第二章化学反应热效应与能源利用(2)

经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用
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1 氢气的制取
➢ 电解 作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备 方法。 2NaCl + 2H2O 电解 Cl2 + H2 + 2NaOH
该方法从经济上考虑是不可行的。
➢ 太阳能光解 利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有 前途的制氢方法。是研究的热点。
分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、 南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一 半。
开采难，储量丰富。
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2.3.4 煤气和液化气
煤气 煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。
煤气的组成
H2：50%；CO：15%；ห้องสมุดไป่ตู้H4：15%，热值约16MJ •M-3
液化气 来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂 的副产品。
The semiconducting material
(blue) and metal (green)
electrode are immersed in water.
Under light irradiation,
photoexcited electrons reduce
water to give H2, whereas the electron vacancies oxidize
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2.4.3 太阳能
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。 太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生 态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式
太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形 式，主要有以下三种：
➢ 转换为热能 ➢ 转换为电能 ➢ 转换为化学能
图1.10 太阳能电池
E 1.697109 kJ mol1
由于氢原子质量小，如折合成每g物 质反应的热量， 则氢聚变所释放是 能量是相同质量的铀裂变能量的3倍 多。
图1.11 氢弹爆炸
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Ⅱ. 核电的优势与发展趋势
➢ 发展核能是必由之路 由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源
➢ 核电的发展趋势 (1) 热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。 (2) 快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。
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4 能源危机
本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降
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2.3.2 煤炭与洁煤技术
思考：我国能源结构的特点是什么？
我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量 的70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大 的国家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭 资源是我国能源科学和研究中的重要课题。
我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭 中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化 硫是造成酸雨的主要原因。
展战略。
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Light work with water, NATHAN S. LEWIS Nature 414, 589 - 590 (December 6, 2001) Direct splitting of water under visible light irradiation with an oxide semiconductor photocatalyst, ZHIGANG ZOU, JINHUA YE, KAZUHIRO SAYAMA & HIRONORI ARAKAWA Nature 414, 625 - 627 (December 6, 2001)
与煤气相比，液化气有哪些优点: 无毒、低污染、热值高于煤气。 液化气作动力→ 绿色汽车← 燃料电池（各国竞争发展）
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2.4 清洁能源与可持续发展
思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些 是无限的(不考虑太阳的寿命)？
思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？
1.矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的 能源（如太阳能）和核能是无限的。
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1 煤炭的成分与热值
煤炭的主要成分： 碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。
煤炭的热值： 单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。
标准煤的热值为29.3MJ·kg-1。
煤炭的分类： ➢无烟煤：低硫，较好； ➢烟煤 ：高硫，燃烧环境污染； ➢褐煤：储量大，但热值低。
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2 洁净煤技术
洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为 解决环境和能源问题的主导技术之一
加快研究和开发。
(3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。
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秦山核电站二期工程施工现场
鸟瞰一期
图1.12 秦山核电厂外 景
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本章小结
▪ 了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学
标准态、反应进度、焓等）和定容热效应q的测
定; ▪ 理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔
焓变的计算； ▪ 了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发
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选读材料
核能
Ⅰ. 核燃料和核能的来源
1. 核裂变反应
核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释 放的能量用质能方程计算：
E mc2
在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原 子核的反应称为核裂变反应。
235 92
U
1 0
n
142 56
Ba
91 36
Kr
301 n
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该反应损失质量Δm = 0.2118g·mol-1，能量变化为： E mc2 (0.2118g mol1) (3108 m s1)2 1.9041010 kJ mol1 此能量相当于634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。
water to O2. Zou et al. have doped an indium–tantalum-
oxide with nickel, and find that
this material absorbs light in
the visible spectrum, an
advance over previous
思考：西气东送具有哪些重要意义？
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3 沼气和生物质能
植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产 生的气体称为沼气。
沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的 CO、H2、H2S等。
思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家 使用过沼气吗？
农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。
生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中 加压汽化制成可燃气体。
核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子 弹；如加以控制，例如使用慢化剂—水，重水
和石墨，则可建造成核电站。
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2. 核聚变反应
高温作用下，轻原子核合并成较重原子核的反应。
2 1
H
3 1
H
4 2
He
1 0
n
释放的能量同样用质能方程计算。
太阳能就是氢的核聚变能，经计算
1mol
2 1
H
聚变放出的能量为：
思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？ 主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。 解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。
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2 天然气
天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷， 常与石油伴生。其热值约为55.6MJ •kg-1。 天然气的优点：
➢ 可直接应用 ➢ 易于管道输送 ➢ 污染少
一次能源
煤炭、石油、天然 气、生物质能
水能
二次能源
煤气、焦碳、成品燃 油、液化气、酒精 电力、蒸汽、热水
新能源
燃料能源 核能
非燃料能源
太阳能、地热、风 能、海洋能
人工沼气、氢能
激光
2
2 世界能源的结构和消耗
60
能 50
源
结 构
40
比
例 30
煤炭 石油 天然气 水电及其它
(%)
20
10
1950 1960 1970 1980 1990 2010 年代 图1.7 世界消耗的一次能源结构
炼焦焦炭 汽化 剂H2O水煤气 甲烷化合成天然气 气体燃料
（CO H2）
（CH4）
汽化剂（H2OO2 ) 合成气
煤
70%煤粉 30%水 少量添加剂
水煤浆
甲醇 液体燃料
合成汽油
新型液态燃料
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2.3.3 石油和天然气
石油 石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环 烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。
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1 转换为热能
思考：太阳能热水器的工作原理？
太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的 一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能， 是目前直接利用太阳能的最主要方式。
将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用 黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子 的有效吸收。
思考：太阳光能的缺点是什么？
1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。 2、对天气的依赖性强。
photocatalysts.
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2 氢气的储运
氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储 存和运输是一个比较困难的问题。
合金贮氢法
原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合 物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。 如镧镍合金：
LaNi5 + 3H2
300kPa
加热
LaNi5H6
开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的 热门分支。
2.开放性的结论
1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、
经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源
作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着
关键的作用。
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2.4.1 能源开发与可持续发展
我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进
一步开发新能源，才能实现可持续发展。