身边的化学之三 我们离不开的能源

张梅

在现代社会，无论我们居住在哪里，都离不开能源——我们的工作生活、衣食住行，都与能源息息相关。而能源的开发和利用，都依赖于化学和化学工业所提供的基础知识和技术。

煤、石油、天然气，是我们人类目前最普遍使用的能源。

煤是由古生植物随着地壳运动，被埋入地下，经过数亿年高温、高压和细菌作用，逐渐演化形成的可燃性固体矿物。因此，煤的主要成分除了碳、氢、氧之外，还含有硫和氮。所以煤炭燃烧，除了会生成碳氧化合物之外，还会生成氮氧化物和硫氧化物，这些是大气污染的主要成分。因此，煤作为固体燃料的第一个缺陷就是对环境造成负面影响。

石油是另一种在全球广泛使用的化学能源。石油的成分与煤炭有所不同。石油是由远古大批冲至海底或湖泊中的动植物遗体，在地下经过漫长的复杂变化，而形成的棕黑色黏稠液态混合物。石油不仅可以燃烧，具有很高的燃烧热值，而且在很多领域用途广泛。我们可以通过化学的方法，实现以原油为原料，制造出各种不同用途的石油产品。例如，汽油、柴油、沥青、塑料、石蜡等等。

石油和煤炭一样，是传统的化石能源，储量非常有限。天然气被认为是一种替代能源，已经得到广泛应用。天然气是一种多组分混合气态化石燃料，主要成分是烷烃，其中甲烷占大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。它主要存在于油田、气田、煤层和页岩层。从化学的角度看，在天然气的组成中只含有碳和氢，它的燃烧热值高，生成的产物只有碳氧化物和水。因此，天然气和煤炭、石油相比是一种洁净能源。随着勘探、开发和储运技术的进步，有关专家认为，天然气将是21世纪的能源主角。

科学研究和开发总会打破人们的共识，为人类的发展指明新的方向。三大传统的化石能源虽然占据了世界能源消耗总量的80%以上，但是近年来，核能和其它可再生能源所占比重却在一直上升。

核能概念的提出，要感谢奥地利女科学家丽泽·迈特纳，她发现了中子作用下铀的裂变现象，为核裂变反应提供了理论基础，被誉为“原子弹之母”。目前，我们对核能的利用，就是建立在核裂变反应基础之上的。用中子去轰击较重的铀或者钚的原子核，使它分裂成较轻的原子核同时放出能量。以铀235裂变反应为例，铀235与中子结合，发生裂变后会生成钡和氪，产物也可能是碘和锆或者氙和锶，但无论哪个反应，都在裂变的同时生成更多中子。这些高能中子还会继续诱发核裂变，使这个反应继续发生，引起链式反应。因此，一旦核反应发生，如果不使用人为手段进行干预，反应就会变得不可控制。

核裂变反应会放出巨大的能量，1克铀235裂变释放的能量，大约是10的7次方千焦耳，相当于燃烧2.6吨标准煤、或者相当于30吨TNT爆炸释放的能量。核裂变反应释放的能量如此巨大，所以核能作为有效的替代能源，已经被很多国家使用。但是，在核裂变过程中核废料的处理和保存以及核电厂的运行安全需要被重视。

随着科学研究的不断进步，世界各国都在从事可控核聚变反应的研究。核聚变反应也会释放能量，甚至比裂变反应释放的能量更多，可以达到核裂变反应的4倍。同时，氢作为核聚变反应的反应原料，来源非常丰富。在宇宙中，99%以上的元素，都是氢和氦。2014年2月12日，自然杂志报道了一项研究结果，美国劳伦斯利佛摩尔国家实验室进行的一项实验中，研究人员使用激光，触发了核聚变反应，在全世界范围内首次实现了燃料输出能量大于输入能量，这是可控核聚变研究领域的一个巨大突破。

此外，科学家们正在积极开展有关太阳能等很多替代新能源的利用研究。我们期待，随着科学技术的不断进步，会有更多持续稳定环保的可再生能源能够被广泛使用。 （根据相关资料整理）

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