第二章-化学与能源PPT资料.ppt
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是不随人类的使用而减少的能源。
太阳能、生物质能、地热能、风能、潮汐能等；
4、非再生能源：
是随人类的使用而逐渐减少的能源。
能源的分类,5、能体能源，指既能储存也可直接运输的燃料。
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、天然气等化石能源；
2、过程性能源，指能够提供能量的物质运动形式，如水能、风能和太阳能等。
不能保存也很难直接储存运输。
3、新能源，指虽已开发并有少量使用，但技术上还不成熟，使用也不普遍，却具有潜在应用价值的能源，如太阳能电池、氢能、原子能等。
2-2煤coal,煤是最主要的固体燃料，是由千百万年前的远古植物遗体在地表湖沼或海湾环境中，经过复杂的地质和生物化学的变化逐渐生成的。
根据煤化程度的不同，分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四类。
煤的主要化学成分：
85C、5H、7.6O、0.7N、1.2S。
折算原子比，推出分子式：
C135H96O9NS,标准煤的燃烧热值:
1cal=4.187J1.泥煤:
60%C;
3106cal/2.褐煤:
6075%C;
6.5106cal/3.烟煤:
7590%C;
7.5106cal/4.无烟煤:
90%C;
8106cal/C（g）+O2（g）=CO2（g）Q=-7.8106cal/2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）Q=-2.9107cal/无烟煤的含氢量为14%,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，2015年产量达到了39亿吨，按现在的开采速度不到200年我国的煤炭资源就会枯竭。
煤炭的主要用途是作为供暖、发电、炼焦和冶金的燃料，其次是用于提取焦油煤化工。
100以上200以上350以上400450450550550以上900以上,蒸发自由水放出化合水及SO2、NH3、CO2,无煤气放出，只剩下焦炭,固体成为焦炭，此时只放出煤气,继续分解和出现固体残留物,大多数焦油被释放,开始分解，释放出煤气和焦油，烟煤软化,主要的产品有三种：
焦炭、煤焦油、焦炉气,2.2.1煤的干馏（焦化）,焦化厂,炼焦炉,分馏设备,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燃气。
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,1.碳+空气CO2+N2放热（煤气发生炉升温）,煤气可作为城市管道化清洁燃料，主要化学成分:
40%H215%CO15%CH430%CO2注:
煤矿矿井下的瓦斯主要成分是甲烷和煤的粉尘。
清洁能源：
便于运输、燃烧充分，无废渣和烟尘排放，但有无色有害排放物的能源。
煤炭的气化就是获得清洁能源的方法之一,2.H2O+CH2+CO（吸热）（水煤气）3.CO+H2CH4+H2O（放热）（合成气）,煤+空气+H2O（蒸汽）N2+H2+CO2+CH4,2.2.3煤气中毒,炉温较低或供氧不足时，主要产生的是CO。
CO有优先250倍的速度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。
为了使泄漏能提前得到预警，加入极微量的具有恶臭气味的乙硫醇或四氢噻吩报警。
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,石油是由千百万年前沉积在海底或湖泊中的动植物的有机体遗骸在地下深处，长期处在高温、高压和缺氧条件下，经过漫长而复杂的生化反应生成的。
是一种黑色或暗棕色的油状液体又称原油.主要化学成分：
75%以上是各种烃类化合物的混合烃。
还有含少量N、S、O元素的非烃化合物及含金属元素的化合物。
石油虽可以直接作为燃料使用，但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分离出各种的燃料油、润滑油和多种有机化工的基础原料产品等。
同时也提升了石油的经济价值！
2.3.1石油的炼制方法：
1.常减压分馏法2.催化裂化法3.催化重整法4.加氢除S、N法,石油的开采,大型炼油厂,炼油厂分溜设备,各类油品的沸点范围、大致组成及用途,石油裂解炉全图,2.3.2以石油为原料可获得的基础化工产品,现代石油化工可以直接从炼油中提提取分离出用于合成塑料、橡胶、纤维等的乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘等（八种）最基础的有机化工产品。
2.3.3液化石油气（LPGliquetiedpetroleumgas）,来自石化和炼油厂，产生的末端副产品；
在常温常压下，是（主要成分：
丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等）小于C5烷烃气体混合物，在一定的压力下为液体充入钢瓶。
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。
2.5.汽油汽油是由石油提炼出来的一种优质燃料，它是由含510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70140，沸程60200。
它适用于气化器式的内燃发动机即汽油发动机，所以主要用于飞机、汽车、摩托车和快速舰艇。
2.5.1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。
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震。
爆震会使燃料燃烧不完全、排黑烟、污染环境，严重者还会引起机械损坏。
所以，抗爆性是汽油的一种重要性质，通常用辛烷值来衡量。
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。
2.3.5汽油的抗爆性指标-辛烷值,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、加入适量的助剂，助燃剂：
甲基（乙基）叔丁基醚。
3、汽油辛烷值的计算方法:
汽油牌号=（辛烷值-10）/0.890#的辛烷值为82；
93#的辛烷值为85。
2.3.6.煤油煤油也由石油提炼出来的一种燃料油，它是由含1016个碳原子的烷烃、环烷烃、芳香烃和不饱和烃组成的混合物沸程180200。
它1.适用点灯照明、生活用煤油炉；
灯用煤油2.使用于洗涤机械零件；
3.作为橡胶、农药、油墨的溶剂或稀释剂；
4.用于喷气式飞机的燃料油。
所以，航空煤油又叫喷气燃料。
2.3.7.柴油柴柴油也是从石油中提炼出来的一种燃料油，它是由含16-20个碳原子的烷烃、环烷烃、芳香烃和不饱和烃组成的混合物沸程280350。
柴油适用于压燃式发动机（柴油机）的燃料。
柴油发动机的热效率比汽油发动机高，燃料比消耗低，比较经济。
柴油分为轻柴油和重柴油，轻柴油主要用于载重汽车、大型轿车、拖拉机和农用机械、内燃机车和一些小型船舶的燃料，重质柴油用于大型远洋船舶的低速内燃机。
我国轻柴油主要有10、0、-10、-20、-35、-50号六个牌号，重柴油主要有10、20、30号三个牌号。
柴油的牌号与该油品凝固点的温度基本一致。
正十六烷值是评定柴油发火性的指标（定为100）如十六烷值为45的轻柴油发火性与含45%的正十六烷的标准燃料相等。
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（LNGliquetiednaturalgas）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m3，2016年我国共用了2050亿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。
设计年输送300亿m3的二期工程（湖北、湖南、广州、深圳、香港）已完工。
三期（广东、江西、福建）正在建设中；
总投资4200亿元。
“西气东输”一期工程简介,新疆塔里木气田，规划中的“西气东输”，线路全长约4200公里，投资规模1400多亿元，是目前我国距离最长、口径最大的输气管道。
该管道直径1016毫米，设计压力为10兆帕，年设计输量120亿立方米；
全线采用自动化控制，供气范围覆盖中原、华东、长江三角洲地区。
西起新疆塔里木轮南油气田，向东经过库尔勒、吐鲁番、鄯善、哈密、柳园、酒泉、张掖、武威、兰州、定西、西安、洛阳、信阳、合肥、南京、常州等大中城市，终点为上海。
东西横贯,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似像冰雪或固体酒精透明无色的物质。
遇火即可燃烧。
在标准状况下：
1m3可燃冰可释放出164m3的天然气，折合117kg其分子结构就像一个一个的小”笼子”里面关着一个甲烷分子。
”笼子”是由若干个水分子通过氢键而构成。
，,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23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。
“可燃冰”被视为21世纪的新型绿色能源。
科学家估计，全球海洋底部可燃冰分布的范围约4千万平方公里，储量可供人类使用约1000年。
已经查明的储量相当于目前陆上石油、天然气资源量总数的三分之一。
我国南海海底存储着丰富的可燃冰资源，,2.4.4页岩气资源,页岩气，是从页岩层中开采出来的一种非常重要的非常规天然气资源。
页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。
页岩气的化学成分主要是甲烷，另外还有一定量的乙烷、丙烷和丁烷。
较常规天然气相比，含硫量较低。
因此页岩气除了作燃料用以外，还是重要的有机化工原料。
利用现代技术已在我国重庆涪陵、陕西省榆林地区开采成功，目前以打井320余口。
页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点。
缺点是：
钻井深度要在2000米以上，钻杆材料和工艺要求比较特殊，开采难度比开采天然气大。
经初步评价，中国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25.08万亿立方米（不含青藏地区）。
寿命长和生产周期长的优点，2020年页岩气产量可达300亿立方米官方数据表明，我国的页岩气资源至少不低于美国。
2011年4月，美国能源信息署（EIA）发布报告称，全球页岩气可采储量为188万亿立方米，其中美国为24.35万亿立方英尺，中国则高达36万亿立方米，为全球第一。
页岩剖面图,年开采50亿m3重庆涪陵页岩气示意图,国际能源署（IEA）标准,油当量:
吨油当量TonOilEquivalent（TOE）一吨标准原油燃烧后所产生的热量值。
国际能源署（IEA）规定能源的换算均以油当量值作为参考值来换算其它能源的使用量。
：
1吨油当量10000107kcal4.2106kJ1吨煤当量7106kcal3107kJ经换算:
1吨标准原油相当于1.43吨标准煤。
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：
1.是用动、植物油的制取。
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；
2.我国河北、海南栽培着几种经济树种，叫“柴油树麻风树”其树枝和果实均可榨出一种组分类似柴油的液体，不需提炼就可作柴油使用。
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；
建造坑口火力发电厂、煤气发生站和煤化工厂,省去运输和环境保护的费用。
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（热、电）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（乳化剂和分散剂）,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，燃烧充分、污染小，有良好的应用前景。
乳化油：
是指能使油、粉末状固体物质和水充分混合变为一种乳状液的添加剂。
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,太阳能氢能核能绿色能源概念,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。
太阳每年辐射到地球表面的能量为51019kJ，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：
太阳能直接转换成电能，如光伏太阳能电池；
太阳能集热器直接转换成热能，如太阳能热水器；
太阳能直接转换成生物化学能，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。
2-6.1太阳能,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21011t，含能量达31018kJ。
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：
指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象称为光伏效应。
它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；
其次，是形成电压过程。
有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。
依据此原理已制成的半导体材料有：
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、计算器等。
用太阳能电池可作飞机、小汽车、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。
、，,，,，,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，广泛用于北方冬季蔬菜大棚的保温。
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。
，,用太阳能调温的水立方和拉萨火车站,水立方,氢气作为燃料能源具有明显的特点：
资源极为丰富；
氢是宇宙中最丰富的元素，据估计氢构成了宇宙质量的75%，存储量大，但地球上的氢主要以化合物水的形式存在，而水是地球上最广泛的物质。
2.能量大，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料中最高的，为142351kJ/kg，是汽油的三倍，被称作高能燃料；
3.绿色清洁，唯一的燃烧产物是水，常作为宇航员的饮用水；
4.可循环和再生。
2.6.3氢能,目前的制取方法有：
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。
应用：
目前做为燃料主要用在航天方面:
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。
某些精密分析仪器的繎焼气等。
化工方面:
合成氨、有机物加氢还原等。
汽车应用方面:
成效更显著；
燃料电池。
氢虽然燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围（3%97%），爆炸极限为3%，用钢瓶储存和运输危险性高，再加上目前的科技水平，制取成本还太高，因此还不能作为民用燃料。
氢的贮存和运输：
1.金属氢化物贮氢（氢化钠、氢化钙），2.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），3.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）。
2.6.4潮汐能,由日月对地球的引力所引起的海洋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1315m，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，建筑水坝，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，通过专用发电机进行发电。
只有每月能出现大潮能量集中的海湾才适合于建造潮汐电站，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,，,，,涨潮时蓄水落潮时发电潮汐发电机,核能（原子能）是核反应时释放出来的能量。
在核反应过程中，不仅元素发生了变化，而且还涉及到核内质子、中子、电子或其它基本粒子，伴随着巨大的能量变化。
2.6.5核能,从原子核得到能量有两种方法：
优点：
1、能量巨大，而且非常集中。
2、运输量小，地区适应性强。
3、资源丰富。
4、核燃料可以增殖循环使用。
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；
原子弹爆炸二是聚变；
即将质量较轻的核聚合成较重的核；
氢弹爆炸,核素的增殖反应：
92U238+0n192U239+92U23993Np239+-1e093Np23994Pu239+-1e0铀235和钚239一样，均可进行裂变反应,一、核裂变和核裂变能的利用首先发现的是235U的裂变,核裂变的过程,235U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24个中子射出，这些生成的中子又可再去轰击别的235U核诱发新的核裂变并产生更多的中子。
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。
核电站工作原理热堆的概念,第一个中子生成：
9Be+4He12C+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。
90Sr+143Xe+31n235U+1n142Ba+91Kr+31n137Fe+97Zr+21n（放出的能量叫裂变能；
）以其中一种裂变式为例：
92U235+1n56Ba142+36Kr91+31n各核素的摩尔质量分别为（235.049、1.00867、141.9092、90.9056）g.mol-1计算发生裂变反应的质量亏损：
m=（141.909290.905631.00867235.0491.00867）=0.21189g.mol-1,计算出1g铀裂变产生的热量,E=mc2E=0.2118g.mol-1（2.9979108m.s-1）2=1.90351013kg.m2.s-2.mol-1=1.90351013kJ.mol-11克235U按上式裂变可放出的能量为：
E=1.90351013kJ.mol-11.000g/235.439g.mol-1）=8.1107kJ.mol-11铀裂变产生的热量为8.11010kJ1标准
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