能源與化學全解

第

4章

能源與化學

目錄4-4其他能源●核反應(影片欣賞)●質(zhì)能轉換(例題4-3)●核能的運用●核能的其他和平用途

(進階例題10)●太陽能●多元能源的開發(fā)

(進階例題11、進階例題12)●煤的組成●煤的干餾●水煤氣●煤的優(yōu)缺點【補充】●天然氣(進階例題6、進階例題7)4-3化學電池●氧化還原反應●鋅銅電池(例題4-2)●干電池●堿性干電池●驗電條的神奇魔力【補充】●鉛蓄電池●鉛蓄電池放電與充電●汞電池●鎳鎘電池

(進階例題8、進階例題9)4-1能源與燃料●能源的種類(影片欣賞)●反應熱●影響反應熱的因素●莫耳燃燒熱與莫耳生成熱●反應熱的性質(zhì)●燃料熱值(例題4-1、進階例題1)4-2化石能源●化石能源(影片欣賞)●石油分餾的主要餾份及用途

(進階例題2、進階例題3)●汽油●汽油添加劑●熱裂解●石油產(chǎn)品知多少?【補充】(進階例題4、進階例題5)回頁首第一頁第二頁，共58頁。能源的種類3.其他能源：地熱、波浪、潮汐2.太陽能●化石燃料：如煤、石油、天然氣等?！窈四埽衡?235進行核分裂產(chǎn)生的能源。1.目前人類的主要能源是

及

?；剂虾四苡捌蕾p：能量請按黃色按鈕第二頁第三頁，共58頁。反應熱△H＝(生成物能量的總和)－(反應物能量的總和)

吸熱反應

放熱反應

.△H＞0

△H＜0能量生成物反應物生成物反應物ΔH＞0吸熱反應ΔH＜0放熱反應第三頁第四頁，共58頁。影響反應熱的因素1.化學反應熱會受到反應型態(tài)、反應物的量、物質(zhì)狀態(tài)、溫度及壓力等因素的影響。2.反應熱與反應過程

，不受催化劑的影響。3.以

時的反應熱作為標準反應熱。4.以反應方程式表示反應的能量變化時，除了寫出反應物及生成物，尚須標示物質(zhì)狀態(tài)及反應熱，此方程式稱為

。無關1atm、25℃熱化學方程式第四頁第五頁，共58頁。在1atm及25℃時，1.0莫耳物質(zhì)完全燃燒所引起的熱量變化，稱為該物質(zhì)的

。H2(g)

＋?O2(g)

─→H2O(l)△H＝

kJ

氫的莫耳燃燒熱也是

。－286水的莫耳生成熱莫耳燃燒熱莫耳燃燒熱與莫耳生成熱第五頁第六頁，共58頁。反應熱的性質(zhì)2.反應物相同，生成物不同，則反應熱

。

C(s)＋O2(g)

─→CO2(g)△H＝－394kJ

C(s)＋1/2O2(g)─→CO(g)△H＝

kJ1.反應物愈多，反應熱愈

。

H2(g)＋1/2O2(g)

─→H2O(l)△H＝－286kJ

2H2(g)＋O2(g)─→2H2O(l)△H＝

kJ－572－110大不同3.反應物生成物均相同，狀態(tài)不同，則反應熱

。

H2(g)

＋1/2O2(g)

─→H2O(l)△H＝－286kJH2(g)

＋1/2O2(g)

─→H2O(g)△H＝－242kJH2O(l)→H2O(g)△H＝

kJ不同44第六頁第七頁，共58頁。燃料熱值●燃料的熱值常以

來表示●熱值愈高的燃料就是

的燃料。千焦/千克(kJ/kg)較佳常見燃料熱值19000~31000煤42000~44000柴油44000~46000煤油46000~48000汽油46000~50000液化石油氣33000~50000天然氣熱值(kJ/kg)燃料第七頁第八頁，共58頁。例題4-1燃燒一莫耳氫氣可放熱286kJ，計算氫氣的熱值有多少kJ/kg？一莫耳氫氣的質(zhì)量2.0克，1000克氫氣等于500莫耳，燃燒后共放熱286kJ×500＝143000kJ，所以氫氣的熱值為143000kJ/kg。參考解答第八頁第九頁，共58頁。進階例題1已知甲烷(CH4)的莫耳燃燒熱為－880kJ，乙烷(C2H6)的莫耳燃燒熱為－1540kJ，若以同重量計算，何者放熱量較大？

參考解答

甲烷甲烷(CH4＝16)，乙烷(C2H6＝30)，每克的燃燒放出熱量大小為＞故燃燒熱值(kJ/kg)：甲烷＞乙烷第九頁第十頁，共58頁?；茉础袷椭饕?/p>

的混合物●烴類也稱為

?！窭没旌衔镏懈鞒煞莸姆肿恿考胺悬c的差異，將不同的成分分開，稱為

。烴類碳氫化合物巖石巖石砂石油頁巖巖石底土油井油氣土壤分餾影片欣賞：石油請按黃色按鈕第十頁第十一頁，共58頁。石油分餾的主要餾份及用途瀝青＞C22殘留物潤滑油、蠟紙＞350C17～C22蠟油柴油機燃料250～400C15～C20柴油燈油、噴射機燃料175～300C12～C16煤油汽車燃料、有機溶劑60～200汽油有機溶劑20～60C5

～C6石油醚燃料(液化石油氣，LPG)＜20石油氣用途分餾溫度(℃)含碳數(shù)成分C1

～C4C6

～C12第十一頁第十二頁，共58頁。進階例題2石油是由烴類化合物組成的混合物，右圖是精煉石油的分餾塔簡圖，碳數(shù)約為13-19的餾份由丙出口流出，(1)甲出口與丙出口的餾份相比，下列敘述何者正確？

參考解答(C)(A)兩者的沸點一樣(B)甲出口之餾份的平均分子量比丙的大(C)丙出口之餾份的平均分子量比甲的大(D)兩者的平均分子量一樣，但化學結構不同

第十二頁第十三頁，共58頁。進階例題3(2)有關各出口餾份的性質(zhì)與用途，下列敘述何者正確？

參考解答(D)(A)甲出口之餾份是氣體，冷凝收集后，多用作飛機燃油(B)乙出口之餾份的碳數(shù)超過30，多用作工業(yè)溶劑(C)含鉛汽油直接從丙出口流出，辛烷值高，可防爆震(D)丁出口的產(chǎn)物是分子量非常大的殘余物，如瀝青

【91學測】

第十三頁第十四頁，共58頁。汽油1.引擎震爆(knocking)：汽油蒸氣在內(nèi)燃機汽缸內(nèi)燃燒時產(chǎn)生高壓氣體，推動活塞轉動，若因燃燒太快使活塞受力不均勻，會產(chǎn)生引擎震爆現(xiàn)象，損害引擎且減低引擎動力。2.燃料的抗震爆程度以燃料的

表示。3.辛烷值愈高，燃料燃燒時產(chǎn)生震爆程度愈

。4.訂定標準：

正庚烷(C7H16)震爆程度嚴重，辛烷值定為

。

異辛烷(C8H18)震爆程度小，辛烷值定為

。5.市售95汽油(O.N.＝95)震爆程度

由體積95%異辛烷和5%正庚烷混合燃料的震爆程度。辛烷值(O.N.值)小0100相當于第十四頁第十五頁，共58頁。汽油添加劑1.含鉛汽油：●在汽油中添加少許

以提高其辛烷值●并加入少量

作為鉛的清除劑，使燃燒后生成易揮發(fā)的溴化鉛PbBr2●

缺點：燃燒后產(chǎn)生鉛化合物的污染四乙基鉛[Pb(C2H5)4]二溴乙烷●在汽油中添加

(簡稱MTBE)及醇類等以提高其辛烷值?！袢紵蟛粫斐摄U污染的問題。甲基第三丁基醚[CH3OC(CH3)3]

2.無鉛汽油：第十五頁第十六頁，共58頁。熱裂解●

烷類經(jīng)高溫強熱加上適當催化劑發(fā)生

。●

丙烷裂解生成丙烯、乙烯、甲烷、氫等小分子。熱裂解裂解───→(加熱、催化劑)(丙烯)(氫)(甲烷)(乙烯)第十六頁第十七頁，共58頁。石油產(chǎn)品知多少？

【補充】數(shù)據(jù)鏈路～中國石油(股)公司網(wǎng)站－石油教室氣體類產(chǎn)品：如天然氣、液化天然氣、丙烷等。燃料類產(chǎn)品：如汽油、煤油、燃料油等。潤滑油脂：按用途分

1.車輛與機動機械用潤滑油脂

2.工業(yè)機械用潤滑油脂

3.船舶用潤滑油脂柏油類產(chǎn)品溶劑類產(chǎn)品：如油漆溶劑、去漬油等。石油化學品：如乙烯、丙烯、甲苯等。第十七頁第十八頁，共58頁。進階例題4有關石油與烷類的敘述，何者正確？(A)熱裂煉是將較大的烷類分子轉變成經(jīng)濟價值高的小分子(B)石油醚是由原油分餾而得的純質(zhì)，是一種化合物(C)常溫常壓下丙烷與丁烷為氣體，高壓下則液化成高揮發(fā)性的液體(D)鉀丟入石油醚中，會燃燒爆炸(E)實驗室用的正己烷主要是由石油中分餾而得

第十八頁第十九頁，共58頁。進階例題4參考解答

(A)(C)(B)石油醚是混合物(D)石油醚為烷類的混合物，與金屬鉀不反應，故堿金屬儲存于煤油或柴油中(E)石油分餾僅能獲得混合物第十九頁第二十頁，共58頁。進階例題5有關汽油抗震爆能力和辛烷值的下列敘述，何者正確？(A)抗震爆能力：95無鉛汽油＞92無鉛汽油

(B)含鉛汽油是指汽油中含有PbO2添加劑

(C)辛烷值愈高的汽油，其抗震爆能力愈低

(D)98無鉛汽油中異辛烷的體積占98﹪

第二十頁第二十一頁，共58頁。進階例題5參考解答

(A)(B)含鉛汽油是指汽油中含有四乙基鉛添加劑(C)辛烷值愈高的汽油，其抗震能力愈高(D)98無鉛汽油是指汽油抗震程度相當于體積比異辛烷：正庚烷＝98：2混合物的抗震程度，并非一定含有98%的異辛烷第二十一頁第二十二頁，共58頁。煤的組成1.煤(coal)是埋在地下的

，受到長期地熱與高壓逐漸碳化而形成的黑色固體物質(zhì)。2.煤主要成分是

及少量硫、氮、氫和氧，燃燒時會產(chǎn)生硫及氮的氧化物，造成酸雨。植物碳酸酸酸第二十二頁第二十三頁，共58頁。煤的干餾將煤隔絕空氣強熱至高溫分解第二十三頁第二十四頁，共58頁?！?/p>

煤氣與水煤氣都沒有特殊氣味，但均含劇毒的

，故須添加微量

氣體，因其臭味在氣體外泄時易生警覺?！衩航乖诟邷叵屡c水蒸氣反應產(chǎn)生一氧化碳和氫氣為主的混合氣體，俗稱

，是工業(yè)上的重要燃料。水煤氣水煤氣C(s)＋H2O(g)

─→CO(g)＋H2(g)一氧化碳二乙基硫(C2H5)2S第二十四頁第二十五頁，共58頁。煤的優(yōu)缺點

【補充】～優(yōu)點～

1.比石油價格便宜。

2.開采較容易，儲量豐富，約還可以使用200年。

3.燃燒效率不斷提高。

4.可作化工原料，用途很多。

～缺點～

1.煤作為燃料時，發(fā)熱量比石油低。

2.因不能用管道輸送，煤的運輸時不如石油方便。

3.燃燒時污染性大，造成空氣污染及固體廢物。數(shù)據(jù)源：臺灣大學－地質(zhì)科學典藏數(shù)字化計劃－礦物篇網(wǎng)站第二十五頁第二十六頁，共58頁。1.天然氣主要由

、

組成，是低碳數(shù)的烷類混合物。天然氣

3.天然氣也可用來制造氫氣、氨、尿素及甲醇等重要的化學工業(yè)原料。甲烷乙烷2.天然氣無臭無毒且熱值高，是理想的燃料。第二十六頁第二十七頁，共58頁。進階例題6下列有關煤之敘述，下列何者正確？(A)依含碳量比而言：泥煤＞褐煤＞煙煤＞無煙煤(B)煤經(jīng)干餾后其氣相產(chǎn)物稱為水煤氣(C)苯、萘可自煤中分餾而得(D)干餾煙煤所得之產(chǎn)物，幾全為無機化合物(E)焦煤可用作冶鐵與煉鋼第二十七頁第二十八頁，共58頁。進階例題6參考解答

(C)(E)(A)依含碳量比而言：泥煤＜褐煤＜煙煤＜無煙煤(B)煤經(jīng)干餾后其氣相產(chǎn)物為煤氣(D)干餾煙煤所得之產(chǎn)物，除焦炭外大部分為有機化合物第二十八頁第二十九頁，共58頁。進階例題7關于化石燃料的成分，下列那些正確？

(A)天然氣的主要成份為CH4、C2H6(B)水煤氣的主要成份為CO、H2O(C)煤氣的主要成份為CH4、H2、CO(D)液化石油氣的主要成份為含碳數(shù)C4~C6的烷類(E)煤氣與水煤氣均有臭味，是因為含有具有臭味的苯及甲苯第二十九頁第三十頁，共58頁。進階例題7參考解答

(A)

(C)(B)水煤氣的主要成份為CO、H2

(D)液化石油氣的主要成份為丙烷與丁烷(E)煤氣與水煤氣的臭味是有機硫化物添加劑第三十頁第三十一頁，共58頁。氧化還原反應1.氧化：失去電子稱為

反應，為

。2.還原：獲得電子稱為

反應，為

。3.氧化還原必同時發(fā)生氧化還原劑還原氧化劑Zn(s)＋Cu2+(aq)─→Zn2+(aq)＋Cu(s)

電子

電子

.

.

劑

劑還原氧化失去獲得還原氧化第三十一頁第三十二頁，共58頁。鋅銅電池陰極(正極)

電子流(導線)

陽極(負極)←─←─Zn(s)＋Cu2+(aq)

─→Zn2+(aq)＋Cu(s)銅棒質(zhì)量

。鋅棒質(zhì)量

。溶液藍色變

。溶液顏色

。不變減輕增加淡第三十二頁第三十三頁，共58頁。例題4-2已知銅金屬放出電子的能力大于銀。將銅棒置于裝有1.0M硝酸銅水溶液的燒杯中，將銀棒置于裝有1.0M硝酸銀水溶液的燒杯中，U型玻璃管裝有硝酸鉀飽和水溶液作為鹽橋，利用上述裝置組成電池，請指出：(1)電池的凈反應式(2)陽極與陰極(3)電子流動方向

第三十三頁第三十四頁，共58頁。例題4-2參考解答(1)銅金屬放出電子的能力大于銀，所以電池的凈反應為：

Cu(s)＋

2Ag＋

─→

Cu2＋

＋

2Ag(s)(2)銅棒上發(fā)生氧化反應，所以銅棒是陽極，

銀棒上發(fā)生還原反應，所以銀棒是陰極。(3)電子由銅棒(陽極)經(jīng)外電路流向銀棒(陰極)。第三十四頁第三十五頁，共58頁。干電池（勒克朗舍電池）●電極：

為陽極，

(石墨棒)為陰極，屬于惰性電極?！耠娊赓|(zhì)：

、氯化鋅(ZnCl2)及二氧化錳(MnO2)的糊狀混合物。●電壓為

伏特●

電池鋅罐碳棒氯化銨(NH4Cl)1.5一次(+)(-)石墨電極(陰極)乳狀填充物鋅殼(陽極)MnO2糊狀物第三十五頁第三十六頁，共58頁。堿性干電池（勒克朗舍電池的改良）●干電池缺點：碳棒上最初生成

及

，會阻礙碳棒界面上的反應，稱為

。

(1)電解質(zhì)中氯化鋅吸收

。

(2)二氧化錳作為氧化劑與

反應生成Mn2O3及水●堿性干電池以

取代氯化銨，使電解質(zhì)呈堿性，放電時不產(chǎn)生氣體，電壓變動小，放電容量大，不易產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，耐寒性也較佳。氨氣氫氣極化氨氣氫氣氫氧化鉀第三十六頁第三十七頁，共58頁?！狙a充】市面上有些電池，只要按住正負極的兩點就可測出剩余的電力，這是為什么呢？我們要檢查電池是否仍有足夠的電力，主要是依賴驗電條的幫忙。什么是驗電條呢？它是一種電阻器，可因外在電壓的強弱改變它的發(fā)光范圍。以前是電池與驗電條分開，使用時才將驗電條連接于電池上。現(xiàn)在有些廠商為了方便使用者，將驗電條直接貼在電池外面，所以我們只要觸壓正負極的兩個接點就能知道電池的狀況了??！驗電條的神奇魔力第三十七頁第三十八頁，共58頁。鉛蓄電池●電極：陽極為金屬

，陰極為

(PbO2)●電解質(zhì)：

，

●電壓：每一個單位為

伏特，汽車用電池是由6個單位串聯(lián)成12伏特●

電池鉛二氧化鉛硫酸2二次第三十八頁第三十九頁，共58頁。鉛蓄電池放電與充電

●放電時：鉛金屬釋出電子產(chǎn)生

，二氧化鉛得到電子亦反應成

，兩電極重量均

，電池電壓會逐漸減小?！癯潆姇r：外接直流電源的負極接在

電極(陰極)，正極接在

電極(陽極)上。硫酸鉛(PbSO4)硫酸鉛增加Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)

2PbSO4(s)＋2H2O(l)放電─→←─充電鉛二氧化鉛第三十九頁第四十頁，共58頁。汞電池●電極：陽極為

粉陰極為

?！耠娊赓|(zhì)：

?！耠妷海杭s為

伏特●含有汞金屬，須嚴格回收●以

取代氧化汞，可避免嚴重污染鋅氧化汞(HgO)氫氧化鉀1.35氧化銀排氣孔鋅(陽極)KOH/ZnO電解質(zhì)氧化汞(陰極)絕緣層鍍錫內(nèi)璧不繡鋼外殼第四十頁第四十一頁，共58頁。鎳鎘電池1.電極：陽極為

金屬，陰極為

。2.電解質(zhì)：

。3.電壓約為

伏特4.

電池，多用于預備電源、安全照明、攝影機等。鎘氧化鎳氫氧化鉀1.3二次第四十一頁第四十二頁，共58頁。進階例題8關于勒克朗舍電池(干電池)，下列敘述何者正確？(A)以碳棒為陽極(B)陽極反應為Zn2＋＋2e－─→Zn(C)電解質(zhì)為MnO2、NH4Cl和ZnCl2的混合物(D)MnO2是還原劑參考解答

(C)

(A)以碳棒為陰極(B)陽極反應為Zn─→Zn2＋＋2e－(D)MnO2是氧化劑

第四十二頁第四十三頁，共58頁。進階例題9下列關于常用電池的敘述，何者正確？(A)堿性干電池以鋅為正極，二氧化錳為負極，以氫氧化鉀的糊狀物為電解液(B)鎳鎘電池可重復充電，為二次電池的一種(C)鉛蓄電池以二氧化鉛為正極，以稀硫酸為電解液(D)鉛蓄電池必須回收，以防止鉛的污染(E)干電池放電后，電池內(nèi)水分減少，故稱為干電池

第四十三頁第四十四頁，共58頁。進階例題9參考解答

(B)(C)

(D)(A)堿性干電池以鋅為負極，碳棒為正極，以氫氧化鉀的糊狀物為電解液。(E)干電池放電后，電池內(nèi)水份增加。第四十四頁第四十五頁，共58頁。核反應1.放射性：自然界中不穩(wěn)定的原子核會釋放出射線或能量，本身蛻變成不同原子核。2.射線：原子核蛻變放出的射線主要有三種：

α-射線(即

)，β-射線(即

)，

γ射線(高能

)。

.

.

─→++α-射線β-射線電磁波氦核電子影片欣賞：核能請按黃色按鈕第四十五頁第四十六頁，共58頁。1.愛因斯坦在相對論中提出：E＝

。2.單位：能量(E)

，物質(zhì)質(zhì)量(m)

，c為光速

。3.每克物質(zhì)可轉換成

焦耳的能量

E＝mc2＝(1×10－3kg)×(3×108m/s)2＝

。4.鈾-235的核分裂反應，質(zhì)量損耗率約0.095%

每公斤鈾-235反應約產(chǎn)生

焦耳的能量質(zhì)能轉換mc2千克3×108公尺/秒9×10139×1013J8.5×1013焦耳第四十六頁第四十七頁，共58頁。例題4-3請參考表4-1計算出每公斤鈾-235原子核的核分裂反應產(chǎn)生的能量，約為每公斤液化石油氣燃燒熱值的多少倍？第四十七頁第四十八頁，共58頁。例題4-3參考解答表4-1液化石油氣燃燒熱值為46000~50000kJ/kg，每公斤鈾-235原子的核分裂反應產(chǎn)生的能量8.5×1013J=8.5×1010kJ8.5×1010kJ÷50000kJ=1.7×106倍即同質(zhì)量的鈾核反應產(chǎn)生的能量大約是液化石油氣的一百七十萬倍。第四十八頁第四十九頁，共58頁。核能的運用1.核反應器又稱反應爐。2.反應爐內(nèi)有燃料棒、控制棒、傳導熱的水。3.燃料棒含濃度3~5％的鈾-235。4.控制棒是以能吸收中子的材料，如鎘金屬或硼。5.依熱傳遞方式不同而分為沸水式及壓水式。第四十九頁第五十頁，共58頁。核能的其他和平用途【補充】6.建筑結構分析檢查。5.農(nóng)產(chǎn)品的抗芽及滅菌、滅蟲。4.太空探測。3.醫(yī)療使用：核子醫(yī)學及滅菌消毒。2.利用半生期，估計古生物的年代。1.放射線標定：化學反應機構的研究、地下水的含量研究、生物的遷移研究。第五十頁第五十一頁，共58頁。進階例題10(A)鈷60釋放加馬(γ)射線，屬短暫半生期之同位素，通常藉注射或口服作診療之用。(B)核磁共振顯影儀是利用放射性原理的診斷儀器(C)兩種放射性同位素，同時由相同的原子數(shù)目開始衰變，在同一時段內(nèi)衰變的數(shù)目，半生期短者比半生期長者為多。(D)放射性同位素的應用，是利用放出的γ射線殺死細菌或病毒。