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1、化學(xué)與能源 作者：杜科材 摘要：能源和環(huán)境是當(dāng)今人類面臨的兩大問(wèn)題?；瘜W(xué)在能源的研究與利用中起著重要作用。無(wú)論是煤的充分燃燒和潔凈技術(shù)，還是清潔汽油的研制；無(wú)論是核能的控制利用，還是氫能源，太陽(yáng)能的使用；無(wú)論是新型綠色化學(xué)電池的研制，還是生物能源的開(kāi)發(fā)，都離不開(kāi)化學(xué)這一基礎(chǔ)學(xué)科的參與。目前，化石燃料是人類生產(chǎn).生活的主要能源。隨著全球能源使用量的增長(zhǎng)，及不科學(xué)使用，化石燃料等不可再生能源將日益枯竭，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這就迫切要求人們開(kāi)發(fā)氫能，核能，風(fēng)能，地?zé)崮?，太?yáng)能，和潮汐能等。 解決能源問(wèn)題必須運(yùn)用當(dāng)代化學(xué)新技術(shù)，新手段，新理論，新知識(shí)。因此我們很有必要談?wù)劵瘜W(xué)與能源的

2、關(guān)系。 關(guān)鍵詞：化學(xué)；能源；解決；難題 一 能源分類 1、按其形成和來(lái)源分類： （1）來(lái)自太陽(yáng)輻射的能量，如：太陽(yáng)能、煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、生物能等。 （2）來(lái)自地球內(nèi)部的能量，如：核能、地?zé)崮堋? （3）天體引力能，如：潮汐能。 2、按開(kāi)發(fā)利用狀況分類： （1）常規(guī)能源，如：煤、石油、天然氣、水能、生物能。 （2）新能源，如：核能、地?zé)?、海洋能、太?yáng)能、早期、風(fēng)能。 3、按屬性分類： （1）可再生能源，如：太陽(yáng)能、地?zé)?、水能、風(fēng)能、生物能、海洋能。 （2）非可再生能源，如：煤、石油、天然氣、核能。 4、按轉(zhuǎn)換傳遞過(guò)程分類： （1）一次能源，直接來(lái)自自然界

3、的能源。如：煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、核能、海洋能、生物能。 （2）二次能源，如：沼氣、汽油、柴油、焦炭、煤氣、蒸汽、火電、水電、核電、太陽(yáng)能發(fā)電、潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電等。 二 能源危機(jī)的表現(xiàn) 1能源危機(jī)迫在眉睫 世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化，得益于化石能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應(yīng)用。因而它是建筑在化石能源基礎(chǔ)之上的一種經(jīng)濟(jì)。 然而，由于這一經(jīng)濟(jì)的資源載體將在21世紀(jì)上半葉迅速地接近枯竭。 石油儲(chǔ)量的綜合估算，可支配的化石能源的極限，大約為1180~1510億噸，以1995年世界石油的年開(kāi)采量33.2億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在2050年左右宣告枯竭。 天然氣儲(chǔ)備估計(jì)在

4、131800~152900兆立方米。年開(kāi)采量維持在2300兆立方米，將在57~65年內(nèi)枯竭。 煤的儲(chǔ)量約為5600億噸。1995年煤炭開(kāi)采量為33億噸，可以供應(yīng)169年。 鈾的年開(kāi)采量目前為每年6萬(wàn)噸，根據(jù)1993年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到21世紀(jì)30年代中期。 核聚變到2050年還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的希望。 化石能源與原料鏈條的中斷，必將導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)和沖突的加劇，最終葬送現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。 事實(shí)上，近10年來(lái)，中東及海灣地區(qū)與非洲的戰(zhàn)爭(zhēng)都是由化石能源的重新配置與分配而引發(fā)。這種軍事沖突，今后還將更猛烈、更頻繁；在國(guó)內(nèi)，也可能出現(xiàn)由于能源基地工人下崗而引發(fā)的許多新的矛盾和沖突。 總之，能源危機(jī)遲早會(huì)

5、爆發(fā)；它的爆發(fā)將具有爆炸性。 2克服能源危機(jī)的出路 　　大力發(fā)展可再生能源 用可再生能源和原料全面取代生化資源，進(jìn)行一場(chǎng)新的工業(yè)革命，不僅是出于生存的原因；與之相連的是世界經(jīng)濟(jì)可獲得持續(xù)的發(fā)展。在這種世界經(jīng)濟(jì)中，高科技術(shù)和生態(tài)可以承載的區(qū)域性經(jīng)濟(jì)形式將得以發(fā)展。 可再生能源主要有如下方面： 以太陽(yáng)能的利用為主的可再生能源潛力極大，據(jù)天文物理學(xué)家的計(jì)算表明，太陽(yáng)系還能存在45億年，每年太陽(yáng)提供的能量是世界人口商品消費(fèi)量的1.5萬(wàn)倍。 光伏電力的應(yīng)用 如在德國(guó)每平方米每年的平均日照量為1100千瓦時(shí)。電力的總需求量約為5000千瓦時(shí)，光伏技術(shù)的年平均功率約為太陽(yáng)輻射量的10%。依*光伏設(shè)備生產(chǎn)

6、5000億千瓦時(shí)的電力，需要5000平方公里的光伏轉(zhuǎn)化模板面積。明智的做法是用相關(guān)設(shè)備安裝在建筑物的表面，在德國(guó)，這一做法意味著只需不到10%的建筑物頂部。 光熱利用 在中歐和北歐等缺少陽(yáng)光的地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)了一些完全依賴陽(yáng)光供暖的建筑物（應(yīng)用比較理想的熱與熱交換系統(tǒng)）。 生物質(zhì)燃料能源 目前全球農(nóng)用面積約為1000平方公里。約有4000萬(wàn)平方公里的土地為森林覆蓋，荒漠地區(qū)的面積約為4900萬(wàn)平方公里。光合作用的年產(chǎn)量（包括自然生長(zhǎng)的植物和糧食生產(chǎn)）目前大約是2200億噸干壞料，這大約相當(dāng)于每年80億噸生化資料所提供的能量，只需不到1200平方公里的可耕地和林地面積（不計(jì)沼氣的能力）。 氫能源

7、利用自然界大量存在的水，由電解水產(chǎn)生氫或由太陽(yáng)能光催化水分解氫。 小水電與潮汐發(fā)電 也可提供可觀的電力。 風(fēng)力發(fā)電 丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電大國(guó)，現(xiàn)有6300座風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提供13%的電力需求。 總之，可再生能源的利用潛力很大，完全可滿足人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的能源的需求。 三 化學(xué)與新能源 1新能源分類 新能源的各種形式都是直接或者間接地來(lái)自于太陽(yáng)或地球內(nèi)部伸出所產(chǎn)生的熱能。包括了太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、核聚變能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出?lái)的生物燃料和氫所產(chǎn)生的能量。也可以說(shuō)，新能源包括各種可再生能源和核能。相對(duì)于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，對(duì)于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的

8、環(huán)境污染問(wèn)題和資源（特別是化石能源）枯竭問(wèn)題具有重要意義。同時(shí)，由于很多新能源分布均勻，對(duì)于解決由能源引發(fā)的戰(zhàn)爭(zhēng)也有著重要意義。 新近才被人類開(kāi)發(fā)利用、有待于進(jìn)一步研究發(fā)展的能量資源稱為新能源，相對(duì)于常規(guī)能源而言，在不同的歷史時(shí)期和科技水平情況下，新能源有不同的內(nèi)容。當(dāng)今社會(huì)，新能源通常指核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋錃獾取? 按類別可分為：太陽(yáng)能 風(fēng)力發(fā)電 生物質(zhì)能 生物柴油 燃料乙醇 新能源汽車 燃料電池 氫能 垃圾發(fā)電 建筑節(jié)能 地?zé)崮?潮汐能 二甲醚 可燃冰等 2新能源概況 據(jù)估算，每年輻射到地球上的太陽(yáng)能為17.8億千瓦，其中可開(kāi)發(fā)利用500～1000億度。但因其分布很分散，目

9、前能利用的甚微。地?zé)崮苜Y源指陸地下5000米深度內(nèi)的巖石和水體的總含熱量。其中全球陸地部分3公里深度內(nèi)、150℃以上的高溫地?zé)崮苜Y源為140萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，目前一些國(guó)家已著手商業(yè)開(kāi)發(fā)利用。世界風(fēng)能的潛力約3500億千瓦，因風(fēng)力斷續(xù)分散，難以經(jīng)濟(jì)地利用，今后輸能儲(chǔ)能技術(shù)如有重大改進(jìn)，風(fēng)力利用將會(huì)增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水溫差能等，理論儲(chǔ)量十分可觀。限于技術(shù)水平，現(xiàn)尚處于小規(guī)模研究階段。當(dāng)前由于新能源的利用技術(shù)尚不成熟，故只占世界所需總能量的很小部分，今后有很大發(fā)展前途 3幾種重要新能源 （1）核能 　　核能是通過(guò)轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的方程E=mc^2;

10、，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速常量。核能的釋放主要有三種形式： A.核裂變能 　　所謂核裂變能是通過(guò)一些重原子核（如鈾-235、鈾-238、钚-239等）的裂變釋放出的能量 B.核聚變能 　　由兩個(gè)或兩個(gè)以上氫原子核（如氫的同位素—氘和氚）結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，同時(shí)發(fā)生質(zhì)量虧損釋放出巨大能量的反應(yīng)叫做核聚變反應(yīng)，其釋放出的能量稱為核聚變能。 C.核衰變 　　核衰變是一種自然的慢得多的裂變形式，因其能量釋放緩慢而難以加以利用 核能的利用存在的主要問(wèn)題： 　?。?）資源利用率低 　?。?）反應(yīng)后產(chǎn)生的核廢料成為危害生物圈的潛在因素，其最終處理技術(shù)尚未完全解決

11、　?。?）反應(yīng)堆的安全問(wèn)題尚需不斷監(jiān)控及改進(jìn) 　?。?）核不擴(kuò)散要求的約束，即核電站反應(yīng)堆中生成的钚-239受控制 　?。?）核電建設(shè)投資費(fèi)用仍然比常規(guī)能源發(fā)電高，投資風(fēng)險(xiǎn)較大 （2）海洋能 簡(jiǎn)單介紹 　　海洋能指蘊(yùn)藏于海水中的各種可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽度差能等。這些能源都具有可再生性和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)亟待開(kāi)發(fā)利用的具有戰(zhàn)略意義的新能源。 波浪發(fā)電 　　據(jù)科學(xué)家推算，地球上波浪蘊(yùn)藏的電能高達(dá)90萬(wàn)億度。目前，海上導(dǎo)航浮標(biāo)和燈塔已經(jīng)用上了波浪發(fā)電機(jī)發(fā)出的電來(lái)照明。大型波浪發(fā)電機(jī)組也已問(wèn)世。中國(guó)在也對(duì)波浪發(fā)電進(jìn)行研究和試驗(yàn)，并制成

12、了供航標(biāo)燈使用的發(fā)電裝置。將來(lái)的世界，每一個(gè)海洋里都會(huì)有屬于我們中國(guó)的波能發(fā)電廠。波能將會(huì)為中國(guó)的電業(yè)作出很大貢獻(xiàn)。 潮汐發(fā)電 　　據(jù)世界動(dòng)力會(huì)議估計(jì)，到2020年，全世界潮汐發(fā)電量將達(dá)到1000-3000億千瓦。世界上最大的潮汐發(fā)電站是法國(guó)北部英吉利海峽上的朗斯河口電站，發(fā)電能力24萬(wàn)千瓦，已經(jīng)工作了30多年。中國(guó)在浙江省建造了江廈潮汐電站，總?cè)萘窟_(dá)到3000千瓦。 （3）氫能 　　安全環(huán)保：氫氣分子量為2, 僅為空氣輕1/14, 因此，氫氣泄漏于空氣中會(huì)自動(dòng)逃離地面，不會(huì)形成聚集。而其他燃油燃?xì)饩鶗?huì)聚集地面而構(gòu)成易燃易爆危險(xiǎn)。無(wú)味無(wú)毒，不會(huì)造成人體中毒，燃燒產(chǎn)物僅為水，不污染環(huán)境

13、。 　　高溫高能：1kg氫氣的熱值為34000Kcal, 是汽油的三倍。氫氧焰溫度高達(dá)2800度，高于常規(guī)液氣。 　　熱能集中：氫氧焰火焰挺直，熱損失小，利用效率高。 　　自動(dòng)再生：氫能來(lái)源于水，燃燒后又還原成水。 　　催化特性： 氫氣是活性氣體催化劑，可以與空氣混合方式加入催化燃燒所有固體，液體、氣體燃料。加速反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)完全燃燒，達(dá)到提高焰溫、節(jié)能減排之功效。 　　還原特性：各種原料加氫精煉. 　　變溫特性：可根據(jù)加熱物體的熔點(diǎn)實(shí)現(xiàn)焰溫的調(diào)節(jié)。 　　來(lái)源廣泛：氫氣可由水電解制取，水取之不盡，而且每kg水可制備1860升氫氧燃?xì)狻? 　　即產(chǎn)即用：利用先進(jìn)的自

14、動(dòng)控制技術(shù)，由氫氧機(jī)按照用戶設(shè)定的按需供氣，不貯存氣體。 　　應(yīng)用范圍廣：適合于一切需要燃?xì)獾牡胤? 　　氫能的缺點(diǎn)：（1）制取成本高，需要大量的電力 　?。?）生產(chǎn)、存儲(chǔ)難：氫氣密度小，很難液化，高壓存儲(chǔ)不安全 四 總結(jié) 化學(xué)在能源的研究與利用中起著重要的作用。通過(guò)學(xué)習(xí)我了解到當(dāng)今社會(huì)正面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)，解決這一全人類所共同面對(duì)的難題刻不容緩。古人云：“天下興亡，匹夫有責(zé)。”身為當(dāng)代大學(xué)生的我們豈能置身事外呢？我們要用豐富的化學(xué)知識(shí)武裝自己，用執(zhí)著的信念督促自己，用科學(xué)巨匠的精神激勵(lì)自己，用充滿熱情的青春燃燒自己，在化學(xué)的海洋里汲取精神的養(yǎng)料，在科學(xué)的道路上勇敢向前，為這一問(wèn)題的解決奉獻(xiàn)出自己的力量。 從小到大我都非常喜歡化學(xué)，我認(rèn)為化學(xué)與實(shí)際生活聯(lián)系很緊密，非常實(shí)用，而且非常神奇，充滿了魅力。因此我的化學(xué)成績(jī)一直都非常好。雖然大學(xué)化學(xué)這么快就結(jié)課了，但我在以后的日子里還會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)，不斷提高自己的化學(xué)水平，為能源問(wèn)題等其他問(wèn)題的解決而努力。