化学校本课程之《新能源与材料》

化学校本课程之《新能源与材料篇》 课程说明 我国传统能源面临的紧缺危机越来越凸显，煤炭、石油和天然气都是不可再生的能源，开发利用新能源将缓解能源危机，并且对于我国的节能减排具有现实性的重大意义。世界上各个国家都在角逐新能源，为自身寻找可持续发展的能源战略，加快满足经济发展中必需的能源。另外，气候变化要求我们开发清洁能源，传统能源对环境的污染不容质疑，气候变化问题已经敲醒了警钟，是全世界人民所面临的共同问题。这里让你看一些新能源的资料，从中可以学到很多新能源的知识，帮助你了解我国开发新能源的重大意义。 课程目标 通过本课程的学习，让学生了解我国的能源现状，应如何合理利用传统能源，意识到开发新能源的重要意义。 课程目录 专题一 新能源------------------------------------ 2 专题二 材料 ------------------------------------ 8 新能源与材料 在上个世纪，人类使用的能源主要有三种，就是煤炭、石油和天然气。而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，不加节制，那么，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有240年、40年和50年了。四五十年，从人类历史的角度来看，实在是非常非常的短促；试想一下，对于今天20来岁的年轻人来说，到他们六七十岁的时候，如果地球上已经没有石油和天然气可用，我们能不为此感到惊愕吗？所以，开发新能源，替代上述三种传统能源，迅速地逐年降低它们的消耗量，已经成为人类发展中的紧迫课题。 专题一 新能源 新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核能等。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。 太阳能 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球每天接受的太阳能相当于1.73亿家大型发电厂的发电量。太阳能既是一次能源，又是可再生能源，同时还是一种清洁能源。收集和利用太阳能的两个主要方法是收集太阳热和光伏发电（将太阳能转化为电能），前者的利用很多例子我们都很熟悉，如太阳能灶、太阳能热水器等。太阳能电池也被人们广泛利用在计算器、手表等等地方，我国的有些公路还安装了使用太阳能的路标。 但是太阳能也存在着很大的缺点，那就是太阳光不是一直可以利用的。在日照不充足的地区或是当夜幕降临后，就无法使用这种能源。另一个问题是用太阳能发电的成本很高，比起使用化石燃料发电要耗费更多的财力。 在我国广阔的土地上，2／3以上地区的年日照大于2000小时，这些地区具有良好的太阳能开发条件，尤其是以青藏高原地区为最，那里平均海拔高度在4000米以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。目前， 中国可再生能源计划和国家送电到乡工程，已利用太阳能发电为我国内蒙古、甘肃、新疆、西藏、青海和四川等地共16万无电户解决了用电问题。目前，我国已安装光伏电站约5万千瓦，主要为边远地区居民供电。 地热能 地热能是来自地球深处的可再生热能。人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。从20世纪开始，地热能被大规模用来发电、供暖和进行工农业利用。在冰岛，87%的家庭取暖使用的是地热能。 地热能在某些方面具备太阳能、风能等所不具备的特点，如资源的多功能性，不受白昼和季节变化限制以及可直接利用等，是一种较为廉价的清洁能源。但是要利用地热能也需要具备一定的条件，因为地热能的分布相对来说比较分散，不易利用。 我国高温地热资源主要分布在云南、西藏、四川西部一带以及台湾地区，一般把高于 150℃的称为高温地热，主要用于发电。低于此温度的叫中低温地热，通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。我国地热能的开发利用开始于20世纪70年代。1977年9月在距拉萨仅90公里的羊八井地热田建成了地热电站，在拉萨地区的电力供应上起到了很大的作用。目前，我国地热资源直接利用量已达到13.76立方米/秒，年利用地热能10779百万千瓦时，居世界第一位，并且以每年10%的速度在增长，不过在能源结构中占的比例还很小，不足0.5%。 风能 风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。目前风能最常见的利用形式为风力发电。 风力发电是当代人利用风能最常见的形式，自19世纪末，丹麦研制成风力发电机以来，人们认识到石油等能源会枯竭，才重视风能的发展，利用风来做其它的事情。 1977年，联邦德国在著名的风谷--石勒苏益格-荷尔斯泰因州的布隆坡特尔建造了一个世界上最大的发电风车。该风车高150米，每个浆叶长40米，重18吨，用玻璃钢制成。 截止2009年底，全球累计装机容量已经达到了1.59亿千瓦，2009年全年新增装机容量超过3千万千瓦，涨幅31.9%。从累计装机容量看，美国已累计装机3516万千瓦，稳居榜首；中国为2610万千瓦，位列全球第二。 海洋能 海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点，是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。 海洋能特点 1.海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。 2.海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。 3.海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。 4.海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。 生物质能 2006年底全国已经建设农村户用沼气池1870万口，生活污水净化沼气池14万处，畜禽养殖场和工业废水沼气工程2,000多处，年产沼气约90亿立方米，为近8000万农村人口提供了优质生活燃料。 中国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。2006年用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处，年生产生物质燃气2000万立方米。 核能 核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc^2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能的释放主要有三种形式： A.核裂变能 所谓核裂变能是通过一些重原子核（如铀-235、铀-238、钚-239等）的裂变释放出的能量。 B.核聚变能 由两个或两个以上氢原子核（如氢的同位素—氘和氚）结合成一个较重的原子核，同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应，其释放出的能量称为核聚变能。 C.核衰变 衰变是一种自然的慢得多的裂变形式，因其能量释放缓慢而难以加以利用 核能的利用存在的主要问题： （1）资源利用率低 （2）反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决 （3）反应堆的安全问题尚需不断监控及改进 （4）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制 （5）核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大。 思考与交流 1.学完了有关新能源的知识，谈谈自己对新能源的一些认识。 2.想一想，还有那些新能源？并对其进行描述。 3.新能源与常规能源（煤炭、石油和天然气）相比有哪些有优点？ 4.思考人类面临的能源危机问题，与同学们讨论，写篇心得体会。 专题二 材料 人类生活中少不了材料，衣食住行没有哪一样能离开材料。各种各样的材料组成了五花八门、丰富多彩的物质世界。人类社会的进步与发展、人类文明的推进与材料技术的发展有着密切的关系。材料被看做人类文明发展的里程碑，历史学者往往用材料作为时代分期的标志。从石器时代、青铜时代、铁器时代，直到目前的信息时代，都可以看出材料在人类社会的进步与发展中的无可替代的巨大作用。每一种新材料的发现和使用，都会对社会经济、工业生产、国防事业产生重大影响，甚至根本改变传统的生产和生活方式。进入21世纪后，材料技术仍是科学家们研究的三大热门领域之一。可以毫不夸奖地说，材料是科学技术进步的关键，是科学技术和社会发展的物质基础。材料的发展不仅关系到人类的昨天和今天，而且还将影响到人类的明天。 一、陶瓷材料 陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料进行加工制造而成的材料，是我国古代劳动人民的重大发明之一。大约8000年以前，住在我国黄河流域的人们已经使用陶瓷，继而在宋、元时代发展到了很高水平。当时，瓷器作为中华文明的象征，大量运往欧洲各地，欧洲人一向视中国陶瓷为无价之宝，所以，欧洲人把瓷器叫做“China”。久而久之，“China”成了中国的英文名称。 二、金属材料 在浩瀚的材料世界里，金属王国地盘最大，历史最久。人类已发现的116种元素中，金属占了93种，真可谓“五分天下占其四”。数千年来，金属材料的发现和应用，开创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会的发展。 1．传统金属材料 （1）铜 铜是继陶瓷之后的第二种人造材料，在自然界中纯铜很少，常见的铜矿石是孔雀石，由于其色如孔雀开屏时的尾巴而得名，孔雀石放在炉内加热很易制得铜。此外还有黄铜矿、辉铜矿等。 铜的合金中比较重要的还有黄铜和白钢。黄铜是铜和锌合金，由于显黄色而得名。由于黄铜其色似金，现在一般装饰用的“金粉”、“金箔”、“金字”等都是用黄铜做的。由于黄铜耐磨，耐腐蚀，可做钥匙、水龙头、轴承等。一些骗子使用的假黄金，其实就是黄铜。 白铜是铜和镍的合金，由于其色如银而又价廉，深受人们的喜爱。我国古代劳动人民很早就学会了冶炼黄铜和白铜，在波斯语中，白铜又称“中国石”。 （2）铁 人类最早发现的铁，是从天上掉下来的“眼铁”，在各个文明古国中发现的最早铁器都是用陨铁制成的。虽然陨铁很少，却为人类认识铁打开了大门。 到公元前1000年，人们开始掌握炼铁技术，当时冶炼的铁主要用来制作武器，后来逐渐扩散到社会生产的各个领域，由于铁价廉，因此逐渐代替了被富有阶层所独占的青铜。虽然材料的纪元始于青铜，但从对世界文明史的影响来看，铁要大得多。可以说有了铁，人类才开始真正使用了金属。在铁器时代耕作者的锄等铁制品，各种工具如凿子、钻、锤、锥等也开始用铁制品，生产和生活条件大为改善，生产力水平显著提高。 但铁对人类文明的真正贡献是产业革命时代以后的事。从1750～1850年的100年内，作为材料的铁（最初是铸铁，后来是钢），作为加工手段的铸造机、轧制机、机床和作为产品的蒸汽机相互作用，迅速进步，支配着19世纪后半期的文明世界。这一时期，铁给人类以力量，使人类能随心所欲地掌握能源，发展文明。 （3）铝 铝是地壳中含量最多的金属元素，它占地壳总质量的7.51％，比铁几乎多1倍，是铜的近千倍。由于铝合金具有密度小、硬度大、强度高、导电导热性好等优点，被广泛用于航空、化工、交通、建筑、国防等工业，家庭日用品中也日渐常见，逐渐成为继铁之后又一对人类发展产生重大影响的金属。从1919年开始，铝合金就开始用于飞机制造，此后铝和航空事业紧紧连在一起，因此有人把铝誉为“带翼的金属”。 2．新型金属材料 （1）记忆金属 记忆金属实际上是一种合金，确切地说应为“记忆合金”。它是指某种材料在一定温度下受到外力作用时会发生变形，一旦外力消失后，它仍能保持变形后的形状，而当温度上升到某一数值时，这种材料又会自动恢复到变形前的形状，它似乎能“记忆”自己原有的形状。 （2）钛——21世纪的金属 在地壳中钛的含量居元素的第9位，是铜的80倍，银的6万倍，虽然钛有如此丰富的含量，应用却很晚。过去很长一段时间内，人们一直认为钛是一种稀有金属，其原因与铝相似，由于钛的熔点很高（1725℃），必须在高温下才能冶炼，而高温下钛的化学性质又很活泼，因此钛比铝更难冶炼。从1791年钛被发现，直到1947年经过漫长的一个半世纪才实现了工业化生产，且开始的产量很少，到19世纪80年代才有较大的发展。 现在世界上钛的产量还很少，因此不如铁、铝等金属那么有名。但已经在航空、航天、航海、医疗等领域初露头角。科学家预言：21世纪金属钛将是冶金工业的最重要产品。 （3）超导材料 我们知道金属通常总是有电阻的，当电流通过金属时，金属会发热，像电炉就是利用电阻丝发热制成的。电阻的存在使电流通过时受到一些损耗，这种情况在许多场合是人们所不希望的。如何使导体的电阻降低甚至消失是人们长期以来梦寐以求的愿望。 1911年荷兰一个名叫昂尼斯的物理学家在研究水银的导电性能时，发现水银温度降到－269℃时，电阻突然完全消失，这时撤去电源，电流在和外界隔绝的闭合电路中，仍能长久流动而不衰减。这个奇怪的现象轰动了物理学界，后来科学家把这种现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料。目前已发现了8000多种超导材料，使这门新兴技术得到了飞速发展，但由于出现超导现象时的温度大都极低（接近－273℃），因此，没有太大的实用经济价值。为了寻找在较高温度下的超导材料，世界上无数科学家为之努力奋斗，直到20世纪90年代才取得了重大突破，发现了接近于100 K（－173℃）的超导材料。我国科学家在1988年研制出了转变温度在120K的超导材料钛钡钙铜氧化物，1990年初又研制出了临界温度132K的超导材料，这是当时世界公认的最高温度，显示我国在超导材料研究方面，已跻身于世界先进行列。 今后，随着低温甚至常温下超导物质的发现，超导材料的应用必将成为可以给人类社会的持续发展注入无限生机的高新科学技术。特别是它在电性方面的广泛应用其意义几乎可以与电的发明相媲美。由于超导体可荷载大电流并产生强磁场和零电阻的特性，因此，超导材料可用来制大功率超导发电机、超导电动机、超导电缆、超导加速器、超导贮能器、超导磁流体发电机、超导磁悬浮列车、超导核磁共振诊断仪等。 三、纳米材料 纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的一种新型材料。1nm是1m的十亿分之一，一个基本的碳纳米管只有1.4nm，因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和21世纪新材料。 纳米材料的起源是一个叫格莱特的德国科学家在澳大利亚的大沙漠上旅游中的联想。那是1980年的一天，当时他独自驾车横穿沙漠，空旷、寂寞和孤独的环境使他的思维特别活跃和敏锐。他长时间从事晶体的研究，知道晶体微粒大小对材料性能有极大影响。他想，如果组成材料的晶粒细到只有几个纳米那么大，材料将会是什么样子呢？这个想法令他兴奋不已，回国后立即开始实验，经过近4年的努力，终于在1984年得到了几个纳米大的超细粉末。而且他发现任何材料都可制成纳米大小的细微粉末，且性能发生了很大的变化，不管原来是什么颜色，现在都变为黑色，熔点也显著降低。 现在，纳米技术已引起了一大批科学家的着迷，也引起了各国政府的高度重视。美国自1991年起把纳米技术列入“政府关键技术”，美国国防部每年为此拨款3500万美元；日本从1995年开始实施为期10年的纳米技术研究计划，并将它作为必须开发的四大基础科学技术项目之一；澳大利亚于1993年已将纳米技术列为21世纪最优先开发的项目。我国对纳米技术的研究也相当重视，且在世界上进入先进行列，1993年中国科学院研究人员操纵原子成功写出“中国”两字，是世界上第二个成功进行这方面实验的国家；2000年中国科学院研究人员又首先发现了纳米材料的新特性——超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”。 纳米技术之所以受到如此关注，是因为它具有许多卓越性能：①纳米材料的熔点极低，如金的熔点通常为1064℃，当制成2nm的细金粉后熔点仅为330℃，这使低温下制造合金产品成为可能，而且可把通常不可熔的金属冶炼成合金。②有些药物制成纳米颗粒可以直接注射到血管内而顺利进入微血管，使药品疗效更好。③纳米大小的催化剂分散在汽油中可提高内燃机的效率；纳米大小的铝粉加到火箭的固体燃料中，可使火箭加速。④化纤中添加纳米微粒，可以除味杀菌，现在添加纳米材料的无菌餐具、无菌纱布已面世。⑤由于纳米材料能有效吸收紫外光，因此，在防晒油、化妆品中加入纳米微粒可达到防紫外线功能。⑥使用纳米材料的微机械的出现对机械行业等带来革命性的变化。例如一种小如跳蚤的微型手术机械，将它送进人的动脉，它前端那微型手术刀能按照人的要求切除肿瘤、排除血栓等。 可以预言，随着纳米技术的发展，在不久的将来，人类的生产、生活方式将会发生翻天覆地的变化，纳米技术将对人类文明的发展产生巨大影响，为人类创造美好的未来。 四、高分子材料 高分子化合物是衣、食、住、行和工农业生产各方面都离不开的材料，其中棉、毛、丝、塑料、橡胶等都是最常用的。以往人们使用的高分子材料都取自天然产物，物质文明和精神文明都高度发展的今天，天然高分子材料已经不能满足生产、生活和科技等各方面日益增长的需要。近代化学、化工科学技术的迅速发展，创造了许多自然界从来没有过的人工合成高分子化合物，对满足各种需求做出了重要的贡献。 高分子是由一种或几种结构单元多次重复连接起来的化合物。它们的组成元素不多，主要是碳、氢、氧、氢等，但是分子量很大，一般在10000以上，有的可高达几百万，高分子化合物因此而得名。 思考与交流 1.简述材料对人类社会发展的重要性。 2.通过查阅资料，在班上讨论交流纳米材料的用途。 14 / 14