1、工科大学化学2.化学反应的能量与方向化学反应中的质量关系1化学反应中的能量关系2化学反应的方向3吉布斯函数与反应方向的判据4目录能源开发利用5 化学反应中的质量关系2.12.1.1 化学反应计量数 化学反应是化学研究的核心部分。化学反应方程式是根据质量守恒定律,用元素符号和化学式表示化学变化中质量关系的式子。对于任意一个化学反应可写作 aA +bB =gG +hH 简写作通式 0=BB式中，B表示分子、离子或原子等反应物或生成物；B为物质B的化学计量数，量纲为1，对于反应物，B为负值；对于生成物，B为正值。对于上述一般反应，则有A=-a，B=-b，G=g，H=h。2.1.1 化学反应计量数当同
2、一化学反应、方程式的写法不同时，同一物质的化学计量数不同例如：223N(g)+3H(g)=2N H(g)223(N)1,(H)3,(N H)2 22313(N),(H),(N H)122 22313N(g)+H(g)=N H(g)222.1.2 反应进度 为了表示化学反应进行的程度，规定了反应进度，对于任一化学反应随着反应的进行，反应进度逐渐增大。例如，对于合成氨反应 可见,同一化学反应,用不同的反应物或生成物所计算出的反应进度数值相同。同理,可计算出 t2 时的反应进度 2=2.0mol。化学反应中的能量关系2.22.2.1 热力学常用术语 被研究的对象称为系统(或体系),除系统之外,与系统
3、密切相关的部分称为环境。根据系统与环境之间是否有物质和能量交换,将系统分为三类。(1)敞开系统 系统与环境之间既有物质交换又有能量交换的系统,如敞口广口瓶内的热水。(2)封闭系统 系统与环境之间无物质交换但有能量交换的系统,如封口广口瓶内的热水。1.系统与环境2.2.1 热力学常用术语 (3)孤立系统 系统与环境之间既无物质交换也无能量交换的系统,又称隔离系统,如保温瓶内的热水。三种系统中,敞开系统最复杂,孤立系统最简单,但真正的孤立系统并不存在,它只是研究问题时的一种科学假设。研究最多的是封闭系统,也是本书主要研究的系统。2.2.1 热力学常用术语 系统都具有一定的宏观性质,如温度、压力、体
4、积、质量、密度等,这些性质的综合表现称为系统的状态。描述系统宏观性质的物理量,称为状态函数。系统的性质是由系统的状态确定的。状态函数的数值只与状态有关,当系统发生变化时,状态函数的改变量取决于状态的始态和终态,而与变化的途径无关。系统的状态函数之间是彼此关联的,例如:描述理想气体 p、V、T、n 之间的关系式为 pV=nRT,知道了其中任意 3 个状态函数,就可以确定第 4 个状态函数。2.状态与状态函数2.2.1 热力学常用术语 当系统从始态变化到终态时,其宏观性质也会发生变化,称这种变化为过程。系统从始态到终态所经历的过程总和称为途径。根据过程发生条件的不同,通常将过程分为以下几种。(1)
5、恒温过程 系统的始态温度与终态温度相等,并且过程中始终保持这一温度。(2)恒压过程 系统的始态压力与终态压力相等,并且过程中始终保持这一压力。(3)恒容过程 系统的始态容积与终态容积相等,并且过程中始终保持这一容积。3.过程与途径2.2.1 热力学常用术语 系统中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分称为相,有气相、液相和固相三种,不同的相之间存在着明显的相界面。同一种物质可因其聚集状态不同而形成不同的相,且能同时存在,例如,水、水蒸气、冰是同一物质水的不同相。同一相可能含有多种物质。多种气相混合,只要相互间不发生化学反应生成非气相物质,可认为是一个单相系统。多种液相混合,可根据能否相互溶解来判
6、断系统的相数,例如,水和乙醇系统为单相系统;水和油系统为两相系统。对于固相混合,若相互之间不形成固溶体合金，有几种固相物质,则认为是几相。4.相2.2.2 热力学第一定律 当系统的状态发生变化时,往往要与环境交换能量,所交换的能量有热和功两种形式。(1)热 系统与环境之间由于温度不同而交换的能量称为热,用 Q 表示,单位为 J。系统吸热,Q 为正值;系统放热,Q 为负值。热不是状态函数。(2)功 系统和环境之间除热外,所交换的其他形式的能量称为功,用 W 表示,单位为 J。环境对系统做功,W 为正值;系统对环境做功,W 为负值。功也与变化的途径有关,不是状态函数。1.热与功2.2.2 热力学第
7、一定律 热力学上,将功分为体积功和非体积功。体积功指系统和环境之间因体积变化所交换的功,又称膨胀功。除体积功外其他形式的功都称为非体积功或非膨胀功。例如,某气缸气体在恒压下克服外压 p 膨胀,推动截面面积为 A 的活塞移动距离 l,如图 2-1 所示。若忽略活塞的质量及活塞与气缸壁之间的摩擦力,则系统对环境所做的功为 上式为体积功的计算公式。式中,V1、V2 分别是膨胀前、后气体的体积,单位为 m3。2.2.2 热力学第一定律 任何物质都具有能量,系统内所含全部能量的总和称为热力学能,又称内能,用 U 表示,单位是 J 或 kJ。热力学能包括分子的平动能、转动能、振动能、分子间相互作用的热能、
8、分子内原子间的键能、原子中电子的能量以及核能等。热力学能是状态函数,其改变量只与系统的始态和终态有关,与变化所经历的途径无关。由于系统内部质点运动及相互作用很复杂,所以热力学能的绝对值尚难以确定。但系统状态发生变化时,可通过热力学第一定律来确定系统热力学能的改变量。2.热力学能2.2.2 热力学第一定律 人们经过长期的实践证明:自然界的一切物质都具有能量,能量不会自生自灭,只能从一种形式转化为另一种形式,在转化过程中,能量的总值不变。此规律称为能量守恒定律,即热力学第一定律。对于一封闭系统,若其始态的热力学能为 U1,终态的热力学能为 U2,在变化过程中系统从环境吸热 Q,同时环境对系统做功
9、W,则系统的热力学能改变量为 3.热力学第一定律 为热力学第一定律的数学表达式。对于孤立系统,任何过程 Q=0、W=0、U=0,这是热力学第一定律的一个推论。2.2.3 化学反应热和焓变 在一定条件下,化学反应过程中系统吸收或放出的热量称为化学反应热,简称反应热。根据化学反应进行的条件不同,反应热分为恒容反应热与恒压反应热。1.热与功上式 表明,在只做体积功的条件下,恒容反应热等于系统热力学能的改变量。1.恒容反应热 对于只做体积功的反应系统,在恒容条件下的反应热称为恒容反应热,用 QV 表示。2.2.3 化学反应热和焓变 大部分化学反应是在恒压条件进行的,对于只做体积功的反应系统,在恒压条件
10、下的反应热称为恒压反应热,用 Qp 表示。2.恒压反应热上式 表明,在只做体积功的条件下,恒压反应热等于系统的焓变。热力学将这个组合后的状态函数U+pV定义为焓，用符号H表示，即H=U+pV Qp=（U2+pV2）-（U1+pV1）=H2H1=H 2.2.3 化学反应热和焓变同理，在恒容条件下，反应的摩尔热力学能变为 焓是状态函数，单位是J或kJ，其绝对值无法求得，但可求出焓变。如果一个反应分几步进行，则反应的总焓变等于各分步焓变之和。反应热与反应进度有关。在恒压条件下，对于任一化学反应0=BB，将进行1mol反应进度时的焓变称为反应的摩尔焓变，用符号rmH 表示，即2.2.2 热力学第一定律
11、 当系统的状态发生变化时,往往要与环境交换能量,所交换的能量有热和功两种形式。(1)热 系统与环境之间由于温度不同而交换的能量称为热,用 Q 表示,单位为 J。系统吸热,Q 为正值;系统放热,Q 为负值。热不是状态函数。(2)功 系统和环境之间除热外,所交换的其他形式的能量称为功,用 W 表示,单位为 J。环境对系统做功,W 为正值;系统对环境做功,W 为负值。功也与变化的途径有关,不是状态函数。1.热与功2.2.3 热化学方程式 热化学方程式指表示化学反应及其标准摩尔焓变之间关系的化学反应方程式。1.热力学对标准状态的规定1）规定。标准压力p=100 kPa；标准质量摩尔浓度b=1 molk
12、g-1；标准摩尔浓度c=1 molL-1；2）气体的标准态。具有理想气体特性的纯气体或气体混合物中组分气体B，在温度、标准压力p时的（假想）状态；3）液体和固体的标准态。纯液体和纯固体在温度T、标准压力p时的状态；4）溶液中溶质B的标准态。在温度T，压力p，质量摩尔浓度为b，且表现出无限稀释特征时溶质B的(假想)状态。在本教材中，溶液浓度一般比较小，故通常用c代替b。2.2.3 热化学方程式 2.热化学方程式书写注意事项 1）要注明反应物和生成物的聚集状态。物质的聚集状态不同，则反应的标准摩尔焓变不同。例如 mrHmrHmrH 产物H2O的聚集状态不同，的值也不同。2）表示反应进行了1mol反
13、应进度时反应的标准焓变，而反应进度与化学计量数有关，所以用不同化学计量式表示同一反应时，也不同。例如2.2.3 热化学方程式 与式（2-8a）相比，式(2-8c)中各物质的化学计量数均为式（2-8a）的1/2，值也为式（2-8a）中的1/2。3）要注明反应温度，温度变化时，反应的标准摩尔焓变会随之改变。但若温度和压力分别为298 K和 p，可以不注明。还应当注意，逆反应的 与正反应的 数值相同，正、负号相反。例如 式（2-8d）是式（2-8a）的逆反应。2.2.5 化学反应的焓变 1840 年,俄国化学家盖斯(G.H.Hess)根据大量的实验总结出:在恒压或恒容条件下,一个化学反应无论一步完成
14、还是分几步完成,其反应热相等。这个经验规律称为盖斯定律。从热力学角度分析,盖斯定律是热力学第一定律的必然结果,是状态函数特性的体现,适用于所有状态函数,其中,反应热一般用焓变来表示。盖斯定律的建立,使热化学方程式可以像普通代数方程式一样进行计算,还可以从已知的反应热数据计算出难以实验测定的反应热数据。1.盖斯定律2.2.5 化学反应的焓变 应用盖斯定律计算反应热,需要将该反应分解成几个相关反应,有时这个过程很复杂。人们通常采用一种相对的方法去定义物质的焓值,从而较简便地求出反应的焓变。(1)标准摩尔生成焓 热力学规定,将标准状态下由元素最稳定单质生成 1mol 物质 B时反应的焓变称为该物质
15、B 的标准摩尔生成焓,用 (B,相态,T)表示。下标 f 表示生成,温度为 298K 时,T 可以省略。的单位为 kJ mol-1 或 J mol-1 1.标准摩尔生成焓与化学反应热mfHmfH2.2.5 化学反应的焓变 规定表明,在标准状态下,元素最稳定单质的标准摩尔生成焓为零,例如,(H2,g,298.15K)=0kJ mol-1。对于存在同素异形体的单质,热力学上习惯将 O2、石墨、白磷、正交硫作为最稳定状态的单质。如 (石墨,s,T)=0kJ mol-1,而 (金刚石,s,T)0kJ mol-1 B 的标准摩尔生成焓,用 (B,相态,T)表示。下标 f 表示生成,温度为 298K 时,
16、T 可以省略。的单位为 kJ mol-1 或 J mol-1mfHmfHmfHmfHmfH2.2.5 化学反应的焓变对于任一化学反应 2.由标准摩尔生成焓计算化学反应热mfHmfH 式中，B是化学反应计量数，对反应物取负值，生成物取正值。上式表明，反应的标准摩尔焓变等于反应物与生成物的标准摩尔生成焓与相应化学计量数乘积的加和。化学反应的方向2.32.3.1 自发过程 (2)自发过程具有一定的限度 自发过程不会永远进行,达到一定程度会自动停止。自发过程进行的最大限度是系统达到平衡。(3)自发过程具有做功的能力 如高处流下的水可以推动水轮机做功;化学反应可以设计成电池做功等。系统的做功能力随自发过
17、程的进行而逐渐减小,当系统达到平衡后,其不再具有做功能力。1.系统与环境2.3.1 自发过程 自然界中发生的一切过程都有一定的方向。在一定条件下,不需要环境对系统做功就能自动进行的过程称为自发过程。需要环境对系统做功才能进行的过程称为非自发过程。自发过程具有一些共同特点。(1)自发过程具有方向性 自发过程的逆过程是非自发的,若要逆过程进行,必须消耗能量,对系统做功。如利用水泵做功将水从低处送到高处;冰箱需要耗电才能制冷等。1.系统与环境2.3.1 自发过程 一百多年前,人们发现很多系统能量降低的过程是自发的。1878 年,贝塞洛和汤姆孙提出,自发的化学反应趋向于使系统放出最多的热。反应放热越多
18、,系统的能量降低也越多,即系统有趋向于最低能量状态的倾向,称为最低能量原理。对于放热反应,H 0,系统的焓减少,反应将会自发进行。以反应的焓变作为判断反应自发性的依据称为反应的焓判据。最低能量原理对于多数放热反应是适用的，但实践表明，有些吸热过程、吸收反应也能自发进行，可见反应的自发性还与其他因素有关。2.焓变与反应的自发性2.3.1 混乱度与熵 热力学将系统中微观粒子的混乱度用物理量熵来表示,符号是 S,单位是 J K-1。物质的混乱度越大,其熵值也越大。熵是状态函数,其改变量只与系统的始态和终态有关,而与变化途径无关。在孤立系统中,系统与环境没有能量交换,系统总是自发地向熵值增大的方向变化
19、,达到平衡时,系统的熵达到最大值。因此,孤立系统中,熵值增加的方向总是自发的,这被称为熵增原理。孤立系统的熵值永不减少,这就是热力学第二定律。由此可知 1.熵2.3.1 混乱度与熵 与热力学能 U 和焓 H 不同,熵的绝对值是可以确定的。科学家们通过研究提出了热力学第三定律:0K 时,任何纯净物质完美晶体的熵值等于零,即 S(0K)=0。以此为基准可以确定温度 T 时物质的熵值 S(T),又称规定熵。温度升高,熵值增大。若某纯净物质的温度从 0K 升高到 T,则此过程的熵变为 1.熵 标准状态下，l mol纯物质B的规定熵称为该物质B的标准摩尔熵，用符号 (B，相态，T)表示，单位为Jmol-
20、1K-1mS2.3.1 混乱度与熵 通过分析物质的标准摩尔熵数据可以发现如下规律：1)同一物质的聚集状态不同时,。2)分子结构相似的同类物质,摩尔质量越大,其标准摩尔熵值越大。例如,298.15K时，。3)摩尔质量相同的物质,结构越复杂,其标准摩尔熵值越大 另外,压力对固态、液态物质的熵值影响较小,但对气态物质的熵值影响较大。压力增大,气态物质的熵值减小。大多数物质的 (298.15K)大于零，单质的 (298.15K)不等于零。mSmS2.3.1 混乱度与熵 熵是状态函数,其变化只与始态和终态有关,而与变化的途径无关。在标准状态下,反应进行 1mol 反应进度时的熵变称为该反应的标准摩尔熵变
21、。298.15K 时,化学反应的标准摩尔熵变可以由反应物与生成物的标准摩尔熵求得。对于任一化学反应 2.反应的标准摩尔熵变温度 T 时,反应的标准摩尔熵变为 即反应的标准摩尔熵变等于反应物与生成物的标准摩尔熵与其化学计量数乘积的和。吉布斯函数与反应方向的判据2.42.4.1 吉布斯函数 为寻找过程自发进行的普遍性判据,1878 年,美国物理化学家吉布斯(J.W.Gibbs)提出了一个新热力学函数吉布斯函数(或称吉布斯自由能),用符号 G 表示。可以用G 判断恒温、恒压下反应自发进行的方向。吉布斯函数的定义式为：1.自发过程的判据和吉布斯函数根据吉布斯函数的定义式 G=H-TS,在恒温、恒压条件
22、下有称为吉布斯-亥姆霍兹(Gibbs-Helmholtz)方程,是热力学中非常重要的公式。2.4.1 吉布斯函数 对于恒温、恒压、标准状态下的化学反应,当反应进行到 1mol 反应进度时,反应的摩尔吉布斯函数变为 1.自发过程的判据和吉布斯函数应用上式 ,可以 近似求得温度 T 时反应的标准摩尔吉布斯函数变。2.4.1 吉布斯函数 标准状态下,由元素最稳定单质生成 1mol 物质 B 时反应的吉布斯函数变,称为该物质B 的标准摩尔生成吉布斯函数,用符号 (B,相态,T)表示,其单位是 kJ mol-1。由定义可知,元素最稳定单质的标准摩尔生成吉布斯函数为零。与计算反应的标准摩尔焓变方法类似,用
23、参加化学反应各物质的标准摩尔生成吉布斯函数可以计算反应的标准摩尔吉布斯函数变。2.标准摩尔生成吉布斯函数fmG2.4.1 吉布斯函数对于任一化学反应 2.标准摩尔生成吉布斯函数标准摩尔吉布斯函数变为 即反应的标准摩尔吉布斯函数变=生成物 总和-反应物 总和=反应物与生成物的标准摩尔生成吉布斯函数与其化学计量数乘积的和。fmGfmG2.4.2 吉布斯函数变与反应的方向 热力学研究表明,在恒温、恒压、不做非体积功的条件下,任何自发过程总是向吉布斯函数减少的方向进行。对于化学反应,可以用 rGm 判断反应自发进行的方向,即反应的吉布斯函数判据。1.自发过程的判据和吉布斯函数2.4.2 吉布斯函数变与
24、反应的方向 实际上很多化学反应是在非标准状态下进行的。根据热力学推导，非标准态下反应的摩尔吉布斯函数变(T)与标准态下反应的摩尔吉布斯函数变(T)之间的关系为 式（2-17）称为化学反应等温方程。式中，J称为反应商。对于任意状态的气相间反应2.4.2 吉布斯函数变与反应的方向对于任意状态下溶液中反应 注意：在反应商 J 的表达式中不包括纯固态或纯液态的分压或浓度。由吉布斯-亥姆霍兹方程可以分析H、S 和 T对反应方向的影响。对于焓变、熵变不同的任意反应,焓变、熵变可正、可负；温度也可高、可低。温度的高低决定了反应的方向,所以总存在一个反应方向发生转变时的温度,称为转变温度。2.4.2 吉布斯函
25、数变与反应的方向表2-1 不同条件下反应方向的判断类型类型HS G=HTS反应的自发性反应的自发性举例举例1-+永远是-任何温度下都是自发反应2H2O2(g)=2H2O(g)+O2(g)2+-永远是+任何温度下都是非自发反应2CO(g)=2C(s)+O2(g)3-低温为-高温为+低温为自发反应，高温为非自发反应HCl(g)+NH3(g)=NH4Cl(s)4+低温为+高温为-低温为自非发反应，高温为自发反应CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)能源开发利用2.52.5.1 能源概述 (1)能源及其分类 能源指能够提供能量的资源,包括物质以及提供能量的物质运动形式。能源的种类繁多,按来源不同
26、,可分为三类。来自地球以外天体的能源,主要指太阳的辐射能。来自地球本身的能源,包括地球内部蕴藏的地热能,如地下热水、地下蒸汽、干热岩体等。源于月球和太阳等天体对地球引力产生的能源,如潮汐能。1.能源的分类和能量的转化2.5.1 能源概述 按能源的形成方式不同,可将能源分为两类。一次能源,指在自然界中存在的、可直接利用的能源,如煤炭、天然气、石油、地热能、水能、风能、太阳能等。二次能源,指依靠其他能源,经加工、转换而得到的能源,如电能、焦炭、汽油、柴油、氢能等。种类种类一次能源一次能源二次能源二次能源种类种类一次能源一次能源二次能源二次能源常规能源常规能源煤炭煤气、煤油、焦炭、汽油、柴油、液化气
27、、甲醇、酒精、电能、蒸汽新能源核能氢能、沼气、激光、化学电源 表2-2 能源的分类2.5.1 能源概述 按能源能否再生,分为两类。可再生能源,指不随人类的使用而减少的能源,如太阳能、风能等。非再生能源,指随着人类的使用而逐步减少的能源,如煤炭、石油、天然气等。按能源的使用程度不同,分为两类。常规能源(传统能源),指被人类长期使用、技术比较成熟的能源,如煤炭、石油、天然气等。新能源,指尚未大规模利用,有待进一步研究、开发和利用的能源,如太阳能、氢能等。按能源的性质不同,分为两类。含能体能源,指能够提供能量的物质资源,如煤炭、石油等，能源可以保存或直接运输。过程性能源,指能够提供能量的物质运动形式
28、,如太阳能、风能等，能源不能保存,很难直接运输。2.5.1 能源概述 按能源消耗后是否污染环境,分为两类。污染型能源,如煤炭和石油。清洁型(绿色)能源,如水能、电能、太阳能、氢能和燃料电池。(2)能量的转化 能源在一定条件下可以释放能量。能量有多种形式,各种形式的能量可以相互转化,转化过程服从热力学第一定律。化学反应是能量转换的重要方式,包括热化学反应(燃烧)、光化学反应(光合作用、光化学电池)等。实际上能量转化很难彻底,未做有用功的能量常以热的形式散失。研究发现,有用功的效率常与所用工具、设备和技术有关。因此,人类除迫切需要开发新型清洁能源外,还需要开发高效率的能量转换技术,以充分发挥能源的
29、作用。2.5.2 常规能源 煤炭 有“黑色金子”之称,是古代植物随地壳变动被埋入地下,经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用演化形成的可燃性固体矿物。根据煤化程度不同,可将煤炭大致分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤,其煤化程度依次增高。1.煤炭 煤炭、石油、天然气、电力等都属于常规能源,被人类广泛利用,在生产、生活中起着重要的作用。我国是煤炭、石油和天然气发现和使用较多的国家,煤炭的消耗居能源消费之首。2.5.2 常规能源 2.石油 石油又称“工业的血液”,是当今世界的主要能源,在国民经济中占有非常重要的地位。石油是由远古大批冲至海底或湖泊中的动植物遗体在地下经漫长的复杂变化而形成的棕黑色、黏稠状的液
30、态混合物。石油是多种碳氢化合物的混合物。与煤炭相比,石油的含氢量较高而含氧量较低。石油中以直链烃为主,而煤中以芳香烃为主,未经处理的石油称为原油。2.5.2 常规能源 3.天然气 天然气 指储藏于地层较深部位的可燃性气体,其主要成分为甲烷。当甲烷的体积分数高于 50%时,称为干天然气;低于 50%时,称为湿天然气。天然气几乎无需加工、易于管道输送、热值高的优质清洁燃料,日益受到人们的重视。预计天然气将超过石油,成为能源构成中的“第一能源”。天然气也是制造炭黑、合成氨、甲醇等化工产品的重要原料。2.5.3 新型能源 1.太阳能 指太阳内部核聚变反应产生的能量,既是一次能源,又是可再生能源,是地球
31、上最丰富的能源,取之不尽、用之不竭,无需运输,对环境无任何污染,成为新能源重点发展的领域。太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能 的 22 亿分之一,但其辐射通量已高达 1.73 105 TW。太阳一年辐射到地球的能量,约为全球能源消耗总量的上万倍。我国幅员广阔,有着十分丰富的太阳能资源。2.5.3 新型能源 2.核能 核能,俗称原子能,指原子核里的中子或质子重新分配、组合时释放出来的能量。核能分为核裂变能、聚变能两类。核能有巨大的威力,1kg 铀原子核全部裂变释放出的能量约等于 2700t 标准煤燃烧时放出的化学能。核聚变反应释放的能量更加可观。地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变资源,如
32、果把这些裂变能充分地利用起来,可满足人类上千年的能源需求。2.5.3 新型能源 3.生物质能 指由太阳能转化并以化学能形式贮藏在生物质中的能量,即以生物质为载体的能量。生物质能直接或间接来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态及气态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,也是唯一的可再生碳源。有机物中除矿物燃料外,来源于动植物的能源物质均属于生物质能,包括木材、森林废弃物、农业废弃物等。地球上,每年经光合作用产生的物质有 1730 亿 t,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的 10 20 倍,但平均利用率不到 3%。2.5.3 新型能源 4.氢 能 公认的清洁能源,被誉为 2
33、1 世纪最具发展前景的二次能源，有很多优点:资源丰富,可由水分解制得;燃烧焓大,每千克氢燃烧能释放出7.09104 kJ 的热量,约为汽油的 3 倍,酒精的 3.9 倍;燃烧温度可在 200 220 之间选择,满足热机对燃料的使用要求;氢燃烧后的唯一产物是水,无环境污染问题。开发利用氢能需要解决三个问题:廉价易行的制氢工艺;方便和安全的储运;有效的利用。氢能源在航天、航空、电池发电、车辆等领域的应用广泛,得到世界各国的重视。2.5.3 新型能源 5.天然气水合物 又 称 可 燃 冰,指分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中,由天然气与水在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质。因其外观像冰一样且遇火
34、即可燃烧,故又被称作“可燃”“固体瓦斯”。“可燃冰”是一种潜在的能源,其主要成分为甲烷与水。据专家介绍，1 m3可燃冰释放出的能量相当于164 m3天然气，且燃烧污染比煤、石油、天然气小得多。全球可燃冰总能量是煤、石油、天然气总和的23倍。海底可燃冰的储量可供人类使用1000年。2.5.4 人类利用能源的历史及现状展望 能源的利用伴随着人类文明的进步,具有划时代的重要意义。从远古到中世纪,薪柴在世界一次能源消费结构中长期居于首位。18 世纪,蒸汽机的发明和使用,使煤炭成为生产动力,世界进入了煤炭时代。20 世纪后,随着内燃机、柴油机的发明和广泛应用,石油化工得到快速发展。20 世纪 70 年代
35、以来,世界能源利用开始第三次大转变,即从以石油、天然气等为主的能源系统,转向以可再生、清洁能源为基础的可持续发展的能源系统。2.5.5 我国能源现状及面临的挑战 中国能源发展报告 2018 指出,改革开放 40 年来,我国能源行业发生巨变,取得了举世瞩目的成就,能源生产和消费总量跃升世界首位,能源基础设施建设突飞猛进;能源消费结构持续优化,清洁能源消费比重持续提升;能源科技创新日新月异,一大批技术成果开始领跑国际;能源体制市场化改革在探索中前行,市场资源配置能力大幅增强。能源发展给社会经济发展注入源源不断的动力。但受我国特殊国情等限制,我国能源系统的特征和不足如下：1）能源总量大,但人均不足且分布不均衡。2）能源人均消费水平低 3）能源利用效率低2.5.5 我国能源现状及面临的挑战 4）工业能耗比重偏大 5）以煤为主的能源生产和消费结构不合理 2017 年,党的十九大提出“两步走”新战略,强调到 2035 年确保生态环境根本好转,美丽中国目标基本实现,并要求推进能源生产和消费革命,构建绿色低碳、安全高效的能源体系,为我国能源发展改革指明了战略方向。工科大学化学 化学反应的能量与方向
