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化学与能源一．摘要：本文简单介绍了化学在能源方面的一些应用，以化学与能源的历史发展关系为线索，阐述了从人类诞生开始一直到当代的人类对化学与能源问题的解决。主要顺序是，远古人类使用火，我国古代炼金术，近代国外化学理论的建立，化学反应与能源的关系，传统石化能源的消耗产生的生态问题以及一些解决办法，当代人类对新能源的探索。二．引言：能源问题是当今世界三大难题之一，能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。随着经济和社会的发展，能源需求量在扩增，能源存储量却在逐步下降，如何从根本上解决能源问题，这不仅需要我们关注能源的使用效率，更需要我们回归本初，从能源的制取着手，探寻最高效，最清洁，最廉价的新能源。人类工业文明出现不过几百年，煤炭、石油等化石能源就日渐枯竭，加上气候变暖和环境污染等，已严重威胁人们的生存。与之相比，大自然用其神奇的能量循环和分配系统，使整个生物圈几十亿年相安无事。无论从哪一方面讲，自然的方式都比人工的来得高明。我们对能源的探索的同时也应该对能源的发展历史进行了解，纵向了解能源发展的历史脉络，找到能源问题的本质，横向对不同时期的能源进行对比，找到更加优质的能源。为世界能源问题的解决贡献一份力量。三．正文：（一）化学与能源的历史渊源从人类诞生开始，就有了对能源的探索。古时候，原始人类为了生存，在与自然界的种种灾难进行抗争中，发现和利用了火，让人类可以吃到熟的食物，对抗野兽，使得人类的生存能力得到了非常大的提升。而且，因为火的产生，也给人类的文明增添了一丝温度，人类开始对燃烧反应进行研究，同时也就开始了用化学方法认识和改造天然物质。继而人类又陆续发现了一些物质的变化，如发现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。这样，人类在逐步了解和利用这些物质的变化的过程中，制得了对人类具有使用价值的产品。人类逐步学会了制陶、冶炼；以后又懂得了酿造、染色等等。这些有天然物质加工改造而成的制品，成为古代文明的标志。在这些生产实践的基础上，萌发了古代化学知识。再后来，古代中国出现了炼丹术，将古代化学推向了一个高潮，大致在公元7世纪，炼丹术传到阿拉伯国家，与古希腊哲学相融合而形成阿拉伯炼丹术，阿拉伯炼丹术于中世纪传入欧洲，形成欧洲炼金术，后逐步演进为近代的化学。16世纪开始，欧洲工业生产蓬勃兴起，推动了医药化学和冶金化学的创立和发展，使炼金术转向生活和实际应用，继而更加注意物质化学变化本身的研究。1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期，使化学沿着正确的轨道发展。19世纪初，英国化学家道尔顿提出近代原子学说，突出地强调了各种元素的原子的质量为其最基本的特征，其中量的概念的引入，是与古代原子论的一个主要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合理的解释，成为说明化学现象的统一理论。接着意大利科学家阿伏加德罗提出分子概念。自从用原子-分子论来研究化学，化学才真正被确立为一门科学。由此可见，化学一开始的产生就是跟能量、能源有着不可磨灭的千丝万缕的联系了。现在通过我们学习的化学知识我们知道了，即使是现代清洁能源——电能，它的产生也和燃烧反应有着形影不离的关系，我国主要依靠的还是火力发电，通过煤和焦炭的燃烧，产生高温，对水进行加热，产生高温水蒸气，带动发电机的涡轮旋转，从而产生了电能，点亮了万家灯火。因此，燃烧可以说是化学中的一个非常重要的反应，但是实际当中的化学能和电能、热能之间的转化并没有上述的那么简单，我们不仅要知道燃烧可以产生能量，更要研究如何提高不同形态能量之间的转化效率，还有硬件设施的维护和保养，一系列问题亟待解决，这些都和化学密不可分。另外，说道火力发电，就不得不谈及一个非常沉重的问题——环境污染。通过燃烧获得的能源必然是不清洁的。煤炭燃烧能引起诸多问题，有着多方面的副作用，污染物通过大气，土壤，水流的接触进入生态系统，引起环境问题。煤炭燃烧带来的危害主要有四种：1.温室效应，主要由二氧化碳引起，在所有相同质量的传统燃料（煤，石油，天然气）中煤产生的二氧化碳最多，煤中又以褐煤最盛。同时要注意N2O也是温室气体，由煤燃烧时的氮元素产生，单位体积的危害量是CO2的270倍，由于含量少，被忽视。2.酸雨，由煤中含有的硫和氮杂质，燃烧生成氧化物，溶于水生成酸雨。3.富营养化，由氮的杂质生成的氧化物，在自然界中聚集。4.粉尘。粉尘在空气流动条件差的情况下容易集聚，从而引起雾霾。这些问题不仅给电厂设备、工人健康带来危害，甚至会对整个地球的环境带来诸多不利的影响。例如酸雨问题，目前化学上就采用脱硫的技术，生产相对洁净的煤炭以供燃烧：将煤中的硫元素用钙基等方法固定成为固体防止燃烧时生成SO2。通过对国内外脱硫技术以及国内电力行业引进脱硫工艺试点厂情况的分析研究，目前脱硫方法一般可划分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫等3类。双碱法脱硫方程式如下：2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O；Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3；Ca(OH)2+Na2SO3→2NaOH+CaSO3；4NaHSO3+2Ca(OH)2→2Na2SO3+2CaSO3•H2O+H2O；2Na2SO3+O2+2Ca(OH)2+4H2O→4NaOH+2CaSO4•2H2O。因为传统能源的获得基本上都是通过这样的燃烧反应，并且燃烧的物质并不是非常纯正，因此，在燃烧过程中有着许多的副产品，导致了许多污染物产生，传统能源都有着这种问题。所以，在这个时代，我们将眼光移向了开发新能源。化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用。在能源和资源方面，未来化学要研究高效洁净的转化技术和控制低品位燃料的化学反应；新能源如太阳能以及高效洁净的化学电源与燃料电池等都将成为21世纪的重要能源，这些研究大多都需要从化学基本问题作起，否则，很难取得突破。以燃料电池为例，由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。四．小结：化学在我们生活中很多重要方面起着举足轻重的作用。化学的发展往往代表着人类科技和社会的整体发展。化学与能源只是其中的冰山一角。我们应该了解化学知识，在以后的生活当中，应该多积累化学知识，不说能够用来解决问题，但是至少能了解其中的真相，事务发展的本质。