大学化学10734

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热化学与能源第一章1\n本章学习要求：了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验计算方法.了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。2\n目录1.1反应热的测量1.2反应热的理论计算1.3常见能源及其有效与清洁利用1.4清洁能源与可持续发展选读材料核能Ⅰ.核燃料和核能的来源Ⅱ.核电的优势与发展趋势本章小结3\n举例：2H2+O2===2H2O298.15K、1atm下放出热量是-483.6kJ/mol1、在通常情况下能否发生。2、如果不能，那么又需要在什么条件下才能发生。3、发生以后，反应能进行到什么程度，也就是说结果如何。上述问题就属于化学热力学范畴。化学热力学就是研究在化学变化和物理变化中伴随发生的能量转化和传递的学科。4\n化学反应的方向化学热力学〈化学反应的程度热化学：研究化学反应中热与其他能量变化的定量关系的学科。（热量变化问题的学科）测量化学反应的热效应本章主要两部分内容〈计算化学反应的热效应热效应：化学反应时放出或吸收的热量。5\n1.1反应热的测量1.1.1几个基本概念1.系统与环境系统（System）在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为系统，亦称为物系或体系。环境（surroundings）与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。6\n1.1反应热的测量开放系统有物质和能量交换封闭系统只有能量交换系统的分类图1.1系统的分类[观看动画]隔离系统无物质和能量交换7\n应用相的概念需区分：*相与聚集态不同；2.相系统可分为:单相（均匀）系统；多相（不均匀）系统。系统中任何物理和化学性质完全相同的部分。*相数与物质种类数；*相与数量无关。8\n2.相a.相与相之间有明确的界面。b.在界面处，从宏观看，性质改变是突跃的。思考：1).101.325kPa，273.15K(0°C)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少?2).CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数?3).Cu(s)+H2O+HNO3=Cu(NO3）2+NO(g)相数？答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3相（气体1相，固体2相）；3)3相9\n3.状态与状态函数状态函数用于表示系统性质的物理量X称状态函数，如气体的压力p、体积V、温度T等。状态：是体系所有化学性质和物理性质的综合表现有平衡态和非平衡态之分。如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。10\n状态函数的性质状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。图1.2状态函数的性质外压从3pº变为p°VT3pº状态函数有特征，状态一定值一定，殊途同归变化等，周而复始变化零。11\n讨论：（1）体系的性质决定于体系所处的状态，而与过去历史无关。如：H2O(l)(P⊙,298.15K)H2O(g)(P⊙,373.15K)H1H3H2O(s)(P⊙,273.15K)H2O(l)(P⊙,298.15K)12\n(2)体系处于定态时，其性质便有确定的数值如：单组分体系PVm=RTVm=f(T、P)则:Vm=f(T、P)(单组分体系）Vm=f(T、P、X1、X2…Xn)(多组分体系）讨论13\n广度性质和强度性质状态函数可分为两类：广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等。思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？答：力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。14\n讨论:(a)广度性质具有部分加和性，强度性质无部分加和性。V总=V1+V2P总≠p1+p2(b)广度性质是系统所含物质量的一次齐函数，强度性质是零次齐函数。(c)两个广度性质相除，所得为强度性质如：m/V=ρV/n=Vmp1,V1T1p2,V2，T215\n4.过程与途径系统状态发生任何的变化称为过程；可逆过程体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。实现一个过程的具体步骤称途径。思考：过程与途径的区别。16\n5.化学计量数对于任意一化学反应：aA+cC=dD+gG或写成：0=dD+gG-aA-cCACDG---化学式acdg---化学计量数。一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系，通式为：17\nB称为B的化学计量数。符号规定：反应物：B为负；产物：B为正。附例1.1应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：N2+3H2==2NH3解：用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH318\n6.反应进度（extentofreaction）设某反应19\n20世纪初比利时的Dekonder引进反应进度的定义为：和分别代表任一组分B在起始和t时刻的物质的量。是任一组分B的化学计量数，对反应物取负值，对生成物取正值。单位：mol6.反应进度20\n引入反应进度的优点：在反应进行到任意时刻，可以用任一反应物或生成物来表示反应进行的程度，所得的值都是相同的，即：反应进度被应用于反应热的计算、化学平衡和反应速率的定义等方面。6.反应进度21\n反应进度①单位：mol②符号：始终为正，所以反应物的i为负,产物的i为正;③与反应方程式的写法有关，而与何种物质无关;rUm=rU/rHm=rH/因此，rUm,rHm也与反应方程式的写法有关讨论22\n3H2+N2=2NH3t=01050molt742=(7-10)/(-3)=(2-0)/2=1mol,3/2H2+1/2N2=NH3t=01050molt742=(2-0)/1=(4-5)/(-1/2)=2mol例：23\n1.1.2反应热的测量反应热：化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热化学规定：系统放热为负，系统吸热为正。摩尔反应热：当反应进度为1mol时系统放出或吸收的热量。（等容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热是热化学的重要研究内容。观看动画图1.3弹式量热计24\n1.反应热的实验测量方法设有nmol物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(J·K-1)，比热容为cs(J·K-1·kg-1)，则：由于完全反应，ξ=n因此摩尔反应热：思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热25\n26\n2).测量方法与步骤：●准确称量反应物(固态或液态）装入钢弹内，通入氧气，密封;●将钢弹安放在一钢质容器中，向容器内加入足够的已知质量的水，使钢弹淹没，钢弹与环境绝热;●精确测定系统的起始温度(T1);●电火花引发反应，测量系统(包括钢弹及内部物质、水和金属容器等)的终态温度(T2)。27\n示例例1.1联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知：解：燃烧0.5g联氨放热为28\n2.热化学方程式表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态；书写热化学方程式时应注意：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=100kPa下。29\n反应热与反应式的化学计量数有关；一般标注的是等压热效应qp。思考：qp与qv相同吗？不相同30\n1.2反应热的理论计算并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？实验过程中无法控制生成产物完全是CO。因此，只能用理论方法来计算反应热。31\n1.2.1热力学第一定律封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功w，则系统内能的增加ΔU(U2–U1)为：ΔU=q+w热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。其中，内能现称为热力学能。32\n1.热力学能符号：U，单位：J。U是状态函数；无绝对数值。包括分子平动能、分子振动能、分子转动能、电子运动能、核能等即内能—系统内部能量的总和。思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？答：相同。33\n2.热在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。热的符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。热量q不是状态函数注意：热力学中的“热”与日常中的“冷”、“热”是不同的。34\n（1）Q值需实验来测定。所以体系的温度升高或降低不能确定Q值的正与负。讨论：（2）Q与变化途径有关，是途径函数，不是状态函数。35\n热力学基本概念练习1.“凡是系统的温度下降就一定放热给环境，而温度不变时则系统既不吸热也不放热。”这结论正确吗?举例说明之。36\n3.功(work)与体积功功:体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功，用符号W表示，（单位：J或kJ)。W的取号：环境对体系作功，W>0体系对环境作功，W<0（注意功符号的规定尚不统一）思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2)钢瓶中；将理想气体的温度提高20ºC时，是否做了体积功？答：1)做体积功，2)未做体积功。37\n(a)Q和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。通常用Q、W表示微小变化。(b)功分为体积功和非体积功，（W=W体+Wf)**如不特别指出，一般讨论的是体积功。注意：38\n思考题：39\n思考题：一绝热容器中放有绝热、无质量和无摩擦的活塞，该活塞将容器分隔为体积相等的左、右两室，两室中均充有n,p1,T1的理想气体。若右室中装有一电热丝，并通电缓慢加热右室气体，于是活塞逐渐向左移动。此时，若以右室气体为系统，则过程的Q(右)，W(右);若以左室气体为系统，则过程的Q(左)，W(左)；若以整个容器的气体为系统，则过程的Q，W。>0<0=0>0>0=040\n热—无序能；功—有序能；能的品位不同。一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q，得功w，变到状态2,热力学能U2，则有：U1U2q>0w>0ΔU=q+w41\n4.体积功w体的计算等外压过程中，体积功w体=–p外(V2–V1)=–p外ΔVpp外=F/Alp外=F/A，l=ΔV/A，因此，体积功w体=F·l=–(p外·A)·(ΔV/A)=–p外ΔV图1.4体积功示意图42\n体积功体积功的演示43\n5.理想气体的体积功理想气体的定义：气体分子不占有体积，气体分子之间的作用力为0的气态系统被称为理想气体。理想气体的状态方程：附例1.21mol理想气体从始态100kPa,22.4dm3经等温恒外压p2=50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。解：终态平衡时的体积为：负值表示系统对外做功。44\na.可逆过程（reversibleprocess）可逆过程:体系经过某一过程从状态（1）变到状态（2）之后，如果能使体系和环境都恢复到原来的状态而未留下任何永久性的变化，则该过程称为热力学可逆过程。否则为不可逆过程。接近可逆过程的例子1.液体在其饱和蒸汽压下的蒸发2.固体在其凝固点时的熔化3.电池在电动势与外电压几乎相等时充、放电4.系统与环境在压力几乎相等时的压缩或膨胀45\na.可逆过程（reversibleprocess）可逆过程的特点：（1）状态变化时推动力与阻力相差无限小，体系与环境始终无限接近于平衡态；（3）体系变化一个循环后，体系和环境均恢复原态，变化过程中无任何耗散效应；（4）等温可逆过程中，体系对环境作最大功，环境对体系作最小功。（2）过程中的任何一个中间态都可以从正、逆两个方向到达；46\n可逆过程（reversibleprocess）可逆过程的特点：（1）状态变化时推动力与阻力相差无限小，体系与环境始终无限接近于平衡态；（3）体系变化一个循环后，体系和环境均恢复原态，变化过程中无任何耗散效应；（4）等温可逆过程中，体系对环境作最大功，环境对体系作最小功。（2）过程中的任何一个中间态都可以从正、逆两个方向到达；47\n在P-V-T三维图上，黄色的是等压面；兰色的是等温面；红色的是等容面。48\nb.功与过程设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中克服外压Pe,经4种不同途径，体积从V1膨胀到V2所作的功。1.自由膨胀（freeexpansion）因为2.等外压膨胀（pe保持不变）体系所作的功如阴影面积所示。49\n功与过程3.多次等外压膨胀(1)克服外压为，体积从膨胀到；(2)克服外压为，体积从膨胀到；(3)克服外压为，体积从膨胀到。可见，外压差距越小，膨胀次数越多，做的功也越多。所作的功等于3次作功的加和。50\n4.外压比内压小一个无穷小的值拣去沙子设砝码对系统施加了p2的压力，砝码和砂子施加了p1的压力，当将砂子一粒一粒地拣去，系统沿下图的折线从始态变到终态。piΔViPi+1拣去一粒砂子，系统的压力从pi+1变为pi，同时系统的体积变化为ΔVi，这一微小过程中系统做功：–piΔVi，整个过程中做功：当砂子足够小时，pi可以用系统的压力来代替。pi=nRT/Vi,并可以用积分代替加和：(p1,V1)(p2,V2)图1.6可逆过程的体积功51\nb.功与过程1.一次等外压压缩在外压为下,一次从压缩到，环境对体系所作的功（即体系得到的功）为：压缩过程将体积从压缩到，有如下三种途径：52\nb.功与过程2.多次等外压压缩第一步：用的压力将体系从压缩到；第二步：用的压力将体系从压缩到；第三步：用的压力将体系从压缩到。整个过程所作的功为三步加和。53\nb.功与过程3.可逆压缩如果将蒸发掉的水气慢慢在杯中凝聚，使压力缓慢增加，恢复到原状，所作的功为：则体系和环境都能恢复到原状。54\n功与过程小结：从以上的膨胀与压缩过程看出，功与变化的途径有关。虽然始终态相同，但途径不同，所作的功也大不相同。显然，可逆膨胀，体系对环境作最大功；可逆压缩，环境对体系作最小功。55\n例1mol理想气体初态为373.15K，10.0dm3，反抗恒外压PӨ绝热膨胀到终态温度244.0K，PӨ压力。求此过程的W,Q,ΔU,ΔH。解：已知：n=1mol（理想气体）,T1=373.15K,V1=10.0dm3T2=244.0K,p2=100.0kPa求此过程的W,Q,ΔU,ΔH。56\n过程特点：气体迅速膨胀可视为绝热过程，所以该过程是绝热恒外压膨胀。因此，Q=0；W=pe(V2-V1）n=1moln=1molT1=373.15K,绝热恒外压膨胀T2=244.0K,V1=10.0dm3p2=100.0kPa57\n其中，终态体积由理想气体状态方程求出V2=nRT2/p2=1×8.314×244.0/100.0=20.3dm3代入上式求出体积功W=100.0(20.3-10.0)=1.03kJ58\n根据热力学第一定律ΔU=Q-W=-1.03kJΔH=ΔU+Δ(pV)=ΔU+(p2V2-p1V1)=ΔU+nR(T2-T1)=-1.03+8.314(244.0-373.15)/1000=-2.10kJ59\n1.2.2化学反应的反应热与焓通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做反应热。根据反应条件的不同，反应热又可分为：定容反应热恒容过程，体积功w体=0，不做非体积功w=0时，所以，w=w体+w′=0，qV=ΔU定压反应热恒压过程，不做非体积功时，w体=–p(V2–V1)，所以qp=ΔU+p(V2–V1)可以利用这两个公式计算反应热。60\n1.焓与焓变∵qP=△U+p(V2–V1)=(U2-U1)+p(V2–V1)=(U2+p2V2)–(U1+p1V1)公式qp=ΔH的意义：1）等压热效应即为焓的变化量。2）可以通过ΔH的计算求出的qP值。令H=U+pV则qp=H2–H1=ΔHH称为焓，是一个重要的热力学函数。思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？答：是状态函数，但不能知道它的绝对数值。61\n注意：ΔH的取值：吸热反应△H取正值，放热反应△H取负值。许多自发反应的△H<0理想气体的热力学能U只是温度的函数，故理想气体的焓H也只是温度的函数，温度不变，△U=0，△H=0；与内能△U一样，△H的具体数值与化学反应方程式的具体表达式形式有关，所以焓变要与具体的反应式同时出现；在书写反应式时，不仅要表达出各反应物的计量关系，还要表达出各个物质的物态，即气、液、固态。62\n2.定容反应热与定压反应热的关系已知定容反应热：qV=ΔU；定压反应热：qp=ΔUp+p(V2–V1)等温过程，ΔUpΔUV，则：qp–qV=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT对于理想气体反应，有：对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。ΔH–ΔU=qp–qV=p(V2–V1)思考：若反应C(石墨)+O2(g)→CO2(g)的qp,m为–393.5kJ·mol–1，则该反应的qV,m为多少？答：该反应的Δn(g)=0，qV=qp小结：对于没有气态物质参与的反应或Δn(g)0的反应，qVqp对于有气态物质参与的反应，且Δn(g)0的反应，qVqp63\n例在100℃和101.325kPa下，由1molH2O(l)汽化变成1molH2O(g)。在此汽化过程中△H和△U是否相等？若△H等于40.63kJ·mol-1，则△U为多少？解：该汽化过程：H2O(l)→H2O(g)是在定温定压和只做体积功的条件下进行的。根据式△U＝△H－△nRT△U＝{40.63-(1-0)×8.314/1000×(273+100)}kJ·mol-1={40.63-3.10}kJ·mol-1=37.53kJ·mol-1在通常情况下，反应或过程的体积功的绝对值小于5kJ·mol-1。64\n3.盖斯定律化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。始态C(石墨)+O2(g)终态CO2(g)中间态CO(g)+½O2(g)即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。65\n盖斯定律示例由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。例1.3已知反应和的反应焓，计算的反应焓。解：66\n1.2.3反应标准摩尔焓变的计算1.热力学标准态：气体物质的标准态：标准压力p下表现出理想气体性质的纯气体状态溶液中溶质B的标准态是:标准压力p下，质量摩尔浓度为m(1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液中溶质的状态;本书采用近似c=1.0mol.dm-3)液体或固体的标准态是:标准压力p下的纯液体或纯固体。67\n2.标准摩尔生成焓指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。298.15K时的数据见附录3。显然，标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质B时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作。思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?(1)(2)(3)答：（2）不是68\n离子标准摩尔生成焓由于溶液中同时存在正、负离子，所以不可能得到某单独离子的标准摩尔生成焓。如果指定一种离子的标准摩尔生成焓，就可以确定另一种离子的标准摩尔生成焓。通常规定H+的标准摩尔生成焓为零，依次可得出各种离子的标准摩尔生成焓。水合离子的相对焓值见附录469\n3.标准摩尔焓变及测定测定原理：由于qp=ΔH所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变.标准状态下,反应进度ξ=1mol的焓变称为反应的标准摩尔焓变:记作70\n4.反应的标准摩尔焓变的计算稳定单质反应物标准状态生成物标准状态rHmfHm(p)fHm(r)由盖斯定律，得：可从手册数据计算298.15K时的标准摩尔反应焓.71\n若反应方程为：aA+bB=gG+dD化学反应的标准摩尔焓变就等于生成物的标准摩尔生成焓之和减去反应物的标准摩尔生成焓之和。72\n标准摩尔反应焓变计算示例解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩尔生成焓分别为–824.2和–1675.7kJ·mol-1。例1.4试计算铝热剂点火反应的反应计量式为：73\n注意事项运算过程中，焓的正负号不可忽略；应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意公式中化学计量数与反应方程式相符，数值与化学计量数的选配有关；温度的影响思考：正反应与逆反应的反应热的数值相等，符号相反。对吗？答：对。这也是热化学定律的重要内容。系统终态的Σ△fHθ值减去始态的Σ△fHθ值；物质的聚集状态，查表时仔细；74\n附例1.4设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔完全燃烧放出的能量。解：从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下。226.730-393.509-285.8375\n附例试用标准生成焓的数据，计算反应：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)的ΔHθ(298.15K)。解：在反应方程式中各物质下面标出其标准生成焓的值。Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)△fHθ(298.15K)/(kJ·mol-1)064.77－153.890△rHθ(298.15K)＝△fHθ(Zn2＋,aq,298.15K)＋△fHθ(Cu,s,298.15K)=△fHθ(Zn,s,298.15K)＋△fHθ(Cu2＋,aq,298.15K)=｛(－15.89)＋0－0－64.77｝kJ·mol-1=－218.66kJ·mol-176\n附例已知石墨、氢气、丙烷燃烧时反应的反应热如下求下列反应的反应热：解：C3H8的生成设想可以通过下列不同途径来实现：-△H3△H2×4△H1×377\n1.3常见能源及其有效与清洁利用能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。思考：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被列为当今社会的三大支柱之一。能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。能源是我们赖以生存的重要物质基础。78\n1.3.1世界能源的结构与能源危机1.能源的分类一次能源二次能源常规能源燃料能源煤炭、石油、天然气、生物质能煤气、焦碳、成品燃油、液化气、酒精非燃料能源水能电力、蒸汽、热水新能源燃料能源核能人工沼气、氢能非燃料能源太阳能、地热、风能、海洋能激光利用状况使用性质形成条件表1.2能源的分类79\n2.世界能源的结构和消耗195019601970198019902010102030405060能源结构比例(%)年代图1.7世界消耗的一次能源结构煤炭石油天然气水电及其它80\n3.能量消耗前六名的国家美国中国俄罗斯日本德国印度51015202530能源结构比例(占世界%)国家煤炭石油天然气核能水电25.410.47.26.04.12.9图1.8世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）趋势（比例）：石油和天然气下降；煤炭上升；核电上升。81\n4.能源危机本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降。可利用之“有效能”减少了，于是产生了能源危机。82\n1.3.2煤炭与洁净煤技术我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。SO2和粉尘是煤燃烧的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以煤炭的开采和燃烧都会引起环境污染。思考：我国能源的现状有何特点？答：1）能源总量丰富，但人均不足；2）能源结构不合理，优质能源比例太小煤炭占一次能源的76%，天然气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，能耗高浪费严重。83\n1.煤炭的成分与热值煤炭的主要成分：碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的热值：单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。标准煤的热值为29.3MJ·kg-1。无烟煤：低硫，较好；烟煤：高硫，燃烧环境污染；褐煤：储量大，但热值低。煤炭的分类：84\n2.洁净煤技术洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。煤甲醇合成汽油液体燃料(新型液态燃料)）（）（气体燃料合成天然气水煤气焦炭甲烷化汽化剂炼焦42HCHHCO2+¾¾®¾¾¾¾®¾¾¾®¾O水煤浆少量添加剂水煤粉>+%30%7085\n1.3.3石油和天然气石油石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？答：世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。86\n1.石油燃料产品石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。思考：以上产品中最重要的是什么？汽油。95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为55~72之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到79~88，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？答：主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。87\n2.天然气天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。其热值约为55.6MJ•kg-1。天然气的优点：可直接应用易于管道输送污染少思考：西气东送具有哪些重要意义？88\n3.沼气和生物质能植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家使用过沼气吗？答：农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。答：都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利用。思考：沼气和柴火是生物质能吗？89\n4.可燃冰—未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。CH4·xH2O(s)。形成条件：低温高压如0℃，76MPa。储量：尚难正确估计，各文发表的数据相差较大。预测总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的2~3倍。分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。开采难，储量丰富。90\n1.3.4煤气和液化气煤气煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品。液化气煤气的组成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ•M-3思考：与煤气相比，液化气有哪些优点？答：无毒、低污染、热值高于煤气。液化气作动力→绿色汽车←燃料电池（各国竞争发展）。91\n1.4清洁能源与可持续发展思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的(不考虑太阳的寿命)？思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？1：矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。2：开放性的结论1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。92\n1.4.1能源开发与可持续发展我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。图1.9治理前的热电厂最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。93\n1.4.2氢能氢能是一种理想的二次清洁能源。氢能的优点热值高，其数值为142.9MJ•kg-1。燃烧反应速率快，功率高原料是水，取之不尽产物是水，不污染环境思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用。94\n1.氢气的制取太阳能光解电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH电解思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？从经济上考虑是不可行的。利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制氢方法。是研究的热点。95\n2.氢气的储运氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。合金贮氢法原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。LaNi5+3H2LaNi5H6300kPa加热96\n1.4.3太阳能太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式。思考：如何利用太阳能？太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：转换为热能转换为电能转换为化学能图1.10太阳能电池97\n1.转换为热能思考：太阳能热水器的工作原理？太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太阳能的最主要方式。将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。思考：太阳光能的缺点是什么？1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。2、对天气的依赖性强。98\n2.转换为电能思考：你能举出光能转换为电能的例子吗？光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。99\n3.转换为化学能植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。思考：你能举出一些将光能转换为化学能的例子吗？太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。思考：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地利用太阳能？100\n选读材料核能核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释放的能量用质能方程计算：在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原子核的反应称为核裂变反应。Ⅰ.核燃料和核能的来源核裂变反应101\n该反应损失质量Δm=0.2118g·mol-1，能量变化为：此能量相当于634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子弹；如加以控制，例如使用慢化剂—水，重水和石墨，则可建造成核电站。102\n2.核聚变反应高温作用下，轻原子核合并成较重原子核的反应。释放的能量同样用质能方程计算。图1.11氢弹爆炸太阳能就是氢的核聚变能，经计算1mol聚变放出的能量为：由于氢原子质量小，如折合成每g物质反应的热量，则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的3倍多。103\nⅡ.核电的优势与发展趋势发展核能是必由之路由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源。核电的发展趋势(1)热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。(2)快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和开发。(3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。104\n图1.12秦山核电厂外景秦山核电站二期工程施工现场鸟瞰一期105\n热力学能的组成部分和波谱分析概要*(1)平动能Ut：质点在三维空间的平动运动有关的能量。通常只有流体质点具有该能量。(2)转动能Ur：质点环绕质心转动所具有的能量。单原子气体没有该能量。(3)振动能Uv：与分子或多原子离子中的组成原子间相对的往复运动有关的能量。物质具有零点震动能。(4)电子能Ue：原子核与电子之间的相互作用系统所具有的能量。它是化学反应中能量变化的主要部分。以上形式的能量依次增大，且它们均是量子化的。106\n波谱分析概要*利用物质发射或吸收电磁辐射波来进行定性及定量分析的测试方法。一般地，根据波长可进行定性分析；根据波谱强度可进行定量分析。图1.13500MHz核磁共振波谱仪107\n本章小结了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标准态、反应进度、焓等）和定容热效应q的测定;理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓变的近似计算；了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战略。108\n功能材料形状记忆合金：指合金经变形后，在一定的条件下仍能恢复原始形状的现象。109\nC60andSuperconductorApplications:Magnet,Magnetictrain,PowertransportationWhatissuperconductor?ElectricalCurrentflowsforever!SoccerBall110