為煤氣(D)干餾煙煤所得之產(chǎn)物，除焦炭外大部分為有機(jī)化合物進(jìn)階例題7關(guān)于化石燃料的成分，下列那些正確？

(A)天然氣的主要成份為CH4、C2H6(B)水煤氣的主要成份為CO、H2O(C)煤氣的主要成份為CH4、H2、CO(D)液化石油氣的主要成份為含碳數(shù)C4~C6的烷類(E)煤氣與水煤氣均有臭味，是因?yàn)楹芯哂谐粑兜谋郊凹妆竭M(jìn)階例題7參考解答

(A)

(C)(B)水煤氣的主要成份為CO、H2

(D)液化石油氣的主要成份為丙烷與丁烷(E)煤氣與水煤氣的臭味是有機(jī)硫化物添加劑氧化還原反應(yīng)1.氧化：失去電子稱為

反應(yīng)，為

。2.還原：獲得電子稱為

反應(yīng)，為

。3.氧化還原必同時(shí)發(fā)生氧化還原劑還原氧化劑Zn(s)＋Cu2+(aq)─→Zn2+(aq)＋Cu(s)

電子

電子

.

.

劑

劑還原氧化失去獲得還原氧化鋅銅電池陰極(正極)

電子流(導(dǎo)線)

陽極(負(fù)極)←─←─Zn(s)＋Cu2+(aq)

─→Zn2+(aq)＋Cu(s)銅棒質(zhì)量

。鋅棒質(zhì)量

。溶液藍(lán)色變

。溶液顏色

。不變減輕增加淡例題4-2已知銅金屬放出電子的能力大于銀。將銅棒置于裝有1.0M硝酸銅水溶液的燒杯中，將銀棒置于裝有1.0M硝酸銀水溶液的燒杯中，U型玻璃管裝有硝酸鉀飽和水溶液作為鹽橋，利用上述裝置組成電池，請(qǐng)指出：(1)電池的凈反應(yīng)式(2)陽極與陰極(3)電子流動(dòng)方向

例題4-2參考解答(1)銅金屬放出電子的能力大于銀，所以電池的凈反應(yīng)為：

Cu(s)＋

2Ag＋

─→

Cu2＋

＋

2Ag(s)(2)銅棒上發(fā)生氧化反應(yīng)，所以銅棒是陽極，

銀棒上發(fā)生還原反應(yīng)，所以銀棒是陰極。(3)電子由銅棒(陽極)經(jīng)外電路流向銀棒(陰極)。干電池（勒克朗舍電池）●電極：

為陽極，

(石墨棒)為陰極，屬于惰性電極。●電解質(zhì)：

、氯化鋅(ZnCl2)及二氧化錳(MnO2)的糊狀混合物?！耠妷簽?/p>

伏特●

電池鋅罐碳棒氯化銨(NH4Cl)1.5一次(+)(-)石墨電極(陰極)乳狀填充物鋅殼(陽極)MnO2糊狀物堿性干電池（勒克朗舍電池的改良）●干電池缺點(diǎn)：碳棒上最初生成

及

，會(huì)阻礙碳棒界面上的反應(yīng)，稱為

。

(1)電解質(zhì)中氯化鋅吸收

。

(2)二氧化錳作為氧化劑與

反應(yīng)生成Mn2O3及水●堿性干電池以

取代氯化銨，使電解質(zhì)呈堿性，放電時(shí)不產(chǎn)生氣體，電壓變動(dòng)小，放電容量大，不易產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，耐寒性也較佳。氨氣氫氣極化氨氣氫氣氫氧化鉀【補(bǔ)充】市面上有些電池，只要按住正負(fù)極的兩點(diǎn)就可測(cè)出剩余的電力，這是為什么呢？我們要檢查電池是否仍有足夠的電力，主要是依賴驗(yàn)電條的幫忙。什么是驗(yàn)電條呢？它是一種電阻器，可因外在電壓的強(qiáng)弱改變它的發(fā)光范圍。以前是電池與驗(yàn)電條分開，使用時(shí)才將驗(yàn)電條連接于電池上?，F(xiàn)在有些廠商為了方便使用者，將驗(yàn)電條直接貼在電池外面，所以我們只要觸壓正負(fù)極的兩個(gè)接點(diǎn)就能知道電池的狀況了?。◎?yàn)電條的神奇魔力鉛蓄電池●電極：陽極為金屬

，陰極為

(PbO2)●電解質(zhì)：

，

●電壓：每一個(gè)單位為

伏特，汽車用電池是由6個(gè)單位串聯(lián)成12伏特●

電池鉛二氧化鉛硫酸2二次鉛蓄電池放電與充電

●放電時(shí)：鉛金屬釋出電子產(chǎn)生

，二氧化鉛得到電子亦反應(yīng)成

，兩電極重量均

，電池電壓會(huì)逐漸減小?！癯潆姇r(shí)：外接直流電源的負(fù)極接在

電極(陰極)，正極接在

電極(陽極)上。硫酸鉛(PbSO4)硫酸鉛增加Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)

2PbSO4(s)＋2H2O(l)放電─→←─充電鉛二氧化鉛汞電池●電極：陽極為

粉陰極為

?！耠娊赓|(zhì)：

?！耠妷海杭s為

伏特●含有汞金屬，須嚴(yán)格回收●以

取代氧化汞，可避免嚴(yán)重污染鋅氧化汞(HgO)氫氧化鉀1.35氧化銀排氣孔鋅(陽極)KOH/ZnO電解質(zhì)氧化汞(陰極)絕緣層鍍錫內(nèi)璧不繡鋼外殼鎳鎘電池1.電極：陽極為

金屬，陰極為

。2.電解質(zhì)：

。3.電壓約為

伏特4.

電池，多用于預(yù)備電源、安全照明、攝影機(jī)等。鎘氧化鎳氫氧化鉀1.3二次進(jìn)階例題8關(guān)于勒克朗舍電池(干電池)，下列敘述何者正確？(A)以碳棒為陽極(B)陽極反應(yīng)為Zn2＋＋2e－─→Zn(C)電解質(zhì)為MnO2、NH4Cl和ZnCl2的混合物(D)MnO2是還原劑參考解答

(C)

(A)以碳棒為陰極(B)陽極反應(yīng)為Zn─→Zn2＋＋2e－(D)MnO2是氧化劑

進(jìn)階例題9下列關(guān)于常用電池的敘述，何者正確？(A)堿性干電池以鋅為正極，二氧化錳為負(fù)極，以氫氧化鉀的糊狀物為電解液(B)鎳鎘電池可重復(fù)充電，為二次電池的一種(C)鉛蓄電池以二氧化鉛為正極，以稀硫酸為電解液(D)鉛蓄電池必須回收，以防止鉛的污染(E)干電池放電后，電池內(nèi)水分減少，故稱為干電池

進(jìn)階例題9參考解答

(B)(C)

(D)(A)堿性干電池以鋅為負(fù)極，碳棒為正極，以氫氧化鉀的糊狀物為電解液。(E)干電池放電后，電池內(nèi)水份增加。核反應(yīng)1.放射性：自然界中不穩(wěn)定的原子核會(huì)釋放出射線或能量，本身蛻變成不同原子核。2.射線：原子核蛻變放出的射線主要有三種：

α-射線(即

)，β-射線(即

)，

γ射線(高能

)。

.

.

─→++α-射線β-射線電磁波氦核電子影片欣賞：核能請(qǐng)按黃色按鈕1.愛因斯坦在相對(duì)論中提出：E＝

。2.單位：能量(E)

，物質(zhì)質(zhì)量(m)

，c為光速

。3.每克物質(zhì)可轉(zhuǎn)換成

焦耳的能量

E＝mc2＝(1×10－3kg)×(3×108m/s)2＝

。4.鈾-235的核分裂反應(yīng)，質(zhì)量損耗率約0.095%

每公斤鈾-235反應(yīng)約產(chǎn)生

焦耳的能量質(zhì)能轉(zhuǎn)換mc2千克3×108公尺/秒9×10139×1013J8.5×1013焦耳例題4-3請(qǐng)參考表4-1計(jì)算出每公斤鈾-235原子核的核分裂反應(yīng)產(chǎn)生的能量，約為每公斤液化石油氣燃燒熱值的多少倍？例題4-3參考解答表4-1液化石油氣燃燒熱值為46000~50000kJ/kg，每公斤鈾-235原子的核分裂反應(yīng)產(chǎn)生的能量8.5×1013J=8.5×1010kJ8.5×1010kJ÷50000kJ=1.7×106倍即同質(zhì)量的鈾核反應(yīng)產(chǎn)生的能量大約是液化石油氣的一百七十萬倍。核能的運(yùn)用1.核反應(yīng)器又稱反應(yīng)爐。2.反應(yīng)爐內(nèi)有燃料棒、控制棒、傳導(dǎo)熱的水。3.燃料棒含濃度3~5％的鈾-235。4.控制棒是以能吸收中子的材料，如鎘金屬或硼。5.依熱傳遞方式不同而分為沸水式及壓水式。核能的其他和平用途【補(bǔ)充】6.建筑結(jié)構(gòu)分析檢查。5.農(nóng)產(chǎn)品的抗芽及滅菌、滅蟲。4.太空探測(cè)。3.醫(yī)療使用：核子醫(yī)學(xué)及滅菌消毒。2.利用半生期，估計(jì)古生物的年代。1.放射線標(biāo)定：化學(xué)反應(yīng)機(jī)構(gòu)的研究、地下水的含量研究、生物的遷移研究。進(jìn)階例題10(A)鈷60釋放加馬(γ)射線，屬短暫半生期之同位素，通常藉注射或口服作診療之用。(B)核磁共振顯影儀是利用放射性原理的診斷儀器(C)兩種放射性同位素，同時(shí)由相同的原子數(shù)目開始衰變，在同一時(shí)段內(nèi)衰變的數(shù)目，半生期短者比半生期長(zhǎng)者為多。(D)放射性同位素的應(yīng)用，是利用放出的γ射線殺死細(xì)菌或病毒。