第二章 化學(xué)與能源

化學(xué)與社會

ChemistryandSociety

張德主講

，第二章化學(xué)與能源§2-1能源與社會進步§2-2煤§2-3石油

天然氣§2-4汽油

柴油§2-5節(jié)能技術(shù)§2-6現(xiàn)代新能源

§2-1能源簡史

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是從事各種經(jīng)濟活動的最基礎(chǔ)的原動力，也是社會經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志能源：能夠提供能量的自然資源；即能為人類提供熱、光、動力等有用能量的物質(zhì)。

人們通常使用能量最多的形式有三種；熱能、機械能和電能。各種各樣的能源與這三種能量形式在一定條件下又可相互轉(zhuǎn)換的。能源簡史：根據(jù)各個歷史階段所使用的主要能源，可以分為柴草時期、煤炭時期、石油時期和新能源開發(fā)時期。1.柴草時期十八世紀(jì)初，即資本主義發(fā)展以前為柴草時期。那時人類是以樹枝，雜草等當(dāng)燃料，用于燒飯和取暖，而生產(chǎn)活動主要靠人力、畜力以及一些簡單的水力和風(fēng)力作機械動力。這段漫長的時期，人類社會的生產(chǎn)和生活處于很低的水平。，

2.煤炭時期十八世紀(jì)初下半葉起，產(chǎn)業(yè)革命導(dǎo)致了工業(yè)大發(fā)展，逐步擴大的煤炭利用促進了煤炭工業(yè)的大發(fā)展，使煤炭代替了薪柴成為生產(chǎn)生活的主要燃料；燃煤蒸汽機成為生產(chǎn)的主要動力；煤炭轉(zhuǎn)化成電力進入社會的各個領(lǐng)域，成為生產(chǎn)和生活的重要能源之一

3.

石油時期

從十九世紀(jì)后期起，石油資源的發(fā)展開拓了能源利用的新時代。石油和天然氣以熱值高、輸送方便、清潔和廉價等優(yōu)點，逐步在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中代替了煤炭。4.新能源開發(fā)時期上世紀(jì)50年代，世界石油和天然氣的消費超過了煤炭成為世界能源供應(yīng)的主力。70年代出現(xiàn)了的石油危機和環(huán)境問題，促使人類對能源的開發(fā)利用又轉(zhuǎn)向比較豐富的煤炭、核能以及太陽能和其它再生能源的研究，以便更好地解決人類將來的能源需要。

一種新能源的出現(xiàn)、能源科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破(蒸汽機技術(shù)、汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機)，都帶來世界性的經(jīng)濟飛躍和產(chǎn)業(yè)革命，極大地推動著社會的進步。

燃料的發(fā)展史

鑒于對能源研究的目的，按能源的來源可分為：1、一次能源：自然界中存在的可直接使用的能源，主要指的是化石燃料。如：煤、石油、天然氣等。2、二次能源：經(jīng)一次能源加工轉(zhuǎn)化成的能源。

如:電、汽油、柴油，煤氣、沼氣、氫氣、甲醇等燃料。

按能源能否再生可分為：3、再生能源：是不隨人類的使用而減少的能源。如:太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、潮汐能等；4、非再生能源：是隨人類的使用而逐漸減少的能源。

如:煤、石油、天然氣等。

能源的分類

5、能體能源，指既能儲存也可直接運輸?shù)娜剂?。?煤、石油、天然氣等。

按能源使用的成熟程度可分為:1、常規(guī)能源（傳統(tǒng)能源），是人類已經(jīng)長期廣泛使用，技術(shù)上比較成熟的能源，如煤、石油、天然氣等化石能源；2、過程性能源，指能夠提供能量的物質(zhì)運動形式，如水能、風(fēng)能和太陽能等。不能保存也很難直接儲存運輸。3、新能源，指雖已開發(fā)并有少量使用，但技術(shù)上還不成熟，使用也不普遍，卻具有潛在應(yīng)用價值的能源，如太陽能電池、氫能、原子能等?！?-2煤coal煤是最主要的固體燃料，是由千百萬年前的遠(yuǎn)古植物遺體在地表湖沼或海灣環(huán)境中，經(jīng)過復(fù)雜的地質(zhì)和生物化學(xué)的變化逐漸生成的。根據(jù)煤化程度的不同，分為泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤四類。煤的主要化學(xué)成分：

85％C、5％H、7.6％O、0.7％N、1.2％S。折算原子比，推出分子式：C135H96O9NS

標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒熱值:1cal=4.187J1.泥煤:＜60%C;3×106cal/㎏2.褐煤:60~75%C;6.5×106cal/㎏3.煙煤:75~90%C;7.5×106cal/㎏4.無煙煤:＞90%C;8×106cal/㎏C(g)+O2(g)=CO2(g)

Q=-7.8×106cal/㎏2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)

Q=-2.9×107cal/㎏無煙煤的含氫量為1~4%

煤炭資源在地球上化石燃料的總儲量中，煤炭約占80%。地質(zhì)總儲量為107500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中可開采量約為9854億噸.90%的可開采儲量集中在美國、俄羅斯、中國和澳大利亞等國。我國探明的可開采量為7300多億噸居世界第一位，占世界總儲量的66%。

1990年我國的原煤產(chǎn)量就突破了10億噸，2015年產(chǎn)量達(dá)到了39億噸，按現(xiàn)在的開采速度不到200年我國的煤炭資源就會枯竭。煤炭的主要用途是作為供暖、發(fā)電、煉焦和冶金的燃料，其次是用于提取焦油??煤化工。100℃以上200℃以上350℃以上400℃~450℃450℃~550℃550℃以上900℃以上蒸發(fā)自由水放出化合水及SO2、NH3、CO2無煤氣放出，只剩下焦炭固體成為焦炭，此時只放出煤氣繼續(xù)分解和出現(xiàn)固體殘留物大多數(shù)焦油被釋放開始分解，釋放出煤氣和焦油，煙煤軟化

主要的產(chǎn)品有三種：焦炭、煤焦油、焦?fàn)t氣

2.2.1煤的干餾（焦化）焦化廠煉焦?fàn)t分餾設(shè)備焦炭主要用于煉鐵，少量用作化工原料制造電石、電板等。煤焦油是一種又黑又臭的粘稠液體。可分離出苯、酚、萘、蒽、菲等重要化工原料，它們是醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、染料等行業(yè)的原料。焦?fàn)t氣煉焦?fàn)t產(chǎn)生出來的氣體物質(zhì)，溫度至少在700℃以上，其中除一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烯等可燃性氣體外，還有微量苯、氨等。焦?fàn)t氣可用來作城市管道民用燃?xì)狻?.2.2煤的氣化(一碳化學(xué))煤轉(zhuǎn)化為煤氣的化學(xué)反應(yīng)稱為一碳化學(xué)

1.碳+空氣→

CO2+N2放熱(煤氣發(fā)生爐升溫)煤氣可作為城市管道化清潔燃料，主要化學(xué)成分:40%H215%CO15%CH430%CO2

注:煤礦礦井下的瓦斯主要成分是甲烷和煤的粉塵。清潔能源：便于運輸、燃燒充分，無廢渣和煙塵排放，但有無色有害排放物的能源。煤炭的氣化就是獲得清潔能源的方法之一

2.H2O+C→

H2+CO（吸熱）

(水煤氣)3.CO+H2→

CH4+H2O（放熱）

(合成氣)煤+空氣+H2O（蒸汽）→N2+H2+CO2+CH4

2.2.3煤氣中毒爐溫較低或供氧不足時，主要產(chǎn)生的是CO。CO有優(yōu)先250倍的速度與輸送氧氣的血紅蛋白結(jié)合，阻斷了氧氣的輸送量，使人發(fā)生煤氣中毒。管道煤氣的主要成分是CO、CH4、H2等。為了使泄漏能提前得到預(yù)警，加入極微量的具有惡臭氣味的乙硫醇或四氫噻吩報警。一旦發(fā)生煤氣中毒事故，輕者要及時轉(zhuǎn)移到通風(fēng)的地方，重者則應(yīng)立即送到醫(yī)院搶救。在醫(yī)院里，將病人放入高壓氧艙，加速CO與血紅蛋白的分離，使病人自由地呼吸，緩解缺氧癥狀?！?-3石油

石油是由千百萬年前沉積在海底或湖泊中的動植物的有機體遺骸在地下深處，長期處在高溫、高壓和缺氧條件下，經(jīng)過漫長而復(fù)雜的生化反應(yīng)生成的。是一種黑色或暗棕色的油狀液體又稱原油.

主要化學(xué)成分：75%以上是各種烴類化合物的混合烴。還有含少量N、S、O元素的非烴化合物及含金屬元素的化合物。

石油雖可以直接作為燃料使用，但不能直接用來作某種發(fā)動機的燃料!

因此要通過一些科學(xué)的煉制方法提取分離出各種的燃料油、潤滑油和多種有機化工的基礎(chǔ)原料產(chǎn)品等。同時也提升了石油的經(jīng)濟價值！2.3.1石油的煉制方法：1.常減壓分餾法2.催化裂化法3.催化重整法4.加氫除S、N法石油的開采,大型煉油廠

煉油廠分溜設(shè)備各類油品的沸點范圍、大致組成及用途

石油裂解爐全圖2.3.2以石油為原料可獲得的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品現(xiàn)代石油化工可以直接從煉油中提提取分離出用于合成塑料、橡膠、纖維等的乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘等（八種）最基礎(chǔ)的有機化工產(chǎn)品。2.3.3液化石油氣（LPGliquetiedpetroleumgas）

來自石化和煉油廠，產(chǎn)生的末端副產(chǎn)品；在常溫常壓下，是（主要成分：丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等）小于C5烷烴氣體混合物，在一定的壓力下為液體充入鋼瓶。使用注意事項：1、防止漏氣。2、鋼瓶遠(yuǎn)離火源。3、保持良好的通風(fēng)。4、家用電器盡量與廚房隔離。

為什么液化石油氣罐在用完之后再搖一搖或澆一點熱水又可使用？通常家用的液化石油氣罐內(nèi)主要成分為C3和C4的烴類化合物，這些化合物在常溫下是氣體。經(jīng)過加壓后變成液體裝入罐內(nèi)。使用時只要打開閥門C3和C4就會立即氣化而噴出。點燃即可使用。當(dāng)所有的C3和C4都跑出來之后，火也就慢慢小下去。此時如果將液化氣罐子外澆一點熱水，火立刻大起來。這是因為液化石油氣中還含有一些C5。由于C5在常溫下是液體，其蒸氣壓隨溫度而升高。C5蒸氣同樣是可燃?xì)怏w，搖一搖或加溫都可幫助C5揮發(fā)氣化加快，但絕對不可用明火直接加熱液化氣罐?！?.5.汽油

汽油是由石油提煉出來的一種優(yōu)質(zhì)燃料，它是由含5～10個碳原子的烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和不飽和烴組成的混合物，相對分子質(zhì)量約為70～140，沸程60～200℃。它適用于氣化器式的內(nèi)燃發(fā)動機即汽油發(fā)動機，所以主要用于飛機、汽車、摩托車和快速艦艇。

2.5.1汽油的分類：

按用途分為：1.車用汽油、2.航空汽油、3.工業(yè)汽油、4.橡膠溶劑汽油、5.油漆溶劑汽油等。

按提煉方法分為：1.直餾汽油、2.裂化汽油、3.重整汽油、4.天然氣汽油。7.一、

辛烷值的意義：

由于汽油在發(fā)動機燃燒的過程中一些成分轉(zhuǎn)化成有機過氧化物（ROOH），當(dāng)這些過氧化物積聚到一定量時就會引起爆震。爆震會使燃料燃燒不完全、排黑煙、污染環(huán)境，嚴(yán)重者還會引起機械損壞。所以，抗爆性是汽油的一種重要性質(zhì)，通常用辛烷值來衡量。

異辛烷（2,2,4－三甲基戊烷）的抗暴性為100，正庚烷為零。汽油的牌號是根據(jù)辛烷值的大小來編排的，主要有70#、75#、80#、85#、90#、93#、97#等。汽油的牌號越大辛烷值越高，表示該汽油的抗爆性能越好。2.3.5汽油的抗爆性指標(biāo)-辛烷值二、影響汽油辛烷值大小的因素：

1、汽油的組成:

實際使用的汽油是將各種烴類根據(jù)辛烷值的要求和安定性及其他指標(biāo)合理調(diào)配而成。2、加入適量的助劑，助燃劑：甲基(乙基)叔丁基醚。

3、汽油辛烷值的計算方法:汽油牌號=(辛烷值-10)/0.8

90#的辛烷值為82；

93#的辛烷值為85。§2.3.6.煤油

煤油也由石油提煉出來的一種燃料油，它是由含10～16個碳原子的烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和不飽和烴組成的混合物沸程180～200℃。它1.適用點燈照明、生活用煤油爐；燈用煤油2.使用于洗滌機械零件；3.作為橡膠、農(nóng)藥、油墨的溶劑或稀釋劑；4.用于噴氣式飛機的燃料油。所以，航空煤油又叫噴氣燃料?！?.3.7.柴油柴柴油也是從石油中提煉出來的一種燃料油，它是由含16-20個碳原子的烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和不飽和烴組成的混合物沸程280～350℃。

柴油適用于壓燃式發(fā)動機（柴油機）的燃料。柴油發(fā)動機的熱效率比汽油發(fā)動機高，燃料比消耗低，比較經(jīng)濟。柴油分為輕柴油和重柴油，輕柴油主要用于載重汽車、大型轎車、拖拉機和農(nóng)用機械、內(nèi)燃機車和一些小型船舶的燃料，重質(zhì)柴油用于大型遠(yuǎn)洋船舶的低速內(nèi)燃機。

我國輕柴油主要有10、0、-10、-20、-35、-50號六個牌號，重柴油主要有10、20、30號三個牌號。

柴油的牌號與該油品凝固點的溫度基本一致。

正十六烷值是評定柴油發(fā)火性的指標(biāo)（定為100）

如十六烷值為45的輕柴油發(fā)火性與含45%的正十六烷的標(biāo)準(zhǔn)燃料相等。

§2.4.1石油資源在地球上化石燃料的總儲量中，石油的地質(zhì)總儲量為10000多億噸，其中700多億噸蘊藏在海洋里,全球已探明可開采量約為2650多億噸.已開采出1150億噸.剩余不到1400億噸.在我國石油的地質(zhì)儲量約為940億噸,可開采的僅有200多億噸.

2012年產(chǎn)量突破了2.4億噸，占全國消費量的50%。進口2.6億噸，按現(xiàn)在的開采速度不到40年我國的石油資源就會枯竭?！?.4.2天然氣資源

天然氣（LNGliquetiednaturalgas）是世界上需求增長最快的能源，天然氣主要成分為CH4，含量低于90%叫濕氣，高于90％叫干氣。我國天然氣儲量約38萬億m3，2016年我國共用了2050億m3。天然氣主要靠管道輸送。

我國著名的“西氣東輸”一期工程2004年就已竣工投入商業(yè)運營。從新疆塔里木輪南油田經(jīng)過九個省區(qū)全長4200公里到上海。設(shè)計年輸送300億m3的二期工程（湖北、湖南、廣州、深圳、香港)已完工。三期(廣東、江西、福建)正在建設(shè)中；總投資4200億元。

“西氣東輸”一期工程簡介新疆塔里木氣田，規(guī)劃中的“西氣東輸”，線路全長約4200公里，投資規(guī)模1400多億元，是目前我國距離最長、口徑最大的輸氣管道。該管道直徑1016毫米，設(shè)計壓力為10兆帕，年設(shè)計輸量120億立方米；全線采用自動化控制，供氣范圍覆蓋中原、華東、長江三角洲地區(qū)。西起新疆塔里木輪南油氣田，向東經(jīng)過庫爾勒、吐魯番、鄯善、哈密、柳園、酒泉、張掖、武威、蘭州、定西、西安、洛陽、信陽、合肥、南京、常州等大中城市，終點為上海。東西橫貫§2.4.3可燃冰資源

2007年在我國的青海省天峻縣木里地區(qū)勘探出相當(dāng)于350億噸油當(dāng)量的“可燃冰”。

“可燃冰”實際上是一種天然氣水合物的新型礦物。它是在低溫高壓條件下，由天然氣分子與水分子組成的一種類似像冰雪或固體酒精透明無色的物質(zhì)。遇火即可燃燒。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下：1m3可燃冰可釋放出164m3的天然氣，折合117kg其分子結(jié)構(gòu)就像一個一個的小”籠子”里面關(guān)著一個甲烷分子。

”籠子”是由若干個水分子通過氫鍵而構(gòu)成。

，

目前，國際上公認(rèn)，全球的可燃冰總儲量是地球上所有煤和石油及天然氣總和的2~3倍。可燃冰大部分蘊藏在海底。目前在世界上關(guān)于可燃冰開采的技術(shù)還不成熟，尤其是在海底的可燃冰。“可燃冰”被視為21世紀(jì)的新型綠色能源?？茖W(xué)家估計，全球海洋底部可燃冰分布的范圍約4千萬平方公里，儲量可供人類使用約1000年。已經(jīng)查明的儲量相當(dāng)于目前陸上石油、天然氣資源量總數(shù)的三分之一。我國南海海底存儲著豐富的可燃冰資源，§2.4.4頁巖氣資源頁巖氣，是從頁巖層中開采出來的一種非常重要的非常規(guī)天然氣資源。頁巖氣的形成和富集有著自身獨特的特點，往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖地層中。頁巖氣的化學(xué)成分主要是甲烷，另外還有一定量的乙烷、丙烷和丁烷。較常規(guī)天然氣相比，含硫量較低。因此頁巖氣除了作燃料用以外，還是重要的有機化工原料。利用現(xiàn)代技術(shù)已在我國重慶涪陵、陜西省榆林地區(qū)開采成功，目前以打井320余口。頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點。缺點是：鉆井深度要在2000米以上，鉆桿材料和工藝要求比較特殊，開采難度比開采天然氣大。經(jīng)初步評價，中國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42萬億立方米，可采資源潛力為25.08萬億立方米(不含青藏地區(qū))。壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點，2020年頁巖氣產(chǎn)量可達(dá)300億立方米官方數(shù)據(jù)表明，我國的頁巖氣資源至少不低于美國。2011年4月，美國能源信息署(EIA)發(fā)布報告稱，全球頁巖氣可采儲量為188萬億立方米，其中美國為24.35萬億立方英尺，中國則高達(dá)36萬億立方米，為全球第一。頁巖剖面圖年開采50億m3重慶涪陵頁巖氣示意圖國際能源署（IEA）標(biāo)準(zhǔn)油當(dāng)量:噸油當(dāng)量TonOilEquivalent（TOE）

一噸標(biāo)準(zhǔn)原油燃燒后所產(chǎn)生的熱量值?！秶H能源署（IEA）》規(guī)定能源的換算均以油當(dāng)量值作為參考值來換算其它能源的使用量。：

1噸油當(dāng)量≈

10000×107kcal≈4.2×106kJ

1噸煤當(dāng)量≈

7×106kcal≈3×107kJ

經(jīng)換算:1噸標(biāo)準(zhǔn)原油相當(dāng)于1.43噸標(biāo)準(zhǔn)煤。三、生物柴油生物柴油是從生物質(zhì)獲取的一類液體燃料。生物柴油的制取方法：1.是用動、植物油的制取。如草籽油、棉籽油或地溝油等經(jīng)過酯化處理后，就可變成易燃燒的油，它特別適合作為柴油機用的燃料油，故稱作酯化柴油；

2.我國河北、海南栽培著幾種經(jīng)濟樹種，叫“柴油樹麻風(fēng)樹”其樹枝和果實均可榨出一種組分類似柴油的液體，不需提煉就可作柴油使用?！?/p>

2.5

節(jié)能技術(shù)節(jié)省能源是世界性的潮流，

國際能源署把節(jié)能技術(shù)稱為

“第五大能源”與煤炭、石油和天然氣、水電、核能四大能源并列。節(jié)能途徑：結(jié)構(gòu)節(jié)能、管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能結(jié)構(gòu)節(jié)能：通過經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整，向節(jié)能型低碳化工業(yè)體系發(fā)展；如:建造坑口火力發(fā)電廠、煤氣發(fā)生站和煤化工廠,省去運輸和環(huán)境保護的費用。管理節(jié)能：加強檢測計量、優(yōu)化能源分配、杜絕“跑、冒、滴、漏”等現(xiàn)象的發(fā)生。技術(shù)節(jié)能：通過新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備、新器件的開發(fā)應(yīng)用來取得節(jié)能（熱、電）效益。水煤漿：

是一種很有前途的新型燃料。在煤粉中加入30%左右的水和少量添加劑（乳化劑和分散劑）,形成粘度低、穩(wěn)定性好的懸浮體，從而是固體煤變成液態(tài)化的燃料，實現(xiàn)以煤代油。優(yōu)點：儲存方便，燃燒充分、污染小，有良好的應(yīng)用前景。乳化油：是指能使油、粉末狀固體物質(zhì)和水充分混合變?yōu)橐环N乳狀液的添加劑。將油水混合，水量為10%-30%，添加千分之一左右的乳化劑，然后經(jīng)乳化而成。乳化油經(jīng)霧化可以改善燃料與空氣的混合和燃燒過程，從而達(dá)到節(jié)約燃料和降低燃燒污染的目的。化工生產(chǎn)過程中節(jié)能：

化學(xué)反應(yīng)過程、傳質(zhì)過程中節(jié)能，并有效利用余熱。

§2-6現(xiàn)代新能源太陽能氫能核能綠色能源概念資源豐富、不需運輸、不受地理位置的限制、無污染、無噪聲的最佳自然能源。地球上最根本的能源是太陽能。太陽每年輻射到地球表面的能量為5×1019kJ，相對于目前全世界每年能量消費的1.3萬倍，人類一直在間接利用太陽能。如煤、石油等的能量就是古生物蓄積起的太陽能。

人們利用太陽能的方法主要有三種：⒈太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，如光伏太陽能電池；⒉太陽能集熱器直接轉(zhuǎn)換成熱能，如太陽能熱水器；⒊太陽能直接轉(zhuǎn)換成生物化學(xué)能，即植物光合作用的仿生轉(zhuǎn)換研究，目的是讓人造糧食、人造燃料成為現(xiàn)實?！?-6.1

太陽能§2.6.2生物質(zhì)能生物質(zhì)能是指光合作用而產(chǎn)生的各種有機體儲存的能量.植物生長借葉綠素吸收太陽能發(fā)生光合作用的反應(yīng)式:

葉綠素mCO2+nH2O→-----→Cm(H2O)n+O2

光合作用據(jù)理論推算地球上每年通過植物光合作用可固定的碳達(dá)2×1011t，

含能量達(dá)3×1018kJ。每年的生產(chǎn)量就相當(dāng)目前人類消耗礦物能的20倍，或相當(dāng)于世界現(xiàn)有人口食物能量的160倍。

生物質(zhì)能是熱能的來源，為人類提供了基本燃料。

1、太陽能電池

光伏效應(yīng)：指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。依據(jù)此原理已制成的半導(dǎo)體材料有：單晶硅（Si）多晶硅（Si）、非晶態(tài)硅（Si）、硫化鎘CdS、砷化鎵GeAs等。

應(yīng)用：在日常生活中，太陽能的手表、計算器等。

用太陽能電池可作飛機、小汽車、摩托車的動力；現(xiàn)代高科技中，太陽能電池為人造衛(wèi)星和宇宙飛船探測宇宙空間提供了方便、可能的能源。、，，，2、太陽能集熱器

太陽能的能量密度低，必須將分散的太陽熱能聚集起來變成熱能加以儲存和利用。

聚焦集熱器：利用拋物面聚光原理，把太陽光聚焦到一點上，提高太陽能輻射的能量密度，使局部獲得高溫。用于蒸煮飯菜、太陽能熱水器等。太陽能真空集熱管：只需吸收微弱的太陽光，就能達(dá)到較高的溫度，廣泛用于北方冬季蔬菜大棚的保溫。水立方游泳館的水溫調(diào)節(jié)、淋浴，拉薩火車站的冬季取暖已發(fā)揮了預(yù)期的功能。，用太陽能調(diào)溫的水立方和拉薩火車站水立方氫氣作為燃料能源具有明顯的特點：⒈

資源極為豐富；氫是宇宙中最豐富的元素，據(jù)估計氫構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，存儲量大，但地球上的氫主要以化合物水的形式存在，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。2.能量大，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料中最高的，為142351kJ/kg，是汽油的三倍，被稱作高能燃料；3.綠色清潔，唯一的燃燒產(chǎn)物是水，常作為宇航員的飲用水；4.可循環(huán)和再生。2.6.3氫能目前的制取方法有：電解水法、熱化學(xué)法（高溫有中間介質(zhì)存在的條件下，分步完成水解）、光分解法（用鈦酸鍶和金屬鉑分別作光電極和暗電極，在光照下分解）、細(xì)菌產(chǎn)氫

如一種芽孢桿菌在使葡萄糖發(fā)酵時，能產(chǎn)生約0.25升的氫氣；一種藍(lán)綠藻，在一定的光照、溫度條件下進行光合作用產(chǎn)生氫氣。應(yīng)用：目前做為燃料主要用在航天方面:

氫的能量密度高，對減輕燃料自重、增加有效載荷極為重要。如美國發(fā)射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭燃料就是液態(tài)氫。某些精密分析儀器的繎焼氣等?；し矫?合成氨、有機物加氫還原等。汽車應(yīng)用方面:

成效更顯著；燃料電池。

氫雖然燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍（3%~97%），爆炸極限為3%，用鋼瓶儲存和運輸危險性高，再加上目前的科技水平，制取成本還太高，因此還不能作為民用燃料。氫的貯存和運輸：1.金屬氫化物貯氫（氫化鈉、氫化鈣），2.金屬吸附：（如鈦在常溫下可吸附的氫氣為本身體積的600倍，加熱時可釋放出來），3.某些無機物、有機液體氫化物貯氫（貯氫量大、運輸安全方便、例外貯氫劑用到的苯或甲苯可循環(huán)使用）。2.6.4潮汐能’由日月對地球的引力所引起的海洋潮汐中蘊藏著巨大的能量。在漲潮的過程中，洶涌而來的海水具有很大的動能，而隨著海水水位的升高，就把海水的巨大動能轉(zhuǎn)化為勢能；在落潮的過程中水位逐漸降低，勢能又轉(zhuǎn)化為動能。世界上潮差的較大值約為13～15m，但一般說來，平均潮差在3m以上就有實際應(yīng)用價值。潮汐能是因地而異的，不同的地區(qū)常常有不同的潮汐系統(tǒng)，他們都是從深海潮波獲取能量，但具有各自獨特的特征。盡管潮汐很復(fù)雜，但對于任何地方的潮汐都可以進行準(zhǔn)確預(yù)報。潮汐能的利用方式主要是發(fā)電。潮汐發(fā)電是利用海灣、河口等有利地形，建筑水壩，形成水庫，以便于大量蓄積海水，并在壩中或壩旁建造水利發(fā)電廠房，通過專用發(fā)電機進行發(fā)電。只有每月能出現(xiàn)大潮能量集中的海灣才適合于建造潮汐電站，從潮汐中提取能量才有可能。雖然這樣的場所并不是到處都有，但世界各國都已選定了相當(dāng)數(shù)量的適宜開發(fā)潮汐電站的站址。

浙江溫嶺江廈雙向潮汐能發(fā)電站，全國第一，世界第三

，，漲潮時蓄水落潮時發(fā)電潮汐發(fā)電機

核能（原子能）是核反應(yīng)時釋放出來的能量。在核反應(yīng)過程中，不僅元素發(fā)生了變化，而且還涉及到核內(nèi)質(zhì)子、中子、電子或其它基本粒子，伴隨著巨大的能量變化。2.6.5

核能

從原子核得到能量有兩種方法：優(yōu)點：1、能量巨大，而且非常集中。2、運輸量小，地區(qū)適應(yīng)性強。3、資源豐富。4、核燃料可以增殖循環(huán)使用。

一是裂變；即將某些含奇數(shù)個中子的重核分裂成兩個質(zhì)量相近的輕核；原子彈爆炸二是聚變；即將質(zhì)量較輕的核聚合成較重的核；氫彈爆炸

核素的增殖反應(yīng)：92U238+0n1→92U239+γ

92U239→93Np239+-1e0

93Np239→94Pu239+-1e0

鈾235和钚239一樣，均可進行裂變反應(yīng)一、

核裂變和核裂變能的利用首先發(fā)現(xiàn)的是235U的裂變

核裂變的過程

235U被慢中子轟擊時發(fā)生分裂成為質(zhì)量相近的兩個碎片，(大約有十多組，30多種新核素產(chǎn)生)同時有2～4個中子射出，這些生成的中子又可再去轟擊別的235U核誘發(fā)新的核裂變并產(chǎn)生更多的中子。從而引起更多的核裂變，中子從釋放到引起裂變的時間間隔只有萬分之一秒。核電站工作原理熱堆的概念

第一個中子生成：9Be+4He→12C+1n中子打入235U的原于核以后，原子核就會變得不穩(wěn)定，會分裂成兩個較小質(zhì)量的新原子核，這就是核的裂變反應(yīng)。90Sr+143Xe+31n235U+1n→142Ba+91Kr+31n

137Fe+97Zr+21n

（放出的能量叫裂變能；）

以其中一種裂變式為例：92U235+1n→56Ba142+36Kr91+31n各核素的摩爾質(zhì)量分別為（235.049、1.00867、141.9092、90.9056）g.mol-1

計算發(fā)生裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損：△m=（141.9092＋90.9056＋3×1.00867－235.049－1.00867）

=－0.21189g.mol-1計算出1g鈾裂變產(chǎn)生的熱量

△E=△mc2

△E=－0.2118g.mol-1×（2.9979×108m.s-1）2

=－1.9035×1013kg.m2.s-2.mol-1

=－1.9035×1013kJ.mol-1

▲1克235U按上式裂變可放出的能量為：△E=

－1.9035×1013kJ.mol-1×1.000g/235.439g.mol-1）=－8.1×107kJ.mol-1

1㎏鈾裂變產(chǎn)生的熱量為8.1×1010kJ

1㎏標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒后產(chǎn)生的熱量為3×104kJ

1㎏鈾裂變產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒后產(chǎn)生的熱量。

如果這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不加控制地進行下去，那么在極短時間內(nèi)大量核裂變并放出巨大的能量，結(jié)果產(chǎn)生原子爆炸，這就是原子彈爆炸的基本原理。如果設(shè)法控制這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使它維持在一定程度持續(xù)地進行，就可根據(jù)需要利用核能。核反應(yīng)堆的運行就是依據(jù)這一原理。

核反應(yīng)堆的組成：1、裂變材料：核燃料，U-235、Pu-239。2、減速劑：使中子減速，以誘導(dǎo)下一次核裂變。3、控制棒：用對慢中子有吸收作用的鎘棒和硼棒來控制。4、冷卻劑：將堆內(nèi)的熱量帶出。5、反射層：阻止中子泄漏。如鈹。6、屏蔽層：防止裂變產(chǎn)物的強放射性。汽輪機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子是用聯(lián)軸器連接在一起的。因此，汽輪機的轉(zhuǎn)動會帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)送到四面八方的用戶。

核電站就是利用原子核裂變反應(yīng)釋放的大量熱能來發(fā)電的核電站的中心是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆運行時產(chǎn)生的大量熱能由冷卻劑載帶出來，通過熱交換器把熱量傳給另一回路的水，使水產(chǎn)生高壓蒸汽驅(qū)動氣輪發(fā)電機組發(fā)電。。

與發(fā)電量相同的火力發(fā)電廠相比，核電站放出的污染物要少得多，發(fā)電成本低，燃料的運輸和儲存也比其它能源方便。因此，核裂變將成為世界動力的一種主要能源。我國的原子能科學(xué)技術(shù)，雖然起步晚，但經(jīng)過30多年的努力已具有雄厚的基礎(chǔ)。60年代以來，我國成功地爆炸了原子彈、氫彈和研制成核潛艇。至今，原子能開發(fā)利用技術(shù)已達(dá)到一定的水平，它為核電的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。1991年12月15日，我國自行設(shè)計的浙江秦山核電站一期工程30萬千瓦壓水堆機組并網(wǎng)發(fā)電成功。1993年底，廣東大亞灣核電站已經(jīng)成功運行。1995年，秦山核電站發(fā)電22億千瓦時，大亞灣核電站已超額完成了100億千瓦時的發(fā)電任務(wù)。這樣，我國在1995年核發(fā)電已達(dá)到122億千瓦時，目前我國已建成江蘇田灣、廣東嶺奧、福建寧德等11座核電機組，總裝機容量885萬千瓦，年發(fā)電量775億千瓦時，占全國電力總裝機容量的2.2%。正在建設(shè)中的廣東臺山核電站裝機容量為兩臺175萬千瓦，設(shè)計年發(fā)電260億千瓦時。去年陽江的6臺100千瓦中1臺將并網(wǎng)發(fā)電，三年內(nèi)輸電450億千瓦時。到2020年我國計劃建成總裝機容量4000萬千瓦，核電的貢獻(xiàn)可有2%上升到4%。二、核聚變和核聚變能的利用

如：2H+3H→4He+1n

氫彈爆炸核聚變由兩個或更多個輕核聚合成一個較重的核的過程，輕核聚變將伴隨著更巨大的能量釋放，是裂變反應(yīng)的4倍。核聚變反應(yīng)所需的活化能異常高，需幾千萬度的溫度。因此，要將核聚變能量作為實際能源加以利用，人類還需要走相當(dāng)長的路程。，，

原子彈的裝配示意圖

我國研制的第一顆原子彈

1964.10.15下午3時

我國在西部地區(qū)成功地試爆了第一顆原子彈

氫彈的裝配示意圖，，

我國研制的第一顆氫彈

1967.6.17上午8時20分

我國在西部地區(qū)上空成功地試爆了第一顆氫彈

1945年日本廣島、長崎原子彈的爆炸，1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站泄露事故對人類造成了嚴(yán)重的放射性污染。為了充分利用核能，應(yīng)當(dāng)了解有關(guān)核輻射污染及其防護的一般知識。三、核輻射與核污染-射線：是質(zhì)量較大的He粒子流，穿透物質(zhì)的能力弱，射程短。對人體不會造成外照射（放射性物質(zhì)在生物體外所產(chǎn)生的照射）危害。但如果進入人體，會造成危害性很大的內(nèi)照射，其主要途徑是通過飲食、呼吸或皮膚創(chuàng)口滲入等。（1）

核輻射的危害性:某些同位素發(fā)生衰變時自發(fā)的產(chǎn)生如下射線影響到人的健康和生命的安全。，1-射線：帶負(fù)電荷的粒子，它是由一個中子裂分出一個質(zhì)子后產(chǎn)生的，穿透能力比-射線強，高能的-粒子在空氣中的射程可達(dá)幾米?？蓪θ梭w構(gòu)成外照射危害。但它很容易被有機玻璃、塑料及其它材料屏蔽。其內(nèi)照射危害比-射線小。-射線：與前兩者相比，穿透能力最強。但由于它是不帶電的光子（波長在0.01～0.001nm之間），不能直接引起電離，所以它對人體的內(nèi)照射的危害反而比-

、-射線小，且無殘留。

放射性物質(zhì)無處不有。天然輻射來自宇宙、水、大氣、土壤、巖石（氡氣），還存在于各種食物中（較低）。

人體的輻射效應(yīng)是從細(xì)胞開始的，電離輻射與活細(xì)胞作用會使細(xì)胞的衰亡加速，使新細(xì)胞的生成受到抑制，或造成細(xì)胞畸型，或造成人體內(nèi)生化反應(yīng)的改變。在輻射劑量較低時，人體本身對輻射損傷有一定的修復(fù)能力，從而不表現(xiàn)危害或癥狀。但如果劑量過高，超出人體內(nèi)各種器官或組織所具有的修復(fù)能力，就會引起局部或全身的病變，如白血球發(fā)生變化，倦怠、全身無力、甲狀腺疾病、胎兒畸形等.（Rn-222氡氣的半衰期4.5天）

核電是綠色能源，核電的發(fā)展代表著一個國家科技和經(jīng)濟實力。

發(fā)展核電，人們最關(guān)注的問題有兩個，就是反應(yīng)堆的安全運行和核廢料的處置。

（2）核電站的輻射防護及污染物處理

核反應(yīng)堆運行時在產(chǎn)生熱量的同時會釋放出放射性物質(zhì)，如果泄露出來，就會污染環(huán)境，影響人們的身體健康。1986年4月26日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生了世界核電史上最嚴(yán)重的一次事故：堆芯熔毀，石墨砌體燃燒，大量放射性物質(zhì)外泄，31名核電站工作人員死亡。主要原因是該核電站建于1954年，當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)水平有限，采用的是石墨核反應(yīng)堆，而且還沒有安全殼，事故發(fā)生時放射性外泄嚴(yán)重。

因此采用成熟、先進的核反應(yīng)堆且具有嚴(yán)格安全措施保護，是核電站必須具備的條件。

目前較為成熟的壓水堆型核電站有三道安全屏障，燃燒包殼、壓力殼和安全殼。排出的氣體、液體和固體