焦炭、煤球等。我国原煤产量以烟煤为主,1985年烟煤占总产量的75.4%、 无烟煤占20.9%、褐煤占3.7%。 煤的主要成分是碳、氢、氧三种元素,还有少量氮、硫、磷和一些稀有 元素。煤中还含有泥、砂等矿物杂质和水分。 碳(以石墨计)在298.15K时完全燃烧的热化学方程式为C(石 墨)+02(g)=0O2(g);△He(298.15K)=-393.5kJ·mol-1对于1.000g碳(石墨) 来说,ΔH8(298.15K)=-32.8kJ·g-1。但原煤中含有的氢,燃烧时与氧化合 生成水,也产生热。用热量计测定煤完全燃烧时发生的热量叫做高发热值 扣除水蒸发(汽化)热(即生成物H20以气态计)所得的热量叫做低发热值。表 1.1中列出一些煤炭的成分和高发热值。 表1.1煤炭的成分和高发热值 质量分数w/% 种类 高发热值 kJ·ka 20900 072 555 24300 褐煤 褐煤 13~24 24300~30500 烟煤 80~90 30500~36800 30500~35600 注:摘自参考文献[2]第15页(单位自Kca1.kg-1换算为kJ·kg-1)。 从表1.1中可以看出,通常煤完全燃烧所放出的高发热值约为 3000kJ·kg1或30kJ·g1 氧、硫、磷是煤中的有害成分。氧化合(消耗)煤中碳、氢可燃成分。硫 燃烧变成S02、S03和H2S等有害气体,腐蚀燃烧室,污染大气。炼焦煤中的 硫会转入焦炭,用于冶炼会降低钢铁质量。煤炭按含硫的质量分数w可分为 四类:低硫煤,w(S)<1.5%;中硫煤,w(S)=1.5%~2.5%;高硫煤w(S)=2.5 %~4.0%;富硫煤,w(S)>4%。我国煤的含硫的质量分数多数为0.5%~ 3.0%,低的小于0.2%,最高达5%。华北、华东地区浅部煤层硫分低,但 深层则硫分较高,南方煤田的硫分一般较高。 含磷过多的煤不适用于炼铁,以免进入钢铁使之发脆。我国煤的含磷量 都较低,一般wP)=0.001%~0.1%,最高不到1%,大都符合0.05%以下 的工业要求。 世界上煤的蕴藏量远较石油和天然气的丰富。据估计如果改为以燃煤为 主的经济体制,全世界所需的能量可以用不少世纪。 煤的最大缺点是固体燃料,燃烧反应速率慢,利用效率低,且不适用于 多数运输业(尤其是汽车)的需求。此外,燃烧煤时还会产生二氧化硫这类有 毒的气体,将导致严重的大气污染。解决的办法是将煤炭转变为汽化燃料或 液化燃料。在我国,煤蕴藏量很丰富,尤其应注意这一问题。煤炭汽化和液 化方法有几十种。产品类别也众多。下面简单介绍几种煤炭的汽化燃料和液 化燃料。 ①按国家标准,用下角标c表示燃烧反应。所以严格地说,应写成(298.5K)=393.5 k- mol-1及△ch0 (298.15K)=-32.8kJg-l,Δchθ是标准比燃烧焓。本书均简化为ΔHθ
焦炭、煤球等。我国原煤产量以烟煤为主，1985 年烟煤占总产量的 75.4％、 无烟煤占 20.9％、褐煤占 3.7％。 煤的主要成分是碳、氢、氧三种元素，还有少量氮、硫、磷和一些稀有 元素。煤中还含有泥、砂等矿物杂质和水分。 碳( 以石墨计 ) 在 298.15K 时完全燃烧的热化学方程式为 C( 石 墨)+O2(g)=CO2(g)；ΔHθ(298.15K)=-393.5kJ·mol-1 对于 1.000g 碳(石墨) 来说，ΔHθ(298.15K)=-32.8kJ·g -1①。但原煤中含有的氢，燃烧时与氧化合 生成水，也产生热。用热量计测定煤完全燃烧时发生的热量叫做高发热值； 扣除水蒸发(汽化)热(即生成物 H2O 以气态计)所得的热量叫做低发热值。表 1.1 中列出一些煤炭的成分和高发热值。 表 1.1 煤炭的成分和高发热值 质量分数 w/％ 种类 C H O 高发热值 kJ · kg -1 木材 50 5 45 20900 泥煤 57 5 38 24300 褐煤 62 5 33 21300 褐煤 70 ～ 78 5 ～ 6 13 ～ 24 24300 ～ 30500 烟煤 80 ～ 90 5 ～ 6 3 ～ 11 30500 ～ 36800 无烟煤 90 ～ 92 4 3 ～ 4 30500 ～ 35600 注：摘自参考文献[2]第 15 页(单位自 Kcal.kg-1 换算为 kJ · kg-1)。 从表 1.1 中可以看出，通常煤完全燃烧所放出的高发热值约为 30000kJ·kg-1或 30kJ·g -1。 氧、硫、磷是煤中的有害成分。氧化合(消耗)煤中碳、氢可燃成分。硫 燃烧变成 SO2、SO3和 H2S 等有害气体，腐蚀燃烧室，污染大气。炼焦煤中的 硫会转入焦炭，用于冶炼会降低钢铁质量。煤炭按含硫的质量分数 w 可分为 四类：低硫煤，w(S)＜1.5％；中硫煤，w(S)=1.5％～2.5％；高硫煤 w(S)=2.5 ％～4.0％；富硫煤，w(S)＞4％。我国煤的含硫的质量分数多数为 0.5％～ 3.0％，低的小于 0.2％，最高达 5％。华北、华东地区浅部煤层硫分低，但 深层则硫分较高，南方煤田的硫分一般较高。 含磷过多的煤不适用于炼铁，以免进入钢铁使之发脆。我国煤的含磷量 都较低，一般 w(P)=0.001％～0.1％，最高不到 1％，大都符合 0.05％以下 的工业要求。 世界上煤的蕴藏量远较石油和天然气的丰富。据估计如果改为以燃煤为 主的经济体制，全世界所需的能量可以用不少世纪。 煤的最大缺点是固体燃料，燃烧反应速率慢，利用效率低，且不适用于 多数运输业(尤其是汽车)的需求。此外，燃烧煤时还会产生二氧化硫这类有 毒的气体，将导致严重的大气污染。解决的办法是将煤炭转变为汽化燃料或 液化燃料。在我国，煤蕴藏量很丰富，尤其应注意这一问题。煤炭汽化和液 化方法有几十种。产品类别也众多。下面简单介绍几种煤炭的汽化燃料和液 化燃料。 ① 按国家标准，用下角标 c 表示燃烧反应。所以严格地说，应写成 （298.15K）=-393.5kJ·mol-1 及Δchθ （298.15K）=-32.8kJ·g-1，Δchθ是标准比燃烧焓。本书均简化为ΔHθ
1.水煤气 这主要是以空气加水蒸气作为汽化剂的方法。将空气通过装有灼热焦炭 (隔绝空气加热煤所产生的含碳量很高的残余物)的塔柱,会发生放热反应 主要反应可表示如下: G(s)+02(g)=C02(g);△H(298.15K=-393.5kJ·mo-1 放出的大量热可使焦炭的温度上升到约1500℃C。切断空气,将水蒸气通过热 焦炭,发生下列反应 G(s)+H20(g)=C0(g)+H2(g); △H6(298.15K)=131.3kJ·mo|-1 这里反应的标准焓变均按石墨298.15K时的计。)生成了所谓的水煤气。由 于这一反应是吸热的,焦炭的温度将逐渐降低,因此这一方法需要间歇操作。 水煤气中的C和H2完全燃烧时可放出大量热。 CO(g)+÷O2(g)=CO2(g) △H8(298.15K)=-283.0kJ·mol-1 H2(g)+=O2(g)=H2O(1) △H8(298.15K)=-285.8kJ·mo|-1 水煤气的缺点是0有剧毒,用空气进行碳-氧反应,由于产生的煤气被 空气中的N2稀释而使煤气的高发热值降低。另外,这一制备方法不够方便, 还有待改进。我国有用加压汽化和长焰煤制水煤气的方法 2.合成气 这主要是以氧气加水蒸气作为汽化剂的方法。将纯氧气和水蒸气在加压 下通过灼烧的煤,可使煤中的苯、酚(CHOH等挥发出来,并生成一种气态 燃料混合物,其体积分数约为40%H2、15%0、15%叫H4和30%002,称之为 合成气。此方法不仅可直接用煤而不用焦炭,且可连续进行。 若将煤气中的c0和H2进行甲烷化反应: c0(g)+3H2(g)=CH4(g)+H20(1);△H(298.15K=-250.2kJ·mo-1 可得到相应于天然气的高发热值煤气,称为合成天然气。 3.煤炭的液化燃料 煤炭液化工艺可分为直接液化和间接液化。下面介绍一种间接液化方 法 用上述合成气为原料,在101.325kPa和473K(即200℃)并有适当的催化 剂存在下,ω0与H能反应生成多种直链烷烃和烯烃,碳链链长大都有3~20 个碳原子,例如: 6c0+13H2=C6H14+6H20 80+17H2=CH18+8H2 8c0+4H2=C4H+4002 从而可制得汽油、柴油和液化石油气。目前成本还偏高。 我国有用间接液化法生产甲醇的研究,也有进行直接液化工艺的研究。 1.3.2石油和天然气
1.水煤气 这主要是以空气加水蒸气作为汽化剂的方法。将空气通过装有灼热焦炭 (隔绝空气加热煤所产生的含碳量很高的残余物)的塔柱，会发生放热反应， 主要反应可表示如下： C(s)+O2(g)=CO2(g)；ΔHθ(298.15K)=-393.5kJ·mol-1 放出的大量热可使焦炭的温度上升到约 1500℃。切断空气，将水蒸气通过热 焦炭，发生下列反应： C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)； ΔHθ(298.15K)=131.3kJ·mol-1 (这里反应的标准焓变均按石墨 298.15K 时的计。)生成了所谓的水煤气。由 于这一反应是吸热的，焦炭的温度将逐渐降低，因此这一方法需要间歇操作。 水煤气中的 CO 和 H2完全燃烧时可放出大量热。 CO(g) O (g) = CO (g) ＋ 2 2 ； 1 2 △Hθ(298.15K)=－283.0kJ·mol-1 H (g) O (g) = H O(1) 2 ＋ 2 2 ； 1 2 △Hθ(298.15K)=－285.8kJ·mol-1 水煤气的缺点是 CO 有剧毒，用空气进行碳-氧反应，由于产生的煤气被 空气中的 N2 稀释而使煤气的高发热值降低。另外，这一制备方法不够方便， 还有待改进。我国有用加压汽化和长焰煤制水煤气的方法。 2.合成气 这主要是以氧气加水蒸气作为汽化剂的方法。将纯氧气和水蒸气在加压 下通过灼烧的煤，可使煤中的苯、酚(C6H5OH)等挥发出来，并生成一种气态 燃料混合物，其体积分数约为 40％H2、15％CO、15％CH4和 30％CO2，称之为 合成气。此方法不仅可直接用煤而不用焦炭，且可连续进行。 若将煤气中的 CO 和 H2进行甲烷化反应： CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l)；ΔHθ(298.15K)=-250.2kJ·mol-1 可得到相应于天然气的高发热值煤气，称为合成天然气。 3.煤炭的液化燃料 煤炭液化工艺可分为直接液化和间接液化。下面介绍一种间接液化方 法。 用上述合成气为原料，在 101.325kPa 和 473K(即 200℃)并有适当的催化 剂存在下，CO 与 H2能反应生成多种直链烷烃和烯烃，碳链链长大都有 3～20 个碳原子，例如： 6CO+13H2=C6H14+6H2O 8CO+17H2=C8H18+8H2O 8CO+4H2=C4H8+4CO2 从而可制得汽油、柴油和液化石油气。目前成本还偏高。 我国有用间接液化法生产甲醇的研究，也有进行直接液化工艺的研究。 1.3.2 石油和天然气
石油又称为原油。我国有较丰富的石油资源,但旧中国石油工业几乎是 空白。我国石油地质学家针对特殊的地质条件,提出了独创性的陆相找油理 论,据此,找到了大庆等一些大油田。1950年我国原油产量居世界第27位, 1986年达到1.30亿吨,居世界第5位,1990年增到1.38亿吨。 石油是多种碳氢化合物(简称烃)的混合物,其中含有链烷烃、环烷烃、 芳香烃和少量含氧和含硫的有机物质。石油经过分馏和裂化等加工过程后可 得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油等等一系列的产品。与外国石油相 比,我国大部分石油具有以下特点:轻质油收率较低;原油中烷烃多,其中 正烷烃含量高;渣油中沥青质少;含硫量低,但含氮量偏高;钒含量很低, 镍含量中等。 石油加工产品中最重要的燃料是汽油。汽油中最有代表性的组分是辛烷 (cgH18)。辛烷完全燃烧的热化学方程式可表达如下 C8H13(1)+O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) △H(298.15K)=-5440kJ·mo|-1 对于1.000gcH18来说,△H(298.15K)=-47.7kJ·g1 天然气是一种低级烷烃的混合物,主要组分为甲烷(CH),尚含有乙烷 (C2H)、丙烷(c3H)等。甲烷完全燃烧的热化学方程式为 CH4(g)+202(g)=CO2(g)+2H20(1); △H8(298.15K)=-890kJ·mo|-1 对于1.000gCH4来说,△H0(298.15K)=-55.6kJ·g-1。 我国是世界上最早开采和利用天然气的国家。早在公元前221年,我国 就在四川省自流井气田钻成深约100m的天然气井。但我国天然气工业的发展 与石油工业很不相称,1986年天然气产量为137.6×109m3,居世界第17位, 需要加强天然气的勘探和开发。 汽油和天然气使用方便,燃烧反应热也大。但由于世界能源消耗急剧增 长,而蕴藏量毕竟有限,有人估计按目前世界能源消耗速率加上人口增长等 因素,不过几十年,这些已发现的燃料即将消耗尽。 1.3.3氢能 原煤、原油、天然气等从自然界取得的未经加工的能源称为一次能源。 煤气、焦炭、各种石油制品等由一次能源经过加工(不限于一次转化过程)而 取得的能源称为二次能源。氢气是二次能源,且是一种干净、无毒、无污染 的能源,并具有燃烧反应速率快,高发热值大[ΔH°(298.15K)=-286kJ·moI-1 即ΔH(298.15K)=-143kJ·g],资源(H20)丰富,应用范围广、适应性强等 特点。 对氢能的研究,目前有下列三方面。 1.氢气的制取 制氢气的方法很多。例如,可以从水煤气中取得氢气,但这仍需用燃料 煤炭为原料,不够理想。目前认为最有前途的有光分解法和电解水法。 光分解法可藉催化剂吸收太阳光辐射使水分解为氢气和氧气
石油又称为原油。我国有较丰富的石油资源，但旧中国石油工业几乎是 空白。我国石油地质学家针对特殊的地质条件，提出了独创性的陆相找油理 论，据此，找到了大庆等一些大油田。1950 年我国原油产量居世界第 27 位， 1986 年达到 1.30 亿吨，居世界第 5 位，1990 年增到 1.38 亿吨。 石油是多种碳氢化合物(简称烃)的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、 芳香烃和少量含氧和含硫的有机物质。石油经过分馏和裂化等加工过程后可 得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油等等一系列的产品。与外国石油相 比，我国大部分石油具有以下特点：轻质油收率较低；原油中烷烃多，其中 正烷烃含量高；渣油中沥青质少；含硫量低，但含氮量偏高；钒含量很低， 镍含量中等。 石油加工产品中最重要的燃料是汽油。汽油中最有代表性的组分是辛烷 (C8H18)。辛烷完全燃烧的热化学方程式可表达如下： C H (1) O (g) = 8CO (g) 9H O(1) 8 18 ＋ 2 2 ＋ 2 ； 25 2 △Hθ(298.15K)=－5440kJ·mol-1 对于 1.000gCH18来说，ΔHθ(298.15K)=-47.7kJ·g -1。 天然气是一种低级烷烃的混合物，主要组分为甲烷(CH4)，尚含有乙烷 (C2H6)、丙烷(C3H8)等。甲烷完全燃烧的热化学方程式为 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)； ΔHθ(298.15K)=-890kJ·mol-1 对于 1.000gCH4来说，ΔHθ(298.15K)=-55.6kJ·g -1。 我国是世界上最早开采和利用天然气的国家。早在公元前 221 年，我国 就在四川省自流井气田钻成深约 100m 的天然气井。但我国天然气工业的发展 与石油工业很不相称，1986 年天然气产量为 137.6×108m 3，居世界第 17 位， 需要加强天然气的勘探和开发。 汽油和天然气使用方便，燃烧反应热也大。但由于世界能源消耗急剧增 长，而蕴藏量毕竟有限，有人估计按目前世界能源消耗速率加上人口增长等 因素，不过几十年，这些已发现的燃料即将消耗尽。 1.3.3 氢能 原煤、原油、天然气等从自然界取得的未经加工的能源称为一次能源。 煤气、焦炭、各种石油制品等由一次能源经过加工(不限于一次转化过程)而 取得的能源称为二次能源。氢气是二次能源，且是一种干净、无毒、无污染 的能源，并具有燃烧反应速率快，高发热值大[ΔHθ(298.15K)=-286kJ·mol-1 即ΔHθ(298.15K)=-143kJ·g -1]，资源(H2O)丰富，应用范围广、适应性强等 特点。 对氢能的研究，目前有下列三方面。 1.氢气的制取 制氢气的方法很多。例如，可以从水煤气中取得氢气，但这仍需用燃料 煤炭为原料，不够理想。目前认为最有前途的有光分解法和电解水法。 光分解法可藉催化剂吸收太阳光辐射使水分解为氢气和氧气
电解水法可用原子能电站的电作为电源。 2.氢气的贮存 氢气密度小,不利于贮存。例如,在15MPa压力下,40dm3的钢瓶只能装 0.5kg氢气。若将氢气液化,则需耗费很大能量,且容器需绝热,很不安全。 目前有采用使之形成固态金属型氢化物的贮存方法。例如,镧镍合金 Lani 能吸收氢气形成金属型氢化物LaNi5H 200~300lF良 La1s+3H2-設热 H6 加热金属型氢化物时,H2即放出。LaNi5合金可相当长期地反复进行吸氢和放 氢,且贮氢量大。1 kaLaNi5合金在室温和250kPa压力下可贮15g以上氢气。 3.氢能的利用 目前有关氢能利用的许多工作尚处于试验阶段。1980年我国研制成功了 第一辆用氢能的汽车。1985年苏联也利用Ti、Fe、V合金氢化物进行了用氢 气和汽油作为混合燃料的汽车的试验。若在汽油中加入质量分数约为4%6的 氢气,则可节油4%,且无需对汽油发动机作很大的改进,废气中的C0也 可减少90%。贮氢金属的其他应用也很活跃,并已取得一些可喜的进展。 选读材料核能和太阳能 1.核能 核裂变 矿物燃料究竟还能延续使用多长时间,这是有争议的,但这些燃料的供 应毕竟有限,而且已出现了所谓“能源危机”。从目前和不远的将来来看 经济上可以实现且具有取代矿物燃料的能力的重要能源是核裂变,简称裂 变。通常所说的核电站就是利用核裂变所产生的能量来发电的。我国自行设 计的300M(兆瓦)秦山核电站已投产发电,广东1800wW核电站工程进展也迅 速。对发电成本的分析表明,我国华东地区核电站的发电成本比煤电站的低 百分之几,广东省核电站的成本低得还要多些。 核裂变反应是在中子(n)轰击下使较重的原子核分裂成较轻的原子核 的反应。目前正在运转的核电站所使用的燃料是铀同位素U-235。用慢中子 轰击U235时,就起下列裂变反应 232U+n(慢)→较轻碎核+较重碎核+中子 裂变产物非常复杂,已知的产物至少有35种元素(从30Zn到64Gd),而 放射性核有200种以上。核裂变时,释放出大量的能,直接与所发生的质量 减少相联系。这可用爱因斯坦( A Einstein)公式进行计算。 △E=△m (1.12) 式中ΔE表示系统能量改变量,即 △E=2E生成物EE 反应物 △m表示系统质量改变量,即 △mm生成物Em反应物 c表示光速,等于2.9979×109m:s-1 以下列裂变反应为例:
电解水法可用原子能电站的电作为电源。 2.氢气的贮存 氢气密度小，不利于贮存。例如，在 15MPa 压力下，40dm3的钢瓶只能装 0.5kg 氢气。若将氢气液化，则需耗费很大能量，且容器需绝热，很不安全。 目前有采用使之形成固态金属型氢化物的贮存方法。例如，镧镍合金 LaNi5 能吸收氢气形成金属型氢化物 LaNi5H6： 加热金属型氢化物时，H2即放出。LaNi5合金可相当长期地反复进行吸氢和放 氢，且贮氢量大。1kgLaNi5合金在室温和 250kPa 压力下可贮 15g 以上氢气。 3.氢能的利用 目前有关氢能利用的许多工作尚处于试验阶段。1980 年我国研制成功了 第一辆用氢能的汽车。1985 年苏联也利用 Ti、Fe、V 合金氢化物进行了用氢 气和汽油作为混合燃料的汽车的试验。若在汽油中加入质量分数约为 4％的 氢气，则可节油 40％，且无需对汽油发动机作很大的改进，废气中的 CO 也 可减少 90％。贮氢金属的其他应用也很活跃，并已取得一些可喜的进展。 选读材料 核能和太阳能 Ⅰ.核能 1.核裂变 矿物燃料究竟还能延续使用多长时间，这是有争议的，但这些燃料的供 应毕竟有限，而且已出现了所谓“能源危机”。从目前和不远的将来来看， 经济上可以实现且具有取代矿物燃料的能力的重要能源是核裂变，简称裂 变。通常所说的核电站就是利用核裂变所产生的能量来发电的。我国自行设 计的 300MW(兆瓦)秦山核电站已投产发电，广东 1800MW 核电站工程进展也迅 速。对发电成本的分析表明，我国华东地区核电站的发电成本比煤电站的低 百分之几，广东省核电站的成本低得还要多些。 核裂变反应是在中子( 0 1 n)轰击下使较重的原子核分裂成较轻的原子核 的反应。目前正在运转的核电站所使用的燃料是铀同位素 U-235。用慢中子 轰击 U-235 时，就起下列裂变反应： 9 2 2 3 5 U +0 ( ) + + 1 n 慢 ® 较轻碎核 较重碎核 中子 裂变产物非常复杂，已知的产物至少有 35 种元素(从 30Zn 到 64Gd)，而 放射性核有 200 种以上。核裂变时，释放出大量的能，直接与所发生的质量 减少相联系。这可用爱因斯坦(A.Einstein)公式进行计算。 ΔE=Δm·c 2 (1.12) 式中ΔE 表示系统能量改变量，即 ΔE=ΣE 生成物-ΣE 反应物 Δm 表示系统质量改变量，即 Δm=Σm 生成物-Σm 反应物 c 表示光速，等于 2.9979×108m·s -1。 以下列裂变反应为例：
92U+o n>3&Sr+5 8 ce 20n+4e 已知232U、3Sr、lsCe、dm(中子)和_e(电子)的摩尔质量分别为 234.9934、89.8864、143.8816、1.00867和0.00055g·mo|-1,所以 △m{(89.8864143.8816+2×1.00867+4×0.0005) (2349934+1.00867)}g·mo|-1 =-0.2145g·mo △E=△m·c2=(-0.2145g·mo|-1)×(2.9979×109m·s-1)2 1.928×101g·m2·s-2·mol-1 =-1.928×1013kg·m2:s-2·mo| 1.928×1013J·mo|-1=-1.928×1010kJ·mo|-1 对于1.000g-235来说,因U-235的摩尔质量为235g·mo|-1,所以 1000 △E=-1.928×1010kJ·mol =-8.20×107kJ 235g·mol 通常可以△E=-8.20×10kJ·g1表示。 在核裂变过程中,每1g参加反应的U235放出的能量约为8×107kJ。 而每1g煤完全燃烧时放出的热量约为30kJ。这就是说1gU-235裂变所产生 的能量相当于约2.7×10g煤燃烧时所放岀的能量,这是核燃料的明显优 点,但是核裂变产物大多具有放射性,裂变产物如Sr-90(半衰期为29年!) 是极其危险的污染物。这些放射性裂变产物的贮存与最后处理必须有极其严 格的安全措施。 2.核聚变 核聚变是使很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子核的反 应。这种反应进行时放出更大的能量。以氘(H)与氚(H)核的聚变反应为 例 2H+H→2He+on 根据式(1.12): △E=△m·c2 已知H、H、2He和bn的摩尔质量分别为201355、301550、400150和 1.00867g·mo-1,所以 △m{(4.00150+1.00867)-(2.01355+3.01550)}g·mo|-1 0.01888g·m △E=△m·c2=(-0.01888g·mo|-1)×(2.9979×10°m:s-1)2 =-1.697×1015g·m2·s-2·mol-1 -1.697×10kJ·mo|-1 对于1.000g的核燃料来说,因H2和H3的摩尔质量分别为2.014和 3.016g·mo|-1,所以 △E=-1.697×10°kJ·mol-1 1000g (2014+3016)g·mol 3.37×108kJ 通常可以△E=-3.37×108kJ·g1表示。 核聚变与核裂变以及煤、辛烷(汽油代表性组分)、甲烷(天然气主要组 分)、氢气完全燃烧所放出的能量或热量可以比较如下
9 2 2 3 5 3 8 9 0 5 8 1 4 4 1 0 U +0 Sr + Ce + 2 4 1 0 1 n ® n + e - _ 已知2 9 3 2 5U、3 9 8 0 Sr、1 4 5 8 4Ce、1 0 n(中子)和_1 0 e - (电子)的摩尔质量分别为 234.9934、89.8864、143.8816、1.00867 和 0.00055g·mol-1，所以 Δm=｛(89.8864+143.8816+2×1.00867+4×0.00055) -(234.9934+1.00867)｝g·mol-1 =-0.2145g·mol-1 ΔE=Δm·c 2=(-0.2145g·mol-1)×(2.9979×108m·s -1) 2 =-1.928×1016g·m 2·s -2·mol-1 =-1.928×1013kg·m 2·s -2·mol-1 =-1.928×1013J·mol-1=-1.928×1010kJ·mol-1 对于 1.000gU-235 来说，因 U-235 的摩尔质量为 235g·mol-1，所以 △ － × · × · E = 1.928 10 kJ mol = －8.20×10 kJ 10 -1 7 1000 235 1 . g g mol - 通常可以ΔE=-8.20×107kJ·g -1表示。 在核裂变过程中，每 1g 参加反应的 U-235 放出的能量约为 8×107kJ。 而每 1g 煤完全燃烧时放出的热量约为 30kJ。这就是说 1gU-235 裂变所产生 的能量相当于约 2.7×106g 煤燃烧时所放出的能量，这是核燃料的明显优 点，但是核裂变产物大多具有放射性，裂变产物如 Sr-90(半衰期为 29 年！) 是极其危险的污染物。这些放射性裂变产物的贮存与最后处理必须有极其严 格的安全措施。 2.核聚变 核聚变是使很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子核的反 应。这种反应进行时放出更大的能量。以氘(1 2 H )与氚(1 3 H )核的聚变反应为 例： 1 2 1 3 2 4 0 1 H + H ® He + n 根据式(1.12)： ΔE=Δm·c 2 已知1 2 H、1 3H、2 4He和1 0 n的摩尔质量分别为2.01355、3.01550、4.00150和 1.00867g·mol-1，所以 Δm=｛(4.00150+1.00867)-(2.01355+3.01550)｝g·mol-1 =-0.01888g·mol-1 ΔE=Δm·c 2=(-0.01888g·mol-1)×(2.9979×108m·s -1) 2 =-1.697×1015g·m 2·s -2·mol-1 =-1.697×109kJ·mol-1 对于 1.000g 的核燃料来说，因 H-2 和 H-3 的摩尔质量分别为 2.014 和 3.016g·mol-1，所以 △ － × · × · E = 1.697 10 kJ mol 1 9 -1 1000 2 014 3016 1 . ( . . ) g + g mol - =-3.37×108kJ 通常可以ΔE=-3.37×108kJ·g -1表示。 核聚变与核裂变以及煤、辛烷(汽油代表性组分)、甲烷(天然气主要组 分)、氢气完全燃烧所放出的能量或热量可以比较如下：