参看表 2－2 的数据，我国能源的结构以煤炭为主的状况可能还要延续相
当的时间，因为石油的开发受资源、技术、资金等多方面的制约，恐难在短 期内有所突破。

2.1 能源的分类和能量的转化


　　能源品种繁多，按其来源可以分为三大类：一是来自地球以外的太阳能， 除太阳的辐射能之外，煤炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳 能；第二类来自地球本身，如地热能，原子核能（核燃料铀、钍等存在于地 球自然界）；第三类则是由月球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量， 如潮汐能。
能源工作者常用的分类方法如下图所示。
? ? ? 可再生能源( 如水能)
? ?常规能源?
? ? ? 非再生能源( 如煤炭，石油，天然气，核裂变燃料)

?一次能源?
?
?


? 可再生能源( 如太阳能，风能，生物质能)
新能源?

能源?
? ?

?? ? 非再生能源( 如核聚变燃料，油页岩，油砂)
?煤制品──洗煤，焦炭，煤气
?

?二次能源?石油制品──汽油，煤油，柴油，燃料油，液化石油气
? ?
?? ?电力，氢能，余热，沼气，蒸气等
　　一次能源 指在自然界现成存在，可以直接取得且不必改变其基本形态 的能源，如煤炭、天然气、地热、水能等。由一次能源经过加工或转换成另 一种形态的能源产品，如电力、焦炭、汽油、柴油、煤气等属于二次能源。 常规能源 也叫传统能源，就是指已经大规模生产和广泛利用的能源。
表 2－1 所统计的几种能源中如煤炭、石油、天然气、核能等都属一次性非再
生的常规能源。而水电则属于再生能源，如葛洲坝水电站和未来的三峡水电 站，只要长江水不干涸，发电也就不会停止。煤和石油天然气则不然，它们 在地壳中是经千百万年形成的（按现在的采用速率，石油可用几十年，煤炭 可用几百年），这些能源短期内不可能再生，因而人们对此有危机感是很自 然的。
新能源 指以新技术为基础，系统开发利用的能源。其中最引人注目的
是太阳能的利用。据估计太阳辐射到地球表面的能量是目前全世界能量消费
的 1.3 万倍。如何把这些能量收集起来为我们所用，是科学家们十分关心的 问题。植物的光合作用是自然界“利用”太阳能极为成功的范例。它不仅为 大地带来了郁郁葱葱的森林和养育万物的粮菜瓜果，地球蕴藏的煤、石油、 天然气的起源也与此有关。寻找有效的光合作用的模拟体系、利用太阳能使 水分解为氢气和氧气及直接将太阳能转变为电能等都是当今科学技术的重要 课题，一直受到各国政府和工业界的支持与鼓励。
　　以上是从能源的使用进行分类的方法，若从物质运动的形式看，不同的 运动形式，各有对应的能量，如机械能（包括动能和势能）、热能、电能、 光能等等。各种形式的能量可以互相转化，如动能可与势能互相转化（建 筑工地打夯的落锤的上、下运动所包括的能量转化过程）；化学能可与电能 互相转化（化学电池和电解就是实现这种转化的两种过程）。在能量相互转 化过程中，尽管做功的效率因所用工具或技术不同而有差别，但是折算成同 种能量时，其总值却是不变的，这就是能量转化和能量守恒定律，这是自然 界中一条极为基本的定律（另一条为质量守恒定律），也是识破各式各样永 动机的有力判据。在能量转化过程过中，未能做有用功的部分称为“无用功”，
　　
通常以热的形式表现。 物质体系中，分子的动能、势能、电子能量和核能等的总和称为内能。
内能的绝对值至今尚无法直接测定，但体系状态发生变化时，内能的变化以 功或热的形式表现，它们是可以被精确测量的。体系的内能、热效应和功之 间的关系式为：
△E=Q＋W
　　其中△E 是体系内能的变化，Q 是体系从外界吸收的热量，W 是外界对体 系所做的功。这就是著名的热力学第一定律的数学表达式，也就是能量守 恒定律的数学表达式。应用上述公式时，要注意各种物理量的正、负号，即：
△E──（＋）体系内能增加， （－）体系内能体系减少； Q──（＋）体系吸收热量， （－）体系放出能量； W──（＋）外界对体系做功， （－）体系对外界做功
　　例如 1.00 g 乙醇在 78.3℃时气化，需吸收 854 J 的热，这些乙醇由液 态变成气态，在 101 kPa 压力下所做的体积膨胀功为 63.2 J，这是体系对外 界所做的功，应为负值，所以该体系内能的变化△E ＝ [854＋ （－
63.2）]J=+791 J，△E 为正值，即体系内能增加了 791 J。
　　能源的利用，其实就是能量的转化过程。如煤燃烧放热使蒸汽温度升 高的过程就是化学能转化为蒸汽内能的过程；高温蒸汽推动发电机发电的过 程是内能转化为电能的过程；电能通过电动机可转化为机械能；电能通过白 炽灯泡或荧光灯管可转化为光能；电能通过电解槽可转化为化学能等等。柴 草、煤炭、石油和天然气等常用能源所提供的能量都是随化学变化而产生的， 多种新能源的利用也与化学变化有关。化学变化的实质是化学键的改组，所 以了解化学键及键能等基本概念，将有助于加深对能源问题的认识（见本书
第 3 章）。这些常用能源的主要成分为碳元素及其化合物，所以让我们先复
习有关碳的化学知识。

2.2 碳的化学


　　碳（C）是常规能源的主要组成元素，它是化学中最重要的元素之一。含 碳的化合物种类最多，它们的结构形式和成键方式最丰富。目前已知化合物 的种类已超过 1000 万种，其中含碳的化合物约占 90％。极少数含碳化合物
（如 CO，CO2，Na2CO3）属无机化合物，绝大多数的含碳化合物具有难溶于水、
熔点低、容易燃烧等特点，这类含碳化合物统称为有机化合物。由碳和氢两 种元素组成的一大类化合物称为烃，也叫碳氢化合物（如甲烷 CH4，乙烯 C2H4，
苯 C6H6）。以烃为母体，其中氢原子被其他原子或原子团取代，而衍生为其 他一系列的有机化合物（如甲醇 CH3OH，氯乙烯 C2H3Cl，硝基苯 C6H5NO2），
这些有机化合物统称为烃的衍生物。碳的化学也就是有机化学。碳的化合物 种类如此繁多，千姿百态，但若从碳的单质结构出发进行浏览，并从其内在 结构看，它们是相当有条有理的。

2.2.1 单质碳


　　碳在周期表里位于第 2 周期ⅣA 族（第 14 例），它有 4 个价电子，电负 性中等，它不容易丢失电子成正离子，也不容获得电子成负离子，而容易形 成各式各样的共价键。碳单质有 3 种同素异形体。
金刚石 碳原子的 4 个价电子，按四面体的 4 个顶点方向和其他 4 个碳
原子以 C－C 共价键结合，形成无限的三维骨架，如图 2－1（a）所示。两个 碳原子核间距离（即 C－C 键长）为 154 pm（1.54×10-8cm=1.45A0） 。金 刚石的三维结构在各个方向都有很高的强度，在天然产物中它的硬度最高， 在单质中它的熔点最高，并且不导电。
石墨 每个碳原子都按平面正三角形方向和其他 3 个碳原子以共价键结
合，形成一个六角形平面层。C－C 键长为 142pm，在垂直于层的方向上，还 有一个价电子以π键（见第 3 章）的方式将无数的平面层连结在一起，层间 距为 340pm，如图 2－1（b）所示。层间价电子活动比较自由，石墨的导电 性、滑动性都与此结构状态有关。做铅笔芯的并不是铅而是石墨，但铅笔这 个名词已沿用至今。石墨和金刚石都是碳元素的单质，由于结构不同，性质 差别很大，但在一定的条件下，石墨可以变为人造金刚石，但变化条件相当 苛刻──2000℃以上，1500 MPa。自然界中金刚石储量不多，而新科技对这 样坚硬的材料需求日益增长，促使人们进行人造金刚石的研究，并随此发展 了高温高压技术。
　　球碳 1985 年以来化学家和物理学家合作，发现了碳的第 3 种单质－－ 球碳②。以石墨棒为电极，在氦气氛中放电，电弧产生的碳原子团沉积在冷却
反应器内壁，经分离提纯得到一种由 60 个 C 原子构成的 C60 分子。它的形状
很像足球，碳原子位于由 12 个正五边形和 20 个正六边形组成的 60 个顶点 处，俗称“足球烯”，如图 2－1（c）所示。C60 的结构，现在已由红外光谱、 电子显微镜、X 射线衍射和电子衍射等多种方法测定。而这种结构的初始设




② 顾镇南，张泽莹.固体碳的一种新形态——富勒烯.大学化学，1992（2）：

想却是受到美国建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成球形薄 壳建筑结构的启发，因此也有 Fullerball（富勒球）之称。后来还发现了 C50， C70，C84，C120 等各种各样的多面体碳分子，目前对这类物质的研究尚处于开 拓阶段。它们有可能做催化剂、润滑剂、超导体等的基质材料。[美]Smalley
R E，[美]Curl R F 和[英] Kroto H W，因对开拓这个化学新领域的贡献荣
获 1996 年诺贝尔化学奖。


2.2.2 烃类──碳氢化合物


　　烃是众多有机化合物的母体，也是最基本、最简单的有机化合物。四类 基本的烃是：烷烃、烯烃、炔烃和芳烃。
烷烃 甲烷（CH4）、丁烷（C4H10 ）和辛烷（C8H18）是我们日常生活中
最常遇到的几种烷烃，它们分别是天然气、石油液化气和汽油的主要成分。 燃烧时放热生成 H2O 和 CO2。最简单的烷烃是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，它们 的化学式、结构简式和球棍结构式如下图所示。这类化合物中碳原子按四面 体方向和其他碳原子或氢原以共价单键相联成链。由于碳原子的外层 4 个价 电子都已分别成键，因此，它们属饱和烃，其通式为 CnH2n-2，在特定条件下 可以发生取代反应。






















烯烃 常见的烯烃是乙烯（C2H4）和丙烯（C3H6）。烯烃的通式是 CnH2n， 它们都含有碳碳双键（－C=C－），容易发生加成反应。乙烯是现代石油化学 工业的龙头产品之一，乙烯的生产能力是国家综合国力的重要标志。丙烯是
　　
制造丙烯腈（人造羊毛）和聚丙烯纤维的基本原料。凡含有两个碳碳双键的 烯烃叫二烯烃，如丁二烯（C4H6）是制造顺丁橡胶的原料。乙烯、丙烯、丁 二烯的结构简式如下：






炔烃 分子中含碳碳三键（－C≡C－）的烃叫炔烃，最重要的炔烃是乙
炔 C2H2。炔烃的通式是 CnH2n-2。金属焊接或切割时用的氧炔焰就是利用乙炔
在氧气中燃烧时产生的高温（约 3000℃）。气焊时用的乙炔气是由电石（CaC2）
水解产生的，乙炔本身无色无味，电石水解时闻到的特殊臭味，是由其中含 磷含硫杂质所致：
CaC2 ? H 2 O→HC ≡ CH ? CaO
电石 乙炔
2C 2 H 2 ? 5O 2 →4CO2 ? 2H 2 O
( 火焰温度可达3000 ℃左右)
　　（火焰温度可达 3000℃左右）含有三键的炔烃和含有双健的烯烃都可以 发生加成反应，统称为不饱和烃。而只含单键的烷烃只能发生取代反应。
芳烃 苯（C6H6）是最典型的芳烃，它具有特殊的“香味”，而得名“芳
香烃”，简称芳烃。苯环是芳烃族化合物的母体，其中的碳原子以平面三角 形取向成键，形成等边六角形，见下页图。其中氢原子可以被其他原子或原 子团取代，如 1 个 H 被甲基（CH3－）取代时为甲苯；被乙基（C2H5－）取代 时为乙苯；若有 2 个 H 同时被甲基取代，则为二甲苯；若有 1 个 H 被甲基取 代，3 个 H 被硝基（NO2－）取代，则是三硝基甲苯，这是炸药的主要成分， 可简写为 TNT。两个或两个以上的苯环还可以共边相连，即两个苯环共用两 个相连的碳原子。化学式为 C10H8 的萘分子中含有两个相连的苯环，它是重要 的化工原料之一。制造染料原料之一的蒽分子（C14H10）则是由 3 个苯环相连。 这些芳烃的结构简式如下页图所示。一个苯环由 6 个 C 和 6 个 H 组成等边六 角形，为了书写的方便，一般省略了 C 和 H，而用一个等边六元环表示。

　　学习烃的基本知识是掌握有机化学知识的第一步，本节仅做复习和回 顾。下章化学键中还将从化学键理论的角度进一步深化对烃类的了解。
由以上一些实例可以看到各种烃分子里的氢原子可以被取代而生成烃的
衍生物，常用 R 代表失去一个氢的烃基，如甲基（CH3－）、乙基（C2H5－）、
乙烯基（C2H3—）等。这类直链的烃基可用 R—代表；而环状的苯基（


丰富得多，随取代基的不同，性质和用途千差万别。决定化合物特性的原子 或原子团称为官能团。

2.2.3 烃的衍生物


　　烃的衍生物是按官能团进行分类的，一些常见衍生物及其典型化合物和 主要用途列入表 2－3。
从表 2 －3 所列举典型化合物的一些用途可以看到，烃的衍生



















































物涉及面非常广泛，不仅有日常生活用的料酒、洗涤剂、药物、塑料制
品、人造纤维、染料等，也有涉及高科技需要的火箭燃料、特种橡胶等。从

它们的官能团看：醇和酚都含－OH，但凡与直链烃相连的为醇（ROH），而








也可以不同；醚的特点是氧原子和两个烃基相连，R 和 R'也是可以相同或不
同；羧酸和酯的不同，在于官能团碳原子是和 OH 相连还是和 OR'相连。羧酸 和醇容易起反应生成酯，这叫酯化反应，如乙酸乙酯就是由乙酸和乙醇脱水 而成的，其化学反应方程是：





胺类可以看做 NH3 分子中的一个、二个或三个氢原子被 R－或 Ar－取代




的代表物。硝基（－NO2）是硝酸（HNO3）脱去 1 个 OH 基团的产物，它可以
和 R－或 Ar－相连。R－NO2 在染料业有广泛用途，这是由于－NO2 有生色功
能。磺酸基（－SO3H）是硫酸分子（H2SO4）脱去 1 个 OH 基团的产物，它可
与 R－或 Ar－相连，十二烷基苯磺酸钠是制造洗涤剂的重要原料。 几乎所有的有机化合物都可看做是烃的衍生物，本章不再详述，以后有
关章节将陆续介绍。此外与碳元素有关又与生命现象有关的糖类、氨基酸、
蛋白质、酶、DNA 等内容将在第 9 章中介绍。本章重点是介绍与能源的有关 内容。

2.3 煤炭及其综合利用①


　　随着蒸汽机的发明和推广应用，煤逐渐成为能源的“主角”。最先大量 用煤做能源的是英国。英伦三岛森林资源有限而又是产业革命的发源地，对 煤炭有着迫切的需要。世界各地虽然都有煤炭资源，但分布并不均匀，绝大 部分都埋藏在北纬 30°以上地区。预测储量前苏联最多，美国次之，我国为 第三，三者之和占全球煤资源的 90％。煤炭作为化石燃料是非再生能源，按 现在的开采速度估计，煤只能用几百年。煤炭可以直接燃烧，但这样只利用 了煤炭应有价值的一半，对环境污染也比较严重。所以如何合理利用煤炭资 源是很重要的问题，要了解煤炭的综合利用，有必要先了解煤炭的形成及其 组成。
　　煤是由远古时代的植物经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用 转变而成的固体可燃物。人们在煤层及其附近发现大量保存完好的古代植物 化石；在煤层中可以发现炭化了的树干；在煤层顶部岩石中可以发现植物根、 茎、叶的遗迹；把煤磨成薄片，置于显微镜下可以看到植物细胞的残留痕迹。 这些现象都说明成煤的原始物质是植物。
　　这些古代植物是怎样变成煤的呢？按生物演化过程，地球的历史可以分 为古生代、中生代和新生代三大时期。气候温湿植物茂盛始于古生代中期， 距今已有 3 亿年之久。植物从生长到死亡，其残骸堆积埋藏、演变成煤的过 程当然是非常复杂的。经地质学家、煤田学家、化学家们的共同努力，现代 的成煤理论认为煤化过程是：植物→泥炭（腐蚀泥）→褐煤→烟煤→无烟煤， 这个过程称煤化作用。
植物生长茂盛并能大量繁殖的地方一般是沼泽、湖泊、浅海地区，气候
湿润。枯死的植物残骸不断堆积，在细菌作用下腐败分解，表面部分能充分 接触空气，完全分解为 CO2 和 H2O。但埋藏在下层的则在缺氧甚至无氧的条件
下腐败，慢慢地形成黑色的腐殖质。随植物残骸的继续堆积和深埋，这些腐 殖质就在无氧条件下脱水，以及在分解产物间的互相作用下生成了腐殖酸， 并变成棕褐色的凝胶状物质，称为泥煤（或泥炭），其中腐殖酸的含量可达
55％～60％。随着地壳的下沉，粘土砂石堆积在泥煤之上形成一块顶板，在
地热和顶板压力条件下，这些泥煤继续发生失水，并有硬结、紧缩等现象。 这个过程很漫长，并使泥煤中的腐殖酸减少，氢和氧含量也减少，而碳含量 增加，这就形成了褐煤。当它继续沉降到较深的地方时，煤层所受压力可以
达 105～106kPa，地热温度可达 200℃左右，此时褐煤的腐殖酸含量、氢和氧
的含量继续减少，碳含量不断增加，逐渐形成了烟煤，然后变成无烟煤。所 以烟煤和无烟煤是老年煤，形成的时间最长，含碳量高，发热量高；而褐煤 和泥煤则比较年轻，含碳量较低，发热量也较低。它们的含碳量范围大致如 下：
无烟煤 烟煤 褐煤 泥煤 含碳量/% 85 ～ 95 70 ～ 85 50 ～ 70 约 50

此外，它们的挥发物、水分、灰分和发热量也有差别。由于发生变化的
环境不同，煤的组成差别可以很大，在煤炭工业界有多种详细的分类和牌号。


① 陈文敏，张自劭主编.煤化学基础.北京：煤炭工业出版社，

总之，煤是古代植物遗骸埋藏在地下，经过漫长的时间，处于空气不足的条 件下逐渐形成的。“漫长”是万万年或千万年，这样漫长，无法在短期内重 演，所以把煤看作不可再生能源。“空气不足”意味着植物中所含的碳和氢 没有完全氧化（尤其是碳），这就是煤所含的潜在能量。植物生长借叶绿素 吸收太阳能发生光合作用：
mCO ? nH O 叶绿素? C (H O) ? O
吸收太阳能
　　植物吸收太阳能，储存太阳能。腐殖过程和煤化过程，实际都是氧化过 程，即上述反应的逆过程，并逐步释放能量。在缺氧的条件下，水分可以逸 出，但碳就不能全部变成 CO2，而以碳原子相结合的形式固定下来。从煤的 形成推本溯源，其能量乃是来自太阳能。
煤的化学组成虽然各有差别，目前公认的平均组成是：
元素 C H O N S 含量/% 85.0 5.0 7.6 0.7 1.7

将其折算成原子比，可用 C135H96O9NS 代表，此外也还有微量的其他非金
属和金属元素。至于煤的化学结构，科学家们用多种化学的或物理的方法综 合论证，至今已有几十种模型。60 年代以前的经典模型如图 2－2 所示。现 代公认的模型如图 2－3 所示。











由上图可见，煤炭中含有大量的环状芳烃，缩合交联在一起，并且夹着
含 S 和含 N 的杂环，通过各种桥键相连。所以煤可以成为环芳烃的重要来源。 同时在煤燃烧过程中有 S 或 N 的氧化物产生，污染空气。
煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占 70％），煤的年消费量在 10
亿吨以上，其中 30％用于发电和炼焦，50％用于各种工业锅炉、窑炉， 20
％用于人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的，其中 C，H，S 及 N 分 别变成 CO2，H2O，SO2 及 NOx。这样热效率的利用并不高，如煤球热效率只有
20％～30％；蜂窝煤高一点，可达 50％，而碎煤则不到 20％。至于工业锅炉 用煤的热效率不仅与炉型结构有关，而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有 关系。煤开采后应该就地进行筛分、破碎，洗选除去一些无用的杂质。随着


　　机械化采煤的发展，煤粉的比例提高，所以还应将煤粉在加压加温条件 下成型（球、棒、砖等），然后供应用户，以减少运输量，提高热效率。直
接烧煤对环境污染相当严重，二氧化硫（SO2），氮的氧化物（NOx）等是造
成酸雨的罪魁，大量 CO2 的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰和煤
渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题，合理利用和综合利 用煤资源的办法不断出现和不断推广，其中最令人关心的一是如何使煤转化 为清洁的能源，二是如何提取分离煤中所含宝贵的化工原料。现在已有实用 价值的办法是煤的气化、煤的焦化和煤的液化。
煤的气化 是让煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物
转化为可燃气体，以气体燃料的方式经管道输送到车间、实验室、厨房等， 也可以作为原料气体送进反应塔。煤的气化过程涉及 10 个基本化学反应：
化学反应 △ H/kj · mol-1 特征
① C+O2=CO2 － 406 完全燃烧，放热

②C + 1 O = CO
2 2

－ 123 不完全燃烧，放热

③ C+CO2=2CO +160 还原反应，吸热
④ C+H2O=CO+H2 +118 水煤气的生成
⑤ C+2H2O=CO2+2H2 +76 生成水煤气时的副反应
⑥ CO+H2O=CO2+H2 － 3 水煤气的变换，制 H2
⑦ C+2H2=CH2 － 75 甲烷的生成
⑧ CO+3H2=CH4+H2O － 250 甲烷的生成
⑨ 2CO+2H2=CH4+CO － 247 甲烷的生成
⑩ CO2+4H2=CH4+2H2O － 253 甲烷的生成


其中 H2，CO，CH4 都是可燃气体，也是重要的化工原料。例如化肥厂在
合成氨时，需要原料 H2，可利用反应④和⑥；供居民用燃料时最好的是 CH4，
以反应⑦最理想，反应④生成的水煤气（CO+H2），虽然热值也很高，但 CO
毒性大，H2 又易爆，所以不如 CH4 气安全。根据煤气的不同用途，工程师们
调节煤和空气、水和空气的比例，改进汽化炉的结构，控制反应温度和压力 等条件以达到强化需要的反应，抑制不需要的反应的目的，作为燃料用的煤 气实际是 H2，CO，CO2，CH4，N2（由空气带入）的混合气体，它若作为化工 原料对气体纯度有一定的要求，则对条件的控制要求更高，并还要适当地分

离提纯。
　　煤的焦化 也叫煤的干馏。这是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加 热，煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。随加热温度不 同，产品的数量和质量都不同，有低温（500～600℃）、中温（750～800℃）
和 高 温 （ 1000 ～ 1100 ℃ ） 干 馏 之 分 。

　　低温干馏所得焦炭的数量和质量都较差，但焦油产率较高，其中所含轻 油部分，经过加氢可以制成汽油，所以在汽油不足的地方，可采用低温干馏。 中温法的主要产品是城市煤气，而高温法的主要产品则是焦炭。
　　焦炭的主要用途是炼铁，少量用作化工原料制造电石、电极等。煤焦油 是黑色粘稠性的油状液体，其中含有苯、酚、萘、蒽、菲等重要化工原料， 它们是医药、农药、炸药、染料等行业的原料，经适当处理可以一一加以分 离。对照图 2－2 和 2－3（煤的结构模型），煤焦油中所含环状有机物可以 说是煤的“碎片”。此外还可以从煤焦油中分离出吡啶和喹啉，以及马达油 和建筑和铺路用的沥青等。从煤焦油里分离鉴定的化合物已有 400 余种。从
炼焦炉出来的气体，温度至少在 700℃以上，其中除了含有可燃气体 CO，H2，
CH4 之外，还有乙烯（C2H4），苯（C6H6），氨（NH3）等。在上述气体冷却的
过程中氨气溶于水而成氨水，进而可加工成化肥；苯等芳烃化合物不溶于水 而冷凝为煤焦油；乙烯等沸点高的气体，根据煤气的不同用途酌情处理。总 之，煤经过焦化加工，使其中各成分都能得到有效利用，而且用煤气作燃料 要比直接烧煤干净得多。
煤的液化 煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是由 C，H，O 等元素
组成的有机物，但煤的平均表现分子量大约是石油的 10 倍，煤的含氢量比石 油低得多。所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢
（450～480℃，12～30MPa）可以得到多种燃料油。原理似乎简单，实际工艺
还是相当复杂的，涉及裂解、缩合、加氢、脱氧、脱氮、脱硫、异构化等多 种化学反应。不同的煤又有不同的要求。最近 20 年来美国、日本、德国等科 学家都致力于这方面的研究，已有多种较好的设计方案。
上述这种先裂解再氢化的方法称直接液化法。另外还有一类方法称间接
液化法，它是先使煤气化得到 CO 和 H2 等气体小分子，然后在一定的温度、
压力和催化剂的作用下合成各种烷烃（CnH2n+2 ）、烯烃（CnH2n ）和乙醇
（C2H5OH）、乙醛（CH3CHO）等。第一个采用间接液化法的工厂建成于 1935
年，至今已有 60 年历史。目前还有少数缺油富煤的国家采用这种方法。 综上所述，煤既是能源，也是重要的化工原料。我国是世界上最大的耗
煤国家，但 70％的煤都是直接烧掉，既浪费资源，也污染环境。积极开展煤 的综合利用是十分重要的方针。

2.4 石油和天然气①


　　石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉。自本世纪 50 年代开始， 在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石 油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代 生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。
1973～1979 年这段时期，曾有“石油危机”之称。自二次世界大战之后
到 1973 年间，国际石油市场一直被美国的埃克森、德士古、加州标准、海湾、 飞马（美孚）和英国石油、英国壳牌等七家石油公司（号称“石油七姐妹”） 所垄断。西方国家利用廉价的石油原料，改造了产业结构，实现了经济的结 构调整和繁荣。但石油的主要产地却在发展中国家，如中东地区已探明的石 油储量占世界的 60％以上。沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特和南美的委 内瑞拉等 5 国的石油出口量曾占世界总出口量的 80％。他们在 60 年代初就 成立了“石油输出国组织欧佩克（OPEC）”与上述七家石油公司对抗，后来 阿尔及利亚、厄瓜多尔、加蓬、印度尼西亚、利比亚、尼日利亚、卡塔尔和 阿联酋等 8 国先后加入 OPEC，OPEC 成员扩大为 13 个。1973 年 10 月中东战 争爆发，阿拉伯产油国以石油为武器，对西方国家实行石油禁运，并收回了 原油标价大权，在两个月内提价近 4 倍，一直到 70 年代末油价不断上涨，到
1979 年油价已是 1973 年前的近 10 倍。发达的资本主义国家在政治、经济和
日常生活的方方面面都受到严重影响，给人们留下深刻印象，使人们切实体 会到能源对现代社会发展有举足轻重的影响，并称之为 70 年代的石油危机。

2.4.1 石油和天然气的成因


　　对此有过多种论点。现在认为石油是由远古海洋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棕黑色粘稠液态混合物，其沸点范围从室 温到 500℃以上。未经处理的石油叫原油，它分布很广，世界各大洲都有石 油的开采和炼制。就目前已查明的储量看，重要的含油带集中在北纬 20°～
48°之间，世界上两个最大的产油带，一个叫长科迪勒地带，北起阿拉斯加
和加拿大经美国西海岸到南美委内瑞拉、阿根廷；另一个叫特提斯地带，从 地中海经中东到印度尼西亚。这两个地带在地质变化过程中曾都是海槽，因 此曾有“海相成油”学说。60 年代以来相继发现了大庆、胜利、大港等油田。
到 80 年代末，在我国被开发的大小油田已有 160 多处。此外，我国拥有油气
资源较丰富的大陆架，自 80 年代初开始进行海洋石油的普查和勘探。从现有 资料估计，远景以东海最佳，南海和渤海次之，黄海较差。海洋石油的开发， 不论技术、资金、装备还是人才方面，都存在不少困难，短期内很难快速发
展。
　　石油的组成元素 主要是 C 和 H，此外也有 O，N 和 S 等。和煤相比， 石油的含氢量较高而含氧量较低。在石油中的碳氢化合物以直链烃为主，而 在煤中则以芳烃为主。至于石油中 N 和 S 的含量则因产地不同而异，如阿拉 伯原油中含 S 约 1.74％，N 约 0.14％；而我国胜利油田的原油中含 S 约 0.81
％，N 约 0.41％。相比之下，胜利油田的原油含硫量比较低，而含氮量较高。



① 梁文杰主编.石油化学.北京：石油大学出版社，

所以不同的原油在炼制、精制的条件和催化剂的选择等方面都是不同的，各 有自己的特色。
表 2 － 4 石油和煤成分（平均）的比较
燃料 元素
C
H
O
N
S 发热量
kJ * g? 1 石油中含量/% 83 ～ 87 10 ～ 14 0.05 ～ 2.0 0.02 ～ 0.2 0.05 ～ 8.0 48 煤炭中含量/% 80 ～ 90 3 ～ 6 5 ～ 8 0.5 ～ 1.0 1 ～ 2 30



天然气的主要成分是甲烷（CH4），也有少量乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8），
它和石油伴生①，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000m3 的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天然气归并在一 起。天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物 CO2 和 H2O，都是无毒物质，并且 热值也很高（56kJ·g-1），管道输送也很方便。我国最早开发使用天然气的 是四川盆地，近年北京、天津的居民正在逐渐使用管道天然气，这种方式颇 受欢迎。

2.4.2 石油的炼制


石油中所含化合物种类繁多。必须经过多步炼制，才能使用。主要过程 有分馏、裂化、重整、精制等。























分馏 烃（碳氢化合物）的沸点随碳原子数增加而升高，在加热时，沸 点低的烃类先气化，经过冷凝先分离出来；温度升高时，沸点较高的烃再气 化再冷凝，借此可以把沸点不同的化合物进行分离，这种方法叫分馏，所得 产品叫馏分。分馏过程在一个高塔里进行，分馏塔里有精心设计的层层塔板， 塔板间有一定的温差，以此得到不同的馏分。分馏先在常压下进行，获得低 沸点的馏分，然后在减压状况下获得高沸点的馏分。每个馏分中还含有多种



① 天然气的成因比石油广泛，在煤田附近往往也有天然气存在。我国天然气的勘探和开发工作还比较薄弱。

化合物，可以进一步再分馏。表 2－5 列举石油分馏主要产品概况，以此为线 索可以浏览一下石油世界。
表 2 － 5 石油分馏主要产品及用途
温度范围/
℃ 分馏产
品名称 烃分子中所
含碳原子数 主要用途 气体 石油气 C1 ～ C4 化工原料，气体燃料
轻 油 30 ～ 180 溶剂油
汽油 C5 ～ C6
C6 ～ C10 溶剂 汽车，飞机用液体燃料 180 ～ 280 煤油 C10 ～ C16 液体燃料，溶剂 280 ～ 350 柴油 C17 ～ C20 重型卡车，拖拉机，轮船用燃料，各种柴油机
用燃料
重 油 300 ～ 500 润滑油
凡士林 C18 ～ C30 机械，纺织等工业用的各种润滑油，化妆品，
医药业用的凡士林 石蜡 C20 ～ C30 蜡烛，肥皂 沥青 C30 ～ C40 建筑业，铺路 ＞ 500 渣油 ＞ C40 做电极，金属铸造燃料



在石油炼制过程中，沸点最低的 C1 至 C4 部分是气态烃，来自分馏塔的废
气和裂化炉气，统称石油气。其中有不饱和烃，也有饱和烃。不饱和烃如乙 烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、丁烯（C4H8）都有双键，容易发生加成反应和聚 合反应，所以这些烯烃都是宝贵的化工原料。如乙烯以 O2 为催化剂在 150℃，
20MPa 条件可制得高压聚乙烯（反应式①），日常生活中用的食品袋、食品 匣、奶瓶等就是用这种材料成型的：






若用 TiCl4 做催化剂在 100℃常压下，则可制得强度较高的低压聚乙烯
（反应式②），它可制造脸盆、水桶等器皿。乙烯也可以用银做催化剂在 250
℃和常压条件下生成环氧乙烷（反应式③），这是制造环氧树脂的原料之一。 乙烯在 KMnO4 催化下可加水成为乙二醇（反应式④），它是制造涤纶的原料 之一。如在 H2SO4 催化下加水，乙烯也可加成为乙醇（反应式⑤），乙烯和
HCl 加成为氯乙烷（反应式⑥），乙烯和 Cl2 生成二氯乙烷（反应式⑦）等等。













CH ? CH ? H O H 2SO4 ?
加温加压

CH 3—CH 2 OH ⑤

乙醇

CH 2 ? CH 2 ? HCl——→

CH 3 —CH 2Cl ⑥
氯乙烷


　　众多的乙烯产品广泛用于工农业、交通、军事等领域，它是现代石油化 学工业的一个龙头产品，是一个国家综合国力的标志之一。我国目前乙烯年 产量 200 多万吨，居世界第 8 位。
丙烯 （CH3CH=CH2）可以制造聚丙烯塑料、聚丙烯腈（人造羊毛）化学
纤维、甘油等等。丁烯（CH3CH2CH=CH2）经过氧化脱氢变成丁二烯（反应式
⑧），然后可以聚合生成顺丁橡胶（反应式⑨），它的弹性很好，适合做轮 胎。丁二烯和苯乙烯共聚可以制造丁苯橡胶（反应式⑩），这是人造橡胶中 用量最大的品种，它的链节一端带有苯环，具有热稳定性好，耐磨、耐光、 抗老化等优点。
1 氧化税氢

CH 3CH 2 CH ? CH 2 ? O 2 ????? CH 2 ? CH ?
丁烯

CH
丁二烯

? CH 2 ? H 2 O⑧



















将石油气中这些不饱和烃分离后，剩下的饱和烃中以丁烷（C4H10）为主，
它的沸点为－0.5℃，稍加压力即可液化储于高压钢瓶中。当打开阀门减压时 即可气化点燃使用，城市居民用石油液化气的主要成分就是丁烷。另外还含 有在液化时带进的一定量的戊烷（C4H10）和己烷（C5H12），它们的沸点分别
是 36℃和 69℃，在炼油厂炉气温度高时和丁烷等混在一起，加压液化时也就 混入钢瓶，用户在室温打开阀门时，这些杂质沸点较高，在室温不能气化， 而以液态沉积于钢瓶中。
在 30～180℃沸点范围内可以收集 C5～C6 馏分，这是工业常用溶剂，这
个馏分的产品也叫溶剂油。在 40～180℃沸点范围内可以收集 C6～C10 馏分，
这是需要量很大的汽油馏分。按各种烃的组成不同又可以分为航空汽油、车 用汽油、溶剂汽油等。汽油质量用“辛烷值”表示。在气缸里汽油燃烧时有 爆震性，会降低汽油的使用效率。汽油中以 C7～C8 成分为主，据研究，抗震 性能最好的是异辛烷，将其定标为辛烷值等于 100，抗震性最差的是正庚烷， 定其辛烷值为零。若汽油辛烷值为 85，即表示它的抗震性能与 85％异辛烷
15％正庚烷的混合物相当（并非一定含 85％异辛烷），商品上称为 85 号汽

油。








人们发现：1L 汽油中若加入 1mL 四乙基铅 Pb（C2H5）4，它的辛烷值可 以提高 10～12 个标号。四乙基铅是有香味的无色液体，但有毒，有的地方在 其中适当加一些色料，提醒人们注意这是含铅汽油。这种抗震剂已沿用了几 十年，但在汽车越来越多的今天，汽油燃烧后放出的尾气中所含微量的铅化 合物已成为公害。所以目前正努力用改进汽油组成的办法来改善汽油的爆震 性，即市售的无铅汽油。自 70 年代起从环境保护的角度考虑，各国纷纷提出 要求使用无铅汽油，有些汽车的设计规定必须使用无铅汽油，以减少对环境 的污染。
提高蒸馏温度，依次可以获得煤油（C10～C16）和柴油（C17～C20）。它
们又分为许多品级，分别用于喷气飞机、重型卡车、拖拉机、轮船、坦克等。 蒸馏温度在 350℃以下所得各馏分都属于轻油部分，在 350℃以上各馏分则属 重油部分，碳原子数在 18～40 之间，其中有润滑油、凡士林、石蜡、沥青等， 各有其用途。
裂化 用上述加热蒸馏的办法所得轻油约占原油的 1/3～1/4。但社会需
要大量的分子量小的各种烃类，采用催化裂化法，可以使碳原子数多的碳氢 化合物裂解成各种小分子的烃类，如：
催化剂

C16 H 34

?????
加热加压

C8 H 18 ? C 8 H16

十六烷烃 辛烷 辛烯
　　裂解产物成分很复杂，从 C1 至 C10 都有，既有饱和烃又有不饱和烃，经 分馏后分别使用。裂解产物的种类和数量随催化剂和温度、压力等条件不同 而异。不同质量的原油对催化剂的选择和温度、压力的控制也不相同。我国 原油成分中重油比例较大，所以催化裂化就显得特别重要，对外国的经验只 能借鉴，不能照搬。经过 30 多年的研究和实践，我国已开发适用于我国各种 原油的一系列铝硅酸盐分子筛型催化剂。经催化裂化，从重油中能获得更多 乙烯、丙烯、丁烯等化工原料，也能获得较多较好的汽油。
　　催化重整 这是石油工业中另外一个重要过程。在一定的温度压力下， 汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的“重新调整”，转化为带支链的 烷烃异构体，这就能有效地提高汽油的辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃， 这是原油中含量很少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要的化工原料， 可以说是一举两得。现用催化剂是贵金属铂（Pt）、铱（Ir）和铼（Re）等， 它们的价格比黄金贵得多，化学家们巧妙地选用便宜的多孔性氧化铝或氧化 硅为载体，在表面上浸渍 0.1％的贵金属，汽油在催化剂表面只要 20～30s 就能完成重整反应。
加氢精制 这是提高油品质量的过程。蒸馏和裂解所得的汽油、煤油、
柴油中都混有少量含 N 或含 S 的杂环有机物，在燃烧过程中会生成 NOx 及 SO2
等酸性氧化物污染空气，当环保问题日益受关注时，对油品中 N，S 含量的限

制也就更加严格。现行的办法是用催化剂在一定温度和压力下使 H2 和这些杂 环有机物起反应生成 NH3 或 H2S 而分离，留在油品中的只是碳氢化合物。自
70 年代末开始，石油化工科学研究院针对我国油品特点，开展了大量基础研 究工作，开发出多种加氢催化剂①，基本满足了国内炼油工业的需要，并有出 口。这类催化剂以 Al2O3 为载体，活性组分有钴－钼（Co－Mo）、镍－钼（Ni
－Mo）、镍－钨（Ni－W）等体系。 综上所述，石油经过分馏、裂化、重整、精制等步骤，获得了各种燃料
和化工产品。有的可直接使用，有的还可以进行深加工。所以炼油厂总是和 几个化工厂组成石油化工联合企业，那里是技术密集、资本密集、劳动力密 集的地区。
在石油工业中，把常压蒸馏和减压蒸馏叫做一次加工，这是物理变化过 程，而裂化、重整和加氢控制等则叫二次加工，它们都属化学变化过程。这 些过程都涉及催化剂，催化剂的研制是石油化工不可缺少的组成部分。催化 作用的奥秘是化学工作者十分感兴趣的研究领域。














































① 李大东.我国石油化学工业的技术现状和发展动向.大学化学，1993（3）：

2.5 催化作用


　　催化作用是一个应用广泛的领域。催化剂能显著改变反应速率，但不影 响反应的平衡位置。催化剂使反应物顺捷径变为生成物，但它本身的组成和 数量都保持不变。凡能加快反应速率的催化剂称为正催化剂，而能减慢反应 速率的则称为负催化剂，也叫抑制剂，如防止塑料、橡胶老化的添加剂就属 这类物质。一般所说的催化剂是指加快反应速率的正催化剂。
　　当代石油化工的巨大成就与催化剂在工业上的广泛应用密切相关，催化 剂的研制已是石油化工行业不可缺少的组成部分。石油炼制过程中的裂解、 重整、加氢精制，塑料、橡胶、化纤工业中单体合成和聚合，无机化工原料 合成氨、硝酸、硫酸的生产等等都是随工业催化剂的研制成功而迅速发展的。 从分子生物学的角度看，人体是一个极其复杂而有趣的催化体系。现在 已知人体中有两千多种酶，每种酶能催化一种反应。要了解生命现象的奥秘， 必须了解酶的作用。再如汽车尾气的净化、酸雨的形成等与环境保护有关的 问题也都涉及催化作用。催化理论至今还不成熟，这里只介绍两个公认的特
点：一是催化剂降低了化学反应的活化能，二是催化剂有选择性。 什么是活化能呢？化学反应的实质是化学键的改组，断键时要吸收能
量，成键时则释放能量，反应过程中能量变化如图 2－5 所示。反应物 A 与
BC 发生反应的过程中，旧键将断未断，新键将












成未成的瞬间，体系处于过渡状态，叫活化态（A?B?C），活化态与 起始态之间的能量差 Ea 叫活化能（图 2－5（a）），当有催化剂存在时所需 活化能降为 Ea′（图 2－5（b））。也可以说：A 和 BC 起反应生成 AB+C 的 过程，必须越过一个能垒，催化剂的作用在于降低了这个能垒，使反应物 A
和 BC 能顺捷径很快地转化为生成物 AB 和 C。例如乙醛（CH3CHO）分解为甲
烷（CH4）和 CO 时，在 518℃，活化能 Ea=190kJ·mol-1，而用碘（I2）作催
化剂，活化能 Ea′则降低为 136kJ·mol-1。
CH3CHO→CH4+CO Ea=190kJ·mol-1
CH CHO ?I2 ? CH ? CO E ' ? 136kJ * mol? 1
又如蔗糖（C2H22O11）可水解为葡萄糖（C6H12O6）和果糖（C6H12O6）。葡
萄糖和果糖的化学式相同，但结构式不同： C12H22O11+H2O——→C6H12O6+C6H12O6
蔗糖 葡萄糖 果糖
这是人体内一个很重要的化学反应，在蔗糖酶的催化作用下，活化能 E’a
为 36kJ·mol-1，若在室温试管中，所需活化能要高得多，约 107kJ·mol-1， 即反应速率慢得多。催化剂降低了反应活化能，加 快了反应速率，这已是

共识，但活化能是怎样降低的，还众说纷纭，没有统一的看法。 催化剂的另一特点是选择性。许多反应可以生成多种产物，催化剂可以
使反应定向进行。例如乙烯和氧气可以发生下列 3 种反应：

1
C 2 H 4 ? 2 O 2 →CH 3 CHO ②
乙醛
C 2 H 4 ? 3O 2 →2CO 2 ? 2H 2 O ③
　　我们需要利用反应①制造环氧乙烷，或用反应②制造乙醛，但不希望得 到的是这两种产物的混合物；至于反应③，则希望尽量少发生，因为这个反
应是把宝贵的乙烯完全烧成了无用的 CO2 和 H2O。现在已经研制成功用
Ag/Al2O3 催化剂走向加速反应①制得环氧乙烷，用氯化铜－氯化钯（CuCl2
－PdCl2）的盐酸溶液定向加速反应②获得乙醛。这是 60 年代化学工业上的
一项重大成就。又如钴－钼/三氧化二铝（Co－Mo/Al2O3）催化剂加氢脱硫效
果好，而镍－钨/三氧化二铝（Ni－W/Al2O3）催化剂加氢脱氮效果好。催化
剂为什么能有选择性，是催化研究的重要课题。 不论是石油化学工业，还是生物化学、环境化学、材料化学等领域都涉
及各种与催化作用有关的问题。催化研究既有其理论意义，又有明显的应用
背景，受到科技界和工业界的普遍关注。

2.6 核能（原子能）


　　原子由带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子组成。普通化学反应的 热效应来源于外层电子重排时键能的变化，而原子核及内层电子并没有变 化。另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化，这类反应叫核反应。 核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。1g 镭（Ra）在衰变过程中释 放的能量是 1g 镭和足量氯气（Cl2）起
反应生成RaCl 时所释放能量的50万倍。1g铀－235（235 U）发生
裂变时释放能量为8×10?1 kJ，1g氘（2 H）发生聚变时释放的能量
是 6×10-1kJ。而 1g 煤完全燃烧时释放的能量仅为 30kJ。核反应过程中由于 原子核的变化，而伴随着巨大的能量变化，所以核能也叫原子能。认识核反 应和研究核能的利用就成为处理能源问题时必须考虑的一个方面。

2.6.1 核衰变


　　在 1896 年法国科学家 BecquerelH 发现了铀盐的天然放射性现象，他的 同事 Marie 和 Pierre Curie 夫妇在 1898 年铀矿中发现了新的放射性元素钋
（Po）和镭（Ra），开创了天然放射性和放射化学研究的新领域。他们 3 人
共同获得 1903 年的诺贝尔物理学奖。

　　U，Po，Ra 等这类原子核不稳定，能自发地放出辐射，而变成另一种 原子核，这种过程叫核衰变。天然放射性元素铀所放出的辐射，在电磁场 作用下可以分为三个部分：α辐射、β辐射和γ辐射，如图 2－6 所示。
在电场中偏向负极的是带正电的α粒子流，α粒子与氦原子核相同，质
4 238
量数为4，电荷数 + 2，可以用2 He代表α粒子。例如铀－238（92 U）
能自发进行α衰变，成为90号元素钍－234（234 Th），核反应式可以
写作：
238 U→234 Th ? a( 4 He)
92 90 2
在电场中偏向正极的是带负电的β粒子流，它的性质和电子完全相同，
质量很小，可看作约为0，电荷数为－1，可以用0 e代表β粒子。

234

234

如上述90 Th能自发进行β衰变，成为镤－234（91 Pa），核反应式
是：
234 Th→234 Pa ? ? ( 0 e)
90 91 ?1
在电场中不偏不移的是中性的γ辐射，它是一束短波光子流，波长在
0.1～0.0005nm 之间。所有的衰变过程都伴有γ辐射，因为衰变产物一般是 处于不稳定的激发状态，当恢复到稳定状态时就放出光子，γ辐射没有改变

原子核的质量数和电荷数，所以在书写核反应式时，常将其忽略，如上述两 个核衰变中都伴有γ辐射。
　　经过仔细研究得知自然界存在三个天然放射系，即铀系、钍系和锕系。 每个系列各有多代母子体连续衰变的关系，最后都生成稳定的 82 号元素铅
（Pb），中间产物有原子序数介于 82～92 之间的各种衰变产生的子体。α辐 射使质量数减少 4，而β辐射对质量数没有影响，所以这些衰变子体间质量 数的差都是 4。
在研究天然放射现象的过程中，人们又发现了人工放射性。1934 年， Irene Curie（Marie 和 Pierre 的女儿）和她的丈夫 Frederie Joliot 用 高能α粒子轰击铝箔，获得磷－30（30 P），它能自发衰变放出正电子
流（质量和电子相等， < /PGN0069. TXT / PGN > 但电荷为 + 1，可以用0 e
代表），而变成硅－30（30Si），这两个核反应式是：
27 Al ? 4 He→30 P ? 1 n

13 2

15 0

30 P→30Si ? 0 e
15 14 ?1
30 P和天然放射性元素一样具有放射性，但它是由人工在实验室制
得的，这是第 1 个人工放射性核素①，它衰变时放出的正电子流，在天然放射 性中没有见到过。从此开创了人工放射性时代。科学家们用各种高能粒子轰 击靶核，引发核反应，制造新核素和新元素。常用的轰

1 4 12

15 18

击粒子有不带电的中子或带电的正离子，如1 H，2 He，6 C，7 N，8 O
等，这些粒子在加速器中获得足够能量克服与靶核间的库仑斥力发生核反 应，产生新的核素。60 年来人工合成的核素已有 2000 多种，在 1992 至 1993
年

182

208

208

237

间，我国科学家曾发现4种新核素，即72

Hf，78 Pt，80 Hg和90

Th。

人工核反应最为重要的用途是制造新元素，原子序数大于 92 号铀的元素，统 称超铀元素。自 93 号镎 Np 至 111 号元素都是人工在加速器里合成的，它们 的寿命核都很短促（在毫秒间即可衰减一半），产量也极其微少。例如 1995 年在德国重离子加速器研究中心的科学家们合成的 110 号和 111 号元素各得 到了 3 个原子。在这个领域工作的科学家们有一整套研究超微量元素的物理 和化学性质的巧妙方法，证实这些新元素的发现。
在研究人工核反应的过程中又发现了核裂变现象。

2.6.2 核裂变、原子弹、核电站


　　1938 年 Hahn O 和 Strassman F 研究中子轰击 U－235 的产物时，想发现 新元素的愿望虽未实现，但却发现了另一类核反应－
－裂变。235U原子核受高能中子轰击时，分裂为质量相差不多的两种核
素，同时又产生几个中子，还释放大量的能量。裂变产物的组成很复杂，它 们的原子序数在 30（锌 Zn）至 65（铽 Tb）范围内分布。现在已知的有 36 种元素的 200 多种核素，如 U－235 裂变时可产生钡（Ba）和氪（Kr）或氙（Xe）



① 核素是指质子数和中子数都相同的一类原子。凡质子数相同而中子
核 素，而互为同位素。这两种核素在周期表中位于同一个位置（第 7 周期，ⅢB 族，第 92 号位置）。

和锶（Sr）或锑（Sb）和铌（Nb）等。

U－235 裂变过程中，每消耗 1 个中子，能产生几个中子，它又能使其他 U－235 发生裂变，同时再产生几个中子，再有 U－235 裂变，这就形成了链 式反应，如图 2－7 所示。
















图 2－7 中子诱发 U－235 裂变形成链式反应 连续核裂变释放出巨大的核能，若人工控制使链式反应在一定程度上连
续进行，产生的能量加热水蒸气，推动发电机，这是建设核电站的基本原理；
若让裂变释放的能量不断积聚，最后则可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这是制 造原子弹的原理。
随着二次世界大战的爆发，核裂变的研究被吸引到制造原子弹的工作中
去了，自 1939 年起，美国政府拨出巨款，设立机构，动员各方面力量投入庞 大的原子能研究。经过 6 年多的研究，1945 年 7 月 16 日在美国新墨西哥州 的沙漠中第一颗原子弹试爆成功，同年 8 月 6 日和 8 月 9 日先后在日本广岛 和长畸投下原子弹，在人类历史上写下了令人难忘的一页，受害的日本人民 的痛苦至今犹在。原子弹的结构原理如图 2－8 所示。












235

239

原子弹里的炸药就是92 U（或94

Pu）。在天然铀矿中，U－235

只占 0.7％，其余是 U－238，它不能发生连续裂变。因此这两种核素的分离 是首要问题。科学家们是利用六氟化铀（UF6）气体扩散速度不同进行提纯，
使 U－235 富集到 93％，这是一项非常艰巨的分离工作。其次为了使原子弹 在需要的时候才爆炸，一颗原子弹中有两块 U－235，每块质量都不太大，连 续裂变时所释放的能量不足以引起爆炸，但当两块铀合在一起时，便能在瞬

间发生强烈爆炸②。所以在原子弹之中还用一个普通的小炸弹作为引爆装置， 它的爆炸使两块铀挤压在一起发生爆炸。在铀块外面还有中子反射体，作为 减少中子外逸的保护层。一个原子弹的爆炸威力相当于 10 万吨普通炸药（三 硝基甲苯，简称 TNT）。
原子能的研究成果，不幸首先用于战争，危害人民。但二次大战结束后， 科技人员很快致力于原子能的和平利用，使它造福于人民。1954 年前苏联建 成世界上第一座核电站，功率为 5000kW。至今世界上已有 30 多个国家 400 多座核电站在运行之中，世界能源结构中核能①的比例逐渐增加。核电站的工 作原理如图 2－9 所示。
















　　核电站的中心是核燃料和控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料 中插入一定量的控制棒，它是用能吸收中子的材料制成的，如硼（B）、镉（Cd）、 铪（Hf）等是合适的材料。利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程 度，U－235 裂变时所释放的能量可将循环水加热至 300℃，高温水蒸气推动 发电机发电。由此可见核电是一种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投 资虽高，但运行时就没有运送煤炭、石油这样繁重的运输工作，因此还是经 济的。所以发展核电是解决当前电力缺口的一种重要选择。但有两个问题总 是令人担忧，一是保证安全运行，二是核废料的处理。
国际上曾发生过两次重大的核电事故。1979 年 3 月 28 日美国宾夕法尼
亚州三里岛核电站，因反应堆冷却系统失灵，使堆心部分过热，致使部分放 射性物质逸入大气。但事故得到及时处理，没有引起爆炸，对人伤害不很严 重，只是核电站受到一定程度的破坏。1986 年 4 月 26 日在前苏联乌克兰基 辅市北部的切尔诺贝利核电站，因人为差错和违章操作发生猛烈爆炸，反应 堆内放射性物质大量外泄，造成大面积的环境污染，人畜伤亡惨重。放射性 伤害，轻者有白血球减少、恶心、呕吐、脱发等症状，重者则有出血、溃疡、 遗传失常、癌症等。所以核技术单位都有严格的防护措施以保工作人员的安 全。在核电站建设中必须坚定不移地执行安全第一的方针，站址要设在地质 结构稳定的岩石层，能承受地震、洪水、飓风等各种自然灾害的侵袭，反应 堆的外壳要充分考虑各种可能产生的高压高温情况，操作人员必须经过严格 培训和考核才能上岗。国际原子能委员会还组织专家对各核电站进行评审，


② 放射性核素寿命的长短，常用半衰期（t1/2）表示，即衰减一半所需 的半衰期是 30 分钟。
① 能维持链式反应铀块的最小体积叫临界体积，其质量叫临界质量，即铀块小于临界质量时爆炸不能发生。 临界质量与铀块的形状和纯度等多种因素有关。现在已知在有中子反射层的情况下，U-235 的临界质量约
为 10kg。原子弹中那两块铀都小于临界质量，当合在一起时则大于临界质量。

确保安全。总之，核能的开发，安全必须先行。我国自 1982 起决定要稳妥而 积极发展核电，第一座自行设计的 30 万千瓦核电站，建在浙江省海盐县秦山 脚下，地质构造良好，靠山临海。1995 年 7 月正式通过国家验收。第二期工 程两台 60 万千瓦机组将动工，第三期工程亦在计划中。秦山核电站的建成， 使华东地区的缺电情况有所缓解。此外在广东大亚湾引进两台 90 万千瓦的核 电站正在建设之中，辽宁建新核电站也已开始筹建。预计到 2000 年我国将有
200 多万千瓦的核电能力。
　　核电站废料的处理也是非常棘手的事情。U－235 裂变产生的碎核都具有 放射性。反应堆工作一定时间后，必需更换新燃料，卸下的放射性废料就存 在着如何处理、运输、掩埋的问题。早期曾将废料直接埋入地下，但即使掩 埋较深，久而久之地下水总会使这些放射性物质扩散。后来又将废料装在金 属桶里，外面加一层混凝土或沥青，弃于海底，在大西洋北部和太平洋北部 都有这些废料的“墓地”。经多次国际会议商讨，现在认为对用过的核燃料 中还有未燃尽的铀，应尽量回收，这样既可提高资源的利用率又减少废料的 放射性。废料中还有些有使用价值的放射性物质和非放射性物质，也应提取 分离，这些过程统称为“后处理”。其他放射性废料应装入特制容器，它具 有防震、防腐、防泄漏等特性。然后将容器深埋在荒无人烟的岩石层里，使 它长期与生物界隔离，其放射性禁锢于容器内而不扩散核污染。随着核电的 发展，核废料的处理是必须认真对待的重要问题。在反应堆的运行过程中和 核燃料的后处理过程中有许多化学问题值得深入研究。

2.6.3 核聚变和氢弹

由 2 个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时
也将释放很大的能量。例如2个氘核（2 H）在高温下可聚合生成1个氦核
（4 He）：
①

2 H ? 2 H→4 He
1 1 2
　　每克氘聚变时所释放的能量为 5.8×108kJ，大于每克 U－235 裂变时所 释放的能量（8.2×107KJ）。从能源的角度考虑，核聚变有几个方面比核裂 变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处 理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为 1.5
×10-4∶1，地球上海水总量约为 1018 吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提
炼铀容易得多。遗憾的是这个聚变反应需要非常高的温度，以克服两个带正 电的氘核之间的巨大排斥力（从理论计算，要克服这种库仑斥力需要 109 ℃ 的高温）。氢弹的制造原理，就是利用一个小的原子弹作为引爆装置，产生 瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。氢元素的几种同位素之间能发生 多种聚变反应，这种变化过程存在于宇宙之间，太阳辐射出来的巨大能量就 来源于这类核聚变。但我们目前尚没有办法在地球上利用这类核聚变发电， 怎样能取得这样高的温度？用什么材料制造反应器？怎样控制聚变过程等各 种问题尚无答案。核科学家并未放弃核聚变的研究，另外一个反应温度低些



① 冯百川.核电发展与化学.大学化学，1988（3）：

的聚变反应已引起人们的关注，它以氘和锂（Li）为原料，在特定的强磁场 中，可以发生下列聚变：
2 H ? 6 Li→24 He
1 3 2
　　此外等离子体①可控热核反应，激光技术引发核聚变等方面的研究都有一 定成果。至于是否能利用核聚变的能量发电，目前还处于实验室的初探阶段。 从能源发展的角度看，核电将逐渐成为电力工业的一个重要支柱。此外， 核技术在工业、农业、医疗、环境等领域也有广泛的应用。中国核工业总公
　　
131

125 31 60

司已开发生产了1500多种民用产品。例如53 I，53 I，15 P，29 Co等
核素在许多医院被用作诊断和治疗的有效手段。现已建立了 200 多种核医学 诊断方法，有 20 多种医疗用品进行辐照消毒。被称为无刀手术的“伽马刀” 就是将γ射线聚焦于癌变部位，γ辐射能抑止恶性细胞的生长；在农业方面 近年来应用辐照技术，为几十种农作物培育了 400 多个优良品种；在工业方 面如金属探伤、综合找矿、化工冶金等领域也都采用核 技术而取得很好的经济效益；在地质学考古学方面，14C核素是判断岩石
或出土文物年龄的探针。总之，核能和核技术已进入社会经济生活中。













































① 核素氘也叫重氢，它由 1 个质子和 1 个中子组成原子核，而氢核只 氘的同位素。

2.7 化学电源


　　电能是现代社会生活的必需品，电能是最重要的二次能源，大部分的煤 和石油制品作为一次能源用于发电。煤或油在燃烧过程中释放能量，加热蒸 汽，推动电机发电。煤（或油）燃烧过程就是它和氧气发生化学变化的过程， 所以“燃煤发电”实质是化学能→机械能→电能的过程，这种过程通常要靠 火力发电厂的汽轮机和发电机来完成。另外一种把化学能直接转化为电能 的装置，统称化学电池或化学电源。如收音机、手电筒、照相机上用的干 电池，汽车发动机用的蓄电池，钟表上用的钮扣电池等都是小巧玲珑携带方 便的日常用品。那末哪些化学体系可以设计成为实用的电池呢？
化学电池都与氧化还原反应有关。在 18 世纪末，人们把与氧化合的反应 叫氧化反应，而把从氧化物中夺取氧的反应叫还原反应。到 19 世纪中叶，有 了化合价的概念，人们把化合价升高的过程叫氧化，把化合价降低的过程叫 还原。20 世纪初建立了化合价的电子理论，人们把失电子的过程叫氧化， 得电子的过程叫还原。例如：



　　这两个式子分别代表两个氧化还原半反应，两个半反应组合成一个氧化 还原反应：
Zn+Cu2+Zn2++Cu
　　上式代表锌片和硫酸铜溶液发生置换反应生成硫酸锌和金属铜的离子反 应方程式。反应过程中电子由 Zn 转移给 Cu2+，Zn 失去电子被氧化为 Zn2+，
Zn 本身是还原剂，它使 Cu2+还原为 Cu，所以 Cu2+本身则是氧化剂。有失电子
的一方，就有得电子的一方，电子得与失一定同时发生，即氧化与还原一定 同时发生。












　　凡涉及电子转移的反应都属于氧化还原反应，若这些电子能顺一定方向 流动便成为电流。按图 2－10 所示，左边烧杯里盛硫酸锌溶液，并插入锌片， 右边烧杯里盛硫酸铜溶液，并插入铜片；两个烧杯之间用“盐桥”相联。（盐 桥是一个盛 KCl 饱和溶液胶冻的 U 形管，用以构成电子流的通路）。锌片和 铜片之间用电线相联结，中间串联一个电压表（或电流表），电表指针的偏 转证明上述装置确有电流产生，这就成为由锌电极（Zn－ZnSO4）和铜电极（Cu
－CuSO4）组成的一个电池，简称锌－铜电池。在这个装置里，锌片并没有和 CuSO4 溶液相接触，但确实可以看到在锌极发生的是 Zn 片溶解生成 Zn2+，在
铜极则有 Cu2+还原成金属铜析出在铜片上，电子由锌极流向铜极，电流方向 反之，即由铜极流向锌极，电流表指针向正方向偏转指明铜极为正极，锌极 为负极。两个电极反应分别是：

正极：Cu 2 ? ? 2e? →Cu
负极：Zn→Zn 2 ? ? 2e?
若 Zn2+和 Cu2+的浓度都是 1.0mol·L-1，用高阻抗伏特计测得两极电势差
为 1.1V，即该电池的电动势为 1.1V。若用铁片和硫酸亚铁溶液代替上述锌电 极，则组成铁－铜电池。当 Fe2+和 Cu2+浓度都是 1.0mol·L-1 时，测得电动 势为 0.75V。若以 Ag 和 AgNO3 溶液（1.0mol·L-1）代替铜电极，组成了锌－
银电池，其电动势则为 1.6V。与上述电池相关的氧化还原反应，电子流动方 向和电池电动势如下：













　　这几个反应是读者熟悉的金属置换反应，按图 2－10 所示原理可以装成 经典的化学电池，在上个世纪它们曾是实用的化学电源。
电池的电动势决定于电极得失电子的能力和溶液的浓度。电极得失电子
的能力，用“电极电势”表示，它是一类相对数据，表 2－6 列举了一些手册 里记载的水溶液中的标准电极电势 E0。其中“标准”两字是指电极反应中的 物质都处于标准状态，即溶液中离子浓度都是 1mol·L-1，气态物质的分压都
是 100kPa，温度为 298K（25℃）。以氢电极作为比较的标准，指定氢电极的
标准电极电势为零：



2H ? (1.0mol * L?1 ) ? 2e?

? H 2

(100kPa)

?
H ? /H 2

其他电极与之相比，如E?
Cu2 ? /Cu

= +0.34V，表示铜电极电势比氢电极高

0.34V；而E Zn + /Zn = －0.76V，表示锌电极电势比氢电极低0.76V。由此
可以求得铜电极电势比锌电极高 1.10V，即锌－铜电池的电动势为 1.10V。 利用表 2－6 数据，还可以判别水溶液中氧化还原反应的方向。电极反应 物质有氧化态与还原态，在书写反应方程式时，氧化态物质写在左边，得电 子变为还原态，还原态物质写在右边。电极反应的 E0 值越大，表示氧化态物
质得电子能力越大，即氧化能力越大。如表里左下方的氧化态物质 F2，Cl2，
S2O82-，MnO4-等都是很强的氧化剂。反之 E0 值越小，氧化态得电子能力越小
或还原态失电子能力越大，亦即右上方还原态物质如 K，Na，Zn 等都是强还 原剂。由此可知表中左下方的氧化态物质可以和右上方的还原态物质起反 应；反之右下方的还原态物质不能和左上方氧化态物质起反应。例如 H+和 Fe 可以起反应生成 H+和 Fe2+，而 H2 不能和 Ag 起反应，此即铁能和酸起置换反 应放出 H2，而银不能和酸起反应。同理，可以判断 Cl2 能氧化 Br-或 I-，但 Fe3+只能使 I-变为 I2，而不能使 Br-变为 Br2。化学手册里有许多常见物质的 有关 E0 值可供参考。
任何两个电极反应都可组成一个氧化还原反应，理论上都可以设计成一