化学与人类生活PPT课件

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化学与人类生活化学反应概论——化学与能源西南交通大学生命科学与工程学院化学化工系化学向人类提供化学向人类提供各种合理使用能源的方法各种合理使用能源的方法一.化学提供人类合理使用能源的方法液体能源固体能源核能电池CoalPetroleumChemicalCellNuclearEnergyEnergysourcesusedintheUnitedStatesEnergysourcesusedintheUnitedStates石油是一种碳氢化合物的混合物碳氢化合物：烃是由碳和氢两种元素组成的化合物饱和烃－烷烃CCalkane不饱和烃－烯烃CCalkene－炔烃CCalkyne芳香烃－带苯环的烃aromaticsCH3-CH3CH2=CH2BenzeneEthaneEthene石油：由C1到C40的烃组成的混合物CC原子数原子数11－－4455－－15151515－－4040形态形态气体气体液体液体固体固体物例物例甲烷至丁烷甲烷至丁烷汽、煤、柴油汽、煤、柴油石蜡石蜡碳链越长，沸点越高！碳链越长，沸点越高！石油可以通过分馏的方法分离或分割！石油可以通过分馏的方法分离或分割！C1－C4石油气(PetroleumGas)40C。C10－C15煤油(Kerosene)145－245CC5－C7溶剂油(Solvent)40－95CC6－C11汽油(Gasoline)80－200CC14－C18柴油(Diesel)200－365C重油C18－C40(HeavyOil)大于365C。。。。。常压分馏塔常压分馏塔C16－C20润滑油LubricantC16－C20液固态凡士林VaselineC20－C30石蜡ParaffinWaxC30－C40沥青Asphalt减压分馏塔减压分馏塔1.汽油通过石油的分馏获得2.汽油依然是一个混合物3.沸程是混合物气化的温度范围，或沸点的范围同分异构体！同分异构体！分子式相同，结构不同CrudeOilCompositionSchematicPetroleumHydrocarbonTypesforArabianHeavyCrude汽油性能的表征－辛烷值(Octanenumber)汽油在内燃机气缸运转过程：进气压缩点火排气自燃点：直链烷烃<支链烷烃、环烷烃<芳香烃自燃点辛烷值异辛烷(isooctane)418100正庚烷(normalheptane)2230爆震（detonation)原因：自燃点低的烃在气缸稳定下易形成过氧化物辛烷值的四个含义：辛烷值的四个含义：1.辛烷值是人为制定的一个比较汽油性能的参数2.辛烷值越高，汽油的性能，即抗爆性越好。3.相对标准是：正庚烷0；异辛烷100。4.辛烷值以抗爆性能相同的混合物中异辛烷百分比来表示。用化学的方法使直链烃变为支链烃用化学的方法使直链烃变为支链烃－－－（催化）重整－－－（催化）重整四乙基铅四乙基铅汽油中加千分之一，辛烷值提高13－17。分解成氧化铅，可分解过氧化物氧化铅？固体？氧化铅？固体？二溴乙烷二溴乙烷EthyleneDibromide1.MTBE－甲基叔丁基醚2.M50,M80－甲醇汽油，辛烷值可达1303.乙醇汽油4.二甲醚5.LPG－液化石油气组合剂法化学家化学家其他渠道－－－裂化汽油（催化裂化）石油中C6－C11只占约30％，采用热裂解可以把长链烃类裂解成短链，汽油占15－30％，使用催化剂后，汽油得率高达80％,其辛烷值比直镏汽油高。其他渠道－－－烷基化油（烷基化）烯烃（C3-C5）+异丁烷支链烷烃(烷基化油)酸催化与烷基化油相比，其他一些高辛烷值组分均存在一些问题。2000年，烷基化油在北美汽油组分中已占14.3%，随着对汽油品质和环保要求的提高，烷基化油的比例将进一步提高。OctanenumbercontributionsfromcomponentsofatypicalUSgasolineGasolineComponentGasolineComponentPCTofPoolPCTofPoolBlendingOctaneBlendingOctaneContributionContributionReformateReformate41.4041.40888836.436.4FCCgasolineFCCgasoline26.4026.40868622.722.7AlkylateAlkylate14.3014.30939313.313.3IsomerateIsomerate7.407.4087876.46.4AlcoholsAlcohols3.403.401081083.73.7Lightstraight-rungasolineLightstraight-rungasoline1.901.9073731.41.4HydrocrackergasolineHydrocrackergasoline1.601.6081811.31.3MTBE*MTBE*1.001.001101101.11.1n-Butanen-Butane1.101.1092921.01.0LightdelayedcokergasolineLightdelayedcokergasoline1.201.2078780.90.9TAME**TAME**0.300.301051050.30.3TotalTotal100.00100.0088.688.6*MTBE–methyl-tert-butylether**TAME–tert-amyl-methylether按现在速度和探明储量－石油可开采40年。地球上有另一个储量大得多的能源－煤1926年FischerandTropsch发表煤合成汽油专利化学中的一个重要研究方向－一碳化学煤的气化－H2,CO气态的燃料更容易使用，可以实现管道化，输送方便。将煤与有限的空气和水蒸气反应水蒸气+煤+空气→CO+H2+N2但这样产生的氮气占一半左右，增加运输负担。因此常将但这样产生的氮气占一半左右，增加运输负担。因此常将煤在高温下与水蒸气作用煤在高温下与水蒸气作用C+H2O(g)→CO+H2FischerFischer－－TropschTropsch反应反应甲烷化反应甲烷化反应CO+3HCO+3H22→→CHCH44+H+H22OO烷烃化反应烷烃化反应nCO+(2n+1)HnCO+(2n+1)H22→→CCnnHH2n+22n+2++nHnH22OO烯烃化反应烯烃化反应nnCO+2CO+2nnHH22→→CCnnHH2n2n++nnHH22OO醇化反应醇化反应nnCO+CO+2n2nHH22→→CCnnHH2n+2n+11OH+OH+(n-(n-1)1)HH22OO这些反应看似简单，其实反应本身非常复杂，这些反应看似简单，其实反应本身非常复杂，反应产物也非常多。每一类都有自己的催化剂反应产物也非常多。每一类都有自己的催化剂煤的干馏－与空气隔绝时加热处理的一种工艺干镏产品：固体－焦碳液体－煤焦油（芳香化合物）气体－煤气（H2,CO）芳香混合物－含有苯环的混合物芳香混合物－含有苯环的混合物O焦炭用途－制电石Ca+3C→CaC2+CO（高温隔绝空气）高温隔绝空气）原子核能壹.原子结构十八世纪－原子是组成物质的不可分割最小粒子1815年－普劳特认为一切原子由氢原子组成1874年－克罗克斯发现阴极射线，称为电子1895年－伦琴发现X射线，能使气体电离1896年－贝克勒发现铀的放射性三种射线－α带阳电荷的氦原子β电子γ中性类似X射线的光线SchematicofacathoderaytubeSchematicofacathoderaytubePlumPuddingmodelofanatomPlumPuddingmodelofanatom（葡萄干（葡萄干面包模型）面包模型）——汤普森汤普森..著名的著名的RutherfordRutherford实验实验..modelofanatom.modelofanatom.AnuclearatomviewedincrossAnuclearatomviewedincrosssectionsection..？？1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子,发现质子。原子核由质子组成？42He+147N178O+11H任何元素的质量都比阳电荷质量高一到几倍，为什么？发现中子1932年查德维克以α粒子轰击铍元素，发现质量与质子一样，中性的粒子－中子42He+94Be126C+10n如何平衡核反应方程式原子结构问题解决了。那么中子数是一定的吗？同位素－原子序数相同，而原子质量数因中子数不同而不同。同位素同位素－原子序数相同而原子质量不同的同一元素的原子核结构原子核直径不及原子万分之一，却占质量的绝大部分，密度极高。所有元素核密度几乎相同，约2.44×1014g/cm3,核子之间的核力使之克服了质子间的静电排斥力。E=mCE=mC22质子1.00728u,中子1.00867u1u=1.6605655×10－27kg氦原子核(2质子，2中子)4.00150uΔm=-0.03040uΔE=ΔmC2=-0.03040u×1.6605655×10-27kg/u×(2.99793×108m/s)2=-4.5369×10-12kg×m2/s2=-4.5369×10-12J由质子和中子结合成一摩尔氦核产生的能量为：6.02217×1023×4.5369×10-12=2.7322×1012Jmol-1打破一个氦原子成为质子和中子需要4.5369×10-12J的能量－－－氦原子的结合能结合能越大，核结合越紧密，核的能量越低核子平均核结合能有什么方法可以获得能量？NuclearfissionNuclearfusion奥托·哈恩（OttoHahn，1879—1968）莉泽·迈特纳（LiseMeitner，1878－1968）弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz·Strassmann，1902－l980）1994年5月IUPAC（国际纯粹化学与应用化学联合会）通过一项决议，建议把第109号元素命名为Meitnerium，以纪念核物理学家Lise·Meitner（莉泽·迈特纳，1878－1968）。奥托·罗伯特·弗里施（Otto·Robert·Frisch）核裂变核反应一.自发核反应－核衰变铀－镭系，钍系，锕系，镎系(人工合成)22888Ra22889Ac＋ββ衰变22688Ra22286Rn+42Heα衰变二.诱导核反应－轰击诱导147N+42He178O+11Hα轰击126C+11H137N+γ质子轰击2713Al+10n2712Mg+11H中子轰击1kg铀-235＝2500t优质煤Problem？BIGPROBLEM1.U-235含量0.714%,99.28%是不裂变的U-2382.中子打在U-238上会被吸收掉1.浓缩U-235,提高至2%以上。2.U-238吸收中子跟中子能量有关，对慢中子的吸收仅为U-235的1/190。重水和石墨是最好的减速剂临界体积临界体积雪崩式连锁反应雪崩式连锁反应吸中子材料吸中子材料--镉棒镉棒5%5%镉镉,15%,15%铟铟,80%,80%银银轻、重水之争轻、重水之争－钚－钚六方会谈六方会谈核能应用美国第一艘核潜艇下水1954年1月21日我国第一艘核潜艇下水1971年8月23日前苏联第一座核电站1954年6月23日我国第一座核电站1991年核电占本发电总量的比例：法国72％日本23％美国21％我国0.001%秦山核电站：核燃料3％26％24％共40吨（年消耗1/3）发电量相当于一百万吨优质煤（燃烧时释放300万吨一氧化碳，3万吨二氧化硫，2万吨氮氧化物）ThedecayseriesThedecayseries..DiagramofanuclearpowerplantDiagramofanuclearpowerplantRadioactiveparticlesRadioactiveparticlesandraysvarygreatlyandraysvarygreatlyinpenetratingpower.inpenetratingpower.DiagramforDiagramforthetentativethetentativeplanfordeepplanfordeepundergroundundergroundisolationofisolationofnuclearwastenuclearwaste..核技术的应用壹.核动力1954年美国第一艘核潜艇下水（我国1971）1954年前苏联第一座核电站发电（我国1991）贰.同位素的发展和应用叁.医学原电池原电池11、把一块金属、把一块金属MM放入含有相同金属离子放入含有相同金属离子MMn+n+的溶液中。溶液中的金属离子的溶液中。溶液中的金属离子MMn+n+将撞击金属将撞击金属表面，从而获得表面，从而获得nn个电子。被还原为金原子个电子。被还原为金原子MM。。MMn+n+（（aqaq））+ne+neMM（（ss））2、同时，金属M表面的金属原子失去n个电子被氧化成金属离子Mn+，并进入到溶液中去。M（s）-neMn+（aq）半电池——金属M与含有相同金属离子Mn+的溶液中所组成的体系称为半电池。原电池的组成原电池的组成不同半电池的电极表面，电荷不同半电池的电极表面，电荷密度不同，形成的电极电势也就不同。密度不同，形成的电极电势也就不同。如果把两个电极表面电荷密度不同的半电池用导线连接起来，电子将从电势高的一端流向电势低的一端，从而形成电流。结果结果…………金属导线中并无电流产生金属导线中并无电流产生ZnCuZn–2eZn2+ZnSO4溶液CuSO4溶液化学原电池装置化学原电池装置ZnCuZn–2eZn2+eeCu2++2eCuCuSO4溶液ZnSO4溶液KCL凝胶（盐桥）SchematicofabatterySchematicofabattery原电池装置的表原电池装置的表达达电池符号：电池符号：((——)Zn|ZnSO4(c1)||CuSO4(c2)|)Zn|ZnSO4(c1)||CuSO4(c2)|Cu(+)Cu(+)负极正极表示两相界面表示两相界面溶液溶液电极电极盐桥化学电源两个必备条件化学电源两个必备条件1.1.必须把化学反应中失去电子的过程，和得必须把化学反应中失去电子的过程，和得到电子的过程，分隔在两个区域内进行到电子的过程，分隔在两个区域内进行2.2.两个电极分别发生氧化和还原反应，电子两个电极分别发生氧化和还原反应，电子必须通过外电路做功必须通过外电路做功除金属和其离子可以构成一个半电池，有金属变价的化合物也可构成一个半电池。AAcommocommondryndrycellcellbatterybattery..负极：Zn+4NH4Cl→(NH4)2ZnCl2+2NH4++2e正极：MnO2+2H2O+e→MnO(OH)+OH-Amercurybattery.Amercurybattery.SchematicofonecelloftheSchematicofonecelloftheleadbattery.leadbattery.·Åµç³äµç·Åµç³äµç负极：Pb+SO42-PbSO4+2e正极：PbO2+SO4-+4H++2ePbSO4+2H2O总反应：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O·Åµç³äµç·Åµç³äµç镉镍电池CdKOHNiOOH注意点：小电流充电“记忆”效应电池为什么要回收？骨痛病－日本富山县事件水俣事件－世界八大灾难之一发展中的新型电池1.氢镍电池H2KOHNiOOH2.锂电池?电极材料的重量很轻3.燃料电池只有有电子得失的反应才能构成电池氧化还原反应凡是有电子得失的反应属于氧化还原反应Zn+Cu2+Zn2++Cu有些反应中电子得失的概念不是很清楚C+O2CO2氧化数－假设把化合物中成键的电子都归于电负性更强的元素，然后计算元素的电荷数，此数就是该元素的氧化数确定氧化数的规则1.单质的氧化数为零2.氢在化合物中的氧化数一般为＋13.氧在化合物中的氧化数一般为－24.所有元素的原子，其氧化数的代数和在多原子的分子中等于零，而在多原子的离子中等于离子所带的电荷数凡是氧化数升高的过程称为氧化过程，而氧化数降低的过程则称之为还原思考题思考题11、能源在人类生活中有哪些重要作用？、能源在人类生活中有哪些重要作用？22、何为石油？、何为石油？33、何为烃类化合物？、何为烃类化合物？44、何为同分异构现象？请举例说明、何为同分异构现象？请举例说明55、烃类化合物的命名原则有哪些？、烃类化合物的命名原则有哪些？66、汽油为何物？它是如何被提炼的？、汽油为何物？它是如何被提炼的？77、汽油、煤油、柴油的主要区别在哪里？、汽油、煤油、柴油的主要区别在哪里？88、表征汽油抗爆性能的指标是表示什么？、表征汽油抗爆性能的指标是表示什么？99、辛烷值是如何被确定的？、辛烷值是如何被确定的？1010、提高辛烷值有哪些方法？、提高辛烷值有哪些方法？1111、汽油中为什么会含有铅？、汽油中为什么会含有铅？1212、政府为什么要仅有含铅汽油？、政府为什么要仅有含铅汽油？1313、为什么要进行汽油重整？、为什么要进行汽油重整？1414、裂化汽油是如何得来的？、裂化汽油是如何得来的？1515、为什么说直接烧煤是不科学和不合理的？、为什么说直接烧煤是不科学和不合理的？1616、煤的干馏产品有那些？、煤的干馏产品有那些？1717为什么煤要干馏？为什么煤要干馏？1818、煤的气化有哪些方法？、煤的气化有哪些方法？1919、半煤气的成分为何？有什么重要的应用？、半煤气的成分为何？有什么重要的应用？2020、水煤气是如何制备的？、水煤气是如何制备的？2121、何为一碳化学？、何为一碳化学？2222、催化剂一种怎样的物质？、催化剂一种怎样的物质？2323、催化反应有怎样的特点？、催化反应有怎样的特点？2424、原子核是由什么构成的？、原子核是由什么构成的？2525、何为同位素？、何为同位素？2626、何为质量亏损？、何为质量亏损？2727、何为平均核子结合能？、何为平均核子结合能？2828、是不是所有原子都能发生核反应？、是不是所有原子都能发生核反应？2929、在核反应中为什么要控制中子的能量？、在核反应中为什么要控制中子的能量？3030、为什么在受控核反应中要控制中子的数量？、为什么在受控核反应中要控制中子的数量？3131、何为裂变？何为聚变？、何为裂变？何为聚变？3232、核能在哪些方面可以得到应用？、核能在哪些方面可以得到应用？3333、除了铀、除了铀-235-235可以作为核能的原料以外，是否还有别的元素？可以作为核能的原料以外，是否还有别的元素？3434、何为电极电位？、何为电极电位？3535、怎样的化学反应才能构成化学电源？、怎样的化学反应才能构成化学电源？3636、何为一次电池？何为二次电池？常用的一次电池是由什么材料构成的？、何为一次电池？何为二次电池？常用的一次电池是由什么材料构成的？3737、发展中的新型电池都有哪些？、发展中的新型电池都有哪些？