化学反应中的物质变化和能量变化课件.ppt

《化学反应中的物质变化和能量变化课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应中的物质变化和能量变化课件.ppt（68页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,化学反应中的物质变化和能量变化,2,一、化石燃料与新能源技术概评,这一方面内容将围绕教材中所要求的对使用化石燃料的利弊进行研讨及能源开发二项，对一些重要的能源，如化石燃料，太阳能、核能、氢能等从化学的角度进行介绍及概要评价，阐明各种能源技术在社会发展中所占的地位和适用范围，以及能源技术的发展趋势。,3,二、新能源技术,这一部分将就教材中提到的核能及最有希望的新能源如太阳能、燃料电池、氢能等进行简要介绍，阐述人类在新能源的研究、开发和利用等方面所取得的成果以及美好前景。,4,三、教材分析,这一部分将就教材中的离子反应本质、反应热、化合价与氧化数等问题谈一些个人理解。,5,一、化石燃料与新能源

2、技术概评,1.化石燃料概评（1）常规能源的主力军（2）资源有限（3）节能,6,我们眼中的煤炭,1）作为主要燃料适合我国国情2）洁净煤中国能源的新希望中国洁净煤技术包含四个领域：煤炭加工领域：选煤、型煤、水煤浆；电技术领域煤炭转化领域污染排放控制与废弃物处理领域,7,2新能源技术概评,评价的标准有四条：成本低廉；燃料取之不尽；能流密度大；生态合理。下面我们以能流密度为切入点，对主要新能源技术加以概评。,8,下表是部分能源能流密度数据。,由此可见，太阳能、风能、海洋能等虽然都是永久性的能源，但它们的能流密度不大，即从能源技术角度，对它们的利用是困难的。,9,不同的能源技术有各自的长短点，相应也决定

3、了其使用的范围。,本世纪，化石燃料仍是常规能源的主力军，水能及核能是重要的替代能源，而太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源将越来越成为重要的辅助能源。,10,二、新能源技术,新能源技术有许多，其中应优先发展的有太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能和燃料电池等。,11,1燃料电池,卡诺定理：=1-T1/T2 其中，代表热机的最大效率，T2和T1分别代表热机的最高和最低温度，即热机进气口（最热点）与出气口（最冷点）的温度。,12,任何一种能将热能变为机械能的机组，都得受卡诺定理的制约。,从公式中可以看出，如果能使热机出气口的排放物温度达到绝对零度，即T1=0，则全部热能就转变为功了。实际上这是不可

4、能的。,13,原则上就不可能制造出使全部热能转变为功的热机。,这样就得出一个严酷无情的结论：原则上就不可能制造出使全部热能转变为功的热机。该怎么办呢？只有尽可能提高温度T2，以提高卡诺公式中的效率。这回我们又得失望。因为在当代的热电站的汽轮机组里，水蒸汽的温度不超过600C或873K，结果，理想效率为=（873-293）/873=0.6（60%）。,14,而实际的效率要低得多。其原因是很难使燃料完全燃烧，也很难使灼热气体完全冷却，一部分能量消耗于摩擦和热的不可逆转变等等。结果是：现代最完善活塞式蒸汽机和内燃机实际效率不超过40%。而且这个数字将来也未必会有多大变化。,15,燃料电池和燃料燃烧的

5、根本差异：,燃烧过程也是原子之间的电子交换过程，但电子交换是杂乱无章、毫无秩序地进行的。而电流也是电子的运动，只不过是有规则的运动。那么，能否实现一种有组织、有秩序的燃烧以获得电流呢？,16,这是氢气的通常燃烧的反应式：2H2+O2=2H2O(1)下面把事情变一变，进行下述过程：2H2+4OH-4H2O+4e-(2)为此，需要把三种物质，即气态氢、OH-离子源电解液（碱的溶液）和被看作反应2中起电极作用的金属块结合在一起。,17,为了让反应2能够持久进行，还需要有第二个电极，构成一个闭合回路。我们往第二个电极供应氧气或空气，以便进行下述反应：4e-+O2+2H2O 4OH-(3),18,显然，

6、反应2、3之和为反应1。我们仿佛又回到了普通燃烧。由上述两电极构成的电池即是燃料电池。其好处是不仅可以在室温下进行（冷“燃烧”），而且还在于其燃烧效率很高，实际上没有损耗。燃料电池不受卡诺公式的限制，最大理论效率将为99.75%。,19,燃料电池具有高效、洁净、功率密度高及模块化结构等突出的特点，这决定了它在固定发电系统、现场用电源、分布式电源、空间飞行器电源及交通工具用电源方面有广阔的应用前景。燃料电池不足之处是：单位设备造价高；对燃料中的杂质非常敏感；可靠性和寿命尚待进一步考验；目前的规模和容量较小。,20,2太阳能,目前对太阳能的利用可分为太阳能的热利用和太阳能光电转换两方面。太阳能的热

7、利用：太阳能的热利用是将太阳的辐射能转换为热能而加以利用。,21,太阳灶、太阳能集热器,太阳灶：太阳灶的种类很多，但大体上可分为两种类型。即闷晒式和聚光式。太阳能集热器：普通民用热水器真空管式集热器,22,太阳能空调、太阳能蒸馏和与海水淡化、无污染热电厂,太阳能空调太阳能采暖太阳房。太阳能致冷不用电的冷冻机。太阳能干燥清洁的食品加工厂。太阳能温室农业生产工厂化。太阳能蒸馏和与海水淡化无污染热电厂,23,太阳能储存,太阳能储存是克服太阳能不连续的一个重要问题，对于太阳能的开发利用十分关键。目前，已有很多储存太阳能的方法，但是大容量、长时间、低成本的储存尚未实现。,24,（2）太阳光电转换,光电转

8、换基本原理：太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，在物理学上叫“光生伏打效应”。太阳电池就是根据这种效应制成的，所以也称光伏电池，是一种物理过程产生的电流。,25,太阳电池：最早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池。至今商业规模生产的太阳电池，仍为硅的系列。目前硅太阳电池的光电转换效率为15%左右，而且用于制造太阳电池的专业硅原料成本也较高，这些限制了太阳电池的普及与应用。,太阳光电转换,26,太阳能技术展望：,空间轨道上的太阳能电站人类能源技术的明天是太阳能时代，或者更确切些，是宇宙能源技术时代。假如人类永远被束缚在地球上，那么就很难解决全球性的能源问题和污染问题。,

9、27,光合作用,通过对叶绿素合成和光合作用机理的研究，我们将有可能制造出廉价的“绿色光电池”，它在阳光的作用下，能产生电流并进行工作。相信我们人类一定能实现这个美好的理想。因为我们已经掌握了人工合成叶绿素的方法，最近我国科学家在光合作用研究领域又取得重大突破。,28,29,3核能,核能的来源：研究发现，原子核由质子和中子组成，但其质量总是小于组成它的所有核子的质量之和。例如，根据各组成粒子的质量计算出一个42He原子质量为4.032982原子质量单位，但42He原子的实测质量是4.002604原子质量单位，所以有0.030378原子质量单位的质量亏损。,30,之所以会发生质量损失，是由于原子较

10、彼此分开的中子、质子和电子更稳定，原子处于较低的能级。与质量亏损相当的能量叫做结合能，数值按当代最伟大的科学家爱因斯坦提出的质能方程 E=mc2。,31,通过计算得出，最稳定的核存在于原子序数为3063的元素中。当较重的元素裂变并生成较小的更稳定的核时，这些粒子的总质量将较小，质量必然要转化为能量。当很轻的核（如H、He和Li）聚变成原子序数较高的元素时，也必然释放出巨大的能量。,32,（2）核能的利用,核能的利用：通过慢中子轰击铀或钚使其发生裂变而释放出核能的核反应堆至少包括五个主要组成部分：核燃料：通常使用的是铀或钚，典型的核裂变反应如下：,33,减速剂,减速剂：选择减速剂的条件是不吸收中

11、子也不与中子发生核反应。可以是重水、石墨、二氧化碳或轻水（即纯度很高的普通水），并以此定义该反应堆为重水堆、石墨堆或轻水堆等。,34,冷却剂,冷却剂：用来将核裂变所释放出的能量转移转移到反应堆外的锅炉或涡轮机中，并将动能转变成电能。,35,控制系统,控制系统 控制系统是通过调节慢中子的数量来实现的。如用金属镉或硼-10等元素制成控制棒，用以吸收中子以调节慢中子的数量。,36,保护系统,保护系统 一般包括三部分：反应容器为厚的可吸收大量放射线的钢制容器；厚13米的高密度混凝土外壳；以及用以吸收射线和X射线的由轻质材料制成的操作人员防护罩。,37,（3）核能的优点,核能是地球上储量最丰富的能源，又

12、是高度浓集的能源。核电是清洁的能源，有利于保护环境。核电的经济性优于火电。以核燃料替代煤和石油，有利于资源的合理利用。,38,（4）核能与原子弹,反应堆的结构和特性与原子弹完全不同。反应堆大都采用低浓度裂变物质作燃料，而且这些燃料都分散布置在反应堆内，在任何情况下，都不会像原子弹那样将燃料压紧在一起而发生核爆炸。反应堆有各种安全控制手段，以实现受控的链式裂变反应。,39,（5）受控核聚变,聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，即进入物质第四态。当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续

13、进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1022时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能持续进行。,40,4氢能,（1）氢能的特点：所有元素中，氢重量最轻。所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。,41,氢是自然界存在最普遍的元素，在地球上，氢主要以化合物的形态贮存于水中。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。,42,除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,3

14、51kJ/kg，是汽油发热值的3倍。氢燃烧性能好，点燃快，燃点高，燃烧速度快。,43,氢本身无毒，与其他燃料相比，氢燃烧时最清洁，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。,44,（2）常用工业制法,*甲烷转化法：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)*水煤气法：C+H2O(g)CO(g)+H2(g),45,常温电解法,*常温电解法 常温下电解水，负极有氢气放出。H2O(l)1/2O2(g)+H2(g),46,（3）廉价的制氢技术,*热化学循环分解水：现以1980年美国化学家提出的热化学循环为例加以说明。该系

15、统中包括下列反应：2HI(g)H2(g)+I2(g)（425C）SO2(g)+2H2O(l)+I2(g)2HI(aq)+H2SO4(aq)(90C)H2SO4(aq)SO2(g)+1/2O2(g)+H2O(g)(825C)净反应为：H2O(l)1/2O2(g)+H2(g),47,上述反应不消耗SO2，HI，它们可循环利用。该系统反应速率快。最高温度为825C，如果以核反应堆作为热源，达到这一温度是可行的。,48,生物分解制氢,*生物分解制氢科学家试图修改光合作用的过程，以使植物从水中释放出氢。小规模的实验已经表明，在一定的条件下，植物确实产生了氢气。,49,从海水制氢,*从海水制氢利用太阳能来

16、电解海水制氢是低成本制氢基本途径。目前已有太阳能发电电解海水制氢的装置研究出来，但还有许多工程技术问题需要解决。,50,（4）氢气的贮存,近二十多年来发展起来的新技术是金属贮氢材料。例如，镧镍合金能形成LaNi5H6氢化物。每立方米含有88kg氢。吸氢反应只要在高于通常大气压强23倍的压强下就能可逆地进行。从释放氢气的速率很快，加热至250C 就可以将氢全部排放出来。理想的金属贮氢材料将有很大的实用价值。,51,三、教材分析,1离子反应与离子反应的本质作为离子反应有两个要件：必须是在水溶液里发生的；离子反应中发生反应的双方至少有一方能电离出离子。,52,离子反应方程式揭示了化学反应的实质,下面

17、这个离子方程式对吗？Na2O+H20 Na+OH-,53,2离子方程式和电离方程式,*用来表示电解质在溶液中（或熔化时）电离成自由移动离子的式子叫电离方程式。如：H2SO4 H+HSO4-*用实际参加反应的离子符号表示离子反应的式子叫离子方程式。如：Ba2+SO42-BaSO4,54,3反应热,新教材的第3单元第四节对反应热的定义为：“在化学反应过程中放出或吸收的热量，通常叫做反应热。反应热用符号H 表示，单位一般采用kJ/mol。”。,55,对于一个中学生来说，如果不给予特别强调，很可能理解为任意条件下，化学反应过程所放出或吸收的热量均称为反应热，且均可用符号H表示。,56,事实上，化学反应

18、热是指化学反应只做体积功，不做非体积功的等温反应过程中放出或吸收的热量。它包含着等温这一条件。只有恒压过程的反应热可以用符号H表示，恒容热不可以用符号H表示。,57,假定气体反应组分为理想气体，H U+ng(RT),式中ng是反应前后气体物质的物质的量之差值。,58,新教材中反应热的单位采用kJ/mol，也为反应热概念的理解增添了难度。反应热单位采用kJ/mol，则说明是单位反应进度的反应热，不妨称之为摩尔反应热。对于指定反应，它只依赖于反应体系所处的状态及反应方程式的写法，而与参加反应的物质的量无关。,59,我认为可这样介绍反应热的相关内容：,当化学反应发生之后，使反应产物的温度回到反应前始

19、态的温度，体系放出或吸收的热量，就称为该反应的反应热。一些化学反应的反应热可以用量热计直接测定。在中学化学中，一般研究的是在一定压强下，在敞开容器中发生的反应所放出或吸收的热量，这类反应的反应热可用符号H表示，单位是J或kJ。,60,如果反应按所给反应方程式的系数比例进行了一个单位的化学反应，该过程的反应热被称为摩尔反应热，以符号Hm表示，单位是kJ/mol。此处的“mol”的意义是反应物或生成物的物质的量的变化与相应的化学计量数的比值均为1mol。,61,例如,例如：在101kPa和25时，反应H2(g)+I2(g)=2HI(g)的摩尔反应热Hm=-51.8kJmol-1。它代表1mol纯的

20、H2气和1mol纯的I2蒸气完全反应生成2mol纯的HI气所放出的热量是51.8kJ。（这是一个想象的过程）,62,关于燃烧热,燃烧热是反应热的一种，同样隐含等温这一条件。燃烧热也与反应的温度和压强有关。在等压下，若使同一反应分别在两个不同的温度下进行，则所产生的热量一般不同。,63,例题,例题1：在101kPa时，1molCH4完全燃烧生成CO2和液态H2O，放出890kJ的热量，CH4的燃烧热为多少？1000LCH4（标准状况）燃烧后所产生的热量为多少？同样的问题还存在于例题2。题中已知的是在101kPa和25时葡萄糖的燃烧热，求100g葡萄糖在人体中完全氧化时所产生的热量。人体的体温大约

21、是37，此温度时葡萄糖的燃烧热与25时葡萄糖的燃烧热不相等。,64,4化合价和氧化数,化合价：指相结合的原子的个数比，即某个原子能结合几个其它元素的原子的能力。化合价是整数，有正价和负价之分。化合价和氧化数的区别。,65,在化学发展过程中，Frankland和Kekule先后于1852年和1856年发现，在化合物中各元素具有一定的结合其它种原子数目的能力。1868年，Wickelhaus把这种能力称为原子价。此后发现化合价与“键”的性质和数量有关，于是又把化合价分为电价和共价两大类。,66,在离子化合物中，电价数等于离子所带电荷数。如，BaCl2中Ba2+为+2价，Cl-为-1价。在共价化合物中，化合价等于共价数，决定于形成共价键时共用电子对数，共价不分正、负。但是随着人们对化学键认识的扩展和深入，发现用化学键数目计算原子的化合价有很大的局限性。,67,1970年IUPAC定义了氧化数。氧化数是指某元素的一个原子在其化合态中的形式电荷数。在离子化合物中，简单阳、阴离子所带电荷数即为该元素原子的氧化数。,68,在共价化合物中，共用电子偏向吸引电子能力较强的原子，如HCl中，Cl的形式电荷为-1，H为+1，所以Cl的氧化数为-1，H的氧化数为+1。单质分子中共用电子对不偏不移，氧化数为零。氧化数可以有整数、零、分数或小数。,