能量的守恒和转化.doc

1化学与城市煤气化 近十几年来，生活燃料煤气化，已在我国许多城市逐渐推广，“煤气”已走进我们的生活。从化学角度观察“煤气”，也是很有趣的事。“煤气”一词源于英国，早在上世纪初（1806年）就用煤制造出可燃性气体用于工业和生活。以后又出现了多种气体燃料，也多与煤有关，所以将这些燃气统称煤气。这里所说的煤气则泛指所有气体燃料。煤气因来源不同，有不同的名称，有取之于大自然的天然气，也有另一类“人工煤气”：把煤干馏而得到的气体叫焦炉煤气；把煤（或焦炭）在不完全条件下燃烧可得到发生炉煤气；若高温的炭与水蒸气作用，能得到水煤气；炼铁高炉排出的气体中还有相当多的可燃成分，叫高炉煤气；若是加工石油产品，可得液化石油气；若把某些有机废料密闭发酵，制得的沼气也能为我们生活服务。一般说来，煤气多是混合物。各种煤气所含可燃成分的种类、比例不同，它们的发热效率也不一样。例如天然气和沼气主要含甲烷，发生炉煤气和高炉煤气主要是一氧化碳，液化石油气含丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等可燃物，焦炉煤气则富含氢气、甲烷，还有一氧化碳及少量乙烯。人工煤气是化学加工的产物。人们把液态或固态物质用化学方法处理，把得到的气体燃料用于生活和工业生产，既方便又清洁，大大改善了劳动条件和居住环境的质量（使用管道煤气的用户更能深深体会到这一点）。但是，人们对燃料的改造不仅仅是为了方便和清洁。以焦炉煤气为例，若把煤当作燃料直接烧掉，那就不只是不方便、不清洁的问题，更重要的是浪费了宝贵的自然资源，因为煤里面还含有许多复杂的有机物。把煤干馏之后，可以得到优质固体燃料焦炭，又可得到重要的化工原料煤焦油，还可得到含有氮元素的氨水，另外还有富含可燃成分的焦炉煤气。我们用焦炉煤气顶替煤作为生活燃料，把焦炭、煤焦油和粗氨水又派上其他重要用途。经过这一化学加工，煤的利用价值比烧煤增大了许多倍，而居民的生活耗煤量反而大大下降（一个每年生活耗煤50万吨的城市，用上焦炉煤气的以后，年耗煤量剧减到8万吨），并且因此淘汰了大型煤加工厂和居民生活煤堆，美化了市容，飘尘也大大减少了，酸雨危害也随之消失了。所有这些，都是煤气化的结果。化学，为人类做出了巨大贡献。2. 化学与能源化学是一门使人类生活更加美好的基础自然科学。化学研究在解决能源等问题方面，起着关键的作用。化学提供给人类合理利用能源的方法。能源是人类生存的必要元素，人类生产、生活一刻也离不开能源。人类的历史可以说就是从利用火开始的，人类早期开发使用的能源，如石油、煤、天然气等已日趋减少，如何合理地使用这些能源、需要化学家的帮助。如何得到新型能源，如核能、风能、太阳能等，关键是通过化学制备得到所需材料；化学电源（电池）则更离不开化学。化学电池化学电源是一种直接把化学能转变为电能的装置，俗称电池。无论是一次性电池，还是蓄电池，或是发展中的新型电池（包括燃料电池），其形式不管怎样变化，实质始终是氧化还原反应中电子的得失。化学燃料人类使用的化学燃料主要是石油、煤、天然气，利用它们燃烧时产生的热量作为能源。出于对环境的保护，以及煤和石油等燃料终将用竭这一问题，人们开始利用化学反应等方法开发新型的清洁能源，如天然气、氢气、乙醇等。太阳能太阳能是取之不尽的无污染的能源。自然界最重要的利用太阳能的方法是光合作用。人类使用太阳能的突出途径是利用太阳光直接发电。当前硅太阳能电池（转换效率1521）已用做卫星的电池和地面电站并入电网供电，更高转换效率的砷化镓太阳能电池（转化效率2125）也已在“风云一号”卫星上使用。化学家为更廉价、更广泛的利用太阳能，用电化学装置构成光化学电池。在光电池中，一个或两个电极都是用能吸收光的半导体材料制成，吸收光子后在电极电解质界面上产生氧化还原反应，外电路中就有电流通过。氢能氢能被世界公认为未来代替矿物燃料的最理想能源。因为氢气具有燃料效率高、发热高，燃烧产物无污染，而资源又丰富三大主要优点。制氢的方法可谓五花八门。常规的制氢方法主要以天然气、石油、煤为原料，在高温下使之与水蒸气反应而制得。当然，也可采用电解水的方法制取。这些方法或从经济上，或从资源上来看，是不可取的。发展中的新型制氢技术，将主要从以下几方面来考虑：首先可用硫化氢制取。世界上有不少高纯度硫化氢矿和许多化工过程要求脱硫（多以硫化氢形态存在），在催化剂作用下，可以在回收硫黄的同时获得氢气。其次，可以用低电耗电解水方法制氢，新型的用加煤粉电化学催化氧化法电解水制氢，和常规的电解水制氢相比，可降低电压和电耗一半以上。再次，还可用光化学的方法制氢。利用太阳能中光子的能量使水分子分解而获得氢气。第四，人们采用等离子化学制取氢。水以蒸气形态在反应器中通过高频放电，使水分子外层失去电子而处于电离状态，与经电场加速的离子相互作用，进而分解为氢和氧。这种制氢法设备容积小，产氢率高，能量转换率高达80。第五，利用太阳能和原子能制氢：利用聚焦太阳能得到的高温或核反应堆的热能来分解水制氢。另外，用生物化学的方法也能制氢。现已知道，几乎所有光合细菌，50以上的藻类植物在一定条件下都可放出氢气。如蓝绿藻既能光合固氮，又能光合放氢，即在光合作用同时，释放出分子状态的氢气。光合放氢作用又可分为两个类型，一是由氢化酶催化的放氢作用；一是由固氮酶催化的放氢作用，前者更为普遍，许多光合细菌可以利用现成有机物作为产氢原料，因此，可利用工业废水作为光合细菌光合放氢的原料，同时还可以消除环境污染。或许，在不远的将来，人们可以通过遗传工程技术，培育出新型的，具有很高光合放氢效率的细菌或藻类植物，从而实现从水和太阳能中源源不断获得廉价的无污染的能源氢气的梦想。核能“两颗原子弹摧毁了两座日本城市”，这是人们对第二次世界大战末期，美国向日本广岛和长崎投下原子弹后留下的深刻记忆。可见核能的强大威力，应该说是空前的。核能即原子核内部结构发生变化（核反应），所释放出的蕴藏在原子核内的巨大能量，它比化学能强大得多。不过核爆炸不应作为凶残的战争武器，而应作为一种能源造福人类。核能作业一种能源，从环境保护的角度