第二章-化学反应热效应课件

教材：教材：普通化学普通化学 (第五版第五版)浙江大学普通化学教研组编浙江大学普通化学教研组编王明华王明华 徐端钧徐端钧 周永秋周永秋 张殊佳张殊佳 修订修订高等教育出版社，北京高等教育出版社，北京出版年：出版年：20022002年年7 7月月1绪绪 论论化学是一门既古老又年轻的科学。化学是一门既古老又年轻的科学。化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。切的关系。化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。主要是研究物质的分子转变规律的科学。化学与物理一起属于自然科学的基础学科。化学与物理一起属于自然科学的基础学科。研究现状研究现状(2000年年)化合物化合物2000万种万种时间分辨率：时间分辨率：1 fs空间分辨率：空间分辨率：0.1nm0.1nm分析所需最小量：分析所需最小量：10-13ug10-13ug。2化学的定义与分支学科化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学无机化学：无机物无机化学：无机物有机化学：有机化学：碳氢化合物碳氢化合物及衍生物及衍生物分析化学：测量和表征分析化学：测量和表征定义定义：化学的化学的分支学科分支学科物理化学：所有物质系统物理化学：所有物质系统高分子化学：高分子化合高分子化学：高分子化合物物若干新分支：环境化学、若干新分支：环境化学、核化学等等核化学等等32-2-（乙酰（乙酰氧氧基）基）苯甲酸苯甲酸。分子式：分子式：C C9 9H H8 8O O4 4分子量：分子量：180.16 180.16 阿司匹林阿司匹林AspirinTablets4三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。简称三胺，又叫简称三胺，又叫2,4,6-2,4,6-三氨基三氨基-1,3,5-1,3,5-三嗪、蜜胺、氰三嗪、蜜胺、氰尿酰胺、三聚氰酰胺，分子式尿酰胺、三聚氰酰胺，分子式C C3 3N N6 6H H6 6、C C3 3N N3 3(NH(NH2 2)3 3，分子量，分子量126.12 126.12 三聚氰胺三聚氰胺（Melamine）5化学的地位和作用v化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一v化学继续推动材料科学发展化学继续推动材料科学发展v化学是提高人类生存质量和生存安全的有效化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障保障v化学在能源和资源的合理开发和高效安全利化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用用中起关键作用v化学是生命科学的重要支柱化学是生命科学的重要支柱6学习的目的、内容和要求学习的目的、内容和要求了解当代化学学科的概貌了解当代化学学科的概貌用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题学习内容学习内容 理论化学：两条理论化学：两条“主线主线”应用化学：应用化学：化合物知识；化合物知识；化学在相关学科中的应用化学在相关学科中的应用 实验化学实验化学学习要求学习要求 辨证的思维辨证的思维 发展的眼光发展的眼光 实践的方法实践的方法学习目学习目的的7学习要求学习要求：了解定容热效应了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉的测量原理。熟悉qv的的实验实验 计计算算 方法。方法。了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。效应与热力学能变的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。第第1 1章章 热化学与能源热化学与能源8目录目录l1.1 1.1 反应热的测量反应热的测量l1.2 1.2 反应热的理论计算反应热的理论计算l1.3 1.3 常见能源及其有效与清洁利用常见能源及其有效与清洁利用l1.4 1.4 清洁能源与可持续发展清洁能源与可持续发展l选读材料选读材料 核能核能l.核燃料和核能的来源核燃料和核能的来源l.核电的优势与发展趋势核电的优势与发展趋势l本章本章小结小结91.1 1.1 反应热的测量反应热的测量系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和 空间。空间。开放系统开放系统有物质和能量交换有物质和能量交换封闭系统封闭系统只有能量交换只有能量交换1.1.1 几个基本概念几个基本概念1 系统与环境系统与环境图1.1 系统的分类隔离系统隔离系统无物质和能量交换无物质和能量交换102 2 相相系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念，系统可分为：为相。根据相的概念，系统可分为：单相（均匀）系统单相（均匀）系统多相（不均匀）系统多相（不均匀）系统 相与相之间有明确的界面相与相之间有明确的界面。思考思考：1)101.325kPa，273.15K(0C)下，下，H2O(l),H2O(g)和和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少同时共存时系统中的相数为多少2)CaCO3(s)分解为分解为CaO(s)和和CO2(g)并并达到平达到平衡的系统中的相数。衡的系统中的相数。113 3 状态与状态函数状态与状态函数状态函数状态函数用于表示系统性质的物理量用于表示系统性质的物理量X 称状态函数，如气体的称状态函数，如气体的压力压力p、体积体积V、温度温度T 等。等。状态状态:系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。变化。12状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。图1.2 状态函数的性质以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力压力p和和体积体积V的变化量与途径无关。的变化量与途径无关。系统压力从3p变为p13广度性质和强度性质广度性质和强度性质状态函数可分为两类：状态函数可分为两类：广度性质：广度性质：其量值具有其量值具有加和性，加和性，如体积、质量等如体积、质量等强度性质：强度性质：其量值其量值不具有加和性，不具有加和性，如温度、压力等如温度、压力等思考思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强压强(热力学中称为压力热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？此可以得出什么结论？推论：摩尔体积推论：摩尔体积(体积除以物质的量体积除以物质的量)是什么性质的物是什么性质的物理量？理量？力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量性质的物理量的商是一个强度性质的物理量144 4 过程与途径过程与途径过程过程：系统状态发生任何的变化称为系统状态发生任何的变化称为可逆过程可逆过程体系经过某一过程，由状态体系经过某一过程，由状态变到状态变到状态后，如果通过逆后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程途径途径：实现一个过程的具体步骤实现一个过程的具体步骤思考思考：过程与途径的区别。设想如果你要把设想如果你要把20 C的水烧开，要完成的水烧开，要完成“水烧开水烧开”这这个过程，你可以有多种具体的个过程，你可以有多种具体的“途径途径”：如可以在水：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。155 5 化学计量数化学计量数一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系，关系，通式为：通式为：B 称为称为B 的化学计量数。符号规定：的化学计量数。符号规定：反应物：反应物：B为负；产物：为负；产物：B为正。为正。附例附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：应计量方程式：N2+3H2=2NH3解：解：用化学反应通式表示为：用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH3166 6 反应进度反应进度的单位是摩尔（的单位是摩尔（molmol），），它与化学计量数的选配有关它与化学计量数的选配有关思考思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。如对于反应：有关。如对于反应：0=N2 3H2+2NH3，当有，当有1mol NH3生成时，反应进度为生成时，反应进度为0.5mol。若将。若将反应写成反应写成则反应进度为则反应进度为1 mol。反应进度反应进度nB 为为物质物质B的物质的量的物质的量dnB表示微小的变化量表示微小的变化量或或17化学反应过程中系统放出或吸收的热量，热化学反应过程中系统放出或吸收的热量，热化学规定，系统放热为负，系统吸热为正化学规定，系统放热为负，系统吸热为正反应热反应热当反应进度为当反应进度为1 mol时系统放出或吸收的热量时系统放出或吸收的热量摩尔摩尔反应热反应热一定量反应物在给定条件下的反应热一定量反应物在给定条件下的反应热 溶液的质量溶液的质量 溶液温度差溶液温度差 吸热溶液比热容吸热溶液比热容 溶液的热容溶液的热容1.1.2 1.1.2 反应热的测量反应热的测量18图1.3 弹式量热计思考思考：用弹式量热计测量的反应热：用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热答：定容反应热化学反应放出的热化学反应放出的热 =水吸收的热水吸收的热 +量热计吸收的热量热计吸收的热由仪器供应商提供，使用时校验由仪器供应商提供，使用时校验 1 1 反应热的实验测量方法反应热的实验测量方法1920示 例 例例1.1 联氨燃烧反应：联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知：已知：解解：燃烧：燃烧0.5g联氨放热为联氨放热为212 2 热化学方程式热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：。例如：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明若不注明T,p,皆指在皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。下。标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态书写热化学方程式时应注意：书写热化学方程式时应注意：反应热与反应式的化学计量数有关；反应热与反应式的化学计量数有关；一般标注的是等压热效应一般标注的是等压热效应qp。221.2 1.2 反应热的理论计算反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？：为什么上述反应的反应热无法实验测定？实验过程中无法控制生成产物完全是实验过程中无法控制生成产物完全是CO。能够精确测量的是能够精确测量的是，但生产中需要的是，但生产中需要的是23封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功从环境得功w，则系统内能的增加则系统内能的增加U=（U2 U1）为）为U=q+w热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。的应用。其中，内能现称为热力学能。其中，内能现称为热力学能。在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变 1.2.1 1.2.1 热力学第一定律热力学第一定律24热力学能热力学能系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。动、转动、振动以及电子运动和核运动。思考思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗两者的内能相同吗？相同。相同。由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值。尚无法测定内能的绝对数值。状态函数状态函数 无绝对数值无绝对数值广度性质广度性质内能的特征：内能的特征：25 状态函数特点状态函数特点 状态一定，其值一定状态一定，其值一定 殊途同归，值变相等殊途同归，值变相等 周而复始，变值为零周而复始，变值为零能量是状态的单值函数，其变化值只取决于变化的终态能量是状态的单值函数，其变化值只取决于变化的终态和始态，而与变化的途径无关和始态，而与变化的途径无关26热热在在物理或化学变化的过程中，系统与环境物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。存在温度差而交换的能量称为热。热的符号规定：热的符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。系统吸热为正，系统放热为负。热量热量q不是状态函数不是状态函数27功与体积功功与体积功在在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。外的方式交换的能量都称为功。功的符号规定：功的符号规定：（注意功符号的规定尚不统一）（注意功符号的规定尚不统一）系统得功为正，系统作功为负。系统得功为正，系统作功为负。思考：思考：1mol1mol理想气体，密闭在（理想气体，密闭在（1 1）气球中，（）气球中，（2 2）)钢瓶钢瓶中；将理想气体的温度提高中；将理想气体的温度提高2020 C C时，是否做了体积功？时，是否做了体积功？功功w也不是状态函数也不是状态函数1)1)做体积功，做体积功，2)2)未做体积功。未做体积功。由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功积功w体体。所有其它的功统称为非体积功。所有其它的功统称为非体积功w w=w体体+w 281.2.2 1.2.2 化学反应的反应热与化学反应的反应热与焓焓根据反应条件的不同，反应热又可分为：根据反应条件的不同，反应热又可分为：恒容过程，体积功恒容过程，体积功w体体=0，不做非体积功，不做非体积功 w=0时，时，所以，所以，w=w体体+w=0，qV=U定容反应热定容反应热恒压过程，不做非体积功时，恒压过程，不做非体积功时，w体体=p(V2V1)，所以所以qp=U+p(V2V1)定定压反应热压反应热反应物和生成物具有相同温度时，系统反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量吸收或放出的热量反应热反应热291 1 焓焓 qP=U+p(V2 V1)=(U2-U1)+p(V2 V1)=(U2+p 2V2)(U1+p 1V1)公式公式qp=H 的意义：的意义：等压热效应即为焓的增量，所以可以通过等压热效应即为焓的增量，所以可以通过H的的计算求出计算求出qP 的的值。值。令令 H=U+p V则则qp=H2 H1=HH 称为焓，是一个重要的热力学函数。称为焓，是一个重要的热力学函数。是是状态函数，但不能知道它的绝对数值。状态函数，但不能知道它的绝对数值。302 2 定容反应热与定容反应热与定压反应热的关定压反应热的关系系已知已知定容反应热：定容反应热：qV=U；定压反应热：定压反应热：qp=Up+p(V2 V1)等温过程，等温过程，Up UV，则：则：qp qV=n2(g)RT n1(g)RT=n(g)RT对于理想气体反应，有：对于理想气体反应，有：对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。的物质的量。H U=qp qV=p(V2 V1)思考：若反应 C(石墨)+O2(g)CO2(g)的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的qV,m 为多少？该该反应的反应的n(g)=0，qV=qp 所以所以对于没有气态物质参与的反应或对于没有气态物质参与的反应或n(g)0的反应，的反应，qV qp对于有气态物质参与的反应，且对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的的反应，反应，qV qp313 3 盖斯定律盖斯定律 化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。态有关而与变化的途径无关。始态始态C(石墨石墨)+O2(g)终态终态CO2(g)中间态中间态CO(g)+O2(g)即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。32盖斯定律示例盖斯定律示例由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和以加和附例附例1.3 已知反应和的反应焓，计算的反应焓，解：解：331.2.3 1.2.3 反应标准摩尔焓变的计算反应标准摩尔焓变的计算1 1 热力学标准态热力学标准态气体物质的标准态：标准压力气体物质的标准态：标准压力p 下表现出下表现出理想理想气体性质的纯气体状态气体性质的纯气体状态溶液中溶质溶液中溶质B的标准态是的标准态是:标准压力标准压力p 下，质量下，质量摩尔浓度为摩尔浓度为b (1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶并表现出无限稀溶液中溶质的状态液中溶质的状态;本书采用近似本书采用近似c =1.0 mol.dm-3)液体或固体的标准态是液体或固体的标准态是:标准压力标准压力p 下的纯液下的纯液体或纯固体体或纯固体342 2 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但等。但P为白磷为白磷(s)，即，即P（s，白）。白）。298.15K时的数据可以从手册上查到时的数据可以从手册上查到。思考：思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生反应物和生成物都是标准态成物都是标准态)?)?显然，标准态指定单质的标准生成焓为显然，标准态指定单质的标准生成焓为0 0。生成焓的负值越大，。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。表明该物质键能越大，对热越稳定。(1)(2)(3)标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质B时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作 。353 3 标准摩尔焓变及测定标准摩尔焓变及测定测定原理：测定原理：由于由于qp=H所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变反应热得到反应标准摩尔焓变标准状态下标准状态下,反应进度反应进度 =1mol1mol的焓变称为反应的标的焓变称为反应的标准摩尔焓变准摩尔焓变:记作记作标准状态标准状态单位物质量单位物质量生成反应生成反应364 4 反应的标准摩尔焓变的计算反应的标准摩尔焓变的计算可从手册数据计算可从手册数据计算298.15K时的标准摩尔反应焓时的标准摩尔反应焓.稳定单质稳定单质反应物反应物标准状态标准状态生成物生成物标准状态标准状态 r Hm f Hm(p)f Hm(r)由盖斯定律，得：由盖斯定律，得：37标准摩尔反应焓变计算示例标准摩尔反应焓变计算示例解解：从手册查得：从手册查得298.15K时时Fe2O3和和Al2O3的标准摩的标准摩尔生成焓分别为尔生成焓分别为824.2和和1675.7kJmol-1。例例1.4 试计算铝热剂点火反应的试计算铝热剂点火反应的反应计量式为：反应计量式为：38注意事项注意事项应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意需要注意 物质的聚集状态，查表时仔细物质的聚集状态，查表时仔细 公式中化学计量数与反应方程式相符公式中化学计量数与反应方程式相符 数值与化学计量数的选配有关；数值与化学计量数的选配有关；温度的影响温度的影响39附例附例1.4 设反应物和生成物均处于标准状态，计算设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔乙炔完全燃烧放出的能量。完全燃烧放出的能量。解：从手册查得解：从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下时，各物质的标准摩尔生成焓如下226.73 0 -393.509 -285.83401.3 1.3 常见能源及其有效与清洁利用常见能源及其有效与清洁利用 能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。思考思考：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被能源对于人类的重要性，为什么能源科学被列为当今社会的三大支柱之一。列为当今社会的三大支柱之一。能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。息）之一。能源是我们赖以生存的重要物质基础。能源是我们赖以生存的重要物质基础。411.3.1 世界能源的结构与能源危机1.1.能源的分类能源的分类激光激光太阳能、地热、风太阳能、地热、风能、海洋能能、海洋能非燃料能源非燃料能源人工沼气、氢能人工沼气、氢能核能核能燃料能源燃料能源新新能源能源电力、蒸汽、热水电力、蒸汽、热水水能水能非非燃料能源燃料能源煤气、焦碳、成品燃煤气、焦碳、成品燃油、液化气、酒精油、液化气、酒精煤炭、石油、天然煤炭、石油、天然气、生物质能气、生物质能燃料能源燃料能源常规常规能源能源二次二次能源能源一次能源一次能源利用利用状况状况使用使用 性质性质形成条件形成条件表表1.2 能源的分类能源的分类422 2 世界能源的结构和消耗世界能源的结构和消耗195019601970198019902010102030405060能能源源结结构构比比例例(%)年代年代图1.7 世界消耗的一次能源结构煤炭石油天然气水电及其它433 3 能量消耗前六名的国家能量消耗前六名的国家美国美国中国中国俄罗斯俄罗斯日本日本德国德国印度印度51015202530能能源源结结构构比比例例(占占世世界界%)国家国家煤炭石油天然气核能水电25.410.47.26.04.12.9图1.8 世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）趋势（比例）：石油和天然气下降；煤炭上升；核电上升。444 4 能源危机能源危机本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降思考思考：核能属于常规能源吗？核能属于常规能源吗？451.3.2 1.3.2 煤炭与洁煤技术煤炭与洁煤技术思考思考：我国能源结构的特点是什么？我国能源结构的特点是什么？我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的的70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭的国家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。资源是我国能源科学和研究中的重要课题。我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。硫是造成酸雨的主要原因。461 1 煤炭的成分与热值煤炭的成分与热值煤炭的主要成分：煤炭的主要成分：碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的热值：煤炭的热值：单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。标准煤的热值为标准煤的热值为29.3MJkg-1。无烟煤：低硫，较好；无烟煤：低硫，较好；烟煤烟煤：高硫，燃烧环境污染；：高硫，燃烧环境污染；褐煤：储量大，但热值低。褐煤：储量大，但热值低。煤炭的分类：煤炭的分类：472 2 洁净煤技术洁净煤技术洁净煤技术于洁净煤技术于19861986年由美国率先提出，现已成为年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一解决环境和能源问题的主导技术之一煤煤甲醇甲醇合成汽油合成汽油液体燃料液体燃料新型液态燃料新型液态燃料481.3.3 1.3.3 石油和天然气石油和天然气 石油石油石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。思考思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？在哪儿？世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。491 石油燃料产品石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。油、柴油、润滑油和沥青等产品。思考思考：以上产品中最重要的是什么？以上产品中最重要的是什么？汽油汽油。95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为5572之间，在汽油中加之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到7988，为了防止铅在，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。与尾气一同排入大气。思考思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？汽车尾气污染物是什么？如何解决？主要污染物主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。和含铅化物等。解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。502 天然气天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。其热值约为常与石油伴生。其热值约为55.6MJ kg-1。天然气的优点：天然气的优点：可直接应用可直接应用 易于管道输送易于管道输送 污染少污染少思考思考：西气东送具有哪些重要意义？西气东送具有哪些重要意义？513 沼气和生物质能植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。生的气体称为沼气。沼气约含沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的的甲烷，其余为二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。等。思考：思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家使用过沼气吗？使用过沼气吗？农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。加压汽化制成可燃气体。都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利用。用。思考：思考：沼气和柴火是生物质能吗？沼气和柴火是生物质能吗？524 可燃冰未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰可燃冰”。CH4xH2O(s)。形成条件：低温高压如形成条件：低温高压如0，76 MPa。储量：数据相差较大。总量相当于储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤，万亿吨煤，可用可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的和的23倍。倍。分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。半。开采难，储量丰富。开采难，储量丰富。531.3.4 1.3.4 煤气和液化气煤气和液化气煤气煤气煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品的副产品。液化气液化气煤气的组成煤气的组成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ M-3思考思考：与煤气相比，液化气有哪些优点？与煤气相比，液化气有哪些优点？无毒、低污染、热值高于煤气。无毒、低污染、热值高于煤气。液化气作动力液化气作动力 绿色汽车绿色汽车 燃料电池（各国竞争发展）燃料电池（各国竞争发展）541.4 1.4 清洁能源与可持续发展清洁能源与可持续发展思考思考1 1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的是无限的(不考虑太阳的寿命不考虑太阳的寿命)？思考思考2 2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？1.矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。能源（如太阳能）和核能是无限的。2.开放性的结论开放性的结论1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。关键的作用。551.4.1 能源开发与可持续发展我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展一步开发新能源，才能实现可持续发展。图图1.9 治理前的热电厂治理前的热电厂最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。561.4.2 1.4.2 氢氢能能氢能是一种理想的二次清洁能源。氢能是一种理想的二次清洁能源。氢能的优点氢能的优点 热值高，其数值为热值高，其数值为142.9MJ kg-1。燃烧反应速率快，功率高燃烧反应速率快，功率高 原料是水，取之不尽原料是水，取之不尽 产物是水，不污染环境产物是水，不污染环境思考思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？些方面的问题？经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用571 1 氢气的制取氢气的制取 太阳能光解太阳能光解 电解电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。2NaCl+2H2O Cl2+H2+2NaOH电解思考思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？可行吗？从经济上考虑是不可行的。从经济上考虑是不可行的。利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制氢方法。是研究的热点。前途的制氢方法。是研究的热点。582 2 氢气的储运氢气的储运氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。存和运输是一个比较困难的问题。合金贮氢法合金贮氢法原理原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：如镧镍合金：开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。热门分支。LaNi5+3H2 LaNi5H6300kPa加热591.4.3 太阳能太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式思考思考：如何利用太阳能？如何利用太阳能？太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：式，主要有以下三种：转换为热能转换为热能 转换为电能转换为电能 转换为化学能转换为化学能图图1.10 太阳能电池太阳能电池601 转换为热能思考思考：太阳能热水器的工作原理？太阳能热水器的工作原理？太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太阳能的最主要方式。是目前直接利用太阳能的最主要方式。将将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。的有效吸收。思考思考：太阳光能的缺点是什么？太阳光能的缺点是什么？1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。2、对天气的依赖性强。、对天气的依赖性强。612 转换为电能思考思考：你能举出光能转换为电能的例子吗？你能举出光能转换为电能的例子吗？光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。产生电动势。光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。623 转换为化学能植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。学能的形式储存能量。思考思考：你能举出一些将光能转换为化学能的例子吗？你能举出一些将光能转换为化学能的例子吗？太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。思考思考：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地利用太阳能？在间接地利用太阳能？63选读材料 核能核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释放的能量用质能方程计算：放的能量用质能方程计算：在中子的轰击作用下，较重原子核在中子的轰击作用下，较重原子核分裂分裂成轻原成轻原子核的反应称为核裂变反应。子核的反应称为核裂变反应。.核燃料和核能的来源核燃料和核能的来源1.核裂变反应核裂变反应64该该反应损失质量反应损失质量m=0.2118gmol-1，能量变化为：能量变化为：此此能量相当于能量相当于634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。吨标准煤完全燃烧所释放的能量。核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子弹；如加以控制，例如使用弹；如加以控制，例如使用慢化剂慢化剂水，重水水，重水和石墨，则可建造成核电站。和石墨，则可建造成核电站。652.核聚变反应核聚变反应高温作用下，轻原子核高温作用下，轻原子核合并合并成较重原子核的反应。成较重原子核的反应。释放的能量同样用质能方程计算。释放的能量同样用质能方程计算。图图1.11 氢弹爆炸氢弹爆炸太阳能就是氢的核聚变能，经计算太阳能就是氢的核聚变能，经计算1mol 聚变放出的能量为：聚变放出的能量为：由于氢原子质量小，如折合成每由于氢原子质量小，如折合成每g物物质反应的热量，质反应的热量，则氢聚变所释放是则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的能量是相同质量的铀裂变能量的3倍倍多。多。66.核电的优势与发展趋势 发展核能是必由之路发展核能是必由之路由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源 核电的发展趋势核电的发展趋势(1)(1)热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。(2)(2)快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和开发。加快研究和开发。(3)(3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。67图1.12 秦山核电厂外景秦山核电站二期工程施工现场 鸟 瞰 一 期 68本章小结l了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标准了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标准态、反应进度、焓等）和定容热效应态、反应进度、焓等）和定容热效应q q的测定的测定;l理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓变理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓变的近似计算；的近似计算；l了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战略。略。69