化学与社会生活能源课件市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

吕琳（能源）化学与社会

化学与社会生活能源课件第1页1/130人类文明发端于火利用煤炭使用不但延长了燃烧时间，而且为金属冶炼、蒸汽机使用奠定基础。石油化工使人类进入了当代社会未来社会是核能社会化学与社会生活能源课件第2页2/130

能源是人类文明进步先决条件，它开发和利用是衡量一个社会形态、一个时代、一个国家经济发展、科技水平与民众生活质量主要标志。化学与社会生活能源课件第3页3/130伴随当代科学技术高速发展和世界人口快速增加，对能源需求量越来越大，对能源质量需求也越来越高，作为当今能源主体石油、天然气、煤，都是不能再生化石燃料，用去一点就会少一点。据科学家们预计，现在化石燃料只能再维持几十年时间；另首先，世界新技术革命带动着许多新兴工业蓬勃兴起，新生产体系必定要求改变能源系统，要求采取可再生、分散、多样化能源。所以，充分利用常规能源、开发新能源是处理世界能源危机主要路径，是当今世界各国共同追求之一，新能源必将成为世界新产业革命动力，成为未来世界能源系统基础，成为未来世界能源舞台上主角。化学与社会生活能源课件第4页4/130毫无疑问，化学在充分利用现有资源和开发新能源方面发挥着不可替换作用。首先，经过化学伎俩能够愈加好地利用化石燃料。其次，化学在开发新能源方面也发挥着主要作用，经过化学等方法开发核能、氢能、太阳能等是极具前途清洁能源。化学与社会生活能源课件第5页5/130能源概述各种能源介绍主要内容化学与社会生活能源课件第6页6/130能源是指能为人类提供所需能量自然资源，是指一切能量比较集中含能体（如煤炭、天然气等）和能量过程（如风、潮汐）一、能源概述

1、何谓能源？化学与社会生活能源课件第7页7/130当前人类所能够使用能源形式化学与社会生活能源课件第8页8/130

1、按起源分

来自地球以外辐射能、化石资源、生物质能、

(太阳能)风能、海洋能

来自地球内部地热能和核能

地球与月球、太阳等天体间有规律运动形成能

潮汐能

2、按能源形成条件分：一次能源自然界中未经转换可直接使用能源如：原煤、石油、天然气、流水、日光、草木二次能源

经过加工或转换后取得能源如：汽油、煤油、柴油、电力、氢能、沼气2、能源分类化学与社会生活能源课件第9页9/130

3、按能源可否重复利用分：

可再生能源

水力、风、草木燃料、海洋能

非再生能源化石燃料（煤、石油、天然气）

4、按能源利用情况分：

常规能源是指已被广泛利用能源（柴草、煤炭、石油、水力等）

新能源是指利用先进技术所取得能源或指采取先进技术开发利用传统能源（太阳能、核能、氢能、生物质能、海洋能、地热能、煤气、水煤浆）能源分类5、世界能源委员会将能源分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能等类型。其中，前三种又称化石燃料或化石能源。化学与社会生活能源课件第10页10/130

加热大气加热海洋光电转换光热转换风能潮汐能海浪能海流能海水温差能水能古生物固定太阳能人工利用太阳能光合作用煤炭石油天然气生物质能太阳辐射太阳能利用方式图

在当前人类所使用能源中，绝大部分都来自太阳能，太阳能利用方式各种多样。能源分类化学与社会生活能源课件第11页11/130

1、

化学能向电能转化2、

太阳能转化为热能、电能所需蓄热材料、光电材料3、

核能转化为电能：核燃料提纯、富集——化学处理过程核废料萃取分离反应堆结构材料、元件、包壳材料防护水纯化4、化石燃料充分利用5、生物质能利用效率提升3、能源转换中化学化学与社会生活能源课件第12页12/130

裂变能太阳能热利用技术大规模电力系统高效燃烧技术核能利用20世纪能源科学技术成就聚变能放射能大容量风力发电技术能源软科学化学与社会生活能源课件第13页13/130二十一世纪能源科学技术发展方向燃料电池核聚变能氢能太阳能发电利用生物质能高效和清洁利用技术分散能源系统技术能源软科学化学与社会生活能源课件第14页14/130

二、化石燃料

当代工业粮食—煤炭当代工业血液—石油最清洁化石燃料—天然气化学与社会生活能源课件第15页15/130煤炭大约在5000年前，人类曾把煤炭作为装饰品。煤炭是世界上储存量最丰富化石燃料之一。世界上煤总储存量约为13万亿吨。我国探明煤炭可采储存量为7300多亿吨，居世界第一，占世界总储量45.7%。我国也是世界第一产煤和用煤大国。你知道吗？化学与社会生活能源课件第16页16/130煤是由古生植物伴随地壳变动被埋入地下，经过数亿年地热高温、高压和细菌作用逐步演化形成可燃性固体矿物。从本质上说煤炭中所含化学能是植物经过光合作用从太阳光转化而来。煤形成采煤化学与社会生活能源课件第17页17/130世界煤炭贮备和分布

化学与社会生活能源课件第18页18/130中国煤炭贮备和分布

化学与社会生活能源课件第19页19/130依据煤化程度不一样将煤大致分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤，其含碳量逐步升高，燃烧热值也之间递增。我国原煤产量以烟煤为主。煤种类泥炭褐煤烟煤无烟煤四种煤形成过程化学与社会生活能源课件第20页20/130

煤是一个含有高碳氢比复杂混合物，其主要成份是碳和氢，还有少许氧、氮、硫等。分子式：C125H97O9NS成份：C84.3%H5.1%O7.5%N1.5%S1.6%水分、挥发物、无机物灰分煤中氢并非都能够燃烧，和C、S、P结合氢能够燃烧煤组成与结构化学与社会生活能源课件第21页21/130煤当代结构模型基本结构单元：由数十个五元环和六元环组成稠环化合物煤粒关键部分：“沥青类”或“树脂类”高分子化合物化学与社会生活能源课件第22页22/130煤化学加工与转化化学与社会生活能源课件第23页23/1301、煤炭直接作为燃料存在问题：环境污染、燃烧率低2、加工目标：除去所含S、N和无机物——处理环境污染问题降低分子量提升氢含量——提升使用价值3、加工与转化方式煤干馏煤气化煤液化水煤浆化学与社会生活能源课件第24页24/130煤气化门捷列夫畅想1、水煤气将空气经过装有灼热焦炭塔柱，会发生放热反应：C（s）+O2（g）==CO2（g）△H=-393.5kJ·mol-1放出大量热量可使焦炭温度上升到约1500℃。切断空气，将水蒸气经过灼热焦炭，发生以下反应：C（s）+H2O（g）==CO（g）+H2△H=-131.3kJ·mol-12、合成气将纯氧气和水蒸气在加压下经过灼烧煤，可使煤中苯酚等挥发出来，并生成一个气态混合物燃料，其体积分数为：40%H2、15%CO、15%CH4、30%CO2。化学与社会生活能源课件第25页25/130煤液化以煤炭为原料，经过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。主要有两种方式：直接液化：将煤炭先磨成煤粉，然后与溶剂（煤焦油）、催化剂混合为浆状物，在温度为673-773K，压力为（100～300）×（100～

1000）Pa下加氢直接生产重质液体燃料。普通二、三吨煤粉可得一吨液化油。间接液化：将煤粉先气化成CO和H2，然后用高压催化合成液体燃料。化学与社会生活能源课件第26页26/130是把煤在隔绝空气密闭炼焦炉内加热，伴随温度升高，煤中有机物质逐步开始分解，得到气态炉煤气、液态煤焦油和固态焦炭。煤焦油中有很多苯、甲苯、二甲苯、酚类、萘等，是宝贵化工原料。煤干馏化学与社会生活能源课件第27页27/130干馏产物主要成份主要用途炉煤气焦炉气氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳气体燃料、化工原料粗氨水氨气、铵盐氮肥粗苯苯、甲苯、二甲苯炸药、染料、医药、农药、合成材料煤焦油苯、甲苯、二甲苯酚类、萘医药、农药、合成材料沥青电极、筑路材料焦炭碳冶金、燃料、合成氨煤干馏主要产物和用途化学与社会生活能源课件第28页28/130所谓一碳化学是指以分子中只含一个碳原子化合物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工方法制造产品化学体系总称。广义一碳化学，不但包含上述四种化合物，还包含如甲醛、甲酸、氢氰酸、甲胺、二氟二氯甲烷等制造及其衍生物合成。但当今世界上，通常一碳化学范围，主要是指一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇四种物质所包含相关内容。另外，因为甲烷属于天然气化学；二氧化碳即使是一个取之不尽，用之不竭气体，但人们对它研究还不够，化工上应用并不多；同时甲烷、二氧化碳及甲醇都可由一氧化碳制造，故狭义一碳化学就是指一氧化碳化学，或称合成气（CO＋H2）化学。拓展视野—一碳化学何谓一碳化学？化学与社会生活能源课件第29页29/130近几年来，利用合成气能够生产化工产品不下30～40种，我国正在开发也有20～30种。关于利用合成气合成燃料动向，主要是合成甲醇，再由甲醇生产汽油。同时甲醇也是一个廉价化工原料。对一碳化学研究有催化法和放射线法。放射线特点是能够在常温常压下进行，但需依赖于电子加速器进步。当前研究一碳化学多用催化法，而且一些产品已投产。化学与社会生活能源课件第30页30/130石油我国对石油开发利用有着悠久历史。早在多年前，我们祖先就在现陕西延安一带发觉了石油，并将其称为石漆、石液、石脂水、石脑油、猛火油等。到宋代，著名科学家宋应星在《天工开物》一书中提出了“石油”一词，并一直沿用至今。在古代，石油主要用于点灯照明，也用于制造药品，有时还用它作“武器”。相传在北周宣政元年（公元前578年），北周军队在河西走廊西部禄福县，曾用燃烧“石脂水”作武器打败了入侵突厥军队。自从1883年创造了汽油发动机和1893年创造了柴油机以来，石油身价倍增，并取得了“工业血液”美称。你知道吗？化学与社会生活能源课件第31页31/130石油形成

石油是远古时代沉积在海底湖泊中动植物遗体，在海洋条件作用下经过千百万年漫长转化过程而生成。水中生物遗骸下沉而埋没于地下化学与社会生活能源课件第32页32/130因地热或地压等作用变成石油石油大多集中在沙岩之类孔隙较多岩石层中化学与社会生活能源课件第33页33/130从地下采出来石油，没有经过加工提炼成各种产品以前通称为原油。原油是一个粘稠状液体

管道原油

原油最直观物理性质就是丰富多彩颜色，由浅到深有白色、淡黄色、褐色、黑绿色以至黑色。化学与社会生活能源课件第34页34/130石油成份与结构石油是各种碳氢化合物混合物，主要是烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃，以及少许有机硫化物、有机氮化物、水分和矿物质等。依据石油中所含碳氢化合物种类不一样，可将石油分为四大类：石蜡基石油环烷基石油中间基石油芳香基石油化学与社会生活能源课件第35页35/130世界石油资源分布极不平衡：中东地域拥有全球63.3%石油储量欧洲和中亚占9.2%非洲地域石油储量占全球8.9%拉丁美洲和中美洲占8.9%北美地域占5.5%东南亚和大洋洲占4.2%石油资源分布化学与社会生活能源课件第36页36/130我国石油分布化学与社会生活能源课件第37页37/130海上油井克拉玛依油田大庆油田化学与社会生活能源课件第38页38/130石油加工

原油是由各种碳氢化合物组成，直接利用路径极少。将石油加工成不一样产品，则能充分发挥其效能。把预处理后原油送到炼油厂进行分馏加工，能够生产出汽油、煤油、柴油、润滑油及沥青等含有不一样用途产品，这是石油“大家庭”第一次“分家”。

化学与社会生活能源课件第39页39/130另外，人们还想方设法把一些不尽人意分子转变成燃烧情况良好分子，比如，用催化裂解方法把大分子裂解成小分子，用催化重整方法改变分子结构等。这么做目标在于得到效果更佳燃料。石油不不过主要燃料资源，还是一个宝贵化工原料，石油化工就是以它为母体发展起来。石油化学工业以石脑油等石油产品为原料，首先经裂解转化为乙烯、丙烯、丁烯等，然后深入精加工成为聚烯烃及一些主要精细化工原料。我国石油化学工业推向了一个新水平，并跨入了世界先进行列。化学与社会生活能源课件第40页40/130石油分馏以及产品示意图化学与社会生活能源课件第41页41/130车用汽油

汽油在发动机中正常燃烧时，火焰传输速度约为30-70m·s-1。但当混合气已燃烧2/3-3/4时，未燃烧混合气中产生了高度密集过氧化物，它分解使混合气中出现了许多燃烧中心，燃烧速率猛增，产生强大压力脉冲，火焰传输速率可达800-1000m·s-1。这种情况下汽缸内产生清脆金属敲声，这种燃烧就是爆燃。汽油抗爆性与组成汽油烃类相关。正构烷烃随碳原子数增多抗爆性降低，异构烷烃随支链增多抗爆性升高，环烷烃抗爆性居中，而芳香烃及其衍生物抗爆性较高。为了提升汽油抗爆性，常向汽油中添加抗爆剂。四乙基破坏生成过氧化物，但会生成硬质PbO颗粒，它会沉积在燃烧室，因而要同时加入一定量导出剂溴乙烷（或二溴乙烷），使PbO转化为PbBr2。当前，很多国家已禁止使用含铅汽油，现在抗爆剂多采取甲基叔丁基醚。化学与社会生活能源课件第42页42/130不一样标号指是此标号汽油辛烷值大小，汽油标号越高，辛脘值含量越高，越不轻易发生爆燃。应依据发动机压缩比选取汽油，压缩比高车辆应该选取高标号汽油，从而确保在发动机不发生爆燃情况下动力输出最正确、成本最低。压缩比是指发动机气缸总容积与燃烧室容积之比。压缩比是发动机一个非常主要结构参数，压缩比高，动力性好、热效率高，车辆加速性、最高车速等会对应提升。通常，压缩比在7.5～8.0应选取90号车用汽油；压缩比在8.0～8.5应选取90号～93号车用汽油；压缩比在8.5～9.5应选取93号～95号车用汽油；压缩比在9.5～10应选取95号～97号车用汽油。车主应严格按发动机不一样压缩比，选取对应标号车用汽油，才能使发动机发挥出最正确效能。化学与社会生活能源课件第43页43/130丙烷、丙烯和丁烷、丁烯（液化气）是瓶装煤气主要成份，能用适当压力和冷冻使之液化。因为丙烷比丁烷更易挥发，所以在北方使用瓶装煤气含有较多丙烷，而在南方使用瓶装煤气含有较多丁烷。将重油、柴油与氢气混合在高压催化下反应，可制得合成石油，深入加工可得到汽油和高级汽油。你知道吗？开采石油通常采取钻井方法，一部分用于注水，一部分用于采取石油。化学与社会生活能源课件第44页44/130

石油植物亦称植物能源，在一些植物体内含有跟石油差不多液体燃料。如巴西热带森林“香波树”，只要在树上挖个洞，油就会流出来。美国“黄鼠草”及西海岸巨型藻，澳大利亚丛粒藻等也都能提炼出石油。

拓展视野—石油植物化学与社会生活能源课件第45页45/130

既然花生油、菜籽油、玉米油、桐油、豆油能够在地里“种”出来，为何石油就不能“种”出来呢？美国化学家卡达文是位诺贝尔奖取得者，他就相信石油能够“种”出来。1987年他处处寻找能生产石油植物，功夫不负有心人，他终于发觉了许多能“挤”出石油来植物。卡达文在寻找到能“生产”石油植物后，就开始选种和育种，并在美国加利福尼亚种了大约6亩地“石油”树，一年中竟收获了50t石油，卡达文“种”石油成功，激起了一股研究和寻找石油树热潮。现在美国成立了一个石油植物研究所，专门研究能流出石油植物。现在，能够生产石油植物越来越多，在菲律宾发觉一个能产石油胡桃，一年可收两季。在巴西有一个乔木高达30多米，直径最大有1m，在这种乔木上打一个洞，一小时就能流出7Kg石油来。美国加利福尼亚大学还用遗传技术培养了一个石油植物，这种植物乳汁中成份和天然矿物石油成份很相同。从这种乳汁中能够提炼出汽油、煤油和许多副产品。石油也能够“种出来”，将为缓解能源短缺担心局面起到主要作用。小故事化学与社会生活能源课件第46页46/130天然气天然气是一个优质气体燃料和主要化工原料。我国是世界上最早开采和利用天然气国家，早在公元前2，我国就在四川省自流井气田钻成深约100m天然气井。天然气是世界上第三大贸易燃料，占全球能源消费总量23%，是消费需求增加速度最快能源。化学与社会生活能源课件第47页47/130

天然气虽在组成上也是以碳氢化合物为主要成份，但其生成条件比石油更多样化。天然气从浅到深都能生成；天然气可由浮游动、植物生成，也可由高等植物生成；天然气有有机成因，也有没有机成因。化学与社会生活能源课件第48页48/130

可燃冰是一个天然气水合物，是水和天然气在中高压和低温条件下混合时产生无色透明冰状晶体，点燃即可燃烧。

拓展视野—可燃冰化学与社会生活能源课件第49页49/130

天然气水合物是一个笼型水合物，属于主客体化合物。水分子间以氢键相互吸引组成笼子作为主体，甲烷作为客体居于笼中，以范德华力与水分子相互作用而形成笼型水合物。五角十二面体五角六角是六面体笼形水合物结构图可燃冰结构化学与社会生活能源课件第50页50/130

能量密度高。每1立方米固体水合物可释放164立方米左右甲烷气体。

杂质少，无污染。燃烧后几乎不产生有害气体和杂质，是一个清洁能源。

形成条件复杂。第一温度不能太高，第二压力要足够大，第三要有甲烷气源。

分布广，资源丰富。海底可燃冰分布范围约4000万km2，其储量够人类使用10。可燃冰特点化学与社会生活能源课件第51页51/130可燃冰其一是分布在各大陆向海延伸大陆边缘水深超出300～500m有利地带，且其大多数处于海底以下100～200m深层沉积地层中。二是分布在高纬度永久冻土层带。可燃冰开采当前考虑开采方案有几个：解热法和降压法；还有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解；另外还有一个新构想，即“置换法”。因为甲烷对环境破坏作用，所以可燃冰又是一个危险燃料。除此之外，可燃冰开采还可能会造成大陆架边缘动荡，引发海底塌方并造成灾难性海啸，化学与社会生活能源课件第52页52/130

三、生物质能开发利用

生物质从广义上说是指绿色植物经过光合作用产生各种有机物。这些有机物为生物提供了食物，提供了各种各样原料和能量。所以从某种意义上说，绿色植物是巨大天然能源仓库。化学与社会生活能源课件第53页53/130生物质能源产量巨大，生生不息。生物质能源洁净，环境保护。生物质能源含有稳定可取得性。生物质与化石燃料含有兼容性。油棕油菜

用油菜等油料作物，油棕等油料林木果实，可制得生物柴油。生物质能源特点化学与社会生活能源课件第54页54/130当前生物质能利用大多是直接燃烧。然而直接燃烧薪柴，能源利用率太低，仅10％。近几十年，人们对生物质能源利用模式进行了广泛基础研究。大致分为两个方面：一是由含糖类较多作物中提取酒精或甲醇，二是制造沼气。这都和发酵相关，所以当代绿色能源概念不只是指薪柴了，它包含植物本身，以及从植物、动物衍生物经发酵工艺所提取能源。生物质能源开发乙醇汽油多品种原料生物柴油集成生产装置化学与社会生活能源课件第55页55/130教授们断言，垃圾发电在二十一世纪将成为能源市场一名新主角。城市垃圾资源十分丰富，且蕴藏着大量二次能源物质。通常城市生活垃圾中灰渣，可燃物占27%，发烧值8734KJ／Kg；菜类可燃物占23.5％，发烧值5524KJ／Kg；纸类可燃物占84.4％，发烧值15794KJ／Kg；塑料可燃物占88%，发烧值37450KJ／Kg。综合起来，大约2t垃圾燃烧热量就相当于1t煤燃烧时所发出热量，1t垃圾可产生525KW电能。利用垃圾最经济有效方法就是利用垃圾发电。当前有各种路径。一个是利用城市垃圾填埋制取沼气，进行发电；而更主要是将垃圾用焚烧炉燃烧余热进行发电；再就是将垃圾制取成固体燃料直接燃烧进行发电。垃圾发电化学与社会生活能源课件第56页56/1306月20日拍摄垃圾发电厂主控室。6月20日，江苏省最大垃圾发电厂――苏州市生活垃圾焚烧发电厂正式并网发电。这个垃圾焚烧发电厂投资5.3亿元，耗时两年建设完成，日处理生活垃圾1000吨左右，占到苏州城市日产生生活垃圾总量近50%，日发电量达25万千瓦时。化学与社会生活能源课件第57页57/130

四、化学电池

电池是由电极、电解池、隔离层和容器等四个部分组成。化学与社会生活能源课件第58页58/1301799年，伏打（Volta.A.）据此设计出了现在被称为伏打电池装置1836年，丹尼（Daniell）创造了世界上第一个实用电池。1866年，电化学家勒克朗谢以锌为负极，二氧化锰为正极，氯化铵溶液作电解质，这是电池发展重大转折。以后，盖斯南将淀粉加入氯化铵中制成糊状电解质，从此，锌锰电池成了“干电池”。19爱迪生用氢氧化钠(烧碱)溶液代替硫酸，用镍、铁代替铅，制成世界上第一台镍铁碱电池。它供电时间相当长，在当初能够算是“老寿星”了。你知道吗?化学与社会生活能源课件第59页59/130锌锰干电池：负极是锌做圆筒正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵混合剂包围。原电池化学与社会生活能源课件第60页60/130干电池发电时反应以下：负极：Zn-2e-=Zn2+正极：2NH4++MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O电池反应:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+

MnO+H2O

使用过程中，负极锌筒逐步消耗以致穿漏，正极处MnO2活性逐步衰减，最终干电池不再供电而失效。化学与社会生活能源课件第61页61/130内部结构外部结构蓄电池

蓄电池又称二次电池，能够经过充电使活性物质再生。蓄电池两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。化学与社会生活能源课件第62页62/130蓄电池放电时发生以下反应：负极(Pb):Pb+SO42--2e-=PbSO4正极(PbO2):PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O电池充电时发生与上述反应相反反应电动自行车化学与社会生活能源课件第63页63/130锂电池自行车锂电池

锂电池分为一次电池和二次电池两类，摄影机等耗电量较低电子产品中主要使用不可充电一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大电子产品中则使用可充放电二次锂电池。化学与社会生活能源课件第64页64/130

锂离子电池当前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLIB)两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极二次电池。正极采取锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采取锂—碳层间化合物LixC6。充电时，在电场驱动下锂离子从正极材料中脱出，经过电解质，插入到负极中。放电时，过程恰好相反，即锂离子返回正极中，电子则经过了用电电子产品中并为之供电。化学与社会生活能源课件第65页65/130

聚合物锂离子电池原理与液态锂相同，主要区分是电解液与液态锂不一样。电池主要结构包含有正极、负极与电解质三项要素。所谓聚合物锂离子电池是说在这三种主要结构中最少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要电池系统。而在当前所开发聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主要是被应用于正极及电解质。正极材料包含导电高分子聚合物或普通锂离子电池所采取无机化合物，电解质则能够使用固态或胶态高分子电解质。聚合物锂离子工艺中没有多出电解液，所以它更稳定，也不易因电池过量充电、碰撞或其它损害、以及过量使用而造成危险情况。化学与社会生活能源课件第66页66/130丰田全新概念环境保护车，它发动原理是以氢氧结合产生电力，排放物仅仅是水。燃料电池

燃料电池是一个把储存在燃料和氧化剂中化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能能量转换装置，也是一个新型无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率汽车动力。化学与社会生活能源课件第67页67/130燃料电池原理

燃料电池是一个电化学装置，其组成与普通电池相同。不一样是燃料电池正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。化学与社会生活能源课件第68页68/130氢氧燃料电池原理图化学与社会生活能源课件第69页69/130

氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。氢在负极解离成H+和电子，H+进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电负载就接在外部电路中。在正极上，氧与电解液中氢离子取得经外电路抵达正极上电子而形成水。氢氧燃料电池原理化学与社会生活能源课件第70页70/130燃料电池种类

燃料电池按照电解质类型分为五种碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)化学与社会生活能源课件第71页71/130燃料电池类型碱性燃料电池（AFC）磷酸型燃料电池（PAFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质KOHH3PO4全氟磺酸膜（含水质子交换膜）(Li，K)2CO3氧化钇稳定氧化锆YSZ阳极Pt电极，氢燃料Pt电极，氢燃料Pt电极，氢燃料Ni催化剂，氢燃料NiZrO2催化剂，甲烷、氢燃料阴极Ag电极，氧作氧化剂Pt电极，氧作氧化剂Pt电极，氧作氧化剂NiO催化剂，氧燃料NaCrO4等催化剂，氧作氧化剂工作温度/℃50～200100～20050～90650～700600～1000导电离子OH-H+H+CO32-O2-技术发展状态技术成熟技术成熟高度发展，靠近成熟研发阶段研发阶段发电效率/%50～5540～5045～5050～6045～60化学与社会生活能源课件第72页72/130燃料电池优点能力转换效率高（节约燃料资源）污染小，噪音低高度可靠氢电动车化学与社会生活能源课件第73页73/130

锌银电池主要优点是比能量高，是铅蓄电池3～4倍。适宜于大电流放电锌银电池应用于军事、航空、移动通信设备、电子仪器、人造卫星和宇宙航行等方面。制成钮扣式微型锌银电池应用于电子手表、助听器、计算机和心脏起搏器等。锌银电池化学与社会生活能源课件第74页74/130钮扣式锌银电池

常见钮扣电池为银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极和负极盖组成小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少许石墨组成正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH，溶液两边用羧甲级纤维素作隔膜，将电极与电解液分开。一粒钮扣电池电压达1.59V，安装在电子表里可使用两年之久。负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag化学与社会生活能源课件第75页75/130笔记本电脑中锂离子电池在一些情况下，可能会爆炸起火。锂电池内有加压容器，装着含有高度可燃性液体，同时又含有强力氧化剂。人们已创造了一个由银跟锌组成，不会爆炸电池。电池里面材料--大部分是锌、锌离子与水--并不会起火，使用这类电池笔记本电脑能够支撑十小时，比锂电池更长。

化学与社会生活能源课件第76页76/130美国电池开发商ZPower近日在美国加利福尼亚州旧金山市举行个人电脑开发商会议上展出面向笔记本电脑和手机全新结构充电电池。此次开发是正极采取银、负极采取以锌为主复合高分子材料充电电池。隔板也使用了自主开发材料。因为电解液没有使用有机类溶媒，所以ZPower表示，与锂离子充电电池相比，该电池起火危险性很低。单位体积能量密度方面，当前试制品为550Wh/L左右，与现有锂离子充电电池相近。该企业计划将这一能量密度提升到650Wh/L左右，并于中期前后量产供货。化学与社会生活能源课件第77页77/130当前惯用太阳电池是由硅制成，普通是在电子型单晶硅小片上用扩散法渗进一薄层硼，以得到PN结，然后再加上电极。当日光直射到渗了硼薄层面上时，两极间就产生电动势。这种电池可用作人造卫星上仪器电源。除硅外，砷化镓也是制作太阳电池好材料。太阳电池化学与社会生活能源课件第78页78/130P型半导体形成化学与社会生活能源课件第79页79/130N型半导体形成化学与社会生活能源课件第80页80/130PN结化学与社会生活能源课件第81页81/130化学与社会生活能源课件第82页82/130化学与社会生活能源课件第83页83/130纳米晶化学太阳能电池

阳极：染料敏化半导体薄膜（TiO2膜）

阴极：镀铂导电玻璃

电解质：I3-/I-染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻TiO2导带，染料中失去电子则很快从电解质中得到赔偿，进入TiO2导带中电于最终进入导电膜,然后经过外回路产生光电流。纳米晶TiO2太阳能电池优点是成本低，工艺简单，性能稳定，寿命能抵达以上。化学与社会生活能源课件第84页84/130染料敏化TiO2太阳能电池手工制作

(1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨(2)用玻璃棒迟缓地在导电玻璃上进行涂膜化学与社会生活能源课件第85页85/130(3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却化学与社会生活能源课件第86页86/130把新鲜或冰冻黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，假如膜层两面着色不均匀，能够再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软纸轻轻地擦干。利用天然染料为二氧化钛着色化学与社会生活能源课件第87页87/130

由染料着色TiO2为电子流出一极（即负极）。正电极可由导电玻璃导电面（涂有导电SnO2膜层）组成，利用一个简单万用表就能够判断玻璃那一面是能够导电，利用手指也能够做出判断，导电面较为粗糙。如图所表示，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。

制作正电极

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利用含碘离子溶液作为太阳能电池电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所表示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。加入电解质化学与社会生活能源课件第89页89/130组装电池

把着色后二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子电解质，然后把正电极导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面部分用以连接导线。这么，你太阳能电池就做成了。化学与社会生活能源课件第90页90/130

据1975年报道，国外对第一个原子电池进行了测试。这个可输出20W、质量为1398Kg原子电池已沉入北海海底，向邻近海洋测量站供电。这种电池密封在长84cm、直径69cm、铅外壁厚10cm圆柱体中。它关键部分是锶90。当锶衰变时，产生了相当于300W热能，然后经过热电发生器将热能转化为电能。最终输出电功率是20W，电压28V。据称这种原子电池不需维护，最少可用5年，预计可用到。原子电池化学与社会生活能源课件第91页91/130纳米电池即用纳米材料（如纳米MnO2、LiMn2O4、Ni(OH)2等）制作电池，纳米材料含有特殊微观结构和物理化学性能。当前国内技术成熟纳米电池是纳米活性碳纤维电池。主要用于电动汽车，电动摩托，电动助力车上。该种电池可充电循环1000次，连续使用达左右，且充电一次只需20分钟左右，平路行程达400Km，重量在128Kg，已经超越美日等国电池汽车水平。纳米电池化学与社会生活能源课件第92页92/130微生物电池是用微生物代谢产物，做电极活性物质，从而获取电能。二十一世纪是人类飞向宇宙时代，在宇宙飞船这么封闭系统中，排泄物处理是必须处理问题。美国宇宙航行局设计了一个一举两得处理方案：用一个芽抱杆菌处理尿，使尿酸分解而生成尿素，在尿素酶作用下分解尿素产生氨。氨用做电极活性物质，在铂电极上产生电极反应，组成了翱翔太空理想微生物电池。在宇航条件下，每人天天假如排出22g尿，就能够取得47W电力。微生物电池化学与社会生活能源课件第93页93/130更多地向太阳索取-太阳能利用太阳能流向1直接反射5×109kJ/s2以热能形式离开地球81000×109kJ/s3水循环40000×109kJ/s4大气循环370×109kJ/s5光合作用40×109kJ/s

了解太阳能化学与社会生活能源课件第94页94/130太阳能能量流向示意图化学与社会生活能源课件第95页95/130

太阳能即太阳辐射，是太阳内部连续不停核聚变反应过程产生能量。可分为三个区：紫外区、可见光区和红外区。太阳光谱图化学与社会生活能源课件第96页96/1301、光电转换：把太阳能直接转换成电能，利用是光生伏打效应。太阳能电池太阳能发电站

利用光照射在半导体材料上产生电子空穴对，在PN结上产生光电压和光电流，实现光电装换。太阳能电池计算器

有太阳能电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量设备等组成。太阳能发电站

太阳能利用方式化学与社会生活能源课件第97页97/130太阳能电池板国际空间站展开新太阳能电池板德国建立最大太阳能发电站化学与社会生活能源课件第98页98/130一个经典太阳能电池是单晶硅太阳能电池。1954年最先出现这种太阳能电池，能把接收到太阳能6％转换成电能，靠近蒸汽机效率。当前转换效率已达18％。单晶硅太阳能电池性能稳定，转换效率高，体积小，重量轻，很适合作太空航天器上电源。当前，美国发射近千颗卫星中，有95％都采取单晶硅太阳能电池作为能源。可是单晶硅太阳能电池制作成本高，价格昂贵，极难普及。1975年以后，无定型半导体材料发展起来，它有希望成为比单晶硅更理想太阳能电池材料。如美国能量转换企业制成了一个硅—氟—氢无定形合金半导体，用这种材料做成太阳能电池，现有单晶硅电池工作性能稳定、转换效率高优点，又有没有定形硅成本低优点。它们转换效率最高能够抵达25％。因它发出电价格廉价，和火力发电价格不相上下，为太阳能电池地面应用展示了光明前景。发展太阳能光电池化学与社会生活能源课件第99页99/1302、光热转换：把太阳能直接转换成热能低温热利用包含地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统等。中温热利用包含空调制冷、制盐以及其它工业用热。高温热利用包含聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉等。

太阳能利用方式太阳能热水器化学与社会生活能源课件第100页100/130

利用几千块平面镜能把太阳光反射到巨大聚焦镜上，再将光聚焦到太阳灶工作区域，利用焦点处产生高温来发电和作其它用途。我国西藏拉萨市有“日光城”之称，依据这个原理，在许多宾馆、机关单位屋顶上都有这种小型“太阳灶”。一个小型“太阳灶”便能基本确保家庭或宾馆供热需求。这种方法在日光充分地方可用。在日光照射不稳定地方实用价值不高。建立太阳能聚光器化学与社会生活能源课件第101页101/130

科学家们发觉，一些化学物质受日光照射后能吸收光能而暂时改改变合物本身化学结构，在一定条件下，它又能放出热量而回复到原来结构。这种储能材料发觉比在屋顶安装集热器，用加热水方法来取暖更先进得多了。只是当前储能材料储能指标还不高，所以还不能大规模推广应用。发展搜集太阳能储能材料化学与社会生活能源课件第102页102/130

第一次海湾战争期间，因为海湾地域高温和阳光照射，使舰船甲板表面温度抵达60°C以上。连续高温使美军参战官兵消耗极大，美军即紧急要求国内提供降温服装，Triangle企业很快研究制成了一个含有相变材料大胶囊茄克，部分处理了甲板士兵降温问题。这种茄克经过改进于用于海军陆战队三防服。该茄克可在40°C气温下保持服内舒适达1~2小时，而且很轻易再生，有效延长了美军作战部队在酷热条件下战地值勤时间。美国军方还利用该原理制成了温度调整织物，在海军低温干式潜水服、空军防寒抗浸服、防红外隐身服装和陆军士兵保温靴袜等方面使用，含有良好保温或降温效果。

你知道吗？化学与社会生活能源课件第103页103/130

人造能源湖故事

大约19世纪末，罗马尼亚特兰西瓦地域一名医生发觉，该地小湖一到冬天，湖面就结出冰层，但在冰下深处，湖水温度却高达60℃。20世纪初，匈牙利物理学家凯莱辛斯基也发觉，迈达夫湖在夏末时，湖深1.32米处温度高达70℃。经过研究发觉，这些湖泊中水都含有盐，而且湖泊中不一样深度水含盐量不一样。60年代初，以色列在死海海岸建造了一座625m2人工小湖，在太阳照射下，在80cm深处水温抵达了90℃。70年代末，以色列又建造了一个2.5m深、面积有7000m2人工盐水湖，用它来搜集太阳热量使湖水加热，再用热水来发电，功率达150KW。1990年，意大利阿吉普企业在玛格丽塔·迪萨沃亚盐田中，也建造了一个搜集太阳能盐水湖，可使湖水温度抵达90℃。在这个太阳能湖湖面上，还有一个巨大聚光板，用来增加搜集阳光热量。意大利一位叫赞格拉多女科学家建造了一个小型太阳能盐水湖，使盐水湖温度抵达了105℃。利用太阳能加热人工湖能够直接用来取暖，也能够用来发电。

你知道吗？化学与社会生活能源课件第104页104/130巧用太阳能淡化海水1991年海湾战争中，伊拉克即使失败了，但战争结束时，伊拉克军队在撤离科威特之前，把科威特大部分海水淡化工厂破坏得一塌糊涂，使科威特人陷入了无淡水饮用恐慌之中。法国南锡化学工程科学试验室化学家皮埃尔·利·戈夫，经过一再失败，终于设计出一个非常小巧轻便太阳能海水淡化装置。它有一个盛海水或咸水桶，桶里水靠本身重力向下流到几块彼此垂直平行相隔4cm安放铝板旁边，太阳光透过透明乙烯塑料板照射到铝板上，为了有效利用阳光，还有一面可调整角度反射镜，使阳光垂直照射到铝板。第一块铝板能够被阳光加热到94℃，于是在这块铝板旁边悬挂细纱布上海水很快蒸发变成水蒸气。水蒸气穿过4cm间隔碰到第二块铝板时，就冷凝成水滴，在冷凝时水滴释放热量会加热这块铝板，这块铝板又使另一块悬挂在它旁边细纱布上盐水蒸发，这个过程依次进行到最终一块铝板和细纱布。在最终一块铝板上得到冷凝蒸馏水温度约为45℃

。全部6块铝板上冷凝蒸馏水都滴落到海水淡化装置底下一个蒸馏水搜集容器内。这个海水淡化装置像一个小型温室，天天每平方米太阳能搜集器能够生产20L蒸馏水，一个普通单水桶太阳能蒸馏器一天能够产2.5—3.0L蒸馏水，很适合偏远贫困干旱地域淡化海水，且便于搬运。

你知道吗？化学与社会生活能源课件第105页105/130氢是万物之祖。早在16世纪，瑞士—德国物理学家巴拉塞尔斯观察到硫酸和铁反应产生一个能燃烧气体。1766年英国卡文迪什认识到这种气体是一个独特物质，并用水蒸汽经过一根炽热枪管制备它。法国化学家拉瓦锡把这种气体命名为氢，意思是水制造者，因为它在空气中能燃烧生成水。能源新星-氢能源你知道吗？化学与社会生活能源课件第106页106/130燃烧热很大，每千克燃烧发烧量是汽油3倍。燃烧产物是水，无污染，可循环使用。资源丰富。密度尤其小，便于储存、运输。适用性强氢能源优点化学与社会生活能源课件第107页107/130氢气作为能源碰到两个问题？？氢气的制备氢气的储存化学与社会生活能源课件第108页108/130氢气制备（1）热化学制氢

将碳水化合物输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2和CH4等组成合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提升氢产量，最终将氢气分离提纯得到氢气。甲烷重整制氢是当前利用最为广泛制氢技术。（2）电解水制氢

直接利用电能使水电解产生氢气和氧气。flash化学与社会生活能源课件第109页109/130人工光合作用

人工光合作用利用光合作用原理，经过光裂解水分子，直接提取氢气。催化关键结构化学与社会生活能源课件第110页110/130氢气储存气态氢存放瓶液氢存放装置储氢合金粉化学与社会生活能源课件第111页111/130储氢材料储氢示意图储氢合金LaNi5结构和CaCu5相同

钛、镁等金属，能像海绵吸水一样将氢吸入储存起来，这种金属被称为储氢金属。用储氢金属储氢，更安全，更方便。化学与社会生活能源课件第112页112/130氢能利用氢内燃机汽车氢气作为航天飞机主要动力直接燃烧燃料电池化学与社会生活能源课件第113页113/130当前开发氢能电池有两种：一是贮氢电池：贮氢电池又称金属氢化物—镍电池（MH／Ni电池），它是用贮氢合金作为阴极，金属镍作阳极，以碱性溶液作电解液组成新型二次电池。贮氢电池含有高能量密度，无电解液浓缩，耐充放电能力强，无毒性。二是氢燃料电池。它是指使用氢作为活性物质，与氧气发生电化学反应，在清洁环境下取得直流电能发电装置。其反应过程与水电解过程恰好相反。当前，氢燃料电池已成为继水力、火力、原子能发电之后第四代发电技术装置。化学与社会生活能源课件第114页114/130经济清洁安全能源-核能

使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核过程，称为核裂变。核裂变是取得核能主要路径之一。核裂变核聚变

反应前四个氢原子核质量要大于反应后氦原子核，存在着质量亏损，这么反应叫做轻核聚变反应。化学与社会生活能源课件第115页115/130核裂变化学与社会生活能源课件第116页116/130核反应中能量改变比化学反应大几百万倍。１千克标准煤燃烧释放能量29260焦尔１千克石油燃烧释放能量418000焦尔１千克铀—235裂变释放能量685.5亿焦尔１千克氘氚混和物聚变释放能量3385.8亿焦尔我们生活地球上，核能资源非常丰富，可作裂变燃料铀和可转化为核燃料钍储量很大，相当于化石燃料总能量10万倍以上。按照现在全世界能量消耗水平计算，可用上万年以上。轻核聚变产生能量更为惊人，在海水中氘达1亿吨，可供人类使用1000亿年。你知道吗？化学与社会生活能源课件第117页117/130可用作能源核反应，当前主要有重元素原子核（铀—235、铀—233、钚—239、钍）裂变反应和轻元素（氘、氚）原子核聚变反应两大类。要大规模和平利用裂变能必须满足两个条件：第一：重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控。实现可控式反应装置称为反应堆，当前大多数核电站用都是热中子反应堆。快中子不轻易引发裂变，需要采取慢化剂。惯用慢化剂有普通水、重水和石墨，对应反应堆称为水堆、重水堆和石墨堆。石墨堆和重水堆可用天然铀作燃料，普通水堆因为吸收中子过多，不能用天然铀，而必须用浓缩铀作燃料。化学与社会生活能源课件第118页118/130核能不不过一个高效经济能源，而且也是一个清洁、安全能源。核电站在任何情况下都不具备核爆炸条件。核燃料即使被称为“燃料”，却并不能燃烧。它既不消耗氧气，又不产生二氧化碳；既没有灰和烟，也没有大量苯等致癌物质。从生产单位能量所产生危害