第六章化學(xué)與能源

能源是指一切能量比較集中含能體(如煤炭、天然氣等)和能量過程(如風(fēng)、潮汐)。能源按其起源大致分為三類：太陽能及其轉(zhuǎn)化物,如太陽直接輔射能、煤、石油、天然氣等化石燃料，以及太陽能轉(zhuǎn)化來生物能、水能、風(fēng)能、海洋能等；地球本身能量，如地?zé)崮?、核能；天體對地球引力能，如潮汐能。能源按利用方式可分為兩種：直接從自然界取得不改變其形態(tài)—次能源和經(jīng)人類加工生產(chǎn)出來二次能源。一次能源按能否再生又可分為：可再生能源，如太陽能、風(fēng)能；經(jīng)過億萬年形成且短期內(nèi)不可再生能源能源，如化石燃科、核能等。從對環(huán)境影響來看，化石燃料等為污染能源，水能、風(fēng)能等則為清潔能源。第1頁

煤、石油、天然氣是當(dāng)今世界上最主要化石燃料(又叫礦物燃料)，是主要能源。煤—黑色金子

煤形成：煤主要是由古代植物在地下隔絕空氣條件下，經(jīng)過長久一系列復(fù)雜化學(xué)改變和生物改變，而形成一個由有機(jī)物和無機(jī)物所組成復(fù)雜混合物。煤主要成份是碳，還含有氫、氧、氮及硫、磷等48種元素。煤炭有實用價值綜合利用主要有煤干餾、氣化和液化。煤最主要應(yīng)用是直接作為燃料，將煤粉放在隔絕空氣煉焦?fàn)t中加熱，即煤干餾。由此得到焦炭、煤焦油、炔爐氣、粗氨水和粗苯等。這些產(chǎn)物可用于生產(chǎn)化肥、塑料、合成橡膠、合成纖維、炸藥、染料、醫(yī)藥等。一、常規(guī)能源——化石燃料第2頁煤氣化：是把煤中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃件氣體過程。煤與有限空氣和水蒸氣反應(yīng)，得到—種氣態(tài)混合物，稱之為半煤氣：假如將煤在高溫時與水蒸氣反應(yīng)即可制很水煤氣，這種氣體燃燒熱比半水煤氣高1倍。煤液化：是把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料過程。煤與液態(tài)烴在化學(xué)組成上差異在于煤氫碳原子比(即H/C)低(普通石油烴H/C約為1．8)。為使煤液化，需要加氫。第3頁石油形成：石油是由古代動、植物遺體在地殼內(nèi)部高溫、高壓條件下經(jīng)過非常復(fù)雜化學(xué)改變而形成各種烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成混合物。石油所含基本元素是碳和氫(達(dá)97％—98％)，同時含少許硫、氧、氮等元素。石油（原油）經(jīng)過分餾可得到系列產(chǎn)品，如溶劑油、汽油、柴油、潤滑油等。石油—工業(yè)糧食第4頁圖6-1原油加工示意圖第5頁辛烷值慣用來衡量汽油抗震程度，把抗震性很好異辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)辛烷值定為l00，爆震性極強(qiáng)正庚烷辛烷值定為零，把汽油抗震性和這兩種烴不一樣百分比混合物進(jìn)行比較，就能夠得到該汽油相對辛烷值。為了提升汽油辛烷值，過去廣泛使用一個入法是在汽油中添加少許抗震劑—四乙基鉛；現(xiàn)在為了提升汽油辛烷值，普通采取甲基叔丁基醚[CH3—O—C(CH3)3，又名MTBE]作為高辛烷值組分。當(dāng)前，我國使用車用汽油標(biāo)號就是按照汽油辛烷值大小劃分，比如90號汽油表示該汽油辛烷值不低于90。汽油和汽油標(biāo)號第6頁氫能是經(jīng)人類加工生產(chǎn)出來二次能源，它含有以下優(yōu)點(diǎn)：原料起源豐富(水)，取之不盡，用之不竭；燃燒熱值高，1千克H2燃燒能夠放出近12萬千焦熱量，相當(dāng)于燃燒3千克汽油；無污染，不產(chǎn)生有毒有害氣體。所以，氫能源是理想新能源。發(fā)展新能源，首先，需要處理怎樣廉價大量制備氫氣問題，其次，要處理儲存問題。當(dāng)前世界上已開發(fā)和正在研究方法有：電解法(電解水或食鹽水)；用煤、天然氣、輕質(zhì)油與高壓水蒸氣反應(yīng)熱化學(xué)法；陽光催化分解法；生物法等。二、理想新能源——?dú)淠艿?頁光分解水制氫研究中已找到一些催化劉，如鈣和聯(lián)吡啶形成配合物。它吸收陽光恰好近似于水分解成氫和氧所需能量。另外，二氧化鈦和一些含鈣化合物也是較適用催化劑。有些人大膽構(gòu)想用城市垃圾和污水來制取氫氣，主要原理是：

第8頁日本東京大學(xué)科學(xué)家在氬和氦氣流中，將陶瓷CNF加熱至300度，然后用注射針頭向CNF注水制得氫。因為水解后CNF又回到非活化狀態(tài)，所以CNF能重復(fù)使用。在每一次反應(yīng)中，平均每克CNF可產(chǎn)生2至3厘米3H2。我國在世界上首次完成生物制氫中試試驗。哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)者利用細(xì)茵從污水中分解搜集氫氣，并于2月初完成中試試驗。利用含碳水化合物有機(jī)廢水經(jīng)過生物發(fā)酵制氫，使人類找到了一個新可再生潔凈能源。第9頁大量儲存氫普通有兩種方法。一個方法是高壓下液化為液氫。但在常壓下，氫氣必須降溫至-252度才能變成液體，這種方法成本高，而且儲存液氫要有極好絕熱設(shè)備—托瓦瓶。液氫易逸散滲漏，會釀成嚴(yán)重火災(zāi)和爆炸事故。另一個方法是用一些金屬或合金來儲存氫。氫有一個奇持性質(zhì)，它會與一些過渡金屬(如鈀等)或合金形成金屬氫化物，如1體積膠狀佬(Rh)能吸收2900體積氫氣。當(dāng)溫度升高或體系氫壓降低時，它們就放出氫。利用儲氫材料儲氫含有儲存量高、可逆、安全等優(yōu)點(diǎn)。

氫儲存方法第10頁

研究新合理制氫方法是一項一勞永逸地處理能源問題研究課題，理想氫能源如圖所表示。

圖6-2理想氫能源示意圖

第11頁化學(xué)電池是一個將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能裝置，分為原電池和蓄電池。原電池原電池通常由正極、負(fù)極、電解液以及容器和隔膜等組成，它可表示為：負(fù)極/電解液/正極。三、化學(xué)電池圖6-3原電池示意圖第12頁干電池

18伏打首先制成了伏打電池。1836年英國化學(xué)家創(chuàng)造了古典原電池。1865年法國化學(xué)家勒克朗斯創(chuàng)造了第—個干電池，當(dāng)代干電池不過是其改進(jìn)。

第13頁鋅錳干電池結(jié)構(gòu)圖

第14頁(2)堿性干電池用氫氧化鉀代替氯化鋅和氯化銨作電解質(zhì)，在這種電池里，電解質(zhì)為堿溶液，有良好導(dǎo)電性能，比糊狀氯化銨溶液導(dǎo)電速度快得多；鋅皮改為鋅粉，反應(yīng)面積要比鋅皮大得多，所以可做到連續(xù)大容量放電；外殼另有做成封閉型鐵皮，以防電解液滲漏。

堿性干電池第15頁銀鋅鈕扣電池

鈕扣式電池中常見為銀鋅電池。銀鋅電池體積小、重量輕，可大電流放電，放電電壓平穩(wěn)，工作電壓是1.6伏，廣泛應(yīng)用于對體積和重量有嚴(yán)格要求場所，但價格昂貴。

第16頁蓄電池

蓄電池也稱二次電池，是指放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用化學(xué)電池。(1)鉛蓄電池由金屬鉛板(負(fù)極)和緊附著二氧化鉛鉛板(正極)浸入30％（密度為1.2—1.3g/cm3）硫酸水溶液所組成。鉛蓄電池充電后電壓可達(dá)2.2伏；放電后電壓下降，當(dāng)電壓降至l.25伏時(這時溶液密度為1.05g/cm3)不能再使用，必須充電。鉛蓄電池用于汽車、小型電動機(jī)車作為開啟電源，用于試驗室作為慣用電源，還廣泛用于飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、坦克照明光源。

第17頁鉛蓄電池電極反應(yīng)第18頁堿式鎳鎘蓄電池第19頁銀鋅電池第20頁發(fā)展中新型電池1、氫鎳電池氫鎳電池是新型蓄電池，其正極為氧化鎳，負(fù)極為氫電極（其內(nèi)部氣體壓力可達(dá)4MP）。它工作狀態(tài)可劃分為3種：正常工作狀態(tài)、過充電狀態(tài)和過放電狀態(tài)。表6-1氫鎳電池電極反應(yīng)及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電位第21頁氫鎳電池電極反應(yīng)及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電位（續(xù)）氫鎳電池突出優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)壽命長，1977年起在地球同時軌道條件下壽命超出。另外，它承受過充電和過放電能力很強(qiáng)。但其成本較高，電池放電速度較大，以及有爆炸可能性。盡管如此，氫鎳電池前景十分樂觀，最終將在航天領(lǐng)域內(nèi)全方面取代鎘鎳電池。第22頁2、鋰電池鋰是自然界電池最輕金屬元素，同時它又含有最低電負(fù)性（-3.045V）。所以選擇適當(dāng)正極與之匹配，能夠取得較高電動勢，含有最高比能量，所謂比能量，即單位重量電極物質(zhì)所能放出能量。因為鋰遇水會發(fā)生猛烈反應(yīng)，所以應(yīng)選取非水電解質(zhì)溶液。日本三洋企業(yè)首先推出Li/MnO2電池。其電極反應(yīng)以下：反應(yīng)結(jié)束Li+進(jìn)入MnO2晶格中。第23頁鋰電池優(yōu)異性能是：比能量高，使用溫度范圍廣，放電電壓平坦。以固體電解質(zhì)制成鋰電池，體積小，無電解液滲漏，電壓隨放電時間下降遲緩，電池壽命長，尤其適合用于心臟起