化学反应中的物质变化和能量变化

1化学反应中的物质变化和能量变化2一、化石燃料与新能源技术概评•这一方面内容将围绕教材中所要求的对使用化石燃料的利弊进行研讨及能源开发二项，对一些重要的能源，如化石燃料，太阳能、核能、氢能等从化学的角度进行介绍及概要评价，阐明各种能源技术在社会发展中所占的地位和适用范围，以及能源技术的发展趋势。3二、新能源技术•这一部分将就教材中提到的核能及最有希望的新能源如太阳能、燃料电池、氢能等进行简要介绍，阐述人类在新能源的研究、开发和利用等方面所取得的成果以及美好前景。4三、教材分析•这一部分将就教材中的离子反应本质、反应热、化合价与氧化数等问题谈一些个人理解。5一、化石燃料与新能源技术概评1.化石燃料概评（1）常规能源的主力军（2）资源有限（3）节能6◆我们眼中的煤炭1）作为主要燃料适合我国国情2）洁净煤——中国能源的新希望1.中国洁净煤技术包含四个领域：①煤炭加工领域：选煤、型煤、水煤浆；②电技术领域③煤炭转化领域④污染排放控制与废弃物处理领域72．新能源技术概评•评价的标准有四条：1.成本低廉；2.燃料取之不尽；3.能流密度大；4.生态合理。•下面我们以能流密度为切入点，对主要新能源技术加以概评。8下表是部分能源能流密度数据。•由此可见，太阳能、风能、海洋能等虽然都是永久性的能源，但它们的能流密度不大，即从能源技术角度，对它们的利用是困难的。能源类别风能（3m/s）水能（流速3m/s）波浪能（波高2m）潮汐能（潮差10m）太阳能能流密度[kw/m2]0.022030100晴天平均1.0昼夜平均0.169不同的能源技术有各自的长短点，相应也决定了其使用的范围。•本世纪，化石燃料仍是常规能源的主力军，水能及核能是重要的替代能源，而太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源将越来越成为重要的辅助能源。10二、新能源技术•新能源技术有许多，其中应优先发展的有太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能和燃料电池等。111．燃料电池•卡诺定理：=1-T1/T2•其中，代表热机的最大效率，T2和T1分别代表热机的最高和最低温度，即热机进气口（最热点）与出气口（最冷点）的温度。12任何一种能将热能变为机械能的机组，都得受卡诺定理的制约。•从公式中可以看出，如果能使热机出气口的排放物温度达到绝对零度，即T1=0，则全部热能就转变为功了。实际上这是不可能的。13原则上就不可能制造出使全部热能转变为功的热机。•这样就得出一个严酷无情的结论：原则上就不可能制造出使全部热能转变为功的热机。•该怎么办呢？只有尽可能提高温度T2，以提高卡诺公式中的效率。这回我们又得失望。因为在当代的热电站的汽轮机组里，水蒸汽的温度不超过600°C或873K，结果，理想效率为=（873-293）/873=0.6（60%）。14•而实际的效率要低得多。其原因是很难使燃料完全燃烧，也很难使灼热气体完全冷却，一部分能量消耗于摩擦和热的不可逆转变等等。结果是：现代最完善活塞式蒸汽机和内燃机实际效率不超过40%。而且这个数字将来也未必会有多大变化。15燃料电池和燃料燃烧的根本差异：•燃烧过程也是原子之间的电子交换过程，但电子交换是杂乱无章、毫无秩序地进行的。•而电流也是电子的运动，只不过是有规则的运动。那么，能否实现一种有组织、有秩序的燃烧以获得电流呢？16•这是氢气的通常燃烧的反应式：2H2+O2=2H2O(1)•下面把事情变一变，进行下述过程：2H2+4OH-4H2O+4e-(2)•为此，需要把三种物质，即气态氢、OH-离子源——电解液（碱的溶液）和被看作反应2中起电极作用的金属块结合在一起。17•为了让反应2能够持久进行，还需要有第二个电极，构成一个闭合回路。•我们往第二个电极供应氧气或空气，以便进行下述反应：4e-+O2+2H2O4OH-(3)18•显然，反应2、3之和为反应1。我们仿佛又回到了普通燃烧。由上述两电极构成的电池即是燃料电池。其好处是不仅可以在室温下进行（冷“燃烧”），而且还在于其燃烧效率很高，实际上没有损耗。燃料电池不受卡诺公式的限制，最大理论效率将为99.75%。19•燃料电池具有高效、洁净、功率密度高及模块化结构等突出的特点，这决定了它在固定发电系统、现场用电源、分布式电源、空间飞行器电源及交通工具用电源方面有广阔的应用前景。•燃料电池不足之处是：单位设备造价高；对燃料中的杂质非常敏感；可靠性和寿命尚待进一步考验；目前的规模和容量较小。202．太阳能•目前对太阳能的利用可分为太阳能的热利用和太阳能光电转换两方面。•太阳能的热利用：太阳能的热利用是将太阳的辐射能转换为热能而加以利用。21太阳灶、太阳能集热器①太阳灶：–太阳灶的种类很多，但大体上可分为两种类型。即闷晒式和聚光式。②太阳能集热器：A.普通民用热水器B.真空管式集热器22太阳能空调、太阳能蒸馏和与海水淡化、无污染热电厂③太阳能空调A.太阳能采暖——太阳房。B.太阳能致冷——不用电的冷冻机。C.太阳能干燥——清洁的食品加工厂。D.太阳能温室——农业生产工厂化。④太阳能蒸馏和与海水淡化⑤无污染热电厂23⑥太阳能储存•太阳能储存是克服太阳能不连续的一个重要问题，对于太阳能的开发利用十分关键。•目前，已有很多储存太阳能的方法，但是大容量、长时间、低成本的储存尚未实现。24（2）太阳光电转换①光电转换基本原理：•太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，在物理学上叫“光生伏打效应”。太阳电池就是根据这种效应制成的，所以也称光伏电池，是一种物理过程产生的电流。25②太阳电池：•最早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池。至今商业规模生产的太阳电池，仍为硅的系列。•目前硅太阳电池的光电转换效率为15%左右，而且用于制造太阳电池的专业硅原料成本也较高，这些限制了太阳电池的普及与应用。太阳光电转换26太阳能技术展望：①空间轨道上的太阳能电站•人类能源技术的明天是太阳能时代，或者更确切些，是宇宙能源技术时代。•假如人类永远被束缚在地球上，那么就很难解决全球性的能源问题和污染问题。27光合作用•通过对叶绿素合成和光合作用机理的研究，我们将有可能制造出廉价的“绿色光电池”，它在阳光的作用下，能产生电流并进行工作。•相信我们人类一定能实现这个美好的理想。因为我们已经掌握了人工合成叶绿素的方法，最近我国科学家在光合作用研究领域又取得重大突破。28293．核能•核能的来源：–研究发现，原子核由质子和中子组成，但其质量总是小于组成它的所有核子的质量之和。例如，根据各组成粒子的质量计算出一个42He原子质量为4.032982原子质量单位，但42He原子的实测质量是4.002604原子质量单位，所以有0.030378原子质量单位的质量亏损。30•之所以会发生质量损失，是由于原子较彼此分开的中子、质子和电子更稳定，原子处于较低的能级。•与质量亏损相当的能量叫做结合能，数值按当代最伟大的科学家爱因斯坦提出的质能方程E=mc2。31•通过计算得出，最稳定的核存在于原子序数为30~63的元素中。•当较重的元素裂变并生成较小的更稳定的核时，这些粒子的总质量将较小，质量必然要转化为能量。•当很轻的核（如H、He和Li）聚变成原子序数较高的元素时，也必然释放出巨大的能量。32（2）核能的利用•核能的利用：–通过慢中子轰击铀或钚使其发生裂变而释放出核能的核反应堆至少包括五个主要组成部分：•核燃料：–通常使用的是铀或钚，典型的核裂变反应如下：能量n3KrBanU109236141561023592能量n2SnMonU101315010342102359233减速剂•减速剂：–选择减速剂的条件是不吸收中子也不与中子发生核反应。–可以是重水、石墨、二氧化碳或轻水（即纯度很高的普通水），并以此定义该反应堆为重水堆、石墨堆或轻水堆等。34冷却剂•冷却剂：–用来将核裂变所释放出的能量转移转移到反应堆外的锅炉或涡轮机中，并将动能转变成电能。35控制系统•控制系统–控制系统是通过调节慢中子的数量来实现的。–如用金属镉或硼-10等元素制成控制棒，用以吸收中子以调节慢中子的数量。36保护系统•保护系统–一般包括三部分：•反应容器为厚的可吸收大量放射线的钢制容器；•厚1~3米的高密度混凝土外壳；•以及用以吸收射线和X射线的由轻质材料制成的操作人员防护罩。37（3）核能的优点•核能是地球上储量最丰富的能源，又是高度浓集的能源。•核电是清洁的能源，有利于保护环境。•核电的经济性优于火电。•以核燃料替代煤和石油，有利于资源的合理利用。38（4）核能与原子弹•反应堆的结构和特性与原子弹完全不同。•反应堆大都采用低浓度裂变物质作燃料，而且这些燃料都分散布置在反应堆内，在任何情况下，都不会像原子弹那样将燃料压紧在一起而发生核爆炸。•反应堆有各种安全控制手段，以实现受控的链式裂变反应。39（5）受控核聚变•聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，即进入物质第四态。•当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。•等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1022时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能持续进行。404．氢能（1）氢能的特点：A.所有元素中，氢重量最轻。B.所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。41C.氢是自然界存在最普遍的元素，在地球上，氢主要以化合物的形态贮存于水中。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。42D.除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。E.氢燃烧性能好，点燃快，燃点高，燃烧速度快。43F.氢本身无毒，与其他燃料相比，氢燃烧时最清洁，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。G.氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。44（2）常用工业制法*甲烷转化法：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)*水煤气法：C+H2O(g)CO(g)+H2(g)(g)H(g)COOHCO(g)222催化剂45常温电解法*常温电解法常温下电解水，负极有氢气放出。H2O(l)1/2O2(g)+H2(g)46（3）廉价的制氢技术*热化学循环分解水：•现以1980年美国化学家提出的热化学循环为例加以说明。该系统中包括下列反应：–2HI(g)H2(g)+I2(g)（425C）–SO2(g)+2H2O(l)+I2(g)2HI(aq)+H2SO4(aq)(90C)–H2SO4(aq)SO2(g)+1/2O2(g)+H2O(g)(825C)–净反应为：H2O(l)1/2O2(g)+H2(g)47•上述反应不消耗SO2，HI，它们可循环利用。•该系统反应速率快。•最高温度为825C，如果以核反应堆作为热源，达到这一温度是可行的。48生物分解制氢*生物分解制氢•科学家试图修改光合作用的过程，以使植物从水中释放出氢。•小规模的实验已经表明，在一定的条件下，植物确实产生了氢气。49从海水制氢*从海水制氢•利用太阳能来电解海水制氢是低成本制氢基本途径。•目前已有太阳能发电电解海水制氢的装置研究出来，但还有许多工程技术问题需要解决。50（4）氢气的贮存•近二十多年来发展起来的新技术是金属贮氢材料。•例如，镧镍合金能形成LaNi5H6氢化物。每立方米含有88kg氢。•吸氢反应只要在高于通常大气压强2~3倍的压强下就能可逆地进行。•从释放氢气的速率很快，加热至250°C就可以将氢全部排放出来。•理想的金属贮氢材料将有很大的实用价值。51三、教材分析•1．离子反应与离子反应的本质•作为离子反应有两个要件：–①必须是在水溶液里发生的；–②离子反应中发生反应的双方至少有一方能电离出离子。52离子反应方程式