[理学]6化学与能源20111107.ppt

第六章 能源与化学 练习题 1. 以氢氧燃料电池为例,说明燃料电池怎样把化学能转变为电能? 2. 氢能源的特点是什么? 核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能—热能转换的装置。 ? 堆芯 ? 冷却系统 ? 慢化系统 ? 反射层 ? 控制与保护系统 ? 屏蔽系统 ? 辐射监测系统 自然界天然存在的易于裂变的材料只有Ｕ-235，它在天然铀中的含量仅有0.711％ Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，均不易裂变 由反应堆或加速器生产出来的裂变材料Ｕ-233和Pu-239 商用规模的核电站用的反应堆主要有: ? 压水堆 ? 沸水堆 ? 重水堆 ? 石墨气冷堆 ? 快堆 压水堆核电站核岛中的四大部件: 蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯 压水堆 采用低浓（铀-235浓度约为3％）的二氧化铀作燃料，高压水作慢化剂和冷却剂。是目前世界上最为成熟的堆型。 ? 热中子反应堆 重水堆 重水作慢化剂，重水（或沸腾轻水）作冷却剂，可用天然铀作燃料，目前达到商用水平的只有加拿大开发的坎杜堆，我国正建一座重水堆核电站。 ? 快中子增殖堆 采用钚或高浓铀作燃料，一般用液态金属钠作冷却剂 不用慢化剂， 根据冷却剂的不同分为钠冷快堆和气冷快堆 铀-238原则上都能转换成钚-239而得以使用，但考虑到各种损耗，快堆可将铀资源的利用率提高到60％－70％。 ? 可控聚变堆 可控聚变堆需符合三个条件： 反应温度达到一亿摄氏度，且高温等离子体态的反应物不能与器壁相碰 等离子体约束时间要达1秒 1cm3的等离子体密度要达500万亿个 最关键的问题是等离子体的稳定约束。 标准电极电势 298.15 K 离子浓度为1mol.l-1，气体分压为100kPa Eθ 原电池的电动势： E = E正 – E负 E? = E正?– E负? 标准态下： 电极的类型： a) 金属－金属离子电极 b) 气体－离子电极 c) 金属－金属难溶盐－阴离子电极 d) “氧化－还原”电极 例 根据下列氧化还原反应，写出相应的电池符号。 解： 氧化作用（负极） 还原作用（正极） 所以，电池符号为： 能斯特(Nernst)方程式： aA(氧化态) + ne = bB(还原态) 浓度对电极电势的影响： E: 指定浓度下的电极电势 Eθ: 标准电极电势 n: 电极反应中的得失电子数 298.15K 下， 方程式中的[氧化态]和[还原态]并非专指氧化数有变化的物质，而是包括了参与电极反应的其它物质。 如果电对中的某一物质是固体或液体，则它们的浓度均为常数，常认为是1。 如果电对中的某一物质是气体，其浓度用分压来表示。 锌锰干电池 负极：Zn + 4NH4Cl ? (NH4)2ZnCl2 + 2NH4+ + 2e 正极：MnO2 + 2H2O + e ? MnO(OH) + OH- 几种常用的化学电源 铅蓄电池 负极：Pb + SO42- ? PbSO4 + 2e 正极：PbO2 + SO4- + 4H+ + 2e ? Pb SO4 + 2H2O 总反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O 放电时的两极反应： 镍镉电池 放电时的电极反应： 负极：Cd + 2OH- ? Cd(OH)2 + 2e 正极：NiO(OH) + 2H2O + 2e ? 2Ni(OH)2 + 2OH- 总反应：Cd + NiO(OH) + 2H2O ? 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 锌汞电池 锂离子电池 摇椅电池(rocking chair batteries, RCB)，锂离子在外部条件（充电或放电）的作用下，使锂离子往返于正负极之间。 正极：LiCoO2 负极：嵌入锂离子的石墨层 4.2 V 燃料电池 燃料电池(Fuel Cell)发电是继水力、火力和核能发电之后的第4类发电技术。它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。 利用催化剂的作用，以燃料（如H2, CH4, 天然气）为负极，氧化剂（如O2, Cl2, 空气）为正极，在电解质（如KOH溶液）中起氧化还原反应，使化学能直接变为电能的装置。 能量利用效率高达50％～70％ 燃料电池的热力学原理： (-) Pt | H2(g) | KOH | O2(g) | Pt (+) 负极：H2 + 2OH- ? 2H2O + 2e 正极：?O2 + H2O + 2e ? 2OH- 电池反应：H2 + ?O2 ? H2O ( l ) 碱性氢氧燃料电池 燃料电池的电极过程： 氢电极： 氧电极： 磷酸燃料电池 (PAFC) 熔融碳