能量的守恒和转化

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1、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

2、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

3、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，

4、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。-3-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。⑴化学电池化学电源是一种直接

5、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。⑵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。⑶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15℅—21℅）已用做卫星的电池和地面电站并入

6、电网供电，更高转换效率的砷化镓太阳能电池（转化效率21℅—25℅）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。⑷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

7、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

8、氢法设备容