工具精神——物理化学的本质：能的利用

人类发明物理化学这样的学科，归根结底是为了研究能的利用。

自从原始人类发现使用火的方法后，能源就成为人类文明跃进的重要物质基础。钻木取火在人类利用能量的历史上非常重要。从利用自然火到利用人工火的转变，结束了远古人类茹毛饮血的时代，开启了以柴薪作为主要能源的时代，使用火和简单工具的同时，人类又陆续发现而一些物质的变化，如在翠绿色的孔雀石等铜矿石上面燃烧炭火，会有红色的铜生成。人类在利用能对自然改造的同时，制得了对人类生存具有实用价值的产品，如陶器、铜器、铁器、纸、火药、酒、染料等，化学这门学科液独立了出来。这些化学发现又反过来刺激人类对能的利用进行更加深入的研究。

人类以柴薪为主要能源的时代，持续了近一万年。蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑，人类从此逐步以机械动力代替人力和畜力，人类的主要能源由柴薪转向煤。我们今天使用的煤、石油、天然气，是千百万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，所以称为化石能源。像化石能源这样可以直接从自然界获得的能源我们称为一次能源。化石能源、风能、水能、太阳能、地热能以及核能等均属于一次能源。

电能不属于一次能源，它通常是由其他形式的能转化而来的，最终还要转化为光能、内能、动能等其他形式的能，才能为人类所用。那么为什么很多地方要使用电能，而不直接使用一次能源呢？这是因为电能便于输送和转化。现代社会离不开的各种电器，是将电能转化为其他各种形式能量的转化器，由于电能无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到，所以称电能这样的能源为二次能源。

已探明的数据表明，目前作为人类主要能源的化石能源并不丰富，而且化石能源开发利用后不能再生，如果长期大规模开采，不久的将来会消耗殆尽，随着对机械能认识的不断深入，风能和水能逐渐得到了较为广泛的应用，20世纪40年代，科学家发明了可控核反应堆，拉开了新能源利用的序幕。

一、传统燃料及其利用

（一）燃烧和灭火

1.燃烧的条件

通常情况下，可燃物与氧气发生的一种发光、放热的剧烈的氧化反应叫做燃烧，燃烧需要三个条件：一是可燃物；二是氧气（或空气）；三是达到燃烧所需的最低温度（也叫着火点）。

通常状况下一些物质的着火点℃：白磷40；红磷240；木材300；木炭350；无烟煤700.

灭火的本质就是破坏燃烧条件。

2.易燃易爆物的知识

可燃物在有限的空间内急剧地燃烧，就会在短时间内聚积大量的热，使气体的体积迅速膨胀而引起爆炸。例如，燃放鞭炮就是使火药在极小的空间燃烧而引起爆炸，家庭用的天然气、煤气或液化石油气如果泄漏，可燃性气体聚集在通风不良的厨房等有限空间里，遇到明火就会急剧燃烧，很有可能发生爆炸事故。

可燃性气体等在空气中达到一定含量时，遇到火源就会发生爆炸，这个含量范围就称为爆炸极限（体积分数）：氢气4%-74.2%；氨气5%-15%；一氧化碳12.5%-74.2%。

可燃物与氧气接触面积越大，燃烧越剧烈，加油站、油库、面粉加工厂、纺织厂和煤矿的矿井内，都标有严禁烟火字样，因为这些地方的空气中常混有可燃性气体或粉尘，遇到明火就有发生爆炸的危险。

（二）燃料的合理利用与开发

1.化学反应中的能量变化

实验证明，化学反应在生成新物质的同时，还伴随能量的变化。化学不仅研究物质的性质、组成、结构和变化，还研究物质变化过程中伴随的能量变化。能量的变化通常表现为热量的变化，有些反应是放出热量的，如氧化钙和水反应，镁与盐酸反应等；有些反应则是吸收热量的，如碳与二氧化碳的反应。

当今社会，人类需要的大部分热量是由化学反应产生的，最常见的就是生活燃料的使用，如利用化学反应产生的能量做饭、取暖等。此外，人类还利用燃烧等化学反应产生的能量发电、烧制陶瓷、冶炼金属和发射火箭等；利用爆炸产生的巨大能量开矿采煤、开山炸石、拆除危旧建筑等。所以，作为重要的能源，燃料对于人类社会是非常重要的。

2.化石燃料的利用

人们使用的燃料大多来自化石燃料，如煤、石油和天然气等。

（1）煤和石油

煤是复杂的混合物，主要含有碳元素，此外还含有氢元素和少量的氮、硫、氧等元素以及无机矿物质。将煤作为燃料，主要是利用碳元素与氧反应所放出的热量。

煤的综合利用，是将煤隔绝空气加强热，使煤分解成许多有用的物质，如焦炭、煤焦油、煤气等。煤气作为生活燃气，在一些城市被使用，它的主要成分为氢气、甲烷、一氧化碳和其他气体等。

从油井中开采出的石油叫做原油，是一种粘稠状的液体。石油中主要含有碳和氢两种元素。将石油加热炼制，利用石油中各成分的沸点不同，将它们分离，可得到不同的产品，使石油得到综合利用。比如溶剂油、汽油、航空煤油、煤油、柴油、润滑油、石蜡、沥青等。一些家庭用液化石油气作燃料，它是石油化工的一种产品。液化石油气是经过加压后压缩到钢瓶中的，瓶内压强是大气压强的7-8倍。

（2）天然气

有石油的地方，一般都有天然气存在。天然气主要含有碳和氢组成的气态碳氢化合物，其中最主要的是甲烷。在池沼的底部常含有甲烷，通常也称为沼气。科学家还发现海底埋藏大量可燃烧的冰——可燃冰，其中主要含有甲烷水合物。目前开采技术上还存在困难。

（3）合理利用与开发化石能源

氧气不充足时，燃料中的碳不能充分燃烧，产生黑烟，并产生一氧化碳等物质，使燃料燃烧的利用率降低，浪费资源，且污染空气。所以控制燃烧反应，使燃料充分燃烧，对于节约能源非常重要。使燃料充分燃烧通常考虑两点：一是燃烧时要有足够的空气；二是燃料与空气要有足够大的接触面。

减少汽车尾气的措施：改进发动机，使汽油燃烧充分；使用催化净化装置，使有害气体转化为无害物质；使用无铅汽油，禁止含铅物质排放；加大尾气检测力度，禁止未达环保标准的汽车上路；在汽油中加入适量乙醇作为燃料，可以适当节省石油资源。

二、新能源的利用

（一）核能

根据《工具精神——物质的构成》的学习，我们知道分子是由原子构成的，原子的中心是原子核，原子核周围有一定数目的电子在核外运动。原子核还有更精细的内部结构：原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，其电荷量跟电子电荷量相等，中子不带电。质子的质量大约是电子的1836倍，中子和质子质量几乎相同。质子和中子构成非常小的原子核，就像几颗豆粒挤在原子这个大广场的中央。

质子和中子依靠强大的核力紧密结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或结合是极其困难的。但是一旦质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核互相结合，就有可能释放出惊人的力量，这就是核能。

1.裂变

1934年至1938年，科学家曾先后用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生裂变，变成两个质量中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量。1kg的铀全部裂变，释放出的能量超过2000吨煤完全燃烧时释放的能量。用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变放出能量。这就好比用火柴点燃木材，木材才能燃烧。中子停止轰击，裂变也就停止了，那么怎样才能使裂变继续下去呢？事实上，用中子轰击铀235原子核，铀核分裂时释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他铀核……于是导致一系列铀核持续裂变并释放大量核能，这就是裂变的链式反应。原子弹爆发时发生的链式反应就是不加控制的。

核电站利用核能发电，核心设备是反应堆。核电站利用反应堆产生的内能，通过汽轮机做功，带动发电机发电。核反应堆中发生的链式反应是受到控制的。

2.聚变

如果将某些质量很小的原子核，例如氘核（由1个质子和1个中子构成）与氚核（由一个质子和两个中子构成），在超高温下结合成新的原子核——氦核，也会释放出巨大的核能，这就是聚变，有时把聚变称为热核反应。氢弹利用的就是聚变在瞬间释放的能量。目前人类还未能实现可控核聚变。

（二）太阳能

太阳距地球1.5亿千米，它的直径大约是地球的110倍，体积是地球的130倍，质量是地球的33万倍，核心温度高达1500万摄氏度。在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能，因此可以讲，太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，比原子弹爆炸的威力更大。

太阳核心释放的能量向外扩散，可以传送到太阳表面，太阳表面温度约为6000摄氏度，就像一个高温气体组成的海洋。大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射开去，太阳这个巨大的核能火炉已经燃烧了近50亿年，目前正值壮年，要再过50亿年才会燃尽自己的核燃料，那时他将膨胀为巨大的红色星体。

太阳向外辐射的能量中，只有约20亿分之一传递到地球。地球在50亿年中积累的太阳能是我们今天所用的大部分能量的源泉。以化石能源为例，煤石油天然气是地球给人类的最主要的一次能源。远古时期陆地和海洋中的植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物体的化学能，在它们死后，躯体埋在地下和海底腐烂，经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动，在高温高压下渐渐变成了石油和煤，在石油形成过程中还放出了天然气，今天我们开采化石燃料来获取能量，实际上是在开采上亿年前地球所接受的太阳能。

人类还设法直接利用太阳能，大致有两种方式，一种是用集热器把水等物质加热，另一种是用太阳能电池把太阳能转化为电能。

（三）氢能

氢气本身无毒，完全燃烧放出的热量约为同质量甲烷的两倍，约为同质量汽油的3倍，且燃烧后的产物是水，不污染空气。所以，它被认为是理想的清洁高能燃料。液态氢已应用于航天领域；作为化学电源，氢氧燃料电池已经被应用，如用作汽车的驱动电源。

除了电解水可以制取氢气，实验室里还常用锌和稀硫酸反应来制取氢气并产生硫酸锌。目前生活中大量使用氢能源还比较困难。由于氢气的制取成本高和贮存困难，暂时还未能广泛应用。

（四）其他新能源

三、能量流动的特点

能量的转化、转移，都是有方向性的，人们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的，有些能量可以利用，有些则不能。能量的利用是有条件的，我们所能利用的能源是有限的，所以要节约能源。