《化學(xué)與能源》PPT課件

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1、第六章 化學(xué)與能源,能源 是指一切能量比較集中的含能體(如煤炭、天然氣等)和能量過(guò)程(如風(fēng)、潮汐)。 能源按其來(lái)源大致分為三類(lèi)：太陽(yáng)能及其轉(zhuǎn)化物,如太陽(yáng)直接輔射能、煤、石油、天然氣等化石燃料，以及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化來(lái)的生物能、水能、風(fēng)能、海洋能等；地球本身的能量，如地?zé)崮?、核能；天體對(duì)地球的引力能，如潮汐能。能源按利用方式可分為兩種：直接從自然界獲得的不改變其形態(tài)的次能源和經(jīng)人類(lèi)加工生產(chǎn)出來(lái)的二次能源。一次能源按能否再生又可分為：可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能；經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年形成且短期內(nèi)不可再生能源的能源，如化石燃科、核能等。從對(duì)環(huán)境的影響來(lái)看，化石燃料等為污染能源，水能、風(fēng)能等則為清潔能源。,煤、石油、天然

2、氣是當(dāng)今世界上最重要的化石燃料(又叫礦物燃料)，是主要的能源。 煤黑色金子 煤的形成：煤主要是由古代植物在地下隔絕空氣的條件下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的一系列復(fù)雜的化學(xué)變化和生物變化，而形成的一種由有機(jī)物和無(wú)機(jī)物所組成的復(fù)雜的混合物。煤的主要成分是碳，還含有氫、氧、氮及硫、磷等48種元素。 煤炭有實(shí)用價(jià)值的綜合利用主要有煤的干餾、氣化和液化。煤最主要的應(yīng)用是直接作為燃料， 將煤粉放在隔絕空氣的煉焦?fàn)t中加熱，即煤的干餾。由此得到焦炭、煤焦油、炔爐氣、粗氨水和粗苯等。這些產(chǎn)物可用于生產(chǎn)化肥、塑料、合成橡膠、合成纖維、炸藥、染料、醫(yī)藥等。,一、常規(guī)能源化石燃料,煤的氣化：是把煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃件氣體的過(guò)程。煤

3、與有限的空氣和水蒸氣反應(yīng)，得到種氣態(tài)混合物，稱(chēng)之為半煤氣：,如果將煤在高溫時(shí)與水蒸氣反應(yīng)即可制很水煤氣，這種氣體的燃燒熱比半水煤氣高1倍。,煤的液化：是把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料的過(guò)程。煤與液態(tài)烴在化學(xué)組成上的差別在于煤的氫碳原子比(即H/C)低(一般石油烴的H/C約為18)。為使煤液化，需要加氫。,石油的形成：石油是由古代動(dòng)、植物遺體在地殼內(nèi)部高溫、高壓條件下經(jīng)過(guò)非常復(fù)雜的化學(xué)變化而形成的各種烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成的混合物。石油所含的基本元素是碳和氫(達(dá)9798)，同時(shí)含少量硫、氧、氮等元素。 石油（原油）經(jīng)過(guò)分餾可得到系列產(chǎn)品，如溶劑油、汽油、柴油、潤(rùn)滑油等。,石油工業(yè)的糧食,圖6-1 原油加工示

4、意圖,辛烷值常用來(lái)衡量汽油的抗震程度，把抗震性較好的異辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)的辛烷值定為l00，爆震性極強(qiáng)的正庚烷的辛烷值定為零，把汽油的抗震性和這兩種烴的不同比例的混合物進(jìn)行比較，就可以得到該汽油的相對(duì)辛烷值。為了提高汽油的辛烷值，過(guò)去廣泛使用的一種入法是在汽油中添加少量抗震劑四乙基鉛；現(xiàn)在為了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚CH3OC(CH3)3 ，又名MTBE 作為高辛烷值組分。目前，我國(guó)使用的車(chē)用汽油標(biāo)號(hào)就是按照汽油的辛烷值大小劃分的，例如90號(hào)汽油表示該汽油的辛烷值不低于90。,汽油和汽油的標(biāo)號(hào),氫能是經(jīng)人類(lèi)加工生產(chǎn)出來(lái)的二次能源，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：原料來(lái)源豐富(水)，取

5、之不盡，用之不竭；燃燒熱值高，1千克H2燃燒可以放出近12萬(wàn)千焦熱量，相當(dāng)于燃燒3千克汽油；無(wú)污染，不產(chǎn)生有毒有害氣體。因此，氫能源是理想的新能源。 發(fā)展新能源，首先，需要解決如何廉價(jià)大量制備氫氣的問(wèn)題，其次，要解決儲(chǔ)存問(wèn)題。 目前世界上已開(kāi)發(fā)和正在研究的方法有：電解法(電解水或食鹽水)；用煤、天然氣、輕質(zhì)油與高壓水蒸氣反應(yīng)的熱化學(xué)法；陽(yáng)光催化分解法；生物法等。,二、理想的新能源氫能,光分解水制氫的研究中已找到一些催化劉，如鈣和聯(lián)吡啶形成的配合物。它吸收的陽(yáng)光正好近似于水分解成氫和氧所需的能量。另外，二氧化鈦和某些含鈣的化合物也是較適用的催化劑。 有人大膽設(shè)想用城市垃圾和污水來(lái)制取氫氣，主要

6、原理是：,,,日本東京大學(xué)的科學(xué)家在氬和氦的氣流中，將陶瓷CNF加熱至300度，然后用注射針頭向CNF注水制得氫。由于水解后CNF又回到非活化狀態(tài)，所以CNF能反復(fù)使用。在每一次反應(yīng)中，平均每克CNF可產(chǎn)生2至3厘米3H2。 我國(guó)在世界上首次完成生物制氫中試實(shí)驗(yàn)。哈爾濱建筑大學(xué)的學(xué)者利用細(xì)茵從污水中分解收集氫氣，并于2000年2月初完成中試實(shí)驗(yàn)。利用含碳水化合物的有機(jī)廢水通過(guò)生物發(fā)酵制氫，使人類(lèi)找到了一種新的可再生的潔凈能源。,大量?jī)?chǔ)存氫一般有兩種方法。一種方法是高壓下液化為液氫。但在常壓下，氫氣必須降溫至-252度才能變成液體，這種方法成本高，而且儲(chǔ)存液氫要有極好的絕熱設(shè)備托瓦瓶。液氫易逸

7、散滲漏，會(huì)釀成嚴(yán)重火災(zāi)和爆炸事故。另一種方法是用某些金屬或合金來(lái)儲(chǔ)存氫。氫有一個(gè)奇持的性質(zhì)，它會(huì)與某些過(guò)渡金屬(如鈀等)或合金形成金屬氫化物，如1體積膠狀佬(Rh)能吸收2900體積氫氣。當(dāng)溫度升高或體系氫壓降低時(shí)，它們就放出氫。利用儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)存量高、可逆、安全等優(yōu)點(diǎn)。,氫的儲(chǔ)存方法,研究新的合理的制氫方法是一項(xiàng)一勞永逸地解決能源問(wèn)題的研究課題，理想的氫能源如圖所示。,,圖6-2 理想的氫能源示意圖,化學(xué)電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，分為原電池和蓄電池。 原電池 原電池通常由正極、負(fù)極、電解液以及容器和隔膜等組成，它可表示為：負(fù)極/電解液/正極 。,三、化學(xué)電池,圖6-3 原

8、電池示意圖,,干電池,1800年伏打首先制成了伏打電池。1836年英國(guó)化學(xué)家發(fā)明了古典原電池。1865年法國(guó)化學(xué)家勒克朗斯發(fā)明了第個(gè)干電池，現(xiàn)代的干電池不過(guò)是其改進(jìn)。,,,鋅錳干電池結(jié)構(gòu)圖,(2) 堿性干電池 用氫氧化鉀代替氯化鋅和氯化銨作電解質(zhì)，在這種電池里，電解質(zhì)為堿溶液，有良好的導(dǎo)電性能，比糊狀的氯化銨溶液導(dǎo)電速度快得多；鋅皮改為鋅粉，反應(yīng)的面積要比鋅皮大得多，因此可做到連續(xù)大容量放電；外殼另有做成封閉型的鐵皮，以防電解液滲漏。,堿性干電池,,,,銀鋅鈕扣電池,,鈕扣式電池中常見(jiàn)的為銀鋅電池。銀鋅電池體積小、重量輕，可大電流放電，放電電壓平穩(wěn)，工作電壓是1.6伏，廣泛應(yīng)用于對(duì)體積和重量有

9、嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，但價(jià)格昂貴。,蓄電池,蓄電池也稱(chēng)二次電池，是指放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用的化學(xué)電池。 (1) 鉛蓄電池 由金屬鉛板(負(fù)極)和緊附著二氧化鉛的 鉛板(正極)浸入30（密度為1.21.3 g/cm3）的硫酸水溶液所組成。鉛蓄電池充電后電壓可達(dá)2.2伏；放電后電壓下降，當(dāng)電壓降至l.25伏時(shí)(這時(shí)溶液密度為1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必須充電。鉛蓄電池用于汽車(chē)、小型電動(dòng)機(jī)車(chē)作為啟動(dòng)電源，用于實(shí)驗(yàn)室作為常用電源，還廣泛用于飛機(jī)、汽車(chē)、拖拉機(jī)、坦克的照明光源。,,鉛蓄電池 的電極反應(yīng),,堿式鎳鎘蓄電池,,,銀鋅電池,發(fā)展中的新型電池,1、氫鎳電池,氫鎳電池是新型的蓄電池，其正極為

10、氧化鎳，負(fù)極為氫電極（其內(nèi)部氣體壓力可達(dá)4MP）。它的工作狀態(tài)可劃分為3種：正常工作狀態(tài)、過(guò)充電狀態(tài)和過(guò)放電狀態(tài)。,,,表6-1 氫鎳電池的電極反應(yīng)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位,氫鎳電池的電極反應(yīng)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位（續(xù)）,氫鎳電池的的突出優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)壽命長(zhǎng)，1977年起在地球同步軌道條件下壽命超過(guò)10年。此外，它承受過(guò)充電和過(guò)放電的能力很強(qiáng)。但其成本較高，電池放電速度較大，以及有爆炸的可能性。盡管如此，氫鎳電池的前景十分樂(lè)觀，最終將在航天領(lǐng)域內(nèi)全面取代鎘鎳電池。,2、鋰電池,鋰是自然界電池最輕的金屬元素，同時(shí)它又具有最低的電負(fù)性（-3.045V）。所以選擇適當(dāng)?shù)恼龢O與之匹配，可以獲得較高的電動(dòng)勢(shì)，具有最高的比

11、能量，所謂比能量，即單位重量電極物質(zhì)所能放出的能量。 由于鋰遇水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，所以應(yīng)選用非水電解質(zhì)溶液。日本三洋公司首先推出Li/MnO2電池。其電極反應(yīng)如下：,反應(yīng)結(jié)束Li+進(jìn)入MnO2晶格中。,,鋰電池的優(yōu)異性能是：比能量高，使用溫度范圍廣，放電電壓平坦。以固體電解質(zhì)制成的鋰電池，體積小，無(wú)電解液滲漏，電壓隨放電時(shí)間下降緩慢，電池壽命長(zhǎng)，特別適用于心臟起搏器的電源。主要缺點(diǎn)是：但在短路或某些重負(fù)荷下，有發(fā)生爆炸的可能性。,3、燃料電池,所謂燃料電池，是通過(guò)電化學(xué)過(guò)程將反應(yīng)物（燃料）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的電池裝置。 燃料電池的基本組成是電極、電解質(zhì)、燃料和氧化劑。工作時(shí)，燃料和氧化劑不間斷地分別輸送到電池的兩個(gè)電極上，確保電池連續(xù)穩(wěn)定工作。,圖6-5 氫-氧燃料電池的工作原理,,圖6-6 氫-氧燃料電池的反應(yīng)過(guò)程,燃料電池適用于航空事業(yè)，一則燃料電池有很高的比能量，可降低向太空的發(fā)射費(fèi)用。二則燃料電池的產(chǎn)物是水，經(jīng)處理后可供宇航員飲用，更可減少攜帶重量。,