Chapter-1工程化学-概论

工程化学,主讲教师：刘欣Tel.:87524990E-MAIL:1820432672,本课程考试方式,1）课程结束安排闭卷考试。2）最后成绩由4部分组成，考试成绩70，课堂到课率及随堂测试10，作业20。,教材及参考书,教材：唐和清,工科基础化学.北京:化学工业出版社,2005,9参考书：浙江大学,普通化学.北京:高等教育出版社,2003,6江棂,工科化学.北京:化学工业出版社,2003,8曲保中,新大学化学.北京:科学出版社,2002,12武汉大学,无机化学.武汉:武汉大学出版社,1997,1,第一章概论,1.1化学与化学工业,研究物质的组成、结构、性质及化学变化的规律的科学，是研究分子层次范围内的物质的结构和能量变化的科学；化学是分子科学，是物质科学的基础学科之一，化学是一门中心的、实用的、创造性的科学。,1.化学,现代化学：研究泛分子的科学-研究原子层次、分子层次、超分子层次、高分子层次、生物分子、纳米分子与聚集体、复杂分子层次的科学。由于传统化学会造成环境环境污染，化学又开始了保护世界，推动了传统化学向绿色化学转变。,2.化学工业,以化学过程为核心内容和关键步骤的工业，通过化学过程实现全部或部分生产目的的工业。现代化学已经不是单一学科，化学与生命科学、材料科学、能源科学、生态环境学、信息学、纳米技术、系统学等学科的交叉融合。作为工科大学生必须将强基础化学知识的学习。,1.2化学工业的地位及影响,化学与生活：衣-服装；食-农业、食品；住-建筑材料、装饰、家庭陈设品；行：交通工具、燃料；日用品。化学与国防：武器、动力。化学对健康和生命的贡献：药物化学。化学与当今世界四大热点问题：环境保护；能源的开发和利用；新材料研制；生命科学。,1.化学与生活,1)衣,人造纤维：粘胶纤维、醋酸纤维和铜氨纤维。(人造棉、人造丝、人造毛和富强纤维等)都属于人造纤维。合成纤维：以有机化合物为原料，利用化学合成的方法，经过聚合反应合成的高分子聚合物。锦纶(尼龙)-聚酰胺纤维，涤纶(的确良)-聚酯纤维，腈纶-聚丙烯脂纤维；维纶(维尼纶)-聚乙烯醇纤维；丙纶-聚丙烯纤维；氯纶-聚氯乙烯纤维。合成纤维具有强度高，耐磨，弹性好，保暖，不发霉，但也存在致命的缺点，吸湿性差，不透气等。Polartec的例子,3)日用化学品,食物的本质是化学物质，主要营养物质包括：蛋白质、脂肪、碳水化食物(糖)、维生素、无机盐(矿物质)、纤维素等。,2)食,合成洗涤剂、肥皂、香精、香料、化妆品、牙膏、油墨、火柴、干电池、烷基苯、五钠（三聚磷酸钠）、骨胶、明胶、皮胶、甘油、硬脂酸、感光胶片、感光纸等。,肥皂：含有822个碳原子的脂肪酸或混合脂肪酸的碱性盐类(无机的或有机的)的总称，是脂肪酸盐：RCOOM。,2.化学与能源,C、H、O、N、S、P(C135H96O9NS),煤的化学组成虽然各有差别，公认平均组成(C135H96O9NS)。煤的热值(发热量，标准煤29.3MJkg-1，高质煤30MJkg-1)。,1)煤,煤的成分,a.水煤气：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g),c.煤的液化燃料：以合成气为原料，生产液体燃料。,b.合成气：煤=H2(40%)+CO(15%)+CH4(15%)+CO2(30%),水蒸气,O2,将H2和CO进行甲烷化反应，制取合成天然气。CO(g)+3H2(g)=CH4+H2O(l)(合成天然气),d.水煤浆燃料：70%煤粉+30%水+少量添加剂，可代替油使用。,(合成气),国外洁净煤技术,国外洁净煤技术也发展较快，1986年3月美国率先推出“洁净煤技术示范计划（CCTP）”，主要包含四个方面：(1)先进的燃煤发电技术（整体煤气化联合循环发电IGCC，流化床燃烧CFBC，改进燃烧和直接燃煤热机）；(2)环境保护设备（NOX与SOx控制）；(3)煤炭加工成洁净能源技术（洗选、温和气化、液化）；(4)工业应用（炼铁、水泥及其他行业控制硫、氮、灰尘排放和烟气回收洗涤等）。已有13项取得初步商业化成果。欧共体国家正在研究开发的项目有煤气化联合循环发电（IGCC），煤和生物质及废弃物联合气化（或燃烧），循环流化床燃烧，固体燃料气化与燃料电池联合循环技术等。日本近年来开始较大幅度的增加煤炭的消费量，发展洁净煤技术成为热点。,正在开发的项目包括(1)提高煤炭利用效率的技术，如IGCC、CFBC和PFBC；(2)脱硫、脱氮技术，如先进的煤炭洗选技术，氧燃烧技术，先进的废烟处理技术，先进的焦炭生产技术等；(3)煤炭转化技术，如煤炭直接液化，加氢气化，煤气化联合燃料电池和煤的热解等；(4)粉煤灰的有效利用技术。,2)石油和天然气,4)干净、无毒、无污染的二次能源-氢,石油以汽油(辛烷)为代表：C8H18(l)+25/2O2=8CO2(g)+H2O(l),天然气以甲烷为代表：CH4(g)+2O2=CO2(g)+2H2O(l),3)城市煤气和液化气,城市煤气：煤的合成气和炼焦气，主要成分为H2(50%)+CO(15%)+CH4(15%)。,液化气：来自油田气或炼厂气，主要成分为高压液化后的C3H8+C4H10。,需解决的三个问题：氢的制取、储存、利用。,氢能源,氢能作为一种无污染的二次能源，由于具有资源丰富，氢燃烧热值大且燃烧产物是水，不会产生大量的烃、CO、CO2、SO2和有机酸，造成环境污染等种种突出的优势，因此科学家们预测氢能将在未来的能源体系中占有一席之地，它与电力将成为21世纪能源体系的两大支柱。但是，氢能要成为新能源结构的支柱，还需要在氢气的制取、氢气的储存与运输以及氢能的利用方面继续开展研究。开发制氢新技术，将主要考虑以水为原料，达到水分解制氢，氢燃烧生成水的循环过程。由于氢大量存在于水中，因此利用水制氢一旦技术成熟，达到实用化后，以氢为能源结构主要支柱便成为可能。,制氢新技术的研发,目前世界上氢气大部分以石油、天然气和煤为原料制取，小部分来自电解水等。开发制氢新技术，将主要考虑以水为原料，原则上要求制氢技术满足大型化、高效率、低成本，使氢气得到应用。,电解水制氢,电解水制氢，关键是耗能问题。以电能换氢能，成本很高。但是，通过太阳光发电或热发电以及海洋能、生物质能、地热能、非尖峰负荷的原子能电站产生的电能来制氢，可以降低氢的成本。同时，也需要开发低电耗、高效率的电解水制氢新技术。日本开发了高温加压法，将电解水的效率提高到75%；美国建成一种SPE工业装置，能量效率达90%；我国研制了双反应器制氢工艺。先进的PEM电解工艺，是一种可逆的电氢转换装置，是燃料电池和产氢的电解槽的统一，总转换效率可达95%。,高温水热裂法制氢,将水蒸汽加热300K以上，使水分子热裂，直接分解成氢气和氧气。,热化学循环制氢,目前已研究出100多种分步热化学循环流程制氢工艺。利用太阳能或高温气冷堆原子能电站的热能，使反应不断循环进行，达到连续制氢的目的。,太阳能光解水制氢,利用半导体电极的光电化学效应制成太阳能光电化学电池，以水为原料，在太阳光照射下制取氢。虽然太阳能光解水制氢在实验室己取得突破性进展，但仍有电极材料、电池结构、电催化、光化学反应及光腐蚀稳定性等一系列技术和理论上的难题需要解决，才能达到实用化。,生物质能制氢,利用植物的光合作用分解水制氢或产氢细菌在太阳光照射下制氢。这些方法仍属实验室探索阶段。,氢的储存和运输,氢的储存和运输是氢能开发利用中极为重要的技术，因此氢气的储存和输送技术的研究十分重要。氢气常用高压气体储存、低温液氢储存及现在正在开发的金属储氢材料的固体储存。输送方式除一般的交通工具以外，还有管道运输方式。,高压气体储存和运输,大量用作化工原料的氢气是将氢气压缩到15-20MPa，用高压容器储存。氢气大量长期储存还可以利用山洞、废矿洞、岩洞、地下洞做储氢库。用车、船运输。然而，氢气的重量只占容器重量的1%-2%，且处于高压下，因此在经济上和安全上都不可取。欧美采用管道远距离输送氢气。美国休斯敦的空分公司通过100-300mm管道，把纯度99.5%H2，输送近100km，以0.4-5.6MPa的压力供工厂使用。用管道运输的优越性在于：可以把现有的天然气和城市煤气管道输送系统改造为氢气输送系统。,低温液体储存和运输,在-252.8的深冷状态下将氢气液化，氢体积大大缩小，用杜瓦瓶或真空绝热容器储存，用液氢罐车或槽车运送。液氢储罐或储槽的重量约为高压钢瓶重量的1/6-1/10，相对来说容器重量减轻。液氢同样可以用真空绝热管道输送。但液化氢气的能耗较大，对真空绝热的要求比较高，存在氢气蒸发损耗。,金属储氢材料储存和运输,由于高压气储运及液态氢储运方式存在着不安全、能耗高、储量小、经济性差等重大缺陷，最有前景、安全经济的氢气储运方式是用金属氢化物储氢材料。储氢合金主要有三大系列：以LaNi5为代表的稀土系储氢合金系列；以TiFe为代表的钛系储氢合金；以Mg2Ni为代表的镁系储氢材料。,生命科学：1953年英国自然杂志发表了英国克里克和美国沃特森的DNA双螺旋结构的分子模型，通过X-射线结构分析确定了生命物质-核酸的空间结构。DNA双螺旋结构的解析奠定了当今分子生物学的基础。二人因此获得1962年诺贝尔生理和医学奖。,4.化学与环境保护,大气污染：气候变暖、烟雾污染、酸雨、臭氧层损耗,水体污染与防治：,3.化学对健康和生命的贡献(药物化学),固体废弃物污染与防治：,由于各学科之间的相互渗透日益增强，化学已经渗透到每个工程技术领域。可以肯定，现代工程技术上所面临的课题需要的化学知识会越来越多。,1.3学习化学的重要意义,1.4化学物质的分类与命名,1.分类,2.命名：,简单化合物的命名配位化合物的命名配位化合物命名方法命名配离子时，配位体的名称放在前，中心原子名称放在后。配位体和中心原子的名称之间用“合”字相连。中心原子为离子者，在金属离子的名称之后附加带圆括号的罗马数字，以表示离子的价态配位数用中文数字在配位体名称之前。如果配合物中有多种配位体，则它们的排列次序为：阴离子配位体在前，中性分子配位体在后；无机配位体在前，有机配位体在后。不同配位体的名称之间还要用中圆点分开。根据以上规则，Cu（NH3）4SO4称硫酸四氨合铜（），Pt（NH3）2Cl2称二氯二氨合铂（），KPtCl3（C2H4）称三氯（乙烯）合铂（）酸钾。实际上，配合物还常用俗名，如K4Fe（CN）6称黄血盐，K3Fe（CN）6称赤血盐，Fe4Fe（CN）63称普鲁士蓝。,按配位体分类，可有：水合配合物。为金属离子与水分子形成的配合物，几乎所有金属离子在水溶液中都可形成水合配合物，如Cu（H2O）42+、Cr（H2O）63+。卤合配合物。金属离子与卤素（氟、氯、溴、碘）离子形成的配合物，绝大多数金属都可生成卤合配合物，如K2PtCl4、Na3AlF6。氨合配合物。金属离子与氨分子形成的配合物，如Cu（NH3）4SO4。氰合配合物。金属离子与氰离子形成的配合物，如K4Fe（CN）6。金属羰基合物。金属与羰基（CO）形成的配合物。如Ni（CO）4。,有机化合物的命名直链饱和烃醛类化合物直链饱和烃酮类化合物芳香烃醚类化合物不饱和烃含羧基化合物含卤素化合物酯类化合物含烃基化合物胺类化合物,1.5化学发展简史,1.古代化学(15世纪以前),1)实用和自然哲学时期(公元前后),a.100万年前，原始社会，火的利用；b.公元前3000年左右，奴隶社会，以实用化学工艺为特征。埃及：炼铁、鞣制皮革、提取药物香料、制造陶器；c.公元前2500-2000年，中国铜的冶炼技术，殷代青铜；d.公元前一世纪，中国发明了造纸术。e.关于宇宙结构问题，最早见解是我国商末(约公元前1140年)出现在“易经”中的“八卦”和“五行”学说。,商代青铜器(铜锡合金),f.公元前五世纪，Empedocles(安培多克尔)提出宇宙是由水、火、气、土“四原质”构成的。g.公元前400年德谟克利特：朴素原子论。,封建社会，中国道家化学炼丹(Pb3O4、HgS)。公元二世纪，东汉魏伯阳著有世界最早炼丹术文献；公元四世纪，东晋葛洪著有炼丹术巨著，发现了反应的可逆性(HgSHg；Pb3O4Pb)及金属的取代(Fe和Cu盐)。这段时期，化学走入了歧途，但积累了更多的化学知识，提高了实验技术，制作了操作器皿。,2)炼金术、炼丹术时期(公元前后公元1500年),h.公元前四世纪，亚里斯多德(Aristotle)提出冷、热、干、湿的“四原性”学说。,16世纪初，欧洲资本主义的发展使化学走上正路：炼金术改革，化学方法制成药剂(无机物)；明代李时珍本草纲目，列有中药材、矿物1000多种并附有制备方法、性质介绍；明代宋应星著有天工开物(1639年)，总结了我国的工业技术。,2.医化学时期(公元15001700年),英国的波义尔(Boyle)提出各种物质的微粒都是由基本粒子的不同聚集体构成的。对燃烧现象认为火是由一种实在的、具有重量的火微粒构成的。1700年，德国的施塔尔(Stahl)提出“燃素说”，清除了“四原性”学说。法国拉瓦锡(Lavoisier)燃烧的氧学说，近代化学由此萌芽。,3.燃素说时期(公元17001774年),4.近代、现代化学(1774年后),传统的化学学科领域包括：无机化学、有机化学、物理化学、分析化学。新测试手段和新的数据处理方法不断涌现促进了传统学科的不断完善。,1.6化学学科的分支及其形成,无机化学：除去碳氢化合物和其大多数衍生物外，无机化学是对所有元素和它们的化合物及反应进行实验研究和理论解释的科学。最初的化学是无机化学。如：青铜、陶瓷、彩陶、点金术、炼丹术、黑火药等；以门捷列夫、Meyer的元素周期律为标志，标志现代无机化学形成。,贝采里乌斯(分析化学之父)分析天平的使用和定量分析的建立是分析化学形成的标志。JnsJakobBerzelius：原子量的测定；电荷的概念(二元论)；化学符号和化学方程式的创始人。,分析化学：含量的测定、成分的分析、结构的表征，是分析化学的三大领域。分析天平的使用-定量概念的建立-高新仪器的发明和使用为分析化学的发展起到了重要的作用。,十九世纪初，李比希(Liebig)分析了大量的有机化合物；1824年，德国化学家维勒(Whler)成功合成了尿素；1834年，法国杜马Dumas，系统定量地研究了卤化反应，提出了“取代学说”；1842年，日拉尔提出了有机化合物同系列的概念；弗兰克的原子价学说；凯库勒的原子链学说，1865年，提出苯的环状结构学说。有机立体化学的