第二章 能源Word下载.docx

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能源工作者常用的分类方法如下图所示。

二、能量的转化

1.能量转化和能量守恒定律

各种形式的能量可以互相转化，如动能可与势能互相转化（建筑工地打夯的落锤的上、下运动所包括的能量转化过程）；

化学能可与电能互相转化（化学电池和电解就是实现这种转化的两种过程）。

在能量相互转化过程中，尽管做功的效率因所用工具或技术不同而有差别，但是折算成同种能量时，其总值却是不变的，这就是能量转化和能量守恒定律。

物质体系中，分子的动能、势能、电子能量和核能等的总和称为内能。

内能的绝对值至今尚无法直接测定，但体系状态发生变化时，内能的变化以功或热的形式表现，它们是可以被精确测量的。

体系的内能、热效应和功之间的关系式为

△U=Q+W

其中△U是体系内能的变化，Q是体系从外界吸收的热量，W是外界对体系所做的功。

这就是著名的热力学第一定律的数学表达式，也就是能量守恒定律的数学表达式。

应用上述公式时，要注意各种物理量的正、负号，即

△U——（+）体系电能增加 

（-）体系内能体系减少

Q——（+）体系吸收热量 

（-）体系放出能量

W——（+）外界对体系做功 

（-）体系对外界做功

2.能源的利用，其实就是能量的转化过程

能源的利用，其实就是能量的转化过程。

如煤燃烧放热使蒸汽温度升高的过程就是化学能转化为蒸汽内能的过程；

高温蒸汽推动发电机发电的过程是内能转化为电能的过程；

电能通过电动机可转化为机械能；

电能通过白炽灯泡或荧光灯管可转化为光能；

电能通过电解槽可转化为化学能等等。

柴草、煤炭、石油和天然气等常用能源所提供的能量都是随化学变化而产生的，多种新能源的利用也与化学变化有关。

化学变化的实质是化学键的改组，所以了解化学键及键能等基本概念，将有助于加深对能源问题的认识。

第二节碳的化学

一、单质碳

碳单质有3种同素异形体：

金刚石、石墨、球碳。

金刚石碳原子的4个价电子，按四面体的4个顶点方向和其他4个碳原子以C-C共价键结合，形成无限的三维骨架，如图2-1（a）所示。

两个碳原子核间距离（即C-C键长）为154pm（1.54×

10-8cm=1.45

）。

金刚石的三维结构在各个方向都有很高的强度，在天然产物中它的硬度最高，在单质中它的熔点最高，并且不导电。

石墨 

每个碳原子都按平面正三角形方向和其他3个碳原子以共价键结合，形成一个六角形平面层。

C-C键长为142pm，在垂直于层的方向上，还有一个价电子以π键的方式将无数的平面层连结在一起，层间距为340pm，如图2-1（b）所示。

层间价电子活动比较自由，石墨的导电性、滑动性都与此结构状态有关。

球碳 

1985年以来化学家和物理学家合作，发现了碳的第3种单质——球碳。

以石墨棒为电极，在氦气氛中放电，电弧产生的碳原子团沉积在冷却反应器内壁，经分离提纯得到一种由60个C原子构成的C60分子。

它的形状很像足球，碳原子位于由12个正五边形和20个正六边形组成的60个顶点处，俗称“足球烯”，如图2-1（c）所示。

二、烃类——碳氢化合物

烃是众多有机化合物的母体，也是最基本、最简单的有机化合物。

四类基本的烃是：

烷烃、烯烃、炔烃和芳烃。

1．烷烃

甲烷（CH4）、丁烷（C4H10）和辛烷（C8H18）是我们日常生活中最常遇到的几种烷烃，它们分别是天然气、石油液化气和汽油的主要成分。

燃烧时放热生成H2O和CO2。

最简单的烷烃是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，这类化合物中碳原子按四面体方向和其他碳原子或氢原以共价单键相联成链。

由于碳原子的外层4个价电子都已分别成键，因此，它们属饱和烃，其通式为CnH2n+2，在特定条件下可以发生取代反应。

2．烯烃

常见的烯烃是乙烯（C2H4）和丙烯（C3H6）。

烯烃的通式是CnH2n，它们都含有碳碳双键（—C==C—），容易发生加成反应。

乙烯是现代石油化学工业的龙头产品之一，乙烯的生产能力是国家综合国力的重要标志。

丙烯是制造丙烯腈（人造羊毛）和聚丙烯纤维的基本原料。

3．炔烃

分子中含碳碳三键（—C≡C—）的烃叫炔烃，最重要的炔烃是乙炔C2H2。

炔烃的通式是CnH2n-2。

金属焊接或切割时用的氧炔焰就是利用乙炔在氧气中燃烧时产生的高温（约3000℃）。

4．芳烃

苯（C6H6）是最典型的芳烃，它具有特殊的“香味”，而得名“芳香烃”，简称芳烃。

苯环是芳烃族化合物的母体，其中的碳原子以平面三角形取向成键，形成等边六角形。

其中氢原子可以被其他原子或原子团取代，如1个H被甲基（CH3—）取代时为甲苯；

被乙基（C2H5—）取代时为乙苯；

若有2个H同时被甲基取代，则为二甲苯；

若有1个H被甲基取代，3个H被硝基（NO2—）取代，则是三硝基甲苯，这是炸药的主要成分，可简写为TNT。

三、烃的衍生物

烃的衍生物是按官能团进行分类的。

醇和酚都含—OH，但凡与直链烃相连的为醇（ROH），而与苯环相连的则为酚（ArOH）；

醛和酮中都有

，但醛中只有一端与R相连，另一端还是H原子，而酮则有R和R′与

相连，R和R′可以相同，也可以不同；

醚的特点是氧原子和两个烃基相连，R和R′也是可以相同或不同；

羧酸和酯的不同，在于官能团碳原子是和OH相连还是和OR′相连。

羧酸和醇容易起反应生成酯，这叫酯化反应，如乙酸乙酯就是由乙酸和乙醇脱水而成的，其化学反应方程是：

胺类可以看做NH3分子中的一个、二个或三个氢原子被R-或Ar-取代所形成的分于，即RNH2，

及R3N，苯胺（

）是其最重要的代表物。

硝基化物 

硝基（—NO2）是硝酸（HNO3）脱去1个OH基团的产物，它可以和R—或Ar—相连。

R—NO2在染料业有广泛用途，这是由于—NO2有生色功能。

磺酸基化物 

磺酸基（—SO3H）是硫酸分子（H2SO4）脱去1个OH基团的产物，它可与R—或Ar—相连，十二烷基苯磺酸钠是制造洗涤剂的重要原料。

第三节煤炭及其综合利用

（自学）煤的气化、煤的焦化和煤的液化。

第四节石油和天然气

一、石油和天然气的成因

1．石油的组成元素

石油的组成元素主要是C和H，此外也有Ｏ，N和S等。

和煤相比，石油的含氢量较高而含氧量较低。

在石油中的碳氢化合物以直链烃为主，而在煤中则以芳烃为主。

天然气的主要成分是甲烷（CH4），也有少量乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8），它和石油伴生，但一般埋藏部位较深。

2．石油的炼制

石油中所含化合物种类繁多。

必须经过多步炼制，才能使用。

主要过程有分馏、裂化、重整、精制等。

第五节催化作用

一、催化剂

凡能加快反应速率的催化剂称为正催化剂，而能减慢反应速率的则称为负催化剂，也叫抑制剂，如防止塑料、橡胶老化的添加剂就属这类物质。

一般所说的催化剂是指加快反应速率的正催化剂。

二、催化理论

催化理论至今还不成熟，这里只介绍两个公认的特点：

一是催化剂降低了化学反应的活化能，二是催化剂有选择性。

第六节核能（原子能）

1.核反应

原子由带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子组成。

普通化学反应的热效应来源于外层电子重排时键能的变化，而原子核及内层电子并没有变化。

另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化，这类反应叫核反应。

核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。

2.核衰变

U，Po，Ra等这类原子核不稳定，能自发地放出辐射，而变成另一种原子核．这种过程叫核衰变。

3．核裂变、原子弹、核电站

1938年HahnO和StrassmanF研究中子轰击U-235的产物时，想发

子核受高能中子轰击时，分裂为质量相差不多的两种核素，同时又产生几个中子，还释放大量的能量。

裂变产物的组成很复杂，它们的原子序数在30（锌Zn）至65（铽Tb）范围内分布。

％，其余是U-238，它不能发生连续裂变。

因此这两种核素的分离是首要问题。

科学家们利用六氟化铀（UF6）气体扩散速度不同进行提纯，使U-235富集到93％。

其次为了使原子弹在需要的时候才爆炸，一颗原子弹中有两块U-235，每块质量都不太大，连续裂变时所释放的能量不足以引起爆炸，但当两块铀合在一起时，便能在瞬间发生强烈爆炸。

核电站的中心是核燃料和控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是用能吸收中子的材料制成的，如硼（B）、镉（Cd）、铪（Hf）等是合适的材料。

利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度，U-235裂变时所释放的能量可将循环水加热至300℃，高温水蒸气推动发电机发电。

由此可见核电是一种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投资虽高，但运行时就没有运送煤炭。

4．核聚变和氢弹

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，这时也将释放很大的能量。

核聚变有几个方面比核裂变优越：

其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；

其二，聚变原料氖的资源比较丰富。

氢弹的制造原理，就是利用一个小的原子弹作为引爆装置，产生瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。

氢元素的几种同位素之间能发生多种聚变反应，这种变化过程存在于宇宙之间，太阳辐射出来的巨大能量就来源于这类核聚变。

第七节化学电源

把化学能直接转化为电能的装置，统称化学电池或化学电源。

目前我们最熟悉而又经常使用的有锌-锰干电池和铅蓄电池。

1.锌-锰干电池

日常用的收音机，手电筒里使用的都是干电池，其电压一般为1.5V。

外壳用锌皮作为负极，中心为正极，是一根导电性能良好的石墨棒，裹上了一层由MnO2，炭黑及NH4Cl溶液混合压紧的团块。

两个电极之间的电解液是由NH4Cl，ZnCl2，淀粉和一定量水组成，将其加热调制成浆糊并趁热灌入锌筒，冷却后成半透明的胶冻不再流动，但可以导电。

锌筒上口加沥青密封，防止电解液渗出。

锌-锰干电池的电极反应为：

2.铅蓄电池

电池内有一排铅锑合金的栅格板，栅孔为细的铅粉泥所填满。

栅板交替由两块导板相联，分别成为顶部的两个电极。

整个电极板在使用之前先浸泡在稀硫酸溶液中进行电解处理，在阳极，Pb被氧化成为二氧化铅（PbO2），在阴极，形成海绵状金属铅。

干燥后，PbO2为蓄电池的正极，海绵状铅为负极。

所用电解液为30％的硫酸（H2SO4），因此这类电池可以也叫酸性蓄电池。

放电时，电极反应和电池反应如下：

放电反应：

PbO2+Pb+2H2SO4→2PbSO4+2H2O

3.碱性蓄电池 

日常生活中用的充电电池就属于这类。

它的体积、电压都和干电池差不多，携带方便，使用寿命比铅蓄电池长得多，使用恰当可以反复充放电上千次，但价格比较贵。

商品电池中有镍-镉（Ni-Cd）和镍-铁（Ni-Fe）两类。

4.银-锌电池 

电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“钮扣”电池之称。

它们的电极材料是Ag2O2和Zn，所以叫银-锌电池。

5.燃料电池 

氢气（H2），甲烷气（CH4），乙醇（C2H5OH）等物质在氧气（O2）中燃烧时，能将化学能直接转化为电能，这种装置叫燃料电池。

这些气体分子首先在电极催化剂的作用下离子化，再与O2起反应生成CO2和H2O。

这种电池能量利用率可高达80％，反应产物的污染也少。

第八节节能和新能源的开发

节能是我国的一项基本国策。

在节能的同时我们也要积极开展各种新型能源的研究和探索，目前不成熟的新能源也可能成为未来的主要能源。

当代新能源是指太阳能、生物质能、风能、地热能和海洋能等。

它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染，它们是远有前景，近有实效的能源。