2第二章化学与能源

一能源的分类一次能源：在自然界中可直接取得不必改变其基本形态的能源，如煤炭、天然气、水能等。二次能源：由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品，如电力、焦炭、汽油、柴油、煤气等。常规能源：即传统能源，已经大规模生产和广泛利用的能源，如煤炭、石油、天然气、核能等一次性非再生的常规能源，而水电属于再生能源，只要河水不干涸，发电不会停止，而煤炭、石油、天然气经千百万年形成，短期内不会再生，因而为非再生能源。新能源：以新技术为基础，系统开发的能源，最引人注目的是太阳能的利用。二碳的化学目前全世界使用的能源90%取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，碳(C)是它们的主要组成元素，已知化合物的种类超过1000万种，含碳的化合物约占90%，含碳化合物（CO、CO2、NaCO3）为无机物，绝大多数为有机化合物，它们难溶于水、熔点低、容易燃烧。三煤炭及其综合利用1世界的煤炭资源分布不均匀，对大多数埋藏在北纬30°以上，储量前苏联最多，美国第二，我国第三（最南端的曾母暗沙北纬4度、最北端的漠河53度）。2煤的形成煤是古代植物遗骸埋藏在地下，经过漫长的时间，处于空气不足的条件下逐渐形成的，历时万万年或者是千万年，短时间内无法重演，所以煤是不可再生能源。形成过程：植物残骸堆积、深埋、脱水，形成泥煤，继续失水，形成褐煤、之后形成烟煤、无烟煤。3煤的能量来自于太阳能植物光合作用吸收太阳能，储存了能量，煤化过程释放能量，但在空气不足条件下，碳不能完全变成CO2，而以碳原子的形式固定下来。4煤的化学组成可用C135H96O9NS表示。5煤燃烧的污染问题煤在我国能源消费结构中占据首位，其大部分是直接燃烧掉了，热效率利用不高且有环境污染。直接烧煤形成的CO2是全球温室效应的罪魁，而SO2和NOX是造成酸雨的祸首。因此，煤炭的综合利用具有很大的经济价值和实际意义。6煤的合理利用方法a煤的气化—以煤为原料，以氧气、水蒸气作为气化剂，在氧气不足、高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体，煤的气化涉及到10个基本反应，化肥厂合成氨，需要H2，可利用④、⑥，供居民使用可利用⑦，④不安全。可根据不同的目的，调节煤、空气、水的比例，b煤的焦化(干馏）---将煤置于隔绝空气的封闭炼焦炉内加热，煤分解成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。焦炭---主要用于炼铁，还可用于制造电石、电极。煤焦油---黑色油状液体，含苯、酚、萘、蒽等重要化工原料。焦炉气---含H2、CO、CO2、CH4、C2H4、NH3、H2S等。C煤的液化（人造石油）---原理：煤、石油都含C、H、O，但煤的分子量是石油的十倍，所以，煤加热裂解，由大变小，得到燃料油，仍在试验阶段。•综上所述，煤是能源，也是重要的化工原料，我国是世界上最大的耗煤国家，但70%的煤都是直接烧掉，浪费资源，也污染环境，积极开展煤的综合利用十分必要四石油和天然气石油为工农业、运输业、国防提供了重要燃料和其他化工产品，石油产品数以千计，与人们的生活息息相关，因此称为“工业的血液”。石油常跟天然气共存。如果你控制了石油，你就控制了所有国家；如果你控制了粮食，你就控制了所有的人；如果你控制了货币，你就控制了整个世界。——基辛格（当代美国著名外交家、国际问题专家，1973年诺贝尔和平奖获得者。）•1石油主要的含油带集中在北纬20°--48°之间，中东地区已探明的石油储量占世界的60%以上。•2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。3石油的重要性石油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往同石油资源有关，现代生活中的衣食住行直接或间接地都与石油有关。OPEC—沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特等13个国家成立了“石油输出国组织欧佩克（OPEC)”。石油危机4石油的组成元素天然气的主要成分是甲烷（CH4),还有少量的乙烷和丙烷，它和石油伴生，一般每吨石油大概伴有1000立方米的天然气。天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物为CO2和H2O，都是无毒物质，且管道输送也很方便。5石油的炼制未经处理的石油称为原油，必须经过多步炼制才能使用。主要有分馏、裂化、重整、精制等。汽油性能的表征——辛烷值汽油质量用辛烷值表示，因为汽油燃烧时有爆炸性，会降低汽油的使用效率，其中以C7-C8为主，抗震性能最好的是异辛烷，将其辛烷值定标为100，抗震性最差性为正庚烷，定其辛烷值为0。93号汽油，辛烷值为93，表示它的抗震性能与93%异辛烷7%正庚烷的混合物相当（并非一定含93%异辛烷）辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度提高汽油辛烷值的方法：1.提高异辛烷的含量（铂铼重整）--直链烃变成带支链的烷烃异构体；2.加少量的四乙基铅[Pb(C2H5)2]—1升汽油中加入1ml，辛烷值可提高10-12。尾气中的微量含铅混合物已成公害，高度的潜在致癌性。大气中的铅含量很高，其中97％来自于汽车尾气的排放，目前市场上主要无铅汽油。无铅汽油与无铅抗爆剂目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、甲基叔丁基醚[MTBE，CH3O(CH3)3]、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰（MMT）、醇类等，其中以MTBE用量最大。被誉为汽车“绿色食品”的无铅汽油，一般是加入了甲基叔丁基醚作为高辛烷值组分。MTBE在汽油中浓度高达15％，因此有学者认它是汽油的一种基本组分。这种组分可以改善汽油的蒸发性能，可提高汽油燃烧效率、增加辛烷值、减少尾气中一些有害物质的排放，对汽车的启动加速以及减少发动机活塞磨损和耗油量。无论是国内还是国外，MTBE的使用量都相当大。据报道，美国年产量近2000万吨，我国年产量也达30多万吨。MTBE的燃烧产物为二氧化碳和水，与其他成分相比安全性较高。无铅汽油不等于无害汽油无铅汽油中只含有来源于原油的微量的铅，一般每升汽油为百分之一克生活常识：为什么液化气罐在用完后再摇一摇或浇一点热水又可以使用？通常家用液化石油气罐的主要成分是C3或C4的烃类化合物，其在常压下是气态，经过加压变成液体装入罐内，使用时只要打开阀门C3和C4会立即气化喷出，点燃即可。当C3和C4跑出完后，火慢慢变小。此时将液化气罐摇一摇或在罐外浇一点热水，火立刻会大起来。这是因为我们使用的液化气还含油C5，其在常温下是液体，摇一摇或加温可以帮助C5气化，C5数量不多，但是在烧菜进行到一般时突然断气，试试这个方法可以让你摆脱尴尬的局面。但是绝对不可以用明火直接加热液化气罐，这样非常危险。6天然气的成分其主要成分是甲烷7天然气的优点是世界公认的优质高效能源，可谓“天生丽质”，其有许多优点：不需要复杂加工即可直接使用；燃烧比石油、煤炭清洁，基本不污染环境；热值高。问题3：推广使用天然气为什么是城市燃气的发展方向？•管道煤气是一种清洁燃料，然而这是相对于住宅、居室环境而言的，从城市大环境看，没有改善城市大气的污染程度。原因很简单，制造煤气要燃煤，使用煤气没有降低城市的煤炭消耗量。原来一家一户煤球炉的废气仅仅变成由数家煤气厂排放而已。•液化气是发热量高的优质清洁燃料，但液化气使用不便，且要消耗宝贵的石油资源。•天然气则是一种既有管道煤气的方便，又有液化气无毒、发热量高的优点的燃料，所以，推广使用天然气的是城市燃气产业的发展方向。资源连接：西气东输我国西部地区的塔里木、柴达木、陕甘宁和四川盆地蕴藏着26万亿立方米的天然气资源，约占全国陆上天然气资源的87%。西气东输线路全长约4200公里，投资规模１４００多亿元，东西横贯新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南(洛阳、信阳）、安徽、江苏、上海等9个省区，它西起塔里木盆地的轮南，起点是塔北油田，东至上海，西气东输提升了天然气在整个资源消费中所占的比例，改写了我国能源消费结构，有效治理大气污染。这一项目的实施，为西部大开发、将西部地区的资源优势变为经济优势创造了条件，对推动和加快新疆及西部地区的经济发展具有重大的战略意义•家庭用气体燃料•管道煤气，有煤加工制得，可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占48%～50%，10%～15%和13%～18%•液化气，石油炼制产物，又叫液化石油气，主要成分中C3、C4的烃是沸点较低的成分丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。•天然气直接产自油气田，主要成分是甲烷，还有少量的其他气态烃，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。三种气体燃料的热值大体为以下数值：•沼气，有机物质通过微生物发酵产生的一种可燃气体，主要成分是甲烷(CH4)。•从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：•石油：1万亿桶；天然气：120万亿立方米；煤炭：1万亿吨按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨，估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨，到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。五核能-魔鬼与天使核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变，生成两个的原子核，同时又产生几个中子，同时释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。链式反应中子铀-235核分裂逃逸铀-235是自然界存在的易于发生裂变的唯一核素，一个中子轰击铀－235原子核时，其能分裂成两个较轻的原子核，同时产生2到3个中子和射线，并放出能量。新产生的中子又打中另一个铀－235原子核，引起新的裂变。在链式反应中，能量会源源不断地释放出来。•连续核裂变释放出巨大的核能，若人工控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生的能量加热水蒸气，推动发电机，这是建设核电站的基本原理；若让裂变释放的能量不断积累，最后则可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这是制造原子弹的原理。•核电是一种清洁的能源，但有两个问题令人担忧：一是安全运行；二是核废料的处理。•国际上最严重的核泄露事件：切尔诺贝利核电站•日本地震核泄漏核能的开发，安全必须先行切尔诺贝利核电站抢险人员纪念碑核裂变能的利用带来的问题1、放射性废料的危害核废料是指含有α、β和γ辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。在衰变过程中，辐射的主要产物有α，β和γ射线，而X射线是另一种由原子核外层电子引起的辐射。研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过X光照射，她们生下的孩子与母亲不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。2、放射性核废料的处理如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料的处理，国际上通常采用海洋和陆地两种方法处理核废料。一般是再将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底，或深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中。美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等一些国家因幅员辽阔，荒原广袤，一般采用陆地深埋法。六太阳能-能源之母太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。•地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出