结构与物性-Chapter_5

第五章能源与化学5.1能源和能源的利用一、能源和能源化学能源——提供能量的自然资源。如：石油、天然气、核能等。能源化学——和能源有关的化学内容。事实上，利用能源的各个环节都和化学密切相关。二、能源的利用和热力学函数能源的利用要受到热力学定律的制约。以下简单介绍热力学的有关内容。基本术语：体系：指选定的研究对象。环境：与体系直接联系的部分称为环境。（“直接联系”指的是物质和能量的交换）封闭体系：体系与环境之间，没有物质的交换，只有能量的交换。本质上，即能量守恒定律，“自然界的一切物质都具有能量。能量有各种不同的形式，能量从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变。”1.热力学第一定律（1）文字表述：热力学第一定律的文字表述：“第一类永动机是不可能实现的。”所谓第一类永动机，即指既不靠外界供给能量，本身也不减少能量。却能不断地对外工作。（2）数学表达对封闭体系,第一定律数学表达式:()UQWUQW∆=−∆=+或——体系内能（或热力学能）的改变量U∆Q——热量（简称热）。指由于温度不同而在体系与环境之间传递的能量。体系从环境中吸热，Q0（正值）体系放热给环境Q0（负值）W——功。体系发生变化过程中与环境交换能量的另一种形式。如果用则规定，体系对环境做功，W0,反之，W0.UQW∆=−如果，则规定，体系对环境做功，W0,反之，W0.UQW∆=+热力学中一般的功分为两大类：（1）体积功——在反抗外力作用下因体系体积变化而与环境交换的功。（2）非体积功——如电功，表面功。在用热力学讨论体系的性质时，还有一个常用的且非常重要的函数。称为焓（H）。（3）焓特别重要的是：在恒压的变化过程中，如果无非体积功，则体系传递的热量Qp与体系焓的变化量ΔH相等，即：ΔH=Qp定义：H=U+PV可见H的单位是与U相同的。()()pppHUPVQWPVQPVPVQ∆=∆+∆=−+∆=−∆+∆=由于在现实中的绝大多数的变化过程都是在恒压的条件下进行的。因此，在讨论其热量变化时，常常用讨论焓变来代替。这需要热力学第二定律来回答。为什么？以下讨论能源的问题：从热力学第一定律看，不应该出现能量的短缺问题。但在实际中能量的短缺是确实存在的。2.热力学第二定律211TWQTη==−卡诺定理：“所有工作于两个温度的热源之间的热机。以可逆热机的效率为最大。其效率η即：两热库间的温差越大，一定量的热量所能转换成的功就越大。按克氏说法，不同的温度下能量的品位不同。两热库间传递一定的热量，其可利用的程度取决于它们之间的温差。（1）文字表述(2)熵SdQdST=2211dQSSST∆=−=∫即：dS≥0有了熵这一状态函数后，热力学第二定律还有与熵有关的一个说法，(dQ：可逆过程传入体系的热量。T：温度）S是体系的状态函数熵的概念与能量的可利用程度密切相关。熵的另一特点是和混乱度有关。即：熵可以作为能量的不可用程度的量度。换言之，在一切实际过程中，能量的总值虽然保持不变（第一定律），但其可受利用的程度总是随熵的增加而降低。熵恒增=能贬值如：功（有序能量）可以全部无条件地转变为热（无序能量），而反之则不行。有序能量转化为无序能量后将造成做功本领的减少，甚至完全丧失，即能量的贬值。因此，从能量转化的角度看，第二定律反映了能量的有序和无序的差别。即：有序能量无序能量全部无条件（3）吉布斯自由能GG=H-TS由于通常的化学反应都是在等压条件下，而不是在孤立的条件下进行，所以用熵来讨论化学问题极不方便。因此引入了一个新的状态函数（与熵有关）来讨论化学问题。0自发进行，不可逆过程=0平衡状态，可逆过程0G∆≤将熵增加原理推论到吉布斯自由能，则有：“等温等压及无非体积功的功程中，封闭体系的自由能永不增加！5.2键能与反应热一切化学反应实际上都是原子或原子团的重新排列组合。反应的全过程就是旧键的拆散和新键的形成过程。由于拆散旧键和形成新键都有能量的变化。所以从本质上说这就是出现反应热效应的原因。如果能够知道联系分子中各原子之间的化学键能。根据反应过程中键的变化情况，就能算出反应热。以CH4为例：CH4(气）C（气）+4H（气）=1665.0kJ.mol-1H∆一、共价键键能指拆散气态化合物中某一类键生成气态原子时所需要的平均能量。C–H键的键能为1665.0/4=416kJ.mol-1二、由键能求反应热：化学反应热可以通过实验进行精确测定，也可以利用键能数据进行近似计算。如：CH4(g）+2O2（g）CO2(g)+2H2O(g）4C-H2O=O2C=O4H-O∆多数键能数据可以由手册中查到。H=-(2×C=O键能+4×O-H键能-4×C-H键能-2×C=O键能）=-812KJ5.3氢能源氢能源的特点:优点:1.绿色能源:H2+½O2H2O2.放热量大:1kgH2完全燃烧放热:1000/2x286=1.43x105kJ缺点:爆炸性.一.氢气的制备1.电解水2.利用太阳能分解水即:氢气燃烧放热量是煤的4.4倍.1kj纯煤完全燃烧放热:1000/12x396=3.28x104kJ•指能把氢气储存在其结构内部中的固体材料.二.储氢材料•最近研究表明,碳纳米管也是一种优异的储氢材料•利用金属或合金来储存氢气已得到很大发展.在金属或合金材料中存在有四面体和八面体的空隙,一般H以原子状态储藏于这些空隙中.LaNi5H6在室温下,0.3~0.4Mpa气压时,LaNi5能快速,可逆地存储和释放氢气.如:LaNi5,可储存3个H2:LaNi5+3H25.4石油和天然气石油是目前最重要的能源和原材料.石油-是远古海洋或湖泊中的动植物遗体在地下经漫长的复杂变化而形成的棕黑色粘稠的液体.元素组成:C,H.和少量的O,N和S天然气-主要由甲烷(CH4)和少量的C2H6、C3H8组成的混合天然气体.1.分馏分馏—将沸点不同的化合物经不同温度下的气化和冷凝而分离的方法.分馏过程一般通过分馏塔完成一.石油的炼制原油是多种化合物的混合物,他们的沸点高低不一.原油要经过多步炼制才能作为石油的油品使用.石油炼制包括:分馏,裂化,重整和精制.2.裂化裂化—将重油经催化裂解为小分子的汽油和烯烃的过程.3.重整重整—在催化剂的作用下,将直链烃的分子结构转化为带支链的烷烃和芳烃的过程.重整可以得到抗震性能更好的汽油和价值更高的化工原料.4.精制精制—出去轻油中的杂质(主要是N和S)并提高其抗震性的过程.二.催化反应和催化剂5.5煤炭一.煤的组成和结构1.组成:主要为C,及H,O,N,S煤—由古代植物残骸在地表堆积埋藏,受砂石粘土掩盖,受地热的作用,在缺氧的条件下,经过上亿年长时期的生物化学,物理化学和地球化学作用,发生转变而形成的固体可燃物.2.结构主要由环状芳烃及含N和S的杂环组成.环与环之间通过酯键或醚键交联在一起,形成三维网络型大分子,平均相对分子量以万计.1.煤的焦化即,煤干馏—把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热,使其分解为固体的焦炭和气态的焦炉气的过程.焦炭主要用于冶金工业.二.煤的利用2.煤的气化将煤或焦炭在空气和水的作用下转化为气态可燃物质,并留下煤灰和炉渣的过程.焦炉气经水洗后可得:气体部分:H2,CO,CO2,CH4,C2H4,N2,O2等.含NH3,H2S的水溶液液体的煤焦油等.将煤变为液态燃料的过程。一般有两种途径:3.煤的液化(2)间接液化:先气化,再合成.(1)直接液化:将煤加热裂解,然后在催化剂的作用下加氢,使其形成多种碳氢化合物的燃料油.