工程化学第五章

1、第六章第六章 能源工程中的化学能源工程中的化学（2学时）学时）v了解能源利用和发展的形势；了解能源利用和发展的形势；v了解清洁能源和可再生能源的发展动态；了解清洁能源和可再生能源的发展动态；v理解蓄电池的构成及其电化学原理；理解蓄电池的构成及其电化学原理；v熟悉化学在解决能源危机中的作用。熟悉化学在解决能源危机中的作用。v6.1 6.1 能源概论能源概论v6.2 6.2 化石能源的有效利用和清洁生产化石能源的有效利用和清洁生产v6.3 6.3 蓄电池蓄电池v6.4 6.4 可再生能源可再生能源6.1 6.1 能源概论能源概论v 能源的定义: 能源是指可以从其中获得能量的资源。v能源的分类: （

2、一）地球外的太阳能、地球自身蕴藏的能量、地球和其他天体引力相互作用形成的能量（如潮汐能） （二）一次能源与二次能源、可再生能源与非再生能源、常规能源与新能源 （三）燃料能源与非燃料能源 （四）清洁能源与非清洁能源能源的分类 类 别常规能源新能源一次能源可再生能源水能、生物质能、原子能、风能、海洋温差能、海流能、潮汐能、地热能，直接的太阳辐射非再生能源化石能源（煤炭、石油、天然气、油页岩）核燃料（铀、钍、钚、氘等）二次能源电力、汽油、柴油、重油、焦炭、煤气、水蒸气、氢能、醇类燃料、沼气类 别可再生能源不可再生能源一次能源常规能源商品能源传统能源（非商品能源）水力（大型）核能（增殖堆）地热生物质能

3、（薪材秸秆、粪便等）太阳能（自然干燥等）水力（水车等）风力（风车、风帆等）畜力化石燃料（煤、油、天然气等）核能非常规能源新能源生物质能（燃料作物制沼气、酒精等）太阳能（收集器、光电池等）水力（小水电）风力（风力机等）海洋能地热二次能源电力、汽油、柴油、重油、焦炭、煤气、水蒸气、氢能、醇类燃料、沼气6.2 6.2 化石能源的有效利用和清洁生产化石能源的有效利用和清洁生产v化石燃料的定义、分类和组成 煤、石油、天然气构成了化石燃料。 石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中75以上是各种各样的烃类，其他组分是含氧、氮、硫及含金属的化合物。石油中烃类的主要组分是烷烃（包括直链和带支链的）、环烷烃和芳

4、烃。烯烃的含量很少。天然气的主要成分是甲烷。当甲烷的体积分数高于0.5，称为干天然气；降至0.5则称为湿天然气，“湿”表示这种天然气中含有较多高沸点的容易液化的烃类。v煤是由有机物、无机物组成的一种混合物，主要成分为碳和氢，也含有少量硫、氧、氮、灰分等。 由植物残骸转化的煤炭包括泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤等主要类型，随着煤转化程度的提高，其碳氢比依次增高，含氧量逐渐减少，热值依次递增。 煤的主要形成过程可由下式表示：22242232217241016185161431514134H OH OCOCHCOH OC H OC H OC H OC H OC H 无烟煤烟煤褐煤泥炭植物煤的结构复杂，杂质

5、多，直接燃烧时不完全，热效率低，而且煤的燃烧会产生硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和烟尘等气体严重污染了人类生存的环境。 6.3 6.3 蓄电池（二次电池）蓄电池（二次电池）v一次电池与二次电池一次电池与二次电池原电池的电极活性物质在氧化还原反应中不断消耗，使化学能直接转换成电能，放电后不能使电极活性物质复原，即它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能，故又称为一次电池或干电池,市售碱性电池、锰干电池等都是一次性电池。蓄电池的电极活性物质经反应输出电能后，可用充电的方法使活性物质复原而继续使用，故又称二次电池或可充电电池。所有蓄电池的电池反应均可逆。充电电池的充放电循环可

6、达数千次到上万次。 1、镉镍蓄电池的工作原理 镉镍电池是一种常见的二次碱性电池。电池符号电池符号：() Cd | KOH(1. 19 1. 21 gcm3) | NiO(OH) | C(+)电极反应电极反应:负极：Cd(s) + 2 OH (aq) = Cd(OH)2(s) + 2 e正极：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = Ni(OH)2(s) + 2 OH电池特点电池特点：镉镍电池的内部电阻小，电压平稳，反复充放电次数多，使用寿命长，且能够在低温环境下工作，常用于航天部门、电子计算器及便携式家用电器的电源。镉镍可充电电池2、氢镍蓄电池 氢镍电池是进几年开发出来的一种新

7、电池，主要针对镉镍电氢镍电池是进几年开发出来的一种新电池，主要针对镉镍电池的镉污染问题。池的镉污染问题。电池符号电池符号：() Ti-Ni | H2(p) | KOH( c ) | NiO(OH) | C(+)电极反应电极反应:负极：H2(p) = H+(c) + 2e正极：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = Ni(OH)2(s) + 2 OH电池特点电池特点：氢镍电池由于材料无毒，无污染而被称为绿色环保电池，电池电动势约为1. 2V，循环寿命可以很长。镍氢电池构造MH+NiOOHM+Ni(OH)2放电充电3、银锌蓄电池 锌银电池内阻小、放电功率大、电压平稳、电性能稳定、

8、使用安全可靠、比能量高(是铅酸蓄电池的5倍，镉镍蓄电他的3倍)，因此多用于通信、激光武器、水中兵器、航空、航天、战略核武器等军事装备，军体器材遥控航模，新闻摄影和特殊电子仪器设备作配套电源。目前国内外已有多种不同结构特性的电池组正在各种军事武器装备上服役。 其工作原理为： Zn + 2 OH-ZnO + H2O + 2 e-充电放电Zn + 4 OH-Zn(OH)42- + 2 e-充电放电负极正极 AgO + H2O + 2 e-Ag + 2 OH-放电充电电池反应：Zn + AgOAg + ZnO放电充电4、锂电池 锂电池是一类以金属锂或含锂物质为负极的化学电源的总称。迄今，正在研究或生产

9、中的锂电池约有20多种，现在常用的是锂蓄电池，电池可以反复充放电，降低了使用成本和减少了处理一次电池的困难。 当锂电极用碳电极代替时，便成了最新式的锂离子蓄电池，电池中锂离子源由氧化钴锂 (LiCoO2) 材料提供，而碳电极可以吸藏锂离子生成锂碳化合物(LiCx)850锂电池及其保护电路负极Lix C6x Li+ + 6 C + n e-放电充电正极x Li+ + Li1-x CoO2 + n e- LiCoO2充电放电电池反应：Lix C6 + Li1-x CoO26 C + LiCoO2放电充电 锂离子电池的特点是：体积小，比能量高，单电池的输出电压高达 4. 2V。 锂离子电池主要用于便

10、携式摄像机、液晶电视机、移动电话机和笔记本计算机等。 锂离子电池以及银锌电池等与铅电池相比，具有重量轻、体积小、储存能量大以及无污染等优点，被称为新一代无污染的绿色电池。 (5)、燃料电池 电池符号： （-）C H2 KOH(30%) O2 C（+）电极反应： （-） H2 + 2 OH- - 2 e- 2 H2O（+） O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH2 H2 + O2 2 H2O 每个电池可产生 1. 23V 的电压。优点：生成物不污染环境，且热能转化率高（达 80% 左右） 电池反应：电动汽车燃料电池6.46.4重要的新能源（可再生能源）重要的新能源（可再生能源）v太阳能、风

11、能、地热、潮汐、核能太阳能、风能、地热、潮汐、核能图4- 治理前的热电厂 我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。 最有希望的清洁能源是氢能和太阳能氢能的优点 热值高，其数值为 142. 9 MJkg1。 燃烧反应速率快，功率高 原料是水，取之不尽 产物是水，对环境无任何影响思考思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？1. 氢能太阳能光解电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。思考思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？从经济上考虑是不可行的。从经济上考虑是不可行的。利用太阳光的能量电解水得到氢气，正在研究中。(1) 氢气的制取(经济问题)电解2 NaCl + 2 H2O Cl2 + H2 + 2 NaOH(2) 氢气的贮存和运输(安全高效)LaNi5 + 3H2LaNi5H6(200300) kPa微热2. 光转变为电能风力发电地热2mcE核裂变反应核裂变反应在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原子核的反应称为核裂变反应。n3Kr BanU109136142561023592该反应损失质量m = 0. 2118 gmol，能量变化为：11021812molkJ 10904 . 1 )sm 103()molg 2118 . 0(mcE此能量相当于 634. 5吨标准煤完全