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1、現(xiàn)代大學(xué)化學(xué) ModernCollegeChemistry 第 4章 能源化學(xué)基礎(chǔ) Chapter 4 Energy 1Cal=4.184 J 4.1.2.3 能量轉(zhuǎn)換及其效率 將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)的能量稱為能量的轉(zhuǎn)換。 能量轉(zhuǎn)換與守恒定律：能量形態(tài) A=能量形態(tài) B+熱能損耗。 熱力學(xué)第一定律： U = Q + W 能量轉(zhuǎn)換的效率：能量轉(zhuǎn)換的效率較低，通常在 15% 55%之間。 不同形態(tài)能量之間的轉(zhuǎn)換效率見(jiàn)表 4.1. 表 4.1 不同形態(tài)能量之間的轉(zhuǎn)換效率 因此，開(kāi)發(fā)、研制高效率的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和設(shè)備也是十分有意義的 工作。 類型 轉(zhuǎn)換過(guò)程 效率 (%) 蒸汽機(jī) 煤 (油 )燃燒 蒸

2、汽 活塞運(yùn)動(dòng) 機(jī)械能 1540 熱力發(fā)電 煤 (油 )燃燒 蒸汽 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 電能 3040 汽 (柴 )油機(jī) 燃油燃燒 汽缸活塞運(yùn)動(dòng) 機(jī)械能 4060 化學(xué)電池 化學(xué)物質(zhì) 化學(xué)反應(yīng) 電能 7085 白熾燈 電能 光能 1020 日光燈 電能 光能 4060 發(fā)光二極管 電能 光能 90 光伏電池 光能 電能 1426 4.1.3 我國(guó)的能源狀況與危機(jī) 4.1.3.1 我國(guó)當(dāng)前的非再生能源狀況 油田：玉門油田；大慶油田、遼河油田、中原油田；勝利 油田、江蘇油田等的狀況；目前 60%依靠進(jìn)口； 煤礦：儲(chǔ)量占世界第三，產(chǎn)量占世界第一； 天然氣：正在開(kāi)發(fā)利用中。 4.1.3.2 我國(guó)可再生能源的利用

3、狀況 太陽(yáng)能（發(fā)電，熱水）：低，但正逐步提高！ 風(fēng)能（發(fā)電）、地?zé)崮?、潮汐能，等：低?麥秸桿（發(fā)電，飼料，發(fā)酵）：低！ 4.1.3.3 美國(guó)、日本等國(guó)的儲(chǔ)能計(jì)劃 圖 5.2 已探明的世界石油儲(chǔ)量與年產(chǎn)量之比 R 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 R=( 石油儲(chǔ)量/年產(chǎn)量 ） 年 y e a rs 4.2 4.2 化石燃料：煤碳、石油與天然氣 4.2.1 燃燒熱的定義與常見(jiàn)燃料的熱值 4.2.1.1 燃燒熱的定義 定義：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位質(zhì)量的燃

4、料完全燃燒后所釋放出 來(lái)的熱量稱為該物質(zhì)的 熱值或燃燒熱 。記為 cH，單位為 kJ/mol或 kJ/g。 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：指定溫度 T 和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（用上標(biāo) 表示 ） 單位質(zhì)量 (體積 )： 1g 物質(zhì)、 1 mol 物質(zhì)或 1 m3 氣態(tài)物質(zhì)。 完全燃燒： CCO2 (g); S SO2(g)； N N2(g)； H H2O(l)； Cl HCl(aq) 已知反應(yīng) 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)， H=-483.6kJ 問(wèn) H是 H2(g)的燃燒熱 cH嗎？為什么？ 物質(zhì) 熱值 物質(zhì) 熱值 物質(zhì) 熱值 甲烷 (g) -55.6 氫氣 (g) -142.9 木材 -19.0 乙炔 (

5、g) -50.0 一氧化碳 (g) -10.1 煙煤 -25-30 苯 (l) -41.9 正 /異丁烷 -49.6 無(wú)煙煤 -20-25 乙醇 (l) -31.1 汽油 -43-45 標(biāo)準(zhǔn)煤 -30 萘 (s) -40.3 柴油 42 4.2.1.2 常見(jiàn)燃料的燃燒熱 表 4.2 常見(jiàn)燃料的熱值（ kJ/g） 4.2.2 煤炭 4.2.2.1 煤的形成 煤 是由古代植物經(jīng)地殼變遷而積壓地下，在高溫高壓的條 件下經(jīng)長(zhǎng)期轉(zhuǎn)化得到的。其過(guò)程為： 植物殘骸 腐殖質(zhì) 泥煤 褐煤 煙煤 無(wú)煙煤 4.2.2.2 煤的分類 煤可根據(jù)其在燃燒過(guò)程中發(fā)煙與否分為 煙煤 和 無(wú)煙煤 。 4.2.2.3 煤化工 煤

6、中含有 S、 N、 O、 Si、 Ca、 Mg等雜質(zhì)，影響其使用。 以煤為原料，在一定的條件下生產(chǎn)、加工而獲得其它化工原 料、產(chǎn)品的工業(yè)稱為煤化工。 煤焦化 隔絕空氣時(shí)加熱 焦?fàn)t氣（ H2,CO,CO2,CH4,C2H4,NH3,苯 ,H2S等） 煤焦油（單環(huán)芳烴、稠環(huán)芳烴、瀝青，等） 焦炭（用于冶金、電石，等） 煤氣化 供氧不足時(shí)加熱 水煤氣（用做燃料，用于化肥工業(yè)，純堿工業(yè)） 人造煤氣（用做燃料） 煤的液化 人造石油，通過(guò)加熱、裂解、催化加氫等步 驟，可得到多種烴類物質(zhì)。 4.2.3 石油與天然氣 4.2.3.1 石油與天然氣的形成 石油與天然氣是古代海洋中的生物由于地殼運(yùn)動(dòng)而沉積于 地層

7、中，在高溫高壓的條件下經(jīng)長(zhǎng)期作用而生成的產(chǎn)物。 如圖 4.1 4.2.3.2 石油與天然氣的組成 石 油 烴類 非烴類 （硫化氫 ;硫醇 ;硫醚 ;噻酚 ,吡啶 ,吡咯類 ,等） 氣態(tài)烴（石油氣， C1C4低沸點(diǎn)組分） 液態(tài)烴 固態(tài)烴（ C36； 凡士林，蠟，瀝青，等） 汽油 （ C5C11正構(gòu)烷烴， 200 餾分 ） 煤油和柴油 （ C11C20正構(gòu)烷烴 ,200350 餾分） 潤(rùn)滑油 （ C20C36正構(gòu)烷烴， 300500 餾分） 天然氣 （ natural gas） 主要是甲烷 （ CH4） 和低沸點(diǎn) 揮發(fā)性組分的混合物 。 當(dāng)其中甲烷的體積分?jǐn)?shù)大于 50%時(shí)便稱為 “ 干天然氣 ”

8、， 否則稱為 “ 濕天然氣 ” 。 小知識(shí) :” 可燃冰 ” 現(xiàn)象 在一定的條件 （ 如 0 ， 26MPa） 下 ， 水分子彼此間通過(guò)氫鍵形成一種籠狀 結(jié)構(gòu) ， 該物質(zhì)可將中性分子或離子 (Cl2,CH4, Ar, Xe等 )包于籠內(nèi)而形成 水合物 (分子晶體 )。 研究表明： 1 m3 可燃 冰能貯存 164 m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的 CH4氣體 。 4.2.3.3 石油的加工 石油是多種化學(xué)物質(zhì)的混合物。必須經(jīng)過(guò)分離、加工 后才能使用。加工過(guò)程分 蒸餾 、 裂解 和 精煉 三種。 蒸餾 ：利用混合物中各組分沸點(diǎn)間的差異將化合物 進(jìn)行分離的方法稱為蒸餾。所用的設(shè)備稱為蒸餾塔。 蒸 餾 塔 示 意

9、圖 裂解 ：石油中輕油所占的比例大約只有 1/41/3。為了 得到更多用途更廣的輕油，可在熱、催化劑等的作用下將大 分子的重油裂解為小分子的輕油或短鏈烴。 精煉 ：蒸餾和裂解所得到的輕油中常含有微量含硫、含 氧、含氮化合物和不飽和烴類，影響油品的性能。 通過(guò)脫 硫、加氫等過(guò)程可降低這些雜質(zhì)的含量。 （煉油廠一角） 小知識(shí) : 汽車燃油的標(biāo)號(hào)與辛烷值 汽油在汽缸中正常燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?10-20m/s， 在爆震燃燒時(shí)可達(dá) 1500-2000m/s，后者條件下使氣缸 溫度劇升，汽油燃燒不完全，機(jī)器強(qiáng)烈震動(dòng)，從而使 輸出功率下降、機(jī)件受損、污染環(huán)境。 不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的烴類，具有不同的抗爆震能力。異

10、辛 烷（ 2,2,4-三甲基戊烷）的抗爆性能較好，辛烷值設(shè)定 為 100;正庚烷的抗爆性差，辛烷值設(shè)定為 0。 如某一汽油在引擎中所產(chǎn)生之爆震，正好與 97%異辛烷 及 3%正庚烷之混合物的爆震程度相同，即稱此汽油之 辛烷值為 97 。 品名 正庚烷 正辛烷 正壬烷 異辛烷 甲苯 乙苯 苯 辛烷值 0 -17 -45 100 103.5 98.9 115 4.3 化學(xué)電源 (Batteries， Cells) 電化學(xué)： 研究電能與化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化規(guī)律以及 轉(zhuǎn)化過(guò)程中有關(guān)現(xiàn)象的科學(xué) 研究化學(xué)現(xiàn)象與電 現(xiàn)象之間關(guān)系的學(xué)科 電化學(xué)過(guò)程借助一定的裝置（ 原電池、電解池 ）完 成化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為

11、化學(xué)能，或者將化學(xué)能 轉(zhuǎn)化為電能 在 原電池 中發(fā)生 自發(fā)反應(yīng) ， 可以對(duì)外做電功，是 化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?的過(guò)程 在 電解池 中對(duì) 非自發(fā)反應(yīng) 施加電功，使其得以發(fā)生， 是 電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能 的過(guò)程 電能 化學(xué)能 電解 電池 原電池（電池） ：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變 為電能的裝置，亦稱為 化學(xué)電源 。 4.3.1.1 單液電池 +H AgCl+Ag+H +H Zn HCl(a) 4.3.1 常見(jiàn)電池的類型 4.3.1.2 雙液電池 用素?zé)煞珠_(kāi) Cu + 4CuSO(aq) 4ZnSO (aq) 素瓷燒杯 鹽橋 用鹽橋分開(kāi)： 使得溶液中電荷達(dá)到平衡 素瓷燒杯 4ZnSO (aq) Cu +

12、4CuSO(aq) NoImage 化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可產(chǎn)生電能的電池的條件： 化學(xué)反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，或含氧化還原過(guò)程 適當(dāng)?shù)难b置，使化學(xué)反應(yīng)通過(guò)在電極上的反應(yīng)來(lái)完成 兩個(gè)電極，以及與電極建立電化學(xué)平衡的相應(yīng)電解質(zhì) 組成完整電路所需的其他附屬設(shè)備 4.3.2 電池符號(hào)與電極上的化學(xué)反應(yīng) 對(duì)原電池（化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置， Galvanic cell)，規(guī)定 : 寫在 左邊 的發(fā)生 氧化作用 , 氧化數(shù)升高 , 產(chǎn)生電子 , 為 負(fù)極 ； 寫在 右邊 的發(fā)生 還原作用 , 氧化數(shù)降低 , 消耗電子 , 為 正極 ； 不同材料之間的接觸界面用“ ,”或“ ”隔開(kāi) ;鹽橋用“ ” 表示； 離子要標(biāo)明濃

13、度，氣體要標(biāo)明壓力，純固體可以不加說(shuō)明； 電池反應(yīng)是兩電極反應(yīng)之和。 如上述銅 -鋅電池可表為： ZnZn2+(c1)Cu2+(c2)Cu 電池反應(yīng)方程為： 負(fù)極： ZnZn2+(c1)+2e 正極： Cu2+(c2)+2e Cu 總反應(yīng)方程為： Zn + Cu2+(c2) Zn2+(c1) + Cu 4.3.3 化學(xué)電源分類 4.3.3.1 一次電池 電池中的反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行一次電化學(xué)反應(yīng)放電之 后，就不能再次利用，如 干電池、紐扣電池 A. 傳統(tǒng)鋅 -錳干電池 電池符號(hào)： Zn|ZnCl2,NH4Cl|MnO2,C 負(fù)極反應(yīng) : ZnZn2+(aq)+2e; 正極反應(yīng) : 2NH4+2e 2N

14、H3 + H2(g) 2MnO2+H2(g) 2MnO(OH) 總反應(yīng) : Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH) + Zn(NH3)22+(aq) B. 堿性鋅 -錳干電池 在傳統(tǒng)鋅 -錳干電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾點(diǎn)改進(jìn) : 用堿性 KOH糊狀液代替中性 NH4Cl糊狀液，導(dǎo)電性更好； 用鋅粉代替鋅板，接觸面積更大，反應(yīng)速度更快更徹底。 電池符號(hào)： Zn | KOH(79mol/L) | MnO2,C(石墨 ) 負(fù)極反應(yīng)： Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e 正極反應(yīng)： MnO2(s)+2H2O(l)+2e Mn(OH)2(s)+2OH

15、-(aq) 電池反應(yīng)： Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l) ZnO(s)+Mn(OH)2(s) C. 鋅 -汞電池 電池符號(hào)： Zn,Hg | KOH-ZnO(糊狀 ) | HgO-Hg,C(石墨 ) 負(fù)極反應(yīng)： Zn(Hg) +2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e 正極反應(yīng)： HgO(s) + H2O(l) + 2e Hg(l) + 2OH-(aq) 電池反應(yīng)： Zn(Hg) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l) 電池特點(diǎn)： 反應(yīng)更徹底，電量更大。但汞對(duì)環(huán)境有污染，已 于 1999年禁止生產(chǎn)。 D. 銀 -鋅紐扣電池 電池符號(hào)： Zn-ZnO | KOH

16、(40%) | Ag2O-Ag 負(fù)極反應(yīng)： Zn(s) + 2OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e 正極反應(yīng)： Ag2O(s) + H2O(l) +2e 2Ag(s) + 2OH-(aq) 電池反應(yīng)： Zn(s) + Ag2O(s) ZnO(s) + 2Ag(s) 電池特點(diǎn)： 價(jià)格較高，但比容量較大。 4.3.3.2 蓄電池（二次電池；可充電電池） 放電后可充電，使活性物質(zhì)基本復(fù)原，可重復(fù)、多次 利用。如 鉛蓄電池、鋰離子電池 等 A. 鉛酸蓄電池 電池符號(hào)： Pb-PbSO4|H2SO4|PbSO4-PbO2 電池反應(yīng) : B. 鎳 -鎘電池 電池符號(hào) : Cd | KOH (1.

17、191.21g/cm3) | NiO(OH),C 電池反應(yīng) : C. 鋰離子電池（ 搖椅電池 ） 充電時(shí) , (正 )鋰離子在外電場(chǎng)的作用下進(jìn)入層狀石墨 (負(fù) ),處于高能態(tài) ;放電時(shí)鋰離子從高能態(tài) (負(fù) )脫離出來(lái)進(jìn) 入低能態(tài) (正 ),同時(shí)通過(guò)外回路放出多余的電能。 鋰離子處于從正極 負(fù)極 正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 。 Li離子電池的優(yōu)點(diǎn)： 1. 通訊，如手機(jī) Li離子電池的用途： 1. 重量輕（從金屬殼到塑料殼），能量密度大 2. 優(yōu)良、安全，有防暴閥，環(huán)境污染較小 3. 比能量高，循環(huán)壽命長(zhǎng) 4. 電壓較高（ 3.6V），成本相對(duì)較低 2. 電子器件，電腦等 3. 人造器官用電，如心臟起搏器等

18、4.3.3.3 燃料電池（連續(xù)電池） 原電池和蓄電池將有限量的化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，故 均不能連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間工作，給許多實(shí)際使用帶來(lái)不便。 燃料電池將化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在電池外部，故可隨原料的不斷 輸入而連續(xù)發(fā)電。 常用的燃料（還原劑） 有： 氫 , 甲醇 , 肼 , 天然氣 , 等； 常用的氧化劑有： O2， Cl2， Br2，等； 常用的介質(zhì)有： 酸溶液 , 堿溶液 , 鹽溶液 , 等。 電池符號(hào)： M1,H (g,p1) | KOH(35%) | O2(g,p2),M2 負(fù)極反應(yīng)： H2+2OH- 2H2O + 2e 正極反應(yīng)： O2+H2O+2e 2OH- 電池反應(yīng)： H2+ O2 H2O

19、燃料電池的優(yōu)點(diǎn) 1、高效 化學(xué)能 熱能 機(jī)械能 化學(xué)能 電能 機(jī)械能 80% 2、環(huán)境友好 不排放有毒的酸性氧化物， CO2比熱電廠少 40%， 3、重量輕，比能量高 用于航天，汽車工業(yè)，應(yīng)急電源等 21世紀(jì)首選的清潔能源 產(chǎn)物水可利用，無(wú)噪音 4、穩(wěn)定性好，可連續(xù)工作，可積木式組裝，可移動(dòng) 氫氧燃料電池的難點(diǎn) 氫氣的儲(chǔ)存 液氫要求高壓、低溫，有危險(xiǎn)性 鋼瓶?jī)?chǔ)氫，可使用氫氣只占鋼瓶質(zhì)量的 1%， 也有危險(xiǎn)性 研制儲(chǔ)氫金屬和其他儲(chǔ)氫材料 研制用太陽(yáng)能制備氫氣 在 298K， 200atm下碳納米管吸 附氫（紅色）的模擬圖象 冷 凝 管 溫 度 計(jì) 分 餾 柱 冷 卻 水 4.4 核反應(yīng)與核能源

20、4.4.1 原子核的組成 原子核（ nuclei）由質(zhì)子（ proton） 和中子（ neutron）組成；質(zhì)子和 中子統(tǒng)稱為核子； 元素的化學(xué)性質(zhì)由核外電子的構(gòu)型和數(shù)目確定；原子核 的性質(zhì)由質(zhì)子和中子的數(shù)目確定； 原子序數(shù) =原子核中的質(zhì)子數(shù) Z=原子的核外電子總數(shù) n; A X , 如 12 C, 235 U， 等。 Z 6 92 質(zhì)子的靜止質(zhì)量為 mp=1.00728u；中子的靜止質(zhì)量為 mn=1.00867u; 電子的靜止質(zhì)量為 me=0.00055u Mp=Mn=1840Me; A(元素的質(zhì)量數(shù) )= Z (質(zhì)子數(shù) ) + N(中子數(shù) ) (忽略電子的質(zhì)量 ) 質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同

21、的元素處于元素周期表中的同一 位置，稱為 同位素 （ Isotope），如氕，氘，氚 ; 核可表為 穩(wěn)定核 放射性核 （不穩(wěn)定核） 放 射 性 裂 變 放 射 性 放 射 性 + ，- 緩 發(fā) 裂 變 質(zhì) 子 放 射 性 重 離 子 放 射 性 緩 發(fā) 質(zhì) 子 緩 發(fā) 中 子 4.4.2 核的穩(wěn)定性與衰變 4.4.2.1 穩(wěn)定核的 A:Z(或 N:Z)關(guān)系 圖4. 2 穩(wěn) 定 核 的A:P ( 或N:P) 關(guān) 系 (質(zhì)子數(shù) ) ( 質(zhì) 量 數(shù)) 由圖可見(jiàn)，所有穩(wěn)定核素的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間存在良好的相關(guān)性， 稱對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)楹说姆€(wěn)定區(qū)。不穩(wěn)定的核一般不在這個(gè)區(qū)域，它們可以通過(guò) 衰變來(lái)改變 A/Z比值

22、，從而回到穩(wěn)定區(qū)域成為穩(wěn)定核素。如， A,B點(diǎn)。 (2:1) A: 中子變質(zhì)子 (負(fù)電子發(fā)射 ) B: 質(zhì)子變中子 (正電子發(fā)射 ) 4.4.2.2 放射性同位素的衰變 目前已知的兩千七百多種核素中，絕大多數(shù)是不穩(wěn)定 的。不穩(wěn)定的核素要自發(fā)地變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素， 同時(shí)還要釋放出一定的粒子流，這種性質(zhì)稱為 放射性 衰變 。 核素在衰變過(guò)程中釋放出來(lái)的粒子流，稱為 射線 。 具有放射性的同位素，稱為 放射性同位素 。 放射性衰變的種類主要有以下幾種： 衰變： 質(zhì)量數(shù)（ A or N）較大的不穩(wěn)定同位素通過(guò) 釋放 粒子（ ）來(lái)達(dá)到它的穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)，如： 衰變： 中子數(shù)較多的不穩(wěn)定同位素可通過(guò) 衰變

23、（釋放 負(fù)電子 、 正電子 ）或中子發(fā)射而達(dá)到其穩(wěn)定核構(gòu)型。如 4 He 2 238 U (鈾 ) 234 Th (釷 ) + 4 He（ 粒子） 92 90 2 emission 9 Li 9 Be + 0 e (負(fù)電子， 粒子 ) 3 4 -1 n emission 9 Li 8 Li + 1 n (中子 ) 3 3 0 衰變： 處于 激發(fā)態(tài) 的原子核可以通過(guò) 射線 （高能電 磁輻射）釋放多余的能量， 躍遷到 低激發(fā)態(tài) 或 基態(tài) ， 以求達(dá)到其穩(wěn)定核構(gòu)型。 基態(tài) (ground state)：原子核可處于不同的能量狀態(tài)，正常情 況下處于最低的狀態(tài)。 激發(fā)態(tài) (excited state)：

24、原子核在某些核反應(yīng)、核裂變及放射 性衰變后仍處于高能狀態(tài)。 小知識(shí) : 放射性衰變紀(jì)年法 考古學(xué)時(shí)鐘 由太陽(yáng)射線產(chǎn)生的中子流與大氣中的 14N碰撞引發(fā)核反應(yīng) 生成 14C（方程 A），而 14C是不穩(wěn)定的放射性核素，會(huì)發(fā) 生衰變而回到 14N（方程 B）： 大氣中 12C、 14C的濃度都是基本恒定的，因而大氣中（因而 各種活的生命體中） 12C/14C的比值也是恒定的。 放射性同位素的衰變的動(dòng)力學(xué)方程為 ln(c0/c)=k1t。半衰期 （衰變掉一半所需的時(shí)間） t=ln2/k1，與初始濃度 c0無(wú)關(guān)。 不同放射性同位素的半衰期為 A： 14 N + 1 n 14 C + 1 p B: 14

25、 C 14 N + 0 7 0 6 1 6 7 -1 同位素 14 C 14 N+ 40 K 40 Ar+ 6 7 19 20 t(年 ) 5730 1.3109 例 4.1 考古人員從徐州某古墓中找到一塊棺木，經(jīng)同位 素檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該木塊中 14C/12C之比是現(xiàn)代樹(shù)木中 14C/12C之 比的 78%。問(wèn)該古墓應(yīng)屬于哪個(gè)朝代？已知 14C的半衰期 t= 5730年。 解： (14C/12C)古 /(14C/12C)現(xiàn) =14C古 /14C現(xiàn) =0.78 k1=ln2/t=ln2/5730=1.2110-4a-1 由 ln(N0/N)=k1t 得 t=(1/k1)ln(N0/N)=(1/k1)l

26、n(1/0.78)=2053年 答：該古墓可能屬于漢代早期。 4.4.3 原子核的結(jié)合能 4.4.3.1 核子質(zhì)量與核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損 原子質(zhì)量單位 （ 碳單位 ） ：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定 ， 以 12C 的原子質(zhì)量的 1/12作為原子質(zhì)量的單位 ， 記為 amu或 u。 質(zhì)子的靜止質(zhì)量為 mp=1.00728u；中子的靜止質(zhì)量為 mn=1.00867u; 電子的靜止質(zhì)量為 me=0.00055u。 4He的摩爾質(zhì)量為 4.00150g/mol；組成核子的原始質(zhì)量為 21.00728u+21.00867u=4.03190u；質(zhì)量虧損 m=-0.0304u。 說(shuō)明在反應(yīng)過(guò)程中有部分質(zhì)量損失了 。

27、4.4.3.2 原子核的結(jié)合能 Eb 根據(jù) Einstein質(zhì)能關(guān)系式 E= m C2，相應(yīng)的質(zhì)量虧損通 過(guò)能量的形式釋放出來(lái)（核的能量降低了），稱為原子核 的結(jié)合能（ Binding Energy), 記為 Eb。 Eb越大，核子之間的結(jié)合就越牢固，原子核就越穩(wěn)定。 對(duì)于比較不同原子核的穩(wěn)定性，我們引入核子的平均結(jié)合 能 Eb,平均 ， Eb,平均 = Eb/A (質(zhì)量數(shù) )。 核子的平均結(jié)合能越大 Eb,平均 ，原子核就越穩(wěn)定。 例 4.2 已知 12753I的摩爾質(zhì)量是 126.9004g/mol，計(jì)算核 子的平均結(jié)合能 Eb,平均 。 解： 原子（ 12753I ）的質(zhì)量是 126.9

28、004 amu 原子中核子的靜止質(zhì)量是 53mp+(127-53)mn =128.0274 amu 質(zhì)量虧損為 m=126.9004-128.0274=-1.12702 amu 核結(jié)合能為 Eb= mC2=-(1.12702/6.0231026)(3108)2 =1.68410-10J 核子平均結(jié)合能 Eb,平均 =1.68410-10J/127=1.32610-12J 圖 4.3 Eb,平均 隨 A 的 變 化 由圖可見(jiàn)，較輕的核和較重的核的核子平均結(jié)合能較小，穩(wěn)定性較差， 而中等質(zhì)量的核的核子平均結(jié)合能較大， Fe 的 Eb,平均 最大，所以最穩(wěn)定。 A56, 大核變小核，更穩(wěn)定 (裂變

29、) . 各原子核的核子平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù) A的變化如圖 4.3。 裂變 聚變 4.4.4 核的裂變與聚變 4.4.4.1 核的裂變（ fission） 重核受到激發(fā)分裂為幾個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象 稱為 原子核裂變 。重核裂變可以釋放大量能量，為人 類提供一種新的能源。普通的核武器和核電站都依賴 于裂變過(guò)程產(chǎn)生的能量。 核裂變產(chǎn)物大多具有放射性。 當(dāng)一個(gè)重核 受到慢中子轟擊，分裂成兩個(gè)中等原子 量的核，并放出一個(gè)到三個(gè)中子，這種中子稱為 再生中子 ， 同時(shí)還釋放大量的能量。如果分裂時(shí)放出的再生中子又能引 起另外的 核分裂，可使反應(yīng)繼續(xù)下去，并不斷釋放大量原 子核能，這種反應(yīng)稱為 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 。 H

30、 2 1 235U 235U 142 Ba + 91 Kr+ 3 1 n 235U + 1n 56 36 0 137 Te + 97 Zr+ 2 1 n 52 40 0 4.4.4.2 原子彈與反應(yīng)堆 核武器 是利用核裂變或聚變反應(yīng)釋放的能量，產(chǎn)生爆 炸作用并具有大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)的武器的總稱。 原子彈 是主要利用 鈾 235或钚 239等重原子核的裂變鏈?zhǔn)?反應(yīng)原理之稱的武器。 核反應(yīng)堆 通過(guò)受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置 ， 可使裂變產(chǎn)生的中 子數(shù)等于各種過(guò)程消耗的中子數(shù) , 以形成所謂的自持鏈反應(yīng) (self- sustaining chain reaction)。 Pt 4.4.4.3

31、核的聚變 (Fusion)-氫彈 由圖 4.3可見(jiàn)：核聚變所釋放的能量大于核裂變所釋放的 能量； 核聚變能比核裂變能威力大的多 ,它是一種最理想 的清潔能源，是開(kāi)發(fā)核能的主攻方向 。 氫彈 是主要利用重氫（氘）或超重氫（氚）等輕原子核的 熱核反應(yīng)原理制成的熱核武器或聚變武器。 氫彈是利用內(nèi)部一個(gè)小型鈾原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫引爆的 。 40 000 000 He42 2H 核聚變產(chǎn)物不是放射性的。 核聚變所需的溫度較高（ T50,000,000 ） ； 目前太陽(yáng)上正在進(jìn)行的是氫聚變成氦的反應(yīng)，氫消耗到一 定程度后進(jìn)行 H+He Li； He+HeC； 等的反應(yīng)， 聚變所需要的溫度也越來(lái)越高。如果星

32、球質(zhì)量（進(jìn)而吸引 力和壓力）足夠大，溫度就足夠高，最終會(huì)引發(fā)生成 Fe的 聚變，反應(yīng)終止。星球變?yōu)榘装牵ㄋ诘奈恢梅Q為黑 洞）。 白矮星特點(diǎn)：體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。 H 3 1n 1 0 Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) 放電 充電 2Ni(OH)2(s) + Cd(OH)2(s) 4.5 可再生能源的利用 不隨人類的利用而明顯減少的能源稱為可再生能源。常見(jiàn)的 可再生能源有太陽(yáng)能，風(fēng)能，水力能，潮汐能和地?zé)崮艿?。 4.5.1 太陽(yáng)能 太陽(yáng)每秒鐘輻射到地球上的能量相當(dāng)于 106107噸標(biāo)準(zhǔn)煤的 能量，相當(dāng)于全世界能耗的 1萬(wàn)倍，是真正的綠色能源。目 前

33、人類所使用的礦物燃料均來(lái)源于太陽(yáng)億萬(wàn)年來(lái)的奉獻(xiàn)。 太陽(yáng)能的利用包括太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)爐等許多方面。 光 熱轉(zhuǎn)換、光 電轉(zhuǎn)換和光 化學(xué)轉(zhuǎn)換 等 4.5.2 風(fēng)能的利用 風(fēng)能是指太陽(yáng)輻射造成地球各部分受熱不均勻，引起 各地溫差和氣壓不同，導(dǎo)致空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量。 利用風(fēng)力機(jī)可將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能、機(jī)械能和熱能等。 風(fēng)能利用的主要形式有風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水、風(fēng)力致熱以 及風(fēng)帆助航等。 4.5.3 氫能 4.5.3.1 氫能的特點(diǎn) 氫的燃燒熱為 143kJ/g,是汽油的 3.25倍 ,是標(biāo)準(zhǔn)煤的 4.77倍。是自然界中熱值最高的燃料。 氫的燃燒產(chǎn)物為 H2O，無(wú)廢氣、無(wú)煙塵，是自然界中 最清潔的燃料。 自然

34、界中含有大量的水（ H2O），氫是自然界中含量 最豐富的物質(zhì)之一，是自然界中含量最高的潛在能源。 氫的燃燒對(duì)溫度、壓力的依賴性小，可用于更加惡劣 （如極地低溫）的工作環(huán)境。 4.5.3.2 氫的制備 大氣中幾乎不含游離的氫，需通過(guò)一定的制備方法方 能得到，因此，氫為二次能源。 目前人們提出的制氫方法有： 電解水法： 2H2O(l)2H2(g)+O2(g) 高溫 (2000 )熱裂法： 2H2O(l)2H2(g)+O2(g) 催化熱解法。 4.5.3.3 氫的貯存 在室溫下，在 40L、 150atm的鋼瓶里只能貯存約 0.5kg 的氫。 儲(chǔ)氫合金 ：能儲(chǔ)存氫的金屬和合金。 儲(chǔ)氫量大、能耗 低、

35、工作壓力低、使用方便， 具有良好的應(yīng)用前景。 4.5.4 生物質(zhì)能 綠色植物在葉綠素的作用下，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué) 能而儲(chǔ)存在植物的根、莖、葉中。植物的根、莖、 葉中儲(chǔ)存的能量稱為生物質(zhì)能。 生物質(zhì)能是可再生能源。 生物質(zhì)能潛力大、種類多、來(lái)源廣。有木材和森林 工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、可燃生活垃 圾，等。 生物質(zhì)能的應(yīng)用方法有 直接燃燒法：如焚燒麥秸桿（取暖、做飯、發(fā)電）； 深加工法：將生物質(zhì)材料壓制成成型燃料，提高使 用的便利性和燃燒效率； 熱化學(xué)轉(zhuǎn)換法：在高溫絕氧的條件下，獲得木炭、 焦油和燃?xì)猓?生化轉(zhuǎn)換法：如通過(guò)發(fā)酵生成沼氣、酒精等。 4.5.5 地?zé)崮?地?zé)豳Y源 ：是指在當(dāng)前

36、技術(shù)經(jīng)濟(jì)和地質(zhì)環(huán)境條件下，地 殼內(nèi)能夠科學(xué)、合理地開(kāi)發(fā)出來(lái)的巖石中的熱能量和地 熱流體中的熱能量及其伴生的有用組分。 地?zé)豳Y源，按賦存形式可分為水熱型 (又分為干蒸汽型、 濕蒸汽型和熱水型 )、地壓型、干熱巖型和巖漿型 4大類； 按溫度高低可分為高溫型 (150 )、中溫型 (90 149 ) 和低溫型 (89 )。 地?zé)崮艿睦梅绞街饕械責(zé)岚l(fā)電和地?zé)嶂苯永脙纱?類。 4.5.6 海洋能 海洋能： 是指蘊(yùn)藏在海洋中的可再生能源，它包括潮 汐能、波浪能、潮流能、海水溫差能和海水鹽差能 等不同的能源形態(tài)。 海洋能按儲(chǔ)存的能量形式，可分為 機(jī)械能、熱能和化 學(xué)能 。 End of Chapter 4 圖 4.1 石油、天然氣在地層中的分布 Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 放 電 充 電 海洋生物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代 ， 與淤泥混合，首先形成臘狀的 生油巖 ， 再退化成液態(tài)和氣態(tài)的碳?xì)浠衔铩Ｓ捎谶@些碳?xì)浠衔锉雀浇膸r石 輕，它們又滲透到附近的有縫隙巖層中，直到滲透到上面緊密無(wú)法滲透 的、本身則多空 隙 的巖層中。這樣聚集到一起的石油形成 油田 。 分 餾 裝 置 示 意 圖 精 餾 塔 的 結(jié) 構(gòu) 與 外 形 煉油廠一角