六章节化学与能源.ppt
第六章 化学与能源,能源 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)。 能源按其来源大致分为三类：太阳能及其转化物,如太阳直接辅射能、煤、石油、天然气等化石燃料，以及太阳能转化来的生物能、水能、风能、海洋能等；地球本身的能量，如地热能、核能；天体对地球的引力能，如潮汐能。能源按利用方式可分为两种：直接从自然界获得的不改变其形态的次能源和经人类加工生产出来的二次能源。一次能源按能否再生又可分为：可再生能源，如太阳能、风能；经过亿万年形成且短期内不可再生能源的能源，如化石燃科、核能等。从对环境的影响来看，化石燃料等为污染能源，水能、风能等则为清洁能源。,煤、石油、天然气是当今世界上最重要的化石燃料(又叫矿物燃料)，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绝空气的条件下，经过长期的一系列复杂的化学变化和生物变化，而形成的一种由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。煤的主要成分是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等48种元素。 煤炭有实用价值的综合利用主要有煤的干馏、气化和液化。煤最主要的应用是直接作为燃料， 将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，即煤的干馏。由此得到焦炭、煤焦油、炔炉气、粗氨水和粗苯等。这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。,一、常规能源化石燃料,煤的气化：是把煤中的有机物转化为可燃件气体的过程。煤与有限的空气和水蒸气反应，得到种气态混合物，称之为半煤气：,如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这种气体的燃烧热比半水煤气高1倍。,煤的液化：是把煤转化成液体燃料的过程。煤与液态烃在化学组成上的差别在于煤的氢碳原子比(即H/C)低(一般石油烃的H/C约为18)。为使煤液化，需要加氢。,石油的形成：石油是由古代动、植物遗体在地壳内部高温、高压条件下经过非常复杂的化学变化而形成的各种烷烃、环烷烃和芳烃组成的混合物。石油所含的基本元素是碳和氢(达9798)，同时含少量硫、氧、氮等元素。 石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、润滑油等。,石油工业的粮食,图6-1 原油加工示意图,辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)的辛烷值定为l00，爆震性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种烃的不同比例的混合物进行比较，就可以得到该汽油的相对辛烷值。为了提高汽油的辛烷值，过去广泛使用的一种入法是在汽油中添加少量抗震剂四乙基铅；现在为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 作为高辛烷值组分。目前，我国使用的车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如90号汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。,汽油和汽油的标号,氢能是经人类加工生产出来的二次能源，它具有以下优点：原料来源丰富(水)，取之不尽，用之不竭；燃烧热值高，1千克H2燃烧可以放出近12万千焦热量，相当于燃烧3千克汽油；无污染，不产生有毒有害气体。因此，氢能源是理想的新能源。 发展新能源，首先，需要解决如何廉价大量制备氢气的问题，其次，要解决储存问题。 目前世界上已开发和正在研究的方法有：电解法(电解水或食盐水)；用煤、天然气、轻质油与高压水蒸气反应的热化学法；阳光催化分解法；生物法等。,二、理想的新能源氢能,光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如钙和联吡啶形成的配合物。它吸收的阳光正好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和某些含钙的化合物也是较适用的催化剂。 有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要原理是：,日本东京大学的科学家在氩和氦的气流中，将陶瓷CNF加热至300度，然后用注射针头向CNF注水制得氢。由于水解后CNF又回到非活化状态，所以CNF能反复使用。在每一次反应中，平均每克CNF可产生2至3厘米3H2。 我国在世界上首次完成生物制氢中试实验。哈尔滨建筑大学的学者利用细茵从污水中分解收集氢气，并于2000年2月初完成中试实验。利用含碳水化合物的有机废水通过生物发酵制氢，使人类找到了一种新的可再生的洁净能源。,大量储存氢一般有两种方法。一种方法是高压下液化为液氢。但在常压下，氢气必须降温至-252度才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有极好的绝热设备托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属(如钯等)或合金形成金属氢化物，如1体积胶状佬(Rh)能吸收2900体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢具有储存量高、可逆、安全等优点。,氢的储存方法,研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解决能源问题的研究课题，理想的氢能源如图所示。,图6-2 理想的氢能源示意图,化学电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，分为原电池和蓄电池。 原电池 原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和隔膜等组成，它可表示为：负极/电解液/正极 。,三、化学电池,图6-3 原电池示意图,干电池,1800年伏打首先制成了伏打电池。1836年英国化学家发明了古典原电池。1865年法国化学家勒克朗斯发明了第个干电池，现代的干电池不过是其改进。,锌锰干电池结构图,(2) 碱性干电池 用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导电性能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反应的面积要比锌皮大得多，因此可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电解液渗漏。,碱性干电池,银锌钮扣电池,钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是1.6伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求的场合，但价格昂贵。,蓄电池,蓄电池也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用的化学电池。 (1) 铅蓄电池 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的 铅板(正极)浸入30（密度为1.21.3 g/cm3）的硫酸水溶液所组成。铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必须充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克的照明光源。,铅蓄电池 的电极反应,碱式镍镉蓄电池,银锌电池,发展中的新型电池,1、氢镍电池,氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电极（其内部气体压力可达4MP）。它的工作状态可划分为3种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。,表6-1 氢镍电池的电极反应及对应的标准电位,氢镍电池的电极反应及对应的标准电位（续）,氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，1977年起在地球同步轨道条件下寿命超过10年。此外，它承受过充电和过放电的能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸的可能性。尽管如此，氢镍电池的前景十分乐观，最终将在航天领域内全面取代镉镍电池。,2、锂电池,锂是自然界电池最轻的金属元素，同时它又具有最低的电负性（-3.045V）。所以选择适当的正极与之匹配，可以获得较高的电动势，具有最高的比能量，所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出的能量。 由于锂遇水会发生剧烈反应，所以应选用非水电解质溶液。日本三洋公司首先推出Li/MnO2电池。其电极反应如下：,反应结束Li+进入MnO2晶格中。,锂电池的优异性能是：比能量高，使用温度范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用于心脏起搏器的电源。主要缺点是：但在短路或某些重负荷下，有发生爆炸的可能性。,3、燃料电池,所谓燃料电池，是通过电化学过程将反应物（燃料）中的化学能直接转化成电能的电池装置。 燃料电池的基本组成是电极、电解质、燃料和氧化剂。工作时，燃料和氧化剂不间断地分别输送到电池的两个电极上，确保电池连续稳定工作。,图6-5 氢-氧燃料电池的工作原理,图6-6 氢-氧燃料电池的反应过程,燃料电池适用于航空事业，一则燃料电池有很高的比能量，可降低向太空的发射费用。二则燃料电池的产物是水，经处理后可供宇航员饮用，更可减少携带重量。,
