第1章 化学与能源

第一章化学与能源生活中的化学目录能源概述1.1化石燃料1.2核能1.3化学电源1.4节能和新能源的开发1.5生活中的化学研究高效洁净的转化技术和控制低品位燃料的化学反应开发和利用新能源化学在能源开发和利用中扮演着重要的角色。生活中的化学1.1能源概述能源：可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。人类生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力，也是社会经济发展水平的重要标志。生活中的化学1.1.1能源的分类生活中的化学绿色能源利用现代技术开发干净、无污染的新能源；化害为利，将发展能源同改善环境紧密结合。生活中的化学1.1.2能量的转化能源和能量既有联系又有区别。能源的使用其实就是能量形式的转化过程。煤燃烧灯泡发光电解器电解生活中的化学热力学第一定律数学表达式：△U=Q+W能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量既不会消失也不会增加。△U—体系内能的变化Q—体系从外界吸收的热量W—外界对体系所做的功生活中的化学1.1.3能源利用史火的发现18世纪中叶第二次世界大战之后化石能源的枯竭柴草时期石油时期煤炭时期新能源时期生活中的化学1.1.4世界能源消费概况表1-1世界能源消费量和构成在消费中所占比例/%年份煤炭石油天然气水电、核电、风电19501960197019801990199619971998200120042005200760.949.533.530.827.326.927.026.224.727.227.828.627.233.344.044.238.639.639.940.038.536.836.435.610.115.120.121.521.723.523.223.823.723.723.523.81.82.12.43.512.410.09.910.013.112.312.312.0生活中的化学1.1.5中国能源消费概况表1-2中国的能源消费和构成在消费中所占比例/%年份煤炭石油天然气水电、核电、风电19551960197019801985199019952000200120022003200420052006200793.093.780.972.275.876.274.667.866.766.368.468.069.169.470.44.94.114.720.717.116.617.523.222.923.422.222.321.020.419.7—0.50.93.12.22.11.82.42.62.62.62.62.83.03.32.11.53.54.04.95.16.16.77.97.76.87.17.17.26.6生活中的化学我国能源资源的特点总量多,人均少能源分布很不均衡以煤为主的能源结构面临严峻挑战能源利用率低，单位产值能耗高能源消费结构不合理，工业消耗占较大比重农村商业能源短缺生活中的化学1.2化石燃料世界各国所需的燃料几乎全部来自化石燃料，即煤、石油和天然气。表1-3化石燃料所含的能量燃料化学方程式释放出的热能煤天然气*石油**C+O2→CO2CH4+2O2→CO2+2H2O2C8H18+25O2→16CO2+18H2O393.3千焦/摩，32.6千焦/克燃料882.8千焦/摩，55.2千焦/克燃料5451.8千焦/摩，47.7千焦/克燃料*甲烷(CH4)是天然气中主要成分(含量高达97％)**辛烷(C8H18)只是石油中存在的多种碳氢化合物之一。生活中的化学1.2.1煤分布不均匀，绝大部分都埋藏在北纬30°以上地区。我国的煤炭储量排名世界第二。煤炭作为化石燃料是非再生能源，按现在的开采速度估计，煤只能用几百年。生活中的化学2008-2009年中国煤炭价格走势中国煤炭工业协会于2009年1月14日发布《2008年全国煤炭工业统计快报》。2008年，煤炭价格经历了一场“过山车”式的行情。2009年上半年，受供需影响，我国煤炭价格基本保持在2008年末的水平。生活中的化学1.煤的形成由古植物经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用转变而成的固体有机可燃矿产。表1-4煤的主要类型及其含碳量煤的主要类型含碳量/%无烟煤烟煤褐煤泥煤85~9570~8550~7050生活中的化学煤的形成生活中的化学煤田形成具备的条件繁茂的植物以及植物死亡后大量残骸的堆积。气候温暖潮湿以及为植物的繁茂生长创造的有利条件。适宜的植物残骸堆积地形。地壳运动使植物残骸积聚，并逐渐被泥沙等沉积物覆盖，发生一系列生物化学和地球化学作用。生活中的化学有机质无机矿物质水分除水分以外的所有无机质的总称2.煤的化学组成外在水分内在水分由原始植物质演变而来生活中的化学煤的化学组成硫碳氢氧氮磷砷氯煤中的有机质生活中的化学煤的化学组成由于各种煤的碳、氢、氧、氮和硫等主要的比例不同，导致煤的组成结构不同。煤的化学组成虽然各有差别，目前公认的平均组成可用C135H96O9NS代表，此外也还有微量的其他非金属和金属元素。表1-5煤的主要化学组成及其含量元素CHONS含量/%85.05.07.60.71.7生活中的化学煤的化学组成•许多研究者报道过不同的煤的化学结构模型，但还不能揭示出煤的实质结构。•煤是一种混合物，没有单一的分子结构，相对分子质量为300～1000。煤的经典结构模型生活中的化学煤的化学组成煤的现代结构模型生活中的化学3.煤的综合利用煤的气化煤的焦化煤的液化一是，使煤转化为清洁的能源二是，提取分离煤中所含宝贵的化工原料生活中的化学（1）煤的气化煤在氧气不足的情况下进行不完全氧化，并通过不同的气体介质(如空气、水蒸气、氧气或其他气体)将煤中有机质转化为含一氧化碳、氢、甲烷等可燃气体的过程。目的制取清洁的气体燃料制取化工合成用的气体原料生活中的化学主要化学反应过程甲烷化反应水煤气反应氧化燃烧反应还原反应（发生炉煤气反应）生活中的化学（2）煤的焦化也叫煤的干馏,是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。高温（1000～1100℃）中温（700～900℃）低温（500～600℃）生活中的化学煤的干馏产物生活中的化学（3）煤的液化将煤炭转换成可替代石油的液体燃料和用于合成的化工原料。煤具有战略意义的另一种转换。生活中的化学直接液化法间接液化法2007在较高温度（大于400℃）和较高压力（大于10MPa）的条件下，通过溶剂和催化剂对煤进行加氢裂解而直接获得液化油。煤的液化使煤气化得到CO和H2等气体小分子，然后在一定的温度、压力和催化剂的作用下合成各种烷烃(CnH2n+2)、烯烃(CnH2n)和乙醇(C2H5OH)、乙醛(CH3CHO)等液态燃料。生活中的化学1.2.2石油和天然气春晓油田工业的血液黑色的黄金生活中的化学世界两大产油带世界两大产油带，一个是长科迪勒地带，北起阿拉斯加和加拿大，经美国西海岸到南美委内瑞拉、阿根廷；另一个叫特提斯地带，从地中海经中东到印度尼西亚。生活中的化学石油输出国组织（OPEC）目前，OPEC共有12个成员国，旨在通过消除有害的、不必要的价格波动，确保国际石油市场上石油价格的稳定，保证各成员在任何情况下都能获得稳定的石油收入，并为石油消费国提供足够、经济、长期的石油供应。生活中的化学2008–2009年国际石油价格走势2008年，国际油价经历了过山车般的大起大落，以7月4日为分水岭，呈现出明显的倒“V”字走势。生活中的化学1.石油和天然气的成因无机生成学说有机生成学说生活中的化学人们已发现和利用的天然气生物成因气油型气无机成因气水合物气煤成气深海水合物圈闭气常规天然气生活中的化学2.石油和天然气的组成石油的主要成分是烃类有机物。•天然石油（原油）•人造石油从油田（油矿）中开采出来的从油页岩或煤炭经干馏或合成的方法提炼出来的生活中的化学2.石油和天然气的组成天然气的主要成分是甲烷(CH4)，也有少量乙烷(C2H6)和丙烷(C3H8)等低碳烷烃以及二氧化碳、氢气、硫化物等非烃类物质。•干气或贫气•湿气甲烷含量高C2以上烷烃含量较高生活中的化学3.石油的炼制在进行炼制以前需要对原油进行预处理，将油气分开，沉降泥沙，并采用电法或化学法脱盐、脱水，然后将其运送到炼化厂，加工成为人们需要的能源产品。。主要工艺过程包含原油分馏、催化裂化、催化重整和加氢等。生活中的化学在加热时，沸点低的烃类先气化，经过冷凝先分离出来，借此可以把沸点不同的化合物进行分离，这种方法叫分馏。属于物理变化，所得产品叫馏分。(1)分馏生活中的化学图1-1石油分馏示意图生活中的化学表1-6石油分馏的产品和用途分馏产品分子所含碳原子数馏程用途石油气C1~C4-164~-11℃化工原料溶剂油C5~C630～180℃在油脂、橡胶、油漆生产中作溶剂汽油C5~C1130~205℃飞机、汽车以及各种汽油机燃料煤油C11~C16180～310℃拖拉机用燃料、工业洗涤剂柴油C15~C18200～350℃重型汽车、军舰、轮船、坦克、拖拉机、各种高速柴油机燃料润滑油C16~C20润滑、密封、冷却、防锈凡士林液态烃和固态烃的混合物防锈、润滑、补裂等石蜡C20~C30化工原料、蜡质、车蜡等沥青C30~C40沥青纤维、铺路、炼焦、防腐、涂料重油石油焦主要成分是碳350℃以上作增碳剂、电极生活中的化学石油化工的重要原料──乙烯乙烯以O2为催化剂在150℃、20MPa条件可制得高压聚乙烯，日常生活中用的食品袋、食品匣、奶瓶等就是用这种材料成型的。若用TiCl4做催化剂在100℃、常压下，则可制得强度较高的低压聚乙烯，它可制造脸盆、水桶等器皿。在KMnO4催化下可加水成为乙二醇，是制造涤纶的原料之一。众多乙烯产品广泛用于工农业、交通、军事等领域。现代石油化学工业的一个龙头产品，是一个国家综合国力的标志之一。生活中的化学当烧菜进行到一半突然断气时，可以将液化气罐摇一摇，或者在罐子外浇一点热水，甚至在气罐上敷上一块热毛巾，火会立刻大起来。城市居民用石油液化气的主要成分就是丁烷，另外还含有在液化时带进的一定量的戊烷(C5H12)和己烷(C6H14)，它们的沸点分别是36℃和69℃。用户在室温下打开阀门时，这些杂质沸点较高，在室温下不能气化，而以液态沉积于钢瓶中。所以，加温实际上使戊烷和己烷气化，它们同样是可燃气体，可使燃烧时间延长。生活中的化学汽油发动机在汽缸中燃烧时抵抗爆炸的能力，可用辛烷值度量。提高辛烷值的两种方法在汽油中加入添加剂通过石油馏分的化学转化来改变汽油的烃类组成抗爆性生活中的化学汽油牌号的根据——辛烷值评定柴油抗爆性的指标──十六烷值柴油牌号的根据──凝固点生活中的化学（2）裂化将重油等大分子烃类分裂成汽油、柴油等小分子烃类的一种炼制方法。热裂化催化裂化加氢裂化生活中的化学在加热、氢压和催化剂存在的条件下，将汽油馏分中的烃类分子结构进行重新排列成新的分子结构，使原油蒸馏所得的轻汽油馏分转变成富含芳烃的高辛烷值汽油（重整汽油），并副产液化石油气和氢气的过程。（3）催化重整生活中的化学用催化剂在一定温度和压力下使H2和这些杂环有机物起反应生成NH3或H2S而分离，留在油品中的只是碳氢化合物。提高油品质量的过程。（4）加氢精制生活中的化学•一次加工•二次加工•三次加工原油预处理、常压蒸馏和减压蒸馏裂化、催化重整和加氢精制等石油烃烷基化、烯烃叠合、石油烃异构化等化学变化物理变化催化剂生活中的化学1.2.3可燃冰自然界发现的可燃冰多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。天然气水合物笼形包合物生活中的化学以甲烷为主的可燃气体，是由甲烷和水形成的水合物。分子式：M·nH2O（M—甲烷等气体，n—水分子数。）1.2.3可燃冰生活中的化学充足的烃类气体来源适当的温压条件地质构造环境最主要地质条件1.可燃冰的形成生活中的化学通过降低压力引起天然气水合物稳定的相平衡曲线移动，促使水合物分解；不需要昂贵的连续激发，可能成为今后大规模开采可燃冰的有效方法之一，但单用此法速度较慢。能促使温度上升达到水合物分