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Chapter 4 生活中的能源

Chapter 4 生活中的能源. 4-1 能量 4-2 能量與生活 4-3 化學電池 4-4 其他能源. 功與能. 1. 能：作功的原動力。 2. 功：對抗阻力時所施的力。 3. 動能：物質或物體運動時所獲得到的能量 。 4. 位能：也稱作潛能，物質所隱含的潛在的能量。. 單位：焦耳 (J). 特性. 物體具有能量的多少，以他作多少的功來衡量。 能量只有大小，並無方向性。 能量可以儲存，也可以用來轉換成不同的形式。 能量的轉換，必定遵守質量守恆定理與質能守恆定理。 地球上的總能量來自於太陽。. 能量的形式.

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Chapter 4 生活中的能源

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Presentation Transcript

  1. Chapter 4 生活中的能源 4-1 能量 4-2 能量與生活 4-3 化學電池 4-4 其他能源

  2. 功與能 1.能：作功的原動力。 2.功：對抗阻力時所施的力。 3.動能：物質或物體運動時所獲得到的能量。 4.位能：也稱作潛能，物質所隱含的潛在的能量。 單位：焦耳 (J)

  3. 特性 • 物體具有能量的多少，以他作多少的功來衡量。 • 能量只有大小，並無方向性。 • 能量可以儲存，也可以用來轉換成不同的形式。 • 能量的轉換，必定遵守質量守恆定理與質能守恆定理。 • 地球上的總能量來自於太陽。

  4. 能量的形式 • 力學能：(機械能)動能與位能合稱為力學能。 • 電磁能：電能與磁能合稱電磁能。 • 化學能：某些物質由於本身有的化學組成而擁有的潛在能 量稱為化學能。在化學變化發生時，這些化學能就會釋放出來而作功，通常是以熱能的形式出現，但有時會以光能或電能，因此化學能可視為一位能。 • 核能：原子核內部所淺藏的能量。 • 輻射能：各種不同波長的電磁波傳遞能量的過程稱為輻射，各種電磁波的能總稱為輻射能。 • 熱能：原子於分子內部分子運動的動能。

  5. 光能 化學螢光 太陽電池 光合作用 電燈 力學能 化學能 發電機 飛機噴射引擎 電池 蒸氣機 電動馬達 蒸汽渦輪機 電解 家庭瓦斯爐 熱能 電能 電熱水器 熱電偶 能量形式互換

  6. 能量守恆定理 能量既不會無中生有，也不會自行消失，而只能由一種型態轉變成令一種型態。

  7. 能源 能源：是提供能量的資源。

  8. 化學反應熱 1.熱含量：在定溫、定壓下，一物質生成時，所儲存於其中的能量稱為熱含量，以H表之。 2.反應熱：ΔH = 生成物中熱含量總和 － 反應物中熱含量總和。 放熱，H＜0 吸熱，H＞0

  9. 化學反應熱 1.1卡 (1 cal) ：使 1 克水升高 1 ℃所需要的熱量。 1 cal = 4.18 J 2. 表示法：

  10. 能源與生活 • 人的基本能源─食物 • 古生物能源─化石燃料

  11. 人的基本能源─食物 • 提供細胞生長與修補時所需的物質—胺基酸 • 提供生理所需物質（礦物質）以維持正常生理機能運作 • 提供足夠能量以維持生理機能於恆溫下順利進行

  12. 化石燃料 • 煤：古代植物經地表下煤化作用所形成的固體。 • 石油：古代動、植物因長時期埋藏於地表下，經地底高溫高壓及細菌作用後所形成的液態物質。 • 天然氣：古代動、植物因長時期埋藏於地表下，經地底高溫高壓及細菌分解後所產生的低分子量氣態物質。

  13. 煤 • 煤的主要成分為碳，及少量的氫、氧、氮、硫等元素。 • 煤依碳化程度由高而低分為無煙煤(90 ~ 95 %)、煙煤(75 ~ 90 %)、褐煤(60 ~ 75 %)及泥煤(50 ~ 60 %)。

  14. 煤 煤 • 將物質隔絕空氣加熱使之分解的過程，稱之乾餾。 煤氣 煤焦 • 煤焦可以當作冶煉金屬之還原劑。 • 煤　可分餾出多種有用的有機物。

  15. 煤的氣化及液化 水煤氣 (合成天然氣) • 液化可製成合成汽油。

  16. 氣化及液化之優點 • 可將煤所含的硫的成分或固態雜質分離，可減少SO2與酸雨危害。

  17. 石油 • 從油礦開採的油，稱之原油(Crude oil)。 • 石油為多種碳氫化合物(Hydrocarbons－烴)之混合物主要為烷類(通式為CnH2n+2 )，另有微量之環狀烴，及含S、N、O之化合物。

  18. 石油的分餾 • 沸點高的被收集於底層的收集盤，沸點低則被收集在高層

  19. 分餾的產品 液化石油氣(LPG)，又稱液態瓦斯主要成分為丙烷C3H8、丁烷C4H10

  20. 天然氣 • 主要成分為甲烷 (methane) • 因為燃燒產生廢氣量低，比汽油更適合汽車燃料。 • 其燃燒熱比水煤氣大。 • 燃燒時若氧氣不足，會產生CO而致命。 • 含有少許氮會產NOX進而破壞臭氧層。

  21. 天然氣的工業用途

  22. 燃料燃燒熱

  23. 汽油與辛烷值 • 汽油，沸點介於30 ℃~200 ℃，正辛烷(n-octane)為主要主要成份之一。一般俗稱的汽油，不全為石油分餾物也含石油裂解、汽油重組及人工合成的產品。 • 震爆現象(knocking) ：由於正辛烷在汽缸內燃爆不易掌控，易在汽缸內壁造成震爆現象。震爆現象不但會減低引擎效率，更會造成汽缸壁過熱或是活塞損裂。 • 辛烷值：汽油抗震性質評定標準，以含100%正庚烷的汽油作為零，而以含100%異辛烷的汽油作為一百。

  24. 震爆現象

  25. 辛烷值

  26. 含鉛汽油 • 含鉛汽油：指添加四乙基鉛之汽油，其鉛會隨廢氣散播至空氣中，會造成腎臟病變。

  27. 加氧汽油 • 加氧汽油為增加辛烷值，並取代含鉛汽油而在汽油中添加含有甲醇或甲基第三丁基醚。

  28. 化學電池 • 電極 • 陽極(－)：氧化反應 (活性電極優先) • 陰極(＋)：還原反應 • 鹽橋 • 連接二極間的電路，不參加反應的「強電解質飽和水溶液」如：KNO3，NaNO3，NH4NO3。 Cu Zn CuSO4 ZnSO4

  29. 化學電池 • 定義：一種可將化學能轉換成電能的一種裝置，一般簡稱為電池。 • 電池依使用的方式分為兩種 • 不可充電式電池：不可充電式電池是使用一次到沒電時就必須要丟棄的電池，又稱為一次電池或普通電池。如：碳鋅電池、鹼性電池、水銀電池。這是因為電池產生電流的化學反應唯一不可逆進行的反應，所以不能以充電方法使其復原。 • 可充電式電池：可充電式電池又稱為續電池或二次電池，如：鉛蓄電池、鎳鎘電池。這一類的電池放電後，可利用充電的方式使電池內兩極的活性再生，因而可以循環使用。

  30. 乾電池 (勒克朗舍電池，即為碳鋅電池) • 最為人知的乾電池就是勒克朗舍電池。以鋅殼作為陽極(負極)，中間以石墨製成的碳棒作為陰極(正極)。在兩極間充塞氯化銨、氯化鋅、二氧化錳及少許的石墨粉及澱粉調成糊狀物。

  31. 陽 極：Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- • 陰 極：2NH4+(aq) + 2e- → 2NH3(g) + H2(g) • 去 H2(g) ─ MnO2 [去極劑]氧化釋出的 H2(g) 2MnO2(s) + H2(g) → Mn2O3(s) + H2O • 去 NH3(g) ─ ZnCl2與 NH3生成安定的錯化物 • Zn2++2NH3(g) +2Cl-→ Zn ( NH3 )2Cl2(s) • 全反應：Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(s) →Zn( NH3 )2Cl2(s) + Mn2O3(s)+ H2O • 離子式：Zn + 2MnO2 + 2H+ → Zn2+ + Mn2O3 + H2O

  32. 鹼性電池 (鹼性碳鋅電池) • 由普通鋅錳電池發展出來。他將原先為酸性的電解液變成為鹼性的氫氧化鉀或氫氧化鈉，將負極的鋅筒改為鋅粉，而大大的增加反應面積使放電電流大大提高。 • 全反應：Zn(s) + 2MnO2(s)→ ZnO(s) + Mn2O3(s)

  33. 電壓 =1.5V • 優點：由於電解液KOH未被反應，故其電壓保持穩定、儲存壽命長，放電容量為乾電池的2.5倍。

  34. 水銀電池 • 為第一個被商業化的迷你型電池。主要是利用氧化汞 (和碳粉之混和物)作為陰極 (正極)、鋅作為陽極 (負極)，並以氫氧化鉀作為電解質。 • 全反應：Zn (s) + HgO(s) → ZnO(s) + Hg(l)

  35. 鋅銀電池：(又稱為銀電池) • 亦為高穩定性的電池，而銀電池是以氧化銀 (和碳粉之混和物)作為正極；鋅為負極，KOH作為電解液。 • 全反應：Zn(s) + Ag2O(s)→ ZnO(s) +2Ag (s)

  36. 電壓 = 1.5 V。 • 優點：放電效率快，放電電壓平穩，適合溫度差異很大的地區。 • 缺點：價格較高。

  37. 鉛蓄電池：(又稱電瓶，鉛硫酸電池) • 是以氧化鉛為正極，以海綿狀鉛板為負極，兩電極成欄狀交互排列，中間以絕緣隔版隔開。電解液為30%的硫酸溶液。

  38. 放電反應 • 陽極：Pb(s) + SO42－ → PbSO4(s) + 2e－ • 陰極：PbO2 + 4H+ + SO42－+ 2e－ → PbSO4(s) + 2H2O • 全反應：Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)→ 2PbSO4(s) + 2H2O

  39. 電壓 = 2.0V • 電池放電時，隨著PbSO4沈澱的析出和H2O的生成，H2SO4溶液的密度減少，同時兩極都變成流酸鉛，因此電位差也消失了，而鉛蓄電池放電程度，可以用比重記測量電解液硫酸的比重而加以確定。通常當硫酸比重下降至約1.20時，不能再繼續使用。

  40. 放電 1F ─ • 用去H2SO4 1 莫耳，產生H2O 1 莫耳 • 陽極增加48g固體1/2 ( PbSO4 ← Pb ) • 陰極增加32g固體1/2 ( PbSO4← PbO2 ) 總計80g

  41. 充電反應 • 充電是利用直流電對電池進行電解，故鉛蓄電池在充電時相當於一個電解池的作用。充電時和電源正極相連的為陽極，和電源負極相連接的為陰極，其反應方程式及為放電反應之逆反應。 • 2PbSO4(s) + 2H2O → Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) (通直流電2F)

  42. 為避免電池充電時產生氫氣而流失水分，目前較先進的鉛蓄電池多改以鉛與鈣的合金作為陽極材料。此類鉛蓄電池因幾乎不須再添加水分，壽命可達數年。

  43. 鎳－鎘電池 • 陽極：Cd(s) + 2OH－(aq) → Cd(OH)2(s) + 2e－ • 陰極：NiO2(s) + 2H2O(l) + 2e－→ Ni(OH)2(s) +2OH－(aq) • 全反應：NiO2(s) + 2H2O(l) + Cd(s)→Ni(OH)2(s) + Cd(OH)2(s) • 電壓 = 1.42

  44. 鎳－氫電池 • 陽極：LaNi5H6(s) + 6OH－(aq)→ LaNi5(s) + 6H2O(l) + 6e－ • 陰極：NiO(OH)(s) + H2O(l) + e－→Ni(OH)2(s) +OH－(aq) • 全反應：LaNi5H6(s) + 6NiO(OH)(s)→LaNi5(s) + 6Ni(OH)2(s)

  45. 電壓 = 1.2V • 電解液：比重大之 KOH 30% 溶液，有記憶效應，但較『鎳－鎘電池』小，可視情況將電用完後，再充電；鑭 ( La )具有吸氫作用。

  46. 鋰蓄電池 • 陽極：LixC6(s)→ x Li(os)+ C6(s) + xe－ • 陰極：Li1-xCoO2(s) + x Li＋(os) + xe－→LiCoO2(s) • 全反應：LixC6(s) + Li1-xCoO2(s)→ C6(s) + LiCoO2(s) • OS：有機溶液 • 電壓 = 3.6 V • 電解液：過氯酸鋰 LiClO4之有機溶液。

  47. 燃料電池：(氫－氧燃料電池)

  48. 反應 • 陽極：2H2 + 4OH－→4H2O + 4e－ • 陰極：O2 + 4e－+ 2H2O → 4OH－ • 全反應：2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) • 電 極：多孔性碳板 (覆蓋 Pt ) • 電壓 = 0.7 V • 電解液：濃 KOH(aq) 放電時，莫耳數不變，濃度漸減。

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