能源化学基础课件

**4.1

能源的分类与能量的转化

4.1.1能源的定义与分类定义：

能源是指可以从中获得能量的资源。分类：

可再生能源不随人类的利用而显著减少的能源非再生能源随人类的利用而减少的能源太阳能地热、火山风能、潮汐能一次能源存在于自然界中的、可直接利用的能源二次能源需依靠其它能源制取的能源电能、氢能、汽、柴油酒精、火炸药化石燃料

(煤,石油,天然气)核燃料按能源的生成方式按能源在当代社会中的地位分：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)。**4.1.2能量的形态与转换4.1.2.1能量的形态有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能量的单位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J**4.1.2.3能量转换及其效率将一种能量转换为另一种形态的能量称为能量的转换。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能量转换的效率：能量转换的效率较低，通常在15%~55%之间。不同形态能量之间的转换效率见表4.1.**表4.1不同形态能量之间的转换效率

因此，开发、研制高效率的能量转换技术和设备也是十分有意义的工作。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14~26**4.1.3我国的能源状况与危机4.1.3.1我国当前的非再生能源状况油田：玉门油田；大庆油田、辽河油田、中原油田；胜利油田、江苏油田等的状况；目前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。**4.1.3.2我国可再生能源的利用状况太阳能（发电，热水）：低，但正逐步提高！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、日本等国的储能计划**图5.2已探明的世界石油储量与年产量之比R4.2**4.2化石燃料：煤碳、石油与天然气4.2.1燃烧热的定义与常见燃料的热值4.2.1.1燃烧热的定义定义：标准状态下，单位质量的燃料完全燃烧后所释放出来的热量称为该物质的热值或燃烧热。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）**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)；Cl

HCl(aq)已知反应2H2(g)+O2(g)2H2O(g)，

H=-483.6kJ

问

H是H2(g)的燃烧热

cH

吗？为什么？**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常见燃料的燃烧热

表4.2常见燃料的热值（kJ/g）**4.2.2煤炭4.2.2.1煤的形成

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

植物残骸

腐殖质

泥煤

褐煤

烟煤

无烟煤4.2.2.2煤的分类 煤可根据其在燃烧过程中发烟与否分为烟煤和无烟煤。**4.2.2.3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，在一定的条件下生产、加工而获得其它化工原料、产品的工业称为煤化工。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）煤的液化

人造石油，通过加热、裂解、催化加氢等步 骤，可得到多种烃类物质。**4.2.3石油与天然气4.2.3.1石油与天然气的形成

石油与天然气是古代海洋中的生物由于地壳运动而沉积于地层中，在高温高压的条件下经长期作用而生成的产物。如图4.14.2.3.2石油与天然气的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）**

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

，26MPa）下，水分子彼此间通过氢键形成一种笼状结构，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标准状态下的CH4气体。**4.2.3.3石油的加工

石油是多种化学物质的混合物。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的差异将化合物进行分离的方法称为蒸馏。所用的设备称为蒸馏塔。**蒸馏塔示意图

**裂解：石油中轻油所占的比例大约只有1/4~1/3。为了得到更多用途更广的轻油，可在热、催化剂等的作用下将大分子的重油裂解为小分子的轻油或短链烃。精炼：蒸馏和裂解所得到的轻油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不饱和烃类，影响油品的性能。通过脱硫、加氢等过程可降低这些杂质的含量。（炼油厂一角）**小知识:汽车燃油的标号与辛烷值汽油在汽缸中正常燃烧时火焰传播速度为10-20m/s，在爆震燃烧时可达1500-2000m/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。

**不同化学结构的烃类，具有不同的抗爆震能力。异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的抗爆性能较好，辛烷值设定为100;正庚烷的抗爆性差，辛烷值设定为0。如某一汽油在引擎中所产生之爆震，正好与97%异辛烷及3%正庚烷之混合物的爆震程度相同，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0-17-45100103.598.9115**4.3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有关现象的科学

—研究化学现象与电现象之间关系的学科电化学过程借助一定的装置（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**在原电池中发生自发反应，可以对外做电功，是化学能转变为电能的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的过程电能

化学能电解电池

原电池（电池）：通过化学反应将化学能转变为电能的装置，亦称为化学电源。**4.3.1.1单液电池HCl(a)4.3.1常见电池的类型**4.3.1.2双液电池用素烧瓷分开**用盐桥分开：使得溶液中电荷达到平衡**化学反应转变成可产生电能的电池的条件：化学反应为氧化还原反应，或含氧化还原过程适当的装置，使化学反应通过在电极上的反应来完成两个电极，以及与电极建立电化学平衡的相应电解质组成完整电路所需的其他附属设备**4.3.2电池符号与电极上的化学反应对原电池（化学能转变为电能的装置，Galvaniccell)，规定:写在左边的发生氧化作用,氧化数升高,产生电子,为负极；写在右边的发生还原作用,氧化数降低,消耗电子,为正极；不同材料之间的接触界面用“,”或“

”隔开;盐桥用“║”表示；离子要标明浓度，气体要标明压力，纯固体可以不加说明；电池反应是两电极反应之和。**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)+Cu**4.3.3化学电源分类4.3.3.1一次电池

电池中的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**A.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)**B.碱性锌-锰干电池在传统锌-锰干电池的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，导电性更好；用锌粉代替锌板，接触面积更大，反应速度更快更彻底。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)**C.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)+2e

Hg(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。**D.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。**4.3.3.2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、多次利用。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:

**B.镍-镉电池电池符号:

Cd|KOH(1.19~1.21g/cm3)|NiO(OH),C电池反应:**C.锂离子电池（摇椅电池）充电时,(正)锂离子在外电场的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),同时通过外回路放出多余的电能。锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。**Li离子电池的优点：1.通讯，如手机Li离子电池的用途：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**4.3.3.3燃料电池（连续电池）

原电池和蓄电池将有限量的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，故可随原料的不断输入而连续发电。常用的燃料（还原剂）有：氢,甲醇,肼,天然气,等；常用的氧化剂有：

O2，Cl2，Br2，等；

常用的介质有：酸溶液,碱溶液,盐溶液,等。**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+½O2H2O**燃料电池的优点

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

不排放有毒的酸性氧化物，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世纪首选的清洁能源

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**氢氧燃料电池的难点氢气的储存液氢要求高压、低温，有危险性钢瓶储氢，可使用氢气只占钢瓶质量的1%，也有危险性研制储氢金属和其他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）的模拟图象**4.4核反应与核能源4.4.1原子核的组成原子核（nuclei）由质子（proton） 和中子（neutron）组成；质子和 中子统称为核子；元素的化学性质由核外电子的构型和数目确定；原子核的性质由质子和中子的数目确定；原子序数=原子核中的质子数Z=原子的核外电子总数n;**AX,

如12C,235U，等。Z692质子的静止质量为mp=1.00728u；中子的静止质量为mn=1.00867u;电子的静止质量为me=0.00055uMp=Mn=1840Me;A(元素的质量数)=Z(质子数)+N(中子数)(忽略电子的质量)质子数相同而中子数不同的元素处于元素周期表中的同一位置，称为同位素（Isotope），如氕，氘，氚;核可表为**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核的稳定性与衰变**4.4.2.1稳定核的A:Z(或N:Z)关系图4.2稳定核的A:P(或N:P)关系(质子数)(质量数)

由图可见，所有稳定核素的质量数与质子数之间存在良好的相关性，称对应区域为核的稳定区。不稳定的核一般不在这个区域，它们可以通过衰变来改变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)**4.4.2.2放射性同位素的衰变目前已知的两千七百多种核素中，绝大多数是不稳定的。不稳定的核素要自发地变化，转变为另一种核素，同时还要释放出一定的粒子流，这种性质称为放射性衰变。核素在衰变过程中释放出来的粒子流，称为射线。具有放射性的同位素，称为放射性同位素。

**

放射性衰变的种类主要有以下几种：

衰变：质量数（AorN）较大的不稳定同位素通过释放

粒子（）来达到它的稳定核结构，如：

衰变：中子数较多的不稳定同位素可通过

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

234Th(钍)+4He（

粒子）92902

emission9Li

9Be+0e(负电子，

粒子)34-1nemission9Li

8Li+1n(中子)330**

衰变：处于激发态的原子核可以通过

射线（高能电磁辐射）释放多余的能量，跃迁到低激发态或基态，

以求达到其稳定核构型。基态(groundstate)：原子核可处于不同的能量状态，正常情况下处于最低的状态。激发态(excitedstate)：原子核在某些核反应、核裂变及放射性衰变后仍处于高能状态。**小知识:放射性衰变纪年法—考古学时钟由太阳射线产生的中子流与大气中的14N碰撞引发核反应生成14C（方程A），而14C是不稳定的放射性核素，会发生衰变而回到14N（方程B）：

大气中12C、14C的浓度都是基本恒定的，因而大气中（因而各种活的生命体中）12C/14C的比值也是恒定的。放射性同位素的衰变的动力学方程为ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰变掉一半所需的时间）t½=ln2/k1，与初始浓度c0无关。不同放射性同位素的半衰期为A：14N+1n

14C+

1pB:14C

14N+0

706167-1同位素14C

14N+

40K

40Ar+

671920t½(年)57301.3

109**例4.1

考古人员从徐州某古墓中找到一块棺木，经同位素检测发现该木块中14C/12C之比是现代树木中14C/12C之比的78%。问该古墓应属于哪个朝代？已知14C的半衰期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。**4.4.3原子核的结合能4.4.3.1核子质量与核反应中的质量亏损原子质量单位（碳单位）：国际标准化组织规定，以12C的原子质量的1/12作为原子质量的单位，记为amu或u。质子的静止质量为mp=1.00728u；中子的静止质量为mn=1.00867u;电子的静止质量为me=0.00055u。4He的摩尔质量为4.00150g/mol；组成核子的原始质量为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。**4.4.3.2原子核的结合能Eb根据Einstein质能关系式E=∆m

C2，相应的质量亏损通过能量的形式释放出来（核的能量降低了），称为原子核的结合能（BindingEnergy),记为Eb。

Eb越大，核子之间的结合就越牢固，原子核就越稳定。对于比较不同原子核的稳定性，我们引入核子的平均结合能Eb,平均，Eb,平均=Eb/A(质量数)。核子的平均结合能越大Eb,平均，原子核就越稳定。**例4.2

已知12753I的摩尔质量是126.9004g/mol，计算核子的平均结合能Eb,平均。解：原子（12753I）的质量是126.9004amu

原子中核子的静止质量是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=1.32610-12J**图

4.3

Eb,平均

随

A

的

变

化

由图可见，较轻的核和较重的核的核子平均结合能较小，稳定性较差，而中等质量的核的核子平均结合能较大，Fe的Eb,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).

各原子核的核子平均结合能随质量数A的变化如图4.3。裂变聚变**4.4.4核的裂变与聚变4.4.4.1核的裂变（fission）

重核受到激发分裂为几个中等质量原子核的现象称为原子核裂变。重核裂变可以释放大量能量，为人类提供一种新的能源。普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。

核裂变产物大多具有放射性。**

当一个重核受到慢中子轰击，分裂成两个中等原子量的核，并放出一个到三个中子，这种中子称为再生中子，同时还释放大量的能量。如果分裂时放出的再生中子又能引起另外的核分裂，可使反应继续下去，并不断释放大量原子核能，这种反应称为链式反应。235U235U142Ba+91Kr+31n235U+1n56360137Te+97Zr+21n52400**4.4.4.2原子弹与反应堆

核武器是利用核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。

原子弹是主要利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理之称的武器。**

核反应堆

通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反应(self-sustainingchainreaction)。

**4.4.4.3核的聚变(Fusion)-氢弹由图4.3可见：核聚变所释放的能量大于核裂变所释放的能量；核聚变能比核裂变能威力大的多,它是一种最理想的清洁能源，是开发核能的主攻方向。氢弹是主要利用重氢（氘）或超重氢（氚）等轻原子核的热核反应原理制成的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的高温引爆的。

＋

＋40000000

℃

核聚变产物不是放射性的。**核聚变所需的温度较高（T>50,000,000℃）；目前太阳上正在进行的是氢聚变成氦的反应，氢消耗到一定程度后进行H+He

Li；He+HeC；……等的反应，聚变所需要的温度也越来越高。如果星球质量（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的聚变，反应终止。星球变为白矮星（所在的位置称为黑洞）。白矮星特点：体积小、亮度低，但质量大、密度极高。**4.5可再生能源的利用

不随人类的利用而明显减少的能源称为可再生能源。常见的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的能量相当于106~107吨标准煤的能量，相当于全世界能耗的1万倍，是真正的绿色能源。目前人类所使用的矿物燃料均来源于太阳亿万年来的奉献。 太阳能的利用包括太阳能电池、太阳炉等许多方面。

光——热转换、光——电转换和光——化学转换等**4.5.2风能的利用

风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。利用风力机可将风能转换成电能、机械能和热能等。风能利用的主要形式有风力发电、风力提水、风力致热以及风帆助航等。**4.5.