工科化学答案第十章化学与能源.docx

第十章 化学与能源
思 考 题 与 习 题 解 答
1. 下列说法是否正确？ 如不正确，请说明原因。
（1） 煤的气化是指在隔绝空气条件下加强热，使煤中有机物转化成焦炭和可燃性气体的过程。
答：错，煤的气化是指在氧气不足的条件下进行部分氧化，使煤中有机物转化成可燃性气体的过程。
（2） 煤炭在燃烧过程中产生的主要污染物为CO和SO2，石油（汽油）在燃烧过程中产生的主要污染物为CO，因此石油产生的污染比煤炭轻。
答：不确切，煤炭在燃烧过程中产生的主要污染物为SO2、NOx和CO，石油（汽油）在燃烧过程中产生的主要污染物为CO、NOx和HC，相对而言，石油产生的污染比煤炭轻。
（3） 汽油的辛烷值分布在0~100之间，并对应于汽油的标号，80号的汽油表示汽油中含有80%辛烷和20%的其他烃类。
答：错，汽油的辛烷值可衡量汽油的抗震性，并对应于汽油的标号，80号的汽油表示该汽油的抗震性相当于80%异辛烷和20%的正庚烷混合物的抗震性。
（4）为了避免含铅汽油对大气的污染，近年来世界各国普遍采用了甲基叔丁基醚 （MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）取代四乙基铅作汽油添加剂。
答：不确切，甲基叔丁基醚 （MTBE）添加剂在某些国家（如美国）已被禁止使用。
（5） 发展核能是解决目前能源危机的重要手段，近年来北欧和我国政府均采取了积极的态度，加快核电站的建设。
答：不确切，欧美大部分发达国家，基本上停建核电站或提前关闭核电站，北欧国家甚至通过立法，要求在2010年前关闭已有核电站。
（6） 能引起环境污染的电池主要有铅蓄电池、镉镍电池、氧化汞电池等，由于锌、锰元素对环境的危害很小，因此锌锰电池是无污染电池。
答：错，在生产的锌锰电池时，为了防止电池中锌溶解释放氢气，常在电池糊状液中放入氯化汞。
（7） 在燃料电池中并没有发生直接的燃烧反应，它通过原电池原理不断的将燃料直接转变为电能，这种电池能量转换效率高，理论上可达100%。
答：正确
2. 填空题
（1） 化石燃料包括 煤、石油和天然气 ，我国是以 煤 消费为主的国家。
（2） 煤是由古代植物转化而来的，煤的煤化过程包括了 植物残骸 → 腐殖质 → 泥煤 → 褐煤 → 烟煤 → 无烟煤 阶段，若根据煤化的程度不同可将煤分为 四类，若根据煤炭中硫的含量不同又可将煤分为 泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤 四类。
（3） 煤的综合利用方法主要包括 煤的焦化、煤的气化和煤的液化 。
（4） 为了提高汽油的辛烷值，可采取两种途径，一是 直链烷烃催化重整变成带支链的烷烃 ，二是 向汽油中添加抗震剂 。
（5） 发展核电曾被国际上认为是解决电力缺口的重要选择。但有两个问题必须引起高度重视：一是 电站的运行安全 ，一是 核废料的处理 。
（6） 核聚变反应比核裂变反应作为能源更有发展前途，但要实现核聚变反应发电，应攻克的主要技术问题是 反应有足够的温度，能够控制反应速率 。
（7） 碱性锌锰电池是第三代锌锰电池。它克服了传统锌锰电池 石墨电极极化，电池漏液 的缺点，其特征是 电解液由原来的中性电解液变为离子导电性更好的碱性电解液，负极锌也由原来的锌片变为锌粉 。
（8） 制约氢能源大规模应用的因素为 廉价制取技术及氢的安全、方便贮存、运输 ，最有希望突破的途径有 热化学分解制氢法、光化学制氢法、太阳能电池电解水制氢法和生物制氢法 。
3. 区别下列概念
（1） 一次能源与二次能源
通常把存在于自然界中的可直接利用其能量的能源称为一次能源；而把必须用其它能源制取或产生的能源称为二次能源
（2） 再生能源与非再生能源
不随人类的利用显著减少的能源称为再生能源，诸如风、流水、潮汐、地热、日光及草木燃烧；而化石燃料和核燃料等随人类的利用减少的能源称为非再生能源。
（3） 核聚变与核裂变
核聚变反应是由两种轻核结合成一个重核，同时释放出巨大能量的变化过程；核裂变反应又称核分裂反应，它是用中子（ ）轰击较重原子核，使之分裂成较轻原子核的反应。
（4） 一次电池与二次电池
一次电池为放电后不能再重复使用的电池；
二次电池是指电极活性物质经氧化还原反应向外输出电能（放电）而被消耗之后，可以用充电的方法使活性物质恢复的电池，也称为可充电电池。
（5） 锂电池与锂离子电池
锂电池是用金属锂作为负极活性物质的电池的总称, 又称为锂原子电池；而锂离子电池的活性物质为锂离子。在锂离子电池中正、负极材料为Li+嵌入化合物。在充、放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象地称为“摇椅电池”
（6） 普通锌锰电池与碱性锌锰电池
早期的普通锌锰电池是糊式电池，外壳用锌皮作为负极，NH4Cl、ZnCl2等制成糊状混合物作电解质溶液，MnO2是正极，石墨碳棒起导电作用。糊式锌锰电池可用下式表示：
（－）Zn│ZnCl2，NH4Cl（糊状）│MnO2│C ( + )
碱性锌锰电池是第三代锌锰电池。其重要特征是电解液由原来的中性电解液变为离子导电性更好的碱性电解液，负极锌也由原来的锌片变为锌粉。碱性锌锰电池可用下式表示：
（－）Zn│KOH(7～9mol•L–1)│MnO2│C ( + )
（7） 煤的气化与煤的干镏
煤的气化是指煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为含有H2、CO等可燃性气体的过程，因此煤气的有效成分主要是H2、CO和CH4等。
煤的干馏又称煤的焦化，是指煤与空气隔绝加强热时，煤分解成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的煤气（焦炉气）的过程。
4. 试根据不同的能源分类方法，对下列能源分类：
（1）石油 （2）氢气 （3）乙醇 （6）沼气 （7）锂离子电池 （8）煤 （9）核能 （10）电力 （11）风能 （12）潮汐能

能源
常规能源

一次能源
新能源

可再生能源（如潮汐能）
非再生能源（如煤炭、石油、沼气、核能）

可再生能源（如风能）
非再生能源

二次能源

锂离子电池、乙醇、电力、氢气、沼气等

5．写出下列几种电池的电极反应和电池反应（化学反应方程式）
（1） 普通锌锰电池；
锌锰电池可用下式表示：
（－）Zn│ZnCl2，NH4Cl（糊状）│MnO2│C ( + )
接通外电路放电时，负极上锌进行氧化反应
Zn(s) Zn2+(aq) + 2e－
正极上MnO2发生还原反应
2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2e－　　 Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O
电池总反应为
Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq)　　 Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(ag) + H2O(l)
（2） 碱性锌锰电池；
碱性锌锰电池可用下式表示：
（－）Zn│KOH(7～9 mol•L–1)│MnO2│C ( + )
负极反应 Zn(s) +2OH－(aq)　　 ZnO(s) + H2O(l)+2e－
正极反应 MnO2(s) + 2H2O(l) + 2e－ 　　Mn(OH)2(s) + 2OH－(aq)
电池反应 Zn(s) + MnO2(s) + H2O(l)　　 ZnO(s) + Mn(OH)2(s)　
（3） 铅蓄电池；
铅蓄电池可用下式表示：
（－）Pb│H2SO4│PbO2 (＋)
放电时，反应为：
负极反应　Pb(s)+ SO42－(aq)　　PbSO4(s) + 2e－
正极反应　PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42－(aq) + 2e－　　PbSO4(s) + 2H2O(l)
电池反应　Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 　　2PbSO4(s) + 2H2O(l)
（4） 氢镍电池；
氢镍电池可用下式表示：
Ti–Ni
(La–Ni)
（一） │H2│KOH │NiO(OH)│C ( + )
放电时，反应为：
负极反应 H2(g) + 2OH－(aq)　　 2H2O(l) + 2e－
正极反应 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) + 2e－　　 2Ni(OH)2(s) + 2OH－(aq)
电池反应 H2(g) + 2NiO(OH)(s)　　 2Ni(OH)2(s)
（5） 锂离子电池；
锂离子电池的符号表达式为：
（一）Cn│LiClO4－EC＋DEC│LiMO2（＋）
充电
放电
充放电时，反应为：
正极反应　LiMO2 Li1–xMO2 ＋ xLi+ ＋ xe—
放电
充电

负极反应　 nC ＋ xLi+ ＋ xe— LixCn
充电
放电

电池反应　 LiMO2＋nC Li1–xMO2 ＋ LixCn

（6） 碱性氢氧燃料电池。
碱性氢氧燃料电池反应可由下式表示：
（一）C│H2│KOH│O2│C （ + ）
负极反应 H2(g) + 2OH－(aq) 　　2H2O(l) + 2e－
正极反应 O2(g) + 2H2O(l) + 4e－　　4OH－(aq)
电池反应 2H2(g) + O2(g) 　　2H2O(l)
6. 煤和由煤与水蒸气反应（C（s）+H2O（g）） = H2（g）+CO（g））而得的水煤气（CO与H2等物质量的混合物）都可用做燃料，设煤含碳80%，其余可燃成份忽略不计。试通过计算说明，在实际应用中以水煤气代替煤作燃料的优缺点。（提示：在任何能量转换过程中，总会有一些能量变成热而扩散到环境中。例如，欲往某体系输入ｘ kJ的热量，实际上提供的热量要远多于x kJ）。
解：1mol纯煤完全燃烧放出热量为：
C（s）+ O2（g）= CO2（g）
/(kJ.mol–1) 0 0 –393.51
1 = –393.51 – 0 – 0 = – 393.51 kJ.mol–1

1mol纯煤转化为水煤气，然后完全燃烧放出的热量由下列反应实现：
（1） C（s）+ H2O（g）） = H2（g）+CO（g）
/(kJ.mol–1) 0 –241.82 0 –110.525
= –110.525 – (–241.82) – 0 = 131.295 kJ.mol–1

（2） CO（g）+ 1/2 O2（g）= CO2（g）
/(kJ.mol–1) –110.525 0 –393.51
,2 = –393.51 – (–110.525) – 0 = –282.985 kJ.mol–1

（3） H2（g） + 1/2 O2（g） = H2O（g）
/(kJ.mol–1) 0 0 –241.82
,3 = –241.82 – 0– 0 = –241.82 kJ.mol–1
= ΔfH Θm,1 + ΔfH Θm,3 + ΔfHΘm,3
= 131.295 + (–282.985) + (–241.82)
= – 393.51 kJ·mol–1
由计算可见两种方法释放的反应热相同。
但是在实际应用中，由于煤与水蒸气反应的转化率不可能达到百分之百，同时能量的转换过程中，总会有一些能量变成热而扩散到环境中，因此实际上由煤转化成水煤气燃烧所放出的热量要远小于单纯煤燃烧放出的热量。但是由于水煤气燃烧过程中没有SO2的污染发生，因此其燃烧过程要比煤的燃烧过程洁净的多。

7．某天然气的体积百分组成为：CH4 85.0%，C2H6 10.0%，其余为不可燃组分。 气体的温度为298K，压力为111kPa， 试计算燃烧1.00 m3 这种天然气的ΔrHθ298 是多少？
解：1.00 m3天然气，CH4 和C2H6分别占有的体积为：
CH4 ：1.00 × 85.0% = 0.85 m3 C2H6：1.00 × 10.0% = 0.10 m3
根据理想气体状态方程 PV=nRT
CH4 和C2H6的物质的量分别为：
CH4 ：n= PV / RT = 111× 0.85 × 1000/ (8.314× 298 ) =38.08 mol
C2H6：n= PV / RT = 111× 0.10 × 1000/ (8.314× 298 ) =4.48 mol
CH4燃烧放出的热量:
CH4（g）+ 2 O2（g）= CO2（g）+ 2H2O（g）
/(kJ.mol–1) –74.85 0 –393.51 –241.82
= (–393.51) + 2× ( –241.82) – (–74.85) – 0 = –802.30 kJ.mol–1
= n ΔrH Θm = 38.08 × (–802.30) = –30551.58 (kJ)
C2H6燃烧放出的热量:
C2H6（g）+ 5/2 O2（g）= 2CO2（g）+ 3H2O（g）
/(kJ.mol–1) –83.68 0 –393.51 –241.82
= 2×(–393.51) + 3×( –241.82) – (–83.68) – 0 = –1428.8 kJ.mol–1
= n = 4.48 × (–1428.8) = –6401.02 kJ
1.00 m3这种天然气的 298
298 = = + =(–30551.58) + ( –6401.02) = –36952.60 kJ
答：燃烧1.00 m3这种天然气的 298 是 –36952.60 kJ。
8. 计算1m3煤气（100kPa，273K）燃烧时所放出的热量，已知煤气组成为
组分
CO2
C3H8
O2
CO
H2
CH4
N2
含量/%
4.0
4.0
0.5
5.0
30.5
52.0
4.5
解：1.00 m3煤气，C3H8、CO、 H2 、CH4分别占有的体积为：
0.04 m3 、0.05 m3 、0.305 m3 、0.520 m3
根据理想气体状态方程 PV=nRT
C3H8、CO、 H2 、CH4的物质的量分别为：
C3H8 ：n= PV / RT = 100× 0.04 × 1000/(8.314× 273 ) =1.76 mol
CO： n= PV / RT = 100× 0.05 × 1000/(8.314× 273 ) = 2.02 mol
H2 ： n= PV / RT = 100× 0.305× 1000/(8.314× 273 ) =13.44 mol
CH4 ： n= PV / RT = 100× 0.52 × 1000/(8.314× 273 ) =22.91 mol
100kPa 和298.15K下C3H8（g）、CO（g）、 H2（g） 、CH4（g）的标准燃烧热 /(kJ.mol–1)分别为:–2220.0、 –282.985 、–241.82、–890.3. 1.00 m3煤气燃烧放出的热量为：
(–2220.0) ×1.76 + (–282.985) ×2.02 + (–241.82)×13.44 + (–890.3)×22.91
= –28125.7 kJ
答：1m3煤气（100kPa，273K）燃烧时所放出的热量为–28125.7 kJ。

9. 某油田原油的组成如下，计算此原油的燃烧热值是多少（kJ·kg–1）?
组分
C
H
O
N
S
灰分
水分
含量/%
86.04
12.14
0.54
0.20
0.15
0.03
0.7
解：设原油的组成为 CnHmOxNyS z,则燃烧反应为：
CnHmOxNySz（l）+(2n + m/2 + 2y + 2z – x) /2 O2（g）
= nCO2（g）+ (m/2) H2O（g）+ y NO2（g）+ z SO2（g）
每kg原油含 C、H、N、S的物质的量分别为：
C: ( 1000× 0. 8604) / 12 = 71.7 mol
H: ( 1000× 0. 1214 ) / 1　 = 121.4 mol
N: ( 1000× 0.0020 ) / 14　= 0.01429 mol
S: ( 1000× 0.0015) ／32 = 0.0469 mol
原油燃烧热值为：
n（CO2）+ m/2（H2O）+y（NO2）+ z（SO2）
=71.7×(–393.51)+ 121.4 /2×( –241.82) + 0.01429×(+33.18) + 0.0469×(–297.04)
= – 42882.45 (kJ·kg–1)
答：此原油的燃烧热值是 – 42882.45 kJ·kg–1。
10．一座每年发电量为1.0×106 kW的大型发电站，每年要耗标准煤3.5×106t ，（标准煤的高发热值为30×106 J·ｔ –1） 试问同样规模的核电站，每年需要核燃料铀–235多少kg？秦山核电站某机组装机容量为3×105 kW，每年需要核燃料铀–235多少kg?
解：煤燃烧放出的总热量为：3.5×106t×30×106 J·t–1 = 1.05×1014 J
设每克铀–235裂变释放8.1×107 kJ·g –1
则释放1.05×1012 kJ热量，需要铀–235为：
（1.05×1014）/（8.1×107） = 1.29×106 g =1290×106 kg
秦山核电站某机组装机容量为3×105 kW, 需要铀–235为:
[(3×105) / ( 1×10６)] ×1.29×106= 3.87×105 g =387 kg
答：发电量为1.0×106 kW的核电站每年需要核燃料铀–235为1290×106 kg；机组装机容量为3×105 kW，每年需要核燃料铀–235为387kg

11. 镭的放射性衰变反应为：
88226Ra 86222Rn + 24He
试计算若1mol Ra镭－226放射性衰变释放出来的能量为多少kJ？（已知，,的摩尔质量分别为：4.0015g·mo1–1，222g·mo1–1，225.9771 g·mo1–1）
解：1mol Ra镭－226放射性衰变质量的变化为：
Δm = 222 + 4.0015 –225.9771 = 0.0244 g·mo1–1
按照爱因斯坦质能关系式E =Δm·c2 ，
E =Δm·c2 = 0.0244×10–3×(3×108) 2 = 2.196×1012 J·mo1–1 =2.196×109 ( kJ·mo1–1)
答：1mol Ra镭－226放射性衰变释放出来的能量为2.196×109 kJ·mo1–1。

12. 按照爱因斯坦质能关系式E =Δm·c2试计算太阳的近似寿命。已知太阳质量M =1.982×1027kg，太阳平均功率W =3.865×1026J·s–1
解：按照爱因斯坦质能关系式E =Δm·c2
Δm = 1.982×1027 kg
太阳的近似寿命为：1.982×1027×(3×108) 2/(3.865×1026)
=4.615×1017 s = 1.463×1010 年 =146.3亿年
答: 太阳的近似寿命为146.3亿年。