六章节化学与能源省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第六章化学与能源

能源是指一切能量比较集中含能体(如煤炭、天然气等)和能量过程(如风、潮汐)。能源按其起源大致分为三类：太阳能及其转化物,如太阳直接辅射能、煤、石油、天然气等化石燃料，以及太阳能转化来生物能、水能、风能、海洋能等；地球本身能量，如地热能、核能；天体对地球引力能，如潮汐能。能源按利用方式可分为两种：直接从自然界取得不改变其形态—次能源和经人类加工生产出来二次能源。一次能源按能否再生又可分为：可再生能源，如太阳能、风能；经过亿万年形成且短期内不可再生能源能源，如化石燃科、核能等。从对环境影响来看，化石燃料等为污染能源，水能、风能等则为清洁能源。第1页

煤、石油、天然气是当今世界上最主要化石燃料(又叫矿物燃料)，是主要能源。煤—黑色金子

煤形成：煤主要是由古代植物在地下隔绝空气条件下，经过长久一系列复杂化学改变和生物改变，而形成一个由有机物和无机物所组成复杂混合物。煤主要成份是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等48种元素。煤炭有实用价值综合利用主要有煤干馏、气化和液化。煤最主要应用是直接作为燃料，将煤粉放在隔绝空气炼焦炉中加热，即煤干馏。由此得到焦炭、煤焦油、炔炉气、粗氨水和粗苯等。这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。一、常规能源——化石燃料第2页煤气化：是把煤中有机物转化为可燃件气体过程。煤与有限空气和水蒸气反应，得到—种气态混合物，称之为半煤气：假如将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这种气体燃烧热比半水煤气高1倍。煤液化：是把煤转化成液体燃料过程。煤与液态烃在化学组成上差异在于煤氢碳原子比(即H/C)低(普通石油烃H/C约为1．8)。为使煤液化，需要加氢。第3页石油形成：石油是由古代动、植物遗体在地壳内部高温、高压条件下经过非常复杂化学改变而形成各种烷烃、环烷烃和芳烃组成混合物。石油所含基本元素是碳和氢(达97％—98％)，同时含少许硫、氧、氮等元素。石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、润滑油等。石油—工业粮食第4页图6-1原油加工示意图第5页辛烷值惯用来衡量汽油抗震程度，把抗震性很好异辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)辛烷值定为l00，爆震性极强正庚烷辛烷值定为零，把汽油抗震性和这两种烃不一样百分比混合物进行比较，就能够得到该汽油相对辛烷值。为了提升汽油辛烷值，过去广泛使用一个入法是在汽油中添加少许抗震剂—四乙基铅；现在为了提升汽油辛烷值，普通采取甲基叔丁基醚[CH3—O—C(CH3)3，又名MTBE]作为高辛烷值组分。当前，我国使用车用汽油标号就是按照汽油辛烷值大小划分，比如90号汽油表示该汽油辛烷值不低于90。汽油和汽油标号第6页氢能是经人类加工生产出来二次能源，它含有以下优点：原料起源丰富(水)，取之不尽，用之不竭；燃烧热值高，1千克H2燃烧能够放出近12万千焦热量，相当于燃烧3千克汽油；无污染，不产生有毒有害气体。所以，氢能源是理想新能源。发展新能源，首先，需要处理怎样廉价大量制备氢气问题，其次，要处理储存问题。当前世界上已开发和正在研究方法有：电解法(电解水或食盐水)；用煤、天然气、轻质油与高压水蒸气反应热化学法；阳光催化分解法；生物法等。二、理想新能源——氢能第7页光分解水制氢研究中已找到一些催化刘，如钙和联吡啶形成配合物。它吸收阳光恰好近似于水分解成氢和氧所需能量。另外，二氧化钛和一些含钙化合物也是较适用催化剂。有些人大胆构想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要原理是：

第8页日本东京大学科学家在氩和氦气流中，将陶瓷CNF加热至300度，然后用注射针头向CNF注水制得氢。因为水解后CNF又回到非活化状态，所以CNF能重复使用。在每一次反应中，平均每克CNF可产生2至3厘米3H2。我国在世界上首次完成生物制氢中试试验。哈尔滨建筑大学学者利用细茵从污水中分解搜集氢气，并于2月初完成中试试验。利用含碳水化合物有机废水经过生物发酵制氢，使人类找到了一个新可再生洁净能源。第9页大量储存氢普通有两种方法。一个方法是高压下液化为液氢。但在常压下，氢气必须降温至-252度才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有极好绝热设备—托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一个方法是用一些金属或合金来储存氢。氢有一个奇持性质，它会与一些过渡金属(如钯等)或合金形成金属氢化物，如1体积胶状佬(Rh)能吸收2900体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢含有储存量高、可逆、安全等优点。

氢储存方法第10页

研究新合理制氢方法是一项一劳永逸地处理能源问题研究课题，理想氢能源如图所表示。

图6-2理想氢能源示意图

第11页化学电池是一个将化学能直接转换为电能装置，分为原电池和蓄电池。原电池原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和隔膜等组成，它可表示为：负极/电解液/正极。三、化学电池图6-3原电池示意图第12页干电池

18伏打首先制成了伏打电池。1836年英国化学家创造了古典原电池。1865年法国化学家勒克朗斯创造了第—个干电池，当代干电池不过是其改进。

第13页锌锰干电池结构图

第14页(2)碱性干电池用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好导电性能，比糊状氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反应面积要比锌皮大得多，所以可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型铁皮，以防电解液渗漏。

碱性干电池第15页银锌钮扣电池

钮扣式电池中常见为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是1.6伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求场所，但价格昂贵。

第16页蓄电池

蓄电池也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用化学电池。(1)铅蓄电池由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅铅板(正极)浸入30％（密度为1.2—1.3g/cm3）硫酸水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05g/cm3)不能再使用，必须充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为开启电源，用于试验室作为惯用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克照明光源。

第17页铅蓄电池电极反应第18页碱式镍镉蓄电池第19页银锌电池第20页发展中新型电池1、氢镍电池氢镍电池是新型蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电极（其内部气体压力可达4MP）。它工作状态可划分为3种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。表6-1氢镍电池电极反应及对应标准电位第21页氢镍电池电极反应及对应标准电位（续）氢镍电池突出优点是循环寿命长，1977年起在地球同时轨道条件下寿命超出。另外，它承受过充电和过放电能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸可能性。尽管如此，氢镍电池前景十分乐观，最终将在航天领域内全方面取代镉镍电池。第22页2、锂电池锂是自然界电池最轻金属元素，同时它又含有最低电负性（-3.045V）。所以选择适当正极与之匹配，能够取得较高电动势，含有最高比能量，所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出能量。因为锂遇水会发生猛烈反应，所以应选取非水电解质溶液。日本三洋企业首先推出Li/MnO2电池。其电极反应以下：反应结束Li+进入MnO2晶格中。第23页锂电池优异性能是：比能量高，使用温度范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降迟缓，电池寿命长，尤其适合用于心脏起