普通化學 第1章 熱化學與能源

1、1,教學目標：了解定容熱效應(qv)的測量原理。熟悉qv的實驗計算方法。了解狀態函數、反應進度、標準狀態的概念和熱化學定律。理解等壓熱效應與反應焓變的關系、等容熱效應與熱力學能變的關系。掌握標準摩爾反應焓變的近似計算。了解能源的概況、燃料的熱值和可持續發展戰略。,Lecture 1,2,重點:(1)熱化學基本概念：狀態函數，可逆過程，化學計量數，反應進度，反應熱和焓。(2) 定容熱效應的測量原理和方法。(3)熱力學

2、第一定律和蓋斯定律及其應用。(4)定壓熱效應(qp)與反應焓變的關系、定容熱效應(qv)與熱力學能變的關系。(5)化學反應的標準摩爾焓變的計算。,3,難點:(1)狀態函數的性質。(2)qp與反應焓變的關系、qV與熱力學能變的關系。,4,化學反應發生時，伴隨有能量的變化，通常多以熱的形式放出或吸收。燃料燃燒所產生的熱量和化學反應中所發生的能量轉換和利用都是能源的重要課題。熱化學？ 研究化學反應中熱與其它能量變化的定量

3、關系的學科。,,,1.1 反應熱的測量,5,系統：作為研究對象的那一部分物質和空間。環境：系統之外，與系統密切聯系的其它物質和 空間。,開放系統有物質和能量交換,封閉系統只有能量交換,1.1.1 幾個基本概念,1. 系統與環境,圖1.1 系統的分類,隔離系統無物質和能量交換,6,注意以下幾點:,(1) 系統與環境之間的關系主要是物質和能量交換。系統的邊界有多種多樣。 可以是實際的，也可以是假想的。如剛性

4、壁，活動壁，絕熱壁，透熱壁，半透壁。(3) 不同系統有不同的環境，常用熱源這一概念描述。,7,2. 相(phase),系統中任何物理和化學性質完全相同的、均勻部分稱為相。根據相的概念，系統可分為：,單相（均勻）系統多相（不均勻）系統,相與相之間有明確的界面。,,,8,氣體物質及其混合物：單相。 液體物質： 如相互溶解，則形成一個相（如酒精與水）；如互不相溶，混合時，則形成有明顯界面分開的兩個液相（如四氯化碳和水）。 固態物質

5、： 較為復雜，它有晶態和非晶態之分，晶態中又有多種結構，分屬不同的相。,9,思考： (1) 101.325kPa，273.15K(0℃)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同時共存時系統中的相數為多少？ (2) CaCO3(s)分解為CaO (s)和CO2(g)并達到平衡的系統中的相數為多少？,答案: (1)在此條件下，存在3相（氣、液、固各一相)。 (2)3相（氣體1相，固體2相）。,10,3. 狀

6、態與狀態函數(state and state function),狀態是系統一切性質的總和。有平衡態和非平衡態之分。,如系統的宏觀性質都處于定值，則系統為平衡態。狀態變化時，系統的宏觀性質也必然發生部分或全部變化。,11,狀態函數的性質,狀態函數是狀態的單值函數。當系統的狀態發生變化時，狀態函數的變化量只與系統的始、終態有關，而與變化的實際途徑無關。,圖1.2 狀態函數的性質,以下例子說明：當系統由始態變到終態時，系統的狀態函數壓力

7、p和體積V的變化量與途徑無關。,12,狀態函數的三個特點： ① 狀 態一定，其值一定； ② 殊途同歸，值變相等 ； ③ 周而復始，值變為零。,13,廣度性質和強度性質,狀態函數可分為兩類：,廣度性質：具有加和性，如體積、質量等。,強度性質：不具有加和性，如溫度、壓力等。,思考：力和面積是什么性質的物理量？它們的商即壓強(熱力學中稱為壓力)是強度性質的物理量。由此可以得出什么結論？,推論：摩爾體積(體積除以

8、物質的量)是什么性質的物理量？,答：力和面積都是廣度性質的物理量。結論是兩個廣度性質的物理量的商是一個強度性質的物理量。,14,4. 過程與途徑,系統狀態發生任何的變化稱為過程。,實現一個過程的具體步驟稱途徑。,思考：過程與途徑的區別。,設想如果你要把20 ℃的水燒開，要完成“水燒開”這個過程，你可以有多種具體的“途徑”：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒開再降至常壓。,15,5. 化學計量數,一般用化學反應計量方程表示化學反

9、應中質量守恒關系， 通式為：,?B 稱為B 的化學計量數。符號規定：反應物： ?B為負；產物：?B為正。,例：應用化學反應通式形式表示下列合成氨的化學反應計量方程式： N2 + 3H2 ＝2NH3,解：用化學反應通式表示為： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3,16,對于同一個化學反應，化學計量數與化學

10、反應方程式的寫法有關。 例： N2(g) + 3H2(g)＝2NH3(g) v(N2)＝-1， v(H2)＝-3， v(NH3)＝2 1/2N2(g) + 3/2H2(g)＝NH3(g) v(N2)＝-1/2， v(H2)＝-3/2， v(NH3)＝1,17,6. 反應進度,反應進度ξ 的定義：,ξ的單位是摩爾(mol)，它與化學計量數的選配有關

11、。,nB 為物質B的物質的量，d nB表示微小的變化量。,思考：反應進度與化學反應方程式的書寫有關嗎？,答：有關。如對于反應 N2 + 3H2 = 2NH3 ，當有1mol NH3生成時，反應進度為0.5mol。,則反應進度為1 mol。,若將反應寫成,18,反應進度ξ的值為正值。反應進度只與化學反應方程式的寫法有關，而與選擇系統中何種物質來表達無關。 換句話說，引入反應進度這個量的最大優點是在反應進行到任意時刻時

12、，可用任一反應物或產物來表示反應進行的程度，所得的值總是相等的。,19,例：      N2(g)＋3H2 (g) ＝2NH3 (g)  反應前物質的量n1/mol 10 30 0 反應某時刻物質的量n2/mol

13、 8 24 4 ξ＝[n2(N2)－n1(N2)]/v(N2)＝(8－10) mol/(－1)＝2 mol或 ξ＝[n2(H2)－n1(H2)]/v(H2)＝(24－30) mol/(－3)＝2 mol或ξ＝[n2(NH3)－n1(NH3)]/v(NH3)＝(4－0) mol/2＝2 mol,20,對于同一反應，反應式寫法不同，vB就不同，因而ξ值不同

14、。例：      1/2N2 (g)＋3/2H2 (g) ＝NH3 (g)  反應前物質的量n1/mol 10 30 0 反應某時刻物質的量n2/mol 8 24

15、 4 ξ＝[n2(N2)－n1(N2)]/v(N2)＝(8－10) mol/(－1/2)＝4 mol當涉及到反應進度時，必須指明化學反應方程式。當ξ＝1 mol時，表示進行了1 mol化學反應，或簡稱摩爾反應。,21,1.1.2 反應熱的測量,反應熱: 化學反應過程中系統放出或吸收的熱量。熱化學規定：系統放熱為負，系統吸熱為正。,摩爾反應熱: 當反應進度為1 mol時系統放出或吸收的熱量

16、。,(等容)反應熱可在彈式量熱計中精確地測量。測量反應熱是熱化學的重要研究內容。,圖1.3 彈式量熱計,Lecture 2,22,1. 反應熱的實驗測量方法,設有n mol物質完全反應，所放出的熱量使彈式量熱計與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計與恒溫水浴的熱容為Cs(J·K-1)， 比熱容為cs(J·K-1kg-1 )，則：,由于完全反應，ξ = n因此摩爾反應熱：,q為一定量反應物在給定條件下的反應熱

17、效應； cs表示溶液的比熱容； ms為溶液的質量； Cs為溶液的熱容， Cs＝ cs·ms 對于反應熱q，負號表示放熱，正號表示吸熱。,23,思考：反應熱有定容反應熱和定壓反應熱之分。前者的反應條件是恒容，后者的反應條件是恒壓。用彈式量熱計測量的反應熱是定容反應熱還是定壓反應熱？,答：定容反應熱,24,彈式量熱計所吸收的熱分為兩個部分： (1) 加入的水所吸收的熱； q(H2O)=c(H2O)

18、83;m(H2O)· △T ＝C(H2O)·△T,圖1.3 彈式量熱計,(2) 鋼彈及內部物質和金屬容器(簡稱鋼彈組件)等所吸收的熱。 qb＝Cb· △T,25,,反應所放出的熱等于水所吸收的熱和鋼彈組件所吸收的熱之和： q＝ -｛q(H2O)+ qb} ＝-｛C(H2O)·△T ＋Cb· △T｝

19、 ＝-ΣC · △T,26,例： 聯氨燃燒反應：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：,解：燃燒0.500g聯氨放熱為,27,2. 熱化學方程式,表示化學反應與熱效應關系的方程式。其標準寫法是：先寫出反應方程，再寫出相應反應熱，兩者之間用分號或逗號隔開。例如：,N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；,2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；,若不注明T, p, 皆指

20、在T=298.15 K，p=100kPa下。,28,反應熱與反應式的化學計量數有關；,一般標注的是等壓熱效應qp 。,思考：qp與qv相同嗎？,答案：不相同。,書寫熱化學方程式時應注意：,標明反應溫度、壓力及反應物、生成物的量和狀態；,29,1.2 反應熱的理論計算,并不是所有的反應熱都可以實驗測定。例如反應：,2C(s) + O2(g) = 2CO(g),思考：為什么上述反應的反應熱無法實驗測定？,答案：實驗過程中無法控制生成產物完全

21、是CO。,只能用理論方法來計算該反應的反應熱。,30,1.2.1 熱力學第一定律,封閉系統，不做非體積功時，若系統從環境吸收熱q，從環境得功w，則系統熱力學能的增加ΔU (U2 – U1)為：,ΔU = q + w,熱力學第一定律：實質是能量守恒定律在熱力學中的的應用?！暗谝活愑绖訖C不可能制成”是熱力學第一定律的另一種表述。,其中，熱力學能從前稱為內能。,31,1. 熱力學能(U),系統內部運動能量的總和。內部運動包括分子的平動、轉動

22、、振動以及電子運動和核運動。,思考：同樣的物質，在相同的溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行的飛機上，后者靜止在地面上，兩者的內能相同嗎？,答：相同。,內能的特征： 狀態函數； 無絕對數值； 廣度性質。,由于分子內部運動的相互作用十分復雜，因此目前尚無法測定內能的絕對數值。,32,2. 熱(q),在物理或化學變化的過程中，系統與環境存在溫度差而交換的能量稱為熱。,熱量q不是狀態函數,33,3. 功與體積功,功

23、：在物理或化學變化的過程中，系統與環境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。,功的符號規定： （注意功符號的規定尚不統一） 系統得功為正；系統作功為負。,體積功：由于系統體積發生變化而與環境所交換的功稱為體積功w體。所有其它的功統稱為非體積功w ′。,功w不是狀態函數。,思考：1mol理想氣體，密閉在 1)氣球中，2) 鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20ºC時，是否做了體積功？,答：1)做體積功；2)未做體積功。,w =

24、 w體+ w ′,34,熱是由于系統間的溫差，功則是因系統間的力差而引起的能量傳遞。熱和功有兩點是相同的：(1)熱和功都是能量；(2)熱和功都不是系統的狀態函數。功是有序能，而熱是無序能。因此，功能夠完全轉化為熱，而熱卻不能完全轉換為功。功分為體積功和非體積功。無論是壓縮還是膨脹，體積功都為： －p△V ＝－p(V2 — V1),熱與功的比較：,35,1. 2. 2 化學反應的反應熱與焓

25、,通常把反應物和生成物具有相同溫度時，系統吸收或放出的熱量叫做反應熱。,根據反應條件的不同，反應熱又可分為兩種：,定容反應熱恒容過程：體積功w體 = 0，不做非體積功（ w ′=0 ）時， w= w體+ w ′=0 ， qV = ΔU,定壓反應熱恒壓過程：不做非體積功時， w體= – p(V2–V1)， qp = ΔU + p(V2–V1),3

26、6,1. 焓,qP =△U + p(V2 – V1) = (U2 - U1)+ p(V2 – V1) = (U2 + p 2V2) – (U1 + p 1V1),,令 H = U + p V則 qp =H2 – H1=ΔH,H 稱為焓，是一個重要的熱力學函數?！鱄 叫焓變。,思考：焓是狀態函數嗎？能否知道它的絕對數值？,答： H是U和p、V的一種組合形式，因

27、此也是系統的狀態函數，但不能知道它的絕對數值。,37,公式qp =ΔH 的意義： 1）等壓熱效應即為焓的增量，故qP也只決定于始終態，而與途徑無關。 2）可以通過ΔH的計算,求出化學反應的qP值。,38,2. 定容反應熱與定壓反應熱的關系,已知定容反應熱：qV = ΔU；定壓反應熱：qp = ΔUp + p(V2 – V1)等溫過程， ΔUp? ΔUV,對于有凝聚相參與的理想氣體反應，由于凝聚相相對氣相來說，體積可以

28、忽略，因此在上式中，只需考慮氣體的物質的量。,則： ΔH – ΔU = qp – qV = p(V2 – V1),39,思考：若反應 C(石墨) + O2(g) →CO2(g) 的qp,m為–393.5kJ·mol –1，則該反應的qV,m 為多少？,答：該反應的Δn(g) = 0， qV = qp,小結：1)對于沒有氣態物質參與的反應或Δn(g) = 0的反應，qV ? qp2)對于有氣態物質參與的反應，且Δn(g)

29、?0時，qV ? qp,40,因為 pV ＝ nRT 若任一氣體的物質的量變化為△n(Bg)， 則,例： aA(g) + bB(g)＝gG(g) + dD(g),化學反應的摩爾熱力學能變△rUm和摩爾焓變△rHm的基本單位均為kJ·mol-1,41,例： 在100℃和101.325 kPa下，由1mol H2O(l) 汽化變成1 mol H2O(g)。在汽化過程中△H 和 △U 是否相等？ 若△H 等于40.63k

30、J·mol-1，則△U為多少？解： H2O(l) ＝H2O(g) (1) 水汽化，有體積功。 所以 △H ≠ △U (2) △U＝ △H－ △ν·RT ＝40.63－(1－0)×(8.314/1000) ×(273.15+100) ＝40.63－3.10＝37.53kJ·

31、;mol-1,42,在通常情況下，反應或過程的體積功的絕對值小于5 kJ·mol-1。 若△H數值較大，則 △H ≈△U,43,3. 蓋斯定律(Hess’s Law）,問題的提出： 1) 測得的熱效應常是qv，而不是qp； 2)有些反應熱效應，難以直接用實驗測定。,44,1840年，G. H. Hess總結出的反應熱總值一定定律。蓋斯定律： 化學反應的恒壓或恒容反應熱只與物質的始態或終態有關而與變化的

32、途徑無關。,始態C(石墨) + O2(g),終態CO2(g),,中間態CO(g) + ½ O2(g),,,即熱化學方程式可像代數式那樣進行加減運算。,45,蓋斯定律的應用：,蓋斯定律適用于恒壓或恒容條件。應用蓋斯定律，可以計算一些很難直接用或尚未用實驗方法測定的反應熱。,46,蓋斯定律示例：,,由蓋斯定律知：若化學反應可以加和，則其反應熱也可以加和。,解：,47,化學熱力學中規定： 標準壓力：p?＝100kP

33、a。 標準濃度：m ? ＝1.0mol.kg-1)； c?＝1mol·dm-3。 “?”表示“標準”，可讀作“標準”。,1.2.3 反應標準摩爾焓變的計算,1. 熱力學標準狀態,Lecture 3,48,氣體物質的標準態：在標準壓力p ? 下表現出理想氣體性質的純氣體狀態。,溶液中溶質B的標準態: 在標準壓力 p ? 下，質量摩爾濃度為m ? (1.0mol.kg-1),并表現出無限稀溶液中溶質的狀態;

34、 近似采用c ? =1.0 mol.dm-3。,液體或固體的標準態: 在標準壓力 p ? 下的純液體或純固體。,49,標準條件：標準壓力及標準濃度。標準狀態：某物質在標準條件下的狀態。標準摩爾生成焓： 在標準狀態時，由指定的單質生成單位物質的量的純物質時反應的焓變叫做該物質的標準摩爾生成焓 ，記作△fHm?。 規定：任何指定的單質的標準摩爾生成焓為零。 (實際上是指定單質的相對焓值為零)“指定單質”： 一般為最

35、穩定的單質，如H2(g), N2(g), Cl2(g), Br2(l), C(石墨)，S(正交)，Na(s)等。但是磷較為特殊，指定為P(白磷)，而不是熱力學上更穩定的紅磷。,2. 標準摩爾生成焓,50,298.15K時的數據可以從教材的附錄3（或其它手冊）中查到。符號： △fHm?(298.15K)， 習慣簡寫為 ：△fH?(298.15K)生成焓的負值越大，表示該物質的鍵能越大，對熱越穩定。H2(g) + ½ O

36、2(g) ＝ H2O(l) △fH?(298.15K)＝－285.8kJ·mol-1 △fH?(H2O, l ,298.15K)＝－285.8kJ·mol-1,51,水合離子的相對焓值： 水合氫離子：H3O+ H+(aq) 規定： 水合氫離子的標準摩爾生成焓為零。 △fH

37、?(H+, aq, 298.15K)＝0,52,答： （2）不是,53,3. 反應的標準摩爾焓變的計算,在標準條件下反應的摩爾焓變叫做反應的標準摩爾焓變。以△rHm?表示，簡寫為△H?,54,aA(l) + bB(aq) = gG(s) + dD(g)△H?(298.15K)＝g△fH?(G,s,298.15K) ＋d △fH ?(D,g,298.15K) － a△fH?(A,l,298.15K) － b △fH?(B,aq

38、,298.15K),注意： △H? 的數值與反應方程式的寫法有關。,55,△H?(298.15K)＝－1117.1 kJ·mol-1,表明：在298.15K和標準條件下，按上述化學反應方程式進行1mol反應：,放出1117.1 kJ的熱量。,56,,反應式兩側同乘 3/4,△H?(298.15K)＝－1117.1 ×(3/4) ＝－837.8 kJ·mol-

39、1,57,表明在298.15K和標準條件下，1mol 反應：,放出837.8 kJ的熱量。,58,,反應式兩側同乘 3/2,△H?(298.15K)＝－1117.1 ×(3/2) ＝－1675.7 kJ·mol-1,59,表明在298.15K和標準條件下，1mol反應：,放出1675.7 kJ 的熱量。,因此，在寫△H?(298.15K)的數值時，應指明與之相應的反應

40、方程式。,60,溫度對△rH ?的值有影響，但一般變化不大。 例： SO2(g) + ½ O2(g) ＝ SO3(g) △ H?(298.15K)＝－98.9 kJ·mol-1 △ H?(873.15K)＝－96.9 kJ·mol-1,在近似估算中，可把△H?(298.15K)作為其它溫度T時的△H?(T)，即 △H?(T

41、)≈ △H?(298.15K),61,注意事項：,查表時要注意物質的聚集狀態；,公式中化學計量數與反應方程式相符；,數值與化學計量數的選配有關；,△f H?(298.15K)的數值有正、有負；,反應的焓變基本不隨溫度而變。,62,思考：正反應與逆反應的反應熱的數值相等，符號相反。對嗎？,答：對。這 也是熱化學定律的重要內容。,63,例： 設反應物和生成物均處于標準狀態，計算1mol乙炔完全燃燒放出的能量。,解：從手冊查得298.15K時

42、，各物質的標準摩爾生成焓如下。,標準摩爾反應焓變計算示例,64,解： Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+ Cu(s) △fH?(298.15K) /(kJ·mol-1) 0 64.77 -153.89 0△H?(298.15K) ＝△fH?(Zn2+ ,aq,298.15K) ＋ △fH?(C

43、u,s,298.15K) － △fH?(Zn,s,298.15K) － △fH?(Cu2+ ,aq,298.15K) ＝ (－153.89) + 0－0 － 64.77 ＝－218.66 kJ·mol-1,例：計算反應：Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+ Cu(s) 的標準焓變△H?(298.15K) ,并簡單說明其意義。,意義： 該氧化還原反應能放出相當大的能量，在電池反應中這部分

44、能量與反應的電功之間存在著一定的轉換關系。,65,1.3 常見能源及其有效與清潔利用,能源是自然界中為人類提供能量的物質資源。,能源是當今社會的三大支柱（材料、能源、信息）之一。,能源是我們賴以生存的重要物質基礎。,66,1.3.1 世界能源的結構與能源危機,1.能源的分類,表1.2 能源的分類,67,2. 世界能源的結構和消耗,世界消耗的一次能源結構,68,3. 能量消耗前六名的國家,世界六國消耗的一次能源比例及總比例（占世界）,趨勢

45、（比例）：石油和天然氣下降；煤炭上升；核電上升。,69,4. 能源危機,本質：能量總量不變，質量衰退了，有序能下降?？衫弥坝行堋睖p少了，于是產生了能源危機。,70,1.3.2 煤炭與潔凈煤技術,我國煤炭的一個特點是煤炭中含硫量較高，煤炭中的硫在燃燒時生成二氧化硫。SO2和粉塵是煤燃燒的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以，煤炭的開采和燃燒都會引起環境污染。,思考：我國能源的現狀有何特點？,答：1）能

46、源總量豐富，但人均不足； 2）能源結構不合理，優質能源比例太小煤炭占一次能源的76%，天然氣消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。 3）能源利用率低，能耗高浪費嚴重。,71,1. 煤炭的成分與熱值,煤炭的主要成分：,碳、氫、氧；少量氮、硫、磷等。,氧、硫、磷是煤中的有害成分。,72,2. 潔凈煤技術,CO 40%, H2 5%, 其余N2、 CO2等,40%H2、15%CO、15

47、%CH4 、 30%CO2,73,1.3.3 石油和天然氣,石油:,石油是多種烴類的混合物，其中含有鏈烷烴、環烷烴、芳香烴和少量含氧、含硫的有機物。,思考：世界原油儲量最大的地區在哪兒？我國的原油產地在哪兒？,答：世界原油儲量最大的地區是中東。我國的原油產地在東北、西北和山東（黑龍江省的大慶油田、新疆的克拉瑪依油田和山東省的勝利油田是中國三大油田）。,74,1. 石油燃料產品,石油經過分餾和裂解等加工過程后可得到石油氣、汽油、煤油、柴油

48、、潤滑油和瀝青等產品。,以上產品中最重要的是什么？,答案：汽油。,95%的汽油用于驅動汽車。衡量汽油質量的一個重要指標是辛烷值。直餾汽油的辛烷值約為55~72之間，在汽油中加入少量四乙基鉛可以將辛烷值提高到79~88，為了防止鉛在汽缸中沉積，加入少量二溴乙烷，使生成揮發性的溴化鉛，與尾氣一同排入大氣。,乙醇汽油？,75,汽油中最有代表性組分是辛烷(C8H18)。 C8H18(l) + 25/2 O2 (g) ＝8CO2

49、(g) +9H2O(l) △H? (298.15K )＝-5440 kJ·mol-1或：△H? (298.15K )＝-47.7 kJ·g-1,76,2. 天然氣,天然氣是低級烷烴的混合物，主要成分是甲烷，常與石油伴生。其熱值約為55.6MJ ?kg-1。,天然氣的優點：,可直接應用,易于管道輸送,污染少,思考：西氣東送具有哪些重要意義？,77,3. 沼氣和生物質能,植物殘體在隔絕空氣

50、的情況下發生自然分解時產生的氣體稱為沼氣。,沼氣約含60%的甲烷，其余為二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。,思考：可用哪些原料制備沼氣？如果你來自農村，你家使用過沼氣嗎？,答：農村一般用人畜糞便、雜草等制取沼氣。,生物質能的現代利用是將植物枝桿等在汽化爐中加壓汽化制成可燃氣體。,78,4. 可燃冰—未來的新能源,天然氣被包進水分子中，在深海的低溫高壓下形成的透明結晶，外形似冰，用火柴一點就著，故稱“可燃冰”。 CH4·x

51、H2O (s)。,形成條件：低溫高壓如0℃，76 MPa。儲量：尚難正確估計，各文發表的數據相差較大。預測總量相當于161萬億噸煤，可用100萬年；是地球上煤、石油和天然氣能量總和的2~3倍。分布：深水大陸架和陸地永久凍土帶。我國東海、南海有大量可燃冰，約相當于全國石油儲量的一半。開發利用：開采難。,79,1.3.4 煤氣和液化氣,80,思考：與煤氣相比，液化氣有哪些優點？,答：無毒、低污染、熱值高于煤氣。,液化氣作動力→ 綠色汽

52、車← 燃料電池（各國競爭發展）。,81,1.4 清潔能源與可持續發展,思考：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是無限的(不考慮太陽的壽命)？,答：礦物能源（煤炭和石油）是有限的，來自宇宙的能源（如太陽能）和核能是無限的。,1992年，聯合國環境于發展大會上提出了社會、經濟、人口、資源和環境協調發展的口號。能源作為最緊缺的資源對人類社會的可持續發展起著關鍵的作用。,82,1.4.1 能源開發與可持續發展,我國能源結構不合理，優質能源比

53、重太小。必須合理開發及進一步開發新能源，才能實現可持續發展。,治理前的熱電廠,最有希望的清潔能源是氫能、太陽能、核能和生物質能等。,可持續發展三原則：公平性、共同性和持續性。,83,1.4.2 氫能,氫能是一種理想的二次清潔能源。,氫能的優點: 熱值高，其數值為142.9MJ ?kg-1。 燃燒反應速率快，功率高 原料是水，取之不盡 產物是水，不污染環境,思考：用氫作能源目前還存在一些問題，你認為是哪些方面的問題？,經濟的制

54、備方法、安全高效的儲運方法和有效地利用。,84,1. 氫氣的制取,太陽能光解,電解,思考：用電解的方法大規模制取用作能源的氫氣可行嗎？,答：從經濟上考慮是不可行的。,利用太陽光的能量催化分解水得到氫氣，最有前途的制氫方法，是研究的熱點。,85,2. 氫氣的儲運,氫氣的密度小，且極難加壓液化，因此氫氣的儲存和運輸是一個比較困難的問題。,合金貯氫法：,原理：氫可以與某些合金在較高的壓力下生成化合物，這些化合物在合適的條件下可以釋放出氫

55、氣。如鑭鎳合金：,開發研究貯氫合金材料是當今材料科學領域的熱門分支。,86,1.4.3 太陽能,太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然核聚變能。太陽能的利用不會引起環境污染，不會破壞自然生態，是人類最可靠、最有前景的能源形式。,思考：如何利用太陽能？,太陽能的利用方法是將太陽能轉換為更方便使用的能量形式，主要有以下三種：,轉換為熱能 轉換為電能 轉換為化學能,87,1. 轉換為熱能,太陽能熱水器的工作原理？,其原理是將太陽能轉換

56、為熱能，是目前直接利用太陽能的最主要方式。,將光能轉換為熱能的關鍵是吸收材料，一般選用黑色、表面粗糙的材料以減少反射，增加對光子的有效吸收。,思考：太陽光能的缺點是什么？,答：(1)能量密度低，因此設備的表面積必須很大。 (2) 對天氣的依賴性強。,88,2. 轉換為電能,光電池是人們最感興趣的將光能轉換為電能的一種設備。 當光照射到一些半導體材料上時，半導體材料中的電子就可以吸收光子而躍遷到導帶并產生電動勢。

57、,光電池在收音機、計算器、汽車、飛機、人造衛星等航天器的儀表等方面已經有廣泛的應用。,89,3. 轉換為化學能,植物能夠從空氣中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太陽能進行光合作用合成碳水化合物而以化學能的形式儲存能量。,太陽能光解制氫是近幾年的熱門研究課題。這是將太陽能轉換為化學能的一種最有效的方法。,模擬光合作用也是各國科學家感興趣的課題。,90,選讀材料 核能,核能的產生主要有兩種方式：核裂變和核聚變。釋放的能量用質能方程計

58、算：,在中子的轟擊作用下，較重原子核分裂成輕原子核的反應稱為核裂變反應。,Ⅰ. 核燃料和核能的來源核裂變反應,91,該反應損失質量Δm = 0.2118g·mol-1，能量變化為：,此能量相當于634.5噸標準煤完全燃燒所釋放的能量。,核裂變是鏈式反應，不加控制則可制造成原子彈；如加以控制，例如使用慢化劑—水、重水和石墨，則可建造成核電站。,92,圖 氫彈爆炸,太陽能就是氫的核聚變能，經計算1mol 聚變放出

59、的能量為：,由于氫原子質量小，如折合成每克 物質反應的熱量， 則氫聚變所釋放能量是相同質量的鈾裂變能量的3倍多。,93,Ⅱ. 核電的優勢與發展趨勢,發展核能是必由之路 由其優勢決定：高密度、清潔、經濟、安全的能源。,核電的發展趨勢熱堆的應用。用廣泛但燃料利用率很低；完善、智能化。(2)快堆的應用。核燃料利用充分，但工藝復雜，成本較高。加快研究和開發。(3)可控熱聚變堆。處于基礎研究階段，前景誘人。,94,作業：,Lect

60、ure 1,一、思考題（ p42） 2， 3,95,作業：,Lecture 2,一、思考題（ p42） 4 ～ 11二、習題（p43） 1. 2. 4.,96,作業：,Lecture 3,一、思考題( p42) 12 ～ 14二、習題（p43） 6. 8. 10,精品課件！,精品課件！,99,作業：,一、思考題（ p42） 1,