大学化学化学与能源.pptx

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1、主题：化学与能源主题：化学与能源7.1 能源的分类和能量的转化能源的分类和能量的转化7.1.1 能源的分类n一次能源；二次能源。q一次能源（天然能源）：在自然界以现成形式存在的能源；q二次能源（人工能源）：由一次能源直接加工或间接加工转换而成的其它种类或形式的能源。n再生能源；不可再生能源q再生能源是指能够重复产生的自然资源；q不可再生能源是指不能够重复产生的自然资源。n传统能源和新能源q常规能源是指在目前科学技术条件下，已广泛使用的能源，如煤、油、气、电、水、柴草等；q新能源是指正在研究开发，可以利用的能源，太阳能、氢能、潮汐能、地热能、海洋能等能源分类能源分类常规能源常规能源新型能源新型能

2、源一次能源一次能源（原生能源）（原生能源） 再生能源再生能源水、生物质能（柴草、水、生物质能（柴草、秸秆等）秸秆等）太阳能、海洋能、太阳能、海洋能、地热能、风能地热能、风能不可再生能不可再生能源源 化石燃料（煤、石油、化石燃料（煤、石油、天然气）、油页岩沥天然气）、油页岩沥青砂、核裂变燃料青砂、核裂变燃料核聚变能量核聚变能量二次能源二次能源（次生能源）（次生能源） 煤炭制品（焦炭、煤气、水煤等）煤炭制品（焦炭、煤气、水煤等）石油制品（汽油、煤油、柴油、液化气）石油制品（汽油、煤油、柴油、液化气）电能、氢能、沼气、激光、等离子体、发酵酒精等电能、氢能、沼气、激光、等离子体、发酵酒精等 7.1.2

3、 7.1.2 能量的转化能量的转化n能源的利用就是不同形式能量的转化过程。n能量的形态有7种q机械能；热能；化学能；电能；光能；核能；和生物能。n能量的单位q卡路里 (Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）q焦耳 (Jole, J)；千焦 (kJ); 1Cal=4.184 Jn能量转换及其效率：存在损失q热力学第一定律：U = Q - W表2.1 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有意义的工作。类型类型转换过程转换过程效率效率(%)蒸汽机蒸汽机煤煤( (油油) )燃烧燃烧蒸汽蒸汽活

4、塞运动活塞运动机械能机械能1540热力发电热力发电煤煤( (油油) )燃烧燃烧蒸汽蒸汽汽轮机转动汽轮机转动电能电能3040汽汽( (柴柴) )油机油机燃油燃烧燃油燃烧汽缸活塞运动汽缸活塞运动机械机械能能4060化学电池化学电池化学物质化学物质化学反应化学反应电能电能7085电灯电灯电能电能光能光能10206-2化石燃料包括：煤炭、石油和天然气，化石燃料包括：煤炭、石油和天然气，全世界使用的能源全世界使用的能源90% 取自化石燃料取自化石燃料，它们经历了，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是上亿年的时间才得以生成，因此是不可再生不可再生能源。能源。按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源

5、按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：可供人类使用的时间大约还有：7.2 化石燃料化石燃料n化石燃料包括：煤炭、石油和天然气，n全世界使用的能源90% 取自化石燃料，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可再生能源。n按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：7.2.1 煤煤1、煤的组成与结构n有机成分n无机成分：硫酸盐（如Ca、Mg、Fe等）、硅酸盐（K、Na、Ca、Mg、Al等）、硫化物、氧化亚铁等2、煤的气化n煤在氧气不足的情况下部分氧化，使煤中的有机物转化为可燃气体（4和7重要）3、煤的干馏n将煤隔绝空气加强热使其分解

6、n产物：焦炭、煤焦油、焦炉气、粗苯、粗氨水 原理原理产品产品液液化化直接直接液化液化高温、高压和有催化剂条高温、高压和有催化剂条件下，与溶剂混合，使煤件下，与溶剂混合，使煤与与H H2 2作用生成作用生成液体燃料液体燃料优质汽油、柴油、芳香优质汽油、柴油、芳香烃和副产燃料气、液化烃和副产燃料气、液化石油气等石油气等 间接间接液化液化把煤转化成把煤转化成COCO和和H H2 2，经催，经催化合成得到烃类燃料、醇化合成得到烃类燃料、醇类燃料类燃料( (如如CHCH3 3OH)OH)等等合成合成汽油、甲醇汽油、甲醇等等 4、煤的液化7.2.2 石油与天然气石油与天然气n石油与天然气的形成q石油与天然

7、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2.1n石油与天然气的组成q石油是许多性质不同的有机物的混合物混合物，其中75以上是各种各样的烃类，其他组成是含氧、含氮、含硫以及含金属的化合物。石油中烃类的主要组分是烷烃、环烷烃和芳烃烷烃、环烷烃和芳烃。烯烃的含量很少。烷烃中有直链和带支链的。q天然气（natural gas）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”。石石油油烃类烃类非烃类非烃类（硫化氢（硫化氢;硫醇硫醇;硫醚硫醚;噻酚噻酚,吡啶吡啶,吡咯类吡咯类,等）

8、等）气态烃气态烃（石油气，（石油气，C1C4低沸点组分）低沸点组分）液态烃液态烃固态烃固态烃（C36；凡士林，蜡，沥青，等）凡士林，蜡，沥青，等）汽油汽油（C5C11正构烷烃，正构烷烃，500 渣油 C40 做电极，金属铸造燃料 裂化n原因：分馏得到的轻油占1/31/4，质量不好。n方法：热烈化低分子烯烃催化裂化高质量汽油n实质是烃分子C-C链断裂，裂解产物是小分子的烃类和烯烃 3、石油化工和天然气化工、石油化工和天然气化工碳化学n指以分子中只含一个碳原子的化合物(如化碳、甲烷、甲醇等)为原料来合成一系列化工原料和燃料的化学。7.3 核能核能1、核裂变反应q由于一个核的裂变可生成多个中子，进而

9、可引发多个核的裂变，因此核的裂变是一个支链反应，如q大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:n重核裂变要形成链式反应（或增殖反应）；n链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆142Ba +91Kr+ 31n235U + 1n56360137Te +97Zr+ 21n52400235U235U链式反应链式反应中子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸2、核聚变反应、核聚变反应由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放出很大的能量。q核聚变所释放的能量大于核裂变所释放的能量；q核聚变所需的温度较高（T50,000,000）；q目前太阳上正在进行的是氢聚变成

10、氦的反应7.4 化学电池化学电池n电池的分类：q电池按照其使用性质的不同可以分为一次电池（干电池、原电池）、二次电池（蓄电池）和燃料电池等几大类。 n表征电池的质量常用指标q开路电压和工作电压q电池容量q寿命和贮存期7.4.2 原电池原电池1、铵型锌-锰干电池：q负极是锌做的圆筒q正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。q电池符号：q电池总反应)C(,MnOClNH)Zn(24OHMnO2NHZnClMnOCl2NHZn232242、锌型锌-锰干电池：q电池符号： (-)Zn | ZnCl2| MnO2(+)q电池反应：3、碱型锌-锰干电池：q电池符号： (-)Zn | KO

11、H| MnO2(+)q电池反应：4、锂原电池q称锂电池2222MnOOHZnO2ZnClMnO(OH)62Zn(OH)ClZn222Zn(OH)MnO(OH)2MnOO2HZn7.4.3 蓄电池蓄电池1、铅酸蓄电池q电池符号：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2q电池反应: 2、镍-镉电池q电池符号: Cd | KOH | NiOOH,Cq电池反应:Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O放放电电充充电电Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) 放放电电充充电电2Ni(OH)2(s) + Cd(OH)2(s)3、金属氢化物-镍电池（MH-

12、Ni）q电池符号：MH | KOH | NiOOHq电池反应：4、锂离子电池q电池总反应：LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + Clixq充电时,锂离子在外电场的作用下进入层状石墨,处于高能态;放电时锂离子从高能态脱离出来进入低能态(正极),同时通过外回路放出多余的电能。5、银-锌纽扣电池q电池符号：电池符号：Zn-ZnO | KOH(40%) | Ag2O-Ag7.4.4 燃料电池燃料电池n燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。n燃料

13、电池的特点q燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 q清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 q可靠性和操作性良好，噪声低。 q所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。 燃料电池的基本组成燃料电池的基本组成n阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类燃料电池的分类燃料电池的分类n1、按燃料电池的运行机理分q分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 n2. 按电解质的种类不同：q碱性燃料电池（AFC）、q质子交换膜燃料电池（PEMFC）q磷酸燃料电池（PAFC）、q熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、q固体氧化物燃料电池（SO

14、FC）、 n3. 按燃料类型分q氢燃、甲烷、甲醇、乙醇料电池 1、碱性燃料电池（、碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池的结构（自由电解质型） q主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水q碱性燃料电池的工作温度大约80q是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 q AFC的优点是：n效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高；n因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；n 因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板qAFC的缺点是：n因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很

15、大的困难。n电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。2、磷酸燃料电池（、磷酸燃料电池（PAFC）q以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。q磷酸燃料电池特点n排气清洁燃料并不燃烧，就发电，所以几乎完全没有NOX,SOX。污染大气物质n.发电效率高燃料电池发电上是把燃料的化学能直接变换成电能的，所以能量变换损失少n.低噪音，低振动不伴有旋转机械的发电方式，所以是在低噪音、低振动下运转。3、质子交换膜燃料电池、质子交换膜燃料电池（PEMFC） q原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场

16、所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极q两电极的反应分别为：n阳极(负极)：2H2-4e=4H+ n阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O q质子交换膜燃料电池具有如下优点：n其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；n发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。 n质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等n被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。4、熔融碳酸燃料电池（、熔融碳酸燃料电池（MCFC）q工作温度可达650。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。q溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。q阳极反应：CO32- + H2