第 4 章生活中的能源

第4章生活中的能源 4-1能源簡介 4-2常見的化石能源 4-3反應熱 4-4化學電池 4-5發展中的能源

章目錄 4-1 能源簡介

外力作功位能增加 位能轉變成動能節目錄功與能 • 一個能對外做功的物體，稱它具有能量 • 做功的過程也是將能量由一物傳到另一物的過程

節目錄 各種不同形式的能 • 能量可以用各種不同形式的能量存在，如：熱能、化學能、電能、聲能、光能、位能、磁能和核能等 • 定律：各種形式的能量可以相互轉換，但其總量一定。能量守恆

再生非再生節目錄能源 • 能源：在短期內能自行補充，能反覆使用持續供應者，如太陽能、水力、風力、生質能、潮汐、地熱、海浪能、海洋熱能轉換、核熔合能等能源。 • 能源：用過即無，必須另外設法開發轉換採取，無法自行補充者，如煤、石油、天然氣、廢熱、鈾等能源。

4-2 常見的化石能源 章目錄 4-2.1煤 4-2.2石油 4-2.3天然氣

太陽能 CO2 + H2O 電能生質能發電廠煤水灰化學能營養素肥料節目錄化石能源的來源 • 生質能：直接由生物體所產生的能量。

節目錄 世界化石燃料蘊藏量及使用量

碳氫氧碳化節目錄煤世界煤炭蘊藏圖 • 煤的主要成分為，及少量的、、氮、硫等元素。亞太32％非洲6％北美24％中南美1％ • 煤依程度由高而低分為無煙煤、煙煤、褐煤及泥煤。歐洲14％獨立國協23％

基隆新竹節目錄臺灣的煤 • 臺灣的煤主要分布在到間 • 現多仰賴國外進口。

隔絕乾餾還原 • 煤　可分餾出多種有用的物。 • 煤焦可以當作冶煉金屬之劑。有機節目錄 • 將物質空氣加熱使之分解的過程，稱之。煤的乾餾

高溫石油煤水蒸氣 H2 CO 水棲二氧化碳節目錄煤的再製燃料與汙染 • 煤製液化燃料：煤加熱到時施以高壓，會變成類似的可燃液體。 • 煤製氣化燃料：紅熱的與反應後的產物水煤氣（與的混合氣體），亦可作為燃料 • 空氣汙染：煙灰、氮氧化物、二氧化硫等 • 廢熱汙染：可能會改變生態 • 溫室效應：產生的。

節目錄 石油的生成

原油 663 單位：十億桶 700 烴 600 烷 500 400 環狀 300 200 86 86 85 70 77 52 100 0 北美中南美歐洲中東非洲亞太 1 節目錄 • 從油礦開採的油，稱之。石油 • 石油為多種碳氫化合物 ()之混合物主要為類(通式為CnH2n+2) 另有微量之烴，及含 S、N、O之化合物 • 世界石油蘊藏量見右圖 • 臺灣石油蘊藏於苗栗和新竹一帶，自產部分不及全國消費的%

石油氣 20℃以下．燃料石油醚20～60℃ 　．石油化學品原料　．汽車燃料、有機溶劑汽油60～200℃ 　．噴射機、內燃機燃料煤油175～300℃ 　．柴油機燃料柴油250～400℃ 蠟油>300℃ 　．潤滑油、蠟紙節目錄依不同沸點範圍來分離　混合物的方法－分餾。石油的分餾分餾塔原油石油分餾動畫

丙烷丁烷節目錄原油分餾的產物液化石油氣（液態瓦斯）－主要為、。

火星塞 活塞引擎壁節目錄汽油的震爆 • 震爆：汽油常用於汽車燃料，但在汽缸中由於產生不平穩的燃燒，而使得汽車產生震動

100 零節目錄辛烷值 • 異辛烷(2,2,4－三甲基戊烷)其產生的震爆較為緩和，是一種良好的汽車燃料，定其辛烷值為。 • 正庚烷的震爆嚴重，其辛烷值定為。 • 辛烷值愈高，則表示燃料的抗震效果愈好

92 8 節目錄市售汽油 • 92汽油：震爆性與 ﹪異辛烷和﹪正庚烷之混合物的震爆性相同。

四乙基鉛 二溴乙烷節目錄含鉛汽油 • 普通汽油可加入抗震劑，提高辛烷值。加入的汽油稱為含鉛汽油，可使55汽油提升至90汽油。 • 含鉛汽油而為了將鉛沈積物從汽缸排除，通常又加入當作鉛清除劑，但當鉛一排除，又會造成空氣鉛汙染。

甲基三級丁基 節目錄無鉛汽油裂解 • 裂解重組：為了提高汽油的辛烷值，必須將高分子量的烴類加以成為較小分子。部分產品亦可經過結合、製成各種不同組成的汽油 • 加氧汽油：加入甲醇、乙醇、三級丁醇或醚等，來提高辛烷值，調配成辛烷值為92、95或98的無鉛汽油。重組

24 1.23 甲烷節目錄天然氣 • 天然氣提供全世界能源消耗量約％ • 臺灣蘊藏於苗栗和新竹一帶約占本省能源供給量的％ • 主要成分為。 • 天然氣可用以製造氫、氨、尿素及甲醇等。

節目錄 天然氣水合物 • 生成：低溫、高壓下（0℃、26atm 或10℃、76atm） • 存在：凍原或海底下數百公尺深處之地層 • 分解：當超出其生成之溫度、壓力範圍，便會分解成水與天然氣 • 組成：1 單位體積產生170 單位體積之天然氣（其中甲烷占98%以上），可作燃料使用。

章目錄 4-3 反應熱 4-3.1放熱反應與吸熱反應 4-3.2熱化學反應式 4-3.3常見化石燃料的熱值

節目錄 ΔH=生成物的熱含量─反應物的熱含量反應熱圖示吸熱，H＞0 放熱，H＜0

25 1 1 l s aq 節目錄熱化學反應式 • 同時表示出反應熱的化學反應式。反應熱的大小與反應物、生成物的溫度、與壓力均有關 • 標準狀態：溫度 ℃，壓力大氣壓，溶液的濃度為M。 • 狀態：以「」表固態，以「」表液態，以「」表水溶液

＞ 90.7千焦 90.7千焦節目錄吸熱反應 • 若△H0，表吸熱反應 • HgO(s) + → Hg(l) + 1/2 O2(g) • HgO(s) → Hg(l) + 1/2 O2(g) △H=。

＜ 285.8千焦－285.8千焦節目錄放熱反應 • △H0，表放熱反應 • H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) + 。 • H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) △H=。

[解]放出的熱量= =2.89(千焦) 節目錄 • 過氧化氫分解的熱化學反應式如下：H2O2(l) → H2O(l) + 1/2 O2(g) △H=－98.2千焦求H2O2 1克分解時放出的熱量。例題4．1 [思考指引]反應式為H2O2(l)每莫耳分解的反應熱，故先求1克的H2O2(l)為若干莫耳，再乘98.2即可

節目錄 • 2 Mg(s) + O2(g) → 2 MgO(s)△H ＝-1204 kJ (1)生成1.00 g MgO 的反應熱為若干？ (2)放出1000 kJ 的熱量需要燃燒多少的鎂？(Mg ＝ 24) 練習4．1 [解] (1)ΔH＝－15.1 kJ (2)39.9 g

氣固節目錄化石燃料的熱值 • 固體燃料放出的熱量常以 (千焦/千克)來表示 • 液體燃料則以 (千焦/升) • 氣體燃料則以 (千焦/立方公尺) • 同質量的熱值以體最大，體最小

節目錄 熱值與煤當量 • 煤當量：物質燃燒熱與燃燒熱的比值。無煙煤

章目錄 4-4 化學電池 4-4.1化學電池的基本原理 4-4.2電池的種類 4-4.3電池的使用與回收

節目錄 化學電池的基本原理陽極：Zn(s)→Zn2+(aq)＋2e- 氧化反應即失去電子陰極：Cu2+(aq)＋2e-→Cu(s) 還原反應即得到電子鋅銅電池動畫

節目錄 一次電池

節目錄 錳乾電池(碳鋅) 電解質：MnO2、NH4Cl、ZnCl2及澱粉漿優點：電壓(1.5V)，價格便宜負極：Zn→Zn2++2e- 正極：2NH4++2MnO2+2e- →2NH3+Mn2O3+H2O

節目錄 鹼性乾電池電解質：KOH等強鹼溶液優點：電壓(1.5V)穩定，使用時間較久，在低溫仍有良好的性能

節目錄 水銀電池電解液：氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液優點：電壓(1.35V)穩定常用在較精密的科學儀器上

節目錄 鋰碘電池電解液：薄層的碘化鋰(LiI)晶片優點：電壓(3.0V)穩定，貯藏壽命可達10年，在低溫仍有良好的性能。但價格高 2 Li(s) + I2 (s) → 2 LiI (s)

節目錄 二次電池

節目錄 鉛蓄電池電解液：硫酸優點：電壓(2.0V)穩定負(陽)極：Pb＋H2SO4→ PbSO4＋2H+＋2e- 正(陰)極：PbO2＋H2SO4＋2H+＋2e-→PbSO4＋2H2O

節目錄 鎳鎘電池正極：鹼式氧化鎳負極：鎘電解液：氫氧化鉀優點：電壓(1.2V) 此電池體積小，使用壽命長，電壓穩定

節目錄 鎳氫電池正極：氧化鎳負極：鑭系儲氫材料電解液：氫氧化鈉或氫氧化鉀優點：電壓1.2V，負載容量較鎳鎘電池高30%，且記憶效應較鎳鎘電池小

節目錄 鋰電池正極：鋰金屬氧化物負極：碳電解液：有機電解液優點：電壓3.6V，優點在於重量輕，並且具有最大的電壓

節目錄 燃料電池 • 含化學能的材料（氫、甲醇、汽油） • 氧化劑（空氣、氧氣） • 直接經電化學反應轉換成電力

節目錄 燃料電池反應含KOH糊狀物 - + 陰極陽極多孔性石墨加觸媒的電極

節目錄 太陽能電池 • 一層薄矽晶片組成，以光照射產生電能，不需要消耗任何化學物質，可連續使用數年不用更換

節目錄 電池處理 • 電池大多含大量重金屬，如鋅、鉛、銀、汞等，所以必須回收，以免汙染環境。 • 電池壽命與電池輸出功率，但目前的電池基本上都無法長期使用。所以科學家仍積極開發高功率且可以反覆使用的理想電池

章目錄 4-5 發展中的能源 4-5.1核能 4-5.2太陽能 4-5.3其他能源

價電子 總質量原子核節目錄化學反應：只涉及的交互作用 CH4(g) + 2O2(g) → 2H2O(g) + CO2(g) +882.8千焦此化學反應前後的物質可視為不變原子核核能與化學能核反應：涉及的分裂或融合 + → 2 + 9.62×108千焦此反應比上述化學反應所放出的能量約大100萬倍

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