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化学与能源 能源 一次能源 二次能源 常规能源 新能源 可再生能源 如水能 非再生能源 如煤炭 石油 天然气 核裂变燃料 可再生能源 如太阳能 风能 生物能等 非再生能源 如核聚变燃料 油页岩 油砂 煤制品 洗煤 焦碳 煤气 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 14360 1078 107563048发热量 kJ g 氢能H聚变U裂变天然气煤炭石油能源 碳化学 碳原子的四个价电子 按四面体的四个顶点方向和其它4 个碳原子以C C键结合 形成无限的三维骨架 金刚石的 三维结构在各个方向都有很高的强度 在天然产物中它 的硬度最高 在单质中它的熔点最高 并且不导电 金刚石 单质碳 每个碳原子都按平面三角形方向和其它三个碳原子以共 价键结合 形成一个六角形平面层 在垂直于层的方向 上 还有一个价电子以 键的方式将无数的平面层连接 在一起 层间价电子活动比较自由 石墨的导电性 滑 动性都与此结构状态有关 做铅笔的芯并不是铅而是石 墨 但铅笔这个名词已沿用至今 石墨 C60是1985年以来化学家和物理学家合作 发现的碳的第三种单 质 它的形状很象足球 是由60个碳原子处在由12个正五边形和 20个正六边形组成的32面体的60个顶点处 所以俗称 足球 烯 其中每个碳原子的化学环境都是等价的 分别作为一个正五 边形和两个正六边形的共用顶点 每个正五边形通过共用边被5个 正六边形包围 后来还发现了C50 C70 C84等各种各样的多面体碳 分子 它们的化合物有的具有超导性 有些可作高温润滑剂 耐热 和防火材料 球碳 富勒烯 烃类 碳氢化合物 烷 烃 甲烷 CH4 丁烷 C4H10 和辛烷 C8H18 是我们日常生活 中最常遇到的几种烷烃 它们分别是天然气 石油液 化气和汽油的主要成分 烷烃的化学结构通式为 CnH2n 2 燃烧时放热生成H2O和CO2 这类化合物 中 碳原子按四面体方向和其它碳原子或氢原子以共 价单键相连成链 由于碳的四个外层电子都已分别成 键 因此他们属于饱和烃 烯烃 常见的烯烃是乙烯 C2H4 和丙稀 C3H6 乙烯是现代石油化学工业 的龙头产品之一 乙烯的生产能力是国家综合国力的重要标志 丙烯是制造丙烯腈 人造羊毛 和聚丙烯纤维的基本原料 非环 状单烯烃的通式为CnH2n 都含有碳碳双键 C C 容易发 生加成反应 有的含有两个碳碳双键 如丁二烯是制造顺丁橡胶 的原料 C HH C HH CCCH H H H H H CCCCH HHHH H 丁二烯 乙烯丙稀 炔 烃 分子中含有碳碳三键 C C 的烃叫炔烃 最重要的炔烃是乙炔 C2H2 金属焊接或切割时用的氧炔焰就是利用乙炔在氧气中燃烧时 产生的高温 约3000 气焊时用的乙炔气是由电石 CaC2 水解产 生的 乙炔本身无色无味 电石水解时的臭味是由其中含磷含硫杂质 所致 非环状单炔烃的通式为CnH2n 2 为不饱和烃 芳 烃 苯 C6H6 是最典型的芳烃 具有特殊的香味 通常芳烃都具有苯环 基本结构 历史上早期发现的这类化合物多有芳香味道 而得名 芳香烃 简称芳烃 后来发现的不具有芳香味道的烃类也都统 一沿用这种叫法 化学在煤 石油和天然气开发利用方面的贡献 1 煤的高效煤的高效 清洁化燃烧及化学转化清洁化燃烧及化学转化 37650 60泥煤 23550 70褐煤 8570 80烟煤 2295以上无烟煤 氧 氮 硫 磷等含量 氢含量 碳含量 几种煤的主要成分几含量 无烟煤 固定碳含量最高 由于灰分和水分含量较低 一般发热量很 高 其缺点是着火困难 不容易燃尽 烟煤 碳化程度较无烟煤低 但烟煤的着火和燃烬都比较好 次烟煤 挥发物含量和发热量都低于烟煤 着火比较困难 褐煤 碳化程度次于烟煤 且挥发组分的析出温度较低 所以着火和 燃烧比较容易 但水分和灰分很高 且发热量低 通过化学转化使烟煤转化为洁净的燃料 主要包括煤 的气化 液化和焦化 1 煤的气化 是让煤在氧气不足的情况下进行部分氧化 可使煤中 的有机物转化为可燃气体 H2 CO 和CH4 再以气体燃料的方 式经管道输送到车间 实验室 厨房等 也可以作为原料气体送进 反应塔 气化过程在气化炉内完成 2 煤的焦化 也叫煤的干馏 是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内 加热 使煤分解 生成固态的焦碳 液态的煤焦油和气态的焦炉 气 随着加热的温度不同 产品的热量和质量都不同 有低温 500 600 中温 750 800 和高温 1000 1100 干馏之分 焦炉气 含H2 CO CO2 CH4 C2H4 NH3 H2S N2 O2及苯蒸汽 粗氨水 粗苯等 单环芳烃 苯 二甲苯 酚等 稠环芳烃 萘 蒽 菲等 沥青 冶金 电极 电石 焦碳 煤焦油 干馏 煤 煤的干馏产物及其用途 3 煤的液化 煤炭液化油也叫人造石油 是将煤加热裂解 使大分子变 小 然后在催化剂的作用下加氢 从而得到多种燃料油 这种先裂解再 氢化的方法称为直接液化法 另外一类方法称为间接液化法 是先使煤 气化得到CO和H2等小分子 然后在一定的温度 压力和催化剂作用条件 下合成各种烷烃 石油和天然气 石油的组成元素主要是C和H 此外也有O N和S等 和煤相比 石油 的含氢较量高而含氧量较低 在石油中的碳氢化合物以直链烃为主 而 在煤中以芳烃为主 而石油中N和S的含量则因产地不同而异 如阿拉 伯原油中含S约1 74 N约0 14 而我国胜利油田中含S约0 81 N 约0 41 相比之下 胜利油田的原油含硫量比较低 而含氮量比较 高 所以 不同的原油在炼制 精制的条件和催化剂的选择等方面都是 不同的 各有自己的特色 关于石油的成因历史上和现在都有不同观点的争论 天然气的主要成分是甲烷 也有少量乙烷和丙烷 它和石油伴随产 生 但一般埋藏部位较深 根据国际经验 每吨石油大概伴有1000 m3的天然气 所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天然 气归并在一起 天然气是最清洁的燃料 燃烧产物CO2和H2O都是无 毒物质 管道输送也方便 石油炼制和加工的主要目的 1 将各种混合物进行一定程度的分离 使它们各尽其用 2 将碳原子多的烃变成含碳原子少的烃 以提高石油的利用价值 未经处理的石油叫原油 原油必须经过处理才能使用 处理 的方法有分馏 裂化 重整和精制等 1 分馏 石油分馏的原理 石油是各种烃的混合物 因此没有固定的沸点 含碳原子数越少的烃 沸点越低 因此在给石油加热时 低沸点的 烃先汽化 经过冷凝后分离出来 随着温度的升高 较高沸点的烃 再汽化 经过冷凝后又分离出来 这样不断地加热和冷凝 就可以 把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物 石油 石油气 C4以下 汽油 C5 C8 煤油 C11 C16 柴油 C15 C18 重油 C20以上 轻质油 常压蒸馏 减压蒸馏 燃料油 柴油 润滑油 石蜡 沥青 生活常识 汽油的爆震性与汽油的成分有密切的关系 汽油的抗震 性能用辛烷值来表示 辛烷值是衡量汽油在汽缸内抗爆震能力的一 个数字指标 其值高表示抗震性能好 异辛烷 2 4 2 三甲基戊 烷 的抗爆震性好 辛烷值定为100 正庚烷的抗爆震性差 辛烷 值定为0 若汽油的辛烷值定为90 即表示它的抗爆震能力与90 的异辛烷和10 的正庚烷的混合物相当 并非一定含有90 的异辛 烷 商品上称为90 汽油 2 催化裂化和裂解 裂化就是在一定条件下 将碳原子数较多的碳氢化 合物分解成各种小分子的烷烃类 裂化产物很复杂 从C1 C10都有 例 如 在加热 加压和催化剂的存在下 十六烷裂化为辛烷和辛烯 C16H34 C8H18 C6 H16 催化剂 加热 加压 十六烷 辛烷 辛烯 经催化裂化可从重油中得到更多的乙烯 丙烯和丁烯等化工原料 裂解是以比裂化更高的温度 使石油分馏产物中的长链烃断裂成乙 烯 丙烯等短链烃的加工过程 3 催化重整 是在一定的温度压力下 将汽油中的直链烃在催化剂表面进行结构的重 新调整 使之转化为带支链的烷烃异构体 从而有效地提高汽油的辛烷 值 与此同时还得到一部分芳香烃 4 精制 分馏和裂解所得的汽油 煤油 柴油中都含有N和S的杂环有机物 在 燃烧过程中会生成NOx和SO2等酸性氧化物污染空气 但在一定温度和 压力下 采用催化剂可使这些杂环有机物起和H2发生反应生成NH3和 H2S而将其分离出来 从而使留在油品中的只是碳氢化合物 这种提高 油品质的过程称为加氢精制 核能 原子能 有些元素 如钋 Po 和镭 Ra 可以自发地放出射线 而变成另一种原 子核 这些元素叫做放射性元素 这个过程叫做核衰变 放射性元素 可以放出三种看不见的射线 射线 就是氦原子核 射线 就是 高速电子 射线 就是高能光线 其中 射线的穿透能力最强 核裂变能 通过一些重原子核发生 链式裂变反应 释放出的能量 235U 0n 慢 较重碎核 较轻碎核 中子 92 1 核裂变是用中子 01n 轰击较重原子核 使之分裂成较轻原子核的反应 核聚变能 核聚变是指很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的 原子核的反应 这种反应进行时放出更大的能量 比如氘 12H 和氚 13H 核的聚变反应为 1H 1H 2He 0n 3241 1986年4月26日 在乌克兰基辅市以北130公里的切尔诺贝利核电站 一 个机组核反应堆爆炸 造成8吨多强辐射的核物质泄漏 周围5万多平方 公里土地受到直接污染 320多万人受到核辐射侵害 事故发生后 发生 爆炸的4号机组被钢筋混凝土封存 电站30公里以内的地区被定为 禁入 区 即所谓的 死区 114116118 1 2 3 4 5 6 7 钅钅钅钅喜波 黑麦卢 钅 杜钅 镧系 锕系 钫 镭 铌 钽 银 金 镉 汞 铟 铊 锡 铅 锑 铋 碲 钋砹氡 氙 碘 镧 铈 镨钕 钷钐铕钆铽 镝钬铒 铥镱 镥 锕 钍镤 铀 镎钚镅 锔锫 锎锿 镄锘铹 钔 铷 铯 锶 钡 钇锆 铪 钼 钨 锝 铼 钌铑 钯 锇 铱铂 氢 锂 氦 铍硼碳氮 氧氟氖 钠 镁铝 硅磷 硫氯氩 钾 钙钪钛钒铬 锰铁钴镍铜锌镓锗砷 硒溴 氪 AcThPa UNpPuAmCmBk Cf EsFmMdNoLr Zr NbMo Tc Ru RhPdAgCdInSnSbTeI Xe Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtRn IB IA IIAIIIA IVAVAVIA VIIA VIIIIIBIIIB IVBVBVIB VIIB Rf DbSgBhHsMt UunUuuUubAc Lr LaCePrNd PmSmEuGdTb DyHoErTm YbLu HHe LiBe BCNOFNe Na MgAlSiPClSAr KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr Rb Cs Fr Sr Ba Ra Y LaLu 12 34 5 6 78 9 10 111213 1415161718 19 2021 22 23 2425262728 2930 313233343536 373839 40 4142434445464748495051525354 5556 575859 60616263 64 6566 676869 70 71 727374 75 7677787980818283848586 87 88 89 9091 92 9394959697 98 99 100101102103 104 105106107108109110111112 57 89 103 71 d1 幻灯片 22幻灯片 22 d1 d1 dell 2011 3 25 将燃料芯块封装于包壳管内 两端用锆合金端塞封焊而 形成的细长棒 构成燃料组件的基本结构单元 核燃料的形式为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷 芯块 瓷芯块为直径1厘米 高度1厘米的圆柱体 几百 个芯块叠在一起装入直径1厘米 长度约4米 厚度为1 毫米左右的细长锆合金材料套管内 因为核裂变反应就 像是在燃烧原子 因此称为燃料棒 化学电源 例 锌锰干电池 原电池 利用化学反应得到电流 放完电后不能再重复使用的电池 也是人们日常家用最经常使用的电池 也称一次性电池 常用的有锌 锰干电池 镁锰干电池 锌汞电池 纽扣电池 锂铬酸银电池等 正极为阴极 锰由四价还原为三价 2MnO2 2H2O 2e 2MnO OH 2OH Zn 2NH4Cl Zn NH3 2Cl2 2H 2e 2MnO2 Zn 2NH4Cl 2MnO OH Zn NH3 2Cl2 负极为阳极 锌氧化为二价锌离子 总的电池反应为 锌锰干电池的电动势为1 5V 其缺点是产生的NH3能被炭棒吸附 引起 极化导致电动势下降较快 而且在放电过程中容易发生胀气或漏夜 随着小型电子产品如相机 电子计算机和电子钟表等的普及 小型 电池的需求大大增加 于是所谓的纽扣电池应运而生 如Ag Zn电 池 其电池反应 2Zn 2Ag2O 2H2O 2Zn OH 2 4Ag 蓄电池蓄电池 蓄电池不仅能使化学能转变为电能 还可借助其它电源使反应逆向 进行 所以又称二次电池 故而受人们欢迎 世界上第一个可充式 电池是由Plant于1860年发明的酸性铅蓄电池 也成铅酸蓄电池 铅蓄电池由一组充满海绵状金属铅的铅锑合金板做负极 由另一组 充满二氧化铅的铅锑合金板做正极 两组板相间浸泡在电解质稀硫 酸溶液中 从电池的作用原理来看 其放电时两个电极反应及电池 反应 正极 PbO2 SO4 4H 2e PbSO4 2H2O 负极 Pb SO4 PbSO4 2H2O 2e 总反应式 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 2 2 充电 放电 铅酸蓄电池在放电时 正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属 铅都与硫酸电解液反应 生成硫酸铅 在电化学上把这种反应叫做 双 硫酸盐化反应 在蓄电池刚放电结束时 正 负极活性物质转化成的 硫酸铅是一种结构疏松 晶体细密的结晶物 活性程度非常高 镍镉电池 镍镉可充电电池被广泛应用于收录机 电话机等 但是在实际使用过 程中 人们发现镍镉电池容易产生 记忆效应 所谓电池的记忆 效应是指未完全放电的电池在下一次充电时所能充电的百分比 镍镉 电池的 记忆效应 主要是由于镉这种材料的特性使然 在负极有氢 氧化镉与电极作用 产生金属镉而沉积于负电极表面 放电时 负电 极表面的金属镉反应形成氢氧化镉 充电 放电 Cd 2NiO OH 2H2O 2Ni OH 2 Cd OH 2 当充放电不完全时 电极内的镉金属会慢慢地产生大结晶体而使以后 的化学反应受到阻碍 导致电容量迅速减少 由于记忆效应的存在 使得镍镉电池的寿命远低于理论值 镍氢电池 镍氢电池是一种既符合环保要求又能顺应能源与电器发展趋势的新兴 绿色电池 其体积能量密度远高于镍镉电池 可以快速充放电 无公 害无记忆效应且耐充和放电能力较强 镍氢电池放电时 正负极分别发生如下化学反应 正极 NiOOH H2O e Ni OH 2 OH 负极 MH OH M H2O e 总反应式 NiOOH MH H2O OH Ni OH 2 M 锂离子电池 锂离子电池是近来迅速发展起来的一种电池 它的储能容量是镍镉 电池的2 5 3倍 由于不含镉 既无污染也不会产生记忆效应 任 何时候都可以充电 该电池使用寿命长 可达500 1000次的循环 寿命 锂离子电池是一种高能电池 它具有质量轻 电容高 工作 效率高和贮存寿命长的优点 因此已经用于计算机 照相机 手表 和心脏启博器上 并且已作为火箭 导弹等的动力源 正极 xLi MA2 xe LixMA2 负极 LixC6 xe xLi 6C 总反应式 MA2 LixC6 xe xLi MA2 6C 充电 放电 燃料电池 燃料电池与前两类电池的最主要区别在于其不是把还原剂 氧化剂物 质全部贮藏在电池内 而是在工作时不断从外界输入氧化剂和还原 剂 同时将电极反应产物不断排出电池 1 碱性