兰州交通大学：《工程化学》课程教学资源（授课教案）第6章 化学与能源

工程化学教案 第六章 工程化学教案—第六章化学与能源 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等 使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生

工程化学教案 第六章 • • 1 工程化学教案——第六章 化学与能源 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等 使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生

工程化学教案 第六章 第六章 化学与能源（讲授时数：1学时） 学习目的和要求 了解能源中的燃料燃烧反应的热效应，能源的概况。 二.本章节重点、难点 能源中的燃料燃烧反应的热效应 三.学时分配 共1学时 四.教学内容： 能源：是指提供能量的自然资源。能源的消费水平在很大程度上是一个国家综合实力的 表现。 存在于自然界，可直接获得而勿须改变其形态和性质的能源称为一次能源，亦称天然能 源。其中风能：水能、太阳能、地热能、生物能、潮汐能等不会随着人们的使用而减少，称 之为可再生能源。而矿物能源如煤炭、石油、核燃料等，有些已经出现资源枯竭的危险。这 些能源称为非再生能源。由一次能源经加工、转换或改质而得到的另一类型能源产物称二次 能源，如电能、氢能、汽（煤）油等。 二、几种主要的能源 1.太阳能：有从太阳获取大量辐射的光和热，经植物的光合作用转化为生物质的化学能： 埋藏在地下的动植物残骸经漫长的地质作用而转化为煤炭、石油、天然气等化石能：江河湖 海中的水，经日晒蒸发再凝聚降落在高山丘陵而形成水力能及其风能等。可以说：太阳能是 地球上主要能源的总来源。2.石油：由于热值比煤高而且开采、运输均较容易，实用性也 强，用途广泛，占据能源消费的首位，目前维持在6%~47%。3.天然气：系指气田、油田 等处产生的可燃性碳氢化台物目前已成为世界第三位的能源 除此，还有核能、化学能等。 三、我国的能源状况 自古以来，我国一直以薪柴作为燃料。近代的中国城市以煤炭和木柴为主要能源，广大 农村主要靠枯杆和柴草为生活能源。 我国能源资源总量十分丰高，资源品种也较齐全，但是由于我国人口众多，人均能量 资源占有量仅为世界平均平的50%：另外，我国能源分布极不均衡，工业较发达的东南沿 海地区煤炭和水力资源短缺。丰富的水力资源主要在西南交通不便和地形复杂的地区，开发 利用难度较大。 我国一次能源以燃煤为主，1992年能源生产中煤炭10.7万亿吨，占总能源的74.3%， 原油占18.9%，天然气占2.0%，水电占4.8%，这一基本情况近期不会 明显改变 由于我国煤炭的灰分和硫分较高，原煤入洗率较低 大部分原煤未经洗选就直接燃烧 历年来我国工业和民用燃料排放悬浮颗粒物和二氧化硫数量极大，我们面临的大气保护和治 理的任务是十分艰巨的。 加。做岁 1.煤的形成：煤是由远古时期繁茂植物的残骸累积随地层变动埋入地下，经漫长时间的地 热高温、 高压和细菌作用逐步形成。煤是地球上储量最多的化石燃料，全世界的总储量估计 有13万亿吨，它也是化学工业的重要原料。 2。煤的类型及组成：主要有泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤，其煤化程度依次增高。煤是一种 具有高碳氢比的复杂混合物，其可燃成分主要是碳和氢，还含有少量氧、氮、硫。其主体是 三维空间的高分子化合物，组成并非是均一单体的聚合物，而是由许多结构相似的结构元通

工程化学教案 第六章 2 第六章 化学与能源 （讲授时数: 1 学时） 一． 学习目的和要求 了解能源中的燃料燃烧反应的热效应，能源的概况。 二. 本章节重点、难点 能源中的燃料燃烧反应的热效应 三. 学时分配 共 1 学时 四． 教学内容： 能源：是指提供能量的自然资源。能源的消费水平在很大程度上是一个国家综合实力的 表现。 存在于自然界，可直接获得而勿须改变其形态和性质的能源称为一次能源，亦称天然能 源。其中风能；水能、太阳能、地热能、生物能、潮汐能等不会随着人们的使用而减少，称 之为可再生能源。而矿物能源如煤炭、石油、核燃料等，有些已经出现资源枯竭的危险．这 些能源称为非再生能源。由一次能源经加工、转换或改质而得到的另一类型能源产物称二次 能源，如电能、氢能、汽（煤）油等。 二、几种主要的能源 1. 太阳能：有从太阳获取大量辐射的光和热，经植物的光合作用转化为生物质的化学能； 埋藏在地下的动植物残骸经漫长的地质作用而转化为煤炭、石油、天然气等化石能；江河湖 海中的水，经日晒蒸发再凝聚降落在高山丘陵而形成水力能及其风能等。可以说：太阳能是 地球上主要能源的总来源。2. 石油：由于热值比煤高而且开采、运输均较容易，实用性也 强，用途广泛，占据能源消费的首位，目前维持在 6%~47%。3. 天然气：系指气田、油田 等处产生的可燃性碳氢化台物目前巳成为世界第三位的能源。 除此，还有核能、化学能等。 三、我国的能源状况 自古以来，我国一直以薪柴作为燃料。近代的中国城市以煤炭和木柴为主要能源，广大 农村主要靠桔杆和柴草为生活能源。 我国能源资源总量十分丰富，资源品种也较齐全，但是由于我国人口众多，人均能量 资源占有量仅为世界平均平的 50%；另外，我国能源分布极不均衡，工业较发达的东南沿 海地区煤炭和水力资源短缺。丰富的水力资源主要在西南交通不便和地形复杂的地区，开发 利用难度较大。 我国一次能源以燃煤为主，1992 年能源生产中煤炭 10.7 万亿吨，占总能源的 74.3%， 原油占 18.9%，天然气占 2.0%，水电占 4.8%，这一基本情况近期不会有明显改变。 由于我国煤炭的灰分和硫分较高，原煤入洗率较低，大部分原煤未经洗选就直接燃烧， 历年来我国工业和民用燃料排放悬浮颗粒物和二氧化硫数量极大，我们面临的大气保护和冶 理的任务是十分艰巨的。 四、煤炭 1. 煤的形成： 煤是由远古时期繁茂植物的残骸累积随地层变动埋入地下，经漫长时间的地 热高温、高压和细菌作用逐步形成。煤是地球上储量最多的化石燃料，全世界的总储量估计 有 13 万亿吨，它也是化学工业的重要原料。 2. 煤的类型及组成：主要有泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤，其煤化程度依次增高。煤是一种 具有高碳氢比的复杂混合物，其可燃成分主要是碳和氢，还含有少量氧、氮、硫。其主体是 三维空间的高分子化合物，组成并非是均一单体的聚合物，而是由许多结构相似的结构元通

工程化学教案 第六章 过桥键联结而成。其结构单元以缩合芳香环为核心，缩合环的数目随煤化程度的增加而增加。 C为7083%时，平均环数为2，C为83%90%时，平均环数3^5，C>90%,环数目急增，环数 目〉40。煤中碳元素芳香化程度，烟煤≤80% 无烟煤接近100%， 燃煤对大气环境危害最大的成分之一：烟尘主要由煤中的灰分转化而来。煤中的灰分 主要是一些不能燃烧的矿物性杂质，含有钙、镁、铁、铅、硅和微量或痕量砷、钡、铍、铅、 汞、锌等矿物杂质，也含有少量的放射性元素。 3.水煤气：煤的气化是有控制地将氧或含氧化合物（如H0、C02等），通入高温煤炭焦炭 层或煤层)发生有机物的部分氧化反应，从而获得含有由、C0等可燃气体的过程。这些气 体可作为气体燃料 也可作为化工原料。根据所用气化剂和所得产物的不同，可燃气体大致 可分为：空气煤气、混合煤气、水煤气和半水煤气。 A.制备：利用C(s+O(g)=CO(g) △.Hm9=-393.5kJ/mol 反应产生的大量热，在隔绝空气的条件下，将水蒸气通过热焦碳， B.反应方程式：C(S+HO(g)=C0(g+H2g)△Hm9=131.3k/mol C.优点： C(s) 1204gC0g H(g+1/20h(g=H0(g）△xHm8=-285.8kJmo 缺点：C0(g)有剧毒。 4.合成气：参见P28 5.煤的液化：煤的液化主要指煤催化加氢液化，其主要任务是将煤中的HC原子比调整 至合适的数值。在煤加氢的转化过程中，催化利扮演了重要角色，Co、Ru、Pd、Pt、R 等过渡金属配合物都是煤和煤衍生液体的催化剂。目前最常用的催化利是载在多孔氧化 铝表面上用硫化物处理过的钼酸钻，对于煤裂解的各种产物的加氢非常有效，并且在含 有杂质原子的煤行生液体中寿命相当长。 五、石袖和天然气(oiland natural gas) 经处理的石油叫原油，原油及其加工所得的液体产品的总称为石油，石油是石油原油的简 称，是碳氢化合物的混合物。 石油成分十分复杂，在石油炼厂中，原油经蒸溜、催化裂化、热裂化、加氢裂化、催化 重整、石油焦化及产品精制等各种加工过程，将其各组分分离并改制成为重要的石油产品和 化工原料 开采出的天然气主要成分是甲烷，但也含有相对分子质量较大的烷烃，如乙烷、丙烷 丁烷、戊烷等。丙烷和丁烷常态下为气体，但稍微加压即可液化。天然气中各组分通常随相 对分子质量的增大而含量递减，其中还含有N2、H2、SO2、HS等。 六、氢能(hydrogen energy) 1概念：氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的能量包括氢 核能和氢化学能 2.发生与生产：氢能源的开发应用必须解决三个关键问，即康价氢的大批量制备、氢的储 运和氢的合理有效利用。 A制备：工业规模化制氢有：水煤气法、天然气或裂解石油气制氢。在研究的方法有：电解 水法、热化学分解水法、光分解和光电化学分解水法。 B输送与贮存：加压气态储存、深冷液化储存、金属氢化物储氢和。非全属氢化储存。 C氢化学能的利用：宇航推进剂、燃氢飞机等。 七.典型例题 例1.在100℃，100kPa下，由1mol水汽化为1mol水蒸气。在此汽化过程中△U和△H是 否相等？若△rHm等于40.63kJ.mo1,求△U 3

工程化学教案 第六章 3 过桥键联结而成。其结构单元以缩合芳香环为核心，缩合环的数目随煤化程度的增加而增加。 C 为 70~83%时，平均环数为 2，C 为 83%~90%时，平均环数 3~5，C>90%，环数目急增，环数 目> 40。煤中碳元素芳香化程度，烟煤≤80%，无烟煤接近 100%。 燃煤对大气环境危害最大的成分之一：烟尘主要由煤中的灰分转化而来。煤中的灰分 主要是—些不能燃烧的矿物性杂质，含有钙、镁、铁、铅、硅和微量或痕量砷、钡、铍、铅、 汞、锌等矿物杂质，也含有少量的放射性元素。 3.水煤气：煤的气化是有控制地将氧或含氧化合物（如 H2O、CO2 等），通入高温煤炭(焦炭 层或煤层）发生有机物的部分氧化反应，从而获得含有 H2、CO 等可燃气体的过程。这些气 体可作为气体燃料，也可作为化工原料。根据所用气化剂和所得产物的不同，可燃气体大致 可分为：空气煤气、混合煤气、水煤气和半水煤气。 A. 制备：利用 C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔrHm Θ =-393.5kJ/mol 反应产生的大量热，在隔绝空气的条件下，将水蒸气通过热焦碳。 B. 反应方程式: C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ΔrHm Θ =131.3kJ/mol C. 优点： 水煤气中的 CO(g)+H2(g) 完全燃烧时可放出大量 热 C(s)+1/2O2(g)=CO2(g) ΔrHm Θ =-283.0kJ/mol H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g) ΔrHm Θ =-285.8kJ/mol 缺点： CO(g)有剧毒。 4.. 合成气：参见 P28 5.煤的液化：煤的液化主要指煤催化加氢液化，其主要任务是将煤中的 H/C 原子比调整 至合适的数值。在煤加氢的转化过程中，催化利扮演了重要角色，Co、Ru、Pd、Pt、Rh 等过渡金属配合物都是煤和煤衍生液体的催化剂。目前最常用的催化利是载在多孔氧化 铝表面上用硫化物处理过的钼酸钴，对于煤裂解的各种产物的加氢非常有效，并且在含 有杂质原子的煤衍生液体中寿命相当长。 五、石油和天然气（oiill and naturall gas） 未经处理的石油叫原油，原油及其加工所得的液体产品的总称为石油，石油是石油原油的简 称，是碳氢化合物的混合物。 石油成分十分复杂，在石油炼厂中，原油经蒸溜、催化裂化、热裂化、加氢裂化、催化 重整、石油焦化及产品精制等各种加工过程，将其各组分分离并改制成为重要的石油产品和 化工原料。 开采出的天然气主要成分是甲烷，但也含有相对分子质量较大的烷烃，如乙烷、丙烷、 丁烷、戊烷等。丙烷和丁烷常态下为气体，但稍微加压即可液化。天然气中各组分通常随相 对分子质量的增大而含量递减，其中还含有 N2、H2、SO2、H2 S 等。 六、氢能（hydrogen energy） 1.概念：氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的能量包括氢 核能和氢化学能。 2.发生与生产：氢能源的开发应用必须解决三个关键问题，即廉价氢的大批量制备、氢的储 运和氢的合理有效利用。 A.制备：工业规模化制氢有：水煤气法、天然气或裂解石油气制氢。在研究的方法有：电解 水法、热化学分解水法、光分解和光电化学分解水法。 B.输送与贮存：加压气态储存、深冷液化储存、金属氢化物储氢和．非全属氢化储存。 C.氢化学能的利用：宇航推进剂、燃氢飞机等。 七.典型例题 例 1.在 100o C，100kPa 下，由 1mol 水汽化为 1mol 水蒸气。在此汽化过程中ΔU 和ΔH 是 否相等？若ΔrHm 等于 40.63kJ.mol-1，求ΔU

工程化学教案 第六章 H,0(1)=H0(g)解：对反应式H0(1)=H,0(g) 根据△，Hm-△，Um=∑Wg)I关系式可知该反应式的 △，Hm-△，Um=∑Vg)RT=RT=8.314.mo1'.K'×398.15R =3.31kJ.m0l1 因而水汽化过程中△U和△H是不相等的，这时△rr△rmRT=40.63-3.31-37.32 例2.298.15K,100kPa下 2Na(s)+MgCl.(S)→Mg(s)+2NaCl(s)反应的标准摩尔格变△Him' 查表得：2Na(s)+MgCl,(s)→Mg(s)+2NaCI(s) △Hm'(298.15R)kJ.mo110 -641.32 0 -411.15 A,HR(298.15K)=∑'a△，HRB298.15) =2×(-411.15)+0+(-1)×(-641.32)+0 =-180.98kL.mo1-1 思考题： 习题：

工程化学教案 第六章 4 H2O（l）= H2O（g） 解：对反应式 H2O（l）= H2O（g） 根据 rHm −rUm =(Bg)RT 关系式可知该反应式的 rHm − rUm = (Bg) RT = RT =8.314J.mol-1 .K -1×398.15K =3.31kJ.mol-1 因而水汽化过程中ΔU 和ΔH 是不相等的，这时ΔrUm=ΔrHm-RT=40.63-3.31=37.32 例 2. 298.15K,100kPa 下 2Na(s) MgCl (s) Mg(s) 2NaCl(s) + 2 → + 反应的标准摩尔焓变ΔrHm θ。 查表得： 2Na(s) MgCl (s) Mg(s) 2NaCl(s) + 2 → + ΔfHm θ（298.15K）kJ.mol-1 0 -641.32 0 -411.15      ( . K ) = v  H ( . ) r m 298 15 B f m.B 298 15 =2×（-411.15）+0+（-1）×（-641.32）+0 =-180.98 kJ.mol-1 思考题： 习题：