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当代大学化学

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第4章能源化学基础Chapter4Energy&Chemistry

8/18/202411/76本章概要4.1能源分类与能量转化 4.1.1能源定义与分类；4.1.2能量形态与转换；4.1.3我国能源情况与危机4.2化石燃料：煤碳、石油与天然气 4.2.1燃烧热定义与常见燃料热值；4.2.2煤炭；4.2.3石油与天然气4.3化学电源 4.3.1化学电源工作原理；4.3.2电池符号与电极上化学反应；4.3.3几个惯用原电池；4.3.4几个惯用可充电电池；4.3.5燃料电池8/18/202422/764.4核反应与核能源 4.4.1原子核组成；4.4.2核稳定性与衰变；4.4.3原子核结合能；4.4.4核裂变与聚变4.5可再生能源利用 4.5.1太阳能；4.5.2风能利用；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：10.2~10.58/18/202433/764.1能源分类与能量转化4.1.1能源定义与分类定义：

能源是指能够从中取得能量资源。分类：

可再生能源不随人类利用而显著降低能源非再生能源随人类利用而降低能源太阳能地热、火山风能、潮汐能一次能源存在于自然界中、可直接利用能源二次能源需依靠其它能源制取能源电能、氢能、汽、柴油酒精、火炸药化石燃料

(煤,石油,天然气)核燃料按能源生成方式按能源在当代社会中地位分：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)。8/18/202444/764.1.2能量形态与转换4.1.2.1能量形态有7种

①机械能；②热能；③化学能；④电能；⑤光能；⑥核能；和⑦生物能。4.1.2.2能量单位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J8/18/202455/764.1.2.3能量转换及其效率将一个能量转换为另一个形态能量称为能量转换。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：ΔU=Q+W能量转换效率：能量转换效率较低，通常在15%~55%之间。不一样形态能量之间转换效率见表4.1.8/18/202466/76表4.1不一样形态能量之间转换效率

所以，开发、研制高效率能量转换技术和设备也是十分有意义工作。类型转换过程效率(%)蒸汽机煤(油)燃烧蒸汽活塞运动机械能15~40热力发电煤(油)燃烧蒸汽汽轮机转动电能30~40汽(柴)油机燃油燃烧汽缸活塞运动机械能40~60化学电池化学物质化学反应电能70~85白炽灯电能光能10~20日光灯电能光能40~60发光二极管电能光能~90光伏电池光能电能14~268/18/202477/764.1.3我国能源情况与危机4.1.3.1我国当前非再生能源情况油田：玉门油田；大庆油田、辽河油田、中原油田；胜利油田、江苏油田等情况；当前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。8/18/202488/764.1.3.2我国可再生能源利用情况太阳能（发电，热水）：低，但正逐步提升！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、日本等国储能计划8/18/202499/76图5.2已探明世界石油储量与年产量之比R4.28/18/20241010/764.2化石燃料：煤碳、石油与天然气4.2.1燃烧热定义与常见燃料热值4.2.1.1燃烧热定义定义：标准状态下，单位质量燃料完全燃烧后所释放出来热量称为该物质热值或燃烧热。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）8/18/20241111/76单位质量(体积)：1g物质、1mol物质或1m3气态物质。完全燃烧：CCO2(g);SSO2(g)；NN2(g)；HH2O(l)；ClHCl(aq)已知反应2H2(g)+O2(g)2H2O(g)，H=-483.6kJ问H是H2(g)燃烧热cH吗？为何？8/18/20241212/76物质热值物质热值物质热值甲烷(g)-55.6氢气(g)-142.9木材-19.0乙炔(g)-50.0一氧化碳(g)-10.1烟煤-25~-30苯(l)-41.9正/异丁烷-49.6无烟煤-20~-25乙醇(l)-31.1汽油-43~-45标准煤-30萘(s)-40.3柴油~424.2.1.2常见燃料燃烧热

表4.2常见燃料热值（kJ/g）8/18/20241313/764.2.2煤炭4.2.2.1煤形成

煤是由古代植物经地壳变迁而积压地下，在高温高压条件下经长久转化得到。其过程为：

植物残骸腐殖质泥煤褐煤烟煤无烟煤4.2.2.2煤分类 煤可依据其在燃烧过程中发烟是否分为烟煤和无烟煤。8/18/20241414/764.2.2.3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，在一定条件下生产、加工而取得其它化工原料、产品工业称为煤化工。煤焦化隔绝空气时加热焦炉气（H2,CO,CO2,CH4,C2H4,NH3,苯,H2S等）煤焦油（单环芳烃、稠环芳烃、沥青，等）焦炭（用于冶金、电石，等）煤气化供氧不足时加热水煤气（用做燃料，用于化肥工业，纯碱工业）人造煤气（用做燃料）煤液化

人造石油，经过加热、裂解、催化加氢等步 骤，可得到各种烃类物质。8/18/20241515/764.2.3石油与天然气4.2.3.1石油与天然气形成

石油与天然气是古代海洋中生物因为地壳运动而沉积于地层中，在高温高压条件下经长久作用而生成产物。如图4.14.2.3.2石油与天然气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）8/18/20241616/76

天然气（naturalgas）主要是甲烷（CH4）和低沸点挥发性组分混合物。当其中甲烷体积分数大于50%时便称为“干天然气”，不然称为“湿天然气”。小知识:”可燃冰”现象在一定条件（如0℃

，26MPa）下，水分子彼此间经过氢键形成一个笼状结构，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CH4气体。8/18/20241717/764.2.3.3石油加工

石油是各种化学物质混合物。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差异将化合物进行分离方法称为蒸馏。所用设备称为蒸馏塔。8/18/20241818/76蒸馏塔示意图

8/18/20241919/76裂解：石油中轻油所占百分比大约只有1/4~1/3。为了得到更多用途更广轻油，可在热、催化剂等作用下将大分子重油裂解为小分子轻油或短链烃。精炼：蒸馏和裂解所得到轻油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不饱和烃类，影响油品性能。经过脱硫、加氢等过程可降低这些杂质含量。（炼油厂一角）8/18/20242020/76小知识:汽车燃油标号与辛烷值汽油在汽缸中正常燃烧时火焰传输速度为10-20m/s，在爆震燃烧时可达1500-m/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。

8/18/20242121/76不一样化学结构烃类，含有不一样抗爆震能力。异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）抗爆性能很好，辛烷值设定为100;正庚烷抗爆性差，辛烷值设定为0。如某一汽油在引擎中所产生之爆震，恰好与97%异辛烷及3%正庚烷之混合物爆震程度相同，即称此汽油之辛烷值为97。

品名正庚烷正辛烷正壬烷异辛烷甲苯乙苯苯辛烷值0-17-45100103.598.91158/18/20242222/764.3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相关现象科学—研究化学现象与电现象之间关系学科电化学过程借助一定装置（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8/18/20242323/76在原电池中发生自发反应，能够对外做电功，是化学能转变为电能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过程电能

化学能电解电池原电池（电池）：经过化学反应将化学能转变为电能装置，亦称为化学电源。8/18/20242424/764.3.1.1单液电池HCl(a)4.3.1常见电池类型8/18/20242525/764.3.1.2双液电池用素烧瓷分开8/18/20242626/76用盐桥分开：使得溶液中电荷到达平衡8/18/20242727/76化学反应转变成可产生电能电池条件：化学反应为氧化还原反应，或含氧化还原过程适当装置，使化学反应经过在电极上反应来完成两个电极，以及与电极建立电化学平衡对应电解质组成完整电路所需其它从属设备8/18/20242828/764.3.2电池符号与电极上化学反应对原电池（化学能转变为电能装置，Galvaniccell)，要求:写在左边发生氧化作用,氧化数升高,产生电子,为负极；写在右边发生还原作用,氧化数降低,消耗电子,为正极；不一样材料之间接触界面用“,”或“

”隔开;盐桥用“║”表示；离子要标明浓度，气体要标明压力，纯固体能够不加说明；电池反应是两电极反应之和。8/18/20242929/76如上述铜-锌电池可表为：ZnZn2+(c1)║Cu2+(c2)Cu电池反应方程为： 负极： ZnZn2+(c1)+2e

正极： Cu2+(c2)+2eCu 总反应方程为：Zn+Cu2+(c2)Zn2+(c1)+Cu8/18/20243030/764.3.3化学电源分类4.3.3.1一次电池

电池中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8/18/20243131/76A.传统锌-锰干电池电池符号：Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C负极反应:

ZnZn2+(aq)+2e;正极反应:2NH4++2e2NH3+H2(g)2MnO2+H2(g)2MnO(OH)总反应:Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH)+Zn(NH3)22+(aq)8/18/20243232/76B.碱性锌-锰干电池在传统锌-锰干电池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，导电性更加好；用锌粉代替锌板，接触面积更大，反应速度更加快更彻底。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)+2eMn(OH)2(s)+2OH-(aq)电池反应：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)ZnO(s)+Mn(OH)2(s)8/18/20243333/76C.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)+2eHg(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。8/18/20243434/76D.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)+2e2Ag(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。8/18/20243535/764.3.3.2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、屡次利用。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:

8/18/20243636/76B.镍-镉电池电池符号:Cd|KOH(1.19~1.21g/cm3)|NiO(OH),C电池反应:8/18/20243737/76C.锂离子电池（摇椅电池）充电时,(正)锂离子在外电场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),同时经过外回路放出多出电能。锂离子处于从正极→负极→正极运动状态。8/18/20243838/76Li离子电池优点：1.通讯，如手机Li离子电池用途：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8/18/20243939/764.3.3.3燃料电池（连续电池）

原电池和蓄电池将有限量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，故可随原料不停输入而连续发电。惯用燃料（还原剂）有：氢,甲醇,肼,天然气,等；惯用氧化剂有：O2，Cl2，Br2，等；

惯用介质有：酸溶液,碱溶液,盐溶液,等。8/18/20244040/76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：½O2+H2O+2e2OH-电池反应：H2+½O2H2O8/18/20244141/76燃料电池优点

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8/18/20244242/76氢氧燃料电池难点氢气储存液氢要求高压、低温，有危险性钢瓶储氢，可使用氢气只占钢瓶质量1%，也有危险性研制储氢金属和其它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）模拟图象8/18/20244343/764.4核反应与核能源4.4.1原子核组成原子核（nuclei）由质子（proton） 和中子（neutron）组成；质子和 中子统称为核子；元素化学性质由核外电子构型和数目确定；原子核性质由质子和中子数目确定；原子序数=原子核中质子数Z=原子核外电子总数n;8/18/20244444/76AX,

如12C,235U，等。Z692质子静止质量为mp=1.00728u；中子静止质量为mn=1.00867u;电子静止质量为me=0.00055uMp=Mn=1840Me;A(元素质量数)=Z(质子数)+N(中子数)(忽略电子质量)质子数相同而中子数不一样元素处于元素周期表中同一位置，称为同位素（Isotope），如氕，氘，氚;核可表为8/18/20244545/76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核稳定性与衰变8/18/20244646/764.4.2.1稳定核A:Z(或N:Z)关系图4.2稳定核A:P(或N:P)关系(质子数)(质量数)

由图可见，全部稳定核素质量数与质子数之间存在良好相关性，称对应区域为核稳定区。不稳定核普通不在这个区域，它们能够经过衰变来改变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)8/18/20244747/764.4.2.2放射性同位素衰变当前已知两千七百各种核素中，绝大多数是不稳定。不稳定核素要自发地改变，转变为另一个核素，同时还要释放出一定粒子流，这种性质称为放射性衰变。核素在衰变过程中释放出来粒子流，称为射线。含有放射性同位素，称为放射性同位素。

8/18/20244848/76放射性衰变种类主要有以下几个：

衰变：质量数（AorN）较大不稳定同位素经过释放

粒子（）来到达它稳定核结构，如：

衰变：中子数较多不稳定同位素可经过

衰变（释放负电子、正电子）或中子发射而到达其稳定核构型。如4He2238U(铀)

234Th(钍)+4He（

粒子）92902

emission9Li

9Be+0e(负电子，

粒子)34-1nemission9Li

8Li+1n(中子)3308/18/20244949/76衰变：处于激发态原子核能够经过射线（高能电磁辐射）释放多出能量，跃迁到低激发态或基态，

以求到达其稳定核构型。基态(groundstate)：原子核可处于不一样能量状态，正常情况下处于最低状态。激发态(excitedstate)：原子核在一些核反应、核裂变及放射性衰变后仍处于高能状态。8/18/20245050/76小知识:放射性衰变纪年法—考古课时钟由太阳射线产生中子流与大气中14N碰撞引发核反应生成14C（方程A），而14C是不稳定放射性核素，会发生衰变而回到14N（方程B）：

大气中12C、14C浓度都是基本恒定，因而大气中（因而各种活生命体中）12C/14C比值也是恒定。放射性同位素衰变动力学方程为ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰变掉二分之一所需时间）t½=ln2/k1，与初始浓度c0无关。不一样放射性同位素半衰期为A：14N+1n

14C+

1pB:14C

14N+0

706167-1同位素14C

14N+

40K

40Ar+

671920t½(年)57301.3

1098/18/20245151/76例4.1考古人员从徐州某古墓中找到一块棺木，经同位素检测发觉该木块中14C/12C之比是当代树木中14C/12C之比78%。问该古墓应属于哪个朝代？已知14C半衰期t½=5730年。 解：(14C/12C)古/(14C/12C)现=14C古/14C现=0.78

k1=ln2/t½=ln2/5730=1.2110-4a-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。8/18/20245252/764.4.3原子核结合能4.4.3.1核子质量与核反应中质量亏损原子质量单位（碳单位）：国际标准化组织要求，以12C原子质量1/12作为原子质量单位，记为amu或u。质子静止质量为mp=1.00728u；中子静止质量为mn=1.00867u;电子静止质量为me=0.00055u。4He摩尔质量为4.00150g/mol；组成核子原始质量为2

1.00728u+21.00867u=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。8/18/20245353/764.4.3.2原子核结合能Eb依据Einstein质能关系式E=∆m

C2，对应质量亏损经过能量形式释放出来（核能量降低了），称为原子核结合能（BindingEnergy),记为Eb。

Eb越大，核子之间结合就越牢靠，原子核就越稳定。对于比较不一样原子核稳定性，我们引入核子平均结合能Eb,平均，Eb,平均=Eb/A(质量数)。核子平均结合能越大Eb,平均，原子核就越稳定。8/18/20245454/76例4.2已知12753I摩尔质量是126.9004g/mol，计算核子平均结合能Eb,平均。解：原子（12753I）质量是126.9004amu 原子中核子静止质量是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=-(1.12702/6.0231026)(3108)2

=1.68410-10J 核子平均结合能Eb,平均=1.68410-10J/127=1.32610-12J8/18/20245555/76图

4.3

Eb,平均

随

A

变

化

由图可见，较轻核和较重核核子平均结合能较小，稳定性较差，而中等质量核核子平均结合能较大，FeEb,平均最大，所以最稳定。A<56，小核变大核越稳定(聚变);A>56,大核变小核，更稳定(裂变).各原子核核子平均结合能随质量数A改变如图4.3。裂变聚变8/18/20245656/764.4.4核裂变与聚变4.4.4.1核裂变（fission）

重核受到激发分裂为几个中等质量原子核现象称为原子核裂变。重核裂变能够释放大量能量，为人类提供一个新能源。普通核武器和核电站都依赖于裂变过程产生能量。

核裂变产物大多含有放射性。8/18/20245757/76当一个重核受到慢中子轰击，分裂成两个中等原子量核，并放出一个到三个中子，这种中子称为再生中子，同时还释放大量能量。假如分裂时放出再生中子又能引发另外核分裂，可使反应继续下去，并不停释放大量原子核能，这种反应称为链式反应。235U235U142Ba+91Kr+31n235U+1n56360137Te+97Zr+21n524008/18/20245858/764.4.4.2原子弹与反应堆

核武器是利用核裂变或聚变反应释放能量，产生爆炸作用并含有大规模杀伤破坏效应武器总称。

原子弹是主要利用铀235或钚239等重原子核裂变链式反应原理之称武器。8/18/20245959/76

核反应堆

经过受控核裂变反应取得核能装置，可使裂变产生中子数等于各种过程消耗中子数,以形成所谓自持链反应(self-sustainingchainreaction)。

8/18/20246060/764.4.4.3核聚变(Fusion)-氢弹由图4.3可见：核聚变所释放能量大于核裂变所释放能量；核聚变能比核裂变能威力大多,它是一个最理想清洁能源，是开发核能主攻方向。氢弹是主要利用重氢（氘）或超重氢（氚）等轻原子核热核反应原理制成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高温引爆。＋

＋40000000℃

核聚变产物不是放射性。8/18/20246161/76核聚变所需温度较高（T>50,000,000℃）；当前太阳上正在进行是氢聚变成氦反应，氢消耗到一定程度后进行H+He

Li；He+HeC；……等反应，聚变所需要温度也越来越高。假如星球质量（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聚变，反应终止。星球变为白矮星（所在位置称为黑洞）。白矮星特点：体积小、亮度低，但质量大、密度极高。8/18/20246262/764.5可再生能源利用

不随人类利用而显著降低能源称为可再生能源。常见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能量相当于106~107吨标准煤能量，相当于全世界能耗1万倍，是真正绿色能源。当前人类所使用矿物燃料均起源于太阳亿万年来贡献。 太阳能利用包含太阳能电池、太阳炉等许多方面。

光——热转换、光——电转换和光——化学转换等8/18/20246363/764.5.2风能利用风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引发各地温差和气压不一样，造成空气运动而产生能量。利用风力机可将风能转换成电能、机械能和热能等。风能利用主要形式有风力发电、风力提水、风力致热以及风帆助航等。8/18/20246464/764.5.3氢能4.5.3.1氢能特点氢燃烧热为143kJ/g