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第二章化学与能源总结

2020-04-03 09:51能源 人已围观

简介爱的阶梯第二章化学与能源总结_营销/活动策划_计划/解决方案_实用文档。第二章 2-1 2-2 2-3 煤 石油 化学与能源 能源与社会进步 2-4 2-5 2-6 汽油 节能技术 现代新能源 2-1 能源与社会进步 能源:能...

  第二章化学与能源总结_营销/活动策划_计划/解决方案_实用文档。第二章 §2-1 §2-2 §2-3 煤 石油 化学与能源 能源与社会进步 §2-4 §2-5 §2-6 汽油 节能技术 现代新能源 §2-1 能源与社会进步 能源:能够提供能量的自然

  第二章 §2-1 §2-2 §2-3 煤 石油 化学与能源 能源与社会进步 §2-4 §2-5 §2-6 汽油 节能技术 现代新能源 §2-1 能源与社会进步 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。一种新能源的出现和能源科学技术的每一次 重大突破,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。 能源的分类 按能源的形成可分为: 1、一次能源,自然界中存在的可直接使用的能源,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、蒸汽、煤气、氢 气、合成燃料等。 按能源能否再生可分为: 1、再生能源,是不随人类的使用而减少的能源,如太阳能、 生物质能、地热能、潮汐能等; 2、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。 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,指虽一开发并少量使用,但技术上还不成熟, 尚未普遍使用,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,指能够提供能量的物质资源,如煤、石 油、天然气等。能保存也可直接储存运输。 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。 种类 一次能源 煤、石油、天然 气、植物秸杆、 水力、风力 二次能源 煤气、煤油、 汽油、柴油、 甲醇、乙醇、 电、蒸汽 常规能源 新能源 核燃料、 生物质、 太阳能 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=4.187J 1.泥煤: <60% C; 3×106cal/kg 2.褐煤: 60~75% C; 6.5×106cal/kg 3.烟煤: 75~90% C; 7.5×106cal/kg 4.无烟煤:>90% C; 8×106cal/kg C(g)+O2(g) =CO(g) Q = -7.8×106cal/kg 2H2(g)+O2(g)=2H2O (g) Q = -2.9×107cal/kg ? 无烟煤的含氢量为1~4% 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。 2.2.1 煤的干馏 100℃以上 200℃以上 350℃以上 蒸发自由水 放出化合水及二氧化碳 开始分解,释放出煤气和焦油,烟煤软化 大多数焦油被释放 继续分解和出现固体残留物 400℃~450℃ 450℃~550℃ 550℃以上 900℃以上 固体成为焦炭,此时只放出煤气 无煤气放出,只剩下焦炭 3种状态的产品:焦炭、煤焦油、焦炉气 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气体燃料。 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) 2. H2O + C → H2 + CO 吸热 (水煤气) 3. CO + H2 → CH4 + H2O 放热 (合成气) 可作为城市管道化输送的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 2.2.3 煤气中毒 炉温较低或氧气供应不足时,主要产生的是CO。因CO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。 为了使泄漏提前预警,掺进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 3.催化重整法 2. 催化裂化法 4.加氢除S 、 N法 分馏产品 石油气 溶剂油 汽油 煤油 柴油 碳原子数 C1~C4 C5~C7 C6~C11 C10~C16 C14~C18 C16~C20 液态烃和固态烃的混合物 C20~C30 沸程(℃) 40 40~95 80~200 145~245 200~365 重 油 润滑油 凡士林 石蜡 渣 油 沥青 360 C30~C40 2.3.2 以石油为原料的化工产品 乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘 等是合成塑料、橡胶、纤维等的最基础的有机化工原料。 2.3.3 液化石油气 来自开采石油或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。 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C4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 石油是重要的能源,也是化学工业的重要原料。 煤和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。 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。 §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℃。它适用于汽化器式内 燃发动机即汽油发动机,所以主要用于飞机、汽车、摩托车、 小型拖拉机、农业机械和快速舰艇。 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。 §2.4.1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700万亿m3。天然气主要靠管道输送。 我国著名的“西气东输”一期工程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,投资4200亿元。设计年输送 300亿m3,目前二期湖北、湖南、广州、深圳、香港) 工程已完工,三期(广东、江西、福建)也与即日开工。 §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冰结晶化合物的 固体物质。透明无色的可燃冰外形似冰,能够燃烧.其分子结构就 像一个一个的小”笼子” ,有若干水分子通过氢键构成的刚性笼子 里面关着一个甲烷分子。在标准状况下: 1m3可燃冰可释放出164 m3的天然气,折合 117 kg。 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2~3倍。可燃冰大部分蕴藏在海底。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。 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。 均以原油的发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。 2.4.4 汽油的抗爆性指标-辛烷值 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。 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. 2.4.5 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: 建造坑口火力发电厂, 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 §2-6.1 太 阳 能 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5×1019kJ,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、石油等的能量是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,目的是让人造粮食、人造燃料成为现实。 §2.6.2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2×1011t, 含能量达3×1018kJ。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 要有到的半导体材料有单晶硅(Si)、多晶硅(Si)、 非晶态硅(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: 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。 3、 太阳能发电 先将太阳光转变成热能,然后再通过能量转换成电能。 太阳能热电站:在地面上设置许多聚光镜,从不同角 度和方向把太阳光收集起来,集中反射到一个高塔顶 部的专用锅炉上,使锅炉里的水受热变为高压蒸气, 经换热器和气轮发电机把热能变成机械能,进而转化 成电能。 太阳能发电机系统:将熔点温度为300℃的液态钠作 为碱金属热电转换器,把太阳光聚集后,利用钠原子 放出的电子在两电极之间形成电压,产生电流。夜晚 或阴雨天采用天然气或石油加热钠,保证连续发电。 2.6.3 氢 能 氢气作为燃料能源具有明显的特点: 1、能量大,被称作高能燃料;2、清洁,唯一的燃烧 产物是水,常作为宇航员的饮用水;3、爱的阶梯资源极为丰 富;4、具有贮能功能;5、可循环和再生。 制取: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。 氢的贮存和运输: 金属氢化物贮氢(氢化钠、氢化钙),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),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)。 应用: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。 航空方面: 在飞机上作为动力燃料; 汽车应用方面: 成效更显著;燃料电池。 2.6.4 潮汐能 ’ 海洋的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,海水奔腾而去,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13—15m, 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,建筑水堤,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。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 。 2.6.5 核 能 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。 优点:1、能量巨大,而且非常集中。 2、运输量小,而且地区适应性强。 3、资源丰富。 4、核燃料可以循环使用。 5、核燃料可以增殖。 从原子核得到能量有两种方法: 一是裂变;即将某些含奇数个中子的重核分裂成两个质量 相近的轻核;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 核裂变的过程 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。 235U 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。 核电站工作原理热堆的概念 第一个中子生成:9Be+4He→12C+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 小质量的新原子核,这就是核的裂变反应, ⑴ 放出的能量叫裂变能; 90Sr+143Xe+31n 235U +1n → 142Ba+ 91Kr+31n 137Fe+ 97Zr+ 21n 以下式为例: 235U +1n → 142Ba+91Kr+31n 已知的各核素摩尔质量分别为:235.049g.mol-1、1.00867 g. mol-1、141.9092 g. mol-1、90.9056 g. mol-1, 计算发生裂变反应的质量亏损: △m=(141.9092+90.9056+3×1.00867-235.049-1.00867) =-0.21189 g. mol-1 计算1g铀裂变产生的热量 △E=△mc2 △E=-0.2118g. mol-1 ×(2.9979×108m.s-1)2 =-1.9035×1013kg. m2.s-2.mol-1 =-1.9035×1013kJ.mol-1 △E = -1.9035×1013kJ.mol-1 ×1.000g/235.439 g.mol-1) =-8.1×107kJ. mol-1 1公斤铀裂变产生的热量为8.1×1010kJ ▲1克235U按上式裂变可放出的能量为: 1公斤标准煤燃烧后产生的热量为3×104kJ 1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.可节省大量的运力。 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。 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。 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,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。 三、核辐射与核污染 1945年日本广岛、长崎的爆炸,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。 (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。 ?-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。 ?-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0.01~0.001nm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回释放出放射性 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 故时放射性外泄严重。 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 。 2.6.6 电化学能源 把化学能直接转变为电能的装置,俗称电池。 一、一次电池,放电后不能充电使其复原的电池。 1号或5号干电池—锌锰电池:ZnNH4Cl,ZnCl2MnO2(C) 负极:Zn+2NH4Cl? Zn(NH3)2Cl2 +2H++2e 正极:MnO2+H2O+e ? MnOOH +OH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。 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。 碱性锌锰电池: ZnKOH,K2[Zn(OH)4]MnO2(C) 锌银扣式电池:ZnKOHAg2O 二、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。 铅蓄电池:PbH2SO4PbO2 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。 碱式镍镉电池:CdKOH(或NaOHNiOOH) 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。 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。 正极:xLi++Li1-xCoO2+xe=LiCoO 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。 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,对空气 不构成污染或污染很少的能源。 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二氧化碳等有害气 体,不能算作绿色能源。 作业: 1.能源有哪几种分类方法? 2.煤、石油的主要成分是什么,石油为什么要经 过炼制才能用? 3.什么叫一碳化学? 分别简述瓦斯、水煤气、天 然气和可燃冰的主要化学组成。 4.何谓第五能源,意义何在? 5.何谓油当量的? 主要用途? 6.太阳能有哪些优点? 何谓光伏效应? 7.你对核电的优缺点是如何评价的?

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