大學(xué)化學(xué)-能源化學(xué)基礎(chǔ)-9-4省公開(kāi)課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

當(dāng)代大學(xué)化學(xué)

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第4章能源化學(xué)基礎(chǔ)Chapter4Energy&Chemistry

8/18/202411/76本章概要4.1能源分類與能量轉(zhuǎn)化 4.1.1能源定義與分類；4.1.2能量形態(tài)與轉(zhuǎn)換；4.1.3我國(guó)能源情況與危機(jī)4.2化石燃料：煤碳、石油與天然氣 4.2.1燃燒熱定義與常見(jiàn)燃料熱值；4.2.2煤炭；4.2.3石油與天然氣4.3化學(xué)電源 4.3.1化學(xué)電源工作原理；4.3.2電池符號(hào)與電極上化學(xué)反應(yīng)；4.3.3幾個(gè)慣用原電池；4.3.4幾個(gè)慣用可充電電池；4.3.5燃料電池8/18/202422/764.4核反應(yīng)與核能源 4.4.1原子核組成；4.4.2核穩(wěn)定性與衰變；4.4.3原子核結(jié)合能；4.4.4核裂變與聚變4.5可再生能源利用 4.5.1太陽(yáng)能；4.5.2風(fēng)能利用；4.5.3氫能；4.5.4生物質(zhì)能復(fù)習(xí)：教材第10章預(yù)習(xí)：教材第11章習(xí)題：10.2~10.58/18/202433/764.1能源分類與能量轉(zhuǎn)化4.1.1能源定義與分類定義：

能源是指能夠從中取得能量資源。分類：

可再生能源不隨人類利用而顯著降低能源非再生能源隨人類利用而降低能源太陽(yáng)能地?zé)?、火山風(fēng)能、潮汐能一次能源存在于自然界中、可直接利用能源二次能源需依靠其它能源制取能源電能、氫能、汽、柴油酒精、火炸藥化石燃料

(煤,石油,天然氣)核燃料按能源生成方式按能源在當(dāng)代社會(huì)中地位分：常規(guī)能源(石油、天然氣等)和新能源(核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等)。按能源消費(fèi)后是否造成環(huán)境污染分：污染能源和清潔型能源(太陽(yáng)能、水能、電能氫能、燃料電池等)。8/18/202444/764.1.2能量形態(tài)與轉(zhuǎn)換4.1.2.1能量形態(tài)有7種

①機(jī)械能；②熱能；③化學(xué)能；④電能；⑤光能；⑥核能；和⑦生物能。4.1.2.2能量單位卡路里(Calorie，Cal)；千卡或大卡（kCal）焦耳(Jole,J)；千焦(kJ);1Cal=4.184J8/18/202455/764.1.2.3能量轉(zhuǎn)換及其效率將一個(gè)能量轉(zhuǎn)換為另一個(gè)形態(tài)能量稱為能量轉(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：ΔU=Q+W能量轉(zhuǎn)換效率：能量轉(zhuǎn)換效率較低，通常在15%~55%之間。不一樣形態(tài)能量之間轉(zhuǎn)換效率見(jiàn)表4.1.8/18/202466/76表4.1不一樣形態(tài)能量之間轉(zhuǎn)換效率

所以，開(kāi)發(fā)、研制高效率能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和設(shè)備也是十分有意義工作。類型轉(zhuǎn)換過(guò)程效率(%)蒸汽機(jī)煤(油)燃燒蒸汽活塞運(yùn)動(dòng)機(jī)械能15~40熱力發(fā)電煤(油)燃燒蒸汽汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電能30~40汽(柴)油機(jī)燃油燃燒汽缸活塞運(yùn)動(dòng)機(jī)械能40~60化學(xué)電池化學(xué)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)電能70~85白熾燈電能光能10~20日光燈電能光能40~60發(fā)光二極管電能光能~90光伏電池光能電能14~268/18/202477/764.1.3我國(guó)能源情況與危機(jī)4.1.3.1我國(guó)當(dāng)前非再生能源情況油田：玉門油田；大慶油田、遼河油田、中原油田；勝利油田、江蘇油田等情況；當(dāng)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。8/18/202488/764.1.3.2我國(guó)可再生能源利用情況太陽(yáng)能（發(fā)電，熱水）：低，但正逐步提升！風(fēng)能（發(fā)電）、地?zé)崮堋⒊毕?，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)儲(chǔ)能計(jì)劃8/18/202499/76圖5.2已探明世界石油儲(chǔ)量與年產(chǎn)量之比R4.28/18/20241010/764.2化石燃料：煤碳、石油與天然氣4.2.1燃燒熱定義與常見(jiàn)燃料熱值4.2.1.1燃燒熱定義定義：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位質(zhì)量燃料完全燃燒后所釋放出來(lái)熱量稱為該物質(zhì)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）8/18/20241111/76單位質(zhì)量(體積)：1g物質(zhì)、1mol物質(zhì)或1m3氣態(tài)物質(zhì)。完全燃燒：CCO2(g);SSO2(g)；NN2(g)；HH2O(l)；ClHCl(aq)已知反應(yīng)2H2(g)+O2(g)2H2O(g)，H=-483.6kJ問(wèn)H是H2(g)燃燒熱cH嗎？為何？8/18/20241212/76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(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~424.2.1.2常見(jiàn)燃料燃燒熱

表4.2常見(jiàn)燃料熱值（kJ/g）8/18/20241313/764.2.2煤炭4.2.2.1煤形成

煤是由古代植物經(jīng)地殼變遷而積壓地下，在高溫高壓條件下經(jīng)長(zhǎng)久轉(zhuǎn)化得到。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煤分類 煤可依據(jù)其在燃燒過(guò)程中發(fā)煙是否分為煙煤和無(wú)煙煤。8/18/20241414/764.2.2.3煤化工

煤中含有S、N、O、Si、Ca、Mg等雜質(zhì)，影響其使用。以煤為原料，在一定條件下生產(chǎn)、加工而取得其它化工原料、產(chǎn)品工業(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）煤液化

人造石油，經(jīng)過(guò)加熱、裂解、催化加氫等步 驟，可得到各種烴類物質(zhì)。8/18/20241515/764.2.3石油與天然氣4.2.3.1石油與天然氣形成

石油與天然氣是古代海洋中生物因?yàn)榈貧み\(yùn)動(dòng)而沉積于地層中，在高溫高壓條件下經(jīng)長(zhǎng)久作用而生成產(chǎn)物。如圖4.14.2.3.2石油與天然氣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，C1~C4低沸點(diǎn)組分）液態(tài)烴固態(tài)烴（>C36；凡士林，蠟，瀝青，等）汽油（C5~C11正構(gòu)烷烴，<200℃餾分）煤油和柴油（C11~C20正構(gòu)烷烴,200~350℃餾分）潤(rùn)滑油（C20~C36正構(gòu)烷烴，300~500℃餾分）8/18/20241616/76

天然氣（naturalgas）主要是甲烷（CH4）和低沸點(diǎn)揮發(fā)性組分混合物。當(dāng)其中甲烷體積分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)便稱為“干天然氣”，不然稱為“濕天然氣”。小知識(shí):”可燃冰”現(xiàn)象在一定條件（如0℃

，26MPa）下，水分子彼此間經(jīng)過(guò)氫鍵形成一個(gè)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：1m3可燃冰能貯存164m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4氣體。8/18/20241717/764.2.3.3石油加工

石油是各種化學(xué)物質(zhì)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)間差異將化合物進(jìn)行分離方法稱為蒸餾。所用設(shè)備稱為蒸餾塔。8/18/20241818/76蒸餾塔示意圖

8/18/20241919/76裂解：石油中輕油所占百分比大約只有1/4~1/3。為了得到更多用途更廣輕油，可在熱、催化劑等作用下將大分子重油裂解為小分子輕油或短鏈烴。精煉：蒸餾和裂解所得到輕油中常含有微量含硫、含氧、含氮化合物和不飽和烴類，影響油品性能。經(jīng)過(guò)脫硫、加氫等過(guò)程可降低這些雜質(zhì)含量。（煉油廠一角）8/18/20242020/76小知識(shí):汽車燃油標(biāo)號(hào)與辛烷值汽油在汽缸中正常燃燒時(shí)火焰?zhèn)鬏斔俣葹?0-20m/s，在爆震燃燒時(shí)可達(dá)1500-m/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。

8/18/20242121/76不一樣化學(xué)結(jié)構(gòu)烴類，含有不一樣抗爆震能力。異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）抗爆性能很好，辛烷值設(shè)定為100;正庚烷抗爆性差，辛烷值設(shè)定為0。如某一汽油在引擎中所產(chǎn)生之爆震，恰好與97%異辛烷及3%正庚烷之混合物爆震程度相同，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0-17-45100103.598.91158/18/20242222/764.3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)程中相關(guān)現(xiàn)象科學(xué)—研究化學(xué)現(xiàn)象與電現(xiàn)象之間關(guān)系學(xué)科電化學(xué)過(guò)程借助一定裝置（原電池、電解池）完成化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，或者將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能8/18/20242323/76在原電池中發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，能夠?qū)ν庾鲭姽?，是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓^(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)能過(guò)程電能

化學(xué)能電解電池原電池（電池）：經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苎b置，亦稱為化學(xué)電源。8/18/20242424/764.3.1.1單液電池HCl(a)4.3.1常見(jiàn)電池類型8/18/20242525/764.3.1.2雙液電池用素?zé)煞珠_(kāi)8/18/20242626/76用鹽橋分開(kāi)：使得溶液中電荷到達(dá)平衡8/18/20242727/76化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可產(chǎn)生電能電池條件：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)裝置，使化學(xué)反應(yīng)經(jīng)過(guò)在電極上反應(yīng)來(lái)完成兩個(gè)電極，以及與電極建立電化學(xué)平衡對(duì)應(yīng)電解質(zhì)組成完整電路所需其它從屬設(shè)備8/18/20242828/764.3.2電池符號(hào)與電極上化學(xué)反應(yīng)對(duì)原電池（化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苎b置，Galvaniccell)，要求:寫在左邊發(fā)生氧化作用,氧化數(shù)升高,產(chǎn)生電子,為負(fù)極；寫在右邊發(fā)生還原作用,氧化數(shù)降低,消耗電子,為正極；不一樣材料之間接觸界面用“,”或“

”隔開(kāi);鹽橋用“║”表示；離子要標(biāo)明濃度，氣體要標(biāo)明壓力，純固體能夠不加說(shuō)明；電池反應(yīng)是兩電極反應(yīng)之和。8/18/20242929/76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)+2eCu 總反應(yīng)方程為：Zn+Cu2+(c2)Zn2+(c1)+Cu8/18/20243030/764.3.3化學(xué)電源分類4.3.3.1一次電池

電池中反應(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8/18/20243131/76A.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++2e2NH3+H2(g)2MnO2+H2(g)2MnO(OH)總反應(yīng):Zn+2MnO2+2NH4+(aq) 2MnO(OH)+Zn(NH3)22+(aq)8/18/20243232/76B.堿性鋅-錳干電池在傳統(tǒng)鋅-錳干電池基礎(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)電性更加好；用鋅粉代替鋅板，接觸面積更大，反應(yīng)速度更加快更徹底。電池符號(hào)：Zn|KOH(7~9mol/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)+2eMn(OH)2(s)+2OH-(aq)電池反應(yīng)：Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)ZnO(s)+Mn(OH)2(s)8/18/20243333/76C.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)+2eHg(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)。8/18/20243434/76D.銀-鋅紐扣電池電池符號(hào)：Zn-ZnO|KOH(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)+2e2Ag(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。8/18/20243535/764.3.3.2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)、屢次利用。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):

8/18/20243636/76B.鎳-鎘電池電池符號(hào):Cd|KOH(1.19~1.21g/cm3)|NiO(OH),C電池反應(yīng):8/18/20243737/76C.鋰離子電池（搖椅電池）充電時(shí),(正)鋰離子在外電場(chǎng)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)經(jīng)過(guò)外回路放出多出電能。鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。8/18/20243838/76Li離子電池優(yōu)點(diǎn)：1.通訊，如手機(jī)Li離子電池用途：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8/18/20243939/764.3.3.3燃料電池（連續(xù)電池）

原電池和蓄電池將有限量化學(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，故可隨原料不停輸入而連續(xù)發(fā)電。慣用燃料（還原劑）有：氫,甲醇,肼,天然氣,等；慣用氧化劑有：O2，Cl2，Br2，等；

慣用介質(zhì)有：酸溶液,堿溶液,鹽溶液,等。8/18/20244040/76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+2e2OH-電池反應(yīng)：H2+?O2H2O8/18/20244141/76燃料電池優(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

<30%

>80%

2、環(huán)境友好

不排放有毒酸性氧化物，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)8/18/20244242/76氫氧燃料電池難點(diǎn)氫氣儲(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1%，也有危險(xiǎn)性研制儲(chǔ)氫金屬和其它儲(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）模擬圖象8/18/20244343/764.4核反應(yīng)與核能源4.4.1原子核組成原子核（nuclei）由質(zhì)子（proton） 和中子（neutron）組成；質(zhì)子和 中子統(tǒng)稱為核子；元素化學(xué)性質(zhì)由核外電子構(gòu)型和數(shù)目確定；原子核性質(zhì)由質(zhì)子和中子數(shù)目確定；原子序數(shù)=原子核中質(zhì)子數(shù)Z=原子核外電子總數(shù)n;8/18/20244444/76AX,

如12C,235U，等。Z692質(zhì)子靜止質(zhì)量為mp=1.00728u；中子靜止質(zhì)量為mn=1.00867u;電子靜止質(zhì)量為me=0.00055uMp=Mn=1840Me;A(元素質(zhì)量數(shù))=Z(質(zhì)子數(shù))+N(中子數(shù))(忽略電子質(zhì)量)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不一樣元素處于元素周期表中同一位置，稱為同位素（Isotope），如氕，氘，氚;核可表為8/18/20244545/76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核穩(wěn)定性與衰變8/18/20244646/764.4.2.1穩(wěn)定核A:Z(或N:Z)關(guān)系圖4.2穩(wěn)定核A:P(或N:P)關(guān)系(質(zhì)子數(shù))(質(zhì)量數(shù))

由圖可見(jiàn)，全部穩(wěn)定核素質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間存在良好相關(guān)性，稱對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)楹朔€(wěn)定區(qū)。不穩(wěn)定核普通不在這個(gè)區(qū)域，它們能夠經(jīng)過(guò)衰變來(lái)改變A/Z比值，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)8/18/20244747/764.4.2.2放射性同位素衰變當(dāng)前已知兩千七百各種核素中，絕大多數(shù)是不穩(wěn)定。不穩(wěn)定核素要自發(fā)地改變，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)核素，同時(shí)還要釋放出一定粒子流，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)粒子流，稱為射線。含有放射性同位素，稱為放射性同位素。

8/18/20244848/76放射性衰變種類主要有以下幾個(gè)：

衰變：質(zhì)量數(shù)（AorN）較大不穩(wěn)定同位素經(jīng)過(guò)釋放

粒子（）來(lái)到達(dá)它穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)，如：

衰變：中子數(shù)較多不穩(wěn)定同位素可經(jīng)過(guò)

衰變（釋放負(fù)電子、正電子）或中子發(fā)射而到達(dá)其穩(wěn)定核構(gòu)型。如4He2238U(鈾)

234Th(釷)+4He（

粒子）92902

emission9Li

9Be+0e(負(fù)電子，

粒子)34-1nemission9Li

8Li+1n(中子)3308/18/20244949/76衰變：處于激發(fā)態(tài)原子核能夠經(jīng)過(guò)射線（高能電磁輻射）釋放多出能量，躍遷到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)，

以求到達(dá)其穩(wěn)定核構(gòu)型?；鶓B(tài)(groundstate)：原子核可處于不一樣能量狀態(tài)，正常情況下處于最低狀態(tài)。激發(fā)態(tài)(excitedstate)：原子核在一些核反應(yīng)、核裂變及放射性衰變后仍處于高能狀態(tài)。8/18/20245050/76小知識(shí):放射性衰變紀(jì)年法—考古課時(shí)鐘由太陽(yáng)射線產(chǎn)生中子流與大氣中14N碰撞引發(fā)核反應(yīng)生成14C（方程A），而14C是不穩(wěn)定放射性核素，會(huì)發(fā)生衰變而回到14N（方程B）：

大氣中12C、14C濃度都是基本恒定，因而大氣中（因而各種活生命體中）12C/14C比值也是恒定。放射性同位素衰變動(dòng)力學(xué)方程為ln(c0/c)=k1t。半衰期（衰變掉二分之一所需時(shí)間）t?=ln2/k1，與初始濃度c0無(wú)關(guān)。不一樣放射性同位素半衰期為A：14N+1n

14C+

1pB:14C

14N+0

706167-1同位素14C

14N+

40K

40Ar+

671920t?(年)57301.3

1098/18/20245151/76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)覺(jué)該木塊中14C/12C之比是當(dāng)代樹(shù)木中14C/12C之比78%。問(wèn)該古墓應(yīng)屬于哪個(gè)朝代？已知14C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)ln(1/0.78)=2053年 答：該古墓可能屬于漢代早期。8/18/20245252/764.4.3原子核結(jié)合能4.4.3.1核子質(zhì)量與核反應(yīng)中質(zhì)量虧損原子質(zhì)量單位（碳單位）：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織要求，以12C原子質(zhì)量1/12作為原子質(zhì)量單位，記為amu或u。質(zhì)子靜止質(zhì)量為mp=1.00728u；中子靜止質(zhì)量為mn=1.00867u;電子靜止質(zhì)量為me=0.00055u。4He摩爾質(zhì)量為4.00150g/mol；組成核子原始質(zhì)量為2

1.00728u+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。8/18/20245353/764.4.3.2原子核結(jié)合能Eb依據(jù)Einstein質(zhì)能關(guān)系式E=?m

C2，對(duì)應(yīng)質(zhì)量虧損經(jīng)過(guò)能量形式釋放出來(lái)（核能量降低了），稱為原子核結(jié)合能（BindingEnergy),記為Eb。

Eb越大，核子之間結(jié)合就越牢靠，原子核就越穩(wěn)定。對(duì)于比較不一樣原子核穩(wěn)定性，我們引入核子平均結(jié)合能Eb,平均，Eb,平均=Eb/A(質(zhì)量數(shù))。核子平均結(jié)合能越大Eb,平均，原子核就越穩(wěn)定。8/18/20245454/76例4.2已知12753I摩爾質(zhì)量是126.9004g/mol，計(jì)算核子平均結(jié)合能Eb,平均。解：原子（12753I）質(zhì)量是126.9004amu 原子中核子靜止質(zhì)量是53

mp+(127-53)

mn =128.0274amu 質(zhì)量虧損為?m=126.9004-128.0274=-1.12702amu 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=1.32610-12J8/18/20245555/76圖

4.3

Eb,平均

隨

A

變

化

由圖可見(jiàn)，較輕核和較重核核子平均結(jié)合能較小，穩(wěn)定性較差，而中等質(zhì)量核核子平均結(jié)合能較大，F(xiàn)eEb,平均最大，所以最穩(wěn)定。A<56，小核變大核越穩(wěn)定(聚變);A>56,大核變小核，更穩(wěn)定(裂變).各原子核核子平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)A改變?nèi)鐖D4.3。裂變聚變8/18/20245656/764.4.4核裂變與聚變4.4.4.1核裂變（fission）

重核受到激發(fā)分裂為幾個(gè)中等質(zhì)量原子核現(xiàn)象稱為原子核裂變。重核裂變能夠釋放大量能量，為人類提供一個(gè)新能源。普通核武器和核電站都依賴于裂變過(guò)程產(chǎn)生能量。

核裂變產(chǎn)物大多含有放射性。8/18/20245757/76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)還釋放大量能量。假如分裂時(shí)放出再生中子又能引發(fā)另外核分裂，可使反應(yīng)繼續(xù)下去，并不停釋放大量原子核能，這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。235U235U142Ba+91Kr+31n235U+1n56360137Te+97Zr+21n524008/18/20245858/764.4.4.2原子彈與反應(yīng)堆

核武器是利用核裂變或聚變反應(yīng)釋放能量，產(chǎn)生爆炸作用并含有大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)武器總稱。

原子彈是主要利用鈾235或钚239等重原子核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理之稱武器。8/18/20245959/76

核反應(yīng)堆

經(jīng)過(guò)受控核裂變反應(yīng)取得核能裝置，可使裂變產(chǎn)生中子數(shù)等于各種過(guò)程消耗中子數(shù),以形成所謂自持鏈反應(yīng)(self-sustainingchainreaction)。

8/18/20246060/764.4.4.3核聚變(Fusion)-氫彈由圖4.3可見(jiàn)：核聚變所釋放能量大于核裂變所釋放能量；核聚變能比核裂變能威力大多,它是一個(gè)最理想清潔能源，是開(kāi)發(fā)核能主攻方向。氫彈是主要利用重氫（氘）或超重氫（氚）等輕原子核熱核反應(yīng)原理制成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)生高溫引爆。＋

＋40000000℃

核聚變產(chǎn)物不是放射性。8/18/20246161/76核聚變所需溫度較高（T>50,000,000℃）；當(dāng)前太陽(yáng)上正在進(jìn)行是氫聚變成氦反應(yīng)，氫消耗到一定程度后進(jìn)行H+He

Li；He+HeC；……等反應(yīng)，聚變所需要溫度也越來(lái)越高。假如星球質(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聚變，反應(yīng)終止。星球變?yōu)榘装牵ㄋ谖恢梅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。8/18/20246262/764.5可再生能源利用

不隨人類利用而顯著降低能源稱為可再生能源。常見(jiàn)可再生能源有太陽(yáng)能，風(fēng)能，水力能，潮汐能和地?zé)崮艿取?.5.1太陽(yáng)能

太陽(yáng)每秒鐘輻射到地球上能量相當(dāng)于106~107噸標(biāo)準(zhǔn)煤能量，相當(dāng)于全世界能耗1萬(wàn)倍，是真正綠色能源。當(dāng)前人類所使用礦物燃料均起源于太陽(yáng)億萬(wàn)年來(lái)貢獻(xiàn)。 太陽(yáng)能利用包含太陽(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8/18/20246363/764.5.2風(fēng)能利用風(fēng)能是指太陽(yáng)輻射造成地球各部分受熱不均勻，引發(fā)各地溫差和氣壓不一樣，造成空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生能量。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。8/18/20246464/764.5.3氫能4.5.3.1氫能特點(diǎn)氫燃燒熱為143kJ/g