化学与能源

一、能源概况

1。能源的分类

一次能源：在自然界中可直接取得不必改变其基本形态的能源。 二次能源：由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品。 常规能源：即传统能源，已经大规模生产和广泛利用的能源。 新能源：以新技术为基础，系统开发的能源。 能量转化定律 能量守恒定律

2。常见的能源 太阳能 化石能源 水能 风能 潮汐能：海水潮流运动的能量 海洋能：潮汐能、波浪能、海流能、温差能 地热能：地球内部释放到地表的能量 生物质：燃烧植物体放出热能 核能（原子能） 氢能 可再生能源：水力、风力、太阳能、生物质能、热地等。

例：把下列14种能源按要求填入下表，并指出哪些是不可再生能源。 　煤、石油、水力、汽油、铀、薪柴、酒精、天然气、液化气、热水、煤气、蒸汽、风力、电。 　一次能源 　二次能源 燃料能源 非燃料能源 汽油、酒精、液化气、煤气 煤、石油、薪柴、天然气 水力、铀、风力 热水、蒸汽、电

二、化石能源

1。石油：全世界按照现有生产能力，每年开采30亿吨，还可开采40－50年。

例：煤、煤气、石油、天然气、水能、风能和生物能等等多年来大量使用的能源，称为 能源。而核能、地热、海洋能、沼气、电能、太阳能、风能等都被称为 能源。 ①煤、石油、天然气等能源以热的形式供给人们需要。写出煤、石油、天然气燃烧供热时的化学反应方程式（试以它们各自的主要成分C、CnH2n＋2和CH4代表）： 、 、＿＿ 。在质量相同时，燃料 对环境造成的负面影响（温室效应）最小。 某人坐在带空调的车内踉在一辆卡车后面。此人根据何种现象可知前面这辆卡车是以汽油或柴油为燃料的。简述原因。

讨论： （1）燃烧等质量天然气、酒精、汽油（C5－11）、煤油（C11－16）和柴油（C15－18）耗氧量？对环境的污染情况？ （2）汽油燃烧供氧量与产生污染物的关系？ （3）不同燃烧方式电火花点火与压缩点火产物中NOx的含量？

内燃机是将化学能转化为机械能的装置，根据燃料的不同可分为汽油机和柴油机等类型。汽油机和柴油机的工作原理均为利用燃料燃烧产生大量的气体和热能，推动活塞进行往复运动。汽油机和柴油机工作原理的区别在于压缩的工作物质和点火方式的不同：汽油机是将汽油雾化后和空气混合，利用活塞下行吸入汽缸，然后活塞上行进行压缩，到一定体积（活塞几乎上行到顶端）后采用火花塞（也称火嘴，一种采用高压放电产生火花的装置）打火，从而点燃混合气体，使之体积剧烈膨胀，推动活塞下行。当活塞下行到底部时，活门打开，并利用二次上行的压力排出气体，完成一个循环过程；而柴油机则是吸入空气进行压缩，到一定程度产生高温高压后喷入雾化的柴油，由于此时压缩空气的温度已经超过了柴油的燃点，柴油立即燃烧推动活塞上行。柴油机的压缩比远高于汽油机（这也是柴油机效率高于汽油机的原因之一）。试根据上述信息回答下列问题： 3．检测发动机尾气发现，汽油机尾气中氮氧化物（以NOx表示）的含量远高于柴油机尾气，请解释原因，并写出相关的化学方程式。 4．由石油分馏而得到的汽油称直馏汽油，由裂化而得到的汽油称裂化汽油。单从使用效果看，汽油机一般使用何种汽油为宜，为什么？

5．若汽油机使用的汽油（辛烷C8H18）在气缸内完全燃烧，则空气的质量与辛烷的质量之比x值为 ；若空气的质量与辛烷的质量之比大于x值，则尾气中有害气体含量较多的是 ；若空气的质量与辛烷的质量之比小于x值，则尾气中有害气体含量较多的是 。 6．为减少汽车对城市大气的污染，1998年6月我国成功地开发出了以新燃料作能源的“绿色汽车”，这种汽车可避免有毒的有机铅、苯和苯的同系物以及多环芳烃的排放，保护环境。这种“绿色汽车”的燃料是 A 甲醇 B 汽油 C 柴油 D 重油 7．汽车尾气除上述NOx有毒气体外，还有燃料未完全燃烧的还原性气体以及SO2气体等。目前治理的方法是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”（用铂、钯合金作催化剂），使上述气体反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使燃料充分燃烧及SO2的转化，但“催化转换器”能在一定程度上提高空气的酸度。请问这是为什么？写出相应的化学反应方程式，并请你想出两种控制城市空气污染源的方法。 10．柴油平均含碳约85％，含氢约14％。前几年的报刊杂志上报道了“中国的第五大发明”：把25％的柴油和75％的水混合起来，加少量“膨化剂”，就可以变成“膨化柴油”，简称“水变油”。据说，它和天然的柴油有相同的热值。此“发明”得到包括我国某名牌大学校长在内的若干位教授专家的肯定，并通过了“鉴定”；但同时被中科院何柞麻院士等一大批教授、专家所否定。问：“水变油”是否可能？请你设计一个实验思路（不必详述实验操作过程），证明水是否能变成油？

2。煤

（1）煤的干馏

（2）煤的气化

煤与有限的热空气和水蒸气反应生得到主要成分为CO和H2的混合气体，可以作为城市煤气的要。 （3）煤的液化 煤炭液化油又叫人造石油。 方法一：直接液化法先裂解，再气化； 方法二：先气化（CO、H2等小分子），然后在一定温度、 压力和催化剂作用下合成各种烷烃、烯烃和乙醇、乙醛等。

（4）一碳化学

3。天然气－－家庭用气体燃料 管道煤气由煤加工制得，液化气是石油炼制产物，天然气则能直接使用。家庭生活中，为什么要使用气体燃料呢？ ① 因气体易扩散，故气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的能量利用率。 ② 气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。 ③ 固体煤中含有硫、氮等杂质，直接燃煤、煤球或煤饼会产生大量二氧化硫、氮氧化物（NOx）、粉尘等，造成大气污染，住宅环境也烟灰满天，厨房空气的污染则更严重。

（1）主要成分 管道煤气的可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占48%～50%，10%～15%和13%～18% 液化气又叫液化石油气，主要成分中C3、C4的烃是沸点较低的成分丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。 天然气的主要成分是甲烷，还有少量的其他气态烃，天然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。

三种气体燃料的热值大体为以下数值：

问题1：相同流速的天然气、管道煤气、液化石油气燃烧时 火焰大小？为什么？ 气体的燃烧性能与该气体的扩散速度有关，H2、CO和CH4中，H2的相对 分子质量最小，气体密度最小，故而有最大的扩散速度和最好的燃烧性能。 平时实验中，可以观察到H2的火焰很长，而燃烧平稳。管道煤气中50％的 H2保证了良好的燃烧火焰。 问题2：用液化气烧水煮饭为什么比管道煤气快？ 从发热量看，液化气是比管道煤气更优质的气体燃料。在钢瓶中 的液化气是液体，打开阀门减压后变成气体使用，因此液化气有 两个热值：47.3 MJ/kg和109MJ/m3。用后者数值与管道煤气（ 热值为15.6MJ/m3）比较，管道煤气只有液化气的1/6～1/7，所 以用液化气烧水煮饭要快得多了。

问题3：推广使用天然气为什么是城市燃气的发展方向？ 管道煤气是一种清洁燃料，然而这是相对于住宅、居室环境而言的，从城市大环境看，没有改善城市大气的污染程度。原因很简单，制造煤气要燃煤，使用煤气没有降低城市的煤炭消耗量。原来一家一户煤球炉的废气仅仅变成由数家煤气厂排放而已。 液化气是发热量高的优质清洁燃料，但液化气使用不便，且要消耗宝贵的石油资源，天然气则是一种既有管道煤气的方便，又有液化气无毒、发热量高的优点的燃料，所以，推广使用天然气的是城市燃气产业的发展方向。

（2）爆炸极限 可燃气体爆炸极限宽度大的，容易发生爆炸。从表中可知，液化气、天 然气的爆炸极限较管道煤气各种成分的宽度要小，因而具有不易爆的特 点（注意：并非不会爆炸）。 例题：借助上表的数值，计算天然气爆炸最剧烈时，空气中含天然 气的体积分数（二位有效数字）。

为什么液化气燃烧器上必须有一个风门？ 液化气的成分是C3、C4的烃类，完全燃烧时所需空气量很大。例如，1L丁烷燃烧（2C4H10＋13O2→8CO2＋10H2O）需氧气6.5L，折合成空气约为31L，丁烷燃烧时，单单靠火焰周围的空气来支持燃烧，必定要发生不完全燃烧。因此液化气在灶具上燃烧所需要的空气是分两次供给的。一次空气量由风门调节，约占全部需要量的70%。空气引进后，在燃烧器内部混合。二次空气量则由火焰周围的空气供给。 若将烧液化气的灶具改天然气，灶具需作何改进？ 使用液化气，为什么开始时风门要调小些，使用一段时间（若干天）后，风门要调大些？

例题：煤气中毒是CO中毒，其原因是CO与血红蛋白（Hb）结合成Hb·CO，使血红蛋白失去输送O2功能的缘故。CO进入血液后有如下平衡：CO＋Hb·O2　　　O2＋Hb·CO，试回答： （1）煤气中毒病人，可以通过进入高压氧舱的方法来救治，请用化学平衡的原理加以说明。 　①　　　　　　　　　② （2）已知该反应平衡时， ①的比值是一个不受浓度影响的常数，在人体体温37℃下，该常数为220。又已知当血液中②的比值大于0.02时，人的智力会受到损伤，此时c（CO）与c（O2）的比值应小于 。 （3）抽烟时，进入肺部的空气中c（CO）＝10－4mol/L，c（O2）＝10－2mol/L，则c（Hb·CO）为c（Hb·O2）的 倍，据此分析长期抽烟对人智力的影响。

三、氢能 1。氢气的制取 水电解法 热分解法 光解法 发酵分解法 催化分解法 细菌分解法

氢气的燃烧值大，且燃烧后生成水 ，无污染，故为理想的燃料。 4。尚未解决问题 氢气的廉价制取 氢气的贮存和运输 氢气燃机的热换效率 2。氢能的应用 （1）作内燃机燃料 （2）氢氧燃料电池 3。氢能的优点 H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（液）＋285.5kJ 氢气的燃烧值大，且燃烧后生成水 ，无污染，故为理想的燃料。 4。尚未解决问题 氢气的廉价制取 氢气的贮存和运输 氢气燃机的热换效率 氢燃料电池的能量转换效率

四、其它能源的应用 1。生物质能：是从生物质转化产生能量。

沼气的产生：

沼气发生原理： 以单糖（C6H12O6）为基质的发酵过程：

2。太阳能 （1）燃料的循环 试用设想

地球对太阳能的利用率约为_____________________。 美国《科学美国人》杂志于1971年7月刊登了“地球的能量资源”一文中提供了如下数据： 请选用以上数据计算： 地球对太阳能的利用率约为_____________________。 通过光合作用，每年有________千焦的太阳能转化为化学能(每年按365天计)，每年由绿色植物通过光合作用( 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 )为我们的生存环境除去二氧化碳的质量为A。试根据能量关系列出A的计算式。列式缺少的数据用符号表示 A = ___________千克。所缺数据的化学含义___________________。

化学能 电量Q＝It 电 能 E＝hν =hλ/c 生物能（ATP） 光 能 ATP ADP＋Pi+Q 反应热 热 能 热能Q＝cm∆T 电　能 E＝hν =hλ/c 化学能 生物能（ATP） 光　能 ATP　　　ADP＋Pi+Q 反应热 热　能 热能Q＝cm∆T 动能E＝1/2 mv2

例：人们在工作、学习和劳动时需要能量。食物在人体内经消化过程转化为葡萄糖，葡萄糖在体内氧化成CO2和H2O，同时产生能量，一个体重为70Kg的短跑运动员起跑时以1/6秒时间冲出1米，他在这一瞬间消耗掉体内储存的葡萄糖多少克？ S＝(V0＋Vt)/2 , V0=0,Vt=12m/s, E=1/2mVt2-1/2mv02=5040J n(葡萄糖）＝5040/2.803×106=1.80×10-3mol m (葡萄糖）=0.32g

例：在绿色植物光合作用中，每放出1个氧分子要吸收8个波长为6 例：在绿色植物光合作用中，每放出1个氧分子要吸收8个波长为6.88×10-7m的光量子。同时每放出1mol氧气，植物储存469Kj的能量。绿色植物能量的转换效率约为多少？（普朗克常数h=6.63×10-37Kj/s) 放出1mol吸收光量子的能量： E＝NA×8×hv=NA×8×hc/λ= 6.02×1023×8×6.63×10-37×3×108/6.88×10-7 =1392.3Kj η=469/1392.3=33%

1997年诺贝尔化学奖的一半授予 了美国的保.博耶的英国的约翰.沃 克，以表彰他们在研究腺苷三磷 酸酶如何利用能量进行自身再 生方面取得的成就。腺苷三磷酸 又叫ATP，其结构如图，分子中 有二个高能磷酸键和一个低能磷酸键。 （1）写出ATP的分子式＿＿＿＿＿，其摩尔质量为＿＿＿＿＿＿； （2）已知每摩高能磷酸键和每摩低能磷酸键 水解可分别放出30514kJ和14212KJ的能量，如有50.7gATP 完全水解，则可放出___kJ的能量。 （1）C10H16O13N5P3，507g/mol （2）7524kj