化学与能源1.doc

第9章 化学与能源3课时教学目标及基本要求1. 了解常规能源（煤、石油、天然气）的概况。2. 了解核能的概念，核裂变、核聚变的原理。3. 了解新型清洁能源的概况。教学重点 能源概述、核能 教学难点 原子核的结合能、核裂变 本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题 教学方式（手段）：课外自学 主要教学内容第9章 能源与化学Chapter 9 Energy & Chemistry 9.1 能源概述 9.1.1 能源的分类 表 9-1 能源分类 按形成条件分类按利用技术状况分类一次能源二次能源常规能源煤 炭石 油天然气油 砂油页岩生物质能（植物杆秸）水 能焦炭、煤气汽油、煤油柴油、重油液化石油气甲醇、酒精苯 胺电力、蒸汽、热水、余能新能源核燃料太阳能地 热海洋能潮汐能风 能沼气、氢能激 光化学电能9.1.2 能源利用概况（1） 世界能源结构与消费 表 9-2 世界能源消费量和构成 年 份消费量 / 万吨标准煤在消费量中所占比例 / %煤 炭石 油天然气水电和核电19501960197019801990239 194292 420643 956852 3911 147 64060.949.533.530.827.327.233.344.044.238.610.115.120.121.521.71.82.12.43.512.4标准煤 1kg 发热量为 29288kj 的煤例：某原煤的发热量为 20920kj/kg ，则 1kg 这种原煤相当于标准煤：20920/29260 = 0.7150kg（2） 中国能源现状及趋势 表 9-3 中国的能源现状和构成 年 份 消费量 / 万吨标准煤 在消费量中所占比例 / % 煤 炭 石 油 天然气 水 电 1955 1960 1970 1980 1990 1998 2000 2002 6 968 30 189 29 291 60 275 98 703 136 000 130 297 148 000 93.0 93.9 80.9 72.2 76.2 71.6 66.1 66.0 4.9 4.1 14.7 20.7 16.6 19.8 24.6 23.4 0.5 0.9 3.1 2.1 2.1 2.5 2.7 2.1 1.5 3.5 4.0 5.1 6.5 6.8 7.8 （3）能源开发利用趋势 限制并有计划的开采石油和天然气 发展原子能 加速开发利用新能源 节流 9.2 煤炭及其综合利用 9.2.1 煤（1） 煤的种类及主要成分 无烟煤烟煤褐煤泥煤含碳量 / %85957085507050煤的化学组成 元素CHONS含量 / %85.05.07.60.71.7C ：主要可燃成分，C (s) + O2(g) = CO2(g) rHm( 298.15k )= -393.5 kj mol-1H ：主要可燃元素 有效氢 与 C H P 结合，可燃烧化合氢 与 O 结合，不能燃烧O ,S, N 等：有害成分（2）煤的有效洁净利用 洁净煤技术（Clean Coal Technology 简称 CCT）洁净煤技术 (Clean Coal Technology ，简称 CCT) 的含义是：旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。当前已成为世界各国解决环境问题主导技术之一。中国洁净煤技术主要技术领域：按照 国务院 1997 年批准的中国洁净煤技术九五计划和 2010 年发展规划，中国洁净煤技术包含四个领域、十四项技术：1) 煤炭加工领域：选煤、型煤、水煤浆；2) 煤炭高效燃烧与先进发电技术领域： CFBC 、 PFBC 、 IGCC ；3) 煤炭转化领域：气化、液化和燃料电池；4) 污染排放控制与废弃物处理领域：烟气净化、电厂粉煤灰综合利用、煤层气的开发利用、煤矸石和煤泥水的综合利用。1） 煤的气化2）煤的液化煤与石油的区别： 煤： H : C = 0.40.8石油 H : C = 1.51.8 煤分子量石油分子量 10 倍 直接液化法 间接液化法9.2.2 石油和天然气 石油的主要组成元素为C H O N S8387% 1014% 0.0525% 0.020.25 0.058% 和煤相比 （1）石油含氢量高，含氧量低。（2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主煤中的碳氢化合物以芳烃为主汽油 成分以 C7 C8 为主 , 其中最具代表性的组分是辛烷辛烷 C8H18 辛烷完全燃烧的热化学方程式为C8H18 （l） + 25/2 O2(g) = 8CO2(g) + 9H2O (l)rHm( 298.15k )= -5440 kj mol-1“辛烷值” 汽油的重要指标正庚烷（ C7H16 ） 自然点 223 抗暴性最差，“辛烷值”为 0异辛烷（ C8H18 ） 自然点 418 抗暴性最好，“辛烷值”为 100例 某汽油的辛烷值为 85 ，表示其抗暴性能与 85% 异辛烷和 15% 正庚烷的混合物相当商品上称为 85 号汽油。高效抗暴剂 四乙基铅 Pb(C2H5 )4使用无铅汽油，提高汽油辛烷值的途径 变汽油的基础组分烷基化油：以异丁烷、丙烯、丁烯、异丁烯等轻质烯烃为原料生产的以异辛烷为主要成分的混合烷烃。叠合油：以丙烯、丁烯、异丁烯为主要原料异构化油：将正构烷烃转变而成 发非铅汽油抗暴剂甲基叔丁基醚（MTBE）乙基叔丁基醚（ETBE）甲基环戊二烯三羰基锰 (MMT)甲醇、乙醇、叔丁醇等 9.3 核能 9.3.1 原子核的组成和结合能 原子核质子（p）质子和中子总称为核子中子（n）核素：（质子数和中子数都相同的一类元素）AZXX 元素符号Z 质子数，即原子序数A 核子总数，称为质量数质量数（A） = 质子数（Z） + 中子数（n）同位数 质子数相同而中子数不同的核素互为同位数例： 23592U A = 235 Z = 92 n = 235-92 =14323892U A = 238 Z = 92 n =238-92 = 146 23592U 和 23892U是两种不同的核素，且互为同位素核引力 原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力原子核的结合能 若干个核子结合成原子核时所释放的能量结合能的计算： 质量亏损 m = （中子质量 + 质子质量） - 核的质量 E = m c2 c（光速） = 3 10 8 m s-1 E = m c2例：计算 1mol 质子和 1mol 中子结合成 1mol 氘核（ 21H ）时可释放出多少能量（结合能）解： 1mol 质子 m = 1.00728g1mol 中子 m = 1.00867g1mol 21H m = 2.01355g m = ( 1.00728g + 1.00867g ) 2.01355g= 0.00240g =2.4 10-6 kgE = m c2= 2.4 10-6 kg (3 108 m s-1 )2=2.16 108 kJ各原子核的每克结合能是不同的 通常 核子数（质量数）小的原子核，每克结合能小核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大核子数（质量数）大于 200 的原子核，每克结合能变小核反应 使原子核转变成新原子核的过程核裂变 让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度的新原子核的过程核聚变 让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大的新原子核的过程 9.3.2 核裂变核裂变：是用中子（10n）轰击较重原子核使之分裂成较氢原子核的反应核裂变的核燃料： U-235 U-233 Pu-239 例：U-235 裂变链式反应： 1gU-235 可放出 8 107 kj 的能量1g 煤完全燃烧放出的热量为： 30kj1gU-235 产生的能量相当于 2.7 106 g 煤燃烧产生的能量核电站工作原理反应堆：核燃料 U-235 、 Pu-239中子吸收剂（控制棒）： B Cd Hf 控制 n = 1中子慢化剂：是裂变产生的快中子减为慢中子根据中子慢化剂核冷却介质不同，核反应堆分为：轻水堆 慢化剂： H2O 压水堆，沸水堆重水堆 慢化剂： D2O石墨气冷堆 慢化剂：石墨核电站运行的两大问题：安全问题核废料的处理问题 9.3.3 核聚变核聚变：由很轻的原子核在及高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。例： 21H + 21H 42He1g 氘聚变时放出的能量为： 5.8 108 kj核聚变的优点 核聚变产物 氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的废料 核聚变原料 氘、氚，支援丰富，可从海水中提取1kg 海水中含有 0.03g 氘，地球上的海水约有 1018 吨，聚变原料十分丰富。实现核聚变的两个关键问题 反应温度足够高： 109 人为控制核聚变反应的速度 受控核聚变9.4 新型清洁能源 9.4.1 太阳能和地热能（1）太阳能地球表面每年从太阳获得的辐射能为： 5.0 1018 kj ，相当于全世界年能耗的 1.3 万倍，我国 960 万 km2 的土地上获得的太阳能相当于 1.2 万亿吨标准煤燃烧时所放出的总能量。可见太阳能是巨大的。太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为：4 11H 42 He + 2 -10e-该反应释放出的核能约为： 2.39 10 9 kj mol-1 。太阳内每秒钟有 6 亿吨的氢参加核聚变反应，故释放出巨大的能量。太阳能利用方法： 光 热转换 光 电转换9.4.2 氢能（1）氢的特性和用途氢能 以氢作为燃料而释放出的能量氢能的优点： 质量轻，发热值高，燃烧反应速率快。 制氢的原料 水，资源极为丰富。 燃烧产物 水，对环境无污染。（2） 氢的制取H2O = H2+ 1/2 O2 rHm ( 298.15k )= 285.83 kJ mol-1反应中键能的变化为：断开 H2O 分子中 2mol O-H 键需吸收 930kJ 的能量，生成 1mol H-H 键放出 463kJ 的能量，生成 0.5mol O=O 键放出 249kJ 的能量 分解 1mol 的 H2O 需提供的能量为： 930kj-436kJ-249kJ=245kJ水煤气法：在高温下用 C 做还原剂，与水反应 C + H2O = CO + H2电解法： 2H2O(l) = 2H2(g) + O2(g)热化学分解法 h 太阳能制氢： H2O （l） H2(g) + 1/2 O2(g)催化剂