第二章化学与能源2

（一）核裂变能使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。三、新能源一、核能

(NuclearEnergy)核能又分重核裂变能和轻核聚变能。人类在利用裂变所放出的能量方面已取得很大进展，现已建成各种类型的原子核反应堆和原子能发电站。轻核聚变时放出的能量要比同质量重核裂变时大几倍，目前人工控制聚变反应以利用其能量的研究正在积极进行。核裂变

(NuclearFission)又称核分裂，它是将平均结合能比较小的重核，设法分裂成两个或多个平均结合能大的中等质量的原子核，同时释放出核能。重核裂变，一般有自发裂变（核衰变）和感生裂变（外因引起）两种方式。最初，人们曾希望利用自发裂变来获取能量，但是却不能现实，因为一块纯铀在45亿年里才只有半数的原子核发生分裂变化，那么若有100万公斤的纯铀，它每天释放出的能量还不够发l度电。感生裂变才能获得使用的能量。居里夫妇在19世纪末到20世纪初投身于寻找新的放射性元素的研究。从大量的沥青铀矿中，经过多次的化学分离和纯制，终于发现和得到了放射性比铀强400倍的元素钋以及比铀强200多万倍的元素镭。这一项艰巨的化学研究打开了20世纪原子物理学的大门。居里夫妇为此荣获了1903年诺贝尔物理奖。1906年居里不幸遇车祸身亡，居里夫人继续专心于镭的研究和应用，测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准。为了纪念居里，在1910年的放射学大会上一致决定把放射性强度的单位定名为居里，沿用至今。要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。151链式裂变反应的类型：1.自持型。2.发散型。3.收敛型。204p裂变反应堆的种类:①动力堆:

是主要用来产生动力的反应堆，一般包括沸水堆、压水堆、重水堆、气冷堆、快中子堆等。②生产堆:

主要是指石墨堆和重水堆，利用生产堆主要是生产易裂变的材料.③研究性反应堆:

用于科学研究的目的，主要是为了对现有技术进行不断完善和改进，它一般包括石墨堆、轻水堆、重水堆、高通量堆。④产钚发电两用堆:

其实是动力堆和生产堆的结合，它既可以发电又可以生产钚，是一举两得的反应堆。

反应堆的一般结构为：①裂变材料:（铀、钚等）为固态（金属棒、合金、氧化物）或液态（盐溶液、熔融盐）；②中子减速剂:

石墨（石墨堆）、重水（重水堆）、普通水（轻水堆），裂变材料放置其中（由于普通水吸收热中子的几率比重水大得多，故轻水堆一般要用浓缩铀作裂变材料）；③反射层:

防止中子泄漏，由铍或石墨构成；④控制棒:

由硼和镉构成，当中子增殖太快时插入此棒吸收中子，减缓反应；⑤冷却剂:

为液态水、重水或气态空气，循环流动进行热交换（核电站就是通过这种热交换发生蒸气，以推动涡轮机而发电）；⑥防护墙:

为设置在反射层外的金属壳和1-2米厚的混凝土。链式反应中子鈾-235核分裂逃逸

放射性废料的危害核废料是指含有α、β和γ辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。核裂变能的利用带来的问题研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过X光照射，她们生下的孩子与母亲不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。

切尔诺贝利核电站

放射性核废料的处理与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处理，如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有“天葬”、“水葬”和“火葬”三种方法。“天葬”：把核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入3000千米的轨道上，让核废料远远离开人类生活的地球。“火葬”：火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装４个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到几百度。在这样的高温下，泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。“水葬”就是将深海作为核废料的墓场。将核废料装入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。核聚变

由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放很大的能量。例如2个氘核（12H）在高温下可聚合生成1个氦核（24He）核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为1.5

10-4：1，地球上海水总量约为1018吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。

怎样实现受控核聚变反应

必须将氘、氚等核燃料加热到极高温度(大约要

1亿°C以上)，在这样高的温度下，氘、氚混合燃料已超出大家非常熟悉的物质三态（即固态、液态和气态）而成为物质的第四种状态，即等离子体。四大困难：1是超高温；2是高密度；3是约束时间长；4是保持纯净。正在研究的5种核聚变反应方式1.托卡马可型2.螺旋型3.反转磁约束型4.镜像磁场型5.激光型208p氢能经济的背景大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。能源结构单一，过渡依赖化石能源。经济增长、环境保护和社会发展的压力。（二）理想的新能源——氢能氢能的优点：1.热值高。2.易燃烧。3.原料来源丰富(水).4.清洁无污染。5.应用范围广。202p氢气作为能源遇到的两个问题

氢气的制备氢气的储存一、氢气的制备（１）热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物(煤、石油、天然气、生物质等)输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2

和

CH4

等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。（2）电解水制氢工艺该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。理想的氢能源示意图

二、氢气的储存气体储存液体储存

近年来，大量的研究集中在碳纳米管储氢方面，主要是人们认为碳纳米管的储氢容量高，理论上可达10%。（三）生物质能1、来源生物质能

:生物质能蕴藏在动物、植物、微生物体内，它是由太阳能转化而来的，可以说是现代的、可以再生的“化石燃料”，它可以是固态、液态或气态。

2、分类生物质能主要有以下几大类：①城市垃圾，包括工业、生活和商业垃圾，全球每年排放约100亿吨；②有机废水，包括工业废水和生活污水，全球每年排放约4500亿吨；③粪便类，牲畜、家禽、人的粪便等，全球每年排放数百亿吨以上；④林业生物质，包括薪柴、枝丫、树皮、树根、落叶、木屑、刨花等；⑤农业废弃物，包括秸秆、果壳、果核、玉米芯、甜菜渣、蔗渣等；⑥水生植物，包括藻类、海草、浮萍、水葫芦、芦苇、水风信子等；⑦能源植物，是一些生长迅速，轮伐期短的乔木、灌木和草本植物，包括棉籽、芝麻、花生、大豆等。燃料直接燃烧时，热量利用率很低，仅15％左右，现用节柴灶热量利用率最多也只能达到25％左右，并且对环境有较大的污染。

经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的液体燃料。

生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)等可燃性气体，这些气体可用来发电。

生物质还可以在厌氧条件下生成沼气。3、生物质能利用的现状

此外科学家们还成功地培育出若干植物新品种，如巴西的香胶树(亦称石油树)，每株年产50kg左右与石油成分相似的胶质。美国人工种植的黄鼠草，每公顷可年产6000kg石油，美国西海岸的巨型海藻，可用以生产类似柴油的燃料油。把生物质转化为可燃性的液体或气体是使古老能源焕发青春的途径。

电池的分类：电池按照其使用性质的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大类。四、实用的能源——化学电池原电池锌锰干电池：负极是锌做的圆筒，正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。干电池发电时反应如下：负极：Zn-2e-=Zn2+正极：2NH4++MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O电池反应:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+

MnO+H2O使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处的MnO2的活性逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。银锌钮扣电池

钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是1.6伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求的场合，但价格昂贵。

蓄电池

蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。内部构造外部构造蓄电池放电时发生下列反应：负极(Pb):Pb+SO42--2e-=PbSO4正极(PbO2):PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

电池充电时发生与

上述反应相反的反应电动自行车锂电池

锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。锂电池自行车目前，商业化锂离子二次电池的正极材料主要是LiCoO2，负极材料主要为C，充电时发生如下反应：

正极反应：LiCoO2＝Li1-xCoO2+xLi++xe-

负极反应：C+xLi++xe-＝CLix

电池总反应：LiCoO2+C＝Li1-xCoO2+CLix

放电时发生上述反应的逆反应。燃料电池燃料电池(FuelCell，FC)是一种把储存在燃料和氧化剂