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4-1 能源簡介 功與能 • 能量：可以做功的物理量 • 功：能量傳遞的過程 外 力 作 功 位 能 增 加 位 能 轉 變 成 動 能 各種不同形式的能 • 各種形式的能量可以相 互轉換，但其總量一定， 此為能量守恆定律 化學能轉變成光能和熱能 能源 • 再生能源：在短期內能自行補充，能反 覆使用持續供應者 • 非再生能源：用過即無，必須另外設法 開發轉換採取，無法自行補充者 4-2 常見的化石能源 4-2.1 煤 4-2.2 石油 4-2.3 天然氣 非再生能源 汽車的動力來自汽油，也可以使 用的是千萬年前的太陽能，Why? 化石能源的來源 煤 • 煤：古代植物，因地殼運動，被埋在地底下， 再經地熱與碳化作用而產生。 • 成分：主要是碳，和少量氫、氧、氮、硫。 • 分類： 含碳量 泥煤 ＜ 褐煤 ＜ 煙煤 ＜ 無煙煤 含碳% 燃燒熱 (kcal/g) <50 50~70 70~90 >90 2~3 3~5.5 5.5~7 7~8 乾餾：將煤隔絕空氣加熱使之分解的過程 主成分：H2、CH4 少量：CO…等 煤溚 有機物質 1.還原劑、燃料 2.製造水煤氣(CO+H2) C 煤焦的用途 1.當還原劑: 失電子，氧化 氧化劑 還原劑 Fe2O3 3C 2Fe 3CO +3 -2 0 0 +2 -2 得電子，還原 2.製造水煤氣 (CO+H2): C H2 O CO H2 還原劑 氧化劑 石油(原油) • 石油：古代動物、植物形成。 • 成分：碳氫化合物(烴類)的混合物，主要是 烷類(通式為CnH2n+2) • 原油分餾：依沸點不同，加熱分離。 碳數少 分子量低 沸點低 (瀝青) 碳數多 分子量高 沸點高 原油分餾的產物 液化石油氣(LPG)（液態瓦斯）(桶裝瓦斯) －主要為丙烷、丁烷。 汽油的震爆 • 震爆：不平穩的燃燒，使汽車震動 火星塞 活塞 引擎壁 辛烷值 (抗震爆程度) • 辛烷值愈高，抗震爆效果愈好 • 異辛烷辛烷值為100 • 正庚烷辛烷值為0 常見油品的辛烷值 品名 辛烷值 品名 辛烷值 正辛烷 -10 苯 106 正庚烷 0 甲醇 107 正戊烷 62 乙醇 108 1-戊烯 91 甲基三級丁基醚 116 1-丁烯 97 甲苯 118 異辛烷 100 含鉛汽油 (高級汽油) • 含鉛汽油：汽油添加四乙基鉛(抗震劑) • 缺點：造成空氣鉛汙染 。 無鉛汽油 • 加入辛烷值高的抗震劑， 如甲醇、乙醇、 甲基三級丁基醚、烴類裂解產物…等 • 裂解：將高分子量烴類分解成低碳數的烷、 烯、氫氣 市售汽油 • 92汽油：抗震爆效果與 92 ﹪異辛烷 (體積百分比) 8 ﹪正庚烷 之混合物的相同 100 92% 0 8% 92 天然氣 • 成分：甲烷、少量乙烷、雜質。 • 優點：廢氣量較低、較無污染 石油：碳比例多 天然氣：碳比例少 C7H16 + 11O2→7CO2+8H2O CH4 + 2 O2→CO2+ 2H2O • 天然氣 甲烷、乙烷 • 液化石油氣 丙烷、丁烷 • 煤氣 H2、CH4、CO • 水煤氣 CO、H2 有毒 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 放熱反應～放出能量 H2 + 1/2O2→H2O 吸熱反應～吸收外界能量 HgO →Hg+1/2O2 熱化學反應式 反應熱ΔH ：能量變化 ΔH=生成物的熱含量─反應物的熱含量 ΔH 與物質的莫耳數(係數)、 狀態、溫度、壓力均 有關 吸熱反應：△H > 0 必寫 • C(s) +H2O(g) +133千焦→ CO(g)+H2(g) 或 • C(s) + H2O(g) → CO(g)+H2(g) △H =133千焦 CO(g)+H2(g) +133KJ C(s) + H2O(g) 放熱反應：△H < 0 • H2(g) +1/2O2(g) → H2O(l) + 285.8千焦 或 • H2(g) +1/2O2(g) → H2O(l) △H = -285.8千焦 - 285.8KJ △H與莫耳數成正比 反應式係數n倍， △H即n倍 H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) △H= -285.8KJ 表示消耗 1 mol H2 會放出285.8千焦的熱 0.5 mol O2 產生 1 mol H2O(l) X2 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) △H= -285.8x2 KJ = -571.6 KJ 表示消耗 2 mol H2 會放出571.6千焦的熱 1 mol O2 產生 2 mol H2O(l) 熱值 氣體>液態>固體 4-4 化學電池 化學能轉換成電能 化學電池的基本原理 活性 Zn > Cu 電極：傳遞電 子或產生反應 的地方 電流 e- NO3- 鹽橋 NH4+ 維持電中性 溝通電路 NH4 NO3 →NH4++NO3- 陽極：Zn(s)→Zn2+(aq)＋2e- 陰極：Cu2+(aq)＋2e-→Cu(s) (負極) (正極) 放出電子 氧化反應 得到電子 還原反應 放電電池的電極 •依活性 •活性電極：參與反應 •惰性電極：不參予反應，如C、Pt、Au 分類 1.不可充電的一次電池 2.可充電的二次電池 構造 1.陽極(負極) 2.陰極(正極) 3.電解液 錳乾電池(碳鋅電池、勒克朗舍電池） 電解液(酸性) 氧化 還原 (還原劑) (氧化劑) 優點：電壓(1.5V)，價格便宜 缺點：電壓不穩 鹼性乾電池 氧化 陽極 (還原劑) 電解液(鹼性) 還原 (氧化劑) 優點：電壓(1.5V)穩定， 使用時間較久，在低溫仍 有良好的性能 水銀電池 電解液：KOH(aq)、NaOH(aq) 優點：電壓(1.35V)穩定 缺點：汞污染 HgO(S) +Zn(S) Hg(l) +ZnO(S) 鋰碘電池 電解液：碘化鋰(LiI) 晶片 正極(陰極)：碘 負極(陽極)：鋰 2 Li(s) + I2 (s) → 2 LiI (s) 優點：電流穩定 作為心律調節器 但價格高 心 律 調 節 器 鉛蓄電池(俗稱電瓶) 正極(陰極)：PbO2 負極(陽極)：Pb 電解液：稀硫酸(約30%) 優點：電壓(2.0V×6)穩定 陰極重量變重 得電子，還原 PbO2 (s) Pb(s) 2H2SO 4 (aq) +4 放電 0 失電子，氧化 陽極重量變重 H2SO4減少，硫酸濃度降低 2PbSO4 (s) 2H2O(l) +2 充電 (正接正、負接負) 電池正極 接充電器電源的 正極 電池負極 接充電器電源的 負極 PbO2 (s) Pb(s) 2H2SO 4 (aq)充電 2PbSO4 (s) 2H2O(l) 充電 鎳鎘電池（可充電） • 組成： – 正極(陰極)：鹼式氧化鎳[NiO(OH)] – 負極(陽極)：鎘( Cd ) – 鹼性電解質：KOH • 電壓：1.2 伏特（V） 鎳氫電池 正極(陰極) ：氧化鎳 負極(陽極) ：鑭系儲氫材料 電解液：KOH、NaOH 鋰離子電池 正極(陰極) ：鋰金屬氧化物 負極(陽極) ：碳 優點：重量輕、高電壓(3.6V)、高電量 燃料電池 •陽極：氫、甲醇、乙醇、天然氣、汽油 •陰極：氧氣 •化學能(氧化還原反應)轉換成電能 氧化，放出e- 氫氣燃料電池 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) 0 陽極 0 +1 -2 陰極 還原，得到e- 優點：無污染，補充燃料 即可持續使用，能量轉換 效率高 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 電池名稱 正極 (陰極) 負極 (陽極) 電解液 電壓 (Ｖ) 錳乾電池 碳棒 鋅 氯化銨、 二氧化錳 1.5 鹼性乾電池 碳棒 鋅 氫氧化鉀 1.5 水銀電池 氧化汞 鋅汞齊 氫氧化鉀 1.35 鋰碘電池 碘 鋰 碘化鋰 3.0 電池名稱 正極(陰極) 負極(陰極) 電解液 電壓(Ｖ) 鉛蓄電池 二氧化鉛 鉛 稀硫酸 2.0 鎳鎘電池 鹼式氧化鎳 鎘 氫氧化鉀 1.2 鎳氫電池 氧化鎳 鑭系儲氫材料 氫氧化鉀 1.2 鋰電池 鋰金屬氧化物 碳 有機電解液 3.6 酸性 鹼性 鹼性 酸性 鹼性 鹼性 電池處理 • 乾燥、常溫使用 • 含大量重金屬，必須回收，以 免汙染環境。 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 核能與化學能 化學反應：只涉及價電子的交互作用 CH4(g) + 2O2(g) → 2H2O(g) + CO2(g) +882.8 千焦 此化學反應前後原子種類、數目不變(質量守恆) 核反應：涉及原子核的分裂或融合，新元素產生 7 3 Li + 11 H → 2 42 He + 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 核分裂反應 • 核分裂：即利用中子來撞擊重原子核(如鈾 U、鈽Pu)，使重核發生分裂。 235 92 U+ n Ba+ Kr +3 n + 能量 1 0 141 56 92 36 1 0 實例:原子彈、核能發電 鏈鎖反應 核熔合 •核熔合： 輕的原子核熔合較重的原子核 2 1 p+ H+31H42 He+01n +1.7 1012 J p+ n + n n p+ → n + n n p+ 實例:太陽光發光發熱、氫彈。 核能 損失質量 公斤(kg) 焦耳 (J) 光速 3x108 (m/s) 2 E=mc •若核反應後減少了1克的質量，可產生的能量約為 E (1 10 kg) (3 10 m/s) 13 2 9 10 (kg m/s ) m 13 9 10 nt m 9 1013 J 3 8 2 核能發電 • 核融合來發電的技術仍在研發中 • 目前核能電廠是利用核分裂原理 中子減速劑(石墨和重水D2O) 利用控制棒(鎘和硼材料製成)吸收過多中子 核反應 235 235 92 92 2 2 1 1 + 1 = 141 + 92 +3×1 U+ n Ba+ Kr +3 n + 能量 1 0 + + 0 3 141 56 92 36 56 + 36 = = 4 1 0 + 3×0 + 1 H+ H He+ n +1.7 10 J 3 1 + 1 = 4 2 1 0 2 + 0 12 核反應前後，電荷數和質量數守恆 太陽能 • • • • • 太陽能利用的研究四個方向： 光電法 光化法 自然現象，如海洋能與風能 直接應用，光能轉熱能 光電法 光能直接變成電能的方法 光化法 •利用陽光來觸發化學作用 •光合作用(光能=>化學能) 太陽能的直接應用 如太陽能熱水器建物的保溫、農業上之 曬穀等 地熱能 • 地底岩漿傳到地表的 熱能 • 熱能=> 動能(水蒸 氣)=> (電能)推動渦輪 發電 • 臺灣多火山溫泉但因 熱水酸性大，腐蝕力 強，如無法克服，則 不易用以發電。 生質能 •指可經由培植生產再 利用的動、植物能源 •可經處理產生液態燃 料、沼氣(成分：CH4、 CO2) •可用於燃燒產生熱能 或發電 •燃燒垃圾發電 •利用甘蔗或玉米可製 成酒精主要的生質能 能源 水力能 • 水位能差→動能→機械 發電→電能 • 水力能是目前唯一已被 大量開發利用的再生能 源，全世界的電力約有 23％來自水力發電 • 約佔臺灣發電量1.4% 海洋能-潮汐發電 • 潮汐發電：潮汐高低潮的變化來發電 海洋能-波浪發電 • 波浪發電：波浪上下運動產生的壓力，來 壓縮空氣發電 海洋能-溫差發電 • 海洋溫差發電：海洋溫差產生電力的方法 排水口 熱水 入口 深海冷水入口 海洋能-洋流發電 • 洋流發電：洋流的動能=>推動發電 機發電 風力發電 •風動能→機械能→電 能 •優點：費用低、無環 境汙染 •缺點：噪音