大学化学教程9化学与能源

1、第五章 化学与能源前言n能源危机n新能源的开发能源的定义与分类n定义：可为人类利用的各种能量形式的自然资源n分类第一节 化石燃料n煤n石油n天然气可开采时间（年）中国 世界102 26223 4961 57 合理利用1.煤n现代的成煤理论认为煤化过程是：植物泥炭（腐蚀泥）褐煤烟煤无烟煤 无烟煤烟煤褐煤泥煤含碳量/%85957085507050煤n成分 有机成分 无机成分：硫酸盐（如Ca、Mg、Fe等）、硅酸盐（K、Na、Ca、Mg、Al等）、硫化物、氧化亚铁等元素CHONS含量/%855.07.60.71.7煤煤的现代结构模型煤的现代结构模型 煤的综合利用n原因： 燃烧反应速度慢，利用率低 污

2、染环境 产生固体垃圾n措施 ：（1）煤的清洁化 （2）煤的提纯分离具体方法：煤的焦化、气化、液化煤的焦化焦炭：炼铁，少量用作化工原料制造电石、电极等。煤焦油是黑色粘稠性的油状液体，是医药、农药、炸药、染料等行业的原料焦炉气：可燃气体之外，还有乙烯等化工原料 煤的气化n煤在氧气不足的情况下部分氧化，使煤中的有机物转化为可燃气体。 煤的液化n煤和石油都含由C，H，O等组成的有机物n煤的平均表现分子量大约是石油的10倍煤加热裂解，然后在催化剂的作用下加氢，得到多种燃料油。实际工艺相当复杂，涉及裂解、缩合、加氢、脱氧、脱氮、脱硫、异构化等多种化学反应。 2. 石油n成因:由远古海洋或湖泊中的动植物遗体

3、在地下经过漫长的复杂变化而形成棕黑色粘稠液态混合物 石油的组成元素燃料CHONS发热量/kJ.g1石油中含量/%83-8710-140.05-2.00.02-0.200.05-8.048煤炭中含量/%80-903-65-80.5-1.01-230烃类的复杂混合物石油的加工n石油中所含化合物种类繁多。必须经过多步炼制，才能使用。n主要过程：分馏、裂化、重整、精制等。分馏n 烃（碳氢化合物）的沸点随碳原子数增加而升高 ，经加热气化、冷凝把石油中沸点不同的化合物分离 温度范围/C分馏产品名称烃分子中所含碳原子数主要用途气体石油气C1C4化工原料，气体燃料轻油30180溶剂油汽油C5C6C6C10溶剂

4、汽车，飞机用液体燃料180280煤油C10C16液体燃料，溶剂280350柴油C17C20重型卡车，拖拉机，轮船用燃料，各种柴油机用燃料重油350500润滑油凡士林C18C30蜡烛，肥皂沥青C30C40建筑业，铺路500渣油C40做电极，金属铸造燃料裂化n原因：分馏得到的轻油占1/31/4，质量不好。n方法：热烈化低分子烯烃 催化裂化高质量汽油n实质是烃分子C-C链断裂，裂解产物是小分子的烃类和烯烃 催化重整n在一定的温度压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的“重新调整”，转化为带支链的烷烃异构体，这就能有效地提高汽油的辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃 。加氢精制n汽油、煤油、柴油中都

5、混有少量含N或含S的杂环有机物 。n方法：在一定温度和压力下使H2和这些杂环有机物起反应生成NH3或H2S而分离 。3. 天然气n天然气的主要成分是甲烷（CH4），也有少量乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8），n和石油伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000 m3的天然气n天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物CO2和H2O，并且热值也很高（56 kJg1），管道输送也很方便 第二节 核能n原子核的变化 n分为：核裂变原子弹、核动力 核聚变氢弹核裂变n由中子 轰击较重原子核使之分裂成较轻原子核的反应n若人工控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生的能量加热水蒸气，推动发电机核电

6、站的基本原理；n若让裂变释放的能量不断积聚，最后则可以在瞬间酿成巨大的爆炸原子弹的原理。 原子弹构造核电站工作原理核电的安全运行核废料的处理核聚变n由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核，同时释放巨大能量。n优势： 聚变时所释放的能量为核裂变的几倍 产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料 聚变原料氘的资源比较丰富n不足：聚变反应需要非常高的温度，以克服两个带正电的氘核之间的巨大排斥力 +国际热核聚变实验反应堆计划n（ITER，称“人造太阳”计划），上个世纪80年代提出，是目前世界上仅次于国际空间站的大型国际科学工程计划，中国是签署这一合作计划的7个国家之一n目标就是要建造

7、一个可自持燃烧的核聚变实验堆，通过近亿度高温使氢的同位素氘、氚形成等离子体，发生核聚变反应，释放巨大能量，为人类寻找新能源提供了最为现实的途径n2006年9月28日, 中国最新一代可控核聚变实验装置在安徽合肥首次放电成功第三节 新能源n氢能n太阳能n生物质能氢能（二次能源）n优点：无污染、燃烧值大、用途广泛n问题：制取技术、贮存运输太阳能n利用方法：转化为热能、化学能、电能n太阳能热水器： 终端使用温度在100以下，可供生活热水、取暖等； 在100300之间，可供烹调、工业用热等； 300以上，可以供发电站使用 太阳能电池n利用方法：太阳能转化电能n具有安全可靠、无噪声、无污染、不需燃料、无需架设输电网、规模可大可小等优点， n光电池材料：多晶硅、单晶硅（掺入少量硼、砷）、碲化镉（CdTe）、硒化铜铟（CuInSe）等n卫星上的电源、