能源与化学.doc

第七讲 能源与化学引言：能源是什么？即指可以为人类提供能量的自然资源，是国民经济发展和人类生活所必需的重要物质基础。目前能源、材料和信息被称为人类社会发展和繁荣的三大支柱，已成为人类文明进步的先决条件，国际上往往以能源的人均占有量、能源构成、能源使用效率和对环境的影响因素等，来衡量一个国家现代化的程度。从能源的历史可以清楚地看到，每当一种能源的发展和利用都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平；能源科学技术的每一次重大突破，都引起一场生产技术的革命。化学在能源的开发和利用方面扮演着重要的角色，可以说，能源科学发展的每一个重要环节都与化学息息相关。20世纪末，化学学科中一个新的分支能源化学应运而生。本讲主要内容：1. 全球能源结构和发展趋势2. 能量的产生与转化的化学原理3. 化石燃料碳能源化学4. 化学电源5. 新能源开发71全球能源结构和发展趋势一、三个主要的能源时期及消费特点1.柴草时期从火的发现到18世纪产业革命时期，树枝杂草一直是人类使用的主要能源。人类利用火制造了第一种陶器材料，并发展成为制陶技术，接着就是金属的冶炼技术得到较大发展。实际上，柴草作为生活能源从古到今从未间断，不少发展中国家的农牧民至今仍使用柴灶。2.煤炭时间（18世纪中叶）煤炭的开采始于13世纪，而大规模开采并使其成为世界的主要能源是18世纪中叶。这个时期是第一次产业革命时期。1769年，瓦特发明了蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力源而受到关注。在第一次产业革命时期，冶金工业、机械工业、交通运输业、化学工业等都有较大的发展，使煤炭的需求量与日俱增。我国的能源结构中，以煤炭为主的现状可能还有相当长的时间。3.石油时期第二次世界大战后，美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天燃气，每吨原油产生的热量比每吨煤高出一倍。从60年代初，在世界能源消耗比例中，石油和天燃气的消耗比例开始超过煤炭而居首位。二、能源的分类 可再生能源（如流水、风、海洋、 潮汐能、地热能等） 常规能源 非再生能源（如煤炭、石油、天燃气、 一次能源 核裂变燃料） 可再生能源（如太阳能、风能、能源 新能源 生物质能） 非再生能源（如核聚变燃料等） 煤制品原煤、焦炭、煤气 二次能源 石油制品汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气电力、氢能、余热、沼气、蒸汽等“一次能源”是指从自然界获得，而且可以直接利用的热能或动力。“二次能源”则是由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品。“再生能源”是指不会随着人们的利用而减少的能源如水能、风能、太阳能、地热能等一次能源。“非再生能源”则是指随着人们的使用而减少的能源，如石油、煤、天燃气等燃料。“常规能源”是指目前应用得比较普遍的，如煤、石油、天燃气、水力等；“新能源”则是指以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源来取代资源有限、对环境有污染的化石能源。目前，新能源的研究重点是开发利用太阳能、氢能、风能、生物质能、海洋能、地热能等。三、我国能源的现状和未来能源总量丰富、但人均不足。按2000年发布的世界能源统计报告称，剩余可采储量，煤炭居世界第三位，石油居世界第十一位，天燃气居世界第十八位。从能源结构来看，煤炭仍是我国的主要能源。近年来，我国正在实施“西气东输”计划，加快了天燃气的开发利用，但以煤炭为主的格局仍不会改变。我国的能源利用率较低，生产能耗高，单位能耗 创造的产值只有先进国家的1/7.我国能源生产的使用面临经济发展和环境质量改善的双重压力。能源资源是宝贵的财富，必须十分珍惜，对可再生能源应加大科研开发和使用的力度。开发和使用能源必须兴利除弊，保护环境和生态平衡，实行可持续发展战略。72能量产生和转化的化学原理简介73化石燃料碳能源化学简介一、煤炭及其综合利用（一）煤的形成过程与化学原理1.形成过程：煤是由远古时代（约3亿年之久）的植物经过复杂的生物变化、物理和化学变化，地球变化转化而成的固体可燃物。现代成煤理论认为，煤的形成过程或煤化作用大致为：植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤C% 50% 50-70% 70-85% 85-95%2.化学原理从煤的形成推本溯源，煤是非再生能源，其能量来自太阳能，因为植物生长靠叶绿素吸收太阳能而发生光合作用。mCO2+nH20 叶绿素 Cm(H20)n+O2 太阳能 C 85%煤化（氧化）作用 煤炭 C135H96O9NS H 5.0%缺氧条件下 0 7.6% N 0.7% S 1.7%(二)煤炭的综合利用1.综合利用的重要性三个主要原因：（1） 燃烧的热效率低约2050% SO2、NO2等（酸雨的主要成分） CO2 (温室效应的主要气体)（2） 污染环境 灰尘 （光化学烟雾的主要成分） 煤炭 （造成水污染）（3）可提取宝贵的化工原料煤气、焦油和焦炭2.综合利用的主要途径与方法（1）煤的气化是使煤在氧气不足的情况下，进行部分氧化，煤中的有机物可转化成可燃气体，并经过管道输送到工厂、实验室和各家各户，主要反应：制半水煤气，即煤（有机物）+空气+水蒸气 部分氧化CO+H2+N2（50%）+CH4+ CO2 （半水煤气） 少量半水煤气仅为天燃气热值的1/6？（50%N2）所以半水煤气的另一个重要用途是作为合成氨（小化肥厂）即N2+3H2 高温高压 2NH3催化剂制水煤气，即C+ H20(g) 高 温 CO+H2水煤气的燃烧值比半水煤气高1倍，约为天燃气的1/3实际上CO和H2既是能源，又是重要的化工原料，如由CO出发，可以合成一系列饱和烃和不饱和烃，这是由于70年代以来石油危机而引发的一个重大化学研究课题。（2）煤的焦化（煤的干馏）即将煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，使煤分解成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气，其中： 焦炭冶金、电极、电石等原料（高温干馏） 煤焦油含有重要的化工原料，如苯、二甲苯、酚、萘、蒽、菲以及沥青等（低温干馏）焦炉气含有H2、CO、CH4、C2H4、NH3、H2S、N2、O2及苯蒸汽等，经冷却后可获煤气及 液氨，粗苯等化工原料（中温干馏）（3）煤的液化人造石油因为煤的分子量比石油约大10倍，煤的含氢量比石油低得多，所以煤炭可以通过热裂化使大分子变小，然后在催化剂的作用加氢得到各种燃料油，一般过程为：煤裂解缩合加氢脱氧脱硫异构化重整等燃料油及化工原料从以上介绍可知，煤既是能源也是重要的化工原料。我国是世界最大的耗煤国家，70%以上的煤直接作为燃料，既浪费资源又污染环境，所以积极开展煤的综合利用是我国煤炭工业和国民经济中十分重要的方针。二、石油、天燃气及其开发利用（一）石油“工业的血液”和“黑色的黄金” 1.石油是国家现代化建设的战略性物质（1）美、英七大石油公司的垄断 自第二次世界大战之后到1973年，国际石油市场一直被美、英的七大石油公司（也称石油七姐妹）所垄断：埃克森、德士古、加州标准、海湾、飞马（美孚）、英国石油、英国壳牌。西方国家利用廉价的石油原料，改造了产业结构，实现了经济结构的调整与繁荣。（2）石油输出国组织欧佩克（OPEC）实际上石油的主要产地却在发展中国家，特别是中东地区，已探明石油储量占世界的60%以上，其中沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特和南美的委内瑞拉等五国的石油出口量曾占世界出口量的80%，因此在60年代初就成立了欧佩克组织与美英七大石油公司对抗，后来又发展了阿尔及利亚、厄瓜多尔、加蓬、印度尼西亚、利比亚、尼日利亚、卡塔尔和阿联酋等八国先后加入欧佩克组织，使之成员国扩大为13个（3）中东战争爆发（1973.10）（二）石油和天然气的成因与分布1.石油是如何形成的？有多种观点，但一般认为，由远古海洋或湖泊中的动植物遗体在地下经过漫长的复杂变化形成棕黑色粘稠的液体混合物，其沸点范围在室温到500以上，未经处理的石油叫原油。其主要成分除C、H外，还有O、N、S等元素。2.世界两个最大的产油带（北纬20-48之间）长科迪勒带北起阿拉斯加和加拿大经美国西海岸到南美内瑞拉，阿根廷；特提斯带从地中海经中东到印度尼西亚。因两个地带在地质变化过程中曾都是海槽，因此曾有“海相成油”学说。3.我国的石油主要分布大陆架石油从60年代到80年代末相继发现了大庆、胜利、大港等大小油田及天然气160多处。海洋石油80年代初开始普查、勘探和开采，其中东海最佳，南海和渤海次之，黄海较差。请同学特别关注东海和南海争端！4.天然气：（1）一般与石油共生（2）我国的天然气储量丰富，如四川盆地、内蒙古伊克昭蒙（3）“西气东送”工程三、石油的炼制1.石油的组成元素和存在形态组成元素：表：石油和煤成分（平均）的比较元素燃料CHONS发热量/KJg-1石油中含量%83-8710-140.05-2.00.02-0.20.05-8.048煤炭中含量%80-903-65-80.5-1.01-230由于不同产地的石油中N和S的含量不一样，所以不同的原油在炼制、精制的条件以及催化剂的选择等方面都是不同的。存在形态：煤以芳烃为主，而石油则以直链烃为主，并且与碳原子数有很大的关系，一般随碳原子数增加，而熔沸点升高，一般规律如下：表：石油烃类的碳原子数与存在形态碳原子数1-45-1515一般形态气体液体固体石油炼制产品甲、乙、丙、丁烷乙、丙烯溶剂油C5-7汽 油C6-10煤 油C10-16柴 油C17-20润滑油C18-30凡士林C28-30石腊C20-30沥青C30-402.石油炼制方法简介（1）物理方法分馏与精馏（分馏塔）分馏塔原理：加热时，沸点低的小分子烃类先气化，经过冷凝从相应塔板中分馏出来，温度升高时，沸点较高的烃类分子再气化，再经冷凝，如此下去，可以将不同沸程的烃类逐渐分离。这种方法叫做分馏，所得产品称馏分（2）化学方法裂化重整与加氢催化裂化由大分子烃转化为小分子烃C16H34 硅酸盐分子筛 C8H18 + C8H16十六烷 加热加压 辛烷 辛烯催化重整由直链烃转化为带支链的烃，提高汽油质量加氢精制以除去N或S，进一步提高汽油的质量石油产品 催化加H2 NH3 或H2S+烃类（含N或S） TP3.汽油质量辛烷值（汽油商品标号）(1)什么是辛烷值？汽油在气缸里燃烧时有爆震性，会降低汽油的使用效率。据研究，抗震性能最好的是异辛烷，并将其定标为辛烷值为100，抗震性能最差的是正庚烷，定其辛烷值为零。 CH3 H H H H H H HCH3-CH-CH2-C-CH3 , H-C-C-C-C-C-C-C-H CH3 CH3 H H H H H H H异辛烷（定标辛烷值100） 正庚烷（定标辛烷值0）若汽油辛烷值为85，其含义是什么？（2）如何提高辛烷值？一是从汽车设计上规定必须使用无铅汽油以减少对环境的污染，二是在汽油中加入调和剂（加入量315%），以提高辛烷值，例如 调和剂 调和辛烷值甲醇 130乙醇 120异丙醇 100叔丁醇 1087-4化学电源（或称化学电池）一、化学电池的基本化学原理氧化还原反应什么是“化学电源”？将化学能直接转变为电能的装置称为化学电源1.化学电源与氧化还原反应把失电子的过程叫氧化反应，获电子的过程叫还原反应。例如铜锌原电池，一般写法：（一）ZnZnSO4(C1)CuSO4(C2)(+) 2e-Zn + Cu2+ Zn2+ Cu E=1.1V2.原电池的组成特点两个电极负极（-）正极（+）电子流动方向电子流出电子流入电极反应（或称半反应）氧化反应ZnZn2+Ze还原反应Cu2+ZeCu两个组成电对（氧化态/还原态）Zn2+/ZnCu2+/Cu两种主要的电解质溶液ZnSO4CuSO4盐桥饱和的KCL溶液以琼脂作胶冻，因此不流动，但可导电，其作用是沟通电路，保持电荷平衡外线以沟通电路，其作用是让电子通过、发生电流流动原电池电动势（或称电压）E=E+-E-二、化学电池的基本变型根据其使用特点和化学原理，可分为一次电池、二次电池、新型电池1.一次电池放电后不能再充电使其复原的电池。几种有实用价值的一次电池（1）锌一锰电池（即常用的1号或5号干电池）电池构成：（一）ZnNH4CL，ZnCL2MnO2（粉末），C（碳棒）（+）（2）碱性锌锰电池电池构成：（-）ZnK2(Zn(OH)4)MnO2C（+）特点：有良好的导电性能，导电速度快，放电容量较大。（3）锌银扣式电池电池构成：（一）ZnKOHAg2O, Ag（+）,E=1.6V特点：广泛用于电子手表，液晶显示计算器，小型助听器等，为微安或毫安级，体积小，有“钮扣“电池之称。也可制作大电池，并已用于宇航、火箭、潜艇等方面。2.二次电池蓄电池可以充电使其复原和重复多次使用的电池如最常用和传统的蓄电池电池构成（一）PbH2SO4（浓）PbO2（+），E=2.0V电池总反应 Pb+PbO2+2H2SO4 放电 2PbSO4+2H20 充电特点：具有电压高、稳定使用温度范围宽，原料丰富价格便宜，并能串联使用等，广泛用于飞机、船舶、矿山、军工等。但缺点是笨重，防震性能差，易溢出酸雾有腐蚀性，维护和携带不方便。3.发展中的新型电池（1）锂电池（二次电池）电池反应：Li+MnO2 MnO2(Li)特点：性能优异，体积小，电压随放电时间下降缓慢，广泛适用于手机电池等。但缺点是，在短路或某些重负荷条件下，有发生爆炸的可能性。（2）燃料电池通过化学反应将反应物（燃料）中的化学能直接转化为电能，例如，氢一氧燃料电池 电池反应： H2 + 1/202 = H2O特点：H2O2燃料电池已成功应用于航天飞机，在美国和日本还有CH4O2燃料电池发电站。但由于电池的电极成本很高，气体净化要求也很高，短期内难以普及。（3）其他新型电池如锂一锰电池、锂一碘电池、太阳能电池等多种高效、安全、廉价的电池已相继在研究开发或应用之中。7-5核能（原子能）及其风险利弊一、概况20世纪以来，为缓和能源矛盾，核电得到了迅速发展，到2000年，全世界已经投入使用和在建的核电站已达422座。其中法国、比利时、保加利亚、匈牙利、立陶宛、斯洛伐克、瑞典和瑞士8个国家的核电比例超过总发电量的40%。我国已建成和投入使用的有浙江秦山核电站、广东大亚湾核电站。二、核能的基本原理核裂变和核聚变1.核衰变与放射性（1）放射性的发现：（诺贝尔物理学奖1903）（2）什么是核衰变？UPo、Ra等类原子核不稳定能自发地放出辐射，而变成了另一种原子核，这种过程叫核衰变，核辐射包括辐射、辐射和r辐射。例如U Th+a(He)+r Th Pa+(e)+r研究发现，自然界存在三个天然放射关系，即铀系、钍系和錒系，但最后生成稳定82号元素（Pb），中间产物为82-92之间的衰变产物。（3）人工放射性在研究天然放射性的过程中，人们又发现了人工放射性。例如：AL+He P+n si+e2.核裂变核电站和原子弹的基本原理（1）什么是核裂变？即用中子(n)轰击较重的原子核使之分裂成较轻的原子核的反应，叫核裂变反应。具有核裂变的核燃料有铀-235、铀-233、钚-239，目前正在运行的核电站所使用的是铀-235，用慢中子轰击铀-235时，其裂变反应：U+n(慢) 较重碎核+较轻碎核+中子裂变产物非常复杂，已发现的裂变产物有35种元素（从30Zn到64Gd），放射性核有200种以上。（2）核能与质量亏损核裂变所释放出的大量能量与质量亏损有关，并可用爱因斯坦质能公式进行计算： E = mc2式中E表示系统能量的改变量，m表示系统质量的改变量，C为光速（2.9979108ms-1） E=E生成物-E反应物 m=m生成物-m反应物例如U+n Ba+Kr+3n已知U、n、Ba、Kr的摩尔质量分别为235.0439、1.00867、141.9092、90.9056gmol-1,则m=-0.2118g. mol-1（质量降低或亏损）则 E=mc2 =（-0.211810-3Kgmol-1）（2.9979108ms-1）2 =-1.90351010KJmol-1而1.000g铀-235放出的能量为 1.000 E=-1.90351010KJmol-1 235.0439 gmol-1 =-8.1107KJ比较！1g煤完全燃烧放出的热量仅30 KJ（3）链式反应铀-235的裂变过程中，每消耗1个中子，能产2-4个中子，后者又能使其他铀-235发生裂变，同时再产生中子2-4个中子，这样就形成了链反应，如图所示原子弹爆炸原理?核电站工作原理?3.核聚变氢弹爆炸的基本原理什么是核聚变？核聚变是使很轻的原子核（氢核）在非常高的温度下合并成较重的原子核的反应，这种反应进行时释放出更大的能量。核聚变也称为热核反应。以氘 (H)和氚 (H)核的聚变反应为例：H+H He