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第六章第六章 化学与能源化学与能源 能能源源 是是指指一一切切能能量量比比较较集集中中含含能能体体(如如煤煤炭炭、天天然然气气等等)和能量过程和能量过程(如风、潮汐如风、潮汐)。能能源源按按其其起起源源大大致致分分为为三三类类：太太阳阳能能及及其其转转化化物物,如如太太阳阳直直接接辅辅射射能能、煤煤、石石油油、天天然然气气等等化化石石燃燃料料，以以及及太太阳阳能能转转化化来来生生物物能能、水水能能、风风能能、海海洋洋能能等等；地地球球本本身身能能量量，如如地地热热能能、核核能能；天天体体对对地地球球引引力力能能，如如潮潮汐汐能能。能能源源按按利利用用方方式式可可分分为为两两种种：直直接接从从自自然然界界取取得得不不改改变变其其形形态态次次能能源源和和经经人人类类加加工工生生产产出出来来二二次次能能源源。一一次次能能源源按按能能否否再再生生又又可可分分为为：可可再再生生能能源源，如如太太阳阳能能、风风能能；经经过过亿亿万万年年形形成成且且短短期期内内不不可可再再生生能能源源能能源源，如如化化石石燃燃科科、核核能能等等。从从对对环环境境影影响响来来看看，化化石石燃燃料料等等为为污污染能源染能源，水能、风能等则为，水能、风能等则为清洁能源清洁能源。第1页 煤煤、石石油油、天天然然气气是是当当今今世世界界上上最最主主要要化化石石燃燃料料(又又叫矿物燃料叫矿物燃料)，是主要能源。，是主要能源。煤煤黑色金子黑色金子 煤煤形形成成：煤煤主主要要是是由由古古代代植植物物在在地地下下隔隔绝绝空空气气条条件件下下，经经过过长长久久一一系系列列复复杂杂化化学学改改变变和和生生物物改改变变，而而形形成成一一个个由由有有机机物物和和无无机机物物所所组组成成复复杂杂混混合合物物。煤煤主主要要成份是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等成份是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等4848种元素。种元素。煤煤炭炭有有实实用用价价值值综综合合利利用用主主要要有有煤煤干干馏馏、气气化化和和液液化。煤最主要应用是直接作为燃料，化。煤最主要应用是直接作为燃料，将将煤煤粉粉放放在在隔隔绝绝空空气气炼炼焦焦炉炉中中加加热热，即即煤煤干干馏馏。由由此此得得到到焦焦炭炭、煤煤焦焦油油、炔炔炉炉气气、粗粗氨氨水水和和粗粗苯苯等等。这这些些产产物物可可用用于于生生产产化化肥肥、塑塑料料、合合成成橡橡胶胶、合合成成纤纤维维、炸药、染料、医药等。炸药、染料、医药等。一、常规能源一、常规能源化石燃料化石燃料第2页煤气化：煤气化：是把煤中有机物转化为可燃件气体过程。煤是把煤中有机物转化为可燃件气体过程。煤与有限空气和水蒸气反应，得到与有限空气和水蒸气反应，得到种气态混合物，称种气态混合物，称之为半煤气：之为半煤气：假如将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这假如将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这种气体燃烧热比半水煤气高种气体燃烧热比半水煤气高1 1倍。倍。煤液化：煤液化：是把煤转化成液体燃料过程。煤与液态烃在是把煤转化成液体燃料过程。煤与液态烃在化学组成上差异在于煤氢碳原子比化学组成上差异在于煤氢碳原子比(即即H/C)H/C)低低(普通石油普通石油烃烃H/CH/C约为约为1 18)8)。为使煤液化，需要加氢。为使煤液化，需要加氢。第3页石油形成：石油形成：石油是由古代动、植物遗体在地壳石油是由古代动、植物遗体在地壳内部高温、高压条件下经过非常复杂化学改变内部高温、高压条件下经过非常复杂化学改变而形成各种烷烃、环烷烃和芳烃组成混合物。而形成各种烷烃、环烷烃和芳烃组成混合物。石油所含基本元素是碳和氢石油所含基本元素是碳和氢(达达97979898)，同时含少许硫、氧、氮等元素。同时含少许硫、氧、氮等元素。石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、润滑油等。剂油、汽油、柴油、润滑油等。石油石油工业粮食工业粮食第4页图6-1 原油加工示意图第5页辛烷值辛烷值惯用来衡量汽油抗震程度，把抗震性很好异辛惯用来衡量汽油抗震程度，把抗震性很好异辛烷烷(2(2，2 2，4 4一三甲基戊烷一三甲基戊烷)辛烷值定为辛烷值定为l00l00，爆震性极强，爆震性极强正庚烷辛烷值定为零，把汽油抗震性和这两种烃不一正庚烷辛烷值定为零，把汽油抗震性和这两种烃不一样百分比混合物进行比较，就能够得到该汽油相对辛样百分比混合物进行比较，就能够得到该汽油相对辛烷值。为了提升汽油辛烷值，过去广泛使用一个入法烷值。为了提升汽油辛烷值，过去广泛使用一个入法是在汽油中添加少许抗震剂是在汽油中添加少许抗震剂四乙基铅；现在为了提四乙基铅；现在为了提升汽油辛烷值，普通采取甲基叔丁基醚升汽油辛烷值，普通采取甲基叔丁基醚 CHCH3 3O OC(CHC(CH3 3)3 3，又名，又名MTBE MTBE 作为高辛烷值组分。当前，我作为高辛烷值组分。当前，我国使用国使用车用汽油标号就是按照汽油辛烷值大小划分车用汽油标号就是按照汽油辛烷值大小划分，比如比如9090号汽油表示该汽油辛烷值不低于号汽油表示该汽油辛烷值不低于9090。汽油和汽油标号汽油和汽油标号第6页 氢能是经人类加工生产出来氢能是经人类加工生产出来二次能源二次能源，它含，它含有以下优点：原料起源丰富有以下优点：原料起源丰富(水水)，取之不尽，用，取之不尽，用之不竭；燃烧热值高，之不竭；燃烧热值高，1 1千克千克H2H2燃烧能够放出近燃烧能够放出近1212万千焦热量，相当于燃烧万千焦热量，相当于燃烧3 3千克汽油千克汽油；无污染，；无污染，不产生有毒有害气体。所以，氢能源是理想新不产生有毒有害气体。所以，氢能源是理想新能源。能源。发发展展新新能能源源，首首先先，需需要要处处理理怎怎样样廉廉价价大大量量制制备氢气备氢气问题，其次，要处理问题，其次，要处理储存问题储存问题。当当前前世世界界上上已已开开发发和和正正在在研研究究方方法法有有：电电解解法法(电电解解水水或或食食盐盐水水)；用用煤煤、天天然然气气、轻轻质质油油与与高高压压水水蒸蒸气气反反应应热热化化学学法法；阳阳光光催催化化分分解解法法；生生物法物法等。等。二、理想新能源二、理想新能源氢能氢能第7页 光分解水制氢研究中已找到一些催化刘，如光分解水制氢研究中已找到一些催化刘，如钙和联吡啶形成配合物钙和联吡啶形成配合物。它吸收阳光恰好近似。它吸收阳光恰好近似于水分解成氢和氧所需能量。另外，于水分解成氢和氧所需能量。另外，二氧化钛二氧化钛和一些含钙化合物和一些含钙化合物也是较适用催化剂。也是较适用催化剂。有些人大胆构想用城市垃圾和污水来制取氢有些人大胆构想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要原理是：气，主要原理是：第8页 日本东京大学科学家在氩和氦气流中，将陶瓷CNF加热至300度，然后用注射针头向CNF注水制得氢。因为水解后CNF又回到非活化状态，所以CNF能重复使用。在每一次反应中，平均每克CNF可产生2至3厘米3H2。我国在世界上首次完成生物制氢中试试验。哈尔滨建筑大学学者利用细茵从污水中分解搜集氢气，并于年2月初完成中试试验。利用含碳水化合物有机废水经过生物发酵制氢，使人类找到了一个新可再生洁净能源。第9页 大量储存氢普通有两种方法。一个方法是大量储存氢普通有两种方法。一个方法是高高压下液化为液氢。压下液化为液氢。但在常压下，氢气必须降温但在常压下，氢气必须降温至至-252-252度才能变成液体，这种方法成本高，而度才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有极好绝热设备且储存液氢要有极好绝热设备托瓦瓶。液氢托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一个方法是一个方法是用一些金属或合金来储存氢。用一些金属或合金来储存氢。氢有氢有一个奇持性质，它会与一些过渡金属一个奇持性质，它会与一些过渡金属(如钯等如钯等)或合金形成金属氢化物，如或合金形成金属氢化物，如1 1体积胶状佬体积胶状佬(Rh)(Rh)能能吸收吸收29002900体积氢气。当温度升高或体系氢压降体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢含有低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢含有储存量高、可逆、安全等优点。储存量高、可逆、安全等优点。氢储存方法氢储存方法第10页 研究新合理制氢方法是一项一劳永逸地处理能研究新合理制氢方法是一项一劳永逸地处理能源问题研究课题，理想氢能源如图所表示。源问题研究课题，理想氢能源如图所表示。图6-2 理想氢能源示意图 第11页化化学学电电池池是是一一个个将将化化学学能能直直接接转转换换为为电电能能装装置置，分分为为原电池原电池和和蓄电池蓄电池。原原电电池池 原原电电池池通通常常由由正正极极、负负极极、电电解解液液以以及及容容器器和和隔膜等组成，它可表示为：负极隔膜等组成，它可表示为：负极/电解液电解液/正极正极 。三、化学电池三、化学电池图6-3 原电池示意图第12页干电池干电池 1818伏打首先制成了伏打电池。伏打首先制成了伏打电池。18361836年英国化学家创年英国化学家创造了古典原电池。造了古典原电池。18651865年法国化学家勒克朗斯创造了年法国化学家勒克朗斯创造了第第个干电池，当代干电池不过是其改进。个干电池，当代干电池不过是其改进。第13页锌锰干电池结构图锌锰干电池结构图 第14页(2)(2)碱性干电池碱性干电池 用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解质质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好导电性能，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好导电性能，比糊状氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反比糊状氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反应面积要比锌皮大得多，所以可做到连续大容量放电；应面积要比锌皮大得多，所以可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型铁皮，以防电解液渗漏。外壳另有做成封闭型铁皮，以防电解液渗漏。碱性干电池碱性干电池第15页银锌钮扣电池银锌钮扣电池 钮扣式电池中常见为银锌电池。银锌电池钮扣式电池中常见为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是平稳，工作电压是1.61.6伏，广泛应用于对体积伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求场所，但价格昂贵。和重量有严格要求场所，但价格昂贵。第16页蓄电池蓄电池 蓄电池蓄电池也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用化学电池。用化学电池。(1)(1)铅蓄电池铅蓄电池 由金属铅板由金属铅板(负极负极)和紧附着二氧化铅和紧附着二氧化铅铅板铅板(正极正极)浸入浸入3030（密度为（密度为1.21.3 g/cm1.21.3 g/cm3 3）硫酸水溶硫酸水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达液所组成。铅蓄电池充电后电压可达2.22.2伏伏；放电后电；放电后电压下降，当电压降至压下降，当电压降至l.25l.25伏伏时时(这时溶液密度为这时溶液密度为1.05 1.05 g/cmg/cm3 3)不能再使用，必须充电。铅蓄电池用于汽车、不能再使用，必须充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为开启电源，用于试验室作为惯用电小型电动机车作为开启电源，用于试验室作为惯用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克照明光源。源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克照明光源。第17页铅蓄电池铅蓄电池 电极反应电极反应第18页碱式镍镉蓄电池碱式镍镉蓄电池第19页银锌电池银锌电池第20页发展中新型电池发展中新型电池1 1、氢镍电池、氢镍电池氢镍电池是新型蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢氢镍电池是新型蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电极（其内部气体压力可达电极（其内部气体压力可达4MP4MP）。它工作状态可划）。它工作状态可划分为分为3 3种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。表表6-1 6-1 氢镍电池电极反应及对应标准电位氢镍电池电极反应及对应标准电位第21页氢镍电池电极反应及对应标准电位（续）氢镍电池电极反应及对应标准电位（续）氢镍电池突出优点是循环寿命长，氢镍电池突出优点是循环寿命长，19771977年起在地球同时年起在地球同时轨道条件下寿命超出。另外，它承受过充电和过放电轨道条件下寿命超出。另外，它承受过充电和过放电能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸可能性。尽管如此，氢镍电池前景十分乐观，有爆炸可能性。尽管如此，氢镍电池前景十分乐观，最终将在航天领域内全方面取代镉镍电池。最终将在航天领域内全方面取代镉镍电池。第22页2、锂电池、锂电池锂是自然界电池最轻金属元素，同时它又含有最低电负性（-3.045V）。所以选择适当正极与之匹配，能够取得较高电动势，含有最高比能量，所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出能量。因为锂遇水会发生猛烈反应，所以应选取非水电解质溶液。日本三洋企业首先推出Li/MnO2电池。其电极反应以下：反应结束Li+进入MnO2晶格中。第23页锂电池优异性能是：比能量高，使用温度范锂电池优异性能是：比能量高，使用温度范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成锂围广，放电电压平坦。以固体电解质制成锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降迟缓，电池寿命长，尤其适合用于时间下降迟缓，电池寿命长，尤其适合用于心脏起搏器电源。主要缺点是：但在短路或心脏起搏器电源。主要缺点是：但在短路或一些重负荷下，有发生爆炸可能性。一些重负荷下，有发生爆炸可能性。第24页3、燃料电池、燃料电池 所谓燃料电池，是经过电化学过程将反应物（燃料）所谓燃料电池，是经过电化学过程将反应物（燃料）中化学能直接转化成电能电池装置。中化学能直接转化成电能电池装置。燃料电池基本组成是电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料电池基本组成是电极、电解质、燃料和氧化剂。工作时，燃料和氧化剂不间断地分别输送到电池两个电工作时，燃料和氧化剂不间断地分别输送到电池两个电极上，确保电池连续稳定工作。极上，确保电池连续稳定工作。图6-5 氢-氧燃料电池工作原理第25页图6-6 氢-氧燃料电池反应过程 燃料电池适合用于航空事业，一则燃料电池有很高比燃料电池适合用于航空事业，一则燃料电池有很高比能量，可降低向太空发射费用。二则燃料电池产物是能量，可降低向太空发射费用。二则燃料电池产物是水，经处理后可供宇航员饮用，更可降低携带重量水，经处理后可供宇航员饮用，更可降低携带重量。第26页