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1、主题：化学与能源,7.1 能源的分类和能量的转化,7.1.1 能源的分类一次能源；二次能源。一次能源（天然能源）：在自然界以现成形式存在的能源；二次能源（人工能源）：由一次能源直接加工或间接加工转换而成的其它种类或形式的能源。再生能源；不可再生能源再生能源是指能够重复产生的自然资源；不可再生能源是指不能够重复产生的自然资源。,传统能源和新能源常规能源是指在目前科学技术条件下，已广泛使用的能源，如煤、油、气、电、水、柴草等；新能源是指正在研究开发，可以利用的能源，太阳能、氢能、潮汐能、地热能、海洋能等,7.1.2 能量的转化,能源的利用就是不同形式能量的转化过程。能量的形态有7种机械能；热能；化
2、学能；电能；光能；核能；和生物能。能量的单位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184 J能量转换及其效率：存在损失热力学第一定律：U=Q-W,表2.1 不同形态能量之间的转换效率,因此，开发、研制高效率的能量转换技术和设备也是十分有意义的工作。,6-2,化石燃料包括：煤炭、石油和天然气，全世界使用的能源90%取自化石燃料，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可再生能源。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：,7.2 化石燃料,化石燃料包括：煤炭、石油和天然气，全世界使用的能源90%取
3、自化石燃料，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可再生能源。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：,7.2.1 煤,1、煤的组成与结构有机成分无机成分：硫酸盐（如Ca、Mg、Fe等）、硅酸盐（K、Na、Ca、Mg、Al等）、硫化物、氧化亚铁等,2、煤的气化煤在氧气不足的情况下部分氧化，使煤中的有机物转化为可燃气体（4和7重要）,3、煤的干馏将煤隔绝空气加强热使其分解产物：焦炭、煤焦油、焦炉气、粗苯、粗氨水,4、煤的液化,7.2.2 石油与天然气,石油与天然气的形成石油与天然气是古代海洋中的生物由于地壳运动而沉积于地层中，在高温高压的条件下经长期作用而生成
4、的产物。如图2.1石油与天然气的组成石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中75以上是各种各样的烃类，其他组成是含氧、含氮、含硫以及含金属的化合物。石油中烃类的主要组分是烷烃、环烷烃和芳烃。烯烃的含量很少。烷烃中有直链和带支链的。,天然气（natural gas）主要是甲烷（CH4）和低沸点挥发性组分的混合物。当其中甲烷的体积分数大于50%时便称为“干天然气”，否则称为“湿天然气”。,石油,烃类,非烃类（硫化氢;硫醇;硫醚;噻酚,吡啶,吡咯类,等）,气态烃（石油气，C1C4低沸点组分）,液态烃,固态烃（C36；凡士林，蜡，沥青，等）,汽油（C5C11正构烷烃，200馏分）煤油和柴油（C11C2
5、0正构烷烃,200350馏分）润滑油（C20C36正构烷烃，300500馏分）,2、石油的炼制原油分馏：按沸点高低分离（如轻油：分馏温度小于350C的组分如汽油、煤油、柴油）催化重整：增加支链烷烃比例，并可获得芳香烃催化裂化：将重油和渣油中的大分子转化为小分子，经分离得各种产物（生产汽油的重要过程）加氢裂化：得气体、汽油、喷气燃料、柴油和润滑油渣油加氢：脱氮、碳、硫,分馏,裂化原因：分馏得到的轻油占1/31/4，质量不好。方法：热烈化低分子烯烃催化裂化高质量汽油实质是烃分子C-C链断裂，裂解产物是小分子的烃类和烯烃,3、石油化工和天然气化工,碳化学指以分子中只含一个碳原子的化合物(如化碳、甲烷
6、、甲醇等)为原料来合成一系列化工原料和燃料的化学。,7.3 核能,1、核裂变反应由于一个核的裂变可生成多个中子，进而可引发多个核的裂变，因此核的裂变是一个支链反应，如大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:重核裂变要形成链式反应（或增殖反应）；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,链式反应,中子,鈾-235 核分裂,2、核聚变反应,由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放出很大的能量。核聚变所释放的能量大于核裂变所释放的能量；核聚变所需的温度较高（T50,000,000）；目前太阳上正在进行的是氢聚变成氦的反应,7.4 化学电池,电池的分类：电池
7、按照其使用性质的不同可以分为一次电池（干电池、原电池）、二次电池（蓄电池）和燃料电池等几大类。表征电池的质量常用指标开路电压和工作电压电池容量寿命和贮存期,7.4.2 原电池,1、铵型锌-锰干电池：负极是锌做的圆筒正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。电池符号：电池总反应,2、锌型锌-锰干电池：电池符号：(-)Zn|ZnCl2|MnO2(+)电池反应：3、碱型锌-锰干电池：电池符号：(-)Zn|KOH|MnO2(+)电池反应：4、锂原电池称锂电池,7.4.3 蓄电池,1、铅酸蓄电池电池符号：Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2电池反应:2、镍-镉电池电池符号:
8、Cd|KOH|NiOOH,C电池反应:,3、金属氢化物-镍电池（MH-Ni）电池符号：MH|KOH|NiOOH电池反应：4、锂离子电池电池总反应：LiCoO2+C Li1-xCoO2+Clix充电时,锂离子在外电场的作用下进入层状石墨,处于高能态;放电时锂离子从高能态脱离出来进入低能态(正极),同时通过外回路放出多余的电能。5、银-锌纽扣电池电池符号：Zn-ZnO|KOH(40%)|Ag2O-Ag,7.4.4 燃料电池,燃料电池（Fuel Cell，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
9、率的汽车动力。燃料电池的特点燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。可靠性和操作性良好，噪声低。所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。,燃料电池的基本组成,阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类,燃料电池的分类,1、按燃料电池的运行机理分分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2.按电解质的种类不同：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、3.按燃料类型分氢燃、甲烷、甲醇、
10、乙醇料电池,1、碱性燃料电池（AFC）,碱性燃料电池的结构（自由电解质型）,主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水碱性燃料电池的工作温度大约80是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。AFC的优点是：效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高；因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板AFC的缺点是：因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。,2、磷酸燃料电池（PAFC）,以浓
11、磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。磷酸燃料电池特点排气清洁燃料并不燃烧，就发电，所以几乎完全没有NOX,SOX。污染大气物质.发电效率高燃料电池发电上是把燃料的化学能直接变换成电能的，所以能量变换损失少.低噪音，低振动不伴有旋转机械的发电方式，所以是在低噪音、低振动下运转。,3、质子交换膜燃料电池（PEMFC）,原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极两电极的反应
12、分别为：阳极(负极)：2H2-4e=4H+阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O 质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。,4、熔融碳酸燃料电池（MCFC）,工作温度可达650。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶
13、化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。阳极反应：CO32-+H2 H2O+CO2+2e-阴极反应：CO2+1/2 O2+2e-CO32-,5、固体氧燃料电池（SOFC）,是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好在这种燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主
14、要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。,氢能太阳能生物质能,7.5 新能源,在新能源的探索中，氢气被认为是理想的二次能源。氢气作为动力燃料有很多优点。干净、无毒。燃料热值大，能满足热机对燃料的要 求。资源丰富。应用范围广，适用性强。有关氢能源的研究，目前面临三大课题：氢气的制取；氢的贮存和输送；氢的利用。,7.5.1 氢能,1、氢气的制备,电解水制氢矿物燃料制氢有机废弃物制氢微型藻类制氢葡萄糖制氢光催化制氢人工光合作用,2、氢气的输送与贮存,氢化物作为贮存材料，应具有如下特点贮存的密度高，也就是说单位体积能吸收更多的H2
15、。化学稳定性好，特别是对于空气和水都应该是“惰性”的，以利应用。金属氢化物分解时的反应热不能太高，以减少能耗。吸H2和放H2的压力能适合于使用H2 的设备的需要，且吸H2和放H2的速率较快。贮氢金属的使用寿命长，其活性较好，不易中毒失效。贮氢金属的成本要低，以便于推广,3、氢化学能的利用,氢气的用途很广，可作燃料和化工原料，也用作金属冶炼的还原剂、燃料电池的燃料。氢气属于洁净的燃料，其燃烧性能很特殊，如氢气中混有空气容易引起爆炸。故须配合研制相应的特殊燃烧装置。在民用方面，氢气可用作城市燃气，氢气也可以直接用来发电。氢能汽车是最清洁的交通工作。氢直接作为燃料氢氧火箭发动机航空、船舶燃气轮机氢气
16、-空气发动机,7.5.2 太阳能,与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：太阳能是个持久、普遍、巨大的能源太阳能是洁净、无污染的能源成本低廉，可就地取材，不受任何的垄断和操纵,2、光热转换,低温热利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：空调制冷、制盐以及其它工业用热高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉,3、光电转换,太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。太阳能电池；太阳能电站,7.5.3 生物质能,绿色植物在叶绿素的作用下，将太阳能转化为化学能而储存在植物的根、茎、叶中。植物的根、茎、叶中储存的能量称为生物质能。生物质能是可再生能源。生物质能潜力大、种类多、来源广。有木材和森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、可燃生活垃圾，等。生物质能的应用方法有直接燃烧法：如焚烧麦秸杆（取暖、做饭、发电）；深加工法：将生物质材料压制成成型燃料，提高使用的便利性和燃烧效率；热化学转换法：在高温绝氧的条件下，获得木炭、焦油和燃气；生化转换法：如通过发酵生成沼气、酒精等,THANK YOUEND,
