从燧人氏的贡献说起

1. 从燧人氏的贡献说起

星星之火点燃文明火炬

人类生活在大自然里，与自然界息息相关。在运动、变化的自然界中，有许多现象属于化学现象。在繁多的化学现象中，物质燃烧所发出的火是最引人注目的现象。最早时，人类从火山爆发、雷电轰鸣中取得火种。有了火，使人类在严寒中得到温暖，在黑暗里有了光明；被火烧烤过的兽肉好吃也易于消化，一些本来难以食用的植物烧熟了也可以充饥，可口的烧烤熟食帮助人类提高了营养，减少了疾病的发生；熊熊的大火可以驱赶猛兽，起到保护人类安全的作用。火的利用对人类的进步具有极其巨大和深远的意义。可以说，人类的文明始于火的使用。

但是人类初时还只是火的看管者而不是造火者。后来逐步学会了钻木取火（图4-1），才真正成为火的驾驭者。人类最早的取火方法现在已经难以考证，一般认为它大约出现在旧石器时代的晚期。在欧洲的一些遗址中曾发现可以碰击发火的黄铁矿石和可以用于引火的干菌化石，这些东西都可能与人工取火有关。在我国的典籍中，关于摩擦取火的记载颇多，燧人氏钻木取火则是我国古代流传已久的传说。取火方法的发明宣布了茹毛饮血时代的结束，是人类历史上一件划时代的大事。恩格斯曾指出：“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开。”^[1]学会用火是人类最早也是最伟大的化学实践。它是人类第一次开发除自身的体力即生物能以外的一种强大的自然能源，获得了改造自然的有利手段。在原子能出现之前，含碳物质的燃烧一直是人们获取能量的基本途径，是人为地使各种天然物质发生化学变化，制备新材料等以满足人类生活需要的有效办法。

图4-1　原始的钻木取火法

经过漫长的年代，人类开始利用自然动力资源，即用畜力、风力、水力来代替和帮助人力劳动。随着人类对能源需求量的增长和自然动力资源的局限，迫使人类寻找更多的动力资源，于是化石燃料（煤、石油、天然气）陆续登上能源的舞台，继而发明了蒸汽机，导致了第一次工业革命。随后，电能的广泛应用为推动资本主义生产的发展提供了重要的物质基础，成了第二次工业革命的先导。20世纪30年代末期，人类发明了原子能这一新能源。它正在急起直追，有可能逐步取代化石燃料，成为能源舞台的“主角”，从而揭开人类利用能源历史上新的一页。

能源库中数“家珍”

能源就是能够提供能量的物质。大自然赋予人类的能源多种多样，为了解这些能源的特点及相互关系，依照各种能源的形成和来源，通常将其分为三类：

第一类是来自地球以外的太阳能。除了直接的太阳辐射能之外，化石资源（煤、石油、天然气等）、生物质能、水能、风能、海洋能等皆间接来自太阳能，即由太阳能转换而形成的能源。

第二类是地球本身蕴藏的能量。主要是储藏于地球内部的地热能（火山的喷发、温泉等就是地热能散发的具体表现）、地球上的铀、钍等核裂变能和氘、氚、锂等核聚变能。

第三类是地球和月球、太阳等天体之间有规律的运动所形成的能，如海水涨落形成的潮汐能。

能源工作者常用的分类方法如表4-1所示。

在能源科学中，按能源的形成条件，通常又把能源分为两类：一种类型是自然界中以天然形式存在的、没有经过任何加工或转换的能源，即一次能源，如原煤、原油、水能、核能、太阳能、海洋能等；另一种类型是由一次能源直接或间接转化而来的能源，即二次能源，如煤气、蒸汽、沼气、汽油、电能、氢能、激光等。

在一次能源中，根据其能否再生，又可进一步分为再生能源和非再生能源。再生能源具有自我恢复的能力，风能、水能、地热能、太阳能等都是再生能源，它们在使用过程中可以从自然界中源源不断地得到补充；非再生能源是指不能重复产生的自然能源，如原煤、原油、天然气等，这部分能源因被使用而越来越少。

表4-1　能源分类表

根据能源利用技术的状况，还可以把能源分为常规能源和新能源。常规能源就是指目前已被人类广泛使用的、技术比较成熟的能源，如煤、石油、天然气、水能等。近几十年才开始利用或正在开发研究的能源，则为新能源，如太阳能、核能、沼气能、风能、氢能、地热能、海洋能、电磁能等。

千百年来，人类一直在为扩大能源的来源而斗争。传统的能源是木柴、煤炭、石油、天然气和水力。木柴的热值低，早已不用作工业燃料，而且由于森林资源的日渐减少，作为生活燃料也严重短缺。煤炭资源虽然相当丰富，但是煤炭燃烧造成的环境污染，却是一个严重的问题，而且煤炭和煤炭燃烧产物的运输和处理，也需要消耗大量的能源。石油和天然气是目前最主要的工业燃料，但是地下的可采资源越来越少，这些能源短期内不可能再生，更何况它们还是化学工业极为宝贵的原料。水力是洁净的能源，水力发电不会带来任何污染，除了基本建设一次投资较大之外，运行和维修的费用是比较低的，可是水电站的建设要受到水力资源地理分布和自然条件的限制。由于传统能源的发展和扩大供应存在着种种限制因素，因此，发展新能源（特别是可再生能源）的问题，受到了世界各国的普遍重视。

化学家为能源问题“排忧解难”

能源是现代技术与经济发展的关键，在未来的新技术革命中，能源仍将占有重要地位。20世纪，全世界人口由1900年的16亿增加到目前的50亿，增加了2倍，而能源消费从6.8亿吨标准煤增加到114亿吨标准煤，增加了15.8倍。人们通常都以能源的消费水平来评价一个国家的经济与技术发展水平。例如，按人口平均的能源消耗量，美国约为印度的50倍，从这一比较中可以看出这两个国家在发展水平上的差距。事实说明，能源对现代社会的发展有举足轻重的影响。国家的富强、人民生活水平的提高都与能源的供应状况息息相关。

1987年联合国世界环境和发展大会提出人类社会持续发展的概念，其简要定义是发展不仅是满足当代人的需要，还应考虑和不损害后代人的需要。于是，保护人类赖以生存的自然环境和自然资源亦成为世界各国共同关心的全球性问题。而目前的环境问题很大部分是由于能源发展，特别是化石资源的利用引起的。因此，今后世界的能源发展战略是发展多元结构的能源系统和高效、清洁的能源技术，即不仅要注意多种资源的开发，减少对化石资源的依赖，而且要注意各种节能新技术的发展。

各种能源的获得和充分利用，以及尽可能设法解决能源利用中引起的环境问题都涉及很多的化学问题。可以说，化学在满足国家能源需要方面，将起到中心学科的作用。能源化学就是在研究能源科学、技术中有关化学问题的实践中形成的一门新的分支学科。

由于许多能源问题与化学有密切关系，所以能源化学涉及的范围十分广泛。如煤的气化、液化，太阳能（以化学形式）储存、太阳能电池、氢的制取，燃料电池，生物质能（沼气），二次能源利用，节能等，都属于能源化学研究的范畴。概括地说起来，在能源的开发利用中，与化学相关的有以下三个值得重视的问题。

第一，实现能源形式的合理“转化”是开发利用能源的关键。作为能源的开发利用，重要的是效率，就是要把它转化成最有效而方便的使用形式。化学转化在能源的转化中有着多种功能和广泛的应用。例如，煤炭是我国分布最广、储量较多的能源资源，预计到21世纪中叶我国的能源消费结构中煤炭仍将占主要地位。但是，煤炭直接燃烧会造成严重的环境污染。因此，我国已把发展洁净煤技术，减少污染物排放，提高煤炭利用效率作为一项重要的战略任务。而煤的气化就是高效、清洁的煤炭利用途径之一。我国当前广泛使用的方法是先把煤气化，经过煤气净化再甲烷化。然而，煤中含有不少硫化物，如能把煤中所含的硫化物先行脱除然后再气化，将比煤气化后再脱硫化物的经济效益好得多。这样，既可使煤的气化率大大提高，也可回收我国缺乏的硫黄，还可简化净化流程。此外，石油的精炼以及把水转化成氢等，也都离不开化学转化。能源的化学转化不是任意的，而是有条件的。化学转化往往需要在一定的温度、压力等条件下才能实现。为了实现能量形式的合理转化，必须不断地发展新技术、新工艺、新设备。

第二，正确处理污染和防污染的关系。能源的化学加工处理过程，会出现严重的污染问题。例如，在煤的液化、气化工厂中，有大量“三废”（废气、废水、废渣）排出；在石油的精炼过程中，也会产生毒性物质的污染。“解铃还须系铃人”，由化学加工造成的污染同样可以通过化学过程来加以防治或处理。例如，在煤的气化中，可通过化学方法脱除粗煤气中的硫化氢，正在开发的有高温（550~670℃）下用金属氧化物吸附净化，该工艺可脱除99％的硫。还可在气化器中加石灰石固硫，可脱硫90％。

为了充分发挥化学过程清除污染的作用，不仅要把污染物尽量消除在化学加工、处理过程中，而且要大力发展低污染或无污染工艺。例如，采用能源加工与化工生产联合配套开发利用的办法，可增加副产品的回收率，减少污染。此外，还要积极开发无毒能源，如，在催化剂存在的条件下，利用太阳能分解水制取氢燃料，就是一种较为理想的方案。

第三，合理发挥一种资源两种功能的作用。煤炭、石油和天然气，既是目前主要的能源，又是主要的化工原料。自20世纪中叶以来，随着化学工业的飞速发展，这种特点越来越明显。两种不同类型和具有不同功能的工业争夺同一种资源，已成为新的工业革命中不可回避的矛盾。要正确地解决这个矛盾，需要把能源工业和化学工业联合起来，强化化学加工过程，搞好综合开发利用，充分发挥一种资源两种功能的作用。

从长远观点看来，我们的眼光还不能仅仅停留在资源的综合利用问题上，还必须从我国能源的发展战略和整个国民经济建设的发展战略高度来思考。我国在80年代中就提出了能源开发与节能并重的方针。一方面，重视多种资源的开发，将目前主要依靠有限的矿物燃料的能源系统转变为以新能源及其他可再生能源为主的、持久的能源系统；另一方面则必须积极采取节能措施，千方百计降低能耗。化学工作者在这两方面都有许多工作可作。以节能问题为例，我国的能耗水平远高于先进国家水平（比美国高2倍，比日本高4倍）。能耗高的原因是复杂的，从化学变化释放能量的角度看，无非一是燃烧是否完全，二是释放的能量是否充分利用。围绕着这些因素有许多科学技术问题急待研究，需要化学工作者奉献聪明才智。在节能的同时我们也要积极开展各种新型能源的研究。新能源的开发都是综合性项目，涉及多种学科和技术领域，其中所需各种新材料，需要化学工作者进行研制；许多化学过程和反应条件，需要化学工作者进行深入细致的探讨。总之，在能源建设问题上，化学工作者是可以大有作为的。