第四章

第四章 生活中的能源

目次 41 能源簡介 42 化石能源和燃燒熱 43 電化電池 44 其他能源

41　能源簡介 1.能源依其形式可分為熱能、化學能、光能、力學能、電能、核能、磁能及其他多種能源。 2.各種形式的能量可以相互轉換，但其總能量卻是一定的，此即能量守恆定律。

▲ 臺灣能源使用概況(民國93年) 41　能源簡介 3.依據經濟部能源局資料顯示，臺灣地區的能源使用概況，以石油使用量最大，其次是煤。

◆1.物理學上有「能量守恆」的原理，我們也常聽到「能源危機」的議題，下列哪一種觀念才是正確的？◆1.物理學上有「能量守恆」的原理，我們也常聽到「能源危機」的議題，下列哪一種觀念才是正確的？ (A)「能量守恆」是在特殊情況下才成立，一般來說，能量愈用愈少，總有用完之時，故有「能源危機」 (B)「能量守恆」表示總能量不會減少，故能量是用不完的，所以「能源危機」只是勸人節省的口號而已 (C)能量在使用中相互轉換，其總值會減少，故有「能源危機」 (D)「能量守恆」總是成立的，但是被用來發電、行車的汽油與煤，用過之後變成廢氣和熱能，不易再使用，故有「能源危機」解答：(D)

42　化石能源和燃燒熱 421　化石燃料化石燃料包括煤、石油和天然氣，以及從石油提煉的汽油、柴油和液化石油氣等，是供應熱能的主要來源。

42　化石能源和燃燒熱 1.煤 (1)主要成分為碳及少量氧、氫、氮和硫等，可依含碳百分比或碳化程度，由高至低分為無煙煤、煙煤、褐煤和泥煤等。 (2)煤為工業的重要能源，也是製造水煤氣的原料，其反應式為

42　化石能源和燃燒熱 (3)將煤隔絕空氣並加熱至高溫，則可分解產生煤氣、氨(NH3) 及煤溚 (Coal tar)等揮發性物質，而殘留下煤焦，這種過程稱為煤的乾餾。 (4)煤乾餾後殘留的煤焦幾乎完全是碳，是煉鋼的重要原料。 (5)煤氣是重要的氣體燃料，主要含氫及甲烷(CH4)。

42　化石能源和燃燒熱 2.天然氣和液化石油氣 (1)天然氣為低分子量的烷類混合物，主要為 • 甲烷（CH4，約含48～90%），其次為 • 乙烷（C2H6，約含6～18%）。

42　化石能源和燃燒熱 (2)天然氣除供燃料外，並作為工業上製氫的重要原料，亦可用以製造氨、尿素及甲醇等工業原料。 (3)家庭用的液化石油氣（簡稱LPG）是石油分餾的產物，主要成分為丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)及其他沸點較低的烷類。

42　化石能源和燃燒熱 3.石油：主要成分為烴類，而以烷類居多。

42　化石能源和燃燒熱 422　石油的精煉 1.將原油變成各種成品的程序，叫做石油的精煉。其中最基本的步驟是分餾，其過程是先將原油氣化，導入分餾塔，依沸點範圍之不同，分離成各種產物，如汽油、煤油、柴油等。

▼石油分餾產物的成分和用途 42　化石能源和燃燒熱

42　化石能源和燃燒熱 2.汽油是石油分餾最重要的產物，主要成分為己烷(C6H14)、庚烷(C7H16)和辛烷(C8H18)。 3.由於分餾得到的汽油量並不多，不敷市場需求，所以工業上運用熱裂解法或催化裂解法，將分子量較大的烴類裂解成為分子量較小的含汽油成分的烴類，以增加汽油的產量，此方法稱為裂解法。

◆1.石油分餾產物的主要成分為烴類，而以烷類居多。下列產物中，何者的分餾溫度範圍最高？◆1.石油分餾產物的主要成分為烴類，而以烷類居多。下列產物中，何者的分餾溫度範圍最高？ (A)石油氣 (B)汽油 (C)石油醚 (D)柴油解答：(D) 解析：柴油所含成分，其碳原子數較多，故沸點範圍較高。

▲石油的精煉(分餾塔) 42　化石能源和燃燒熱

42　化石能源和燃燒熱 423　燃燒熱與熱值 1.物質發生反應時，除了物質發生變化外，還可以發生能量的變化，此一能量變化即稱為反應熱，可用表示。 2.對於放熱反應而言，其為負值（或 )。 3.對於吸熱反應而言，其為正值（或 ) 。

42　化石能源和燃燒熱 4.反應熱的大小和物質的種類、用量以及狀態（如溫度、壓力）等因素有關。 5.如果沒有特別標明，一般是指在25℃和一大氣壓下的反應熱。 6.能同時表示反應熱及反應狀態的反應式，稱為熱化學反應式(Thermochemical equation)。

42　化石能源和燃燒熱 7.例如1莫耳甲烷燃燒的熱化學反應式可表示成

▲氫氧燃燒的熱含量變化 42　化石能源和燃燒熱 8.反應物（如氫氣和氧氣）的燃燒，其反應熱的大小和生成物的狀態有關。因此可知100℃時，水蒸氣的熱含量比沸水更高，更具燙傷性。

42　化石能源和燃燒熱 9. 1莫耳物質燃燒時所放出的熱量，稱為莫耳燃燒熱。例如：

42　化石能源和燃燒熱 10.通常化石燃料中，含碳數目愈多的烷類，其莫耳燃燒熱愈大，例如甲烷、乙烷、丙烷的莫耳燃燒熱分別為 –890.3 kJ/mol、–1558 kJ/mol、–2218 kJ/mol。

42　化石能源和燃燒熱 11.由於常用燃料大都為混合物，因此很少用莫耳燃燒熱來表示燃料的反應熱，而是以單位質量燃料完全燃燒時所放出的熱量來表示，此即燃料的熱值。 12.化石燃料中，分子量較小的物質，其熱值一般較大。

42　化石能源和燃燒熱 13.氫氣具有最高的單位質量燃燒熱（或熱值），因此氫氣經過液化成為液態氫，常用做太空梭的燃料。 14.液態氫因易發生爆炸而具危險性，目前不適用於家庭燃料。

◆2.小華將等質量的70℃熱水和0℃的冰塊在絕熱的保溫杯中混合，則混合後的溫度為何？（水的比熱為1卡∕公克度，冰的溶化熱為80卡∕公克）◆2.小華將等質量的70℃熱水和0℃的冰塊在絕熱的保溫杯中混合，則混合後的溫度為何？（水的比熱為1卡∕公克度，冰的溶化熱為80卡∕公克） (A)0℃ (B)5℃ (C)35℃ (D)70℃ 【86學測】

◆2. 解答：(A) 解析：設熱水降溫若冰溶化為水聯立解得（不合），故知冰未完全熔化，仍為0℃

◆3. 【題組】： 石油是由烴類化合物組成的混合物，如圖是精煉石油的分餾塔簡圖，碳數約為13～19的餾份由丙出口流出，回答下列二題。

◇1.甲出口與丙出口的餾份相比，下列敘述何者正確？◇1.甲出口與丙出口的餾份相比，下列敘述何者正確？ (A)兩者的沸點一樣 (B)甲出口之餾份的平均分子量比丙的大 (C)丙出口之餾份的平均分子量比甲的大 (D)兩者的平均分子量一樣，但化學結構不同

◇2.有關各出口餾份的性質與用途，下列敘述何者正確？◇2.有關各出口餾份的性質與用途，下列敘述何者正確？ (A)甲出口之餾份是氣體，冷凝收集後，多用作飛機燃油 (B)乙出口之餾份的碳數超過30，多用作工業溶劑 (C)含鉛汽油直接從丙出口流出，辛烷值高，可防震爆 (D)丁出口的產物是分子量非常大的殘餘物，如瀝青【91學測】

◆3. 解答：1.(C)2.(D) 解析： 1.分子量越小的組成，沸點越低，越容易揮發，而出現在上層。 2.各層分餾所得物質為混合物。 3.含鉛汽油，辛烷值高是正確的。 4.含鉛汽油從分餾塔中流出是錯誤的。

◆4.煉油工業從原油分出各種的成分，主要是利用油料何種物理性質的差異？◆4.煉油工業從原油分出各種的成分，主要是利用油料何種物理性質的差異？ (A)顏色 (B)沸點 (C)熔點 (D)密度【91學測補】解答：(B) 解析：由於沸點的差異，利用分餾塔將原油分離出多種成分。

42　化石能源和燃燒熱 424　無鉛汽油 1.汽油在汽缸內理想燃燒時，其引擎運轉均勻、規律而不易產生晃動，如圖所示；不理想燃燒時，其汽缸內的汽油有一部分過早引燃，則會使引擎劇烈晃動，此即震爆(Knocking)現象。

▲汽油在汽缸中均勻地燃燒 ▲汽油在汽缸中不均勻地燃燒─引起震爆現象 42　化石能源和燃燒熱

42　化石能源和燃燒熱 2.汽油成分中的各種烷烴，具有不同的震爆性。1927年，美國建立評定各種燃料的抗震爆程度，並以辛烷值（Octane number，簡稱ON值）表示。常見油品的辛烷值如圖：

42　化石能源和燃燒熱 3.正庚烷(C7H16)的震爆情形相當劇烈，定其辛烷值為0，異辛烷(C8H18)的震爆情形較緩和，定其辛烷值為100。 4.早期發現在普通汽油中添加少許四乙基鉛，可使辛烷值大為提高，此即俗稱的含鉛汽油。

42　化石能源和燃燒熱 5.支鏈烷烴、烯烴、芳香烴以及醇類具有較高的辛烷值，因此許多地區要求汽車必需使用添加有甲醇或甲基第三丁基醚的汽油為燃料，此即無鉛汽油，例如市售的98、95、92無鉛汽油。

42　化石能源和燃燒熱 6.若有某種汽油，其震爆性與體積95%異辛烷和體積5%正庚烷之混合物的震爆性相當時，此汽油的辛烷值即為95。 7.辛烷值愈高，汽油的抗震效果愈好。

◆5.加油站可見到92、95及98無鉛汽油，所謂95無鉛汽油代表的意義為何？◆5.加油站可見到92、95及98無鉛汽油，所謂95無鉛汽油代表的意義為何？ (A)沸點為95℃的汽油 (B)辛烷值為95的汽油 (C)含有5%酒精的汽油 (D)含有5%四乙基鉛的汽油【92學測補】

◆5. 解答：(B) 解析： 92、95及98皆為辛烷值（ON值），辛烷值越大，抗震性越好。

◆6.下列有關辛烷值的敘述，何者正確？ (A)正庚烷的辛烷值比異辛烷高 (B)汽油的辛烷值越高，表示抗爆震力越差 (C)92無鉛汽油表示其抗爆震力與體積 92%的正庚烷和8%的異辛烷混合物的抗震力相當 (D)含支鏈的烷類具有較佳的抗震爆性。

◆6. 解答：(D) 解析： (C)選項應改為體積92%的異辛烷和8%的正庚烷

43　電化電池 1.日常生活中可接觸到許多電化電池，例如照明手電筒內的乾電池、汽機車使用的鉛蓄電池、通話手機的鋰電池等，這些電池都是利用化學能轉換成電能的裝置。 2.有些電池用完即可丟棄，並回收處理，此種電池稱為一次電池；有些電池則可反覆充電，使用期限較長，此種電池稱為二次電池。

43　電化電池 431　電池的種類 1.乾電池 (1)乾電池以鋅殼為陽極（或負極），另以一支碳棒置入筒中作為陰極（或正極）。 (2)兩極之間填充以氯化銨(NH4Cl)、二氧化錳(MnO2)和少量氯化鋅(ZnCl2)及澱粉所調製的糊狀物，作為電解質。 (3)乾電池通電之後，電子從鋅極流向碳棒，電壓為1.5伏特。

43　電化電池 2.汞電池 (1)汞電池的陰極為氧化汞(HgO)，陽極為鋅，電解液為氫氧化鉀(KOH)溶液。 (2)汞電池因為重量輕、放電率高，使用相當普遍，但因汞會污染環境，當電池用完後，必須進行回收處理。 (3)汞電池一般壓製成鈕扣外形，其電壓約為1.35伏特。

43　電化電池 3.鉛蓄電池 (1)鉛蓄電池是可以重複使用的二次電池，是汽機車的主要電源，俗稱電瓶，又叫鉛酸電池 (2)鉛蓄電池放電過程中，電子從鉛極（陽極或負極）流向二氧化鉛極（陰極或正極），電壓約為2.0伏特 (3)放電後，兩極均產生硫酸鉛，且電解液H2SO4的濃度降低，其反應式為

43　電化電池 4.鎳鎘電池 (1)鎳鎘電池也是一種可以反覆充電的二次電池，其電壓約為1.2伏特。 (2)其正極為鹼式氧化鎳〔NiO(OH)〕，負為鎘(Cd)，電解液為氫氧化鉀(KOH)。 (3)鎳鎘電池比鉛蓄電池的壽命更長，但製造費用昂貴，常用在充電式刮鬍刀、手電筒等。

43　電化電池 5.鋰電池 (1)鋰電池是以鋰金屬或鋰的氧化物為電極的電池總稱。 (2)一般以鋰金屬氧化物(LiCoO2)為正極，其負極為碳，是一種蓄電池。 (3)鋰電池產生的電壓為3.6 V，廣泛使用於手機。 (4)使用鋰金屬製造的鋰電池，因鋰活性高而有安全顧慮。

43　電化電池 6.燃料電池氫氧燃料電池 (1)氫氧燃料電池以塗覆鉑觸媒的多孔性石墨棒作為二電極，將氫氣以穩定的流速經過負極板，氧化成為水。 (2)電子流出電池外，經由外電路流到陰極，使氧氣還原成為水。總反應如下：

▲氫氧燃料電池 43　電化電池

43　電化電池 (3)氫氧燃料電池以氫為燃料，氧為助燃物，實際產生的電壓約為0.9 V。 (4)雖然電壓較小，但重量輕、具高效率，且不會造成環境污染，是相當理想的電池。但是氫氧燃料電池反應時必須以貴金屬為觸媒，成本高，所以目前僅用於特殊用途，例如太空船上的電力來源。

第四章

第四章

Presentation Transcript