第五章·能源化学PPT课件下载

《第五章·能源化学PPT课件下载》是由用户上传到老师板报网，本为文库资料，大小为16.32 MB，总共有46页，格式为pptx。授权方式为VIP用户下载，成为老师板报网VIP用户马上下载此课件。文件完整，下载后可编辑修改。

第五章能源化学目录5.1能源和能源的利用5.2化学能5.3氢能和核能5.4石油5.5煤炭5.6天然气和可燃冰5.7电池5.1能源和能源的利用关于能源的定义，目前约有20种。例如：《科学技术百科全书》说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。5.1.1能源化学面临的问题5.1能源和能源的利用根据世界能源会议规定：“能源是使某一系统产生对外部活动的能力。”是自然界可被人类用来获取各种形势能量的自然资源。是指一切能量比较集中的含能体(如煤炭、天然气等)和能量过程(如风、潮汐)。5.1.1能源化学面临的问题5.1能源和能源的利用凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源，反之称为非再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等化石能源是非再生能源。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。5.1.1能源化学面临的问题5.1能源和能源的利用①大量使用化石能源对环境造成污染——废气、废渣——温室效应、极端气候。②化石资源逐渐枯竭，能源构成将发生改变；从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：石油：1万亿桶天然气：120万亿立方米煤炭：1万亿吨5.1.1能源化学面临的问题5.1能源和能源的利用按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：5.1.1能源化学面临的问题5.1能源和能源的利用能源化学的任务：从化学的基本原理出发，研究有关的理论和技术，解决能源的转化、储存和高效、安全又洁净的利用能源中所涉及的化学问题。5.1.1能源化学面临的问题5.1能源和能源的利用能源的利用要受到熱力学定律的制约：热力学第一定律——能量守恒定律：能量既不能创生，也不能消灭，它只能被转换。热力学第二定律：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。（克劳修斯表述）不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。（开尔文表述）熵增定律：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。5.1.2能源的利用和热力学函数高效利用能源，节能5.2化学能化学能是指利用化学反应得到的能量。原有化学键被破坏，新的化学键产生，体系能量发生改变。5.2.1化学能和键能5.2化学能化学反应发生时，化学能的大小可从化学键的键能出发计算得到。C(石墨)+2H2(g)CH4(g),ΔH=-74.85KJ/molC(石墨)C(g),ΔH=718.38KJ/mol½H2(g)H(g),ΔH=217.94KJ/molCH4(g)C(g)+4H(g),解离能：ΔH=74.85+718.38+4*217.94=1665.0KJ/molC-H键能：1665/4=416.25KJ/mol，实验值415KJ/mol5.2.1化学能和键能键能：常温常压下，将1mol理想气体分子AB拆开为中性气态原子A和B所需要的能量，即破坏气态A-B键需要的能量或生产A-B释放的能量。5.2化学能即使对相同的化学键来说：不同的化学环境键能有差异；不同杂化轨道成键时，键能数值不同；使用键能计算化学反应的热效应，一般只能得到近似的数值5.2.1化学能和键能5.2化学能5.2.2反应热和反应性质利用键能数据近似计算化学反应热ΔH：CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)4C-H2O=O2C=O4O-H415498-804-465ΔH=(415*4+498*2)+(-804*2-465*4)=-812KJ/mol放出热能812KJ/molH2O(g)H2O(l),ΔH=-41KJ/mol总放热为812+41*2=894KJ/mol，实验值890.3KJ/mol判断化学反应热的正负（吸热or放热）：反应中有σ键变成π键时，通常是吸热反应，需升高温度，反应才能顺利进行。反应中有π键变成σ键时，一般是放热反应；无σ键和π键键型转变的反应，一般反应热很小，常常利用增加反应物浓度、抽走产物等方法促进反应进行。物质的宏观性质，例如物质的各种热力学函数值，都有其内部的结构根源。5.2化学能5.2.2反应热和反应性质5.3氢能和核能氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的能量。氢能包括氢核能和氢化学能，本小节中“氢能”专指氢气燃烧放出的化学能。氢能与其它能源相比有明显的优势：燃烧产物是水，堪称清洁能源；氢是地球上取之不尽、用之不竭的能量资源而无枯竭之忧；氢能热值高，1kg氢气燃烧能释放出142MJ的热量，约是汽油的3倍、煤的5倍；研究中的氢--氧燃料电池还可以高效率地直接将化学能转变为电能，具有十分广泛的发展前景。5.3.1氢能源5.3氢能和核能5.3.1氢能源①电解水：H2O→H2+O2②热分解水：H2O→H2+O2催化剂：Ca、Br2、Hg等。温度：730-1000℃③光分解水：H2O→H2+O2催化剂：Ce4+，联吡啶合钌。④光电分解水：以n型氧化钛为电极电解水。氢燃料的制取有人提出一种最经济最理想的获得氢能源的循环体系。亟待解决的问题是寻找能在光照下加快水的分解速度的光分解催化剂。当然氢发电机的反应器和燃料电池也是需要研究的课题。5.3氢能和核能5.3.1氢能源5.3氢能和核能5.3.1氢能源实现上述良性循环，将使人类永远可以各取所需地消耗电能。光分解水制取氢的研究已有一段历史。目前也找到一些好的催化剂，如钙和联吡啶形成的配合物，它所吸收的阳光正好相当于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和含钙的化合物也是较适用的催化剂。酶催化水解制氢将是一种最有前景的方法，目前已经发现一些微生物，通过氢化酶诱发电子与水中氢离子结合起来，生成氢气。总之，光分解水制取氢气一旦成功突破，将使人类彻底解决能源危机的问题。H2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。5.3氢能和核能5.3.1氢能源金属氢化物配位氢化物纳米材料目前主要考虑贮氢金属或合金储氢材料分类：LaNi5，六方晶系，3个八面体空隙，6个四面体空隙，可吸填6个稳定H原子，LaNi5H65.3氢能和核能5.3.1氢能源LaNi5+3H2LaNi5H65.3氢能和核能5.3.1氢能源---+++NiHHdxyσ*1sH2解离1999年，我国研制出的纳米碳管，是很好的贮氢材料。5.3氢能和核能5.3.1氢能源在298K，200atm下碳纳米管吸附氢（红色）的模拟图象5.3氢能和核能核能：又称原子能或原子核能，是由原子核结构发生变化过程所释放的能量。两种方式：和裂变和核聚变。天使与魔鬼5.3.2核能5.3氢能和核能5.3.2核能1、核裂变：使一个重原子核如铀、钍、钚等分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程。产物有放射性原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量：1克235U完全发生核裂变后放出的能量：相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。目前的核电站全部应用核裂变能。5.3氢能和核能5.3.2核能2nKrBanU92361425623592反应物质量：235.04u+1.0087u=236.05u生成物质量：141.92u+91.92u+2*1.0087u=235.86u质量亏损：Δm=236.05u-235.86u=0.19u由质能公式：ΔE=Δmc2=2.8*10-11Jkg101.66kg10022.611u27-23原子质量单位：1kg标准煤燃烧发热量29.26MJJ102.710022.604.2351108.21023112nKrBanU92361425623592kg101.66kg10022.611u27-23原子质量单位：J102.710022.604.2351108.2102311链式反应中子鈾-235核分裂逃逸要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:1核裂变要形成链式反应；2链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。5.3氢能和核能5.3.2核能5.3氢能和核能5.3.2核能反应堆5.3氢能和核能5.3.2核能快中子增殖反应堆，简称“快堆”在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1个钚每吸收1个快中子发生裂变反应会放出2.45个快中子，除去1个用于链式裂变反应后，剩下的1.45个快中子会被装在反应区周围的238U（大量存在）吸收，产生1.45个新的核燃料原子239Pu。“快堆”的“燃料”却越烧越多，成了魔炉。中国实验快堆：2005.5开工，2011.7.21成功实现并网发电中国首个快堆核电站计划2017年于福建霞浦开建5.3氢能和核能2、核聚变：由两个或多个轻核聚合成一个较重的原子核并释放出能量的过程。4g2D通过核聚变成1mol4He释放的能量相当于20吨标准煤燃烧释放的能量。核聚变能比核裂变能大得多。应用核聚变制造的氢弹，威力比用核裂变制造的原子弹威力大。5.3.2核能MeV85.23HeDD422（光子）MeV03.4pTDD322（质子）MeV85.17nHeTD432（中子）MeV85.23HeDD422（光子）MeV03.4pTDD322（质子）MeV85.17nHeTD432（中子）核聚变的引发和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的距离接近到大约10-7米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。5.3氢能和核能5.3.2核能所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到约109k。氘原子被加热到上亿度的时候，电子就会脱离原子核的束缚，成为一团炽热的气体——等离子气体。如何容纳这么热的等离子体强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等离子体。5.3氢能和核能5.3.2核能科学家建造了一个如同面包圈形状的空腔，空腔内是真空，其外是产生磁场的线圈。这个古怪的烤炉同时有一个古怪的名字：托卡马克(tokamak).温度高达近亿度的等离子体就被束缚在这个空腔内部，不会接触到容器壁，不会出乱子。5.3氢能和核能5.3.2核能利用核聚变能量需要解决的另一个问题是从天然的含氢化合物中分离富集出2D同位素：从海水中分离重水；激光照射分解三氟甲烷；硫化氢/水双温交换法。5.3氢能和核能5.3.2核能太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程已经发生了好几十亿年了。地球每天接受的辐射能可达6×1018kJ，其万分之一即足够人类消耗。5.3氢能和核能5.3.2核能太阳能5.6天然气和可燃冰5.6.1天然气天然气的主要成分是以甲烷为主的烃类气体；分布广泛，开采运输方便，不需重复加工，优质高效而洁净；化学转换：直接化学反应，合成液体燃料和化工原料天然气和水反应，制合成气，合成氨、醇、醛等化合物天然气和水在高压低温条件下，共同结晶形成天然气水合物，无色透明，外形似冰，可以燃烧，称为可燃冰。广泛存在于大海底部和永久冻土带的地层中。5.6.2可燃冰5.6天然气和可燃冰立方晶系：512占据顶点和中心，两个共六元环面连接的62512位于六个面的中线。五角十二面体512水分子组成的骨架，甲烷分子位于骨架空腔中6221621818晶胞中多面体个数：晶胞组成8CH4·46H2O62216218185.7电池电池是将化学能转换为电能的装置按使用性质的不同分类：原电池：一次性电池，如锌锰干电池蓄电池：二次性电池，如铅酸蓄电池燃料电池：利用H2、CH4燃料氧化发电电池由两个电极组成：正极：电势较高的电极，发生还原反应；负极：电势较低的电极，发生氧化反应。5.7.1常用的干电池和蓄电池5.7电池1.锌锰干电池：负极是锌做的圆筒，ZnZn2++2e-正极是一根碳棒，周围被MnO2、ZnCl2（或NH4Cl）、碳粉的混合剂包围。MnO2+H++e-MnO(OH)使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处MnO2的活性逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。锂是电极电位最高（E=-3.04V）、原子质量最轻的金属单质。用锂做成的电池具有稳定高输出电压、低重量、长寿命等优点。用锂或锂合金作为负极，用氧化物、硫化物、卤氧化物或碘的络合物等做正极材料。有机电解质或液态正极材料兼做电解质溶液。5.7.1常用的干电池和蓄电池5.7电池（1）锂碘电池：长期工作电压保持2.8V，寿命10Y+，适合用作心脏起搏器电源。（2）锂锰电池：质量轻、体积小，广泛用于照相机、手机等日用电器。2.锂电池摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中使用可充放电的二次锂电池。目前，商业化锂离子二次电池的正极材料主要是LiCoO2，负极材料主要为C，充电时发生如下反应：放电时发生上述反应的逆反应。5.7.1常用的干电池和蓄电池5.7电池2.锂电池正极反应：LiCoO2＝Li1-xCoO2+xLi++xe-负极反应：C+xLi++xe-＝CLix电池总反应：LiCoO2+C＝Li1-xCoO2+CLix内部构造外部构造5.7.1常用的干电池和蓄电池5.7电池3.铅酸蓄电池铅酸蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。电解液是稀硫酸。放电时反应为：负极(Pb):Pb+SO42--2e-=PbSO4正极(PbO2):PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O充电时是上述的逆反应。广泛使用在汽车、坦克、潜艇、通讯、电动车等各个领域。5.7.1常用的干电池和蓄电池5.7电池3.铅酸蓄电池5.7.2燃料电池5.7电池燃料电池(FuelCell，FC)是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。成本高，系统比较复杂。5.7.2燃料电池5.7电池氢氧燃料电池是以氢气作燃料，氧气作氧化剂，通过燃烧反应，将化学能转变为电能的电池。氢氧燃料电池工作时向负极供给氢，向正极供给氧气。氢在负极解离成H+和电子，H+进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧与电解液中的氢离子获得经外电路抵达正极上的电子而形成水。5.7电池5.7.3金属腐蚀的微电池原理负极正极eFeFe4222OHeHO22244潮湿环境中的钢铁可以看做微电池：水滴为电解液，钢材不同的部位看做正负极；钢材本身看做导体。负极：正极：OHFeHOFe23222221Fe2O3·xH2O红棕色的铁锈，疏松的无定形物质。HOxHOFeOHx6)3(2Fe23223eFeFe4222OHeHO22244OHFeHOFe23222221HOxHOFeOHx6)3(2Fe23223防止钢铁腐蚀生锈的方法：在钢铁表面涂上一层油漆或其他涂料，将钢铁和潮湿空气隔绝。正极保护法（牺牲阳极保护法）5.7电池5.7.3金属腐蚀的微电池原理在钢铁上焊上一块更易氧化的金属，如锌或镁合金等。阴极:发生还原反应的电极；阳极:发生氧化反应的电极；正极:电势较高的电极；负极:电势较低的电极。正极负极e4Zn2Zn22锌板电势较低是负极，发生氧化反应，是阳极：钢铁电势较高是正极，发生还原反应，是阴极：OHeHO22244e4Zn2Zn22OHeHO22244