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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)和能量過程(如風(fēng)、潮汐)。 能源按其來源大致分為三類：太陽能及其轉(zhuǎn)化物,如太陽直接輔射能、煤、石油、天然氣等化石燃料，以及太陽能轉(zhuǎn)化來的生物能、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)人類加工生產(chǎn)出來的二次能源。一次能源按能否再生又可分為：可再生能源，如太陽能、風(fēng)能；經(jīng)過億萬年形成且短期內(nèi)不可再生能源的能源，如化石燃科、核能等。從對環(huán)境的影響來看，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)過長期的一系列復(fù)雜的化學(xué)變化和生物變化，而形成的一種由有機物和無機物所組成的復(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。 煤炭有實用價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爐中加熱，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：是把煤中的有機物轉(zhuǎn)化為可燃件氣體的過程。煤

3、與有限的空氣和水蒸氣反應(yīng)，得到種氣態(tài)混合物，稱之為半煤氣：,如果將煤在高溫時與水蒸氣反應(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、植物遺體在地殼內(nèi)部高溫、高壓條件下經(jīng)過非常復(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9798)，同時含少量硫、氧、氮等元素。 石油（原油）經(jīng)過分餾可得到系列產(chǎn)品，如溶劑油、汽油、柴油、潤滑油等。,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行比較，就可以得到該汽油的相對辛烷值。為了提高汽油的辛烷值，過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，我國使用的車用汽油標號就是按照汽油的辛烷值大小劃分的，例如90號汽油表示該汽油的辛烷值不低于90。,汽油和汽油的標號,氫能是經(jīng)人類加工生產(chǎn)出來的二次能源，它具有以下優(yōu)點：原料來源豐富(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12萬千焦熱量，相當(dāng)于燃燒3千克汽油；無污染，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，需要解決如何廉價大量制備氫氣的問題，其次，要解決儲存問題。 目前世界上已開發(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。 我國在世界上首次完成生物制氫中試實驗。哈爾濱建筑大學(xué)的學(xué)者利用細茵從污水中分解收集氫氣，并于2000年2月初完成中試實驗。利用含碳水化合物的有機廢水通過生物發(fā)酵制氫，使人類找到了一種新的可再生的潔凈能源。,大量儲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，會釀成嚴重火災(zāi)和爆炸事故。另一種方法是用某些金屬或合金來儲存氫。氫有一個奇持的性質(zhì)，它會與某些過渡金屬(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，它們就放出氫。利用儲氫材料儲氫具有儲存量高、可逆、安全等優(yōu)點。,氫的儲存方法,研究新的合理的制氫方法是一項一勞永逸地解決能源問題的研究課題，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、負極、電解液以及容器和隔膜等組成，它可表示為：負極/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年英國化學(xué)家發(fā)明了古典原電池。1865年法國化學(xué)家勒克朗斯發(fā)明了第個干電池，現(xiàn)代的干電池不過是其改進。,,,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)用于對體積和重量有

9、嚴格要求的場合，但價格昂貴。,蓄電池,蓄電池也稱二次電池，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2.2伏；放電后電壓下降，當(dāng)電壓降至l.25伏時(這時溶液密度為1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必須充電。鉛蓄電池用于汽車、小型電動機車作為啟動電源，用于實驗室作為常用電源，還廣泛用于飛機、汽車、拖拉機、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，負極為氫電極（其內(nèi)部氣體壓力可達4MP）。它的工作狀態(tài)可劃分為3種：正常工作狀態(tài)、過充電狀態(tài)和過放電狀態(tài)。,,,表6-1 氫鎳電池的電極反應(yīng)及對應(yīng)的標準電位,氫鎳電池的電極反應(yīng)及對應(yīng)的標準電位（續(xù)）,氫鎳電池的的突出優(yōu)點是循環(huán)壽命長，1977年起在地球同步軌道條件下壽命超過10年。此外，它承受過充電和過放電的能力很強。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，同時它又具有最低的電負性（-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勢，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，無電解液滲漏，電壓隨放電時間下降緩慢，電池壽命長，特別適用于心臟起搏器的電源。主要缺點是：但在短路或某些重負荷下，有發(fā)生爆炸的可能性。,3、燃料電池,所謂燃料電池，是通過電化學(xué)過程將反應(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，燃料和氧化劑不間斷地分別輸送到電池的兩個電極上，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。,