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1、化学与社会Chemistry and Society张德 主讲,，,第二章 化学与能源,2-1 能源与社会进步2-2 煤2-3 石油 天然气2-4 汽油2-5 节能技术2-6 现代新能源,2-1 能源简史,能源：能够提供能量的自然资源。凡是能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质。能源简史：根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期。1.柴草时期 十八世纪初，即资本主义发展以前为柴草时期。这时人类是以树枝，杂草等当燃料，用于熟食和取暖，而生产活动主要靠人力、畜力以及一些简单的水力和风力作机械动力。这段漫长的时期，人类社会的生产和生活处于很低的水平。2.煤炭时期 十八
2、世纪初下半叶起，产业革命导致了工业大发展，逐步扩大的煤炭利用促进了煤炭工业的大发展，使煤炭代替了薪柴成为生产生活的主要燃料；燃煤蒸汽机成为生产的主要动力；煤炭转化成电力进入社会的各个领域，成为生产和生活的重要能源之一，电力的应用从根本上改变了人类社会的面貌。,，,3.石油时期 从十九世纪后期起，石油资源的发展开拓了能源利用的新时代。石油和天然气以热值高、输送方便、清洁和廉价等优点，逐步在工业发达国家中代替了煤炭。上世纪50年代中期，世界石油和天然气的消费超过了煤炭成为世界能源供应的主力。1973年出现的石油危机，促使人类对能源的开发利用开始向比较丰富的煤炭、核能以及太阳能和其他再生能源改变，以
3、更好地解决人类将来的能源需要。4.石油时期 能源是人类生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的最基础的原动力，也是社会经济发展水平的重要标志 一种新能源的出现、能源科学技术的每一次重大突破(蒸汽机技术、汽油发动机、柴油发动机)，都带来世界性的经济飞跃和产业革命，极大地推动着社会的进步。化学可给人类提供合理的科学的使用能源的方法。,鉴于对能源研究的目的，按能源的来源可分为：1、一次能源：自然界中存在的可直接使用的能源，主要指的是化石燃料。如：煤、石油、天然气等。2、二次能源：经加工转化成的能源。如:电、汽油、柴油，煤气、氢气、甲醇等合成燃料。按能源能否再生可分为：3、再生能源：是不随人类的
4、使用而减少的能源。如:太阳能、生物质能、地热能、风能、潮汐能等；4、非再生能源：是随人类的使用而逐渐减少的能源。如:煤、石油、天然气等。,能源的分类,按能源使用的成熟程度可分为：1、常规能源（传统能源），是人类已经长期广泛使用，技术上比较成熟的能源，如煤、石油、天然气等；2、新能源，指虽已开发并有少量使用，但技术上还不成熟，使用也不普遍，却具有潜在应用价值的能源，如太阳能电池、氢能源等。,按能源性质可分为：1、含能体能源，指既能储存也可直接运输的燃料。如:煤、石油、天然气等。2、过程性能源，指能够提供能量的物质运动形式，如太阳能、水能和风能等。不能保存也很难直接储存运输。,常规能源,一次能源,
5、二次能源,种类,新能源,煤、石油、天然气、植物秸杆、水力、风力,核燃料、生物质、太阳能,煤气、煤油、汽油、柴油、甲醇、乙醇、电、蒸汽,氢能、沼气、激光,2-2 煤,煤是最主要的固体燃料，由一定的地质年代生长的繁茂植物，在适宜的地质环境中，逐渐堆积成厚层，并埋没在水底或泥沙中，经过漫长地质年代的天然煤化作用而成。根据煤化程度的不同，分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四类。煤的主要元素组成：85 C、5 H、7.6 O、0.7 N、1.2 S。折算原子比，推出分子式：C135H96O9NS,标准煤的燃烧热值:1cal=4.187J1.泥煤:60%C;3106cal/kg2.褐煤:6075%C;6.510
6、6cal/kg3.烟煤:7590%C;7.5106cal/kg4.无烟煤:90%C;8106cal/kgC(g)+O2(g)=CO(g)Q=-7.8106cal/kg2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)Q=-2.9107cal/kg无烟煤的含氢量为14%,煤炭资源,在地球上化石燃料的总储量中，煤炭约占80%。地质总储量为107500亿吨标准煤，其中可开采量约为 9854亿吨.90%的可开采储量集中在美国、俄罗斯、中国和澳大利亚等国。我国探明的可开采量为 7300多亿吨居世界第一位，占世界总储量的66%。1990年我国的原煤产量就突破了10亿吨，2011年产量达到了21.8 亿吨，占世界开采
7、量的50%。按现在的开采速度不到200年我国的煤炭资源就会枯竭。煤炭的主要用途是作为供暖、发电、炼焦和冶金的燃料，其次是用于提取焦油煤化工。,100以上200以上350以上400450450550550以上900以上,蒸发自由水放出化合水及二氧化碳,无煤气放出，只剩下焦炭,固体成为焦炭，此时只放出煤气,继续分解和出现固体残留物,大多数焦油被释放,开始分解，释放出煤气和焦油，烟煤软化,主要的产品有三种：焦炭、煤焦油、焦炉气,2.2.1 煤的干馏,焦化厂,炼焦炉,分馏设备,焦炭主要用于炼铁，少量用作化工原料制造电石、电板等。煤焦油是一种又黑又臭的粘稠液体。可分离出苯、酚、萘、蒽菲等重要化工原料，它
8、们是医药、农药、炸药、染料等行业的原料。焦炉气炼焦炉产生出来的气体物质，温度至少在700以上，其中除一氧化碳、氢气、甲烷、乙烯等可燃性气体外，还有微量苯、氨等。焦炉气可用来作城市管道民用燃气。,2.2.2 煤的气化(一碳化学)煤转化为煤气的化学反应称为一碳化学,煤+空气+H2O（蒸汽）N2+H2+CO2+CH4 1.碳+空气 CO2+N2 放热(煤气发生炉升温),可作为城市管道化清洁燃料煤气的主要成分:40%H2 15%CO 15%CH4 30%CO2 注:煤矿矿井下的瓦斯主要成分是甲烷无固体废渣和烟尘排放的燃料，称为清洁燃料。,2.H2O+C H2+CO（吸热）(水煤气)3.CO+H2 CH
9、4+H2O（放热）(合成气),2.2.3 煤气中毒,炉温较低或供氧不足时，主要产生的是CO。CO有优先与输送氧气的血红蛋白结合，阻断了氧气的输送量，使人发生煤气中毒。管道煤气的主要成分是 CO、CH4、H2等。为了使泄漏能提前活到预警，掺进了一点点具有恶臭气味的乙硫醇或四氢噻吩报警，避免煤气泄露。,一旦发生煤气中毒事故，轻者要及时转移到通风的地方，重者则应立即送到医院抢救。在医院里，将病人放入高压氧舱，加速 CO 与血红蛋白的分离，使病人自由地呼吸，缓解缺氧症状。,2-3 石 油,石油是由亿万年前海洋或湖泊动植物遗体在地下深处，长期处在高温、高压和缺氧条件下，经过漫长而复杂的变化形成的,又称原
10、油.是一种黑色或暗棕色的油状液体，是各种烃类化合物的混合物(碳氢化合物)。石油虽可以燃烧，但不能直接用来作某种发动机的燃料!因此要通过一些科学的炼制方法提取出各种各样的燃料油、润滑油和化工原料等产品。使石油的经济价值大为提升。,2.3.1 石油的炼制与分馏分为:1.分馏法 2.催化裂化法 3.催化重整法 4.加氢除S、N法,分馏产品,碳原子数,沸程（）,石油气溶剂油汽油煤油柴油润滑油凡士林石蜡沥青,C1C4C5C7C6C11C10C16C14C18C16C20液态烃和固态烃的混合物C20C30C30C40,40409580200145245200365,360,重油,渣油,大型炼油厂,炼油厂分
11、溜设备,石油裂解炉全图,2.3.2 以石油为原料的化工产品,现代石油化工可以直接从石油中提炼分离出用于合成塑料、橡胶、纤维等的乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘等（八种）最基础的有机化工原料。,2.3.3 液化石油气,来自炼制石油时产生的副产品，主要成分是丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等小于C5烷烃。,使用注意事项：1、防止漏气。2、钢瓶远离火源。3、保持良好的通风。4、家用电器尽量与厨房隔离。,为什么液化石油气罐在用完之后再摇一摇或浇一点热水又可使用？通常家用的液化石油气罐内主要成分为C3和C4的烃类化合物，这些化合物在常温下是气体。经过加压后变成液体装入罐内。使用时只要打开阀门C3和C
12、4就会立即气化而喷出。点燃即可使用。当所有的C3和C4都跑出来之后，火也就慢慢小下去。此时如果将液化气罐子外浇一点热水，火立刻大起来。这是因为液化石油气中还含有一些C5。由于C5在常温下是液体，其蒸气压随温度而升高。C5蒸气同样是可燃气体，摇一摇或加温都可帮助C5挥发气化加快，但绝对不可用明火直接加热液化气罐。,2.3.4 人造石油,直接液化法：把煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢。间接液化法：将煤气化成CO和H2等气体小分子，然后在一定的温度、压力和催化剂下合成CnH2n+2、CnH2n、C2H5OH、CH3OH等有机化合物。,石油是重要的能源，也是化学工业的重要原料。,煤和
13、石油的主要成分是碳和氢，但煤中氢的含量远远低于石油，平均分子量大约是石油的10倍。煤的储量比石油大得多。,途径：将煤液化。煤炭的液化油又叫人造石油。,2.4.石油之子汽油 汽油是由石油提炼出来的一种优质燃料，它是由含5-10个碳原子的烷烃、环烷烃、芳香烃和不饱和烃组成的混合物，相对分子质量约为40-80，沸点低于200。它适用于气化器式的内燃发动机即汽油发动机，所以主要用于飞机、汽车、摩托车和快速舰艇。,2.4.1 汽油的分类：按用途分为：1.车用汽油、2.航空汽油、3.工业汽油、4.橡胶溶剂汽油、5.油漆溶剂汽油等。按提炼方法分为：1.直馏汽油、2.裂化汽油、3.重整汽油、4.天然气汽油。,
14、石油资源,在地球上化石燃料的总储量中，石油的地质总储量为10000多亿吨，其中700多亿吨蕴藏在海洋里,全球已探明可开采量约为2650多亿吨.已开采出1150亿吨.剩余不到1400亿吨.在我国石油的地质储量约为940亿吨,可开采的仅有200多亿吨.2012年产量突破了2.4亿吨，占全国消费量的50%。进口2.6亿吨，按现在的开采速度不到40年我国的石油资源就会枯竭。,2.4.2 天然气资源,天然气是世界上需求增长最快的能源，天然气主要成分为 CH4，含量低于90%叫湿气，高于90叫干气。我国天然气储量约38万亿m3，近年来的年开采量约700亿m3。天然气主要靠管道输送。我国著名的“西气东输”一
15、期工程2004年就已竣工投入商业运营。从新疆塔里木轮南油田经过九个省区全长4200公里到上海，设计年输送300亿m3的二期工程（湖北、湖南、广州、深圳、香港)已完工。三期(广东、江西、福建)也与即日开工；总投资4200亿元。,“西气东输”一期工程简介,新疆塔里木气田，规划中的“西气东输”，线路全长约4200公里，投资规模1400多亿元，是目前我国距离最长、口径最大的输气管道。该管道直径1016毫米，设计压力为10兆帕，年设计输量120亿立方米；全线采用自动化控制，供气范围覆盖中原、华东、长江三角洲地区。西起新疆塔里木轮南油气田，向东经过库尔勒、吐鲁番、鄯善、哈密、柳园、酒泉、张掖、武威、兰州、
16、定西、西安、洛阳、信阳、合肥、南京、常州等大中城市，终点为上海。东西横贯,2.4.3 可燃冰资源,2007年在我国的青海省天峻县木里地区勘探出相当于350亿吨油当量的“可燃冰”。“可燃冰”实际上是一种天然气水合物的新型矿物。它是在低温高压条件下，由天然气分子与水分子组成的一种类似像冰雪或固体酒精透明无色的物质。遇火即可燃烧。在标准状况下：1m3可燃冰可释放出164 m3的天然气，折合 117 kg 其分子结构就像一个一个的小”笼子”里面关着一个甲烷分子。”笼子”是由若干个水分子通过氢键而构成。,，,目前，国际上公认，全球的可燃冰总储量是地球上所有煤和石油及天然气总和的23倍。可燃冰大部分蕴藏在
17、海底。目前在世界上关于可燃冰开采的技术还不成熟，尤其是在海底的可燃冰。,“可燃冰”被视为21世纪的新型绿色能源。科学家估计，全球海洋底部可燃冰分布的范围约4千万平方公里，储量可供人类使用约1000年。已经查明的储量相当于目前陆上石油、天然气资源量总数的三分之一。我国南海海底存储着丰富的可燃冰资源，,2.4.4 页岩气资源,页岩气，是从页岩层中开采出来的一种非常重要的非常规天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气的化学成分主要是甲烷，另外还有一定量的乙烷、丙烷和丁烷。较常规天然气相比，含硫量较低。因此页岩气除了作燃料用以外，还是
18、重要的有机化工原料。利用现代技术已在我国重庆涪陵、陕西省榆林地区开采成功，目前以打井320余口。页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点。缺点是：钻井深度要在2000米以上，钻杆材料和工艺要求比较特殊，开采难度比开采天然气大。经初步评价，中国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25.08万亿立方米(不含青藏地区)。寿命长和生产周期长的优点，2020年页岩气产量可达300亿立方米官方数据表明，我国的页岩气资源至少不低于美国。2011年4月，美国能源信息署(EIA)发布报告称，全球页岩气可采储量为188万亿立方米，其中美国为24.35万亿立方英尺，中国则高达36万亿立方
19、米，为全球第一。,国际能源署（IEA）标准,油当量:吨油当量 Ton Oil Equivalent（toe）1吨标准原油燃烧后所产生的热量值。用来换算其它能源的参考单位。均以原油燃烧后所产生热量值为基准来折算其它能源的用量。国际能源署（IEA）规定：1kgoe（千克油当量）=10000kcal（千卡）=41868kJ（千焦）1kgoe（千克煤当量）=7000 kcal（千卡）=29307 kJ（千焦）1吨标准原油经换算相当于1.43吨标准煤。,7.一、辛烷值的意义：由于汽油在发动机燃烧的过程中一些成分转化成有机过氧化物（ROOH），当这些过氧化物积聚到一定量时就会引起爆击。所以，抗爆性是汽油的
20、一种重要性质，通常用辛烷值来度量。异辛烷（2,2,4三甲基戊烷）的抗暴性为100，正庚烷为零。汽油的牌号是根据辛烷值的大小来编排的，主要有70#、75#、80#、85#、90#、93#、97#等。汽油的牌号越大辛烷值越高，表示该汽油的抗爆性能越好。,2.4.5 汽油的抗爆性指标-辛烷值,二、影响汽油辛烷值大小的因素：1、汽油的组成:实际使用的汽油是将各种烃类根据辛烷值的要求和安定性及其他指标合理调配而成。2、外部添加剂:0.13%的四乙基铅可使辛烷值提高20-30个单位。但四乙基铅会引起铅中毒，现在采用无铅汽油。因此，研究和开发提高汽油辛烷值的方法和新添加剂，是一件非常重要和有意义的工作。目前
21、已被甲基(乙基)叔丁基醚所代替。3、汽油辛烷值的计算方法:汽油牌号=(辛烷值-10)/0.8 90#的辛烷值为82;93#的辛烷值为85.,2.4.6 今日汽油之替代物一、甲醇燃料 甲醇是一种生物质液化醇类燃料，生物柴油以及由水制得的氢气是最有发展前途的代用汽油。作为汽车燃料的主要优点：辛烷值高，热利用效率高，没有污染。甲醇作为汽车燃料的使用方法：一种是甲醇与汽油混合使用，通常在汽油中加入15%20%的甲醇；另一种方法是单独使用甲醇。甲醇作为汽车燃料使用的弊病：1.甲醇的发热量只有汽油的一半；2.寒冷天气甲醇比汽油发动要困难；3.燃烧时产生甲醛的量比较大，约为石油燃料的5倍。,甲醇的制取：一是
22、从煤中获取，先将煤气化获得合成气，再在高温高压和催化剂的作用下反应制得；二是从生物质获取，将木质纤维素蒸馏或先将生物质变成一氧化碳和氢气，然后通过催化剂催化合成。,二、乙醇燃料 乙醇俗称酒精，是一种无色、透明的液体，它的相对密度、沸点都与汽油相近。作为汽车燃料的主要优点：燃烧时的发热量较高，燃烧完全，而且抗震性能好，所以也是代替汽油的一种较理想的燃料。用乙醇代替汽油的使用方法：一种是与汽油混合使用；另一种是单独使用。通常是在汽油中掺入10%20%的酒精，称为改性燃料。由于它抗震性能好，燃烧完全，从而减少了汽车尾气对环境的污染。制取酒精燃料的原料：主要有粮食、甘蔗、甜菜、水果等，最近还发展了用植
23、物、树木和垃圾等为原料制酒精燃料的工艺。,三、生物柴油生物柴油是从生物质获取的一类液体燃料。生物柴油的制取方法：一种是动、植物油的改造。如草籽油、棉籽油或地沟油等经过酯化处理后，就可变成易燃烧的油，它特别适合作为柴油机用的燃料油，故称作酯化柴油；另一种方法是种植“柴油树”。有些热带树的树枝会流出一种组分类似柴油的液体，不经过提炼就可当作柴油使用。,2-5 节 能 技 术,节省能源是世界性的潮流，国际能源署把节能技术称为“第五大能源”，与煤炭、石油和天然气、水电、核能四大能源并列。,节能途径：结构节能、管理节能、技术节能,结构节能：通过经济结构的调整，向节能型低碳化工业体系发展；如:建造坑口火力
24、发电厂、煤气发生站和煤化工厂,省去运输。管理节能：加强检测计量、优化能源分配、杜绝“跑、冒、滴、漏”等现象的发生。技术节能：通过新技术、新工艺、新材料、新设备、新器件的开发应用来取得节能效益。,水煤浆：是一种很有前途的新型燃料。在煤粉中加入30%左右的水和少量添加剂（分散剂和稳定剂）,形成粘度低、稳定性好的悬浮体，从而是固体煤变成液态化的燃料，实现以煤代油。优点：储存方便，燃烧污染小，具有良好的应用前景。乳化油：是指油与水充分混合后组成的一种乳状液。将油水混合，水量为10%-30%，添加千分之一左右的乳化剂，然后经乳化而成。乳化油经雾化可以改善燃料与空气的混合和燃烧过程，从而达到节约燃料和降低
25、燃烧污染的目的。化工生产过程中节能：化学反应过程、传质过程中节能，并有效利用余热。,2-6 现代新能源,太阳能氢 能核 能电化学能源绿色能源概念,资源丰富、不需运输、不受地理位置的限制、无污染、无噪声的最佳自然能源。地球上最根本的能源是太阳能。太阳每年辐射的地球表面的能量为51019kJ，相对于目前全世界每年能量消费的1.3万倍，人类一直在间接利用太阳能。如煤、石油等的能量就是古生物蓄积起的太阳能。人们利用太阳能的方法主要有三种：（1）太阳能直接转换成电能，如光伏太阳能电池；（2）太阳能集热器直接转换成热能，如太阳能热水器；（3）太阳能直接转换成化学能，即植物光合作用的仿生转换研究，目的是让人
26、造粮食、人造燃料成为现实。,2-6.1 太 阳 能,生物质能,生物质能是指光合作用而产生的各种有机体储存的能量.植物生长借叶绿素吸收太阳能发生光合作用的反应式:叶绿素 mCO2+nH2O-Cm(H2O)n+O2 光合作用 据理论推算地球上每年通过植物光合作用可固定的碳达21011t，含能量达31018kJ。每年的生产量就相当目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。,1、太阳能电池 光伏效应：当物体受到光照射时，物体就会产生电动势和电流的现象称为光伏效应。依据此原理制成，主要的半导体材料有单晶硅（Si）、多晶硅（Si）、非晶
27、态硅（Si）、硫化镉CdS、砷化镓GeAs等。应用：在日常生活中，太阳能的手表、计算器、太阳能充电器等。用太阳能电池作飞机、小型汽车、摩托车的动力；现代高科技中，太阳能电池为人造卫星和宇宙飞船探 测宇宙空间提供了方便、可能的能源。,，,、，,例如：卫星的电源由太阳能电池方阵和蓄电池组成，当卫星向着太阳飞行时，电池方阵受阳光照射产生电能，供卫星用电，并同时向卫星上的蓄电池充电，当卫星背着太阳飞行时，蓄电池放电，使卫星上的仪器保持连续工作。人在宇宙飞船或空间站中生活就靠太阳能电池供能（电能、热能）维持化学反应，供应人体所需要的氧气和水，又不断去除人体排出的二氧化碳和异味物质。,主要反应如图所示：,
28、2、太阳能集热器 太阳能的能量密度低，必须将分散的太阳热能聚集起来变成热能加以储存和利用。,聚焦集热器：利用抛物面聚光原理，把太阳光聚焦到一点上，提高太阳能辐射的能量密度，使局部获得高温。用于蒸煮饭菜、太阳能热水器等。太阳能真空集热管：只需吸收微弱的太阳光，就能达到较高的温度，用于寒带蔬菜大棚的加热而在农村地区广泛使用。水立方游泳馆的水温调节、淋浴，拉萨火车站的冬季取暖已发挥了预期的功能。,，,利用太阳能供暖的拉萨火车站,水立方,氢气作为燃料能源具有明显的特点：1、氢是宇宙中最丰富的元素，据估计氢构成了宇宙质量的75%，存储量大，地球上的氢主要以化合物水的形式存在，而水是地球上最广泛的物质。2
29、.能量大，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料中最高的，为142351kJ/kg，是汽油的三倍，被称作高能燃料；3.绿色清洁，唯一的燃烧产物是水，常作为宇航员的饮用水；4.资源极为丰富；5.具有贮能功能 6.可循环和再生。,2.6.3 氢 能,目前的制取的方法有：电解水法、热化学法（高温有中间介质存在的条件下，分步完成水解）、光分解法（用钛酸锶和金属铂分别作光电极和暗电极，在光照下分解）、细菌产氢 如一种芽孢杆菌在使葡萄糖发酵时，能产生约0.25升的氢气；一种蓝绿藻，在一定的光照、温度条件下进行光合作用产生氢气。,应用：目前做为燃料主要用在航天方面:氢的能量密度高，对减轻燃料自重、增加有效载荷极
30、为重要。如美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭燃料就是液态氢。某些精密分析仪器的繎焼气等。化工方面:合成氨、有机物加氢还原等。汽车应用方面:成效更显著；燃料电池。,氢虽然燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围（3%97%），爆炸极限为3%，用钢瓶储存和运输危险性高，再加上目前的科技水平，制取成本还太高，因此还不能作为民用燃料。氢的贮存和运输：1.金属氢化物贮氢（氢化钠、氢化钙），2.金属吸附：（如钛在常温下可吸附的氢气为本身体积的600倍，加热时可释放出来），3.某些无机物、有机液体氢化物贮氢（贮氢量大、运输安全方便、例外贮氢剂用到的苯或甲苯可循环使用）。,2.6.4 潮汐能,
31、由日月对地球的引力所引起的海洋潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能；在落潮的过程中水位逐渐降低，势能又转化为动能。世界上潮差的较大值约为1315m，但一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。潮汐能是因地而异的，不同的地区常常有不同的潮汐系统，他们都是从深海潮波获取能量，但具有各自独特的特征。尽管潮汐很复杂，但对于任何地方的潮汐都可以进行准确预报。潮汐能的利用方式主要是发电。潮汐发电是利用海湾、河口等有利地形，建筑水坝，形成水库，以便于大量蓄积海水，并在坝中或坝旁建造水利发电厂房，通过水轮发电机组进行发电。
32、只有出现大潮，能量集中时，并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方，从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有，但世界各国都已选定了相当数量的适宜开发潮汐电站的站址。,浙江温岭江厦双向潮汐能发电站，全国第一，世界第三,，,，,涨潮时蓄水落潮时发电 潮汐发电机,核能（原子能）是核反应时释放出来的能量。在核应过程中，不仅元素发生了变化，而且还涉及到核内质子、中子、电子或其他基本粒子，伴随着巨大的能量变化。,核 能,从原子核得到能量有两种方法：,优点：1、能量巨大，而且非常集中。2、运输量小，地区适应性强。3、资源丰富。4、核燃料可以增殖循环使用。,一是裂变；即将某些含奇数个中子的重核分裂成
33、两个质量相近的轻核；原子弹爆炸 二是聚变；即将质量较轻的核聚合成较重的核；氢弹爆炸,一、核裂变和核裂变能的利用首先发现的是235U的裂变,核裂变的过程,235U 被慢中子轰击时发生分裂成为质量相近的两个碎片，(大约有十多组，30多种新核素产生)同时有2-4个中子射出，这些中子还可能再去轰击别的235U 核诱发新的核裂变(大约有十多组，30多种新核素产生)，导致产生更多的中子。从而引起更多的核裂变，中子从释放到引起裂变的时间间隔只有万分之一秒。,核电站工作原理 热堆的概念,第一个中子生成：9Be+4He12C+1n 中子打入235U 的原于核以后，原子核就会变得不稳定，会分裂成两个较小质量的新原
34、子核，这就是核的裂变反应。90Sr+143Xe+31n 235U+1n 142Ba+91Kr+31n 137Fe+97Zr+21n（放出的能量叫裂变能；）以下式为例：235U+1n 142Ba+91Kr+31n 各核素的摩尔质量分别为（235.049、1.00867、90.9056）g.mol-1 计算发生裂变反应的质量亏损：m=（141.909290.905631.00867235.0491.00867）=0.21189 g.mol-1,计算出1g铀裂变产生的热量,E=mc2 E=0.2118g.mol-1（2.9979108m.s-1）2=1.90351013kg.m2.s-2.mol-1
35、=1.90351013kJ.mol-1 1克235U按上式裂变可放出的能量为：E=1.90351013kJ.mol-1 1.000g/235.439 g.mol-1）=8.1107kJ.mol-1 1 公斤铀裂变产生的热量为8.11010kJ1 公斤标准煤燃烧后产生的热量为3104kJ1 公斤铀裂变产生的热量相当于2700吨标准煤燃烧后产生的热量。,如果这种链式反应不加控制地进行下去，那么在极短时间内大量核裂变并放出巨大的能量，结果产生原子爆炸，这就是原子弹爆炸的基本原理。如果设法控制这种链式反应，使它维持在一定程度持续地进行，就可根据需要利用核能。核反应堆的运行就是依据这一原理。,核反应堆的
36、组成：1、裂变材料：核燃料，U-235。2、减速剂：使中子减速，以诱导下一次核裂变。3、控制棒：用对慢中子有吸收作用的镉棒和硼棒来控制。4、冷却剂：将堆内的热量带出。5、反射层：阻止中子泄漏。如铍。6、屏蔽层：防止裂变产物的强放射性。,核电站的中心是核反应堆，反应堆运行时产生的大量热能由冷却剂载带出来，通过热交换器把热量传给另一回路的水，使水产生高压蒸汽驱动气轮发电机组发电。,核电站就是利用原子核裂变反应释放的大量热能来发电的。,与发电量相同的火力发电厂相比，核电站放出的污染物要少得多，发电成本低，燃料的运输和储存也比化学燃料方便。因此，核裂变将成为世界动力的一种主要能源。我国的原子能科学技术
37、，虽然起步晚，但经过30多年的努力已具有雄厚的基础。60年代以来，我国成功地爆炸了原子弹、氢弹和研制成核潜艇。至今，原子能开发利用技术已达到一定的水平，它为核电的建设打下了良好的基础。1991年12月15日，我国自行设计的浙江秦山核电站一期工程30万千瓦压水堆机组并网发电成功。1993年底，广东大亚湾核电站已经成功运行。1995年，秦山核电站发电22亿千瓦时，大亚湾核电站已超额完成了100亿千瓦时的发电任务。这样，我国在1995年核发电已达到122亿千瓦时，目前我国已建成江苏田湾、广东岭奥、福建宁德等11座核电机组，总装机容量870万千瓦，占全国电力总装机容量的2.2%.正在建设中的广东台山核
38、电站装机容量为两台175万千瓦，设计年发电260亿千瓦时。今年阳江的6台100千瓦中1台将并网发电，三年内输电450亿千瓦时。到2020年我国计划建成总装机容量4000万千瓦，核电的贡献可有2%上升到4%。,二、核聚变和核聚变能的利用,如：2H+3H 4He+1n 氢弹爆炸 核聚变由两个或更多个轻核聚合成一个较重的核的过程，轻核聚变将伴随着更巨大的能量释放，是裂变反应的 4倍。核聚变反应所需的活化能异常高，需几千万度的温度。因此，要将核聚变能量作为实际能源加以利用，人类还需要走相当长的路程。,，,，,原子弹的装配示意图,我国研制的第一颗原子弹,下午3时 我国在西部地区成功地试爆了第一颗原子弹,
39、氢弹的装配示意图,，,，,我国研制的第一颗氢弹,上午8时20分我国在西部地区上空成功地试爆了第一颗氢弹,1945年日本广岛、长崎原子弹的爆炸，1986年前苏联切尔诺贝利核电站泄露事故对人类造成了严重的放射性污染。为了充分利用核能，应当了解有关核辐射污染及其防护的一般知识。,三、核辐射与核污染,-射线：是质量较大的He粒子流，穿透物质的能力弱，射程短。对人体不会造成外照射（放射性物质在生物体外所产生的照射）危害。但如果进入人体，会造成危害性很大的内照射，其主要途径是通过饮食、呼吸或皮肤创口渗入等。,（1）核辐射的危害性:某些同位素发生衰变时自发的产生如下射线影响到人的健康和生命的安全。,，,1,
40、-射线：带负电荷的粒子，它是由一个中子裂分出一个质子后产生的，穿透能力比-射线强，高能的-粒子在空气中的射程可达几米。可对人体构成外照射危害。但它很容易被有机玻璃、塑料及其它材料屏蔽。其内照射危害比-射线小。,-射线：与前两者相比，穿透能力最强。但由于它是不带电的光子（波长在0.010.001nm之间），不能直接引起电离，所以它对人体的内照射的危害反而比-、-射线小，且无残留。,放射性物质和辐射无处不有。天然辐射来自宇宙、水、大气、土壤、岩石，还存在于各种食物中（较低）。人体的辐射效应是从细胞开始的，电离辐射与活细胞作用会使细胞的衰亡加速，使新细胞的生成受到抑制，或造成细胞畸型，或造成人体内生
41、化反应的改变。,在辐射剂量较低时，人体本身对辐射损伤有一定的修复能力，从而不表现危害或症状。但如果剂量过高，超出人体内各种器官或组织所具有的修复能力，就会引起局部或全身的病变，如白血球发生变化，倦怠、全身无力、甲状腺疾病、胎儿畸形等。,（2）核电站的辐射防护及污染物处理 核反应堆运行时在产生热量的同时会释放出放射性物质，如果泄露出来，就会污染环境，影响人们的身体健康。1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核电站发生了世界核电史上最严重的一次事故：堆芯熔毁，石墨砌体燃烧，大量放射性物质外泄，31名核电站工作人员死亡。主要原因是采用了与大多数国家不同的核反应堆，且核反应堆没有安全壳，事故发生时放射性
42、外泄严重。,因此采用成熟、先进的核反应堆且具有严格安全措施保护，是核电站必须具备的条件。,目前较为成熟的压水堆型核电站有三道安全屏障，燃烧包壳、压力壳和安全壳。排出的气体、液体和固体放射性废物，必须尽量回收或处理，把排放量减至最小。,核电的优越性 核电是经济浓集、清洁、环保和安全的绿色能源之一。一、核电是高度浓集的能源，核电站可建立在最需要用电的地方，不受燃料运输的限制 一公斤铀裂变产生的热量相当于2700吨标准煤燃烧后产生的热量。因此，核电站特别适合于缺乏常规能源，而又急需用电的地区，如我国的东南、华南地区核能是后备储量最丰富的能源，铀在地球上的储量相当丰富，等于有机燃料储量的20倍。,二、
43、核电是清洁的能源，有利于保护环境。目前世界上80%的电力来自烧煤或烧油的火力发电站，燃烧后的烟气排放到大气中严重污染环境相同规模的火电站释放出的放射性比核电站大几倍。核电能够迅速发展，是由核电自身的优越性决定的。煤燃烧后排放的CO、CO2、H2S、NO2 和苯并芘，容易形成酸性雨，使土壤酸化，水源酸度上升，对植物及水产资源造成有害影响，破坏生态平衡，苯并芘还是一种强致癌物质一个成年人每天要呼吸约14公斤的空气，火电站污染造成的死亡几率是相同规模核电站的400倍。同时大气中 CO2 浓度增加还导致大气层的“温室效应”。另外，煤和石油又是重要的化工原料，大量烧掉，十分不利于化学工业的发展，是十分可
44、惜的浪费。三、核电是安全的能源，经过几十年的发展和完善，核电站已成为最安全的部门之一。我国核工业30多年的安全记录就是良好的佐证。,污染环境的火力发电,火力发电厂模型图,核电站模型图,世界主要的核发电国家,，,，,，,我国的核电发展现状一、已经建成的 9 座：1，广东大亚湾核电站 深圳（1994年）2，浙江秦山第一核电站（1994年）3，广东岭澳核电站 深圳（2002年）4，浙江秦山第二核电站（2002年）5，浙江秦山第三核电站（2003年）6，江苏连云港田湾核电站（2006年）7，台湾3座 二、正在建设之中的2座：1，辽宁瓦房店核电站一期工程（暂停）2，广东台山核电站 3.台湾有两座三、即将
45、破土开工的4座：1，广东阳江核电站 2，浙江台州三门核电站 3，山东海阳核电站 4，广东岭澳核电站二期,电化学能源把化学能直接转变为电能的装置，俗称电池。,1号或5号干电池锌锰电池：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C),一、一次电池，放电后不能充电使其复原的电池。,锌皮既作负极又容器外皮，锌皮常被蚀穿而导致电解液外溢。适宜于用在间歇式放电场合，如手电筒、收音机或电喇叭等处。工作电压为1.6V，当电池快用完时，注意及时取出电池以免电解液渗出腐蚀所用设备。,负极：Zn+2NH4Cl Zn(NH3)2Cl2+2H+2e正极：MnO2+H2O+e MnOOH+OH-,碱性锌锰电池：Zn|KOH
46、,K2Zn(OH)4|MnO2(C)锌银扣式电池：Zn|KOH|Ag2O,为什么要回收废电池？常用的锌锰电池的电介质中除电解液外，为防止电池的涨破，还放入了氯化亚汞。因此锌锰电池中含有有害金属汞。镍镉电池中的镉也是一个对人体有百害而无一利的有害金属。,铅蓄电池：Pb|H2SO4|PbO2 负极：Pb+HSO4-=PbSO4+H+2e 正极：PbO2+3H+HSO4-+2e=PbSO4+2H2O 硫酸在电池中不仅传导电流，而且参加了电池反应。放电时，硫酸不断减少，充电时，硫酸不断生成。因此可用比重计测量硫酸浓度来估计铅蓄电池的荷电状态。工作电压为2.0V，若需高电压时可将单体电池串联使用。,二、
47、二次电池 利用化学反应的可逆性，组建成一个蓄电池，电能与化学能可相互转化。,三、发展中的新型电池，锂离子电池：体积小及比能量密度高；单电池的输出电压高达4.2V，使用温度范围宽（可达60），放电电压平坦。用途：便携式摄像、液晶电视机、移动电话和笔记本电脑等。缺点：在短路或某些重负荷条件下，有发生爆炸的可能性。,碱式镍镉电池：Cd|KOH(或NaOH|NiOOH)使用寿命长，充放电循环周期高达数千次、机械性能好、低温性能好（-40），额定电压为1.2V。,正极：xLi+Li1-xCoO2+xe=LiCoO2负极：LixC6=xLi+6C+xe,氢镍电池：循环寿命长，最终将在航天领域取代镉镍电池。
48、燃料电池：利用燃料和氧化剂的氧化还原反应组成电池，可长时间不间断工作，适用于航天事业，减少重量、降低发射费用等。钠硫电池：一种新型高能量密度电池，比能量高、结构简单、工作温度低、充放电转换效率高。在车辆驱动和电站贮能方面有广阔的发展前景。,四、绿色电池：锂离子电池、钠硫电池、银锌电池等。与铅电池相比，具有重量轻、体积小、贮存能量大、无污染等优点，被称为新一代无污染的绿色电池。,2.6.7 绿色能源概念不产生有害排放物，如CO、NOx、SOx等，对大气不构成污染的能源。包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能、核能等。注意：核能有放射污染，但只要设计得当，遵守操作规程，保证反应堆的安全，就可以避免放射性污染。一切绿色生物在燃烧时会产生碳氧化物等有害气体，不能算作绿色能源。,作业:,1.能源有主要有哪几种分类方法，举例说明清洁能源和绿色能源。2.煤、石油的主要成分是什么，石油为什么要经过炼制才能作为燃料用?3.有机化工最基础的化工原料是什么？这些原料主要从什么物质中提取获得？4.什么叫一碳化学?分别简述瓦斯、水煤气、天然气、页岩气和可燃冰的主要化学组成。5.何谓第五能源，意义何在？6.何谓油当量的?主要用途?7.太阳能有哪些优点?何谓光伏效应？8.你对发展核电有如何评价?,
