导图社区 化学与能源
从化学角度介绍一些重要的能源，包括对能源的概述，化石燃料，核能
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化学与能源
能源概述
能源的分类
油页岩（一种含可燃有机质的沉积岩）
油砂（一种砂岩，含沥青，粘土，砂，水的混合物）
能量的转化
能源和能量
能量来自于能源，能源的使用是能量形式的转化过程。
热力学第一定律
△U=Q+W
体系内能的变化等于体系从外界吸收的热量加上外界对体系所做的功
能源利用史
柴草时期
从火的发现到18世纪
用途
烧烤食物，驱寒取暖
烧制陶器
冶炼金属
煤炭时期
18世纪中叶成为主要能源
焦炭炼铁
蒸汽机的推广
石油时期
二战之后，美国，中东，北非发现了大油田
新能源时期
世界能源消费概况
多种能源互补
中国能源消费概况
我国能源资源特点
资源丰富，但人均少
能源分布不均衡
水资源集中在西南，多数煤炭集中在华北（西电东送，西气东输）
化石燃料
煤
煤的形成
煤化过程
植物――泥炭――褐煤――烟煤――无烟煤
泥炭，褐煤，烟煤，无烟煤，含碳量依次升高
煤田形成的条件
繁茂的植物
气候温暖潮湿，适合植物生长
适合植物残骸堆积的地形（湖泊，沼泽，盆地）
地壳运动（植物残骸容易积聚，并被沉积物覆盖）
煤的化学组成
组成
有机质，无机矿物质，水分
有机质主要由碳氢氧三种元素组成，含有少量氮，硫，微量磷，砷，氯
有机质
碳元素
含碳量越高，煤的发热量越大。碳含量随煤化程度的加深而升高
氢元素
氢的发热量最高，是碳的4倍，氢含量随煤化程度的升高而下降
氧元素
以羧基，羟基和甲氧基等含氧官能团的形式存在
氧含量随煤化程度的提高而降低
燃烧过程中氧和氢元素结合生成水，会吸收热量
氮元素
来源于植物的蛋白质
煤化程度越高，氮含量越多
燃烧时以氮气的形态析出
硫元素
分为有机硫和无机硫
有机硫来源于植物的蛋白质，在煤中分布不均匀，很难用洗选方法脱除
无机硫是混入煤中的黄铁矿（二硫化亚铁），可用洗选方法脱出
无机组分
矿物质
燃烧时发生水解氧化反应，是降低煤的有效热值的有害成分
水分
结构
相对分子质量300至1千
有大量煤原子环组成，一些环相互键合与其他环键合成长链，含有大量环状芳烃，并且夹着含硫元素和氮元素的杂环
煤的综合利用
煤的气化
煤在氧气不足的情况下进行不完全氧化，并通过不同的气体介质，如空气，水蒸气，氧气或其他气体，将煤中有机质转化为含一氧化碳，氢，甲烷等可燃气体的过程
煤气的热利用效率高
气化主要包括氧化燃烧反应，还原反应，水煤气反应，甲烷化反应（催化合成甲烷）
煤的干馏（焦化）
将煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，煤分解成焦炭，煤焦油，焦炉气
按温度不同，分为
低温干馏
得到焦炭的数量和质量较差，但焦油产率较高，轻油部分可以制成汽油
中温干馏
制城市煤气
高温干馏
制焦炭
产物
焦炉气
氢气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，乙烯，氨气，硫化氢，氮气，氧气，苯蒸气
煤焦油
单环芳烃
苯，二甲苯，酚
稠环芳烃
萘，蒽，菲
焦炭
用于冶金，电极，电石
煤的液化
目的
将煤转化成可代替石油的液态燃料
煤中氢元素的含量是石油的一半
方法
直接液化法
在高温高压的条件下，通过溶剂和催化剂，对煤进行加氢裂解，直接获得液化油
间接液化法
煤气化得到一氧化碳和氢气，在一定温度，压力，催化剂的作用下，合成烷烃，烯烃，乙醇，乙醛等液体燃料
石油和天然气
石油和天然气的成因
石油的成因
无机成因说
碳化物说
地球核心部分的重金属碳化物和从地表渗透下来的水发生作用，可以产生烃类
宇宙说
地球处于熔融状态时，烃类就存在于它的气圈里，随着地球的逐渐冷凝，烃类被岩浆吸收，就在地壳中生成的石油
有机成因说
天然气的成因
低温下，有机质和细菌作用形成生物生成气
甲烷气
煤层气
六大类天然气：油型气，煤成气，生物成因气，无机成因气，水合物气，深海水合物圈闭气
日常所说的天然气，通常是指天然气田，油田伴生气和煤田伴生气
石油和天然气的组成
石油
天然石油（原油）
从油田中开采出来的
人造石油
从油页岩中或煤炭经干馏或合成的方法提炼出来的
石油的组成
主要成分是烃类有机物，主要是烷烃，环烷烃，芳烃和烯烃（主要含碳氢两种元素）
石油中含硫元素，氮元素，氧元素的化合物是非烃类化合物，对产物有影响。例如硫化物对金属有腐蚀作用，会影响汽油的抗爆性。
天然气
主要成分
甲烷，含有少量乙烷，丙烷，低碳烷烃，二氧化碳，氢气，硫化物
甲烷含量高，称为干气或贫气
C2以上烷烃含量高的称为湿气
天然气往往和石油伴生
石油的炼制
原油中含有少量水，盐，泥沙，所以要进行预处理
分馏
碳氢化合物的沸点随碳原子数增加而升高
加热使沸点低的烃类气化，冷凝分离出来，这次可以把沸点不同的化合物进行分离，所得产品叫馏分。
分流在分馏塔内进行，先在常压下，得到低沸点的馏分，然后再减压下，得到高沸点的馏分
乙烯
以氧气为催化剂，制得高压聚乙烯，制作食品袋，奶瓶
以四氯化碳为催化剂，在常温下制得低压聚乙烯，制作脸盆水桶
以高锰酸钾为催化剂，加水制得乙二醇，是制造涤纶的原料之一
生活小贴士
烧菜进行到一半，突然断气，可在气罐外浇一点热水
石油液化气的主要成分是丁烷，还含有戊烷和己烷，这些杂志由于沸点较高（36摄氏度，69摄氏度），在室温下不能气化，以液态沉积于钢瓶中。加温使戊烷和己烷气化。
汽油的性能
抗爆性
用辛烷值度量
辛烷值越高，抗爆性越好
提高辛烷值的方法
在汽油中加添加剂
寻找新的调和剂代替四乙基铅
改进炼油技术
汽油牌号越大，抗爆性越好
异辛烷抗爆性较好
90号汽油指的是90%的异辛烷
石油分馏产品的分类
轻油，350摄氏度以下
汽油，煤油，柴油含碳量依次升高
重油，350摄氏度以上
例如凡士林，石蜡，沥青
裂化
定义
将重油等大分子烃类分裂成汽油，柴油等小分子烃类
核能
原子核结构发生变化时，放出的能量
核能的产生
核力
原子核内质子―质子，质子―中子，中子―中子之间存在的作用力
核力把核子（质子和中子）凝聚成原子核
爱因斯坦的质能关系
E=mc²
能量等于质量乘以光速的平方
铀核裂变后的碎片质量减少了，质量转化成了原子能
核裂变
U-235裂变成核素，中子和其他元素
消耗一个中子，能产生几个中子，继续轰击其他U-235使之裂变（链式反应）
发展核能
意义
缓解环境污染
危害
放射性物质对周围环境产生辐射
核聚变
优点
原料和产物基本无放射性
需要极高的温度，温度下降，聚变反应会自动终止，相对安全
