吉林大学--化学：第九章 化学与能源.pdf

大约在大约在25 000 35 000年前 人类年前 人类 最初的火 直到十八世纪 主要用最初的火 直到十八世纪 主要用 知道了不依靠天然火而自行取火 知道了不依靠天然火而自行取火 来烧熟食物和取暖 来烧熟食物和取暖 从此人类便开始利用来自自身以外的能从此人类便开始利用来自自身以外的能 钻钻钻钻木取火木取火木取火木取火是一种把机械能转化为热能是一种把机械能转化为热能 燃烧矿物燃料 饲养牲畜 制造机具 燃烧矿物燃料 饲养牲畜 制造机具 的发现 使能源的开发进入了全新时代 的发现 使能源的开发进入了全新时代 利用水流和风力等 蒸汽机的发明 电流利用水流和风力等 蒸汽机的发明 电流 量 扩大自己对大自然的支配能力 量 扩大自己对大自然的支配能力 能量间的转换 能量间的转换 的方法 于是 人类掌握了不的方法 于是 人类掌握了不同形态同形态的的 水力 马力 风力 机械力为了为了完成许多完成许多自己自己 力力所所不不及及的的 繁重任务繁重任务 人类开发了人类开发了各各种自种自 然力和然力和非非自然力自然力 太阳能集热器 风力涡轮机 地热工厂 重水反应堆 蒸汽机车蒸汽机车 内燃机内燃机车 电动机车电动机车 磁悬浮列车磁悬浮列车 蒸汽机的发明 蒸汽机的发明 引引发了发了动动力的力的 革命革命 动动力的力的历史历史 也也是人类的是人类的文文明明史史 古代火箭 神舟5号 杨利伟 超轻飞机 喷气式飞机 神舟4号 1 能量能量 物物质做功质做功的的本领本领 2 能量的能量的形态 形态 热热 机机 生 生 化化 光 光 电电 核 核 3 3 能量的转化 能量的转化 能量的转化能量的转化 能源能源 热能热能 其他其他能能 100 4 4 能源 能源 能源能源 可可以从以从中获得中获得能量的能量的资资源 源 基 本 概 念 一一一一 次次次次 性性性性 能能能能 源源源源 再生再生 能源能源 非再生非再生 能源能源 二二二二次次次次 能能能能源源源源 能能能能 源源源源 风风风风 流水流水流水流水 海海流流海海流流 草草木木草草木木太阳辐射太阳辐射太阳辐射太阳辐射 地震地震地震地震火火山喷山喷发发火火山喷山喷发发地地热热地地热热 化化石石燃料 燃料 煤煤化化石石燃料 燃料 煤煤 石油石油石油石油 天天然然气气天天然然气气 油页岩油页岩 油页岩油页岩 核核燃料燃料核核燃料燃料 U ThU Th PuPu D D 电能电能电能电能 氢氢能能氢氢能能 汽汽油油汽汽油油 柴油柴油柴油柴油 火火药药火火药药 甲醇甲醇甲醇甲醇丙烷丙烷丙烷丙烷苯胺苯胺苯胺苯胺 硝硝化化棉棉硝硝化化棉棉硝硝化化甘油甘油硝硝化化甘油甘油 5 能源的能源的分分类类 燃 料 能 源 燃料燃料燃料燃料 产生产生热能热能或动或动力的力的可可燃燃性性物物质质 有有机机可可燃物燃物 有有机化机化合合物物 高分子高分子化化合合物物 无无机物机物可可燃物燃物 灰分灰分 盐盐 氧氧化物 水化物 水份份 元素组成 元素组成 C H O N S 少 少量量金属金属 成分 成分 分分类类 物态物态天 然 燃 料天 然 燃 料人 造 燃 料人 造 燃 料 固体固体燃料燃料固体固体燃料燃料 木木材 泥煤材 泥煤 褐褐煤 油页岩煤 油页岩 木木炭 焦碳炭 焦碳 煤煤砖砖 液液体体燃料燃料液液体体燃料燃料 石油石油汽汽油 煤油 柴油油 煤油 柴油 酒精酒精 气体气体燃料燃料气体气体燃料燃料 天天然然气气煤气 石油煤气 石油裂裂化化气气 沼沼气气 燃料的发热量 Q Q DWDW 单位 单位质质量量 对对固 固 液液 或或单位单位体体积积 对对 Q Q DWDW 127CO 108H2 360CH4 231H2S 其中其中127 108 360 231分分别表示别表示CO 热量 热量 单位单位 kJ kg 1或或 kJ m 3 气体气体 的燃料的燃料完完全燃烧时全燃烧时放出放出的最大的最大 出出的热量的热量 10 2kJ m 3 H2 CH4 H2S在标准情况下在标准情况下完完全燃烧全燃烧放放 燃 烧 热燃 烧 热 燃烧燃烧 燃料燃料与与氧氧的化的化合合反应反应 燃烧燃烧焓焓 单位单位物物质质B完完全燃烧全燃烧反应反应的的摩尔摩尔 单位单位 kJ mol 1 1 符号符号 cHm B T 摩尔摩尔燃烧燃烧焓焓 焓变焓变 在标准状在标准状态态下下 即即 标准标准 完全燃烧 可可燃物燃物分子中各元素分子中各元素都变 都变成成最最 如如 C CO2 H H2O S SO2 这些这些氧氧化物化物或或单单质质的的 化化学反应学反应的的焓变焓变 TH TH mBCBBmr cHm B T 0 稳定稳定的的氧氧化物化物或或单单质质 P P2O5N N2 rHm T i cHm 反反 i cHm 生生 rHm T 反应物反应物生成物生成物 燃烧产物燃烧产物 i cHm T i cHm T 所所以以 根据盖斯定律根据盖斯定律 求反应求反应 COOH2 l 2CH3OH l COOCH3 l 2H2O l rHm 246 05 2 726 64 1677 78 kJ mol 1 21 55kJ mol 1 例如例如 已知已知 CHm CH3OH l 726 64kJ mol 1 CHm COOCH3 l 1 677 78kJ mol 1 CHm COOH2 l 246 05kJ mol 1 解解 rHm 是是多少多少 的的 化 学 电 源 一一 原原电电池池一一 原原电电池池 1 1 锌锌 锰干锰干电电池池 Zn ZnCl2 NH4Cl 糊 MnO2 C 电电极反应极反应 Zn S Zn2 2e 2MnO2 S 2NH4 2e Mn2O3 S 2NH3 g 2H2O 电电动动势势 1 5V 若若用用KOH代代替替 NH4Cl制制成成碱碱性性锌锰锌锰电电池池 可多次可多次充充 放放电电 2 锌锌 汞汞电电池池 Zn Hg KOH 含含ZnO HgO Hg 电电极反应极反应 Zn Hg 2OH 2e ZnO H2O HgO S H2O 2e Hg l 2OH 电电动动势势 1 34V 电电压稳定压稳定 可做成可做成钮扣钮扣电电池池 3 锂锂 铬酸银铬酸银电电池池 Li LiClO4 含含 C3H5 2CO3 Ag2CrO4 Ag 电电池反应池反应 Ag2CrO4 2Li 2e 2Ag Li2CrO4 Li e Li 比比能量能量高高 稳定稳定性性好好 可可长期贮存长期贮存 4 Ni Cd充充电电电电池池 二 蓄 电 池 又称又称可可逆逆电电池池 二次二次电电池池 1 铅蓄铅蓄电电池池 铅酸蓄铅酸蓄电电池池 Pb H2SO4 PbO2 充充 放放电电反应反应 Pb PbO2 2H2SO42PbSO4 2H2O 电电压压 2 0V 电流电流0 5A 可可短短时大电流时大电流放放电 电 若若以以 Na2SiO3 H2SO4 制制成成胶胶体体铅蓄铅蓄电电 即即可可 池池 可无可无溢出溢出 且且无无需调节密度需调节密度 只加只加水水 2 碱碱性性蓄蓄电电池池 铁 铁 镍蓄镍蓄电电池池 Fe KOH 30 Ni OH 3 充放充放电电反应反应 特点特点是是 体 体积积小小 抗抗震震好好 银银 锌蓄锌蓄电电池池 Zn KOH 40 Ag2O Ag 充放充放电电反应反应 特点特点是是 电电压压平平稳稳 Fe 2Ni OH 3Fe OH 3 Ni Zn A2O H2OZn OH 2 2Ag 三 燃 料 电 池 1 1 氢氢 氧氧燃料电燃料电池池 C H2 KOH 35 O2 C 电电池反应池反应 H2 2OH 2e 2H2O O2 2H2O 4e 4OH 2H2 O2 2H2O总总反应反应 催催化化剂剂 Pt Pd Co2O3 Ag 2 甲醇甲醇 氧氧燃料电燃料电池池 Pt CH3OH H2SO4 O2 Pt 电电池反应池反应 2 3 O2 6H 6e 3H2O CH3OH H2O 6e CO2 6H 2 3 CH3OH O2 CO2 2H2O总总反应反应 可可用用工业工业甲醇甲醇 可可用用KOH代代硫硫酸酸 此外 此外 还还有有很很多多类类型型的燃料电的燃料电池池 如如 锂锂 水燃料电水燃料电池池等 等 例题例题 氢 氢 氧氧燃料电燃料电池池的电的电池反应池反应 1 1 molkJ 298 15K m 237 19G O2 H2OH2 2 1 试计算试计算 该该电电池池的的标准标准电电动动势势 燃烧燃烧1 1molH2可获得可获得的最大的最大功功 若若该该燃料电燃料电池池的转化的转化率率为为83 燃烧 燃烧 1 1molH2 可获得多少可获得多少电电功功 V 964852 10237 19 3 m r r zF G E kJ mmax 237 19 GW r r W Wmax 83 237 19kJ 83 1 229V 解解 196 88kJ 1 1 氢氢燃料的燃料的特点特点 无无毒毒 无 无污染污染 最 最清洁 清洁 燃料来自水 燃烧燃料来自水 燃烧产产物是水 物是水 可可永远循永远循 点点火火温温度度低低 燃烧 燃烧速速度度快快 发热量大 发热量大 H2可可直直接接利用 利用 也可也可间间接接使用 是方便使用 是方便 氢能 环环使用使用 的燃料 的燃料 2 氢氢燃料的制取燃料的制取 电电解解水水 H2O H2 O2 热热分分解解水水 H2O H2 O2 催催化化剂剂 Ca Br2 Hg等 等 温温 度度 730 1000 光分光分解解水水 H2O H2 O2 催催化化剂剂 Ce4 联吡啶联吡啶合合钌钌 光光电电分分解解水水 以以n型型氧氧化化钛钛为电为电极极电电 解解水 水 能量能量可可用用太阳太阳能能 电能 电能 3 氢氢燃料的燃料的贮存贮存 H2密度密度小小 运输运输和和贮存都贮存都是是很很大大问题问题 1999年年 我国研我国研制制 出出的的纳米纳米碳碳管管 是 是很很 好好的的贮贮氢材氢材料 料 目前目前主要主要考虑考虑贮贮氢金属氢金属 在在在在298298KK 200atm200atm下碳纳米管下碳纳米管下碳纳米管下碳纳米管 吸附氢 红色 的模拟图象 吸附氢 红色 的模拟图象 吸附氢 红色 的模拟图象 吸附氢 红色 的模拟图象 要要求求高高 液液氢氢 沸点低沸点低 常温常温下压下压力力很很大 对大 对设备设备 核能 1 核核裂变裂变能能 把把重核分重核分裂裂成成两个两个中中等等质质量的量的 核核裂变反应裂变反应是是个连锁个连锁反应反应 过程过程称称核核裂变裂变 核核时 时 释释放出放出大量的能 此大量的能 此 连锁反应连锁反应 72 30Zn 160 62Sm 1 0 n 4 87 35Br 146 57La 1 0 n 3 142 56Ba 91 36Kr 1 0 n 3 90 37Rb 144 55Cs 1 0 n 2 235 92 U 1 0n 90 38Sr 147 56Ba 1 0 n 3 239 94Pu 1 0n 以以铀铀 235为为例例 其其裂变裂变的的几几种方种方式式 钚钚 239也也是是核核燃料燃料 天天然然U 235极极少少 主要是 主要是U 238 后者经后者经 蜕蜕变变可可转化为转化为Pu 239 核核裂变裂变时时出出现现质质量量亏损亏损 亏损亏损的的质质量转量转 E mc2 其中 其中 m m 生生 m 反反 E m c2 或或 按按此此式式1克克U 235核核裂变裂变能为能为 8 1 107kJ 核核裂变裂变产产物大物大多多具具有有放放射性射性 尤尤其其Sr 90 的的安安全全措施措施 所所以以原原料和料和产产物的物的贮存贮存 处理处理都都要要有有严格严格 相当相当于于3吨吨煤煤 化为能量 化为能量 遵守爱因遵守爱因斯斯坦坦定律定律 原子弹爆炸 氢 弹 实 验 2 核核聚聚变变能能 核核聚聚变变 使使很很轻轻的的核核在在异异常常高高的的温温度下度下合合 n n 1 1 0 0 4 4 2 2 3 3 1 1 2 2 1 1 HeHH 按按爱因爱因斯斯坦公坦公式式 E 1 698 109kJ mol 1 1 1克克氘氘 或或氚氚 比比1 1克铀克铀产生产生的能量大的能量大得多得多 氘氘可可由由重重水水中得中得到 到 海海水水中重中重水水2 1020 成成较较重重的的核核 核核聚聚变变时 时 放出放出更更大的能量 大的能量 kg 核核聚聚变变资资源源极极为为丰富丰富 但但是是 核核聚聚变需变需足够足够高高的的温温度度 109 足足 秦山秦山核电站核电站 目前目前 人类 人类已已经经实实现了人现了人工工核核聚聚变变的的实实 爆炸爆炸 够够长长的时间的时间 1s 而而且且要能人为要能人为控控制不使制不使 验室验室试试验验 太阳太阳上上进进行行的的反应反应是是核核聚聚变反应变反应 质质量量 太 阳能 之之一 一 足够足够人类人类消耗消耗 每每天天接接受受的的辐射辐射能能可可达达6 1018kJ 其其万万分分 变变化化4 106吨吨 产生产生能量能量4 1023kJ 地地球球 太阳太阳能的能量能的能量密度密度低 低 昼昼 夜夜 阴阴 雨雨 热能热能 如如太阳太阳能能集集热热器器 电能电能 太阳太阳能电能电池池 1 1 太阳太阳能的直能的直接接利用利用 太阳太阳能的利用能的利用可分 可分 变变化化较较大 大 所所以