六章节化学与能源ppt课件

第六章第六章 化学与能源化学与能源 能源能源 是指一切能量比较集中的含能体是指一切能量比较集中的含能体(如煤炭、天然气如煤炭、天然气等等)和能量过程和能量过程(如风、潮汐如风、潮汐)。能源按其来源大致分为三类：太阳能及其转化物能源按其来源大致分为三类：太阳能及其转化物,如太阳如太阳直接辅射能、煤、石油、天然气等化石燃料，以及太阳直接辅射能、煤、石油、天然气等化石燃料，以及太阳能转化来的生物能、水能、风能、海洋能等；地球本身能转化来的生物能、水能、风能、海洋能等；地球本身的能量，如地热能、核能；天体对地球的引力能，如潮的能量，如地热能、核能；天体对地球的引力能，如潮汐能。能源按利用方式可分为两种：直接从自然界获得汐能。能源按利用方式可分为两种：直接从自然界获得的不改动其形状的的不改动其形状的次能源和经人类加工消费出来的二次能源和经人类加工消费出来的二次能源。一次能源按能否再生又可分为：可再生能源，次能源。一次能源按能否再生又可分为：可再生能源，如太阳能、风能；经过亿万年构成且短期内不可再生能如太阳能、风能；经过亿万年构成且短期内不可再生能源的能源，如化石燃科、核能等。从对环境的影响来看，源的能源，如化石燃科、核能等。从对环境的影响来看，化石燃料等为污染能源，水能、风能等那么为清洁能源。化石燃料等为污染能源，水能、风能等那么为清洁能源。煤、石油、天然气是当今世界上最重要的化石燃料(又叫矿物燃料)，是主要的能源。煤黑色金子 煤的构成：煤主要是由古代植物在地下隔绝空气的条件下，经过长期的一系列复杂的化学变化和生物变化，而构成的一种由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。煤的主要成分是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等48种元素。煤炭有适用价值的综合利用主要有煤的干馏、气化和液化。煤最主要的运用是直接作为燃料，将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，即煤的干馏。由此得到焦炭、煤焦油、炔炉气、粗氨水和粗苯等。这些产物可用于消费化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、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煤的气化：是把煤中的有机物转化为可燃件气体的过煤的气化：是把煤中的有机物转化为可燃件气体的过程。煤与有限的空气和水蒸气反响，得到程。煤与有限的空气和水蒸气反响，得到种气态混种气态混合物，称之为半煤气：合物，称之为半煤气：假设将煤在高温时与水蒸气反响即可制很水煤气，这假设将煤在高温时与水蒸气反响即可制很水煤气，这种气体的熄灭热比半水煤气高种气体的熄灭热比半水煤气高1 1倍。倍。煤的液化：是把煤转化成液体燃料的过程。煤与液态煤的液化：是把煤转化成液体燃料的过程。煤与液态烃在化学组成上的差别在于煤的氢碳原子比烃在化学组成上的差别在于煤的氢碳原子比(即即H/C)H/C)低低(普通石油烃的普通石油烃的H/CH/C约为约为1 18)8)。为使煤液化，需求加氢。为使煤液化，需求加氢。石油的构成：石油是由古代动、植物遗体在石油的构成：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的地壳内部高温、高压条件下经过非常复杂的化学变化而构成的各种烷烃、环烷烃和芳烃化学变化而构成的各种烷烃、环烷烃和芳烃组成的混合物。石油所含的根本元素是碳和组成的混合物。石油所含的根本元素是碳和氢氢(达达97979898)，同时含少量硫、氧、氮等，同时含少量硫、氧、氮等元素。元素。石油原油经过分馏可得到系列产品，如石油原油经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、光滑油等。溶剂油、汽油、柴油、光滑油等。石油石油工业的粮食工业的粮食图6-1 原油加工表示图辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛烷异辛烷(2(2，2 2，4 4一三甲基戊烷一三甲基戊烷)的辛烷值定为的辛烷值定为l00l00，爆震，爆震性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种烃的不同比例的混合物进展比较，就可以得到这两种烃的不同比例的混合物进展比较，就可以得到该汽油的相对辛烷值。为了提高汽油的辛烷值，过去该汽油的相对辛烷值。为了提高汽油的辛烷值，过去广泛运用的一种入法是在汽油中添加少量抗震剂广泛运用的一种入法是在汽油中添加少量抗震剂四四乙基铅；如今为了提高汽油的辛烷值，普通采用甲基乙基铅；如今为了提高汽油的辛烷值，普通采用甲基叔丁基醚叔丁基醚CH3OC(CH3)3 CH3OC(CH3)3，又名，又名MTBE MTBE 作为高辛作为高辛烷值组分。目前，我国运用的车用汽油标号就是按照烷值组分。目前，我国运用的车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如汽油的辛烷值大小划分的，例如9090号汽油表示该汽油号汽油表示该汽油的辛烷值不低于的辛烷值不低于9090。汽油和汽油的标号汽油和汽油的标号 氢能是经人类加工消费出来的二次能源，它氢能是经人类加工消费出来的二次能源，它具有以下优点：原料来源丰富具有以下优点：原料来源丰富(水水)，取之不尽，取之不尽，用之不竭；熄灭热值高，用之不竭；熄灭热值高，1 1千克千克H2H2熄灭可以放出熄灭可以放出近近1212万千焦热量，相当于熄灭万千焦热量，相当于熄灭3 3千克汽油；无污千克汽油；无污染，不产生有毒有害气体。因此，氢能源是理染，不产生有毒有害气体。因此，氢能源是理想的新能源。想的新能源。开展新能源，首先，需求处理如何廉价大量制开展新能源，首先，需求处理如何廉价大量制备氢气的问题，其次，要处理储存问题。备氢气的问题，其次，要处理储存问题。目前世界上已开发和正在研讨的方法有：电解目前世界上已开发和正在研讨的方法有：电解法法(电解水或食盐水电解水或食盐水)；用煤、天然气、轻质油与；用煤、天然气、轻质油与高压水蒸气反响的热化学法；阳光催化分解法；高压水蒸气反响的热化学法；阳光催化分解法；生物法等。生物法等。二、理想的新能源二、理想的新能源氢能氢能 光分解水制氢的研讨中已找到一些催化刘，光分解水制氢的研讨中已找到一些催化刘，如钙和联吡啶构成的配合物。它吸收的阳光正如钙和联吡啶构成的配合物。它吸收的阳光正好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外，好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和某些含钙的化合物也是较适用的催二氧化钛和某些含钙的化合物也是较适用的催化剂。化剂。有人大胆想象用城市渣滓和污水来制取氢气有人大胆想象用城市渣滓和污水来制取氢气，主要原理是：，主要原理是：日本东京大学的科学家在氩和氦的气流中，将日本东京大学的科学家在氩和氦的气流中，将陶瓷陶瓷CNFCNF加热至加热至300300度，然后用注射针头向度，然后用注射针头向CNFCNF注水制得氢。由于水解后注水制得氢。由于水解后CNFCNF又回到非活化形状，又回到非活化形状，所以所以CNFCNF能反复运用。在每一次反响中，平均每能反复运用。在每一次反响中，平均每克克CNFCNF可产生可产生2 2至至3 3厘米厘米3H23H2。我国在世界上初次完成生物制氢中试实验。哈我国在世界上初次完成生物制氢中试实验。哈尔滨建筑大学的学者利用细茵从污水中分解搜集尔滨建筑大学的学者利用细茵从污水中分解搜集氢气，并于氢气，并于20002000年年2 2月初完成中试实验。利用含月初完成中试实验。利用含碳水化合物的有机废水经过生物发酵制氢，使人碳水化合物的有机废水经过生物发酵制氢，使人类找到了一种新的可再生的干净能源。类找到了一种新的可再生的干净能源。大量储存氢普通有两种方法。一种方法是高大量储存氢普通有两种方法。一种方法是高压下液化为液氢。但在常压下，氢气必需降温压下液化为液氢。但在常压下，氢气必需降温至至-252-252度才干变成液体，这种方法本钱高，而度才干变成液体，这种方法本钱高，而且储存液氢要有极好的绝热设备且储存液氢要有极好的绝热设备托瓦瓶。液托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。氢另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属(如如钯等钯等)或合金构成金属氢化物，如或合金构成金属氢化物，如1 1体积胶状佬体积胶状佬(Rh)(Rh)能吸收能吸收29002900体积氢气。当温度升高或体系体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢资料储氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢资料储氢具有储存量高、可逆、平安等优点。氢具有储存量高、可逆、平安等优点。氢的储存方法氢的储存方法 研讨新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地处理能源问题的研讨课题，理想的氢能源如下图。图6-2 理想的氢能源表示图 化学电池是一种将化学能直接转换为电能的安装，分化学电池是一种将化学能直接转换为电能的安装，分为原电池和蓄电池。为原电池和蓄电池。原电池原电池 原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和隔膜等组成，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 原电池表示图干电池干电池 1800年伏打首先制成了伏打电池。1836年英国化学家发明了古典原电池。1865年法国化学家勒克朗斯发明了第个干电池，现代的干电池不过是其改良。锌锰干电池构造图锌锰干电池构造图(2)(2)碱性干电池碱性干电池 用氢氧化钾替代氯化锌和氯化铵作电解用氢氧化钾替代氯化锌和氯化铵作电解质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导电性质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导电性能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反响的面积要比锌皮大得多，因此可做到延续大容粉，反响的面积要比锌皮大得多，因此可做到延续大容量放电；外壳另有做成封锁型的铁皮，以防电解液渗漏。量放电；外壳另有做成封锁型的铁皮，以防电解液渗漏。碱性干电池碱性干电池银锌钮扣电池银锌钮扣电池 钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池体积小、分量轻，可大电流放电，放电电压平稳，任务电压是1.6伏，广泛运用于对体积和分量有严厉要求的场所，但价钱昂贵。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运用的化学电池。(1)铅蓄电池 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板(正极)浸入30密度为1.21.3 g/cm3的硫酸水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05 g/cm3)不能再运用，必需充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、迁延机、坦克的照明光源。铅蓄电池铅蓄电池 的电极反响的电极反响碱式镍镉蓄电池碱式镍镉蓄电池银锌电池银锌电池开展中的新型电池开展中的新型电池1 1、氢镍电池、氢镍电池氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电极其内部气体压力可达氢电极其内部气体压力可达4MP4MP。它的任务形状。它的任务形状可划分为可划分为3 3种：正常任务形状、过充电形状和过放电形种：正常任务形状、过充电形状和过放电形状。状。表表6-1 6-1 氢镍电池的电极反响及对应的规范电位氢镍电池的电极反响及对应的规范电位氢镍电池的电极反响及对应的规范电位续氢镍电池的电极反响及对应的规范电位续氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，19771977年起在地年起在地球同步轨道条件下寿命超越球同步轨道条件下寿命超越1010年。此外，它接受过充年。此外，它接受过充电和过放电的才干很强。但其本钱较高，电池放电速电和过放电的才干很强。但其本钱较高，电池放电速度较大，以及有爆炸的能够性。虽然如此，氢镍电池度较大，以及有爆炸的能够性。虽然如此，氢镍电池的前景非常乐观，最终将在航天领域内全面取代镉镍的前景非常乐观，最终将在航天领域内全面取代镉镍电池。电池。2、锂电池、锂电池锂是自然界电池最轻的金属元素，同时它又具有最低的电负性-3.045V。所以选择适当的正极与之匹配，可以获得较高的电动势，具有最高的比能量，所谓比能量，即单位分量电极物质所能放出的能量。由于锂遇水会发生猛烈反响，所以应选用非水电解质溶液。日本三洋公司首先推出Li/MnO2电池。其电极反响如下：反响终了Li+进入MnO2晶格中。锂电池的优良性能是：比能量高，运用温度锂电池的优良性能是：比能量高，运用温度范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用于心脏起搏器的电源。主要缺陷是：但在短于心脏起搏器的电源。主要缺陷是：但在短路或某些重负荷下，有发生爆炸的能够性。路或某些重负荷下，有发生爆炸的能够性。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响物燃料中的化学能直接转化成电能的电池安装。燃料电池的根本组成是电极、电解质、燃料和氧化剂。任务时，燃料和氧化剂不延续地分别保送到电池的两个电极上，确保电池延续稳定任务。图6-5 氢-氧燃料电池的任务原理图6-6 氢-氧燃料电池的反响过程 燃料电池适用于航空事业，一那么燃料电池有很高的比能量，可降低向太空的发射费用。二那么燃料电池的产物是水，经处置后可供宇航员饮用，更可减少携带分量。