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1、1绪论1、化学的定义与分支化学的定义一直颇有争议。定义大体分为五类:1.笼统式 2.具体式 3.微观式 4.扩张式 5.哲学式第1页/共93页2Fe+S=FeS（黑色）化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构、性能及其变化规律和变化过程中能量关系的学科.（教材）无机化学：无机物有机化学：碳氢化合物及衍生物分析化学：测量和表征物理化学：所有物质系统高分子化学：高分子化合物第2页/共93页3化学是研究从原子，分子片，分子，超分子，生物大分子，到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。（徐光宪）第一是原子层次的化学 第
2、二是分子片层次的化学 第三是分子层次的化学 第四是超分子层次的化学 第五是生物分子层次的化学 第六是宏观聚集态的化学 第七是介观聚集态的化学 第八是复杂分子体系的化学 第3页/共93页4 化学发展史 四次革命2、化学的发展和作用化学的发展和作用第4页/共93页5 波义耳16611661年发表了“怀疑派化学家”(The(The ScepticalChymist)ScepticalChymist)，指出:“化学不是为了炼金，也不是为了治病，它应当从炼金术和医学中分离出来，成为一门独立的科学”。波义耳极为崇尚实验，指出，“空谈毫无用途，一切来自实验”。他把严密的实验方法引入化学研究，使化学成为一门实
3、验科学。恩格斯的评价恩格斯的评价：“把化学确立为科学”被誉为“化学之父”（墓碑语）。第5页/共93页6 法国化学家拉瓦锡17831783年出版名著“关于燃素的回顾”，提出燃烧的氧化学说。拉瓦锡17891789年出版了“初等化学概论”，首次给元素下了一个科学和清晰的定义：“元素是用任何方法都不能再分解的简单物质”。以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近百年的“燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿”。第6页/共93页7 英国化学家道尔顿创立科学原子论(化学原子论)，揭示了各种化学定律、化学现象的内在联系，成为说明化学现象的统一
4、理论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。有人称为近代化学史上的第三次化学革命。18031803年，道尔顿提出了原子学说：元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同，原子的质量（而不是形状）是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量等于其组合原子质量的和。第7页/共93页8 19301930年，美国化学家鲍林（L.PaulingL.Pauling，19
5、01190119941994）和德国物理学家（1900190019761976）把量子力学处理氢分子的成果推广到多原子分子体系，建立了价键理论（VBTVBT）。阐明了共价键的方向性和饱和性，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的键和键这两种基本共价键类型。第8页/共93页9路甬祥:21世纪科学技术将在四个层面上展开1.研究物质结构极其运动规律2.生命科学3.地球及环境科学4.对人脑及认知的研究第9页/共93页10学习要求：了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计算 方法。了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系
6、。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。化 学计算与信息科学 物理学 数 学天文学 地质与环境科学工程科学生命科学 材料科学第10页/共93页11 化学是理论与应用并重的科学化学化学医药医药卫生卫生军事国防军事国防衣、食、住、衣、食、住、行行资源利用，资源利用，环境保护环境保护新能源新能源冶金冶金信息电子信息电子新材料新材料生物技术生物技术第11页/共93页12v 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一v 化学继续推动材料科学发展v 化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障v 化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用v 化学是生命科学的重要支
7、柱第12页/共93页133 学习的目的、内容和要求学习目的了解当代化学学科的概貌用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题学习内容理论化学：两条“主线”应用化学：化合物知识；化学在相关学科中的应用实验化学学习要求辨证的思维发展的眼光实践的方法第13页/共93页14教学内容课程内容结构体系 基础理论部分为重点讲授的内容，它由五部分组成：（1 1）化学反应基本规律：如热力学第一定律、第二定律、化学动力学、界面现象和胶体分散系统。（2 2）溶液与离子平衡：化学平衡、相平衡、离子平衡、氧 化还原反应平衡和配位平衡，以及建立在平衡基础上 的常规化学分析原理。（3 3）电化学与金属腐蚀：原电池、电极电势
8、、电解、金属 的腐蚀及防止。（4 4）物质结构基础：物质的聚集状态、原子结构、分子结 构和晶体结构、配合物结构。（5 5）应用部分。第14页/共93页15C3H3Clearhead(清醒的头脑）Cleverhands（灵巧的双手）Cleanhabit（清洁的习惯）第15页/共93页16第1章热化学与能源热化学与能源第1章第16页/共93页17目录1.1反应热的测量1.2反应热的理论计算1.3常见能源及其有效与清洁利用1.4清洁能源与可持续发展选读材料 核能.核燃料和核能的来源.核电的优势与发展趋势本章小结第17页/共93页18教学基本要求1.1.了解用弹式热量计测量等容热效应了解用弹式热量计测
9、量等容热效应(qvqv)的原的原 理，熟悉理，熟悉qvqv的实验计算法。的实验计算法。2.2.了解状态函数的意义。了解化学反应中的焓 变在一般条件下的意义。理解等压热效应(qpqp)与反应中的焓变的关系。了解qvqv与反应中的 内能变的关系。初步掌握化学反应的标准摩 尔焓变的近似计算。3.适当了解能源中的燃料燃烧反应的热效应。适当了解能源中的燃料燃烧反应的热效应。第18页/共93页19举例：2H2+O2=2H2O298.15K、1atm下放出热量是-483.6kJ/mol1、在通常情况下能否发生。2、如果不能，那么又需要在什么条件下才能发生。3、发生以后，反应能进行到什么程度，也就是说结果如何
10、。上述问题就属于化学热力学范畴。化学热力学就是研究在化学变化和物理变化中伴随发生的能量转化和传递的学科。第19页/共93页20化学反应的方向化学热力学化学反应的程度热化学：研究化学反应中热与其他能量变化的定量关系的学科。（热量变化问题的学科）测量化学反应的热效应本章主要两部分内容计算化学反应的热效应热效应：化学反应时放出或吸收的热量。第20页/共93页211.1 反应热的测量系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和空间。开放系统有物质和能量交换封闭系统只有能量交换几个基本概念1系统与环境图1.1 系统的分类隔离系统无物质和能量交换第21页/共93页22
11、应用相的概念需区分：*相与聚集态不同；2 2 相：相：系统可分为:单相（均 匀）系统；多相（不均匀）系统。系统中任何物理和化学性质完全相同的部分。*相数与物质种类数；*相与数量无关。第22页/共93页23a.a.相与相之间有明确的界面。b.在界面处，从宏观看，性质改变是突跃的。思考思考：1).101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少?2).CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数?3).Cu(s)+H2O+HNO3=CuNO3 +NO(g)相数？第23页/共93页243 状态与状态函数
12、状态函数用于表示系统性质的物理量X 称状态函数，如气体的压力p、体积V、温度T 等。状态就是系统一切性质的总和。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。第24页/共93页25状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。图1.2 状态函数的性质以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。系统压力从3p变为p第25页/共93页26广度性质和强度性质状态函数可分为两类：广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等。思考
13、思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？推论推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。第26页/共93页27状态函数有两个特征：a.系统的状态确定之后，每一状态函数都具有单一确定的值，而不会具有多个不等的值。例:系统状态确定后，温度只能具有单一确定的值。若测出某些易测的性质，就可以通过相互关联的数学式计算难测的。这就是引进状态函数方便之处（PV=nRT)。b.系统发生一个过程的前后，状态发生变化，状态函数的值也可能发生变化，其改变
14、的数值只取决于系统的初、终状态，而与变化时体系所经历的具体途径无关。状态函数有特征，状态一定值一定，殊途同归变化等，周而复始变化零。第27页/共93页284 过程与途径系统状态发生任何的变化称为过程；可逆过程体系经过某一过程，由状态变到状态之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。实现一个过程的具体步骤称途径。思考思考：过程与途径的区别。设想如果你要把20C的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。第28页/共93页295 化学计量数对于任意一化学反应：aA
15、+cC=dD+gG或写成：0=dD+gG-aA-cCACDG-化学式acdg-化学计量数。一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系，通式为：第29页/共93页30B 称为B 的化学计量数。符号规定：反应物：B为负；产物：B为正。附例附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：N2+3H2=2NH3解：解：用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH3第30页/共93页316 反应进度（extent of reaction)若反应前物质B的物质的量为nB(0),也是=0时B的物质的量，反应时间T后B的物质的量为nB（），也是=时的B的物质的量。这样，微分后得
16、定义式为：nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。=nB/B对任一反应，有：nA/-A=nC/-C=nD/D=nG/G=第31页/共93页32可以看出随反应进行nB增大或减少，也逐渐增大或减少，所以反应进度是表示反应进行程度的参数，由于是纯数，单位为摩尔。是不同于“物质的量”的另一种新的物理量，但具有相同的量纲。未反应时为零。反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。对于反映：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)若反应进行到反应进度=1mol时，按定义nN2/-1=nH2/-3=nNH3/2=1-0nN2=-1mol；nH2=-3mol；nNH3=2mol上述反
17、应=1mol时的含义为，该反应进行到这样的进度，消耗了1mol的N2，3mol的H2，生成了2mol的NH3。若反应为：1/2N2(g)+3/2H2(g)=NH3(g)，有：nN2/（-1/2）=nH2/（-3/2）=nNH3/1=1-0第32页/共93页33=1mol时的含义为，该反应进行到这样的进度，消耗了1/2mol的N2，NH33/2mol的H2，生成了1mol的NH3。显然的单位是对整个反应而言，n是对某一物质而言，与方程式写法有关。注意：反应进度与反应方程式是对应的。反应进度为1的反应也称为摩尔反应。引入反应进度的优点是在反应进行到任何时刻时，可用任一反应物或任一生成物来表示反应进
18、行的程度，所得的值总是相等的。第33页/共93页34 反应热的测量热化学规定：系统放热为负，系统吸热为正。摩尔反应热指当反应进度为1mol时系统放出或吸收的热量。思考思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热（定容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热是热化学的重要研究内容。第34页/共93页351 反应热的实验测量方法图1.3 弹式量热计1)测量装置及原理第35页/共93页36第36页/共93页372).2).测量方法与步骤：准确称量反应物(固态或液态）装入钢弹 内，通入氧气
19、，密封;将钢弹安放在一钢质容器中，向容器内加入 足够的已知质量的水，使钢弹淹没，钢弹与 环境绝热;精确测定系统的起始温度(T(T1 1););电火花引发反应，测量系统(包括钢弹及内 部物质、水和金属容器等)的终态温度(T(T2 2)。第37页/共93页38 3).3).计算：设有n mol物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(JK-1)，比热容为cs(JK-1kg-1)，则：第38页/共93页39 CC叫做量热计常数（calorimeterconstant）为弹液(如水)和热量计部件(如杯体，钢弹,温度计,搅拌棒和引燃丝等)热
20、容之和。q-q(H2O)+qb-C(H2O)T+Cb T-C T第39页/共93页40示例 例例1.1（P13）联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知：解解：燃烧0.5g联氨放热为第40页/共93页412 热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：标明反应温度、压力及反应物、生成物的状态；书写热化学方程式时应注意：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=10
21、0kPa下。第41页/共93页42 反应热与反应式的化学计量数有关；一般标注的是等压热效应qp。思考思考：qp与qv相同吗？。第42页/共93页431.2 反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？实验过程中无法控制生成产物完全是CO。因此，只能用理论方法来计算反应热。第43页/共93页44 热力学第一定律封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功w，则系统内能的增加U(U2U1)为：U=q+w热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。其中，内能现称为热力学能。第4
22、4页/共93页451 1 热力学能符号：U，单位：J J。U 是状态函数；无绝对数值。包括分子平动能、分子振动能、分子转动能、电子运动能、核能等即内能系统内部能量的总和。第45页/共93页46在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。符号：q ，单位：J J；q不是状态函数；系统吸热：q0；系统放热：q 02、热热力学中将能量交换形式分为热和功。第46页/共93页47 3 3、功系统与环境交换能量的另一种形式功 符号：W，单位：J J。W 不是状态函数；系统对环境作功:W 0。第47页/共93页48 在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。
23、由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功w体。所有其它的功统称为非体积功w。思考思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2)钢瓶中；将理想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？1)1)做体积功，2)2)未做体积功。w=w体+w 第48页/共93页49等外压过程中，体积功w体=p外(V2V1)=p外Vpp外=F/Alp外=F/A，l=V/A因此，体积功w体=F l =(p外 A)(V/A)=p外 V 图1.4 体积功示意图第49页/共93页50设有摩尔气体放入汽缸内，下面有恒温器，在恒温下进行。并设活塞无重量，与汽缸无摩擦。放上4个砝码表示4个大气压，用以调节外压。通过两个途径恒温膨
24、胀。甲：降为1个大气压，一次膨胀，乙3次。W甲=-P外V=-VW乙=-（3V1+2V2+V3）=-（V+2V1+V2）=-（W甲+2V1+V2）由此可见，系统始态和终态固定，一次膨胀所做的功小于三次。功与途径有关，若外压无限小，多次功（可逆）最大。第50页/共93页51热无序能；功有序能；能的品位不同。一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q，得功w，变到状态2,热力学能U2，则有：U1U2q 0w 0U=q+w4、热力学第一定律的数学表达式第51页/共93页521.2.2 化学反应的反应热与焓 通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做反应热。根据反应条件的不同，反应热又可
25、分为：定容反应热恒容过程，体积功w体=0，不做非体积功 w=0时，所以，w=w体+w=0，qV=U定压反应热恒压过程，不做非体积功时，w体=p(V2V1)，所以qp=U+p(V2V1)可以利用这两个公式计算反应热。第52页/共93页531 焓 qP=U+p(V2V1)=(U2-U1)+p(V2V1)=(U2+p2V2)(U1+p 1V1)公式qp=H 的意义：等压热效应即为焓的增量，所以可以通过H的计算求出qP的值。令H=U+pV则qp=H2H1=HH 称为焓，是一个重要的热力学函数。思考思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？是状态函数，但不能知道它的绝对数值。第53页/共93页542
26、定容反应热与定压反应热的关系已知定容反应热：qV=UV；定压反应热：qp=Up+p(V2 V1)等温过程，Up UV，则：qp qV=n2(g)RT n1(g)RT=n(g)RT对于理想气体反应，有：对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。HU=qpqV=p(V2 V1)思考思考：若反应 C(石墨)+O2(g)CO2(g)的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的qV,m 为多少？该反应的n(g)=0，qV=qp所以对于没有气态物质参与的反应或n(g)0的反应，qV qp对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV
27、 qp=（nG+nD-nA-nC）RT 第54页/共93页55因为=nB/B所以nB=B第55页/共93页563 盖斯定律 化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。始态C(石墨)+O2(g)终态CO2(g)中间态CO(g)+O2(g)即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。第56页/共93页57盖斯定律示例由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。附例附例1.3 已知反应和的反应焓，计算的反应焓，解：解：第57页/共93页58应用代数运算法时必须注意两点：、只有条件（如温度）相同的反应和聚集状态相同的同一物质，才能相加减。反应条件、聚集状态相同的同
28、一物质才能加减。、将方程式同乘或除一系数时，该反应热效应也应同乘或除一系数。方程式乘或除系数，反应热效应也应同乘或除。第58页/共93页59 反应标准摩尔焓变的计算1 热力学标准态：气体物质的标准态：标准压力p=100kPa）下表现出理想气体性质的纯气体状态溶液中溶质B的标准态是:标准压力p 下，质量摩尔浓度为b (1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液中溶质的状态;本书采用近似c =1.0 mol.dm-3)液体或固体的标准态是:标准压力p 下的纯液体或纯固体。第59页/共93页602 标准摩尔生成焓 水和离子的相对焓值：水和离子的相对焓值：规定以水合氢离子的标准摩尔生成焓为零。fHm
29、0（H+，298.15）=0思考思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?(1)(2)(3)标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作 指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。第60页/共93页613 标准摩尔焓变及测定测定原理：由于qp=H所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变.标准状态下,反应进度 =1mol1mol的焓变称为反应的标准摩尔焓变:记作第61页/共93页624 反应的标准摩尔焓变的计算稳定单质可从手册数
30、据计算298.15K时的标准摩尔反应焓.反应物标准状态生成物标准状态 rHm fHm(p)fHm(r)由盖斯定律，得：第62页/共93页63已知：fHm0（NH3，g,298.15）=-46.0kJ/molfHm0（NO，g,298.15）=90.4kJ/molfHm0（H2O，g,298.15）=-241.8kJ/mol4NH3(g)+5O2(g)Hm4NO(g)+6H2O(g)Hm1Hm22N2+6H2+5O2Hm1=5fHm(O2)+4fHm0（NH3）=4(-46.0)+50=-184.0kJ/molHm2=4fHm0(NO)+6fHm0（H20）=490.4+6(-241.8)=-1
31、089.2kJ/mol由盖斯定律：Hm1+Hm=Hm2Hm=Hm2-Hm1=4fHm(NO)+6fHm（H20）-5fHm(O2)+4fHm（NH3）=-1089.2-（-184.0）=-905.2kJ/mol第63页/共93页64标准摩尔反应焓变计算示例解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩尔生成焓分别为824.2和1675.7kJmol-1。例例试计算铝热剂点火反应的反应计量式为：第64页/共93页65例3：计算反应Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)的标准摩尔焓变。解：Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)f fH Hm m/k
32、J.mol/kJ.mol-1 -1 0 64.77 -153.89 00 64.77 -153.89 0 (-153.89)+0-0-64.77kJ.mol-1-218.66kJ.mol-1第65页/共93页66注意事项 物质的聚集状态，查表时仔细应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意 公式中化学计量数与反应方程式相符 数值与化学计量数的选配有关；温度的影响第66页/共93页67 复习：U=q+w U=q+w U=q U=qv v （定容，w w0 0）H=qH=qp p （定压，w w0)0)标准摩尔生成焓f fH Hm m 处于标准压力下的稳定单质生成标准压力下1mol1mo
33、l纯物质的反应焓叫做物质的标准摩尔生成焓。反应的标准摩尔焓变r rH Hm m 由标准摩尔生成焓计算反应的标准摩尔焓变公式为第67页/共93页681-3 能源及其有效与清洁利用 能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实践之一，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化，创造了五光十色的物质文明。现代社会的生产和生活离不开能源。能源既是工农业生产中必需的物质基础，也是人类赖以生存的物质条件之一。随着社会的发展，能源供需之间将会出现越来越尖锐的矛盾。因此，如何节约能源，研究和发展利用新能源，就引起了世界范围内极大的关注。
34、第68页/共93页691.3 常见能源及其有效与清洁利用能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。能源是我们赖以生存的重要物质基础。第69页/共93页70 世界能源的结构与能源危机1.1.能源的分类一次能源一次能源二次能源二次能源常规常规能源能源燃料能源燃料能源煤炭、石油、天然煤炭、石油、天然气、生物质能气、生物质能煤气、焦碳、成品燃煤气、焦碳、成品燃油、液化气、酒精油、液化气、酒精非燃料能源非燃料能源 水能水能电力、蒸汽、热水电力、蒸汽、热水新能源新能源燃料能源燃料能源核能核能人工沼气、氢能人工沼气、氢能非燃料能源非燃料能源太阳能、地热、风太阳
35、能、地热、风能、海洋能能、海洋能激光激光利用状况使用性质形成条件表1.2能源的分类第70页/共93页712 能量消耗前六名的国家美国中国俄罗斯日本德国印度51015202530能源结构比例(占世界%)国家煤炭石油天然气核能水电25.410.47.26.04.12.9图1.8 世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）第71页/共93页722 世界能源的结构和消耗195019601970198019902010102030405060能源结构比例(%)年代图1.7 世界消耗的一次能源结构煤炭石油天然气水电及其它第72页/共93页73第73页/共93页74煤炭与洁煤技术 煤炭的成分与热值煤炭的主
36、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29.3MJkg-1。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。煤炭的分类：第74页/共93页75思考思考：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之一，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。第75页/共93页76 石油和天然气 石油石油是多
37、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。思考思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。第76页/共93页771 石油燃料产品石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。思考思考：以上产品中最重要的是什么？汽油。95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为5572之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到7988，为了防止铅在汽缸中
38、沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。思考思考：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。第77页/共93页782 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 污染少第78页/共93页793 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
39、村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利用。思考思考：沼气和柴火是生物质能吗？第79页/共93页80光合作用是生命活动中的关键过程，植物光合作用的简单过程如下：植物水+二氧化碳-有机体+氧太阳能生物质能的现代利用：将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。发电第80页/共93页814 可燃冰未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。CH4xH2O(s)。形成条件：低温高压如0，76MPa。储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的
40、23倍。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。第81页/共93页82 煤气和液化气煤气煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品。液化气煤气的组成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ M-3思考思考：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）。第82页/共93页831.4 清洁能源与可持续发展思考思考：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)？矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇
41、宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。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。第83页/共93页84 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。图1.9 治理前的热电厂最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。第84页/共93页85 氢能氢能是一种理想的二次清洁能源。氢能的优点 热值高，其数值为142.9MJkg-1。燃烧反应速率快，功率高 原料是水，取之不尽 产物是水，不污
42、染环境思考思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用。第85页/共93页861 氢气的制取 太阳能光解 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 Cl2+H2+2NaOH电解思考思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？从经济上考虑是不可行的。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。第86页/共93页872 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
43、的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。LaNi5+3H2 LaNi5H6300kPa加热第87页/共93页88 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。思考思考：如何利用太阳能？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 太阳能电池第88页/共93页891 转换为热能思考思考：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
44、，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。第89页/共93页902 转换为电能思考思考：你能举出光能转换为电能的例子吗？光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。第90页/共93页913 转换为化学能植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。思考思考：你能举出一些将光能转换为化学能的例子吗？太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。思考思考：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地利用太阳能？第91页/共93页92本章小结v掌握热力学基本概念（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;v理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓变的近似计算；v了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战略。第92页/共93页93感谢您的观看。第93页/共93页