大學(xué)化學(xué)第04章-能源化學(xué)基礎(chǔ)課件

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第4章能源化學(xué)基礎(chǔ)Chapter4Energy&Chemistry

10/26/20241可編輯課件PPT本章概要4.1能源的分類與能量的轉(zhuǎn)化 4.1.1能源的定義與分類；4.1.2能量的形態(tài)與轉(zhuǎn)換；4.1.3我國的能源狀況與危機(jī)4.2化石燃料：煤碳、石油與天然氣 4.2.1燃燒熱的定義與常見燃料的熱值；4.2.2煤炭；4.2.3石油與天然氣4.3化學(xué)電源 4.3.1化學(xué)電源的工作原理；4.3.2電池符號(hào)與電極上的化學(xué)反應(yīng)；4.3.3幾種常用的原電池；4.3.4幾種常用的可充電電池；4.3.5燃料電池10/26/20242可編輯課件PPT4.4核反應(yīng)與核能源 4.4.1原子核的組成；4.4.2核的穩(wěn)定性與衰變；4.4.3原子核的結(jié)合能；4.4.4核的裂變與聚變4.5可再生能源的利用 4.5.1太陽能；4.5.2風(fēng)能的利用；4.5.3氫能；4.5.4生物質(zhì)能復(fù)習(xí)：教材第10章預(yù)習(xí)：教材第11章習(xí)題：10.2~10.510/26/20243可編輯課件PPT4.1能源的分類與能量的轉(zhuǎn)化4.1.1能源的定義與分類定義：

能源是指可以從中獲得能量的資源。分類：

可再生能源不隨人類的利用而顯著減少的能源非再生能源隨人類的利用而減少的能源太陽能地?zé)?、火山風(fēng)能、潮汐能一次能源存在于自然界中的、可直接利用的能源二次能源需依靠其它能源制取的能源電能、氫能、汽、柴油酒精、火炸藥化石燃料

(煤,石油,天然氣)核燃料按能源的生成方式按能源在當(dāng)代社會(huì)中的地位分：常規(guī)能源(石油、天然氣等)和新能源(核能、太陽能、風(fēng)能、氫能等)。按能源消費(fèi)后是否造成環(huán)境污染分：污染能源和清潔型能源(太陽能、水能、電能氫能、燃料電池等)。10/26/20244可編輯課件PPT4.1.2能量的形態(tài)與轉(zhuǎn)換4.1.2.1能量的形態(tài)有7種

①機(jī)械能；②熱能；③化學(xué)能；④電能；⑤光能；⑥核能；和⑦生物能。4.1.2.2能量的單位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J10/26/20245可編輯課件PPT4.1.2.3能量轉(zhuǎn)換及其效率將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)的能量稱為能量的轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換與守恒定律：能量形態(tài)A=能量形態(tài)B+熱能損耗。 熱力學(xué)第一定律：ΔU=Q+W能量轉(zhuǎn)換的效率：能量轉(zhuǎn)換的效率較低，通常在15%~55%之間。不同形態(tài)能量之間的轉(zhuǎn)換效率見表4.1.10/26/20246可編輯課件PPT表4.1不同形態(tài)能量之間的轉(zhuǎn)換效率

因此，開發(fā)、研制高效率的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和設(shè)備也是十分有意義的工作。類型轉(zhuǎn)換過程效率(%)蒸汽機(jī)煤(油)燃燒蒸汽活塞運(yùn)動(dòng)機(jī)械能15~40熱力發(fā)電煤(油)燃燒蒸汽汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電能30~40汽(柴)油機(jī)燃油燃燒汽缸活塞運(yùn)動(dòng)機(jī)械能40~60化學(xué)電池化學(xué)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)電能70~85白熾燈電能光能10~20日光燈電能光能40~60發(fā)光二極管電能光能~90光伏電池光能電能14~2610/26/20247可編輯課件PPT4.1.3我國的能源狀況與危機(jī)4.1.3.1我國當(dāng)前的非再生能源狀況油田：玉門油田；大慶油田、遼河油田、中原油田；勝利油田、江蘇油田等的狀況；目前60%依靠進(jìn)口；煤礦：儲(chǔ)量占世界第三，產(chǎn)量占世界第一；天然氣：正在開發(fā)利用中。10/26/20248可編輯課件PPT4.1.3.2我國可再生能源的利用狀況太陽能（發(fā)電，熱水）：低，但正逐步提高！風(fēng)能（發(fā)電）、地?zé)崮?、潮汐能，等：低！麥秸桿（發(fā)電，飼料，發(fā)酵）：低！4.1.3.3美國、日本等國的儲(chǔ)能計(jì)劃10/26/20249可編輯課件PPT圖5.2已探明的世界石油儲(chǔ)量與年產(chǎn)量之比R4.210/26/202410可編輯課件PPT4.2化石燃料：煤碳、石油與天然氣4.2.1燃燒熱的定義與常見燃料的熱值4.2.1.1燃燒熱的定義定義：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位質(zhì)量的燃料完全燃燒后所釋放出來的熱量稱為該物質(zhì)的熱值或燃燒熱。記為

cH

，單位為kJ/mol或kJ/g。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：指定溫度T和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（用上標(biāo)表示）10/26/202411可編輯課件PPT單位質(zhì)量(體積)：1g物質(zhì)、1mol物質(zhì)或1m3氣態(tài)物質(zhì)。完全燃燒：CCO2(g);SSO2(g)；NN2(g)；

HH2O(l)；Cl

HCl(aq)已知反應(yīng)2H2(g)+O2(g)2H2O(g)，H=-483.6kJ

問H是H2(g)的燃燒熱cH

嗎？為什么？10/26/202412可編輯課件PPT物質(zhì)熱值物質(zhì)熱值物質(zhì)熱值甲烷(g)-55.6氫氣(g)-142.9木材-19.0乙炔(g)-50.0一氧化碳(g)-10.1煙煤-25~-30苯(l)-41.9正/異丁烷-49.6無煙煤-20~-25乙醇(l)-31.1汽油-43~-45標(biāo)準(zhǔn)煤-30萘(s)-40.3柴油~424.2.1.2常見燃料的燃燒熱

表4.2常見燃料的熱值（kJ/g）10/26/202413可編輯課件PPT4.2.2煤炭4.2.2.1煤的形成

煤是由古代植物經(jīng)地殼變遷而積壓地下，在高溫高壓的條件下經(jīng)長期轉(zhuǎn)化得到的。其過程為：

植物殘骸腐殖質(zhì)泥煤褐煤煙煤無煙煤4.2.2.2煤的分類 煤可根據(jù)其在燃燒過程中發(fā)煙與否分為煙煤和無煙煤。10/26/202414可編輯課件PPT4.2.2.3煤化工

煤中含有S、N、O、Si、Ca、Mg等雜質(zhì)，影響其使用。以煤為原料，在一定的條件下生產(chǎn)、加工而獲得其它化工原料、產(chǎn)品的工業(yè)稱為煤化工。煤焦化隔絕空氣時(shí)加熱焦?fàn)t氣（H2,CO,CO2,CH4,C2H4,NH3,苯,H2S等）煤焦油（單環(huán)芳烴、稠環(huán)芳烴、瀝青，等）焦炭（用于冶金、電石，等）煤氣化供氧不足時(shí)加熱水煤氣（用做燃料，用于化肥工業(yè)，純堿工業(yè)）人造煤氣（用做燃料）煤的液化

人造石油，通過加熱、裂解、催化加氫等步 驟，可得到多種烴類物質(zhì)。10/26/202415可編輯課件PPT4.2.3石油與天然氣4.2.3.1石油與天然氣的形成

石油與天然氣是古代海洋中的生物由于地殼運(yùn)動(dòng)而沉積于地層中，在高溫高壓的條件下經(jīng)長期作用而生成的產(chǎn)物。如圖4.14.2.3.2石油與天然氣的組成石油烴類非烴類（硫化氫;硫醇;硫醚;噻酚,吡啶,吡咯類,等）氣態(tài)烴（石油氣，C1~C4低沸點(diǎn)組分）液態(tài)烴固態(tài)烴（>C36；凡士林，蠟，瀝青，等）汽油（C5~C11正構(gòu)烷烴，<200℃餾分）煤油和柴油（C11~C20正構(gòu)烷烴,200~350℃餾分）潤滑油（C20~C36正構(gòu)烷烴，300~500℃餾分）10/26/202416可編輯課件PPT

天然氣（naturalgas）主要是甲烷（CH4）和低沸點(diǎn)揮發(fā)性組分的混合物。當(dāng)其中甲烷的體積分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)便稱為“干天然氣”，否則稱為“濕天然氣”。小知識(shí):”可燃冰”現(xiàn)象在一定的條件（如0℃

，26MPa）下，水分子彼此間通過氫鍵形成一種籠狀結(jié)構(gòu)，該物質(zhì)可將中性分子或離子(Cl2,CH4,Ar,Xe等)包于籠內(nèi)而形成水合物(分子晶體)。研究表明：1m3可燃冰能貯存164m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的CH4氣體。10/26/202417可編輯課件PPT4.2.3.3石油的加工

石油是多種化學(xué)物質(zhì)的混合物。必須經(jīng)過分離、加工后才能使用。加工過程分蒸餾、裂解和精煉三種。蒸餾：利用混合物中各組分沸點(diǎn)間的差異將化合物進(jìn)行分離的方法稱為蒸餾。所用的設(shè)備稱為蒸餾塔。10/26/202418可編輯課件PPT蒸餾塔示意圖

10/26/202419可編輯課件PPT裂解：石油中輕油所占的比例大約只有1/4~1/3。為了得到更多用途更廣的輕油，可在熱、催化劑等的作用下將大分子的重油裂解為小分子的輕油或短鏈烴。精煉：蒸餾和裂解所得到的輕油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不飽和烴類，影響油品的性能。通過脫硫、加氫等過程可降低這些雜質(zhì)的含量。（煉油廠一角）10/26/202420可編輯課件PPT小知識(shí):汽車燃油的標(biāo)號(hào)與辛烷值汽油在汽缸中正常燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?0-20m/s，在爆震燃燒時(shí)可達(dá)1500-2000m/s，后者條件下使氣缸溫度劇升，汽油燃燒不完全，機(jī)器強(qiáng)烈震動(dòng)，從而使輸出功率下降、機(jī)件受損、污染環(huán)境。

10/26/202421可編輯課件PPT不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的烴類，具有不同的抗爆震能力。異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的抗爆性能較好，辛烷值設(shè)定為100;正庚烷的抗爆性差，辛烷值設(shè)定為0。如某一汽油在引擎中所產(chǎn)生之爆震，正好與97%異辛烷及3%正庚烷之混合物的爆震程度相同，即稱此汽油之辛烷值為97。

品名正庚烷正辛烷正壬烷異辛烷甲苯乙苯苯辛烷值0-17-45100103.598.911510/26/202422可編輯課件PPT4.3化學(xué)電源(Batteries，Cells)電化學(xué)：研究電能與化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化規(guī)律以及轉(zhuǎn)化過程中有關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)—研究化學(xué)現(xiàn)象與電現(xiàn)象之間關(guān)系的學(xué)科電化學(xué)過程借助一定的裝置（原電池、電解池）完成化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，或者將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能10/26/202423可編輯課件PPT在原電池中發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，可以對外做電功，是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程在電解池中對非自發(fā)反應(yīng)施加電功，使其得以發(fā)生，是電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程電能

化學(xué)能電解電池原電池（電池）：通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，亦稱為化學(xué)電源。10/26/202424可編輯課件PPT4.3.1.1單液電池HCl(a)4.3.1常見電池的類型10/26/202425可編輯課件PPT4.3.1.2雙液電池用素?zé)煞珠_10/26/202426可編輯課件PPT用鹽橋分開：使得溶液中電荷達(dá)到平衡10/26/202427可編輯課件PPT化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可產(chǎn)生電能的電池的條件：化學(xué)反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，或含氧化還原過程適當(dāng)?shù)难b置，使化學(xué)反應(yīng)通過在電極上的反應(yīng)來完成兩個(gè)電極，以及與電極建立電化學(xué)平衡的相應(yīng)電解質(zhì)組成完整電路所需的其他附屬設(shè)備10/26/202428可編輯課件PPT4.3.2電池符號(hào)與電極上的化學(xué)反應(yīng)對原電池（化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，Galvaniccell)，規(guī)定:寫在左邊的發(fā)生氧化作用,氧化數(shù)升高,產(chǎn)生電子,為負(fù)極；寫在右邊的發(fā)生還原作用,氧化數(shù)降低,消耗電子,為正極；不同材料之間的接觸界面用“,”或“

”隔開;鹽橋用“║”表示；離子要標(biāo)明濃度，氣體要標(biāo)明壓力，純固體可以不加說明；電池反應(yīng)是兩電極反應(yīng)之和。10/26/202429可編輯課件PPT如上述銅-鋅電池可表為：ZnZn2+(c1)║Cu2+(c2)Cu電池反應(yīng)方程為： 負(fù)極： ZnZn2+(c1)+2e

正極： Cu2+(c2)+2eCu 總反應(yīng)方程為：Zn+Cu2+(c2)Zn2+(c1)+Cu10/26/202430可編輯課件PPT4.3.3化學(xué)電源分類4.3.3.1一次電池

電池中的反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行一次電化學(xué)反應(yīng)放電之后，就不能再次利用，如干電池、紐扣電池10/26/202431可編輯課件PPTA.傳統(tǒng)鋅-錳干電池電池符號(hào)：Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C負(fù)極反應(yīng):

ZnZn2+(aq)+2e;正極反應(yīng):2NH4++2e2NH3+H2(g)2MnO2+H2(g)2MnO(OH)總反應(yīng):Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH)+Zn(NH3)22+(aq)10/26/202432可編輯課件PPTB.堿性鋅-錳干電池在傳統(tǒng)鋅-錳干電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾點(diǎn)改進(jìn):用堿性KOH糊狀液代替中性NH4Cl糊狀液，導(dǎo)電性更好；用鋅粉代替鋅板，接觸面積更大，反應(yīng)速度更快更徹底。電池符號(hào)：

Zn|KOH(7~9mol/L)|MnO2,C(石墨)負(fù)極反應(yīng)：Zn(s)+2OH-(aq)

ZnO(s)+H2O(l)+2e正極反應(yīng)：MnO2(s)+2H2O(l)+2eMn(OH)2(s)+2OH-(aq)電池反應(yīng)：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)ZnO(s)+Mn(OH)2(s)10/26/202433可編輯課件PPTC.鋅-汞電池電池符號(hào)：Zn,Hg|KOH-ZnO(糊狀)|HgO-Hg,C(石墨)負(fù)極反應(yīng)：Zn(Hg)+2OH-(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e正極反應(yīng)：HgO(s)+H2O(l)+2eHg(l)+2OH-(aq)電池反應(yīng)：Zn(Hg)+HgO(s)ZnO(s)+Hg(l)電池特點(diǎn)：反應(yīng)更徹底，電量更大。但汞對環(huán)境有污染，已于1999年禁止生產(chǎn)。10/26/202434可編輯課件PPTD.銀-鋅紐扣電池電池符號(hào)：Zn-ZnO|KOH(40%)|Ag2O-Ag負(fù)極反應(yīng)：Zn(s)+2OH-(aq)Zn(OH)2(s)+2e正極反應(yīng)：Ag2O(s)+H2O(l)+2e2Ag(s)+2OH-(aq)電池反應(yīng)：Zn(s)+Ag2O(s)ZnO(s)+2Ag(s)電池特點(diǎn)：價(jià)格較高，但比容量較大。10/26/202435可編輯課件PPT4.3.3.2蓄電池（二次電池；可充電電池）放電后可充電，使活性物質(zhì)基本復(fù)原，可重復(fù)、多次利用。如鉛蓄電池、鋰離子電池等A.鉛酸蓄電池電池符號(hào)：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2電池反應(yīng):

10/26/202436可編輯課件PPTB.鎳-鎘電池電池符號(hào):Cd|KOH(1.19~1.21g/cm3)|NiO(OH),C電池反應(yīng):10/26/202437可編輯課件PPTC.鋰離子電池（搖椅電池）充電時(shí),(正)鋰離子在外電場的作用下進(jìn)入層狀石墨(負(fù)),處于高能態(tài);放電時(shí)鋰離子從高能態(tài)(負(fù))脫離出來進(jìn)入低能態(tài)(正),同時(shí)通過外回路放出多余的電能。鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。10/26/202438可編輯課件PPTLi離子電池的優(yōu)點(diǎn)：1.通訊，如手機(jī)Li離子電池的用途：1.重量輕（從金屬殼到塑料殼），能量密度大2.優(yōu)良、安全，有防暴閥，環(huán)境污染較小3.比能量高，循環(huán)壽命長4.電壓較高（3.6V），成本相對較低2.電子器件，電腦等3.人造器官用電，如心臟起搏器等10/26/202439可編輯課件PPT4.3.3.3燃料電池（連續(xù)電池）

原電池和蓄電池將有限量的化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，故均不能連續(xù)、長時(shí)間工作，給許多實(shí)際使用帶來不便。 燃料電池將化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在電池外部，故可隨原料的不斷輸入而連續(xù)發(fā)電。常用的燃料（還原劑）有：氫,甲醇,肼,天然氣,等；常用的氧化劑有：

O2，Cl2，Br2，等；

常用的介質(zhì)有：酸溶液,堿溶液,鹽溶液,等。10/26/202440可編輯課件PPT電池符號(hào)：M1,H(g,p1)|KOH(35%)|O2(g,p2),M2負(fù)極反應(yīng)：H2+2OH-

2H2O+2e正極反應(yīng)：?O2+H2O+2e2OH-電池反應(yīng)：H2+?O2H2O10/26/202441可編輯課件PPT燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

1、高效

化學(xué)能熱能機(jī)械能化學(xué)能電能機(jī)械能

<30%

>80%

2、環(huán)境友好

不排放有毒的酸性氧化物，CO2比熱電廠少40%，

3、重量輕，比能量高用于航天，汽車工業(yè)，應(yīng)急電源等21世紀(jì)首選的清潔能源

產(chǎn)物水可利用，無噪音

4、穩(wěn)定性好，可連續(xù)工作，可積木式組裝，可移動(dòng)10/26/202442可編輯課件PPT氫氧燃料電池的難點(diǎn)氫氣的儲(chǔ)存液氫要求高壓、低溫，有危險(xiǎn)性鋼瓶儲(chǔ)氫，可使用氫氣只占鋼瓶質(zhì)量的1%，也有危險(xiǎn)性研制儲(chǔ)氫金屬和其他儲(chǔ)氫材料研制用太陽能制備氫氣在298K，200atm下碳納米管吸附氫（紅色）的模擬圖象10/26/202443可編輯課件PPT4.4核反應(yīng)與核能源4.4.1原子核的組成原子核（nuclei）由質(zhì)子（proton） 和中子（neutron）組成；質(zhì)子和 中子統(tǒng)稱為核子；元素的化學(xué)性質(zhì)由核外電子的構(gòu)型和數(shù)目確定；原子核的性質(zhì)由質(zhì)子和中子的數(shù)目確定；原子序數(shù)=原子核中的質(zhì)子數(shù)Z=原子的核外電子總數(shù)n;10/26/202444可編輯課件PPTAX,

如12C,235U，等。Z692質(zhì)子的靜止質(zhì)量為mp=1.00728u；中子的靜止質(zhì)量為mn=1.00867u;電子的靜止質(zhì)量為me=0.00055uMp=Mn=1840Me;A(元素的質(zhì)量數(shù))=Z(質(zhì)子數(shù))+N(中子數(shù))(忽略電子的質(zhì)量)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的元素處于元素周期表中的同一位置，稱為同位素（Isotope），如氕，氘，氚;核可表為10/26/202445可編輯課件PPT穩(wěn)定核放射性核（不穩(wěn)定核）放射性裂變放射性放射性

+，-－緩發(fā)裂變質(zhì)子放射性重離子放射性－緩發(fā)質(zhì)子－緩發(fā)中子4.4.2核的穩(wěn)定性與衰變10/26/202446可編輯課件PPT4.4.2.1穩(wěn)定核的A:Z(或N:Z)關(guān)系圖4.2穩(wěn)定核的A:P(或N:P)關(guān)系(質(zhì)子數(shù))(質(zhì)量數(shù))

由圖可見，所有穩(wěn)定核素的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間存在良好的相關(guān)性，稱對應(yīng)區(qū)域?yàn)楹说姆€(wěn)定區(qū)。不穩(wěn)定的核一般不在這個(gè)區(qū)域，它們可以通過衰變來改變A/Z比值，從而回到穩(wěn)定區(qū)域成為穩(wěn)定核素。如，A,B點(diǎn)。(2:1)A:中子變質(zhì)子(負(fù)電子發(fā)射)B:質(zhì)子變中子(正電子發(fā)射)10/26/202447可編輯課件PPT4.4.2.2放射性同位素的衰變目前已知的兩千七百多種核素中，絕大多數(shù)是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的核素要自發(fā)地變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，同時(shí)還要釋放出一定的粒子流，這種性質(zhì)稱為放射性衰變。核素在衰變過程中釋放出來的粒子流，稱為射線。具有放射性的同位素，稱為放射性同位素。

10/26/202448可編輯課件PPT放射性衰變的種類主要有以下幾種：

衰變：質(zhì)量數(shù)（AorN）較大的不穩(wěn)定同位素通過釋放

粒子（）來達(dá)到它的穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)，如：

衰變：中子數(shù)較多的不穩(wěn)定同位素可通過

衰變（釋放負(fù)電子、正電子）或中子發(fā)射而達(dá)到其穩(wěn)定核構(gòu)型。如4He2238U(鈾)

234Th(釷)+4He（

粒子）92902

emission9Li

9Be+0e(負(fù)電子，

粒子)34-1nemission9Li

8Li+1n(中子)33010/26/202449可編輯課件PPT衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過射線（高能電磁輻射）釋放多余的能量，躍遷到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)，

以求達(dá)到其穩(wěn)定核構(gòu)型?；鶓B(tài)(groundstate)：原子核可處于不同的能量狀態(tài)，正常情況下處于最低的狀態(tài)。激發(fā)態(tài)(excitedstate)：原子核在某些核反應(yīng)、核裂變及放射性衰變后仍處于高能狀態(tài)。10/26/202450可編輯課件PPT小知識(shí):放射性衰變紀(jì)年法—考古學(xué)時(shí)鐘由太陽射線產(chǎn)生的中子流與大氣中的14N碰撞引發(fā)核反應(yīng)生成14C（方程A），而14C是不穩(wěn)定的放射性核素，會(huì)發(fā)生衰變而回到14N（方程B）：

大氣中12C、14C的濃度都是基本恒定的，因而大氣中（因而各種活的生命體中）12C/14C的比值也是恒定的。放射性同位素的衰變的動(dòng)力學(xué)方程為ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰變掉一半所需的時(shí)間）t?=ln2/k1，與初始濃度c0無關(guān)。不同放射性同位素的半衰期為A：14N+1n

14C+

1pB:14C

14N+0

706167-1同位素14C

14N+

40K

40Ar+

671920t?(年)57301.3

10910/26/202451可編輯課件PPT例4.1考古人員從徐州某古墓中找到一塊棺木，經(jīng)同位素檢測發(fā)現(xiàn)該木塊中14C/12C之比是現(xiàn)代樹木中14C/12C之比的78%。問該古墓應(yīng)屬于哪個(gè)朝代？已知14C的半衰期t?=5730年。 解：(14C/12C)古/(14C/12C)現(xiàn)=14C古/14C現(xiàn)=0.78

k1=ln2/t?=ln2/5730=1.2110-4a-1

由ln(N0/N)=k1t得

t=(1/k1)ln(N0/N)=(1/k1)ln(1/0.78)=2053年 答：該古墓可能屬于漢代早期。10/26/202452可編輯課件PPT4.4.3原子核的結(jié)合能4.4.3.1核子質(zhì)量與核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損原子質(zhì)量單位（碳單位）：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定，以12C的原子質(zhì)量的1/12作為原子質(zhì)量的單位，記為amu或u。質(zhì)子的靜止質(zhì)量為mp=1.00728u；中子的靜止質(zhì)量為mn=1.00867u;電子的靜止質(zhì)量為me=0.00055u。4He的摩爾質(zhì)量為4.00150g/mol；組成核子的原始質(zhì)量為2

1.00728u+21.00867u=4.03190u；質(zhì)量虧損?m=-0.0304u。說明在反應(yīng)過程中有部分質(zhì)量損失了。10/26/202453可編輯課件PPT4.4.3.2原子核的結(jié)合能Eb根據(jù)Einstein質(zhì)能關(guān)系式E=?m

C2，相應(yīng)的質(zhì)量虧損通過能量的形式釋放出來（核的能量降低了），稱為原子核的結(jié)合能（BindingEnergy),記為Eb。

Eb越大，核子之間的結(jié)合就越牢固，原子核就越穩(wěn)定。對于比較不同原子核的穩(wěn)定性，我們引入核子的平均結(jié)合能Eb,平均，Eb,平均=Eb/A(質(zhì)量數(shù))。核子的平均結(jié)合能越大Eb,平均，原子核就越穩(wěn)定。10/26/202454可編輯課件PPT例4.2已知12753I的摩爾質(zhì)量是126.9004g/mol，計(jì)算核子的平均結(jié)合能Eb,平均。解：原子（12753I）的質(zhì)量是126.9004amu 原子中核子的靜止質(zhì)量是53

mp+(127-53)

mn =128.0274amu 質(zhì)量虧損為?m=126.9004-128.0274=-1.12702amu 核結(jié)合能為Eb=?mC2=-(1.12702/6.0231026)(3108)2

=1.68410-10J 核子平均結(jié)合能Eb,平均=1.68410-10J/127=1.32610-12J10/26/202455可編輯課件PPT圖

4.3

Eb,平均

隨

A

的

變

化

由圖可見，較輕的核和較重的核的核子平均結(jié)合能較小，穩(wěn)定性較差，而中等質(zhì)量的核的核子平均結(jié)合能較大，F(xiàn)e的Eb,平均最大，所以最穩(wěn)定。A<56，小核變大核越穩(wěn)定(聚變);A>56,大核變小核，更穩(wěn)定(裂變).

各原子核的核子平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)A的變化如圖4.3。裂變聚變10/26/202456可編輯課件PPT4.4.4核的裂變與聚變4.4.4.1核的裂變（fission）

重核受到激發(fā)分裂為幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱為原子核裂變。重核裂變可以釋放大量能量，為人類提供一種新的能源。普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。

核裂變產(chǎn)物大多具有放射性。10/26/202457可編輯課件PPT當(dāng)一個(gè)重核受到慢中子轟擊，分裂成兩個(gè)中等原子量的核，并放出一個(gè)到三個(gè)中子，這種中子稱為再生中子，同時(shí)還釋放大量的能量。如果分裂時(shí)放出的再生中子又能引起另外的核分裂，可使反應(yīng)繼續(xù)下去，并不斷釋放大量原子核能，這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。235U235U142Ba+91Kr+31n235U+1n56360137Te+97Zr+21n5240010/26/202458可編輯課件PPT4.4.4.2原子彈與反應(yīng)堆

核武器是利用核裂變或聚變反應(yīng)釋放的能量，產(chǎn)生爆炸作用并具有大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)的武器的總稱。

原子彈是主要利用鈾235或钚239等重原子核的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理之稱的武器。10/26/202459可編輯課件PPT

核反應(yīng)堆

通過受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過程消耗的中子數(shù),以形成所謂的自持鏈反應(yīng)(self-sustainingchainreaction)。

10/26/202460可編輯課件PPT4.4.4.3核的聚變(Fusion)-氫彈由圖4.3可見：核聚變所釋放的能量大于核裂變所釋放的能量；核聚變能比核裂變能威力大的多,它是一種最理想的清潔能源，是開發(fā)核能的主攻方向。氫彈是主要利用重氫（氘）或超重氫（氚）等輕原子核的熱核反應(yīng)原理制成的熱核武器或聚變武器。氫彈是利用內(nèi)部一個(gè)小型鈾原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫引爆的。＋

＋40000000℃

核聚變產(chǎn)物不是放射性的。10/26/202461可編輯課件PPT核聚變所需的溫度較高（T>50,000,000℃）；目前太陽上正在進(jìn)行的是氫聚變成氦的反應(yīng)，氫消耗到一定程度后進(jìn)行H+He

Li；He+HeC；……等的反應(yīng)，聚變所需要的溫度也越來越高。如果星球質(zhì)量（進(jìn)而吸引力和壓力）足夠大，溫度就足夠高，最終會(huì)引發(fā)生成Fe的聚變，反應(yīng)終止。星球變?yōu)榘装牵ㄋ诘奈恢梅Q為黑洞）。白矮星特點(diǎn)：體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。10/26/202462可編輯課件PPT4.5可再生能源的利用

不隨人類的利用而明顯減少的能源稱為可再生能源。常見的可再生能源有太陽能，風(fēng)能，水力能，潮汐能和地?zé)崮艿取?.5.1太陽能

太陽每秒鐘輻射到地球上的能量相當(dāng)于106~107噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，相當(dāng)于全世界能耗的1萬倍，是真正的綠色能源。目前人類所使用的礦物燃料均來源于太陽億萬年來的奉獻(xiàn)。 太陽能的利用包括太陽能電池、太陽爐等許多方面。

光——熱轉(zhuǎn)換、光——電轉(zhuǎn)換和光——化學(xué)轉(zhuǎn)換等10/26/202463可編輯課件PPT4.5.2風(fēng)能的利用風(fēng)能是指太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻，引起各地溫差和氣壓不同，導(dǎo)致空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量。利用風(fēng)力機(jī)可將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能、機(jī)械能和熱能等。風(fēng)能利用的主要形式有風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水、風(fēng)力致熱以及風(fēng)帆助航等。10/26/202464可編輯課件PPT4.5.3氫能4.5.3.1氫能的特點(diǎn)氫的燃燒熱為143kJ/g,是汽油的3.25倍,是標(biāo)準(zhǔn)煤的4.77倍。是自然界中熱值最高的燃料。氫的燃燒產(chǎn)物為H2O，無廢氣、無煙塵，是自然界中最清潔的燃料。自然界中含有大量的水（H2O），氫是自然界中含量最豐富的物質(zhì)之一，是自然界中含量