化学及能源-(1).ppt

第二章第二章 化学与能源化学与能源n能源、材料和信息被称为人类社会发展的能源、材料和信息被称为人类社会发展的 三大支柱。三大支柱。n能源是提供能量的自然资源能源是提供能量的自然资源n能源的利用，其实就是能量的转化过程能源的利用，其实就是能量的转化过程根据各个历史阶段使用的主要能源，可分为根据各个历史阶段使用的主要能源，可分为n n柴草时期：从火的发现柴草时期：从火的发现18世纪产业革命世纪产业革命n n煤炭时期：煤炭时期：13世纪世纪n n石油时期：第二次世界大战之后石油时期：第二次世界大战之后1950199019501990年世界能源消费量和构成年世界能源消费量和构成年世界能源消费量和构成年世界能源消费量和构成年份年份年份年份消费量消费量消费量消费量万吨标准煤万吨标准煤万吨标准煤万吨标准煤在消费量中所占的比例在消费量中所占的比例在消费量中所占的比例在消费量中所占的比例/%/%煤炭煤炭煤炭煤炭石油石油石油石油天然气天然气天然气天然气 水电和核电水电和核电水电和核电水电和核电19501950239 194239 19460.960.927.227.210.110.11.81.819601960292 420292 42049.549.533.333.315.115.12.12.119701970643 956643 95633.533.544.044.020.120.12.42.419801980852 391852 39130.830.844.244.221.521.53.53.5199019901147 6101147 61027.327.338.638.621.721.712.412.4中国的能源消费量和构成中国的能源消费量和构成年份年份年份年份消费量消费量消费量消费量万吨标准煤万吨标准煤万吨标准煤万吨标准煤在消费量中所占的比例在消费量中所占的比例在消费量中所占的比例在消费量中所占的比例/%/%煤炭煤炭煤炭煤炭石油石油石油石油天然气天然气天然气天然气水电水电水电水电195519556 9686 96893.093.04.94.92.12.11960196030 18930 18993.993.94.14.10.50.51.51.51970197029 29129 29180.980.914.714.70.90.93.53.51980198060 27560 27572.272.220.720.73.13.14.04.01990199098 70398 70376.276.216.616.62.12.15.15.119921992108 900108 90074.974.918.018.02.02.05.15.119941994122 737122 73775.075.017.417.41.91.95.75.7现代公认模型石油和煤成分（平均）的比较石油和煤成分（平均）的比较 元素元素元素元素燃料燃料燃料燃料C CHHOONNS S发热发热发热发热量量量量/kJ/kJ.g g-1 1石油中石油中石油中石油中含量含量含量含量/%/%83878387101410140.052.00.052.00.020.20.020.20.058.00.058.04848煤炭中煤炭中煤炭中煤炭中含量含量含量含量/%/%80908090363658580.51.00.51.012123030煤的能源转换煤的能源转换n n煤的燃烧：化学能 热能n n煤的气化：煤 可燃气体n n煤的液化：煤 液体燃料、化工原料辛烷值-评价汽油质量的一个参数(Octan Number)正庚烷正庚烷 223度度 o.n.=0异辛烷异辛烷 418度度 o.n.=100 90号汽油即辛烷值为号汽油即辛烷值为90，其抗爆性相当于，其抗爆性相当于90%异辛烷和异辛烷和10%正庚烷组成的汽油正庚烷组成的汽油 从分馏塔中制备出来的汽油称作为直馏汽从分馏塔中制备出来的汽油称作为直馏汽油，其辛烷值为油，其辛烷值为55。如何提高辛烷值？如何提高辛烷值？uu科学上解决任何一个难题都是从原因上入手科学上解决任何一个难题都是从原因上入手原因：1 汽油中自燃点低的组分太多办法之一 重整现代炼油工业上生产高辛烷值汽油的主要方法：催化重整catalytic reforming原因 2 爆震是由于产生过氧化物而引起的办法之二消除过氧化物添加剂法添加剂法四乙基铅四乙基铅（二溴乙烷）其他方法：*组合剂法30%酒精*裂化汽油n n汽油质量指标之一抗爆性能爆震 detonationg原因：1 汽油中自燃点低的组分太多自燃点顺序：直链烃 支链听，环烷烃 芳香烃2 爆震是由于产生过氧化物而引起的 一碳化学弗歇尔弗歇尔托洛帕反应托洛帕反应(1926(1926年年 德国德国)一氧化碳和氢气在催化剂的作用下合成长链的一氧化碳和氢气在催化剂的作用下合成长链的烃类化合物烃类化合物甲烷化反应甲烷化反应 CO+3H2 CH4+H2OCO+3H2 CH4+H2O烷烃化反应烷烃化反应 nCO+(2n+1)H2 CnH2n+2+nH2OnCO+(2n+1)H2 CnH2n+2+nH2O烯烃化反应烯烃化反应 nCO+2nH2 CnH2n+nH2OnCO+2nH2 CnH2n+nH2O醇化反应醇化反应 nCO+2nH2 CnH2n+1OH+(n-1)H2OnCO+2nH2 CnH2n+1OH+(n-1)H2O甲烷为主的燃气有两个优点：1 单位燃气体积的燃烧热值高2.22.5倍 2 甲烷的泄漏不会引起人的中毒v西方发达国家的管道煤气以甲烷为主v上海正在逐步过渡到使用天然气 东海气田的天然气（浦东地区）西气东输的天然气（2004年元旦浦西地区正式 点火使用）CH4 Methane 天然气水合物天然气水合物21世纪的新能源世纪的新能源n n天然气水合物（CH4H2O）:以甲烷为主的可燃气体和水形成的水合物又叫可以甲烷为主的可燃气体和水形成的水合物又叫可燃冰、气冰或固体瓦斯燃冰、气冰或固体瓦斯n n天然气水合物形成的最主要条件：充足的烃类气体来源、适当的温压条件、地质构充足的烃类气体来源、适当的温压条件、地质构造环境造环境n n其中甲烷占80%99.9%，可直接点燃 燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都小的多天然气都小的多 生物质能燃料的碳循环生物质能燃料的碳循环 沼气的生产沼气的生产n n主要利用厌氧菌消化主要利用厌氧菌消化的生物化学方法的生物化学方法 n n消化过程的消化过程的3 3个阶段：个阶段：水解水解 酸化酸化 甲烷化甲烷化 典型的消化池示意图 发酵法制乙醇发酵法制乙醇发酵法制备乙醇的流程示意图 生生 物物 柴柴 油油 n n典型的“绿色能源”二氧化硫、硫化物和一氧化碳的排放低生物降解性高 清洁的可再生能源 n目前生物柴油的主要问题：成本高化学电源的原理化学电源的原理氧化还原反应氧化还原反应化学能直接转换为电能的两个必要条件：n n在化学电源中发生的化学过程是有电子得失的氧在化学电源中发生的化学过程是有电子得失的氧化还原过程化还原过程n n给予适当的装置使反应分别在两个电极上进行，给予适当的装置使反应分别在两个电极上进行，电子必须通过外线路做功电子必须通过外线路做功化学电源的特点化学电源的特点 化学能的利用率高 火力发电装置：火力发电装置：化学能化学能 热能热能 机械能机械能 电能电能 化学电源：化学电源：化学能化学能 电能电能 容易提高比能量 比能量：单位电源设备总质量所输出的总能量，其单位比能量：单位电源设备总质量所输出的总能量，其单位为为WWhkghkg11 比能量=WH/(M1+M2)WW功率功率 HH工作时间工作时间 WWHH输出总能量输出总能量 MM1 1固定设备的质量固定设备的质量 MM2 2活性物质的质量活性物质的质量 易小型化常用化学电池常用化学电池n n原电池（一次电源）如：中性锌如：中性锌二氧化锰电池二氧化锰电池 ，碱性锌，碱性锌二氧化锰二氧化锰电池，锌电池，锌氧化汞电池氧化汞电池 n n蓄电池（二次电源）如：铅如：铅酸蓄电池，碱式镉酸蓄电池，碱式镉镍电池，氢镍电池，氢镍电镍电池，锂电池池，锂电池n n燃料电池 如：氢如：氢氧燃料电池氧燃料电池氢氧原料电池为什么回收废旧电池为什么回收废旧电池 在锌锰干电池中含有一定量的重金属：在锌锰干电池中含有一定量的重金属：镉镉镉镉 汞汞汞汞 镍镍镍镍 锌锌锌锌剧毒，致癌超过一定浓度将对人体构成威胁废电池回收的方法废电池回收的方法n n热处理热处理热处理热处理 将旧电池磨碎后送往炉内加热将旧电池磨碎后送往炉内加热将旧电池磨碎后送往炉内加热将旧电池磨碎后送往炉内加热,在低温下先使汞挥在低温下先使汞挥在低温下先使汞挥在低温下先使汞挥发发发发,然后在高温下回收其他金属。然后在高温下回收其他金属。然后在高温下回收其他金属。然后在高温下回收其他金属。n n湿处理湿处理湿处理湿处理 将各类电池溶解于硫酸将各类电池溶解于硫酸将各类电池溶解于硫酸将各类电池溶解于硫酸,然后借助于树脂从溶液中然后借助于树脂从溶液中然后借助于树脂从溶液中然后借助于树脂从溶液中提取各种金属。提取各种金属。提取各种金属。提取各种金属。核核 能能n n原子核的结合能力原子核的结合能力 分散的核子聚集在一起会形成原子核，分散的核子聚集在一起会形成原子核，并释放出大量的能量。并释放出大量的能量。质量亏损质量亏损质量亏损质量亏损 原子核的质量总是小于组成原子核的各个粒子原子核的质量总是小于组成原子核的各个粒子原子核的质量总是小于组成原子核的各个粒子原子核的质量总是小于组成原子核的各个粒子(质质质质子和中子子和中子子和中子子和中子)质量的总和。质量的总和。质量的总和。质量的总和。亏损的质量与原子核结合能满足著名的爱因斯坦亏损的质量与原子核结合能满足著名的爱因斯坦亏损的质量与原子核结合能满足著名的爱因斯坦亏损的质量与原子核结合能满足著名的爱因斯坦质能公式：质能公式：质能公式：质能公式：E=McE=Mc2 2 例：例：例：例：一个质子的静止质量为一个质子的静止质量为一个质子的静止质量为一个质子的静止质量为1.00728u1.00728u（u u为原子质量单为原子质量单为原子质量单为原子质量单位，位，位，位，1u=1.660565*101u=1.660565*10-27-27kgkg），），），），一个中子的静止质量一个中子的静止质量一个中子的静止质量一个中子的静止质量为为为为1.00867u1.00867u。有两个质子和两个中子组成氦原子核，有两个质子和两个中子组成氦原子核，有两个质子和两个中子组成氦原子核，有两个质子和两个中子组成氦原子核，其质量应该为其质量应该为其质量应该为其质量应该为4.03190u4.03190u，但是氦原子核的静止质量但是氦原子核的静止质量但是氦原子核的静止质量但是氦原子核的静止质量却是却是却是却是4.00150u4.00150u，比总和少了比总和少了比总和少了比总和少了0.03040u0.03040u，失去的这部失去的这部失去的这部失去的这部分质量以能量的形式放出，也就是原子核的结合分质量以能量的形式放出，也就是原子核的结合分质量以能量的形式放出，也就是原子核的结合分质量以能量的形式放出，也就是原子核的结合能。能。能。能。E=0.03040 X 1.6605655 X 10E=0.03040 X 1.6605655 X 10-27-27 X(2.99793X(2.99793X 10X 108 8)2 2=4.5369 X 10=4.5369 X 10-12-12(J)(J)由中子和质子组成一摩尔氦核产生的能量为由中子和质子组成一摩尔氦核产生的能量为6.02217 X 1023 X 405369 X 106.02217 X 1023 X 405369 X 10-12-12=2.7322 X 10=2.7322 X 1012 12 J Jmolmol-1-1核质量数平均结合能曲线原子核的核子数原子核的核子数每每个个核核子子的的平平均均结结合合数数（Mev/核核子子）临界体积临界体积 只有核裂变产生的中子数能够补偿这些损耗只有核裂变产生的中子数能够补偿这些损耗只有核裂变产生的中子数能够补偿这些损耗只有核裂变产生的中子数能够补偿这些损耗的中子数时，链式反应才能正常进行。而这一的中子数时，链式反应才能正常进行。而这一的中子数时，链式反应才能正常进行。而这一的中子数时，链式反应才能正常进行。而这一条件只能在反应堆（或铀块）具有一个最低限条件只能在反应堆（或铀块）具有一个最低限条件只能在反应堆（或铀块）具有一个最低限条件只能在反应堆（或铀块）具有一个最低限度的体积时才能实现，这个最低限度的体积称度的体积时才能实现，这个最低限度的体积称度的体积时才能实现，这个最低限度的体积称度的体积时才能实现，这个最低限度的体积称为临界体积。为临界体积。为临界体积。为临界体积。中肯质量中肯质量纯纯纯纯235235U 1kgU 1kg纯纯纯纯239239Pu 1kgPu 1kg核燃料-U-235的裂变反应n n中子中子+U-235Xe +Sr +2个中子个中子Ba +Kr +3个中子个中子I +Y +4个中子个中子铀元素的同位素：U-238 99.28%（不会裂变）（不会裂变）U-235 0.714%U-234 0.006%（不会裂变）（不会裂变）不能实现发生裂变的原因是不能实现发生裂变的原因是：太少，中子无法与它相遇太少，中子无法与它相遇要吸收高能中子要吸收高能中子办法之一办法之一 浓缩浓缩U235 铀化合物铀化合物 （气态）（气态）通过盘管长距离的扩散可将的浓通过盘管长距离的扩散可将的浓度提高到左右，已有足够的几率与中子相遇，度提高到左右，已有足够的几率与中子相遇，从而发生裂变反应。从而发生裂变反应。办法之二降低中子的能量uu石墨石墨u重水（重水（）重水反应堆或石墨反应堆就可以使用天然铀重水反应堆或石墨反应堆就可以使用天然铀 （浓度为）（浓度为）美美朝核争论朝核争论轻水反应堆-H2O-浓缩铀-只能提供能量重水反应堆-D2O-天然铀-除能量外还可制备钚铀-238占99%以上 在重水反应堆中可转变为钚-239鎿核聚变和氢弹n n核聚变核聚变n n由由2个或多个氢原子核聚合成一个较重原子个或多个氢原子核聚合成一个较重原子核的过程核的过程 H+H He（高温下）高温下）H+Li 2 He（在特定的强磁场中）在特定的强磁场中）212142422163太阳能的特点太阳能的特点n n储量的“无限性”n n存在的普遍性n n开发利用的清洁性太阳能的常用转化技术太阳能的常用转化技术n n光光-热转化热转化n n光光-电转化电转化n n光光-化学转化化学转化太阳能制氢技术太阳能制氢技术n n太阳热分解制氢n n光化学分解制氢n n太阳光络合催化分解水制氢