化学与社会生活(能源)PPT推荐.ppt
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我国探明的煤炭可采储存量为7300多亿吨,居世界第一,占世界总储量的45.7%。
我国也是世界第一产煤和用煤大国。
你知道吗?
煤是由古生的植物随着地壳变动被埋入地下,经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用逐渐演化形成的可燃性固体矿物。
从本质上说煤炭中所含的化学能是植物通过光合作用从太阳光转化而来的。
煤的形成,采煤,世界煤炭的储备和分布,中国煤炭的储备和分布,根据煤化程度的不同将煤大致分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤,其含碳量逐渐升高,燃烧热值也之间递增。
我国原煤产量以烟煤为主。
煤的种类,泥炭,褐煤,烟煤,无烟煤,四种煤的形成过程,煤是一种具有高碳氢比的复杂混合物,其主要成分是碳和氢,还有少量的氧、氮、硫等。
分子式:
C125H97O9NS成分:
C84.3%H5.1%O7.5%N1.5%S1.6%水分、挥发物、无机物灰分,煤中的氢并非都可以燃烧,和C、S、P结合的氢可以燃烧,煤的组成与结构,煤的现代结构模型,基本结构单元:
由数十个五元环和六元环组成的稠环化合物煤粒的核心部分:
“沥青类”或“树脂类”高分子化合物,煤的化学加工与转化,1、煤炭直接作为燃料存在的问题:
环境污染、燃烧率低2、加工的目的:
除去所含S、N和无机物解决环境污染问题降低分子量提高氢含量提高使用价值3、加工与转化的方式煤的干馏煤的气化煤的液化水煤浆,煤的气化,门捷列夫的畅想,1、水煤气将空气通过装有灼热的焦炭的塔柱,会发生放热反应:
C(s)+O2(g)=CO2(g)H=-393.5kJmol-1放出的大量热量可使焦炭的温度上升到约1500。
切断空气,将水蒸气通过灼热的焦炭,发生下列反应:
C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2H=-131.3kJmol-1,2、合成气将纯氧气和水蒸气在加压下通过灼烧的煤,可使煤中的苯酚等挥发出来,并生成一种气态混合物燃料,其体积分数为:
40%H2、15%CO、15%CH4、30%CO2。
煤的液化,以煤炭为原料,通过化学加工过程,生产油品和石油化工产品。
主要有两种方式:
直接液化:
将煤炭先磨成煤粉,然后与溶剂(煤焦油)、催化剂混合为浆状物,在温度为673-773K,压力为(100300)(1001000)Pa下加氢直接生产重质液体燃料。
一般二、三吨煤粉可得一吨液化油。
间接液化:
将煤粉先气化成CO和H2,然后用高压催化合成液体燃料。
是把煤在隔绝空气的密闭炼焦炉内加热,随着温度升高,煤中的有机物质逐渐开始分解,得到气态的炉煤气、液态的煤焦油和固态的焦炭。
煤焦油中有很多苯、甲苯、二甲苯、酚类、萘等,是宝贵的化工原料。
煤的干馏,煤干馏的主要产物和用途,所谓一碳化学是指以分子中只含一个碳原子的化合物(如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等)为原料,用化工的方法制造产品的化学体系的总称。
广义的一碳化学,不仅包括上述四种化合物,还包括如甲醛、甲酸、氢氰酸、甲胺、二氟二氯甲烷等的制造及其衍生物的合成。
但当今世界上,通常一碳化学的范畴,主要是指一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇四种物质所涉及的有关内容。
另外,由于甲烷属于天然气化学;
二氧化碳虽然是一种取之不尽,用之不竭的气体,但人们对它的研究还不够,化工上的应用并不多;
同时甲烷、二氧化碳及甲醇都可由一氧化碳制造,故狭义的一碳化学就是指一氧化碳化学,或称合成气(COH2)化学。
拓展视野一碳化学,何谓一碳化学?
近几年来,利用合成气能够生产的化工产品不下3040种,我国正在开发的也有2030种。
关于利用合成气合成燃料的动向,主要是合成甲醇,再由甲醇生产汽油。
同时甲醇也是一种廉价的化工原料。
对一碳化学的研究有催化法和放射线法。
放射线的特点是可以在常温常压下进行,但需依赖于电子加速器的进步。
目前研究一碳化学多用催化法,并且一些产品已投产。
石油,我国对石油的开发利用有着悠久的历史。
早在2000多年前,我们的祖先就在现陕西的延安一带发现了石油,并将其称为石漆、石液、石脂水、石脑油、猛火油等。
到宋代,著名的科学家宋应星在天工开物一书中提出了“石油”一词,并一直沿用至今。
在古代,石油主要用于点灯照明,也用于制造药物,有时还用它作“武器”。
相传在北周宣政元年(公元前578年),北周军队在河西走廊西部的禄福县,曾用燃烧的“石脂水”作武器打败了入侵的突厥军队。
自从1883年发明了汽油发动机和1893年发明了柴油机以来,石油的身价倍增,并获得了“工业血液”的美称。
石油的形成,石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体,在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。
水中生物的遗骸下沉而埋没于地下,因地热或地压等作用变成石油,石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中,从地下采出来的石油,没有经过加工提炼成各种产品以前通称为原油。
原油是一种粘稠状的液体,管道原油,原油最直观的物理性质就是丰富多彩的颜色,由浅到深有白色、淡黄色、褐色、黑绿色以至黑色。
石油的成分与结构,石油是多种碳氢化合物的混合物,主要是烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃,以及少量的有机硫化物、有机氮化物、水分和矿物质等。
根据石油中所含碳氢化合物的种类不同,可将石油分为四大类:
石蜡基石油环烷基石油中间基石油芳香基石油,世界石油资源分布极不平衡:
中东地区拥有全球63.3%的石油储量欧洲和中亚占9.2%非洲地区石油储量占全球的8.9%拉丁美洲和中美洲占8.9%北美地区占5.5%东南亚和大洋洲占4.2%,石油资源的分布,我国石油分布,海上油井,克拉玛依油田,大庆油田,石油的加工,原油是由多种碳氢化合物组成的,直接利用的途径很少。
将石油加工成不同的产品,则能充分发挥其效能。
把预处理后的原油送到炼油厂进行分馏加工,能够生产出汽油、煤油、柴油、润滑油及沥青等具有不同用途的产品,这是石油“大家庭”的第一次“分家”。
另外,人们还想方设法把一些不尽人意的分子转变成燃烧情况良好的分子,例如,用催化裂解的方法把大分子裂解成小分子,用催化重整的方法改变分子结构等。
这样做的目的在于得到效果更佳的燃料。
石油不仅是重要的燃料资源,还是一种宝贵的化工原料,石油化工就是以它为母体发展起来的。
石油化学工业以石脑油等石油产品为原料,首先经裂解转化为乙烯、丙烯、丁烯等,然后进一步精加工成为聚烯烃及一些重要的精细化工原料。
我国石油化学工业推向了一个新水平,并跨入了世界先进行列。
石油分馏以及产品示意图,车用汽油,汽油在发动机中正常燃烧时,火焰的传播速度约为30-70ms-1。
但当混合气已燃烧2/3-3/4时,未燃烧的混合气中产生了高度密集的过氧化物,它的分解使混合气中出现了许多燃烧中心,燃烧速率猛增,产生强大的压力脉冲,火焰的传播速率可达800-1000ms-1。
这种情况下汽缸内产生清脆的金属敲声,这种燃烧就是爆燃。
汽油的抗爆性与组成汽油的烃类有关。
正构烷烃随碳原子数增多抗爆性降低,异构烷烃随支链的增多抗爆性升高,环烷烃抗爆性居中,而芳香烃及其衍生物抗爆性较高。
为了提高汽油的抗爆性,常向汽油中添加抗爆剂。
四乙基破坏生成的过氧化物,但会生成硬质的PbO颗粒,它会沉积在燃烧室,因而要同时加入一定量的导出剂溴乙烷(或二溴乙烷),使PbO转化为PbBr2。
目前,很多国家已禁止使用含铅汽油,现在的抗爆剂多采用甲基叔丁基醚。
不同的标号指的是此标号汽油辛烷值的大小,汽油的标号越高,辛脘值含量越高,越不容易发生爆燃。
应根据发动机的压缩比选用汽油,压缩比高的车辆应该选用高标号汽油,从而保证在发动机不发生爆燃的情况下动力输出最佳、成本最低。
压缩比是指发动机气缸的总容积与燃烧室容积之比。
压缩比是发动机的一个非常重要的结构参数,压缩比高,动力性好、热效率高,车辆加速性、最高车速等会相应提高。
通常,压缩比在7.58.0应选用90号车用汽油;
压缩比在8.08.5应选用90号93号车用汽油;
压缩比在8.59.5应选用93号95号车用汽油;
压缩比在9.510应选用95号97号车用汽油。
车主应严格按发动机不同的压缩比,选用相应标号的车用汽油,才能使发动机发挥出最佳的效能。
丙烷、丙烯和丁烷、丁烯(液化气)是瓶装煤气的主要成分,能用适当的压力和冷冻使之液化。
因为丙烷比丁烷更易挥发,所以在北方使用的瓶装煤气含有较多的丙烷,而在南方使用的瓶装煤气含有较多的丁烷。
将重油、柴油与氢气混合在高压催化下反应,可制得合成石油,进一步加工可得到汽油和高级汽油。
开采石油通常采用钻井的方法,一部分用于注水,一部分用于采取石油。
石油植物亦称植物能源,在一些植物体内含有跟石油差不多的液体燃料。
如巴西热带森林的“香波树”,只要在树上挖个洞,油就会流出来。
美国的“黄鼠草”及西海岸的巨型藻,澳大利亚的丛粒藻等也都能提炼出石油。
拓展视野石油植物,既然花生油、菜籽油、玉米油、桐油、豆油可以在地里“种”出来,为什么石油就不能“种”出来呢?
美国化学家卡达文是位诺贝尔奖获得者,他就相信石油可以“种”出来。
1987年他到处寻找能生产石油的植物,功夫不负有心人,他终于发现了许多能“挤”出石油来的植物。
卡达文在寻找到能“生产”石油的植物后,就开始选种和育种,并在美国加利福尼亚种了大约6亩地的“石油”树,一年中竟收获了50t石油,卡达文“种”石油的成功,激起了一股研究和寻找石油树的热潮。
现在美国成立了一个石油植物研究所,专门研究能流出石油的植物。
现在,可以生产石油的植物越来越多,在菲律宾发现一种能产石油的胡桃,一年可收两季。
在巴西有一种乔木高达30多米,直径最大有1m,在这种乔木上打一个洞,一小时就能流出7Kg石油来。
美国加利福尼亚大学还用遗传技术培养了一种石油植物,这种植物乳汁中的成分和天然矿物石油的成分很相似。
从这种乳汁中可以提炼出汽油、煤油和许多副产品。
石油也可以“种出来”,将为缓和能源短缺的紧张局面起到重要作用。
小故事,天然气,天然气是一种优质的气体燃料和重要的化工原料。
我国是世界上最早开采和利用天然气的国家,早在公元前221年,我国就在四川省自流井气田钻成深约100m的天然气井。
天然气是世界上第三大贸易燃料,占全球能源消费总量的23%,是消费需求增长速度最快的能源。
天然气虽在组成上也是以碳氢化合物为主要成份,但其生成条件比石油更多样化。
天然气从浅到深都能生成;
天然气可由浮游的动、植物生成,也可由高等植物生成;
天然气有有机成因,也有无机成因。
可燃冰是一种天然气水合物,是水和天然气在中高压和低温条件下混合时产生的无色透明的冰状晶体,点燃即可燃烧。
拓展视野可燃冰,天然气水合物是一种笼型水合物,属于主客体化合物。
水分子间以氢键相互吸引构成笼子作为主体,甲烷作为客体居于笼中,以范德华力与水分子相互作用而形成笼型水合物。
五角十二面体,五角六角是六面体,笼形水合物的结构图,可燃冰的结构,能量密度高。
每1立方米的固体水合物可释放164立方米左右的甲烷气体。
杂质少,无污染。
燃烧后几乎不产生有害气体和杂质,是一种清洁能源。
形成条件复杂。
第一温度不能太高,第二压力要足够大,第三要有甲烷气源。
分布广,资源丰富。
海底可燃冰分布范围约4000万km2,其储量够人类使用1000年。
可燃冰的特点,可燃冰其一是分布在各大陆向海延伸的大陆边缘水深超过300500m的有利地带,且其大多数处于海底以下100200m的深层沉积地层中。
二是分布在高纬度永久冻土层带。
可燃冰的开采,目前考虑的开采方案有几种:
解热法和降压法;
还有科学家提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解;
另外还有一个新的设想,即“置换法”。
由于甲烷对环境破坏作用,所以可燃冰又是一种危险的燃料。
除此之外,可燃冰开采还可能会造成大陆架边缘动荡,引发海底塌方并导致灾难性的海啸,,三、生物质能的开发利用,生物质从广义上说是指绿色植物通过光合作用产生的各种有机物。
这些有机物为生物提供了食物,提供了各种各样的原料和能量。
因此从某种意义上说,绿色植物是巨大的天然能源仓库。
生物质能源产量巨大,生生不息。
生物质能源洁净,环保。
生物质能源具有稳定的可获得性。
生物质与化石燃料具有兼容性。
油棕,油菜,用油菜等油料作物,油棕等油料林木果实,可制得生物柴油。
生物质能源的特点,目前生物质能的利用大多是直接燃烧。
然而直接燃烧薪柴,能源利用率太低,仅10。
近几十年,人们对生物质能源的利用模式进行了广泛的基础研究。
大体分为两个方面:
一是由含糖类较多的作物中提取酒精或甲醇,二是制造沼气。
这都和发酵有关,因此现代绿色能源的概念不只是指薪柴了,它包括植物本身,以及从植物、动物衍生物经发酵工艺所提取的能源。
生物质能源的开发,乙醇汽油,多品种原料生物柴油集成生产装置,专家们断言,垃圾发电在21世纪将成为能源市场的一名新主角。
城市垃圾资源十分丰富,且蕴藏着大量二次能源物质。
通常城市生活垃圾中的灰渣,可燃物占27%,发热值8734KJKg;
菜类可燃物占23.5,发热值5524KJKg;
纸类可燃物占84.4,发热值15794KJKg;
塑料可燃物占88%,发热值37450KJKg。
综合起来,大约2t垃圾燃烧的热量就相当于1t煤燃烧时所发出的热量,1t垃圾可产生525KW的电能。
利用垃圾最经济有效的方法就是利用垃圾发电。
当前有多种途径。
一种是利用城市垃圾填埋制取沼气,进行发电;
而更主要的是将垃圾用焚烧炉燃烧的余热进行发电;
再就是将垃圾制取成固体燃料直接燃烧进行发电。
垃圾发电,2007年6月20日拍摄的垃圾发电厂的主控室。
6月20日,江苏省最大的垃圾发电厂苏州市生活垃圾焚烧发电厂正式并网发电。
这个垃圾焚烧发电厂投资5.3亿元,耗时两年建设完成,日处理生活垃圾1000吨左右,占到苏州城市日产生生活垃圾总量的近50%,日发电量达25万千瓦时。
四、化学电池,电池是由电极、电解池、隔离层和容器等四个部分组成。
1799年,伏打(Volta.A.)据此设计出了现在被称为伏打电池的装置1836年,丹尼(Daniell)发明了世界上第一个实用电池。
1866年,电化学家勒克朗谢以锌为负极,二氧化锰为正极,氯化铵溶液作电解质,这是电池发展的重大转折。
以后,盖斯南将淀粉加入氯化铵中制成糊状电解质,从此,锌锰电池成了“干电池”。
1904年爱迪生用氢氧化钠(烧碱)溶液代替硫酸,用镍、铁代替铅,制成世界上第一台镍铁碱电池。
它的供电时间相当长,在当时可以算是“老寿星”了。
你知道吗?
锌锰干电池:
负极是锌做的圆筒正极是一根碳棒,周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。
原电池,干电池发电时反应如下:
负极:
Zn-2e-=Zn2+正极:
2NH4+MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O电池反应:
Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+MnO+H2O,使用过程中,负极锌筒逐渐消耗以致穿漏,正极处的MnO2的活性逐渐衰减,最后干电池不再供电而失效。
内部构造,外部构造,蓄电池,蓄电池又称二次电池,可以通过充电使活性物质再生。
蓄电池的两极均以铅板为骨架,正极铅板上是二氧化铅,负极铅板上是海绵状铅。
蓄电池放电时发生下列反应:
负极(Pb):
Pb+SO42-2e-=PbSO4正极(PbO2):
PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O电池充电时发生与上述反应相反的反应,电动自行车,锂电池自行车,锂电池,锂电池分为一次电池和二次电池两类,照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池,而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。
锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLIB)两类。
其中,液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。
正极采用锂化合物LiCoO2,LiNiO2或LiMn2O4,负极采用锂碳层间化合物LixC6。
充电时,在电场的驱动下锂离子从正极材料中脱出,经过电解质,插入到负极中。
放电时,过程正好相反,即锂离子返回正极中,电子则通过了用电的电子产品中并为之供电。
聚合物锂离子电池的原理与液态锂相同,主要区别是电解液与液态锂不同。
电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。
所谓的聚合物锂离子电池是说在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统。
而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中,高分子材料主要是被应用于正极及电解质。
正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物,电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质。
聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液,因此它更稳定,也不易因电池的过量充电、碰撞或其他损害、以及过量使用而造成危险情况。
丰田全新概念环保车,它的发动原理是以氢氧结合产生电力,排放物仅仅是水。
燃料电池,燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置,也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。
燃料电池的原理,燃料电池是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。
不同的是燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件。
氢氧燃料电池原理图,氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料(氢),向正极供给氧化剂(空气或氧气)。
氢在负极解离成H+和电子,H+进入电解液中,而电子则沿外部电路移向正极,用电的负载就接在外部电路中。
在正极上,氧与电解液中的氢离子获得经外电路抵达正极上的电子而形成水。
氢氧燃料电池原理,燃料电池的种类,燃料电池按照电解质类型分为五种,碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池(PAFC)熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC),燃料电池的优点,能力转换效率高(节省燃料资源),污染小,噪音低,高度可靠,氢电动车,锌银电池主要优点是比能量高,是铅蓄电池的34倍。
适宜于大电流放电的锌银电池应用于军事、航空、移动的通信设备、电子仪器、人造卫星和宇宙航行等方面。
制成钮扣式微型的锌银电池应用于电子手表、助听器、计算机和心脏起搏器等。
锌银电池,钮扣式锌银电池常见的钮扣电池为银锌电池,它用不锈钢制成一个由正极和负极盖组成的小圆盒,盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料,负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料,电解质溶液为浓KOH,溶液两边用羧甲级纤维素作隔膜,将电极与电解液分开。
一粒钮扣电池的电压达1.59V,安装在电子表里可使用两年之久。
负极:
Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正极:
Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-总反应:
Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag,笔记本电脑中的锂离子电池在一些情况下,可能会爆炸起火。
锂电池内有加压的容器,装着含有高度可燃性的液体,同时又含有强力的氧化剂。
2007年人们已发明了一种由银跟锌构成,不会爆炸的电池。
电池里面的材料-大部分是锌、锌离子与水-并不会起火,使用这类电池的笔记本电脑可以支撑十小时,比锂电池更长。
美国电池开发商ZPower近日在美国加利福尼亚州旧金山市举行的个人电脑开发商会议上展出面向笔记本电脑和手机的全新结构充电电池。
此次开发的是正极采用银、负极采用以锌为主的复合高分子材料的充电电池。
隔板也使用了自主开发的材料。
由于电解液没有使用有机类溶媒,所以ZPower表示,与锂离子充电电池相比,该电池起火的危险性很低。
单位体积的能量密度方面,目前的试制品为550Wh/L左右,与现有的锂离子充电电池相近。
该公司计划将这一能量密度提高到650Wh/L左右,并于2008年中期前后量产供货。
目前常用的太阳电池是由硅制成的,一般是在电子型单晶硅的小片上用扩散法渗进一薄层硼,以得到PN结,然后再加上电极。
当日光直射到渗了硼的薄层面上时,两极间就产生电动势。
这种电池可用作人造卫星上仪器的电源。
除硅外,砷化镓也是制作太阳电池的好材料。
太阳电池,P型半导体的形成,N型半导体的形成,PN结,纳米晶化学太阳能电池,阳极:
染料敏化半导体薄膜(TiO2膜)阴极:
镀铂的导电玻璃电解质:
I3-/I-染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态,激发态不稳定,电子快速注入到紧邻的TiO2导带,染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿,进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。
纳米晶TiO2太阳能电池的优点是成本低,工艺简单,性能稳定,寿命能达到20年以上。
染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作,
(1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨,
(2)用