化学能源-人类动力的源泉

艾克

人类社会的进步伴随着火的利用开始一步步走向文明，火的利用是人类最早对化学能源的自主利用。虽然人类早已能利用许多物理能源，如水力等，并能将物理能源转化为其他能源，但是直接对化学能源的利用在很多地方是物理能源所不能及的。如火箭发射就必需使用像氢气这样的化学能源。大量氢气燃烧，瞬间产生大量的高压气体是鞭策火箭升空的动力，如图18-1为火箭的发射升空。







图18-1　火箭的发射升空
化学能源主要有植物燃料和煤、石油、天然气等化石燃料，此外还有沼气和氢气等燃料。
（一）植物燃料
植物燃料就是树木、杂草等植物体燃料。植物燃料是在人类学会用火后就一直被广为利用的燃料。植物体内含有大量还原性的碳和氢，这些碳和氢能够与氧气反应放出大量的热，这是植物体能够作为燃料的原因，也因此植物体燃烧后主要生成二氧化碳和水。植物燃料的优点是可以再生，但燃烧起来发热量较小，还会产生黑烟（主要成分是炭黑）。在通风好的情况下，植物燃料燃烧时也可以基本无烟。人们还可以将植物燃料制成炭，木炭发热量大且没有黑烟。







（二）煤、石油、天然气
煤、石油、天然气因为是从地下开采出来的，是远古时代生物残体在地下经过一系列复杂变化形成的，所以被称为化石燃料，它们都是混合物。化石燃料的成分主要是还原性的碳和氢，其中的碳原子和氢原子有与乙醇分子中的碳原子和氢原子相似的连接方式，因此化石燃料的主要成分是有机物，燃烧后都有二氧化碳和水生成。化石燃料是难以再生的。煤是黑色固体（见图18-2）。石油是黏稠的液体，一般为黑褐色。天然气是无色气体。煤的可燃部分不是纯粹由碳元素组成的单质，其中还有少量氢、氮、硫、氧等元素，只是在煤的可燃部分含碳量极高。







图18-2　煤
人们可以将煤转化为煤气（主要成分是CO）等气体燃料。有些煤含有较多的硫，这样的煤燃烧时，会产生二氧化硫气体。二氧化硫不仅对动植物有直接危害，还会在水的作用下，腐蚀金属、大理石、水泥等制品。因此，用这样的煤作燃料时，应先作脱硫处理。石油含有很多沸点不同的成分，将它们分离可以得到多种燃料和一些重要化工原料，从而提高石油的利用价值。例如，从石油可以分离得到汽车需要的汽油、飞机用的航空煤油。







液化石油气是从石油中分离出的一种容易液化的气体燃料，主要成分是丁烷（C4H10）。打火机里用的气体燃料的主要成分也是丁烷。大量液化石油气主要用作民用燃料。从石油分离出来的一些成分通过化学变化可以生成乙烯（C2H4），乙烯是生产各种塑料和其他很多有机化工产品的基本原料。乙烯的产量是衡量一个国家石油化工生产水平的重要标识表记标帜。天然气是很好的气体燃料，其主要成分是甲烷（CH4）。甲烷无色无味，密度比空气小，极难溶于水，是最简单的有机物。甲烷燃烧时发出淡蓝色火焰，在有煤层的地方常伴生有较多的天然气。