1、第 2 章 能 源,能源、材料、信息是人类社会发展的三大支柱。按人类发展各个历史阶段所使用的主要能源，可将人类社会划分为：柴草时期、煤炭时期和石油时期。,(1) 柴草时期,a. 火的发现至18世纪产业革命期间。,b. 主要用途：烧烤食物、驱寒取暖；烧制陶器、冶炼金属。,陶器是人类制造出的第一件自然界不存在的材料。 早在公元前3000年，人类就掌握了木炭炼铜技术。,(2) 煤炭时期,开采于13世纪，大规模开采以至成为世界主要能源则在18世纪中叶。,b. 1769年，瓦特发明蒸汽机。,c. 直至20世纪40年代，煤炭仍占世界能源消费的首位。 d. 近年来，特别倡导煤的综合利用。,(3) 石油时期,
2、第二次世界大战后，发现了大油田及伴生的天然气，石油消费量猛增。,b. 60年代初期，石油和天然气的消耗比例已开始超过煤炭而居首位。,c. 我国能源结构仍以煤炭为主。,2.1 能源的分类和能量的转化,（1）按来源分,a. 来自地球以外的太阳能,b. 来自地球本身的能量,c. 来自各天体引力产生的能量,如：地热能,如：潮汐能,（2）按能源使用分,能源,一次能源,二次能源,常规能源,新能源,非可再生能源,可再生能源,煤制品,石油制品,电力、氢能、沼气等,非可再生能源,可再生能源,如：水能,如：太阳能,如：焦炭、煤气,如：汽油、煤油,一次能源,在自然界直接存在，可以直接取得且不必改变其基本形态的能源。
3、,二次能源,一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源品种。,常规能源,也叫传统能源，是已经大规模生产和广泛利用的能源，它又分为可再生能源和不可再生能源。,新能源,以新技术为基础，系统开发利用的能源太阳能的利用。据估计，太阳辐射到地球表面的能量是目前全世界能量消费的1.3万倍。植物的光合作用就是自然界利用太阳能极为成功的范例。只要找到有效的光合作用模拟体系，就可利用太阳能。,（3）按运动形式分,机械能（动能和势能）、热能、电能、光能等。不同运动形式的能量可以互相转化，但无论如何转化都遵守能量守恒定律。在能量转化过程中，未能做有用功的部分称为“无用功”，它常以热的形式表现。,体系内能的变化；Q体系
4、从外界吸收的能量；W外界对体系做的功。,内能：,物质体系中，分子的动能、势能、电子能量和核能等的总和。内能的绝对值至今无法直接测量，但体系内能的变化常以功和热表征。三者关系为：,热力学第一定律,应用上述公式时，注意各物理量的正、负号。,注, (+) 体系内能增大，(-) 体系内能减小； Q (+) 体系吸收热量，(-) 体系放出能量； W (+) 外界对体系做功， (-) 体系对外做功。,2.2 碳的化学,2.2.1 单质碳,（1）金刚石,在天然产物中，硬度最高，熔点最高，不导电。如：钻石。,（2）石墨,a. 石墨中包含自由电子，故其具有导电性和滑动性。 b. 注：做铅笔芯的是石墨，而不是铅。
5、 c. 石墨与金刚石在一定条件下可以互相转化。,（3）球碳,1985年，发现了碳的第三中单质球碳C60，俗称足球烯，也称“富勒烯”（Fuller），可做催化剂、润滑剂、超导体等的基质材料。,2.2.2 烃类碳氢化合物,（1）烷烃,代表化合物：CH4 C4H10 C8H10。,天然气 石油液化气 汽油,通 式： CnH2n+2,属饱和烃，特定条件下可发生取代反应。,C,H,H,H,H,CH4的结构,（2）烯烃,C,C,H,H,H,H,C2H4的结构,代表化合物：C2H4、C3H6和丁二烯。,结构中含有碳碳双键的烃，为烯烃；含有两个碳碳双键的烯烃，为二烯烃。乙烯的生产能力是一个国家综合国力的重要标
6、志。丙烯是制造人造羊毛、人造纤维的基本原料。丁二烯是制造人造橡胶的基本原料。,通 式： CnH2n,属不饱和烃，可发生加成反应。,分子中含有碳碳叁键的烃，为炔烃。乙炔可由电石CaC2水解产生。乙炔燃烧时可放出很大的热量，金属焊接或切割时用的氧化焰就是利用这个高温。,CaC2 + H2O C2H2 + CaO,（3）炔烃,C,C,H,H,C2H2的结构,代表化合物：C2H2。,通 式： CnH2n-2。,属不饱和烃，可发生加成反应。,2C2H2 + 5O2 4CO2 + 2H2O,(火焰温度可达3000 oC),（4）芳烃,代表化合物：C6H6。,苯环中的H原子可被其它原子或原子团取代，而变成其
7、它芳香族化合物。如：甲苯、邻二甲苯等。,三硝基甲苯是炸药的主要成分，可简写为TNT。,两个或两个以上苯环可共边相连，如：萘（C10H8）、蒽（C14H10）等。,因具芳香味而得名,或,苯,甲 苯,间二甲苯,三硝基甲苯,蒽,萘,2.2.3 烃的衍生物,决定化合物特性的原子或原子团为官能团。直链的烃基可用R-代表，环状的苯基可用Ar-代表。,（1）醇和酚,同：都含有-OH。异：与直链烃相连的为醇（ROH）；与苯环直接相连的为酚（ArOH）。,代表化合物：乙醇（良好的溶剂，饮用酒的主要成分）、苯酚（可制塑料、农药、染料等）。,例,邻甲基苯酚,苯甲醇,（2）醛和酮,同：都含有 。异：一端与R相连，另一
8、端与H相连的是为醛；两端均与R相连的是酮；醚的特点是O原子两端与烃基相连。注：相连的两个烃基可以相同，也可不同。,（3）羧酸和酯,异：羰基碳原子与OH相连，为羧酸；与OR相连为酯。羧酸与醇易发生反应生成酯，叫酯化反应。,例,（）胺类,可看作NH3中的一个、两个或三个碳原子被R-或Ar-取代所形成的分子。即：RNH2、R2NH及R3N，这些R可以相同，也可以不同。,代表化合物：苯胺（制药）。,（）硝基化物,含-NO2，可与R-或Ar-相连。R-NO2在染料方面有广泛用途（-NO2有生色功能）。其中，CH3NO2可做火箭燃料。,（）磺酸基化物,含-SO3H，可与R-或Ar-相连。其中，十二烷基苯磺
9、酸钠是制造洗涤剂的重要原料。,十二烷基苯磺酸钠,2.3 煤炭及其综合利用,英国是首先大量用煤做能源的国家。预测煤储量前苏联最多，美国第二，我国第三。,煤是由远古时代的植物经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用转变而成的固体可燃物。它的原始物质是植物。现代成煤理论认为，煤化过程是：植物 泥煤褐煤 烟煤 无烟煤，这个过程叫煤化作用。,（1）煤炭的形成,植物残骸,细菌,CO2和H2O （表面）,腐殖质（下层）,腐殖酸,无氧脱水,泥煤,地热,褐煤,地热,烟煤,无烟煤,a. 烟煤、无烟煤是老年煤，形成时间长，含碳量高，发热量也高；而褐煤、泥煤则比较年轻，含碳量较低，发热量也低。,插花,b. 煤是古代
10、植物残骸埋藏在地下，经过漫长的时间，处于空气不足条件下逐步形成的。,c. 煤的能量仍来自太阳能。,叶绿素,吸收太阳能,mCO2 + nH2O Cm(H2O)n + O2,a. 成煤环境不同，煤的化学组成也各有差异。b. 煤的现代结构模型显示：煤炭中含有大量环状芳烃，且夹杂着含S、N的杂环，它们相互之间通过各种桥键相连。,两的思路： 如何使煤转化为清洁能源； 如何提取分离煤中宝贵的化工原料。,（2）煤的综合利用,a）煤的气化,原料：煤、空气、水,设备：汽化炉,条件：部分氧化,目的：使煤中有机物转化成可燃气体H2、CO、CH4,用途：气体燃料或原料气,煤的气化涉及10个基本反应，主要有：, C +
11、 O2 = CO2； C + 1/2O2 = CO； C + H2O = CO + H2； C + 2H2 = CH4。,是制水煤气的反应。根据实际需要，我们可以通过控制反应条件，如：改变温度、压力或改进汽化炉结构等，强化需要的反应，抑制不需要的反应。,b）煤的焦化,也叫煤的干馏。把煤置于密闭的炼焦炉内加热，煤分解为固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。随加热的温度不同，分低温、中温和高温干馏。低温干馏的主要产品是焦油，轻油部分加氢可制成汽油；中温干馏的主要产品是城市煤气，高温法的产品是焦炭。,煤,干馏,焦炉气（含CO、H2、CH4、C2H4、C6H6、NH3等）,煤焦油,焦炭,冶金、电极、
12、电石,芳烃,沥青,粗氨水等,冷 却,c）煤的液化,煤与石油的异同 同：都含有C、H、O等元素。 异：煤的平均分子量约是石油的10倍，煤的含氢量比石油低得多。,将煤加热裂解，使大分子变小，后在催化剂的作用下加氢就可制得多种燃料油。煤炭液化油也叫人造石油。,这种先裂解再氢化的方法叫做直接液化法。还有一类称间接液化法先使煤气化得到CO、H2等，然后在一定温度、压力和催化剂作用下合成各类烷烃、烯烃、乙醇和乙醛等。目前还有少数富煤缺油的国家利用间接液化法制油。,2.4 石油和天然气,石油,工业的血液,黑色的黄金,石油危机,19731979年,发达国家 石油七姐妹,中东地区 欧佩克(OPEC),实行石油禁
13、运,石油危机,2.4.1 石油和天然气的成因,石油是由远古海洋和湖泊中的动植物遗体在地下经过漫长的复杂变化而形成的黑色粘稠液态混合物。未经处理的石油叫原油。,由于世界上，两个最大的产油带：长科迪勒地带和特提斯地带都曾是海槽，故有“海相成油”学说。,我国拥有油气资源丰富的大陆架，据海洋石油普查发现，远景最好的是东海，南海、渤海次之，黄海较差。,煤与石油的异同 同：都含有C、H、O、N、P、S等元素。 异：石油的含氢量较高，含氧量较低，且石油中的碳氢化合物以直链烃为主，煤中则以芳烃为主。,天然气常与石油伴生，主要成分是甲烷，并有少量乙烷、丙烷。,2.4.2 石油的炼制,（1）分馏,原理：利用加热时
14、各物质的沸点不同进行分离。分馏的产品叫馏分。 设备：分馏塔。,分馏先在常压下进行，获得低沸点的馏分；后在减压状况下获得高沸点的馏分。每种馏分还可再分馏。,石油炼制中，沸点最低的是C1C4的气态烃，统称为石油气。,不饱和烃易发生加成和聚合反应。,例：乙烯,用途：食品袋、食品匣、奶瓶等,高压聚乙烯,低压聚乙烯,用途：脸盆、水桶等,制涤纶,制环氧树脂,目前，我国乙烯年产量居世界第8位。,顺丁橡胶,做轮胎,丁苯橡胶,热稳定性好，耐磨、耐光、抗老化,丙烯、丁二烯：,将石油气中的不饱和烃分离后，剩下的饱和烃以丁烷为主，它的沸点为-0.5 oC，稍加压力即可液化储于高压钢瓶，当打开阀门减压时即可气化点燃使用
15、。居民用的石油液化气主要成分是丁烷。此外，还有一定量的戊烷和己烷。,在30180 oC沸点范围收集到的是C5C6馏分，这是工业常用溶剂，叫溶剂油。在40180 oC内收集到的是C6C10馏分，这是汽油馏分。,a. 汽油的质量用辛烷值表示。,插花,b. 汽油燃烧时有爆震性，其组成中抗震性最好的是异辛烷，最差的是正庚烷，我们将其辛烷值分别定标为100和0。,c. 以往的汽油为提高辛烷值，常加少许四乙基铅Pb(C2H5)4。但这类含铅化合物有毒，会污染环境，故倡议使用无铅汽油。,例：若辛烷值为85，就表示它的抗震性与85%异辛烷和15%正庚烷的混合物相当，商品上即称为85号汽油。,目前，常用的方法是
16、通过改进汽油组成来改善其爆震性。,蒸馏温度在350 oC以下所得的各馏分属轻油部分，以上属重油部分。,（2）裂化,将C原子数多的碳氢化合物在催化剂作用下裂解成各种小分子的烃类。,C16H34 C8H18 + C8H16,催化剂,加热加压,我国原油的重油比例较大，故催化裂化特别重要。,（3）催化重整,在一定温度、压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的重新调整，转化为带支链的烷烃异构体。作用：a. 提高汽油的辛烷值；b. 得到一部分芳香烃。,（4）加氢精制,石油分馏、裂解所得的产品中都混有少量含N、S的杂环有机物，本法即利用催化剂在一定温度、压力下使H2和这些杂环有机物起反应，生成NH3或
17、H2S而分离。,常压分馏和减压分馏叫一次加工，为物理变化过程；裂化、重整、加氢控制等叫二次加工，属化学变化。,2.5 催化作用,催化剂能显著改变反应速率，但不影响反应的平衡位置，且在反应过程中，其本身的组成和质量都不变。凡能加快反应速率的催化剂称正催化剂；减慢反应速率的为负催化剂或抑制剂。我们常提的催化剂是指正催化剂。,降低反应活化能； b. 有选择性。,特点,E,A + BC,AB + C,A B C,Ea,反应进程（无催化剂）,E,A + BC,AB + C,A B C,Ea,反应进程（有催化剂）,旧键将断未断，新键将成未成的中间状态称过渡态或活化态。活化态与起始态的能量差Ea即活化能。,
18、a.,b. 选择性,作用：使反应定向进行。,2.6 核能,热效应来源于原子核变化的反应，为核反应。核反应分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。核反应过程中由于原子核的变化，而伴随着巨大的能量变化。核能也叫原子能。,2.6.1 核衰变,铀、钋、镭的发现,放射化学研究新领域,天然放射性元素在电磁场作用下可分为三部分：,放射性 式 样,粒子,粒子,粒子,原子核不稳定，自发放出辐射，而变成另一种原子核的过程叫核衰变。,粒子流带正电，与氦原子核相同，可用 代表 粒子。如：,粒子流带负电，与电子相同，可用 代表 粒子。如：,粒子流是一束短波粒子流，呈中性，并不改变原子核的质量数和电荷数。所有衰变都伴随辐射。,
19、插花,符号 代表正电子流； 表示中子。 b. 继天然放射性后，又发现了人工放射性。人工放射性的重要用途是制造新元素。93号后的元素都在人工加速器里合成，它们的寿命很短，产量也极其微少。,2.6.2 核裂变、原子弹、核电站,1938年，Hahn O.和Strassman F.发现了核裂变反应。 原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，并释放大量能量的过程，就是核裂变。,中子诱发 裂变形成链式反应,裂变碎片,裂变核,中子,核能,人工控制,加热水蒸气,推动发电机,不断积聚,瞬间爆炸,制造原子弹,建设核电站,1954年，前苏联建成世界上第一座核电站。,核 电,优：清洁
20、，无废气、煤灰，经济，可解决电力不足的问题。问题：a. 保证安全运行；b. 核废料的处理。,a,确保核电站安全运行,利用核能发电最重要的一步是有效控制核反应，否则后果很严重。如：发生爆炸，造成伤亡；更甚的是大量放射性物质外泄，很易破坏生态平衡，污染环境。放射性伤害轻者白血球减少，恶心、呕吐、脱发；重者出血、遗传失常，甚至癌变。我国第一座自行设计的核电站是秦山核电站。,b,核废料处理方法：,对还有使用价值的物质尽量提取分离并回收，其它废料放入防震、防腐、防泄露的特制容器中，深埋于荒无人烟的岩石层。,2.6.3 核聚变和氢弹,由两个或多个轻原子核聚合成一个较重原子核的过程，即核聚变。,核聚变相较核
21、裂变的优缺点优：聚变产物无放射性污染及难处理的废料，聚变原料氘资源丰富，易于提炼。缺：聚变反应需非常高的温度。,a. 氢弹的原理即利用一个小的原子弹做为引爆装置，产生瞬间高温，以引发上述反应发生强烈爆炸。b. 太阳辐射的巨大能量来源于上述核聚变。c. 反应温度较低的另一核聚变反应：,无刀手术“伽马刀”的原理即将射线聚焦于癌变部位，以抑制恶性细胞的生长。,2.7 化学电源,“燃煤发电”：,化学能 机械能 电能,直接把化学能转化为电能的装置，即化学电源或化学电池。,氧化还原反应,氧化反应,还原反应,同时发生,工作原理：利用氧化还原反应过程中，电子定向移动形成电流。,Zn-Cu电池,e-,+,-,Z
22、nSO4溶液,CuSO4溶液,Zn,Cu,盐桥,正极：Cu2+ + 2e- Cu 负极：Zn Zn2+ + 2e- 电池反应：Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu,条件：各离子浓度都为1.0 mol.L-1,Fe + Cu2+ Fe2+ + CuZn + 2Ag+ Zn2+ + 2Ag,E/V,1.1,2e-,2e-,Fe-Cu电池,Zn-Ag电池,0.75,1.6,电池的电动势决定于电极得失电子的能力和溶液的浓度。电极得失电子的能力用“电极电势”表示，它是一类相对数据。标准电极电势是指电极反应中各离子浓度均为1 mol.L-1，气态物质的分压为100 kPa，温度为298 K的状态。以氢电
23、极作为参照标准，规定其标准电极电势为0。,2H+(1 mol.L-1) + 2e- H2(100 kPa),(1) 锌-锰干电池,用途：收音机、手电筒内的电池。电压为1.5 V。,(+),(-),e-,沥青密封,石墨电极,MnO2-炭黑 NH4Cl团块层,锌负极,NH4Cl，ZnCl2 淀粉，浆糊,锰正极：MnO2 + H2O + e- MnO(OH) + OH- 锌负极：Zn + 4NH4Cl (NH4)2ZnCl4 + 2NH4+ + 2e-,在使用过程中，电子由锌极流向锰极，锌皮逐渐消耗，MnO2也不断被还原，电压慢慢降低，最后电池失效。这种电池是一次性消费品。Zn本来是消耗性外壳，在使
24、用过程中，会局部变薄以致穿孔。,(2) 铅蓄电池,用途：汽车的启动电源。,蓄电池放电到一定程度，可以利用外部电源进行充电后再用，这样充电放电可反复几百次。,这类电池在酸性条件下工作，故也叫酸性蓄电池。,正极：PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- PbSO4 + 2H2O 负极：Pb + SO42- PbSO4 + 2e- 放电反应： PbO2 + Pb +H2SO4 2PbSO4 + 2H2O,PbO2 + Pb + H2SO4 2PbSO4 + 2H2O,充电,放电,优,缺,电动势高，电压稳定，使用温度范围宽，原料丰富，价格便宜。,笨重，防震性差，易溢出酸雾，维护不便，携带不便。
25、,(3) 碱性蓄电池,电池反应在碱性条件下进行，故称碱性蓄电池。日常生活中常用的充电电池。,Cd + 2NiO(OH) + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2,充电,放电,充电,放电,Fe + 2NiO(OH) + 2H2O 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2,体积小，电压与干电池差不多，便于携带，寿命长，但价格比较昂贵。,(4) 银-锌电池,用途：电子手表、计算器的电池，也称“钮扣”电池。,Ag2O2 + 2Zn + 2H2O 2Zn(OH)2 + 2Ag,(5) 燃料电池,氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时，能将化学能直接转化为电能，这种装置叫燃料电池。,用途：航天飞机、发
26、电站。,2.8 节能和新能源的开发,花絮,a. 节能并不是指少用能源，而是指要充分有效地利用能源，尽量降低各种产品的能耗。b. 开源节流必须同时并举。c. 当代新能源是指太阳能、生物能、风能、地热能和海洋能等。,(1) 太阳能,地球上最根本的能源。太阳能的利用方式主要是光热转化和光电转化。,a. 热利用,利用方式：集热器,结构：板芯由涂了吸热材料的铜片制成,随涂层材料和热水器结构不同，可获得不同温度的热水或蒸汽。,100 oC以下 生活热水、取暖,100 300 oC 烹饪、工业用热,300 oC以上 发电,b. 电利用,利用方式：光电池,原理：吸收光子，使电子按一定方向定向流动形成电流。,用
27、途：,用途：太阳能计算器、太阳能手表,(2) 生物能,蕴藏在动植物、微生物体内，由太阳能转化而来，可分为固、液、气态。,固态：稻草、秸杆等。,将生物能作为新能源，是要将固态物质转化为可燃性的液态或气态化合物，然后燃烧放热。,液态：甲醇、乙醇等。,固态：CO、H2、CH4等。,固态废料,发酵、高温热分解,高温干馏,甲醇、乙醇,CO、H2、CH4,汽车燃料,发电,生物质,厌氧,沼气,沼渣、沼液,气体燃料,优质肥料,a.,b.,处理各种有机垃圾，清洁环境,c. 有些植物品种（香胶树、黄鼠草、巨型海藻）可产出与石油成分相似的胶质。,(3) 风能,可再生的干净能源。,用途：发电、扬帆助航,(4) 地热能,地热能与地球共存亡，地壳深处的温度比地面上高得多。,用途：发电（西藏）、温泉,(5) 海洋能,习题：课后2. 4. 7. 8. 10. 12.,在地球与太阳、月亮等相互作用下形成。潮汐能、波浪能、海流能、温差能等能量总称海洋能。利用潮汐能可以发电，同时可围垦农田、养殖水产。,
