能源是一种物质资源是人类生存和发展的物质基础；能量是

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,61,能源与化学,11:11:58,1,能源,是一种物质资源，是人类生存和发展的物质基础；能量是人类社会各种经济活动的原动力。能源的开发和利用是社会经济发展水平的重要标志。但是，随着社会的发展，能源的供需矛盾日趋尖锐。因此，如何合理地利用现有能源，开发新的能源是人类必须关注的一个重大社会问题。,能源与化学,11:11:58,2,第一节,概,述,一、能量的形态与转化,1.,能量物质做功的本领。,2.,能量的形态：热、机、生、化、光、电、核,。,3.,能量的转化：能源热能其它能,(,柴草原煤天然气原油液化气,11:11:58,29,燃烧产物（从元素组成判断）,煤、石油：碳元素,氢元素,氧元素,氮元素,硫元素,二氧化碳、,一氧化碳、粉尘,水,氮的氧化物,二氧化硫,天然气：,(,CH,4,),碳元素,氢元素,二氧化碳、,一氧化碳,水,思考：从节约能源、保护环境上来考虑应提倡使用哪种燃料？,11:11:58,30,化石燃料燃烧与环境污染,1、全球气候变化,温室效应,2、热污染,局部区域的水温上升,3、大气污染,粉尘、酸雨、一氧化碳污染,11:11:58,31,11:11:58,32,酸雨的危害,11:11:58,33,思考:,地球上的矿物资源是有限的,总有一天会被完全消耗掉.,我们如何解决人类所面临的能源短缺问题?,11:11:58,34,解决方法,：,1、节约现有能源,2、加强能源的综合利用,3、开发利用新能源,11:11:58,35,地 热 能,潮 汐 能,风 能,核 能,水 能,太 阳 能,11:11:58,36,11:11:58,37,借助于化学变化将化学能转化为电能的装置称化学电源。可分为：,原电池(一次性电池)；蓄电池(二次性电池，可逆电池)；燃料电池,第三节,化学电源,11:11:58,38,电池符号：,（）ZnZnCl,2,，NH,4,Cl(糊)MnO,2,C(石墨)（）,电极反应:,（）Zn(s) Zn,2+,+ 2e,-,（）,（）2MnO,2,(s) + 2NH,4,+,+2e,-, Mn,2,O,3,(s) + 2NH,3,(aq) + 2H,2,O,电动势: 1.5V。若用KOH代替NH,4,Cl制成碱性锌锰电池,可多次充、放电。,1. 锌-锰干电池,11:11:58,39,电池符号：,（）ZnHgKOH(含ZnO)HgOHgPt（）,电池反应:,（）Zn(Hg) + 2OH,-,ZnO + H,2,O+ 2e,-,（）HgO（s）+ H,2,O + 2e,-, Hg（l）+ 2OH,-,电动势: 1.34V。电压稳定，可做成钮扣电池。,2.锌-汞电池,11:11:58,40,1.铅蓄电池（铅酸蓄电池）,电池符号：（）Pb | H,2,SO,4,| PbO,2,（）,充、放电反应:,Pb PbO,2, 2H,2,SO,4,2PbSO,4, 2H,2,O,特点：电压2.0V，电流0.5A。可短时大电流放电。,酸易溢出，腐蚀性强。,二、蓄电池,11:11:58,41, 铁-镍蓄电池,电池符号:（）FeKOH（30%）Ni(OH),3,(),充放电反应： Fe 2Ni(OH),3,Fe(OH),3, Ni,特点是：重量轻、体积小、抗震好, 银-锌蓄电池,电池符号: （）ZnKOH(40%)Ag,2,OAg(),充放电反应：Zn Ag,2,O H,2,O Zn(OH),2, 2Ag,特点是：电压平稳,2. 碱性蓄电池,11:11:58,42,以可燃物为负极反应物，氧或空气为正极反应物，以燃烧反应为电池反应，如此构成的电池即燃料电池。,理论上燃料电池能量转换可达100%，可用于建造大规模电站。是最洁净的电源。,1.氢-氧燃料电池,电池符号：,（）CH,2,KOH(35%)O,2,C(),三、燃 料 电 池,11:11:58,43,电池反应：,（）H,2,+ 2OH,-, 2H,2,O+2e,-,（）O,2,+ 2H,2,O + 4e,-, 4OH,-,电池总反应:,2H,2,+ O,2, 2H,2,O,正极需加催化剂,（Pt 、Pd、 Co,2,O,3,、Ag等）,负极以活性炭多孔镍吸附H,2,。,11:11:58,44,电池符号： （）PtCH,3,OHH,2,SO,4,O,2,Pt(),电池反应:,（）3/2O,2,+6H,+,+6e,-, 3H,2,O（）CH,3,OH+H,2,O CO,2,+6H,+,+6e,-,CH,3,OH+3/2O,2,CO,2,+2H,2,O,可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。,3. 其它燃料电池,2.甲醇-氧燃料电池,11:11:58,45,煤、石油、天然气都是非再生的，它们的形成过程十分漫长，而它们的消耗却十分迅速。燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体” 、形成酸雨，并排放大量的烟尘，对环境造成了严重的破坏。能源危机正在逼近，人们不能不开发新的能源。,一、氢 能,1.氢燃料的特点:,无毒、无污染， 最清洁；燃料来自水，燃烧产物是水，可永远循环使用； 点火温度低，燃烧速度快，发热量大;H,2,可直接利用，也可间接使用，是方便燃料。,第四节 新能源,11:11:58,46,2.氢燃料的制取, 电解水： H,2,O H,2,+ 1/2O,2,能量可用太阳能、电能。 热分解水： H,2,O H,2,+ 1/2O,2,（催化剂：Ca、Br,2,、Hg等。温 度： 730-1000） 光分解水： H,2,O H,2,+ 1/2O,2, 光电分解水：以n-型氧化钛为电极，在阳光下使水分解。,11:11:58,47,3. 氢燃料的贮存,H,2,密度小，运输和贮存都是很大问题 。液氢沸点低，常温下压力很大，对设备要求高。,目前主要考虑贮氢金属。,1999年，我国研制出的纳米碳管，是很好的贮氢材料。,11:11:58,48,二、核能,目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，就是核能。,1942年12月2日第一座反应堆首次启动时，功率仅为0.5瓦。60年后，核能已占全世界总能耗的6。国际原子能机构公布，截至2002年底，全世界共有441台核电机组在运行，2002年共生产电力2.574万亿千瓦小时，约占当年世界总发电量的17。其中，核发电量占本国总发电量比例最高的国家是立陶宛，达到80，其次是法国，达到79。,11:11:58,49,1.核裂变能把重核分裂成两个中等质量的核时，释放出大量的能量。此过程称核裂变。,核裂变需有足够能量的中子的轰击，而U-235、Pu-239只需较 低能量的中子。因此,当前使用的核燃料主要是这两种。,1.核裂变能,11:11:58,50,例如：U-235在中子轰击下裂变为Ba-140和Kr-93同时产生多个中子，接着就会发生爆炸式的连锁反应,核裂变时出现质量亏损，亏损的质量转化为能量，遵守爱因斯坦定律：,E,=,m,c,2,E,=,m,c,2,其中 m = m（生成物）-m（反应物）,按此式，1克U-235，核裂变能为-8.110,7,kJ， 相当于3吨煤燃烧所放出的热量。,核裂变产物大多具有放射性，尤其Sr-90。所以原料和产物的贮存、处理都要有严格的安全措施。,11:11:58,51,核聚变使很轻的核在异常高的温度下合成较重的核 。核聚变时，放出更大的能量。,按爱因斯坦公式， ,E,= -1.69810,9,kJmol-11克氘(或氚)比1克铀产生的能量大得多。,氘可由重水中得到。海水中重水达210,20,kg。核聚变资源极为丰富。,但是,核聚变需足够高的温度(10,9, ),足够长的时间(1s)。而且要能人为控制不使爆炸。,聚变不产生放射性产物。,2.核聚变能,11:11:58,52,核能可以由两种不同的路线释放出来：重核裂变（爆裂），两个轻核聚变（化合）。二者都是由于产物有更高的结合能。聚变作用难于进行是因为核间彼此排斥，不象裂变作用那样。聚变不产生放射性产物。,11:11:58,53,中国核能的历史、现状和未来发展,一、中国和平利用核能的现状,1964年10月我国第一颗原子弹成功爆炸。,上世纪80年代以来，以核电建设为重点，中国核能和平利用得到较快发展，规模不断扩大，科技水平不断提高，呈现了良好的发展势头。,中国自主设计建设的第一座核电站秦山核电站于1991年建成投产，结束了中国大陆无核电的历史。,1994年建成投产的大亚湾核电站开创了中外合作建设核电站的成功范例。1996年开始，中国又自主设计建设了秦山二期核电站；与国外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。截至2004年月，共有9台核电机组投入运行，总装机容量701万千瓦；建设中的江苏田湾核电站2005年全部建成投运，核电总装机容量达913万千瓦。,11:11:58,54,二、未来发展,为适应经济发展和满足能源不断增长的需要，实现经济、社会、生态环境的协调发展，必须加快核能的发展。中国把核电作为国家能源战略的重要组成部分，逐步提高核能在能源供应总量中的比例。在经济发达、电力负荷集中的沿海地区，核电将成为电力结构的重要支柱。,中国和平利用核能事业有着良好的发展前景。,11:11:58,55,太阳上进行的,反应是核聚变反应，,每天质量变化410,6,吨，,向空间辐射能量410,23,kJs,-1,，这些能量的万分之一足够人类消耗。地球每天接受的辐射能可达610,18,kJ。其利用可分：,1. 太阳能的直接利用,热能如太阳能集热器；,电能太阳能电池。,三、太阳能,图 太阳能电池,11:11:58,56,太阳能的能量密度低；昼、夜、阴、雨变化较大，所以太阳能的贮存是个问题。,2. 太阳能的间接利用,风能、地热、海浪、水流等都来自太阳能。如：光合作用，潮汐发电，风力发电，水力发电等。,11:11:58,57,生物质能（biology energy）是目前用得最为广泛的第四种能源，它占全球一次性能源需求量的14%。生物质能资源极为丰富，是一种无害的能源。,生物质能源又称可再生有机质能源，诸如木材、薪草、藻类等。生物质能分布广，储量丰富，全球每年通过光合作用储存于植物的能量，大约是世界目前消费能量的17倍。各国都非常重视生物质能的开发利用。,现代生物转换技术包括转换为电能和转换为固体燃料、液体燃料、气体燃料，小规模地取代矿物燃料。,四、生物质能,11:11:58,58,现代绿色能源酒精和沼气,1.绿色能源是一种生物质能源于太阳能，太阳光经过植物的光合作用转变成体内的生物质能，生物质能实质上是有机物的化学能。,2.目前利用：主要燃烧，能源利用10%。,3.发展方向：,1）制取酒精或甲醇,2）制造沼气,11:11:58,59,五.合成新能源一炭化学的使命,1.一炭化学,指以分子中只含一个碳原子的化合物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工的方法制造产品的化学体系的总称,2.主要产品,1）制氢,2）合成化工原料，如甲醇、烯烃,11:11:58,60,3.研究方法,1）催化法,CO,2,+CH,4,CO+H,2,CO+H,2,CH,3,OH,目前主要是采用催化法，因此新型催化剂的开发成为工业发展的关键。,2）射线法,放射线的特点是可以在常温常压下进行，但需依赖电子加速器的进步,11:11:58,61,