化学与人类--化学与能源

上期要点回顾,化学变化是物质中原子间的排列方式和化学键发生改变的变化。,人之伟大源于他有思想。,2.化学与能源,化学向人类提供各种合理使用能源的方法,2.1原子核能,2.1.1原子结构,18世纪的化学家都认为原子是组成物质不可分割的最小微粒，因此不存在原子的结构或组成问题。,1）电子的发现,汤姆生对阴极射线进行了一系列的实验研究。1897年，他确认阴极射线是带负电的粒子。,由于电子electron的发现，人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有结构。,问题提出,既然有带负电荷的电子，那么必然还有带正电荷的东西。那是什么？,2）质子的发现,1911年，卢瑟福（1871-1937）根据粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被评为“物理最美实验”之一。,二十世纪最伟大的实验物理学家,问题提出,用带正电荷的质子计算原子量时，除氢元素外任何元素的质量都要比正电荷的质子总质量高一倍或更多。问题很清楚，在原子核中还有中性但是有质量的东西存在。那么这种中性的东西是什么呢？,1919年，卢瑟福做了用粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子proton。,3）中子的发现,1932年，查德威克用粒子轰击铍，产生的中性粒子，中子neutron,查德威克（JamesChadwick，18911974）英国实验物理学家，1935年获诺贝尔物理学奖,原子发现的过程回顾,问题提出,原子核中的中子数目是如何确定的？不同的元素有不同的中子数，相同的元素会不会有不同的中子数呢？因为中子数不会影响元素化学的性质。,4)同位素Isotopes,具有相同质子数，不同中子数同一元素的不同核素互为同位素(Isotopes)。同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子量或质量数不同。,例如氢有三种同位素，H氕、D氘（又叫重氢）、T氚（又叫超重氢）；碳有多种同位素，例如12C、13C和14C（有放射性）等天然铀含234U、235U和238U三种同位素,2.1.2核结构,1）核子nucleon是组成原子核的粒子质子proton中子neutron2)核素nuclide是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子,原子核中的中子数和质子数是否可以任意比例呢？,研究表明稳定的核内中子数和质子数之间有一定的比例。,问题提出,d)Z84，原子核是不稳定的，有放射性。,c)最重的稳定核内N/P值约等于1.6，大于1.6时原子核就要发生自发裂变放射性。,对原子序数比较小的元素（原子序数到20）N/P=1时，核最稳定，当原子序数增大，质子间的斥力增大，必须引入较多的中子，故N/P。,研究结果,3）核结合能,核越稳定说明核子结合成原子核的过程中放出的能量越多。放出去的能量称为核结合能。自然界的规律，能量越低越稳定。,2.1.3原子核能的获得,首先要物理学家证实所有的原子是不是处在同一个能位?证实每个原子核的能位是不一样的。,核物理学家的困惑,例如，一个质子的静质量m(p)=1.00728u一个中子的静质量m(n)=1.00867u,原子质量单位,amu=atomicmassunit缩写词（amu或u），它被定义为碳12原子质量的1/12。1u1/NA克=1/(1000NA)千克1u1.66053892110-27千克,约翰道尔顿最早建议使用一个氢原子的质量来作为原子量的单位。,两个中子和两个质子静质量=4.03190u氦核的静质量=4.00150u，质量亏损m=0.03040u,两个中子和两个质子组合成一个氦核时发生的质量亏损m=21.0072821.008674.00150=0.03040u，,质量亏损,massdefect定义：组成原子核的所有单个质子与单个中子质量的总和与原子核质量之差。,阿尔伯特爱因斯坦（18791955），美籍德裔犹太人，因为“对理论物理的贡献，特别是发现了光电效应”而获得1921年诺贝尔物理学奖，现代物理学的开创者、奠基人，相对论“质能关系”的创立者,USSEnterprise在1964年的第一艘核动力航母。在飞行甲板上，船员们组成拼写爱因斯坦的质能等价方程式E=mc2。,爱因斯坦的一句名言“观察和理解的乐趣是大自然最优美的礼物”。,计算题,氦核的结合能E=mc2=0.030401.66061027(3108)2=28.28兆电子伏特。所以，要使一个氦核分裂为单个的质子和中子，就至少需要28.28兆电子伏特的能量。（1焦耳=6.241509341018电子伏特）,元素的质量数比结合能.,a.中间大、两端小。b.中等质量的核最稳定。,观察比结合能曲线并思考下列问题：,1、两个氘核发生核反应变成氦核是吸收还是放出能量？2、一个重核可以分裂为中等质量的核是吸收还是放出能量？,获取核能的方法,裂变fission聚变fusion,聚变裂变,核子的平均质量与原子序数之间的关系,奥托哈恩（德语：OttoHahn，1879年3月8日1968年7月28日），生于法兰克福逝于格丁根。他是德国放射化学家和物理学家，在1944年获诺贝尔化学奖。,莉泽迈特纳（LiseMeitner，1878年11月7日1968年10月27日）是一位奥地利-瑞典原子物理学家。她的众多成绩中最重要的是她第一个理论解释了奥托哈恩1938年发现的核裂变。,1907年秋天，莉泽迈特纳刚刚获得物理学博士学位，抱着求知的强烈愿望，从她的故乡奥地利维也纳来到当时的普鲁士帝国的首都柏林，加入了奥托哈恩（OttoHahn，18791968）所在的柏林大学研究所工作。,迈特纳才工作不久就以哈恩的助手的名义与哈恩一起发表了若干篇论文。不久爆发了第一次世界大战，哈恩奔赴前线参战，,正是在此时，物理学博士迈特纳做了实实在在的化学实验，其结果是惊人的分离并发现了新的放射性元素镤中(Pa,91号).可是，这个伟大成果是以哈恩为第一作者于1918年报道的，莉泽迈特纳只是哈恩的助手!,奥托罗伯特弗里施（OttoRobertFrisch）来斯德歌尔摩度圣诞节，发现她正在读哈恩寄来的信，信中描述了用中子作用于铀发现产物具有钡的放射性的惊人事件。,莉泽迈特纳跟弗里施一起对这一实验结果做出了理论解释，并以来信的形式发表在1939年元月出版的自然杂志上，在这篇著名的文章里，莉泽迈特纳踉弗里施一起提出了一个物理学上的新概念一类新的核反应裂变Fission。,莉泽迈特纳成为核科学的先驱的原因：,她既是物理学家又是化学家她既利用物理又利用化学,Emiliosegre本应当发现第一个超铀元素镎，如果他不是缺少足够的化学知识而把它错认作稀土元素的话；,埃米利奥吉诺塞格雷（EmilioGinoSegr,1905-1989），意大利美国实验物理学家，犹太人，因发现反质子和欧文张伯伦共同分享了1959年度诺贝尔物理学奖。,EnricoFermi本应该发现裂变，如果他的研究小组的化学分离技术不是这样不甚适当的话。,恩里科费米（意大利语：EnricoFermi，19011954），美籍意大利裔物理学家，因为“证明了可由中子辐照而产生的新放射性元素的存在，以及有关慢中子引发的核反应的发现”，荣获1938年诺贝尔物理学奖。,1994年5月IUPAC（国际纯粹化学与应用化学联合会）通过一项决议，建议把第109号元素命名为Meitnerium，以纪念核物理学家LiseMeitner（莉泽迈特纳，18781968）。,物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反映叫做聚变,链式反应,铀核的裂变链式反应,铀核裂变时产物多种多样,一般来说，一个铀核裂变要放出23个中子。这些中子又会引起新的裂变、释放更多的能量,裂变,核子平均质量,核子的平均质量与原子序数之间的关系,铀的天然同位素组成为：238U：自然丰度99.275%，235U：自然丰度0.720%，234U：自然丰度0.005%，,U-235无法裂变的原因,U-235百分含量太低U-238要吸收中子,铀元素在自然界中主要以两种同位素的形式存在，即U238和U235，这两种都是放射性同位素，会缓慢地发生衰变，不过半衰期都非常长，分别为约45亿年和7亿年，前者与地球的年龄大致相当，也就是说在地球形成时的U238还有大约一半保留到现在。,铀同位素分离是由铀235含量较低的铀同位素混合物，获得铀235含量较高的铀同位素混合物的同位素分离技术。铀同位素分离在核燃料循环中占极重要的地位。,铀235含量大于天然含量的铀称为浓缩铀。浓缩铀可用作反应堆的燃料（含量在3%左右）,还可用作核武器的装料（含量在90%以上）和舰艇的核动力燃料（含量在20%左右）。但是天然铀中主要含有铀238（含量为99.275%），而铀235的含量仅为0.720%。因此必须通过铀同位素的分离来提高铀同位素混合物中铀235的含量。,实现U-235裂变的方法,1.浓缩U-235气相扩散发UF6气体离心法（伊朗用）通过每秒达2万转以上的超高速离心机2.不让U-238吸收中子降低中子的能量2个问题3个方法,U235比较容易发生裂变，可用它做核燃料，但是它在自然界中占的比例很低，在现在，每100000个铀原子中，只有720个是U235，即比例为0.72。在用铀做核燃料时，需要提炼、“富集”U235，使其比例增加到大约3%。,用轻水作为慢化剂和冷却剂的核反应堆，被称为轻水反应堆。轻水也就是一般的水。与重水相比，轻水有廉价的长处，此外其减速效率也很高。轻水反应堆只能使用浓缩铀，所采用的技术相对不容易构成核扩散威胁。重水反应堆是用重水即氧化氘作为慢化剂的核反应堆。重水是非常优异的慢化剂，它与石墨并列为最常用的慢化剂。重水反应堆可以直接使用未经浓缩的铀，用过的燃料可获取制造核武器的核材料金属钚。,原料中占绝大多数的铀238虽不可以直接用来进行核裂变，但可以转变成钚239，这是可以用来制造原子弹的材料。钚和浓缩铀都可用于生产核武器，而钚比铀更易于产生裂变。为了防止核子武器扩散，许多国家都限制或禁止重水的生产和出售。,曼哈顿工程,1938年，哈恩成功地实现了铀原子的核分裂，震动了全球科学界。,匈牙利血统的美国物理学家西拉德（Szilard，18981964）1939年7月邀请了另外两名匈牙利血统的物理学家威格纳（E.P.Wigner，19021995）和特勒，一起拜访了物理学家爱因斯坦和罗斯福总统的私人顾问萨克斯，陈述了研制核武器对于战争进程可能带来的巨大影响作用。,8月，爱因斯坦即写信给美国总统罗斯福，详细阐述了研制原子弹的重要性。萨克斯在白宫和罗斯福共进早餐的时候，还讲了一个历史故事，大意是拿破仑由于没有支持发明汽船的富尔顿，因此错过了用汽船装备法国海军打败美国的机会。罗斯福被萨克斯的论证所打动，决定支持研制原子弹的工作。,美国陆军部于1942年6月开始实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划。为了先于纳粹德国制造出原子弹，该工程集中了当时西方国家(除纳粹德国外)最优秀的核科学家，动员了10万多人参加这一工程，历时3年，耗资20亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两颗实用的原子弹。整个工程取得圆满成功。在工程执行过程中，负责人L.R.格罗夫斯和R.奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。,theTrinitygadget、小玩意Littleboy、小男孩Fatman胖子,广岛蘑菇云,长崎蘑菇云,各国拥有核武器的顺序,美国：1945年7月16日，在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中进行了世界上第一颗原子弹的爆炸试验。1952年11月1日美国第一颗氢弹爆炸成功苏联：1949年8月29日,苏联第一颗原子弹爆炸成功,1953年8月21日爆炸了第一颗干式氢弹装置,英国：1952年10月3日,第一颗原子弹在澳大利亚蒙特贝洛沿海的船上试爆成功,成为世界上第三个拥有核武器的国家1957年5月15日爆炸了第一颗实验氢弹原型。法国：1962年在法属波利尼西亚的塔西提岛爆炸了第一颗原子弹法国（1968年8月）也拥有了氢弹。中国；1964年10月16日，首次原子弹试验成功。经过两年多，1966年12月28日，小当量的氢弹原理试验成功；,印度，1998年进行了数次地下核试验,之后宣称拥有核武，30到100枚核武器；巴基斯坦紧接印度后进行了核试验,也宣称拥有核武，15到50枚核武器。朝鲜2009年5月25日，朝鲜原子弹成功,世界各国有多少核武器,分别有多少?,美国，约6000枚战略核武器及1670至3300枚战术核武器；俄罗斯，约5500战略核武器及3000到4000枚战术核武器；法国，385枚战略核武器及60到80枚战术核武器；英国，185枚战略核武器；中国，130件核弹(含战略弹头)，80件预备核弹印度，30到100枚核武器；巴基斯坦，15到50枚核武器。（核弹数量仅供参考，核弹数量都是十分机密的，数据只是大约推测）,第四代核武器核定向能武器正在研制中，因为这些核弹不产生剩余核辐射，因此可作为“常规武器”使用，主要种类有：反物质弹、粒子束武器、激光引爆核炸弹、干净的聚变弹、同质异能素武器等。,2.1.4核技术应用,核动力同位素医学消毒射线检查癌症钚239心脏起搏器长期使用核技术了解血流伽马刀,1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量,一、核电,核电站原理图,核电站内部结构,核能电厂重要组件,燃料丸,燃料棒,燃料組件,压力槽,核能电厂与火力电厂的异同,锅炉,核反应器,核反应器,核能发电与火力发电,压水式核能电厂,屏蔽系统（安全壳）,水蒸汽出,冷水进,压力槽,调压槽,汽机,发电机,冷凝器,海水冷却,蒸汽产生器,核电站与环境,核电厂在环境上优于火电厂，不会放出二氧化碳、二氧化硫等，不会造成温室效应和酸雨，从而保护了环境。,核电是清洁的能源,法国1980年到1986年间核电占总发电量的比例由24提高到70，在此期间法国总发电量增加40，而排放的硫氧化物却减少了9，尘埃减少了36，大气质量有明显改善。,核能-能源中的后起之秀,秦山核电站,大亚湾核电站,布比利斯核电站,核电站与环境,核电是安全的能源,核电站实施纵深防御、多重保护、多样性的设计原则，确保核安全；核电站运行期间不受发电量、经济效益和其他因素的约束。以秦山核电站为例，它有三道屏障，用于防止放射性物质的外泻。第一道屏障是锆-4合金的燃料包壳，它把核燃料及其裂变产物封闭起来。第二道屏障是壁后为175毫米钢板制成的反应堆压力容器以及相应的管道设施，它把反应堆冷却剂包容在里面，防止有放射性的反应堆冷却剂外泄。第三道屏障是反应堆安全壳，它是高72.5米、外径38米、厚1米的钢筋混凝土制成的圆柱形建筑，内衬6毫米的钢板。安全壳既能抵御外部破坏，例如龙卷风、地震、喷气式飞机的撞击，还能抵御最严重事故情况下内部的高温和高压，防止放射性物质的外泄。,核电站不会像原子弹那样发生爆炸,“啤酒烧不着”,核燃料中铀235的含量约为3，而核炸药中的铀235含量高达90以上,压水型反应堆具有设计所赋予的内在安全的特性。更何况核反应堆还有多重的安全保护系统，确保反应堆不会失控,核电是经济的能源,世界核电现状一览表（截止到1995年12月31日止）,世界核电现状一览表（截止到1995年12月31日止）（部分国家）,链式反应的应用核电站慢中子反应堆,水泥防护层,控制棒镉棒,燃料棒铀棒,减速剂,控制棒,解决能源危机根本途径核能可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。核聚变资源可使用几亿年。,核能-解决能源危机的根本途径核发电量占总发电比例最多的10个国家是：法国75%立陶宛73.1%比利时57.7%保加利亚47.1%斯洛伐克47%瑞典46.8%乌克兰43.8%韩国42.8%匈牙利38.3%亚美尼亚36.4%,世界核能发电占全部电量1/4,这是一座位于法国的核能发电厂。水蒸气正在从双曲面形状的冷却塔排出。核反应堆位于圆桶状的安全壳建筑物内.,1979年3月28日：美国美国三里岛核反应堆因为机械故障和人为的失误而使冷却水和放射性颗粒外逸，但没有人员伤亡报告。,核电站事故,1986年4月26日：前苏联,前苏联切尔诺贝利核电站发生大爆炸，其放射性云团直抵西欧，造成约八千人死于辐射导致的各种疾病。爆炸最终导致20多万平方公里的土地受到污染，今天的乌克兰、俄罗斯和白俄罗斯受到的核污染最严重。,切尔诺贝利事故造就的死城,在切尔诺贝利附近被遗弃村庄普里皮亚特,发生爆炸的四号反应堆及覆盖在上面的石棺,在日后长达半个世纪的时间里，10公里范围以内将不能耕作、放牧;10年内100公里范围内被禁止生产牛奶。切尔诺贝利核事故所泄漏的放射性粉尘有70%飘落在白俄罗斯境内。事故发生初期，白俄罗斯大部分公民都受到不同程度的核辐射，6000