能源与化学专业知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第五章能源与化学5.4化学对和平利用核能贡献5.5化学为开发新能源再立新功第1页5.4化学对和平利用核能贡献第2页核衰变反应第3页第4页爱因斯坦爱因斯坦n爱因斯坦早在19发表狭义相对论原始论文，作为相对论一个推论，他又提出了质能关系。这种关系发觉，对解释原子能释放有重大意义。第5页质能方程质能方程n德国科学家L.Meitner依据铀核裂变后质量亏损,计算出1克铀完全裂变可释放出8107千焦（耳）能量。n1吨铀产生能量相当于250万吨优质煤完全燃烧或2万吨左右TNT炸药所放出能量。第6页计算示例计算示例对于1.000g核燃料第7页核裂变反应第8页1945年8月6日和9日美国在日本广岛和长崎投下两颗原子投下两颗原子弹弹Little Boy(左左)和和 Fat Man(右右)原子能研究结果利用 不幸首先用于战争。第9页第10页核辐射和平利用第11页第12页经过控制裂变反应过程产生中子数中子数来控制裂变链式反应.裂变反应控制幸存中子平均不到1，链式反应就越来越弱，称为“收敛”；假如幸存中子平均大于1，则链式反应就愈来愈强，称为“发散”，最终可能到达无法控制地步，原子弹爆炸就是利用这一原理。核反应堆中则经过控制棒控制使幸存中子幸存中子平均恰为平均恰为1，使链式反应经久不息地进行下去。第13页核电设备安装第14页核电第15页鸟瞰一期秦山核电站二期工程第16页建于浙江海盐县杭州湾畔秦山三期核电站第17页聚变能据计算，每克氘聚变能够得到6108千焦（耳）能量。依据海水中氘、氚储量推算，它们可供人类使用几亿年。核聚变反应第18页 在地球上实现可控核聚变关键问题之一是要把氘、氚原子核加温到最少几千万摄氏度，并把它们约束在一起（这项技术已成熟，用功率为100万亿瓦激光点火器）。之二是这么高点火能量要维持超出1秒种，这不轻易！第19页核裂变：核聚变：第20页伽伽玛玛刀刀n对付癌症，先要把癌症性质、位置、蔓延扩散情况等等了解清楚。然后，依据这些情况采取三种攻击方法。n第一个是外照射治外照射治疗疗法法。有称“X刀刀”或或“刀刀”，就是说，距离患部20厘米至一米远地方，用X射线或射线从外部对准患者病灶部位进行照射。n第二种是小辐射源治疗法。就是说，把钴-60或铯-137加工成针状辐射源，插入病灶部位进行照射。n第三种是内用疗法。就是说，让癌病灶部位吸收带放射性药品，从病灶内部进行治疗。第21页核废料一台1000兆瓦核电站年核废物中含有10千克镎-237和20千克锝-99，如以非专业人员允许年接收辐射剂量率为标准，那么上述核废物即使贮存100万年，仍高出允许剂量3000万倍!假如直接排放，需用6亿吨水稀释镎-237，用3000万吨水稀释锝，才符合环境要求，这是做不到。核废物存放是举世瞩目标难题。当前常见高放射性核废物，是采取地质深埋方法。常见矿山式处置库，位于3001500米深处。若深部钻孔，如在花岗岩石中凿一个地下处置库，则要建在几千米深处。库结构包含天然屏障和工程屏障，以预防废物中放射性核素从包装物中泄漏，但极难确保在长达上百万年中包装材料不被腐蚀、地层不变动。第22页5.5 5.5 化学为开发新能源再立新功化学为开发新能源再立新功5.5.1 生物质能生物质能5.5.2 氢能氢能5.5.3 化学电源化学电源5.5.4 太阳能电池太阳能电池第23页5.5.1 生物质能生物质能陈化粮转化农业秸杆气化、液化第24页第25页第26页生物制能主要路径：1 1、直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。、直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。2 2、利用能源作物生产液体燃料。当前含有发展潜、利用能源作物生产液体燃料。当前含有发展潜力能源作物，包含：快速成长作物树木、糖与淀力能源作物，包含：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化合作物、草粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化合作物、草本作物、水生植物。本作物、水生植物。3 3、生产木炭和炭。、生产木炭和炭。4 4、生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成、生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIGBIG/STIG）联合发电装置。联合发电装置。5 5、对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等、对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以生产沼气和防止用错误方法处进行厌氧消化，以生产沼气和防止用错误方法处置这些物质，以免引发环境危害。置这些物质，以免引发环境危害。第27页一个全新理念生物能源一个全新理念生物能源-细菌发电细菌发电说起细菌发电，能够追溯到19，英国植物学家利用铂作为电极放进大肠杆菌培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。1984年，美国科学家设计出一个太空飞船使用细菌电池，其电极活性物质是宇航员尿液和活细菌。不过，那时细菌电池放电效率较低。到了80年代末，细菌发电才有了重大突破，英国化学家让细菌在电池组里分解分子，以释放电子向阳极运动产生电能。让细菌为人类供电已不是遥远构想，而是很快现实第28页5.5.2 氢氢 能能氢能转化示意图 第29页氢能开发利用中关键化学问题两个关键技术需要处理：一是怎样制氢，一是怎样制氢，二是怎样储氢。二是怎样储氢。第30页廉价制氢技术。因为氢是一个二次能源，它制取不但需要消耗大量能量，而且当前制氢效率很低，所以寻求大规模廉价制氢技术是各国科学家共同关心问题。现在看来，高效率制氢基本路径，是利用太阳能。假如能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽、分散太阳能转变成了高度集中洁净能源了，其意义十分重大。当前利用太阳能分解水制氢方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。氢能利用，主要包含两个方面：一是制氢工艺，二是贮氢方法。一、制氢第31页二、贮氢传统贮氢方法传统贮氢方法有两种：（1）利用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气，但钢瓶贮存氢气容积小，瓶里氢气即使加压到150个大气压，所装氢气质量也不到氢气瓶质量1，而且还有爆炸危险；（2）贮存液态氢，将气态氢降温到253变为液体进行贮存，但液体贮存箱非常庞大，需要极好绝热装置来隔热，才能预防液态氢不会沸腾汽化。新型贮氢技术新型贮氢技术：利用贮氢合金（金属氢化物）来贮存氢气。研究证实，一些金属含有很强捕捉氢能力，在一定温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将贮存在其中氢释放出来。这些会“吸收”氢气金属，称为贮氢合金。第32页贮氢合金贮氢能力很强。单位体积贮氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢1000倍，也即相当于贮存了1000个大气压高压氢气。因为贮氢合金都是固体，既不用贮存高压氢气所需大而粗笨钢瓶，又不需存放液态氢那样极低温度条件，需要贮氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时经过加热或减压使贮存于其中氢释放出来，如同蓄电池充、放电，所以贮氢合金不愧是一个极其简便易行理想贮氢方法。储氢：2M+H2 2 MH放氢：MH M+1/2H2第33页5.5.3 化学电源化学电源 化学能直接转化为电能装置 第34页电池反应正极反应：正极反应：CuCu2+2+2e+2e-Cu Cu 1(电极电位)负极反应：负极反应：Zn-2eZn-2e-Z Zn n2+2+2(电极电位)电池反应电池反应：CuCu2+2+ZnZn+ZnZn2+2+Cu+Cu电池符号：(-)ZnZnSO4(c1)|CuSO4(c2)Cu(+)1 2第35页基本概念:1、正极电位比负极高；2、电池中电子从负极经过外电路流向正极；3、电池中正极发生还原反应、负极发生氧化 反应。第36页电池原电池：原电池：将将氧化还原反氧化还原反应化学能转应化学能转变为电能装变为电能装置。置。第37页锌-锰干干电池（一次池（一次电池）池）电池符号：电池符号：(-)Zn ZnCl2,NH4Cl(糊糊)MnO2 C(+)电极反应电极反应:(-)Zn（s）Zn2+2e-(+)2MnO2（s）+2NH4+2e-Mn2O3（s）+2NH3（g）+2H2O电动势电动势1.51.5V。它携带方便。但反应不可逆，寿命有它携带方便。但反应不可逆，寿命有限限。第38页锌-汞汞电池池（一次（一次电池）池）电池符号电池符号:(-)ZnHgKOH(糊状，含饱和ZnO)HgOHg(+)锌汞电池工作电压稳定，整个放电过程电压改变不大，保持在1.34V左右。可做成钮扣电池。第39页汽车用蓄电池应用量很大。汽车用蓄电池应用量很大。二次电池（蓄电池蓄电池）第40页铅蓄蓄电池池（二次电池）电池符号电池符号：（-）Pb|PbSO4，H2SO4，PbSO4|PbO2（+）正常蓄电池电压:2.0V，电流0.5A。普通硫酸溶液密度小于1.2g/cm3时表示应该充电。第41页镍镉电池第42页镍-氢电池Nickel-Hydrid Battery（二次电池）储氢合金第43页锂离子电池 正极负极总反应式为第44页Li-ion 二次电池n正极是采取钴酸锂（LiCoO2），负极采取碳（C）。n正极和负极均为含有层状结构物质，能够让Li+自由进出而不破坏整体结构。n在充电时，Li+一部分会从正极中脱出，插入到负极碳层间去，形成层间化合物。n在放电时，则进行此反应可逆反应。第45页连续电池（燃料池（燃料电池）池）电池符号电池符号：（-）CH2KOH(35%)O2C（+）每个电池可产生1.23V电压。优点：生成物不污染环境，且热能转化率高（达80%左右）第46页 因为燃料电池中能量转化过程没有任何机械和热中间媒介,故不受卡诺定理限制,其效率可高达80-90%。第47页How do fuel cells work?第48页Five types of fuel cell1.AlkaliFuelCell2.Moltencarbonatecell第49页MC-Power molten carbonate fuel cell power plant at Miramar,1997 第50页3.Phosphoric Acid Fuel Cells-PAFC4.SolidOxideFuelCell第51页PAFC demonstration plantn40 kw in South Windsor,Connecticut,1979 第52页5.Proton Exchange Membrane(PEM)nEfficiency is about 40 to 50 percentnOperating temperature is about 80 degrees C(about 175 degrees F).nCell outputs generally range from 50 to 250 kW.nNo leaking or cracking for the low operating temperature.nSuitable for homes and carsnFuels must be purifiednPlatinum catalyst is used on both sides of the membrane,raising costs.第53页Comparison of five types of fuel cell TypesEfficiency/%O.T./oCOutputCathodeProblemsAlkali70150-200300W-5KWPtLeak,MCFC60-806502MW-100MWNiLossofCO2PAFC40-80150-200200KW-11MW(1.5%CO)CorrosivePEM40-508050-250KWPtPurefuelSOFC601000100KWLarge,crackO.T.operationtemperature,T.C.toleranceofcarbonmonoxide第54页Practical use of fuel cell第55页Practical use of fuel cell in Toyota第56页Fuel cell used in a car第57页Fuel cell hybrid vehicle 第58页5.5.4 太阳能太阳能太阳能搜集和利用三种方式：1.光光-化学转换化学转换:绿色植物光合作用。2.光光-热转换热转换:经过集热器进行，集热器也就是太阳能热水器。3.光光-电转换电转换：利用光电效应将太阳能直接转换成电能，即太阳能电池。第59页第60页太阳能第61页第62页第63页第64页SiO2半导体Sun light电解质溶液（KI）用电器e-e-Ni electrodeI+e-I-I-I+e-e-第65页导带价带半导体电子能带分布充满电子无电子无电子绝对零度绝对零度禁带导带价带部分电子激发到导带，并留并留下氧化能下氧化能力很强空力很强空穴穴无电子拥有少许电子禁带受激发后受激发后第66页太阳能电池市场规模第67页其它能源第68页风力发电第69页地热第70页利用地热供暖第71页本章小结本章小结1、传统能源面临枯竭，要想方法怎样更合理、更高效地加以利用，同时主动探询新能源；2、新能源种类与前景是乐观，不过碰到 主要是技术问题，这是化学家与其它研究者 历史使命；3、我们相信人类能度过能源危机！4、全民要树立节约能源、科学利用能源思想 意识，走可连续发展道路。第72页课堂作业1、核聚变与核裂变反应哪种放出能量更大？2、氢气最理想制备路径是什么？它储存方式有 哪些？3、原电池正极和负极分别发生氧化反应还是还原 反应？4、您认为除了课上讲到能源外，还能有哪些可供 利用或开发能源？第73页