化学与生活 节选

bsp;前言
    当今社会科学技术飞速发展，科技进步正在深刻地改变人们的生活。无论是科技发
展、社会进步，还是人们的日常生活，无时无处不与化学有着密切联系。生命、环境、能
源和材料成为当今与化学密切相关的四大科技和社会领域。
    生命和化学是紧密相连的，生命的过程充满各种各样的化学反应。若没有化学变化，
地球上就不会有生命，更不会有人类本身。教材在**章“化学与生命”中从生命的化学
基础、细胞、遗传与基因等四个方面介绍了化学与生命的关系，让学生了解生命、关注营
养与健康、热爱生命。
    在世界人口日益增长、生产不断发展、人类生活水平不断提高的过程中，环境保护已
成为当前和未来一项全球性的重大课题。保护和改善生产与生态环境，防治环境污染和其
他公害是我国的一项重要国策。化学与环境有着密切联系，在大多数情况下，环境污染主
要是由化学污染造成的。在第二章“化学与环境”中，比较全面地介绍了环境污染的主要
方面：大气污染、水污染、固体废弃物污染、食品污染、重金属污染、农药污染、室内污
染等，并介绍了上述污染防治的重要措施。使学生了解环境和社会发展的关系，并认识到
环境污染的严重性，环境保护和环境改造的迫切性和可能性，进一步增强学生的环保
意识。
    能源是维持人类生存和发展的物质条件，发展工业、农业、国防、科学技术以及提高
人民生活水平都需要有充足的能源。面对新技术革命的挑战，常规能源已无法满足需要，
人类面临的迫切问题是一方面要想方设法提高常规能源的使用效率，另一方面要积极探索
和开发新型能源。在开发新能源的过程中，化学学科发挥了巨大的优势。教材在第三章
“化学与能源”中介绍了太阳能、核能、氢能、生物质能等几种新型能源的基本知识及其
发展情况，并且在化学电源中介绍了几种新型化学电池的构造、工作原理及主要用途。
    材料是人类社会进步的重要标志，新材料的发明和利用与技术进步的关系非常密切。
如果没有半导体材料的工业化生产就不可能有目前的计算机技术；没有现代化的高温、高
强度结构材料就没有今天的航天工业；没有低损耗的光导纤维就没有当前正在快速发展的
光通信……这些说明新材料是新兴技术的基础，是高新技术的突破口。教材在第四章“化
学与材料”中重点介绍了金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料的基本
知识，并对新型材料的主要类别进行了简要介绍。
    20世纪化学工业的发展对人类寿命的延长、食品的供给、生活质量的提高发挥了关
键的作用，同时许多化学品的生产和使用也对生态环境造成严重的破坏。面对日益恶化的
生存环境，传统的先污染后治理的方案往往难以奏效，因为不仅浪费大量的资源和能源，
而且在解决这一问题的同时又带来新的问题。20世纪90年代后期绿色化学的兴起，为人
类解决化学工业对环境污染问题、实现经济和社会可持续发展提供了有效手段。教材在第
 五章介绍了“绿色化学”，其核心是利用化学原理从源头上减少或消除化学工业对环境的
污染，实现清洁生产，充分利用参与反应的原料原子来实现“零排放”，以获得*佳原子
经济性，因而它对解决能源危机及环境污染起着关键作用。
    我国目前的教育体系中高(中)等职业学校非化工专业的学生就不再开设化学课程，
但仅依靠中学、职业高中或普通高中所学的化学知识，难以满足全面提高学生综合素质的
要求，所以我们积极倡导在高(中)等职业学校开设与社会、生活紧密相关的化学课程作
为公共选修课，旨在普及化学与生命、环境、能源和材料等方面关系的知识，提高学生的
综合素质，培养能够贯彻国家在能源、环境和可持续发展等方面的国策的后备军，为国家
经济建设服务。
    本书由何晓春主编，严进、刘瑞霞副主编，张正兢主审。**章由邱鑫、何晓春、刘
瑞霞编写，第二、三章由何晓春、严进编写，第四章由马群峰、何晓春、刘瑞霞编写，第
五章由陈海峰、邱鑫编写。全书由何晓春统稿。
    由于水平有限，加之时间仓促，难免有疏漏、不妥之处，恳请读者予以批评指正。
    编者
    2007年11月

 第三章化学与能源
    能源是国民经济发展的基本保证，是提高人民生活水平的必要条件。能源已成为当今
四大文明支柱之一，能源开发利用问题也成了当今世界*关心的问题之一。本章主要围绕
能源开发利用的基本发展趋势，从化学的角度介绍常规能源、新能源以及新能源利用
技术。
    **节  概    述
    有史以来，主要能源已经历了从柴草到煤炭到石油的变迁，历史应该肯定：石油和天
然气的使用，创造了人类历史上空前灿烂的物质文明。从现在起，主要能源将逐步向多样
性能源体系过渡，将来代替石油作为主要能源的不是单一能源，而是以太阳能、核能为主
体的多样性能源体系。主要能源的开发利用及其历史演变，都离不开化学及其他相关的科
学技术。
    一、能量是物质运动的基础
    在永恒而无限的时空中，小到基本粒子，大到宇宙天体，都在进行着永无休止的物质
运动。其所以如此，就是因为能量在起作用。换句话说，能量就是物质之所以运动和变化
的原因。
    在自然界中处处充满能源，能量无所不在，而它的表现形式又是多种多样的。以汽车
为例，轮子转动，这是位置变化的运动，是机械能；汽车鸣喇叭，这是声波在空气中的振
动和传播，是声能在起作用；打开车灯照路，这是光能在起作用；鸣喇叭和开车灯都要用
电，这是电能在起作用；汽车发动机内的汽油燃烧，这是化学能在起作用。此外还有原子
核能、引力势能、生物质能等。正是由于在这个世界上处处充满着能量，而且这些能量还
可以相互转化，所以才使我们这个世界绚丽多彩，充满了生机和活力。
    二、能源的定义和分类
    能源是指一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式。能源是人类生存和
发展的重要物质基础，是人类从事各种经济活动的原动力，也是人类社会经济发展水平的
重要标志。
    能源种类很多，但按照它们的来源，大体上可分为三大类。**类是从地球以外的天
体来的能量，其中*重要的是太阳辐射能，简称太阳能。第二类是地球本身蕴藏的能量，
如海洋和陆地中储有的各种燃料及地球内部的热能。第三类是由于地球在其他天体的影响
下产生的能量如潮汐能。这三类能源统称为一级能源；而人类依靠一级能源来制造加工出
许多适合于生产活动所需的能量形式如电能等，则统称为二级能源。对于一级能源和二级
能源，依据它们的形成方式、使用性质、可否再生及使用成熟程度又可将能源作如下
 分类。
    ①按能源的形成方式可划分为一次能源和二次能源。一次能源是自然界中存在的
直接使用的能源(如煤炭、石油、天然气、太阳能等)。二次能源则是指经加工转化成
能源(如电、煤气、蒸汽等)。
    ②按能源的使用性质可分为含能体能源和过程性能源。含能体能源是指能够提供
量的物质能源(如煤炭、石油等)，其特点是可以保存且可储存运输。而过程性能源是
提供能量的物质运动形式(如太阳能、电能等)，它不能保存，难以储存运输。
    ③按可否再生又可将能源分为再生能源和不可再生能源。再生能源是指不随人类
使用而减少的能源(如太阳能)。不可再生能源则是随着人类使用而逐渐减少的能源(
化石能源)。
    ④按现阶段使用的成熟程度又可将能源划分为常规能源和新能源。前者是指人类
长期使用，且在技术上也比较成熟的能源。而后者是指虽已开发并少量使用，但技术上
未成熟而未被普遍使用、却具有潜在应用价值的能源。
    三、化学与能源的关系
    20世纪是化学工业蓬勃发展的世纪，也是人们逐步认识其对人类健康、社会安全、
生态环境也有危害性的世纪。
    化学工业对能源的发展起到了举足轻重的作用。由于廉价的石油、天然气大量供应，
导致石化工业的蓬勃发展，许多石油化工产品开发成功。
    研究常规能源的开发和发展离不开化学。煤的氧化、加氢，石油的裂解，都是通过化
学反应才实现的。开发新能源更是要通过化学手段来实现。人类利用太阳能蓄热、热发
电。光伏发电及光化学发电。太阳能光伏发电是利用光电效应将太阳光辐射能直接转化为
电能；而太阳能光化学发电则是利用太阳光辐射化学电池的电极材料，以发生电化学氧化
还原反应来获得电能。核能是原子核发生变化时所释放出来的能量。从重核原子的裂变或
轻核原子的聚变均可获得巨大的能量。氢能以其质量轻、热值高、无污染等优点而被广泛
应用于现代高科技，但自然界中极少单质氢，需要通过化学的方法分解水制氢。因此，能
源的开发、利用和发展与化学的关系是非常密切的。
    四、能源的变迁
    1．柴草的开发利用
    柴草是指杂草和树枝，它是一种生物质燃料。在远古时代，能把柴草作为燃料使用是
一种创举，它的利用起源于远古时代“钻木取火”的发明。
    从原始社会到18世纪产业革命以前，人类一直以柴草为燃料，依靠人力、畜力，并
利用一些简单的水力与风力机械作为动力，从事生产活动，生产和生活水平都很低。这就
是人类能源史上经历的柴草时期。
    2．煤炭的开发利用
    煤作为固体燃料被大规模开发利用，是由于18世纪中叶蒸汽机的发明。19世纪末，
煤炭用于发电，电力应用于生产和生活的各个方面，电动机代替了蒸汽机，电灯代替了油
灯和蜡烛。从19世纪70年代到20世纪初，煤炭在能源构成中的比例从24％上升到
95％，从而取代柴草坐上了主要能源的宝座，开始了人类能源史上的煤炭时期。
    这就是能源结构**次变革，它使不可再生的初级能源——煤炭，成为工业的主要
能源。
    3．石油的开发利用
    石油主要是沉淀在一起的低等动植物等，经过复杂的化学和生物化学作用转化而成的
液体有机物。它是碳氢化合物的复杂混合物，其主要组成化学元素为碳(C)、氢(H)、
氧(O)、硫(s)、氮(N)等，其中碳的含量一般达到80％～88％，氢的含量为10％～
14％。石油是一种重要的液体燃料和化工原料。
    人类利用石油的历史可以追溯到很久以前的古代社会。中国有文字记载的可追溯到公
元前1000年左右的西周时代，国外有文字记载的可追溯到公元前一千几百年的古巴比伦
时代。不过那时都只能是对显露在地表的石油资源的零星的应用。真正大规模的利用石油
资源还是从19世纪开始的，20世纪初，内燃机的发明促使石油被大规模开发利用。同时
工业革命诱发了社会对石油的迫切需求，也奠定了大规模开发利用石油资源所必需的技术
和物质基础。一个多世纪的发展，已使石油工业成为在世界经济中有举足轻重作用的工业
部门，全世界每年在石油工业上的投资和利润都达到了飞速的发展。
    从20世纪70年代起，石油消费量占能源总消费量的50％，从而取代了煤炭成为主
要能源，开始了人类能源史上的石油(包括天然气)时期。这就是能源结构史上第二次
变革。
    4．新能源的开发利用
    自1973年开始，国际上接连出现两次石油危机。石油输出国和输入国都越来越清醒
地认识到，石油是一种蕴藏量极其有限的宝贵能源，必须一方面设法提高其利用率，千方
百计节省能源；另一方面也必须考虑寻求新的替代能源。这样，在其他相关高技术群体的
支持下，开始了新能源开发利用的新时期，这就是能源结构的第三次变革。实践结果表
明，以太阳能、核能、氢能等为代表的新能源将成为未来的能源主体。应该说，第三次变
革具有划时代意义。因为人类找到了新的“火种”，而且人类看到了*终获得取之不尽能
源的希望之光。
    (1)太阳能的开发利用
    太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。太阳向宇宙空间发射的辐射功率
位3．8×1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳
能，30％被大气层反射，23％被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10
kW，能量相当巨大。
    在近三百多年中，人们逐渐把太阳能作为一种能源使用。例如，1615年发明了太阳
能抽水泵，1866年研制了太阳能发动机，1878年推出了以太阳能为动力的印刷机。在20
世纪*初的10年中，美国建造了一系列太阳能发电机。