第四章 生活中的能源 4-1 能量與能源 4-2 能源與生活 4-3 化學電池 4-4其他能源

4-1 能量與能源

4-1A 能量的轉換 化學能轉變成光能和熱能

4-1B 反應熱 反應熱：化學反應所伴隨的能量變化， 以ΔH表示。 ΔH＞0，表示吸熱 ΔH＜0，表示放熱 反應熱與物質的狀態、溫度、壓力均有關 一般以標準狀態（25 ℃、 1atm）下測定的反應熱表示

放熱反應～周圍環境溫度上升 燃燒：伴隨著光和熱的激烈氧化反應，釋出能量 碳與氧氣反應釋放出能量，此能量若以光與熱的形式釋出，即為我們見到的火焰。

熱化學反應式-放熱反應 放熱反應: 表示法1: 表示法2: 表示法3:

熱化學反應式-吸熱反應 吸熱反應: 表示法1: 表示法2: 表示法3:

物質狀態不同，反應熱不同 水蒸氣 水 H2 (g) + ½ O2 (g) ΔH= －241.6 kJ ΔH= －285.8 kJ H2O (g) H2O (l) ΔH= －285.8 kJ ΔH= －241.6 kJ 相差 44.2 kJ

科學家小傳：焦耳 ( J. P. Joule，1818~1889) 焦耳是著名的英國物理學家，我們所用的能量單位焦耳就是以他為名，以紀念他在熱力學方面的偉大貢獻。 焦耳最為人知的科學成就，是在能量的測定與相互轉換關係的研究上。 焦耳獲得結論：能的種類可以互相轉變，但是總能量永遠不變。

例題 4-1 一莫耳 KOH 溶於水釋出16千焦熱量，試以熱化學反應式表示。 解： 此反應為放熱反應， ΔH＜0

4-2 能源與生活

4-2A 化石燃料 煤：植物因長時期埋藏於地表下，經碳化作用所形成的固態物質。 石油：古代動植物因長時期埋藏於地表下，經地底高溫、高壓、細菌作用所形成的液態物質。 天然氣：古代動植物因長時期埋藏於地表下，經地底高溫、高壓、細菌分解所產生的低分子量氣態物質。

煤 煤：古代植物，因地殼運動，被埋在地底下，再經地熱與碳化作用而產生。 成分：主要是碳，和少量氫、氧、氮、硫。 乾餾：將煤隔絕空氣加熱使之分解的過程 分類： 種類 泥煤 褐煤 煙煤 無煙煤 含碳% 50~60 60~75 75~90 90~95 燃燒熱(kcal/g) 2~3 3~5.5 5.5~7 7~8

煤-乾餾過程 煤 氣體 液體 固體 揮發性成分 非揮發性成分 乾餾 煤焦 煤搭:主要為芳香及其衍生物 1.還原劑、燃料 除去 NH3、H2S 煤氣（主成分：H2、CH4） 少量：CO、C2H4 …等 氣體 液體 固體 揮發性成分 非揮發性成分 乾餾 煤搭:主要為芳香及其衍生物 煤 煤焦 1.還原劑、燃料 2.製造水煤氣 (CO+H2) 3.製造乙炔 (C2H2)

煤焦的用途 1.當還原劑: 2.製造水煤氣 (CO+H2): 3.製造乙炔氣體 (C2H2):

例題 4-2 煤的乾餾是否包含化學變化？ 解： 煤的乾餾過程中涉及原子重組，形成不同的分子，所以包含化學變化。

例題 4-3 氫氣、一氧化碳、甲烷的熱化學方程式分別表示如下： H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) ΔH= －286 kJ CO (g) + ½ O2 (g) → CO2 (g) ΔH= －283 kJ CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) +2H2O (l) ΔH= －879 kJ 若煤的量一定，從能量觀點來看，煤的氣化較佳產物是甲烷或是水煤氣（即氫氣和一氧化碳）？

例題 4-3 答案 解： 2.關於甲烷 1.關於水煤氣（即氫氣和一氧化碳） 方程式相加： CO (g)+ H2 (g)+ O2 (g)→ CO2 (g)+ H2O(l) ΔH= －569 kJ H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) ΔH= －286 kJ CO (g) + ½ O2 (g) → CO2 (g) ΔH= －283 kJ ＋） CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) +2H2O (l) ΔH= －879 kJ 2.關於甲烷 甲烷放熱較多，以甲烷作為煤氣化的產物，較符合經濟效益

石油 石油：古代動物、植物，經地熱與壓力逐漸轉化而成。 成分：多種碳氫化合物的混合物，主要成分是烷類 分餾：依沸點高低不同，藉加熱而使之分離的過程。

石油分餾的產物 成分 組成 沸點範圍℃ 用途 石油氣 C1-C4 <0 氣態燃料 汽油 C4-C12 0~200 汽車燃料 煤油 160~270 航空汽油 柴油 C16-C20 200~370 柴油引擎燃料 潤滑油 C28-C30 430~480 潤滑劑 石蠟 C20-C40 （低熔點固體） 蠟燭、油蠟 瀝青 >C40 （黏稠殘渣） 鋪路、防水 以上資料由中國石油公司提供

4-2B 辛烷值 意義：燃料的抗震程度。辛烷值越大，表示汽油的抗震能力越大。 標準： 正庚烷，其辛烷值定為 0 異辛烷，其辛烷值定為 100 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 異辛烷，其辛烷值定為 100 CH3CCH2CHCH3 CH3

常見油品的辛烷值 品名 辛烷值 正辛烷 -10 苯 106 正庚烷 甲醇 107 正戊烷 62 乙醇 108 1-戊烯 91 甲基三級丁基醚 甲醇 107 正戊烷 62 乙醇 108 1-戊烯 91 甲基三級丁基醚 116 1-丁烯 97 甲苯 118 異辛烷 100

例題4-4 某地區販售的汽油是87汽油， 試問何謂87汽油？ 辛烷值＝100×87％ + 0×13% ＝ 87 解： 抗震程度與（體積百分率87％的異辛烷與13％的正庚烷之混合物）相同，叫做87汽油 辛烷值＝100×87％ + 0×13% ＝ 87 異辛烷 正庚烷

天然氣 成分：主要成分是烷類，並摻雜有少量CO2、N2 、 SO2與惰性氣體，其中甲烷約佔60~90 %。 用途：大多當作家用燃料，近年來也被作為交通工具的燃料。 由於天然氣燃燒時所產生的廢氣量較低，比汽油更適合做為汽車燃料，目前美國、義大利、紐西蘭均大力提倡以天然氣作為汽車燃料。

4-3 化學電池

化學電池 定義：經由氧化還原反應提供電能的裝置 原理：電池放電時， 分類： 負極（又稱陽極）發生氧化反應，放出電子 正極（又稱陰極）發生還原反應，得到電子 分類： 1.不可充電的一次電池 例如：乾電池、 鹼性乾電池、水銀電池 、 氧化銀電池 2.可充電的二次電池 例如：鉛蓄電池、鎳鎘電池

市面販售的電池 1.乾電池 2.鹼性乾電池 3.水銀電池 4.氧化銀電池 5.鉛蓄電池 6.鎳鎘電池 7.鋰離子電池

科學家小傳：法拉第 ( M.Faraday，1791~1867 ) 電學之父 許多電學定義及名詞，都是他提出的。 法拉第發現兩大定律與發明發電機。 為了紀念法拉第在電學上的貢獻，電學中以他為名，作為電量及電容的單位。

4-3A 常見的一次電池 乾電池 ( dry cell )（勒克朗舍電池） 組成： 正極：碳棒 負極：鋅殼 酸性電解質：二氧化錳、氯化銨、氯化鋅、石墨粉與澱粉所調製的糊狀物 反應：2MnO2+2NH4Cl+Zn→ Mn2O3+Zn(NH3)2Cl2+H2O 電壓：1.5 伏特（V） 特性：電壓會隨著電能的釋出而下降

9V 電池 將六個乾電池槽串聯組合成單一電池，便是一般市售的 9V電池

鹼性乾電池 ( alkaline dry cell ) 組成： 正極：碳棒 負極：鋅粉 鹼性電解質：二氧化錳、氫氧化鉀的糊狀物 反應： 2MnO2+Zn+H2O→2Mn2O3+Zn(OH)2 電壓：1.5 伏特（V） 特性：放電時電壓穩定，使用時間較一般乾電池長

水銀電池 ( mercury cell ) 組成： 正極：氧化汞( HgO ) 負極：鋅殼 ( Zn ) 鹼性電解質：氫氧化鉀、氫氧化鋅的糊狀物 反應： HgO+Zn→Hg+ZnO 電壓：1.35 伏特（V） 特性：在整個放電過程均能保持1.35伏特 的固定電壓

氧化銀電池 ( silver oxide battery ) 簡稱：銀電池 組成： 正極：氧化銀( Ag2O ) 負極：鋅殼 ( Zn ) 鹼性電解質：氫氧化鉀(KOH)的糊狀物 反應： Ag2O +Zn→2Ag+ZnO 電壓：1.5 伏特（V） 特性： 電壓輸出穩定，低污染 已逐漸取代水銀電池成為高級相機、心律調節器或高級電子產品的動力來源

鋰碘電池 組成： 正極：碘( I2 ) 負極：金屬鋰( Li ) 電解質：薄層碘化鋰( LiI )晶體，置於兩電極之間 反應：放電時， I2→I- ； Li→Li+ 電壓：3.0 伏特（V） 特性：輸出電流非常穩定，極適合作為心律調節器的動力來源，植入胸腔後，約可使用十年不需更換。

4-3B 常見的二次電池 鉛蓄電池（可充電） 組成： 正極：二氧化鉛( PbO2 ) 負極：鉛( Pb ) 酸性電解質：稀硫酸(約30%) 反應： 電壓：2.0 伏特（V）

鎳鎘電池（可充電） 組成： 正極：二氧化鎳( NiO2 )或鹼式氧化鎳[NiO(OH)] 負極：鎘( Cd ) 鹼性電解質：氫氧化鉀(KOH)的糊狀物 反應： 電壓：1.3 伏特（V）

充電電池記憶效應 記憶效應是因為電池放電過程中所產生的結晶物所造成，此效應在剛使用不久的鎳鎘電池最明顯。 每次充電時，氫氧化鎘在負極與電極作用，產生金屬鎘而沈積在於電極表面 放電時，電極表面的金屬鎘反應形成氫氧化鎘，這是溶解沈積反應。 當充放電不完全時，電極內的鎘金屬會慢慢地產生大量結晶而使以後的化學反應受到阻礙，導致放電量減少，即為所謂的記憶效應。 記憶效應通常只發生在鎳鎘電池，鎳氫電池發 生的機率較小，鋰離子二次電池則完全無此種 現象。

鋰離子～充放電過程 鋰離子電池的優點：高電壓、高能量密度、較高放電溫度範圍 目前廣泛使用於手機及筆記型電腦等產品上

4-3C 電池的應用與考量 ～廢電池回收 一般乾電池的污染： 乾電池及鹼性電池：鋅及錳污染 水銀電池：汞污染，汞中毒會損害中樞神經，俗稱「水娛病」 鎳鎘電池：鎘污染，鎘中毒會引起骨骼病變，病患的任何行動都會產生極大的痛苦，俗稱「痛痛病」 鉛蓄電池：鉛污染，鉛中毒時輕者發生嘔吐或身體不適，嚴重時會損害腦神經 廢電池應妥善回收，以免污染及破壞環境。

4-3D 太陽能電池 以太陽能電池為動力的計算機 及其內部所使用的矽晶片

4-3D 氫燃料電池

氫燃料電池 電極 覆蓋Pt的多孔碳板 負極（陽極） H2（g）+2OH-（aq）→2H2O（l）+2e- 正極（陰極） O2（g）+ 2H2O（l）+4e-→4OH- 全反應 2H2(g)+O2(g)→2H2O(l) 電解質 KOH(aq) 特性 產生電能後的副產物為水沒有污染 燃料電池的發電效率高達75﹪。 造價過高，目前只應用於太空船

4-4 其他能源

4-4A 核能 原子進行核分裂或核融合產生 巨大的能量。

核分裂反應 核分裂反應：利用中子撞擊重原子核（如鈾、鈽），重核發生分裂。 重核分裂時產生兩個較小的原子核和兩個或更多個中子以及許多能量。 實例:原子彈、核能發電。

典型的核分裂反應 92U235 0n1 56Ba141 36Kr92

能量守恆-質能互換公式 愛因斯坦質能互換公式： E = m c2 E=焦耳(J)， m=損失的質量(kg)， c=光速(3×108m/s)

核融合反應 核融合反應：將較輕的原子核融合成一個較重的原子核，並釋出大量能量。 實例:太陽光發光發熱、氫彈。

4-4B 水力 發電約提供全世界7%的電力。 優點：不會造成環境污染，水為再生能源不會枯竭。 缺點：建造水庫時，常會破壞生態環境。

4-4C 地熱 將水引入地底，因地球內部溫度很高， 水則轉變為高溫高壓的水蒸氣，再將高溫之 水蒸氣導出進行發電。 地熱是最廉價的能源極具開發潛力。 缺點:二氧化硫外洩、易破壞附近生態環境。

4-4D 風力與潮力 風力發電利用風車發電機產生電流。 風力發電發電量不穩定、發電效率待改進。 潮力發電利用潮汐產生潮差發電。 潮力發電尚有缺點須克服。

4-4E 太陽能 太陽能為地球總能源。 太陽能不須開採成本又無污染性，為最 值得開發、且最具潛力的能源。

生質能 可產生能量的非化石有機物。泛指一切可培植、利用的動植物能源。 植物藉光合作用儲存能量，平均只能從照射於其表面的陽光中，攝取極小比例的能量，因此若要累積大量的能量，則需大量種植植物。 以植物製造的燃料有柴薪、酒精、沼氣和燃油等。 植物和動物的排泄物等有機廢料，在無氧的條件下，可分解為多用途的氣體燃料。