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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煤、石油、薪柴、 天然气汽油、酒精、液 化气、煤气水力、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4050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。 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、CnH2n2 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(C511)、煤油(C1116)和柴油(C1518)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(3)煤的液化 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。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? 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。 气体燃料便于运输,使用方便(易点燃,易熄 灭),且清洁卫生。 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1/61/7,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 13O28CO210H2O)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HbCO,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:COHbO2 O2 HbCO,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。 (2)已知该反应平衡时, 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)104mol/L, c(O2)102mol/L,则c(HbCO)为c(HbO2)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 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_。 化学能反应热热 能热能QcmT 动动能E1/2 mv2电 能电量QIt光 能Eh=h/c生物能(ATP)ATP ADPPi+Q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(V0Vt)/2 , V0=0,Vt=12m/s,E=1/2mVt2-1/2mv02=5040Jn(葡萄糖)5040/2.80310
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