大学化学第04章-能源化学基础-2013-9-4ppt课件

22 04 2020 1 现代大学化学ModernCollegeChemistry第4章能源化学基础Chapter4Energy Chemistry 22 04 2020 2 本章概要4 1能源的分类与能量的转化4 1 1能源的定义与分类 4 1 2能量的形态与转换 4 1 3我国的能源状况与危机4 2化石燃料 煤碳 石油与天然气4 2 1燃烧热的定义与常见燃料的热值 4 2 2煤炭 4 2 3石油与天然气4 3化学电源4 3 1化学电源的工作原理 4 3 2电池符号与电极上的化学反应 4 3 3几种常用的原电池 4 3 4几种常用的可充电电池 4 3 5燃料电池 22 04 2020 3 4 4核反应与核能源4 4 1原子核的组成 4 4 2核的稳定性与衰变 4 4 3原子核的结合能 4 4 4核的裂变与聚变4 5可再生能源的利用4 5 1太阳能 4 5 2风能的利用 4 5 3氢能 4 5 4生物质能复习 教材第10章预习 教材第11章习题 10 2 10 5 22 04 2020 4 4 1能源的分类与能量的转化4 1 1能源的定义与分类定义 能源是指可以从中获得能量的资源 分类 按能源的生成方式 按能源在当代社会中的地位分 常规能源 石油 天然气等 和新能源 核能 太阳能 风能 氢能等 按能源消费后是否造成环境污染分 污染能源和清洁型能源 太阳能 水能 电能氢能 燃料电池等 22 04 2020 5 4 1 2能量的形态与转换4 1 2 1能量的形态有7种 机械能 热能 化学能 电能 光能 核能 和 生物能 4 1 2 2能量的单位卡路里 Calorie Cal 千卡或大卡 kCal 焦耳 Jole J 千焦 kJ 1Cal 4 184J 22 04 2020 6 4 1 2 3能量转换及其效率将一种能量转换为另一种形态的能量称为能量的转换 能量转换与守恒定律 能量形态A 能量形态B 热能损耗 热力学第一定律 U Q W能量转换的效率 能量转换的效率较低 通常在15 55 之间 不同形态能量之间的转换效率见表4 1 22 04 2020 7 表4 1不同形态能量之间的转换效率 因此 开发 研制高效率的能量转换技术和设备也是十分有意义的工作 22 04 2020 8 4 1 3我国的能源状况与危机4 1 3 1我国当前的非再生能源状况油田 玉门油田 大庆油田 辽河油田 中原油田 胜利油田 江苏油田等的状况 目前60 依靠进口 煤矿 储量占世界第三 产量占世界第一 天然气 正在开发利用中 22 04 2020 9 4 1 3 2我国可再生能源的利用状况太阳能 发电 热水 低 但正逐步提高 风能 发电 地热能 潮汐能 等 低 麦秸杆 发电 饲料 发酵 低 4 1 3 3美国 日本等国的储能计划 22 04 2020 10 图5 2已探明的世界石油储量与年产量之比R 4 2 22 04 2020 11 4 2化石燃料 煤碳 石油与天然气4 2 1燃烧热的定义与常见燃料的热值4 2 1 1燃烧热的定义定义 标准状态下 单位质量的燃料完全燃烧后所释放出来的热量称为该物质的热值或燃烧热 记为 cH 单位为kJ mol或kJ g 标准状态 指定温度T和标准大气压 用上标 表示 22 04 2020 12 单位质量 体积 1g物质 1mol物质或1m3气态物质 完全燃烧 C CO2 g S SO2 g N N2 g H H2O l Cl HCl aq 已知反应2H2 g O2 g 2H2O g H 483 6kJ问 H是H2 g 的燃烧热 cH 吗 为什么 22 04 2020 13 4 2 1 2常见燃料的燃烧热表4 2常见燃料的热值 kJ g 22 04 2020 14 4 2 2煤炭4 2 2 1煤的形成煤是由古代植物经地壳变迁而积压地下 在高温高压的条件下经长期转化得到的 其过程为 植物残骸 腐殖质 泥煤 褐煤 烟煤 无烟煤4 2 2 2煤的分类煤可根据其在燃烧过程中发烟与否分为烟煤和无烟煤 22 04 2020 15 4 2 2 3煤化工煤中含有S N O Si Ca Mg等杂质 影响其使用 以煤为原料 在一定的条件下生产 加工而获得其它化工原料 产品的工业称为煤化工 22 04 2020 16 4 2 3石油与天然气4 2 3 1石油与天然气的形成石油与天然气是古代海洋中的生物由于地壳运动而沉积于地层中 在高温高压的条件下经长期作用而生成的产物 如图4 14 2 3 2石油与天然气的组成 石油 烃类 非烃类 硫化氢 硫醇 硫醚 噻酚 吡啶 吡咯类 等 气态烃 石油气 C1 C4低沸点组分 液态烃 固态烃 C36 凡士林 蜡 沥青 等 汽油 C5 C11正构烷烃 200 馏分 煤油和柴油 C11 C20正构烷烃 200 350 馏分 润滑油 C20 C36正构烷烃 300 500 馏分 22 04 2020 17 天然气 naturalgas 主要是甲烷 CH4 和低沸点挥发性组分的混合物 当其中甲烷的体积分数大于50 时便称为 干天然气 否则称为 湿天然气 小知识 可燃冰 现象在一定的条件 如0 26MPa 下 水分子彼此间通过氢键形成一种笼状结构 该物质可将中性分子或离子 Cl2 CH4 Ar Xe等 包于笼内而形成水合物 分子晶体 研究表明 1m3可燃冰能贮存164m3标准状态下的CH4气体 22 04 2020 18 4 2 3 3石油的加工石油是多种化学物质的混合物 必须经过分离 加工后才能使用 加工过程分蒸馏 裂解和精炼三种 蒸馏 利用混合物中各组分沸点间的差异将化合物进行分离的方法称为蒸馏 所用的设备称为蒸馏塔 22 04 2020 19 蒸馏塔示意图 22 04 2020 20 裂解 石油中轻油所占的比例大约只有1 4 1 3 为了得到更多用途更广的轻油 可在热 催化剂等的作用下将大分子的重油裂解为小分子的轻油或短链烃 精炼 蒸馏和裂解所得到的轻油中常含有微量含硫 含氧 含氮化合物和不饱和烃类 影响油品的性能 通过脱硫 加氢等过程可降低这些杂质的含量 炼油厂一角 22 04 2020 21 小知识 汽车燃油的标号与辛烷值汽油在汽缸中正常燃烧时火焰传播速度为10 20m s 在爆震燃烧时可达1500 2000m s 后者条件下使气缸温度剧升 汽油燃烧不完全 机器强烈震动 从而使输出功率下降 机件受损 污染环境 22 04 2020 22 不同化学结构的烃类 具有不同的抗爆震能力 异辛烷 2 2 4 三甲基戊烷 的抗爆性能较好 辛烷值设定为100 正庚烷的抗爆性差 辛烷值设定为0 如某一汽油在引擎中所产生之爆震 正好与97 异辛烷及3 正庚烷之混合物的爆震程度相同 即称此汽油之辛烷值为97 22 04 2020 23 4 3化学电源 Batteries Cells 电化学 研究电能与化学能之间相互转化规律以及转化过程中有关现象的科学 研究化学现象与电现象之间关系的学科 电化学过程借助一定的装置 原电池 电解池 完成化学反应 将电能转化为化学能 或者将化学能转化为电能 22 04 2020 24 在原电池中发生自发反应 可以对外做电功 是化学能转变为电能的过程在电解池中对非自发反应施加电功 使其得以发生 是电能转变为化学能的过程 原电池 电池 通过化学反应将化学能转变为电能的装置 亦称为化学电源 22 04 2020 25 4 3 1 1单液电池 4 3 1常见电池的类型 22 04 2020 26 4 3 1 2双液电池 用素烧瓷分开 22 04 2020 27 用盐桥分开 使得溶液中电荷达到平衡 22 04 2020 28 化学反应转变成可产生电能的电池的条件 化学反应为氧化还原反应 或含氧化还原过程适当的装置 使化学反应通过在电极上的反应来完成两个电极 以及与电极建立电化学平衡的相应电解质组成完整电路所需的其他附属设备 22 04 2020 29 4 3 2电池符号与电极上的化学反应对原电池 化学能转变为电能的装置 Galvaniccell 规定 写在左边的发生氧化作用 氧化数升高 产生电子 为负极 写在右边的发生还原作用 氧化数降低 消耗电子 为正极 不同材料之间的接触界面用 或 隔开 盐桥用 表示 离子要标明浓度 气体要标明压力 纯固体可以不加说明 电池反应是两电极反应之和 22 04 2020 30 如上述铜 锌电池可表为 Zn Zn2 c1 Cu2 c2 Cu电池反应方程为 负极 Zn Zn2 c1 2e正极 Cu2 c2 2e Cu总反应方程为 Zn Cu2 c2 Zn2 c1 Cu 22 04 2020 31 4 3 3化学电源分类 4 3 3 1一次电池 电池中的反应物质进行一次电化学反应放电之后 就不能再次利用 如干电池 纽扣电池 22 04 2020 32 A 传统锌 锰干电池电池符号 Zn ZnCl2 NH4Cl MnO2 C负极反应 Zn Zn2 aq 2e 正极反应 2NH4 2e 2NH3 H2 g 2MnO2 H2 g 2MnO OH 总反应 Zn 2MnO2 2NH4 aq 2MnO OH Zn NH3 22 aq 22 04 2020 33 B 碱性锌 锰干电池在传统锌 锰干电池的基础上进行了以下几点改进 用碱性KOH糊状液代替中性NH4Cl糊状液 导电性更好 用锌粉代替锌板 接触面积更大 反应速度更快更彻底 电池符号 Zn KOH 7 9mol L MnO2 C 石墨 负极反应 Zn s 2OH aq ZnO s H2O l 2e正极反应 MnO2 s 2H2O l 2e Mn OH 2 s 2OH aq 电池反应 Zn s MnO2 s H2O l ZnO s Mn OH 2 s 22 04 2020 34 C 锌 汞电池电池符号 Zn Hg KOH ZnO 糊状 HgO Hg C 石墨 负极反应 Zn Hg 2OH aq ZnO s H2O l 2e正极反应 HgO s H2O l 2e Hg l 2OH aq 电池反应 Zn Hg HgO s ZnO s Hg l 电池特点 反应更彻底 电量更大 但汞对环境有污染 已于1999年禁止生产 22 04 2020 35 D 银 锌纽扣电池电池符号 Zn ZnO KOH 40 Ag2O Ag负极反应 Zn s 2OH aq Zn OH 2 s 2e正极反应 Ag2O s H2O l 2e 2Ag s 2OH aq 电池反应 Zn s Ag2O s ZnO s 2Ag s 电池特点 价格较高 但比容量较大 22 04 2020 36 4 3 3 2蓄电池 二次电池 可充电电池 放电后可充电 使活性物质基本复原 可重复 多次利用 如铅蓄电池 锂离子电池等A 铅酸蓄电池电池符号 Pb PbSO4 H2SO4 PbSO4 PbO2电池反应 22 04 2020 37 B 镍 镉电池电池符号 Cd KOH 1 19 1 21g cm3 NiO OH C电池反应 22 04 2020 38 C 锂离子电池 摇椅电池 充电时 正 锂离子在外电场的作用下进入层状石墨 负 处于高能态 放电时锂离子从高能态 负 脱离出来进入低能态 正 同时通过外回路放出多余的电能 锂离子处于从正极 负极 正极的运动状态 22 04 2020 39 Li离子电池的优点 1 通讯 如手机 Li离子电池的用途 1 重量轻 从金属壳到塑料壳 能量密度大 2 优良 安全 有防暴阀 环境污染较小 3 比能量高 循环寿命长 4 电压较高 3 6V 成本相对较低 2 电子器件 电脑等 3 人造器官用电 如心脏起搏器等 22 04 2020 40 4 3 3 3燃料电池 连续电池 原电池和蓄电池将有限量的化学物质储存在电池内部 故均不能连续 长时间工作 给许多实际使用带来不便 燃料电池将化学物质储存在电池外部 故可随原料的不断输入而连续发电 常用的燃料 还原剂 有 氢 甲醇 肼 天然气 等 常用的氧化剂有 O2 Cl2 Br2 等 常用的介质有 酸溶液 碱溶液 盐溶液 等 22 04 2020 41 电池符号 M1 H g p1 KOH 35 O2 g p2 M2负极反应 H2 2OH 2H2O 2e正极反应 O2 H2O 2e 2OH 电池反应 H2 O2 H2O 22 04 2020 42 燃料电池的优点 1 高效 化学能 热能 机械能 化学能 电能 机械能 30 80 2 环境友好 不排放有毒的酸性氧化物 CO2比热电厂少40 3 重量轻 比能量高 用于航天 汽车工业 应急电源等21世纪首选的清洁能源 产物水可利用 无噪音 4 稳定性好 可连续工作 可积木式组装 可移动 22 04 2020 43 氢氧燃料电池的难点 氢气的储存 液氢要求高压 低温 有危险性 钢瓶储氢 可使用氢气只占钢瓶质量的1 也有危险性 研制储氢金属和其他储氢材料 研制用太阳能制备氢气 在298K 200atm下碳纳米管吸附氢 红色 的模拟图象 22 04 2020 44 4 4核反应与核能源4 4 1原子核的组成原子核 nuclei 由质子 proton 和中子 neutron 组成 质子和中子统称为核子 元素的化学性质由核外电子的构型和数目确定 原子核的性质由质子和中子的数目确定 原子序数 原子核中的质子数Z 原子的核外电子总数n 22 04 2020 45 质子的静止质量为mp 1 00728u 中子的静止质量为mn 1 00867u 电子的静止质量为me 0 00055uMp Mn 1840Me A 元素的质量数 Z 质子数 N 中子数 忽略电子的质量 质子数相同而中子数不同的元素处于元素周期表中的同一位置 称为同位素 Isotope 如氕 氘 氚 核可表为 22 04 2020 46 稳定核 放射性核 不稳定核 放射性 裂变 放射性 放射性 缓发裂变 质子放射性 重离子放射性 缓发质子 缓发中子 4 4 2核的稳定性与衰变 22 04 2020 47 4 4 2 1稳定核的A Z 或N Z 关系 图4 2稳定核的A P 或N P 关系 质子数 质量数 由图可见 所有稳定核素的质量数与质子数之间存在良好的相关性 称对应区域为核的稳定区 不稳定的核一般不在这个区域 它们可以通过衰变来改变A Z比值 从而回到稳定区域成为稳定核素 如 A B点 2 1 A 中子变质子 负电子发射 B 质子变中子 正电子发射 22 04 2020 48 4 4 2 2放射性同位素的衰变目前已知的两千七百多种核素中 绝大多数是不稳定的 不稳定的核素要自发地变化 转变为另一种核素 同时还要释放出一定的粒子流 这种性质称为放射性衰变 核素在衰变过程中释放出来的粒子流 称为射线 具有放射性的同位素 称为放射性同位素 22 04 2020 49 放射性衰变的种类主要有以下几种 衰变 质量数 AorN 较大的不稳定同位素通过释放 粒子 来达到它的稳定核结构 如 衰变 中子数较多的不稳定同位素可通过 衰变 释放负电子 正电子 或中子发射而达到其稳定核构型 如 22 04 2020 50 衰变 处于激发态的原子核可以通过 射线 高能电磁辐射 释放多余的能量 跃迁到低激发态或基态 以求达到其稳定核构型 基态 groundstate 原子核可处于不同的能量状态 正常情况下处于最低的状态 激发态 excitedstate 原子核在某些核反应 核裂变及放射性衰变后仍处于高能状态 22 04 2020 51 小知识 放射性衰变纪年法 考古学时钟由太阳射线产生的中子流与大气中的14N碰撞引发核反应生成14C 方程A 而14C是不稳定的放射性核素 会发生衰变而回到14N 方程B 大气中12C 14C的浓度都是基本恒定的 因而大气中 因而各种活的生命体中 12C 14C的比值也是恒定的 放射性同位素的衰变的动力学方程为ln c0 c k1t 半衰期 衰变掉一半所需的时间 t ln2 k1 与初始浓度c0无关 不同放射性同位素的半衰期为 22 04 2020 52 例4 1考古人员从徐州某古墓中找到一块棺木 经同位素检测发现该木块中14C 12C之比是现代树木中14C 12C之比的78 问该古墓应属于哪个朝代 已知14C的半衰期t 5730年 解 14C 12C 古 14C 12C 现 14C古 14C现 0 78k1 ln2 t ln2 5730 1 21 10 4a 1由ln N0 N k1t得t 1 k1 ln N0 N 1 k1 ln 1 0 78 2053年答 该古墓可能属于汉代早期 22 04 2020 53 4 4 3原子核的结合能4 4 3 1核子质量与核反应中的质量亏损原子质量单位 碳单位 国际标准化组织规定 以12C的原子质量的1 12作为原子质量的单位 记为amu或u 质子的静止质量为mp 1 00728u 中子的静止质量为mn 1 00867u 电子的静止质量为me 0 00055u 4He的摩尔质量为4 00150g mol 组成核子的原始质量为2 1 00728u 2 1 00867u 4 03190u 质量亏损 m 0 0304u 说明在反应过程中有部分质量损失了 22 04 2020 54 4 4 3 2原子核的结合能Eb根据Einstein质能关系式E m C2 相应的质量亏损通过能量的形式释放出来 核的能量降低了 称为原子核的结合能 BindingEnergy 记为Eb Eb越大 核子之间的结合就越牢固 原子核就越稳定 对于比较不同原子核的稳定性 我们引入核子的平均结合能Eb 平均 Eb 平均 Eb A 质量数 核子的平均结合能越大Eb 平均 原子核就越稳定 22 04 2020 55 例4 2已知12753I的摩尔质量是126 9004g mol 计算核子的平均结合能Eb 平均 解 原子 12753I 的质量是126 9004amu原子中核子的静止质量是53 mp 127 53 mn 128 0274amu质量亏损为 m 126 9004 128 0274 1 12702amu核结合能为Eb mC2 1 12702 6 023 1026 3 108 2 1 684 10 10J核子平均结合能Eb 平均 1 684 10 10J 127 1 326 10 12J 22 04 2020 56 图4 3Eb 平均随A的变化 由图可见 较轻的核和较重的核的核子平均结合能较小 稳定性较差 而中等质量的核的核子平均结合能较大 Fe的Eb 平均最大 所以最稳定 A56 大核变小核 更稳定 裂变 各原子核的核子平均结合能随质量数A的变化如图4 3 裂变 聚变 22 04 2020 57 4 4 4核的裂变与聚变4 4 4 1核的裂变 fission 重核受到激发分裂为几个中等质量原子核的现象称为原子核裂变 重核裂变可以释放大量能量 为人类提供一种新的能源 普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量 核裂变产物大多具有放射性 22 04 2020 58 当一个重核受到慢中子轰击 分裂成两个中等原子量的核 并放出一个到三个中子 这种中子称为再生中子 同时还释放大量的能量 如果分裂时放出的再生中子又能引起另外的核分裂 可使反应继续下去 并不断释放大量原子核能 这种反应称为链式反应 22 04 2020 59 4 4 4 2原子弹与反应堆核武器是利用核裂变或聚变反应释放的能量 产生爆炸作用并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称 原子弹是主要利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理之称的武器 22 04 2020 60 核反应堆 通过受控核裂变反应获得核能的装置 可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数 以形成所谓的自持链反应 self sustainingchainreaction 22 04 2020 61 4 4 4 3核的聚变 Fusion 氢弹由图4 3可见 核聚变所释放的能量大于核裂变所释放的能量 核聚变能比核裂变能威力大的多 它是一种最理想的清洁能源 是开发核能的主攻方向 氢弹是主要利用重氢 氘 或超重氢 氚 等轻原子核的热核反应原理制成的热核武器或聚变武器 氢弹是利用内部一个小型铀原子弹爆炸产生的高温引爆的 核聚变产物不是放射性的 22 04 2020 62 核聚变所需的温度较高 T 50 000 000 目前太阳上正在进行的是氢聚变成氦的反应 氢消耗到一定程度后进行H He Li He He C 等的反应 聚变所需要的温度也越来越高 如果星球质量 进而吸引力和压力 足够大 温度就足够高 最终会引发生成Fe的聚变 反应终止 星球变为白矮星 所在的位置称为黑洞 白矮星特点 体积小 亮度低 但质量大 密度极高 22 04 2020 63 4 5可再生能源的利用不随人类的利用而明显减少的能源称为可再生能源 常见的可再生能源有太阳能 风能 水力能 潮汐能和地热能等 4 5 1太阳能太阳每秒钟辐射到地球上的能量相当于106 107吨标准煤的能量 相当于全世界能耗的1万倍 是真正的绿色能源 目前人类所使用的矿物燃料均来源于太阳亿万年来的奉献 太阳能的利用包括太阳能电池 太阳炉等许多方面 光 热转换 光 电转换和光 化学转换等 22 04 2020 64 4 5 2风能的利用 风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀 引起各地温差和气压不同 导致空气运动而产生的能量 利用风力机可将风能转换成电能 机械能和热能等 风能利用的主要形式有风力发电 风力提水 风力致热以及风帆助航等 22 04 2020 65 4 5 3氢能4 5 3 1氢能的特点氢的燃烧热为143kJ g 是汽油的3 25倍 是标准煤的4 77倍 是自然界中热值最高的燃料 氢的燃烧产物为H2O 无废气 无烟尘 是自然界中最清洁的燃料 自然界中含有大量的水 H2O 氢是自然界中含量最丰富的物质之一 是自然界中含量最高的潜在能源 氢的燃烧对温度 压力的依赖性小 可用于更加恶劣 如极地低温 的工作环境 22 04 2020 66 4 5 3 2氢的制备大气中几乎不含游离的氢 需通过一定的制备方法方能得到 因此 氢为二次能源 目前人们提出的制氢方法有