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葫蘆島市初中化學(xué)教師學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)三級培訓(xùn)內(nèi)容 模塊二 學(xué)科知識與技能（三） 《化學(xué)與社會》 “葫蘆島市中小學(xué)教師學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)初中化學(xué)學(xué)科三級培訓(xùn)‘學(xué)科知識與技能’”模塊的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是：熟練掌握學(xué)科的知識體系與結(jié)構(gòu)，學(xué)科發(fā)展的歷史與趨勢，熟悉相關(guān)學(xué)科的知識范圍、性質(zhì)與相關(guān)程度，了解本學(xué)科大學(xué)的基礎(chǔ)知識，深刻地理解和吃透教材，在教學(xué)中做到深入淺出。根據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合初中化學(xué)教學(xué)的特點，我們選擇了由高等教育出版社出版的、由唐有祺 王夔（kui）主編的、面向21世紀(jì)課程教材《化學(xué)與社會》，作為主要參考書，并結(jié)合當(dāng)前化學(xué)與社會生活的密切聯(lián)系，旨在提高科學(xué)素養(yǎng)，拓寬教學(xué)視野，強化學(xué)科意識，使啟蒙階段的化學(xué)知識與生活建立有機的聯(lián)系，為實現(xiàn)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 因為時間的關(guān)系，我只選擇了一些與初中化學(xué)教學(xué)和日常生活聯(lián)系比較密切的內(nèi)容，分為十個專題，與大家一起交流學(xué)習(xí)。 專題一、化學(xué)的發(fā)展簡史 初中教材的開篇內(nèi)容是《化學(xué)使世界變得更加絢麗多彩》。這部分內(nèi)容在教學(xué)時，一般分為三個部分：化學(xué)的發(fā)展史、化學(xué)在現(xiàn)代社會中的作用、怎樣學(xué)習(xí)化學(xué)。作為化學(xué)史的內(nèi)容，我們應(yīng)該知道些什么呢？總括起來應(yīng)該有三個部分：化學(xué)的前奏、創(chuàng)建近代化學(xué)理論——探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代化學(xué)的興起與發(fā)展。 化學(xué)的前奏 （1）人類文明的起點——火的利用 在幾百萬年以前，人類過著極其簡單的原始生活，靠狩獵為生，吃的是生肉和野果。根據(jù)考古學(xué)家的考證，至少在距今50萬年以前，可以找到人類用火的證據(jù)，即北京周口店北京猿人生活過的地方發(fā)現(xiàn)了經(jīng)火燒過的動物骨骼化石。 有了火，原始人從此告別了茹毛飲血的生活。吃了熟食后人類增進了健康，智力也有所發(fā)展，提高了生存能力。后來，人們又學(xué)會了摩擦生火和鉆木取火，這樣，火就可以隨身攜帶了。于是，人們不再是火種的看管者，而成了能夠駕馭火的造火者。 火是人類用來發(fā)明工具和創(chuàng)造財富的武器，利用火能夠產(chǎn)生各種各樣化學(xué)反應(yīng)這個特點，人類開始了制陶、冶金、釀造等工藝，進入了廣闊的生產(chǎn)、生活天地。 （2）歷史悠久的工藝——制陶 陶器是什么時候產(chǎn)生的，已很難考證。對陶器的由來，說法不一，有人推測：人類最原始的生活用容器是用樹枝編成的，為了使它耐火和致密無縫，往往在容器的內(nèi)外抹上一層粘土。這些容器在使用過程中，偶爾會被火燒著，其中的樹枝都被燒掉了，但粘土不會著火，不但仍舊保留下來，而且變得更堅硬，比火燒前更好用。這一偶然事件卻給人們很大啟發(fā)。后來，人們干脆不再用樹枝做骨架，開始有意識地將粘土搗碎。用水調(diào)和，揉捏到很軟的程度，再塑造成各種形狀，放在太陽光底下曬干，最后架在篝火上燒制成最初的陶器。 大約距今1萬年以前，中國開始出現(xiàn)燒制陶器的窯，成為最早生產(chǎn)陶器的國家。陶器的發(fā)明，在制造技術(shù)上是一個重大的突破。制陶過程改變了粘土的性質(zhì)，使粘土的成分二氧化硅、三氧化二鋁、碳酸鈣、氧化鎂等在燒制過程中發(fā)生了一系列的化學(xué)變化，使陶器具備了防水耐用的優(yōu)良性質(zhì)。因此陶器不但有新的技術(shù)意義，而且有新的經(jīng)濟意義。它使人們處理食物時增添了蒸煮的辦法。陶制的紡輪、陶刀、陶銼等工具也在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用；同時陶制儲存器可以使谷物和水便于存放。因此，陶器很快成為人類生活和生產(chǎn)的必需品，特別是定居下來從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人們更是離不開陶器。 （3）冶金化學(xué)的興起 在新石器時代后期，人類開始使用金屬代替石器制造工具。使用得最多的是紅銅。但這種天然資源畢竟有限，于是，產(chǎn)生了從礦石冶煉金屬的冶金學(xué)。最先冶煉的是銅礦，約公元前3800年，伊朗就開始將銅礦石（孔雀石）和木炭混合在一起加熱，得到了金屬銅。純銅的質(zhì)地比較軟，用它制造的工具和兵器的質(zhì)量都不夠好。在此基礎(chǔ)上改進后，便出現(xiàn)了青銅器。 到了公元前3000年～公元前2500年，除了冶煉銅以外，又煉出了錫和鉛兩種金屬。往純銅中摻入錫，可使銅的熔點降低到800℃左右，這樣一來，鑄造起來就比較容易了。銅和錫的合金稱為青銅（有時也含有鉛），它的硬度高，適合制造生產(chǎn)工具。青銅做的兵器，硬而鋒利，青銅做的生產(chǎn)工具也遠比紅銅好，還出現(xiàn)了青銅鑄造的銅幣。中國在鑄造青銅器上有過很大的成就，如殷朝前期的“司母戊”鼎。它是一種禮器，是世界上最大的出土青銅器。又如戰(zhàn)國時的編鐘，稱得上古代在音樂上的偉大創(chuàng)造。因此，青銅器的出現(xiàn)，推動了當(dāng)時農(nóng)業(yè)、兵器、金融、藝術(shù)等方面的發(fā)展，把社會文明向前推進了一步。 世界上最早煉鐵和使用鐵的國家是中國、埃及和印度，中國在春秋時代晚期（公元前6世紀(jì)）已煉出可供澆鑄的生鐵。最早的時候用木炭煉鐵，木炭不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳把鐵礦石中的氧化鐵還原為金屬鐵。鐵被廣泛用于制造犁鏵、鐵镈（一種鋤草工具）、鐵錛等農(nóng)具以及鐵鼎等器物，當(dāng)然也用于制造兵器。到了公元前8世紀(jì)～公元前7世紀(jì)，歐洲等才相繼進入了鐵器時代。由于鐵比青銅更堅硬，煉鐵的原料也遠比銅礦豐富，在絕大部分地方，鐵器代替了青銅器。 （4）中國的重大貢獻——火藥和造紙 黑火藥是中國古代四大發(fā)明之一。為什么要把它叫做“黑火藥”呢？這還要從它所用的原料談起?；鹚幍娜N原料是硫黃、硝石和木炭。木炭是黑色的，因此，制成的火藥也是黑色的，叫黑火藥?；鹚幍男再|(zhì)是容易著火，因此可以和火聯(lián)系起來，但是這個“藥”字又怎樣理解呢？原來，硫磺和硝石在古代都是治病用的藥，因此，黑火藥便可理解為黑色的會著火的藥。 火藥的發(fā)明與中國西漢時期的煉丹術(shù)有關(guān)，煉丹的目的是尋求長生不老的藥，在煉丹的原料中，就有硫磺和硝石，煉丹的方法是把硫黃和硝石放在煉丹爐中，長時間地用火煉制。在許多次煉丹過程中，曾出現(xiàn)過一次又一次地著火和爆炸現(xiàn)象，經(jīng)過這樣多次試驗終于找到了配制火藥的方法。 黑火藥發(fā)明以后就與煉丹脫離了關(guān)系，一直被用在軍事上。古代人打仗，近距離時用刀槍，遠距離時用弓箭。有了黑火藥以后，從宋朝開始，便出現(xiàn)了各種新式武器，例如用弓發(fā)射的火藥包。火藥包有火球和火蒺藜兩種，用火將藥線點著，把火藥包拋出去，利用燃燒和爆炸殺傷對方。 大約在公元8世紀(jì)，中國的煉丹術(shù)傳到了阿拉伯，火藥的配制方法也傳了過去，后來又傳到了歐洲。這樣，中國的火藥成了現(xiàn)代炸藥的“老祖宗”。這是中國的偉大發(fā)明之一。 紙是人類保存知識和傳播文化的工具，是中華民族對人類文明的重大貢獻。在使用植物纖維制造的紙以前，中國古代傳播文字的方法主要有：在甲骨（烏龜?shù)母辜缀团９牵┥峡套?，即所謂的甲骨文；甲骨數(shù)量有限，后來改在竹簡或木簡上刻字?？梢姡鬃訉懙摹墩撜Z》所用的竹簡之多，份量之重是可想而知的；另外，用絲織成帛,也可以用來寫字，但大量生產(chǎn)帛卻是難以做到的。最后才有了用植物纖維制造的紙，一直流傳到今天。 1957年5月，中國考古工作者在陜西省西安市灞橋的一座古代墓葬中發(fā)現(xiàn)一些米黃色的古紙。經(jīng)鑒定這種紙主要由大麻纖維制造，其年代不會晚于漢武帝（公元前156年～公元前87年），這是現(xiàn)存的世界上最早的植物纖維紙。 提起紙的發(fā)明，人們都會想起蔡倫。他是漢和帝時的中常侍。他看到當(dāng)時寫字用的竹簡太笨重，便總結(jié)了前人造紙的經(jīng)驗，帶領(lǐng)工匠用樹皮、麻頭、破布、破魚網(wǎng)等做原料，先把它們剪碎或切斷，放在水里長時間浸泡，再搗爛成為漿狀物，然后在席子上攤成薄片，放在太陽底下曬干，便制成了紙。它質(zhì)薄體輕，適合寫字，很受歡迎。 造紙是一個極其復(fù)雜的化學(xué)工藝，它是廣大勞動人民智慧的產(chǎn)物。實際上，蔡倫之前已經(jīng)有紙了，因此，蔡倫只能算是造紙工藝的改良者。 （5）煉丹術(shù)與煉金術(shù) 當(dāng)封建社會發(fā)展到一定的階段，生產(chǎn)力有了較大提高的時候，統(tǒng)治階級對物質(zhì)享受的要求也越來越高，皇帝和貴族自然而然地產(chǎn)生了兩種奢望：第一是希望掌握更多的財富，供他們享樂；第二，當(dāng)他們有了巨大的財富以后，總希望永遠享用下去。于是，便有了長生不老的愿望。例如，秦始皇統(tǒng)一中國以后，便迫不及待地尋求長生不老藥，不但讓徐福等人出海尋找，還召集了一大幫方士（煉丹家）日日夜夜為他煉制丹砂——長生不老藥。 煉金家想要點石成金（即用人工方法制造金銀），他們認(rèn)為，可以通過某種手段把銅、鉛、錫、鐵等賤金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻?、銀等貴金屬。像希臘的煉金家就把銅、鉛、錫、鐵熔化成一種合金，然后把它放入多硫化鈣溶液中浸泡。于是，在合金表面便形成了一層硫化錫，它的顏色酷似黃金（現(xiàn)在，金黃色的硫比錫被稱為金粉，可用做古建筑等的金色涂料）。這樣，煉金家主觀地認(rèn)為“黃金”已經(jīng)煉成了。實際上，這種僅從表面顏色而不從本質(zhì)來判斷物質(zhì)變化的方法，是自欺欺人。他們從未達到過“點石成金”的目的。 虔誠的煉丹家和煉金家的目的雖然沒有達到，但是他們辛勤的勞動并沒有完全白費。他們長年累月置身在被毒氣、煙塵籠罩的簡陋的“化學(xué)實驗室”中，應(yīng)該說是第一批專心致志地探索化學(xué)科學(xué)奧秘的“化學(xué)家”。他們?yōu)榛瘜W(xué)學(xué)科的建立積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗和失敗的教訓(xùn)，甚至總結(jié)出一些化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)律。例如中國煉丹家葛洪從煉丹實踐中提出：“丹砂（硫化汞）燒之成水銀，積變（把硫和水銀二者放在一起）又還成（變成）丹砂；”這是一種化學(xué)變化規(guī)律的總結(jié)，即“物質(zhì)之間可以用人工的方法互相轉(zhuǎn)變”。 煉丹家和煉金家夜以繼日地在做這些最原始的化學(xué)實驗，必定需要大批實驗器具，于是，他們發(fā)明了蒸餾器、熔化爐、加熱鍋、燒杯及過濾裝置等。他們還根據(jù)當(dāng)時的需要，制造出很多化學(xué)藥劑、有用的合金或治病的藥，其中很多都是今天常用的酸、堿和鹽。為了把試驗的方法和經(jīng)過記錄下來，他們還創(chuàng)造了許多技術(shù)名詞，寫下了許多著作。正是這些理論、化學(xué)實驗方法、化學(xué)儀器以及煉丹、煉金著作，開挖了化學(xué)這門科學(xué)的先河。 從這些史實可見，煉丹家和煉金家對化學(xué)的興起和發(fā)展是有功績的，后世之人決不能因為他們“追求長生不老和點石成金”而嘲弄他們，應(yīng)該把他們敬為開拓化學(xué)科學(xué)的先驅(qū)。因此，在英語中化學(xué)家(chemist)與煉金家(alchemist)兩個名詞極為相近，其真正的含義是“化學(xué)源于煉金術(shù)”。 創(chuàng)建近代化學(xué)理論——探索物質(zhì)結(jié)構(gòu) 世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，但是，物質(zhì)又是由什么組成的呢？最早嘗試解答這個問題的是我國商朝末年的西伯昌（約公元前1140年），他認(rèn)為：“易有太極，易生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦?！币躁庩柊素詠斫忉屛镔|(zhì)的組成。 約公元前1400年，西方的自然哲學(xué)提出了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思想。希臘的泰立斯認(rèn)為水是萬物之母；黑拉克里特斯認(rèn)為，萬物是由火生成的；亞里士多德在《發(fā)生和消滅》一書中論證物質(zhì)構(gòu)造時，以四種“原性”作為自然界最原始的性質(zhì)，它們是熱、冷、干、濕，把它們成對地組合起來，便形成了四種“元素”，即火、氣、水、土，然后構(gòu)成了各種物質(zhì)。 上面這些論證都未能觸及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。在化學(xué)發(fā)展的歷史上，是英國的波義耳第一次給元素下了一個明確的定義。他指出：“元素是構(gòu)成物質(zhì)的基本，它可以與其他元素相結(jié)合，形成化合物。但是，如果把元素從化合物中分離出來以后，它便不能再被分解為任何比它更簡單的東西了?！? 波義耳還主張，不應(yīng)該單純把化學(xué)看作是一種制造金屬、藥物等從事工藝的經(jīng)驗性技藝，而應(yīng)把它看成一門科學(xué)。因此，波義耳被認(rèn)為是將化學(xué)確立為科學(xué)的人。 人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是永無止境的，物質(zhì)是由元素構(gòu)成的，那么，元素又是由什么構(gòu)成的呢？1803年，英國化學(xué)家道爾頓創(chuàng)立的原子學(xué)說進一步解答了這個問題。 原子學(xué)說的主要內(nèi)容有三點：①一切元素都是由不能再分割和不能毀滅的微粒所組成，這種微粒稱為原子；②同一種元素的原子的性質(zhì)和質(zhì)量都相同，不同元素的原子的性質(zhì)和質(zhì)量不同；③一定數(shù)目的兩種不同元素化合以后，便形成化合物。 原子學(xué)說成功地解釋了不少化學(xué)現(xiàn)象。隨后意大利化學(xué)家阿伏加德羅又于1811年提出了分子學(xué)說，進一步補充和發(fā)展了道爾頓的原子學(xué)說。他認(rèn)為，許多物質(zhì)往往不是以原子的形式存在，而是以分子的形式存在，例如氧氣是以兩個氧原子組成的氧分子，而化合物實際上都是分子。從此以后，化學(xué)由宏觀進入到微觀的層次，使化學(xué)研究建立在原子和分子水平的基礎(chǔ)上。 現(xiàn)代化學(xué)的興起與發(fā)展 19世紀(jì)末，物理學(xué)上出現(xiàn)了三大發(fā)現(xiàn)，即X射線、放射性和電子。這些新發(fā)現(xiàn)猛烈地沖擊了道爾頓關(guān)于原子不可分割的觀念，從而打開了原子和原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大門，揭露了微觀世界中更深層次的奧秘。 熱力學(xué)等物理學(xué)理論引入化學(xué)以后，利用化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的概念，可以判斷化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方向和條件，從而開始建立了物理化學(xué)，把化學(xué)從理論上提高到了一個新的水平。 在量子力學(xué)建立的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的化學(xué)鍵（分子中原子之間的結(jié)合力）理論，使人類進一步了解了分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，大大地促進了化學(xué)與材料科學(xué)的聯(lián)系，為發(fā)展材料科學(xué)提供了理論依據(jù)。 化學(xué)與社會的關(guān)系也日益密切?；瘜W(xué)家們運用化學(xué)的觀點來觀察和思考社會問題，用化學(xué)的知識來分析和解決社會問題，例如能源危機、糧食問題、環(huán)境污染等。 化學(xué)與其他學(xué)科的相互交叉與滲透，產(chǎn)生了很多邊緣學(xué)科，如生物化學(xué)、地球化學(xué)、宇宙化學(xué)、海洋化學(xué)、大氣化學(xué)等等，使得生物、電子、航天、激光、地質(zhì)、海洋等科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展。 化學(xué)也為人類的衣、食、住、行提供了數(shù)不清的物質(zhì)保證，在改善人民生活，提高人類的健康水平方面作出了應(yīng)有的貢獻。 現(xiàn)代化學(xué)的興起使化學(xué)從無機化學(xué)和有機化學(xué)的基礎(chǔ)上，發(fā)展成為多分支學(xué)科的科學(xué)，開始建立了以無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)和高分子化學(xué)為分支學(xué)科的化學(xué)學(xué)科?；瘜W(xué)家這位“分子建筑師”將運用善變之手，為全人類創(chuàng)造今日之大廈、明日之環(huán)宇。 化學(xué)在現(xiàn)代社會發(fā)展中的作用和地位 可以肯定地說，人類生活的各個方面，社會發(fā)展的各種需要都與化學(xué)息息相關(guān)。 首先就是我們的衣、食、住、行。色澤鮮艷的衣料需要經(jīng)過化學(xué)處理和印染，豐富多彩的合成纖維更是化學(xué)的一大貢獻。要裝滿糧袋子，豐富菜籃子，關(guān)鍵之一是發(fā)展化肥和農(nóng)藥生產(chǎn)。加工制造色香味俱佳的食品，離不開各種食品添加劑，如甜味劑、防腐劑、香料等，它們大多是用化學(xué)合成方法或用升華這種分離方法從天然產(chǎn)物中提取出來的。現(xiàn)代建筑所用的水泥、石灰、油漆、玻璃和塑料等材料都是化工產(chǎn)品。用以代步的各種現(xiàn)代交通工具，不僅需要汽油、柴油作動力，還需要各種汽油添加劑、防凍劑，以及機械部分的潤滑劑，這些無一不是石油化工產(chǎn)品。此外，人們需要的藥品，洗滌劑，美容品和化妝品等日常生活必不可少的用品也都是化學(xué)制劑。可以說我們生活在化學(xué)世界里。 再從社會發(fā)展來看，化學(xué)對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化具有重要的作用。比如，農(nóng)業(yè)要大幅度的增產(chǎn)，化肥、農(nóng)藥、植物生長激素和除草劑等化學(xué)產(chǎn)品，都是少不了的。而且高效、低污染的新農(nóng)藥的研制，長效、復(fù)合化肥的生產(chǎn)，農(nóng)、副業(yè)產(chǎn)品的綜合利用和合理貯運，也都需要應(yīng)用化學(xué)知識。 隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)水平的提高以及新的實驗手段和電子計算機的廣泛應(yīng)用，不僅化學(xué)科學(xué)本身有了突飛猛進的發(fā)展，而且由于化學(xué)與其他科學(xué)的相互滲透，相互交叉，也大大促進了其他基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展和交叉學(xué)科的形成?；瘜W(xué)已經(jīng)成為“環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)”這四大領(lǐng)域的支柱。 總之，化學(xué)與國民經(jīng)濟各個部門、尖端科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域以及人民生活各個方面都有著密切聯(lián)系。它是一門重要的基礎(chǔ)科學(xué)，它在整個自然科學(xué)中的關(guān)系和地位，正如[美]Pimentel G C在《化學(xué)中的機會——今天和明天》一書中指出的“化學(xué)是一門中心科學(xué)，它與社會發(fā)展各方面的需要都有密切關(guān)系。它不僅是化學(xué)工作者的專業(yè)知識，也是廣大人民科學(xué)知識的組成部分，化學(xué)教育的普及是社會發(fā)展的需要，是提高公民文化素質(zhì)的需要。 專題二、能源 1．能源的進化 能源、材料和信息被稱為人類社會發(fā)展的三大支柱。所謂能源是指提供能量的自然資源。根據(jù)各個歷史階段所使用的主要能源，可以分為柴草時期、煤炭時期和石油時期。 柴草時期 從火的發(fā)現(xiàn)到18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命期間，樹枝雜草一直是人類使用的主要能源。柴草不僅能燒烤食物，驅(qū)寒取暖，還被用來燒制陶器和冶煉金屬。 現(xiàn)代能源中煤炭和石油天然氣的重要性雖已居首位，但柴草作為生活能源卻從未間斷過，不少發(fā)展中國家的農(nóng)牧民至今仍以柴灶為主。在能源危機的呼喚中，這種最古老的能源品種，又以它的容易再生而再度受到關(guān)注?？梢哉f人類是在利用柴火的過程中，產(chǎn)生了支配自然的能力而成為萬物之靈的。 煤炭時期 煤炭的開采始于13世紀(jì)，而大規(guī)模開采并使其成為世界的主要能源則是18世紀(jì)中葉的事了。1769年，瓦特發(fā)明蒸汽機，煤炭作為蒸汽機的動力之源而受到關(guān)注。第一次產(chǎn)業(yè)革命期間，冶金工業(yè)、機械工業(yè)、交通運輸業(yè)、化學(xué)工業(yè)等的發(fā)展，使煤炭的需求量與日俱增，直至20世紀(jì)40年代末，在世界能源消費中煤炭仍占首位。煤是發(fā)熱量很高的一種固體燃料。它的主要成分是碳(C)，還有一定量的氧(H)和少量的氧(0)、氮(N)、硫(S)和磷(P)等。煤是既含有機物也含無機物的復(fù)雜混合物。煤可以直接當(dāng)燃料使用，但從物盡其用的角度來看，應(yīng)多提倡煤的綜合利用。例如煤經(jīng)過干餾(隔絕空氣情況下強熱)，可以分別得到焦炭、煤焦油和焦?fàn)t氣。焦炭可以供煉鐵用；煤焦油可提取苯、萘、酚等多種化工原料：從焦?fàn)t氣中也可提取一定量的化工原料，也可直接作為氣體燃料，其污染性遠低于直接燒煤。 煤炭的利用使人類獲得了更高的溫度，推動了金屬冶煉技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)革命后100多年生產(chǎn)力的發(fā)展促進了人類近代社會的進步。 石油時期 第二次世界大戰(zhàn)之后，在美國、中東、北非等地區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了大油田及伴生的天然氣，每噸原油產(chǎn)生的熱量比每噸煤高一倍。石油煉制得到的汽油、柴油等是汽車、飛機用的內(nèi)燃機燃料。世界各國紛紛投資石油的勘探和煉制，新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，石油產(chǎn)品的成本大幅度降低，發(fā)達國家的石油消費量猛增。到60年代初期，在世界能源消費統(tǒng)計表里，石油和天然氣的消耗比例開始超過煤炭而居首位。 2．能源的分類和能量的轉(zhuǎn)化 能源品種繁多，按其來源可以分為三大類：一是來自地球以外的太陽能，除太陽的輻射能之外，煤炭、石油、天然氣、水能、風(fēng)能等都間接來自太陽能；第二類來自地球本身，如地?zé)崮?，原子核?核燃料鈾、釷等存在于地球自然界)；第三類則是由月球、太陽等天體對地球的引力而產(chǎn)生的能量，如潮汐能。 能源工作者常用的分類方法如下圖所示。 一次能源 指在自然界現(xiàn)成存在，可以直接取得且不必改變其基本形態(tài)的能源，如煤炭、天然氣、地?zé)?、水能等。由一次能源?jīng)過加工或轉(zhuǎn)換成另一種 形態(tài)的能源產(chǎn)品，如電力、焦炭、汽油、柴油、煤氣等屬于二次能源。 常規(guī)能源 也叫傳統(tǒng)能源，就是指已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛利用的能源。如煤炭、石油、天然氣、核能等都屬一次性非再生的常規(guī)能源。而水電則屬于再生能源，如葛洲壩水電站和三峽水電站，只要長江水不干涸，發(fā)電也就不會停止。煤和石油天然氣則不然，它們在地殼中是經(jīng)千百萬年形成的(按現(xiàn)在的采用速率，石油可用幾十年，煤炭可用幾百年)，這些能源短期內(nèi)不可能再生，因而人們對此有危機感是很自然的。 新能源 指以新技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)開發(fā)利用的能源。其中最引人注目的是太陽能的利用。據(jù)估計太陽輻射到地球表面的能量是目前全世界能量消費的1.3萬倍。如何把這些能量收集起來為我們所用，是科學(xué)家們十分關(guān)心的問題。植物的光合作用是自然界“利用”太陽能極為成功的范例。它不僅為大地帶來了郁郁蔥蔥的森林和養(yǎng)育萬物的糧菜瓜果，地球蘊藏的煤、石油、天然氣的起源也與此有關(guān)。尋找有效的光合作用的模擬體系、利用太陽能使水分解為氫氣和氧氣及直接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿榷际钱?dāng)今科學(xué)技術(shù)的重要課題，一直受到各國政府和工業(yè)界的支持與鼓勵。 以上是從能源的使用進行分類的方法，若從物質(zhì)運動的形式看，不同的運動形式，各有對應(yīng)的能量，如機械能(包括動能和勢能)、熱能、電能、光能等等。各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化，如動能可與勢能互相轉(zhuǎn)化(建筑工地打夯的落錘的上、下運動所包括的能量轉(zhuǎn)化過程)；化學(xué)能可與電能互相轉(zhuǎn)化(化學(xué)電池和電解就是實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的兩種過程)。在能量相互轉(zhuǎn)化過程中，盡管做功的效率因所用工具或技術(shù)不同而有差別，但是折算成同種能量時，其總值卻是不變的，這就是能量轉(zhuǎn)化和能量守恒定律，這是自然界中一條極為基本的定律 (另一條為質(zhì)量守恒定律)，也是識破各式各樣永動機的有力判據(jù)。在能量轉(zhuǎn)化過程過中，未能做有用功的部分稱為“無用功”，通常以熱的形式表現(xiàn)。 物質(zhì)體系中，分子的動能、勢能、電子能量和核能等的總和稱為內(nèi)能。內(nèi)能的絕對值至今尚無法直接測定，但體系狀態(tài)發(fā)生變化時，內(nèi)能的變化以功或熱的形式表現(xiàn)，它們是可以被精確測量的。體系的內(nèi)能、熱效應(yīng)和功之間的關(guān)系式為 △U=Q+W 其中△U是體系內(nèi)能的變化，Q是體系從外界吸收的熱量，w是外界對體系所做的功。這就是著名的熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式，也就是能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達式。應(yīng)用上述公式時，要注意各種物理量的正、負號，即 △u——(+)體系內(nèi)能增加 (一)體系內(nèi)能體系減少 Q——(+)體系吸收熱量 (一)體系放出能量 w——(+)外界對體系做功(一)體系對外界做功 能源的利用。其實就是能量的轉(zhuǎn)化過程。如煤燃燒放熱使蒸汽溫度升高的過程就是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽內(nèi)能的過程；高溫蒸汽推動發(fā)電機發(fā)電的過程是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能的過程；電能通過電動機可轉(zhuǎn)化為機械能；電能通過白熾燈泡或熒光燈管可轉(zhuǎn)化為光能；電能通過電解槽可轉(zhuǎn)化為化學(xué)能等等。柴草、煤炭、石油和天然氣等常用能源所提供的能量都是隨化學(xué)變化而產(chǎn)生的，多種新能源的利用也與化學(xué)變化有關(guān)。而化學(xué)變化的實質(zhì)是化學(xué)鍵的改組。這些常用能源的主要成分為碳元素及其化合物。 3．碳元素及其化合物 我們應(yīng)該知道以下碳及其化合物： 單質(zhì)碳：金剛石、石墨、球碳（C60、C50、C70、C84、C120等）。 烴類——碳氫化合物：烷烴、烯烴、炔烴、芳烴。 烴的衍生物： 4．煤 煤是由遠古時代的植物經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)、物理化學(xué)和地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的固體可燃物。現(xiàn)代的成煤理論認(rèn)為煤化過程是：植物→泥煤（含碳50%）→褐煤（含碳50%-70%）→煙煤（含碳70%-85%）→無煙煤（含碳85%-95%）。 煤的化學(xué)組成雖然各有差別，根據(jù)目前公認(rèn)的平均組成而折算成原子比，可以用C135H96O9NS來代表。 5．石油和天然氣 石油有“工業(yè)的血液”、“黑色的黃金”等美譽。自本世紀(jì)50年代開始，在世界能源消費結(jié)構(gòu)中，石油躍居首位。石油產(chǎn)品的種類已超過幾千種。石油是國家現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略物資，許多國際爭端往往與石油資源有關(guān)?，F(xiàn)代生活中的衣、食、住、行直接地或間接地與石油產(chǎn)品有關(guān)。 石油和天然氣的成因 對此有過多種論點。現(xiàn)在認(rèn)為，石油是由遠古海洋或湖泊中的動植物遺體在地下經(jīng)過漫長的復(fù)雜變化而形成棕黑色粘稠液態(tài)混合物，其沸點范圍從室溫到500℃以上。未經(jīng)處理的石油叫原油，它分布很廣，世界各大洲都有石油的開采和煉制。就目前已查明的儲量看，重要的含油帶集中在北緯20?！?8。之間，世界上兩個最大的產(chǎn)油帶，一個叫長科迪勒地帶，北起阿拉斯加和加拿大經(jīng)美國西海岸到南美委內(nèi)瑞拉、阿根廷；另一個叫特提斯地帶，從地中海經(jīng)中東到印度尼西亞。這兩個地帶在地質(zhì)變化過程中曾都是海槽，因此曾有“海相成油”學(xué)說。 石油中所含化合物種類繁多。必須經(jīng)過多步煉制才能使用。石油煉制的主要過程有：分餾、裂化、重整、精制等。 6．核能(原子能) 原子由帶正電荷的原子核和核外帶負電荷的電子組成。普通化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)來源于外層電子重排時鍵能的變化，而原子核及內(nèi)層電子并沒有變化另外還有一類反應(yīng)的熱效應(yīng)卻來源于原子核的變化，這類反應(yīng)叫核反應(yīng)。核反應(yīng)可分為核衰變、核裂變和核聚變?nèi)箢悺?g鐳(Ra)在衰變過程中釋放的能量是1 g鐳和足量氯氣(C12)起反應(yīng)生成RaCl2時所釋放能量的50萬倍。1g鈾—235(92U)發(fā)生裂變時釋放能量為810’kJ，1g氘(1H)發(fā)生聚變時釋放的能量是6100 kJ。而1g煤完全燃燒時釋放的能量僅為30kJ。核反應(yīng)過程中由于原子核的變化，而伴隨著巨大的能量變化，所以核能也叫原子能。認(rèn)識核反應(yīng)和研究核能的利用就成為處理能源問題時必須考慮的一個方面。 這里我們應(yīng)該了解以下幾個概念（原理）： 核衰變——U、Po、Ra原子核不穩(wěn)定，能自發(fā)地放出輻射，而變成另一種原子核的過程。 核裂變——原子核受高能中子轟擊時，分裂為質(zhì)量相關(guān)不多的兩種核素，同時又產(chǎn)生幾個中子并釋放大量的能量。 核電站、原子彈——連續(xù)核裂變釋放出巨大的核能，若人工控制使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在一定程度上連續(xù)進行，用產(chǎn)生的能量加熱水蒸氣，推動發(fā)電機，這是建設(shè)核電站的基本原理；若讓裂變釋放的能量不斷積聚，最后則可以在瞬間釀成巨大的爆炸，這是制造原子彈的原理。 7．化學(xué)電源 電能是現(xiàn)代社會生活的必需品，電能是最重要的二次能源，大部分的煤和石油制品作為一次能源用于發(fā)電。煤或油在燃燒過程中釋放能量，加熱蒸汽，推動電機發(fā)電。煤(或油)燃燒過程就是它和氧氣發(fā)生化學(xué)變化的過程。所以“燃煤發(fā)電”實質(zhì)是化學(xué)能→機械能→電能的過程，這種過程通常要靠火力發(fā)電廠的汽輪機和發(fā)電機來完成。另外一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，統(tǒng)稱化學(xué)電池或化學(xué)電源。如收音機、手電筒、照相機上用的干電池，汽車發(fā)動機用的蓄電池，鐘表上用的鈕扣電池等都是小巧玲瓏攜帶方便的日常用品。 化學(xué)電池都與氧化還原反應(yīng)有關(guān)。20世紀(jì)初建立了化合價的電子理論，人們把失電子的過程叫氧化，得電子的過程叫還原。下面就是銅-鋅電池示意圖。 化學(xué)電池的主要部分是電解質(zhì)溶液，和浸在溶液中的正極和負極，使用時將兩極用導(dǎo)線接通，就有電流產(chǎn)生，因而獲得電能?；瘜W(xué)電池放電到一定程度，電能減弱，有的經(jīng)充電復(fù)原又可使用，這樣的電池叫蓄電池，如鉛蓄電池、銀鋅電池等；有的不能充電復(fù)原，稱為原電池，如干電池、燃料電池等。 下面介紹化學(xué)電池的種類： 1．干電池：普通鋅錳干電池的簡稱，在一般手電筒中使用的鋅錳干電池，是用鋅皮制成的鋅筒作負極兼做容器，中央插一根碳棒作正極，碳棒頂端加一銅帽。在石墨碳棒周圍填滿二氧化錳和炭黑的混合物，并用離子可以通過的長纖維紙包裹作隔膜，隔膜外是用氯化鋅、氯化銨和淀粉等調(diào)成糊狀作電解質(zhì)溶液；電池頂端用蠟和火漆封口。在石墨周圍填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作電解質(zhì)，還填有MnO2作去極化劑(吸收正極放出的H2，防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象，即作去極劑)，淀粉糊的作用是提高陰、陽離子在兩個電極的遷移速率。 電極反應(yīng)為：負極 Zn－2 e- ＝Zn2+ 正極 2 ＋2 e- ＝2NH3＋H2 H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O 正極產(chǎn)生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[Zn(NH3)4]2+ 干電池的總反應(yīng)式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝Zn(NH3)2Cl2＋Mn2O3＋H2O 或2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝[Zn(NH3)2]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O 正極生成的氨被電解質(zhì)溶液吸收，生成的氫氣被二氧化錳氧化成水。干電池的電壓1.5 V—1.6 V。在使用中鋅皮腐蝕，電壓逐漸下降，不能重新充電復(fù)原，因而不宜長時間連續(xù)使用。這種電池的電量小，在放電過程中容易發(fā)生氣漲或漏液。而今體積小，性能好的堿性鋅—錳干電池是電解液由原來的中性變?yōu)殡x子導(dǎo)電性能更好的堿性，負極也由鋅片改為鋅粉，反應(yīng)面積成倍增加，使放電電流大加幅度提高。堿性干電池的容量和放電時間比普通干電池增加幾倍。 2．鉛蓄電池：鉛蓄電池可放電亦可充電，具有雙重功能。它是用硬橡膠或透明塑料制成長方形外殼，用含銻5%～8%的鉛銻合金鑄成格板，在正極格板上附著一層PbO2，負極格板上附著海綿狀金屬鉛，兩極均浸在一定濃度的硫酸溶液(密度為1.25—1.28 g / cm3)中，且兩極間用微孔橡膠或微孔塑料隔開。放電的電極反應(yīng)為： 負極：Pb＋ －2e- ＝PbSO4↓ 正極：PbO2＋4H+＋ ＋2e- ＝PbSO4↓＋2H2O 鉛蓄電池的電壓正常情況下保持2.0 V，當(dāng)電壓下降到1.85 V時，即當(dāng)放電進行到硫酸濃度降低，溶液密度達1.18 g / cm3時即停止放電，而需要將蓄電池進行充電，其電極反應(yīng)為： 陽極：PbSO4＋2H2O－2e- ＝PbO2＋4H+＋ 陰極：PbSO4＋2e- ＝Pb＋ 當(dāng)密度增加至1.28 g / cm3時，應(yīng)停止充電。這種電池性能良好，價格低廉，缺點是比較笨重。 蓄電池放電和充電的總反應(yīng)式：PbO2＋Pb＋2H2SO4== 2PbSO4↓＋2H2O 目前汽車上使用的電池，有很多是鉛蓄電池。由于它的電壓穩(wěn)定，使用方便、安全、可靠，又可以循環(huán)使用，因此廣泛應(yīng)用于國防、科研、交通、生產(chǎn)和生活中。 3．銀鋅蓄電池 銀鋅電池是一種高能電池，它質(zhì)量輕、體積小，是人造衛(wèi)星、宇宙火箭、空間電視轉(zhuǎn)播站等的電源。目前，有一種類似干電池的充電電池，它實際是一種銀鋅蓄電池，電解液為KOH溶液。 常見的鈕扣電池也是銀鋅電池，它用不銹鋼制成一個由正極殼和負極蓋組成的小圓盒，盒內(nèi)靠正極盒一端充由Ag2O和少量石墨組成的正極活性材料，負極蓋一端填充鋅汞合金作負極活性材料，電解質(zhì)溶液為KOH濃溶液，溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜，將電極與電解質(zhì)溶液隔開。 負極：Zn＋2OH-－2e- ＝Zn(OH)2 正極：Ag2O＋H2O＋2e- ＝2Ag＋2OH- 銀鋅電池跟鉛蓄電池一樣，在使用(放電)一段時間后就要充電，充電過程表示如下： 陽極：2Ag＋2OH-－2e- ＝Ag2O＋H2O 陰極：Zn(OH)2＋2e- ＝Zn＋2OH- 總反應(yīng)式：Zn＋Ag2O＋H2O = Zn(OH)2＋2Ag 一粒鈕扣電池的電壓達1.59 V，安裝在電子表里可使用兩年之久。 4．燃料電池：燃料電池是使燃料與氧化劑反應(yīng)直接產(chǎn)生電流的一種原電池，所以燃料電池也是化學(xué)電源。它與其它電池不同，它不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯存在電池內(nèi)，而是在工作時，不斷地從外界輸入，同時把電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。因此，燃料電池是名符其實地把能源中燃料燃燒反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)換器”。燃料電池的正極和負極都用多孔炭和多孔鎳、鉑、鐵等制成。從負極連續(xù)通入氫氣、煤氣、發(fā)生爐煤氣、水煤氣、甲烷等氣體；從正極連續(xù)通入氧氣或空氣。電解液可以用堿(如氫氧化鈉或氫氧化鉀等)把兩個電極隔開。化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物和燃燒時的產(chǎn)物相同。燃料電池的特點是能量利用率高，設(shè)備輕便，減輕污染，能量轉(zhuǎn)換率可達70%以上。 當(dāng)前廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)的一種典型燃料電池就是氫氧燃料電池，它是一種高效低污染的新型電池，主要用于航天領(lǐng)域。它的電極材料一般為活化電極，碳電極上嵌有微細分散的鉑等金屬作催化劑，如鉑電極、活性炭電極等，具有很強的催化活性。電解質(zhì)溶液一般為40%的KOH溶液。 電極反應(yīng)式為：負極——H2 2H 2H＋2OH-－2e- ＝2H2O 正極——Ｏ2＋2H2O＋4e- ＝4OH- 電池總反應(yīng)式為：2H2＋Ｏ2＝2H2O 另一種燃料電池是用金屬鉑片插入KOH溶液作電極，又在兩極上分別通甲烷(燃料)和氧氣(氧化劑)。電極反應(yīng)式為： 負極：CH4＋10OH－－8e- ＝＋7H2O； 正極：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH-。 電池總反應(yīng)式為：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 目前已研制成功的鋁—空氣燃料電池，它的優(yōu)點是：體積小、能量大、使用方便、不污染環(huán)境、耗能少。這種電池可代替汽油作為汽車的動力，還能用于收音機、照明電源、野營炊具、野外作業(yè)工具等。 5．鋰電池：鋰電池是金屬鋰作負極，石墨作正極，無機溶劑亞硫酰氯(SO2Cl2)在炭極上發(fā)生還原反應(yīng)。電解液是由四氯鋁化鋰(LiAlCl4)溶解于亞硫酰氯中組成。它的總反應(yīng)是鋰與亞硫酰氯發(fā)生反應(yīng)，生成氯化鋰、亞硫酸鋰和硫。 8Li＋3SO2Cl2＝6LiCl＋Li2SO3＋2S 鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負極，跟用相同質(zhì)量的其它金屬作負極相比較，能在較小的體積和質(zhì)量下能放出較多的電能，放電時電壓十分穩(wěn)定，貯存時間長，能在216.3—344.1K溫度范圍內(nèi)工作，使用壽命大大延長。鋰電池是一種高能電池，它具有質(zhì)量輕、電壓高、工作效率高和貯存壽命長的優(yōu)點，因而已用于電腦、照相機、手表、心臟起博器上，以及作為火箭、導(dǎo)彈等的動力資源。 微型電池：常用于心臟起搏器和火箭的一種微型電池是鋰電池。這種電池容量大，電壓穩(wěn)定，能在-56.7℃—71.1℃溫度范圍內(nèi)正常工作。 6．海水電池 1991年，我國首創(chuàng)以鋁─空氣─海水電池為能源的新型電池，用作海水標(biāo)志燈已研制成功。該電池以取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，靠空氣中的氧氣使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，就會發(fā)出耀眼的白光，其能量比干電池高20─50倍。負極材料是鋁，正極材料可以用石墨。 電極反應(yīng)式為：負極反應(yīng)：Al－3e- ＝Al3+， 正極反應(yīng)：2H2O＋O2＋4e- ＝4OH-。 電池總反應(yīng)式為：4Al＋3O2＋6H2O＝4Al(OH)3 7．溴—鋅蓄電池 國外新近研制的的基本構(gòu)造是用碳棒作兩極，溴化鋅溶液作電解液。 電極反應(yīng)式為：負極反應(yīng)：Zn－2e-＝Zn2+ 正極反應(yīng)：Br2＋2e-＝2Br- 電池總反應(yīng)式為：Zn＋Br2＝ZnBr2 專題三、化學(xué)鍵理論 化學(xué)鍵是指兩個相鄰原子之間強烈的相互作用力?；瘜W(xué)變化的實質(zhì)是原子的重新排列組合，而化學(xué)變化過程是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過程?；瘜W(xué)鍵的基本類型有三種：離子鍵、共價鍵和金屬鍵。 離子鍵：正負電荷間強烈的靜電作用被稱為離子鍵。由離子鍵形成的化合物叫離子化合物。電負性差別越大的原子間越容易形成離子化合物。 共價?。河晒灿秒娮訉π纬砂穗娮臃€(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種原子間的作用力稱為共價鍵。 金屬鍵：自由電子和金屬原子間產(chǎn)生沒有方向性的“膠合“作用力，稱為金屬鍵。 專題四、環(huán)境與環(huán)境污染 1．人類環(huán)境與生態(tài)平衡 2．自然界中化學(xué)物質(zhì)的循環(huán) 自然環(huán)境可分為四個圈層：生物圈、大氣圈、水圈和巖石圈。總稱為生態(tài)圈。它們之間有著復(fù)雜的物質(zhì)交換和能量交換關(guān)系。 生物圈、大氣圈、水圈和巖石圈中的無機物交換示意圖 根據(jù)放射性同位素推算，地球的年齡約為46億年，自然環(huán)境發(fā)展歷史可劃分為地球的形成、生物的形成和人類的出現(xiàn)三個階段。 地球的形成 地殼內(nèi)部大量放射性元素的裂變和衰變所釋放出的能量積聚和迸發(fā)，隕星對地表的頻繁撞擊等，導(dǎo)致了地球火山的強烈活動，使地球溫度升高，出現(xiàn)局部熔融，重元素沉入地心，輕物質(zhì)浮升到地表，逐漸形成地殼（巖石圈）、地幔和地核等層次。與此同時，被禁錮在地球內(nèi)部的氣體不斷迸發(fā)出來，形成原始大氣圈，其主要成分為H2O、CO、CO2、CH4和N2等，當(dāng)時不含有氧氣，這是一個還原性大氣圈。水氣凝結(jié)后，在低凹處匯聚成海洋（水圈），地表水呈酸性。上述過程歷時約10-15億年。顯然，早期地表環(huán)境的顯著特征是缺氧，也沒有臭氧層，太陽輻射中的高能紫外線可直接射到地面上。 生物的形成 在太陽能和地?zé)崮艿淖饔孟拢唵螣o機化合物和甲烷等化合物形成了簡單有機化合物，并逐步演化為生物大分子（如蛋白質(zhì)、多糖等），為生命的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。大氣中O2的積累主要是依賴于生物的光合作用。原始海洋中的蛋白質(zhì)、氨基酸首先形成無氧呼吸的細菌（原生物），并逐步深化為含有葉綠素的藻類，在水體中進行光合作用放出游離氧。經(jīng)歷了20多億年的進化，終于在6億年前出現(xiàn)了海洋的生物群，4億年前形成了水陸生物和藻類的生命系統(tǒng)，逐漸形成了生物圈。游離氧的出現(xiàn)促進了生命的進化，并使地球在4億年前出現(xiàn)了能屏蔽太陽強烈紫外線輻射的臭氧層，保護了陸地植物的生長。陸地植物的生長和微生物的作用，產(chǎn)生了土壤層。土壤是巖石與植物相互作用下的產(chǎn)物。土壤層的形成，又使易于流失的養(yǎng)分在地表上富集起來，從而促使陸地植物更加繁盛，保證了生物圈的發(fā)展與繁榮。 人類的出現(xiàn) 人類出現(xiàn)距工業(yè)革命約300萬年。在這300萬年中人類活動對環(huán)境的化學(xué)演化的影響并不明顯。而工業(yè)革命至今不過200年，特別是近幾十年，自然資源和能源的開發(fā)速度和規(guī)模都是驚人的，不僅將地下礦藏大量移至地表，把本來固定在巖石中的元素變成了可以進入生態(tài)環(huán)境和人體的形態(tài)，而且將大量的工業(yè)廢物排入大氣、水體和土壤環(huán)境中，大大加速了化學(xué)物質(zhì)在自然環(huán)境中的遷移，而且迅速改變了各圈層中化學(xué)物質(zhì)的組成和數(shù)量。更值得注意的是人口劇增對環(huán)境造成的沖擊。人類為了自身的需要，不斷地向大自然索取，并對與環(huán)境的協(xié)調(diào)長期失去控制，從而引發(fā)了近年來倍受關(guān)注的環(huán)境問題。 人類和其他生物生存的生物圈是在大氣圈、水圈和巖石圈的交匯處。生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)就是自然界的各種化學(xué)元素，通過被植物吸收而從環(huán)境進入生物界，并隨著生物之間的營養(yǎng)關(guān)系而流轉(zhuǎn)，又通過排泄物和尸體的降解再回到環(huán)境中去。如此周而復(fù)始，循環(huán)不息。 水循環(huán) 所有生物機體組成中都含有水，自然界中絕大多數(shù)生物及非生物的變化多在水中進行。沒有水參與循環(huán)，就沒有生態(tài)系統(tǒng)的功能，生命就不能維持：水約占地球表面的70％，水為物質(zhì)間的反應(yīng)提供了適宜的場所，成為物質(zhì)傳遞的介質(zhì)。水參加的植物的光合作用，既制造了維持生命的必需營養(yǎng)物糖類 地球上的海洋、河流等水體不斷蒸發(fā)，生成的水汽進入大氣，遇冷凝結(jié)成 雨、雪等返回地表，其中一部分匯集在江、湖，重新流人海洋，另一部分滲入土壤或松散巖層，有些成為地下水，有些被植物吸收。被植物吸收的部分，除少量結(jié)合在植物體內(nèi)外，大部分通過液面蒸發(fā)返回大氣。下圖為水循環(huán)示意圖。由此可見，水的自然循環(huán)是依靠其氣、液、固三態(tài)易于轉(zhuǎn)化的特性，借太陽輻射和重力作用提供轉(zhuǎn)化和運動能量來實現(xiàn)的。 水循環(huán)示意圖 氮循環(huán) 氮是蛋白質(zhì)的基本組成元素之一。所有生物體均含有蛋白質(zhì)，所以氮的循環(huán)涉及到生物圈的全部領(lǐng)域。氮是地球上極為豐富的一種元素，在大氣中約占78％。氮在空氣中含量雖高，卻不能為多數(shù)生物體所直接利用，必須通過固氮作用。固氮作用的兩條主要途徑，一是通過閃電或化學(xué)合成等高能固氮，形成的硝酸鹽和氨，隨降水落到地面；二是生物固氮，如豆科植物根部的根瘤油菌可使氨氣轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}等。植物從土壤中吸收銨離子(銨肥)和硝酸鹽，并經(jīng)復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化形成各種氨基酸，然后由氨基酸合成蛋白質(zhì)。動物以植物為食而獲得氮并轉(zhuǎn)化為動物蛋白質(zhì)。動植物死亡后的遺骸中的蛋白質(zhì)被微生物分解成銨離子(NH4+)、硝酸根離子(NO3-)和氨(NH3)又回到土壤和水體中，被植物再次吸收利用。下圖為氮循環(huán)示意圖。 氮 氮循環(huán)示意圖 碳循環(huán) 碳是構(gòu)成生物體的基本元素之一，也是構(gòu)成地殼巖石和煤、石油、天然氣的主要元素。碳的循環(huán)主要是通過CO2來進行的。它可分為三種形式：第一種形式是植物經(jīng)光合作用將大氣中的O2和H2O化合生成碳水化合物(糖類)，在植物呼吸中又以CO2返回大氣中被植物再度利用；第二種形式是植物被動物采食后，糖類被動物吸收，在體內(nèi)氧化生成CO2，并通過動物呼吸釋放回大氣中又可被植物利用；第三種形式是煤、石油和天然氣等燃燒時，生成CO2，它返回大氣中后重新進入生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。下圖為碳循環(huán)示意圖。 碳循環(huán)示意圖 氧循環(huán) 由于氧在自然界中含量豐富，分布廣泛，而且性質(zhì)活潑，環(huán)境中處處有氧 (游離態(tài)或化合態(tài))，所以氧在自然界中的循環(huán)最復(fù)雜。上述的幾種循環(huán)中都包含了一部分氧循環(huán)。實際上各種物質(zhì)的循環(huán)都是相互關(guān)聯(lián)的，分別敘述僅僅是為了突出主導(dǎo)線索以利討論。下圖是氧在自然界中的主要循環(huán)途徑及有關(guān)反應(yīng)。 氧循環(huán)示意圖 3．大氣污染 汽車尾氣：其有害成分主要有CO、NOx、SO2、HC（主要是燃料本身和未完全燃燒而生成的烴類及其衍生物）、顆粒物和臭氧等。 光化學(xué)煙霧：大氣中的HC和Nox等一次污染物，在陽光中紫外線照射下能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，衍生各種二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物（氣體和顆粒物）所形成的煙霧污染現(xiàn)象，稱為光化學(xué)煙霧。NOx是這種煙霧的主要成分，又因其1946年首次出現(xiàn)在美國洛杉磯，因此又稱為洛杉磯型煙霧。 酸雨：雨水中因溶解部分CO2而顯酸性，其pH在6-7之間。這種微弱的酸性可使土壤的養(yǎng)分溶解，供生物吸收，這是有利一人類環(huán)境的。酸雨通常是指pH小于5.6的降水，是大氣污染現(xiàn)象之一。首先用酸雨這個名詞的人是英國化學(xué)家史密斯。1852年，他發(fā)現(xiàn)在工業(yè)化城市曼徹斯特上空的煙塵污染與雨水的酸性有一定的關(guān)系，報導(dǎo)過該地區(qū)的雨水呈酸性，并于1872年編著的科學(xué)菱中首先用了“酸雨”這一術(shù)語。 酸雨的形成是一個復(fù)雜的大氣化學(xué)和大氣物理過程，主要是由廢氣中的SOx和NOx造成的。汽油和柴油都有含硫化合物，燃燒時放出SO2，金屬硫化物礦在冶煉過程也要釋放出大量的SO2。這些SO2通過氣相或液相的氧化反應(yīng)（大氣中的煙塵、O3等物質(zhì)則起催化劑的作用）產(chǎn)生硫酸。 而氮的氧化物NO和空所氣中的O2化合為NO2，NO2遇水則生成硝酸和亞硝酸。 溫室效應(yīng)加?。旱厍虼髿鈱又械腃O2和水蒸氣等允許部分太陽輻射（短波輻射）透過并到達地面，使地球表面溫度升高；同時巖石氣又能吸收太陽和地球表面發(fā)出的長波輻射，僅讓很少的一部分熱輻射散失到宇宙空間。由于大氣吸收的輻射熱量多于散失的，最終導(dǎo)致地球保持相對穩(wěn)定的氣溫，這種現(xiàn)象稱為溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)是地球上生命賴以生存的必要條件（即保護作用）。但是由于人人口激增、人類活動頻繁，化石燃料的乃是猛增，加上森林面積因濫砍濫伐而急劇減少，導(dǎo)致了大氣中CO2和各種氣體微粒含量不斷增加，致使CO2吸收及反射回地面的長波輻射能增多，引起地球表面氣溫上長，造成了溫室交談加劇，氣候變暖。因此CO2量的增加，被認(rèn)為是大氣污染對于氣候產(chǎn)生影響的主要原因。但溫室氣體并非只有CO2，還有H2O、CH4、CFC（氟氯烴，必種氟氯代甲烷及乙烷的總稱，商品名所氟里昂）等。研究溫室氣體對全球變暖的影響時，主要考慮以下三個因素：一是在大氣中的濃度。大氣中多原子分子濃度最大的是CO2，它是主要的溫室氣體，濃度年增長率為0.5%；二是增長趨勢。雖然H2O的濃度在溫室氣體中居第二位，但是濃度增長不明顯，則對溫室效應(yīng)的增強影響不大，所以人們在談?wù)撊蜃兣瘯r，都未提到H2O；三是各種分子吸收紅外線輻射的能力。如CFC分子吸收紅外輻射的能力是CO2分子的幾千倍。因此，要防止全球變暖，應(yīng)從控制溫室氣體的排放入手。 臭氧層空洞：在高層大氣中（高度范圍給離地面15Km-25Km），由氧吸收太陽紫外線輻射而生成可觀量的臭氧（O3）。當(dāng)O3的濃度在大氣中達到最大值時，就形成厚度約20Km的臭氧層。臭氧能吸收波長在220nm-330nm范圍內(nèi)的紫外光，從而防止這種高能紫外線對一地球球上生物的傷害。 過去人類的活動尚未達到平流層（海拔約30Km）的高度，而臭氧層主要分布在距地面15Km-25Km的大氣層中，所以未受到重視。近年來不斷測量的結(jié)果證實臭氧層已經(jīng)開始變薄，乃至出現(xiàn)空洞。1985年，發(fā)現(xiàn)南極上方出現(xiàn)了面積與美國大陸相近的臭氧層空洞，1989年又發(fā)現(xiàn)北極上空正在形成另一個臭氧層空洞。此后發(fā)現(xiàn)空洞并非固定在一個區(qū)域內(nèi)，而是每年在移動，且面積不斷擴大。臭氧層變薄和出現(xiàn)空洞，就意味著有更多的紫外輻射線到達地面。 4．水體污染——水中主要污染物： 無機污染物：含氟、氮、磷、砷、硼、硒、鎘、鉻、鋅、鉛等化合物。 有機污染物：酚、氰、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、取代苯類化合物 農(nóng)藥污染物：DDT、六六六、敵百蟲、敵敵畏等。 水體富營養(yǎng)化：水體中硝酸鹽含量增加，使水體中生物營養(yǎng)元素增多。當(dāng)聚集到一定程度后，水體過分肥沃，藻類系列特別迅速，使水生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。這種現(xiàn)象就稱為水體富營養(yǎng)化。如發(fā)生在江河、湖泊中稱為水華，在海洋上則稱為赤潮。 5．食品污染 有戲言說，“中國人在食品污染中完成了化學(xué)掃盲”：從大米里我們認(rèn)識了石蠟；從火腿里我們認(rèn)識了敵敵畏；從咸鴨蛋、辣椒醬里我們認(rèn)識了蘇丹紅；從火鍋里我們認(rèn)識了福爾馬林；從銀耳、蜜棗里我們認(rèn)識了硫磺；從木耳中認(rèn)識了硫酸銅；從牛奶中認(rèn)識了三聚氰胺。 食品從作物栽培、收獲、貯存、加工、運輸銷售、烹調(diào)直至食用，經(jīng)過的環(huán)節(jié)多，周期長，在此過程中有害于人體健康的化學(xué)毒物和病菌都有可能污染食品。按污染物的性質(zhì)分類，食品污染分為兩大類：一是生物性污染，即由致病微生物和寄生蟲造成的污染（如黃曲霉素）；二是化學(xué)性污染，指有毒化學(xué)物質(zhì)對食品污染。 重金屬的污染：主要指汞、鎘、鉛、砷等元素的一些化合物對食品造成的污染。其主要渠道是農(nóng)業(yè)上施用的農(nóng)藥和未經(jīng)處理的工業(yè)廢水、廢渣的排放。 有機化合物農(nóng)藥：如樂果、DDT及敵敵畏等會引起對作物的直接污染。空氣、水、土壤受到農(nóng)藥的污染后又會間接地造成食品的污染。 食品添加劑污染：為提高食品的色、香、味和營養(yǎng)成分或滿足工藝要求及延長食品保存期等的需要，有目的地在食品中添加一些人工合成的化學(xué)物質(zhì)或天然物質(zhì)，這些物質(zhì)被稱為食品添加劑。目前使用的食品添加劑大多數(shù)是化學(xué)合成的添加劑。食品添加劑又可根據(jù)其用途的不同，分為發(fā)色劑、漂白劑、防腐劑、抗氧化劑、助鮮劑、穩(wěn)定劑、增稠劑、乳化劑、膨松劑、保濕劑、食用色素以及為增加營養(yǎng)價值而添加的維生素及必需元素等等。目前食品添加劑已有近千種。對食品添加劑的使用，國家也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的規(guī)定。 6．固體廢棄物對環(huán)境的污染 主要指城市垃圾，既生活垃圾、商業(yè)垃圾、市政維護和管理中產(chǎn)生的垃圾。堆放的垃圾若不及時清理，必然污染空氣，有損環(huán)境且會滋生蚊蠅等害蟲，危害人體健康。垃圾對水體、土壤和大氣均會造成嚴(yán)重的污染。 專題五、化學(xué)與環(huán)境保護 2007年11月,國務(wù)院常務(wù)會議通過并正式發(fā)布了《國家環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃》?！兑?guī)劃》確定的8個重點領(lǐng)域是：削減化學(xué)需氧量排放量，改善水環(huán)境質(zhì)量；削減二氧化硫排放量，防治大氣污染；控制固體廢物污染，推進資源化和無 害化；保護生態(tài)環(huán)境，提高生態(tài)安全保障水平；整治農(nóng)村環(huán)境，促進社會主義新農(nóng)村建設(shè)；加強海洋環(huán)境保護，重點控制近岸海域污染和生態(tài)破壞；嚴(yán)格監(jiān)管，確保核輻射環(huán)境安全；強化管理能力建設(shè)，提高執(zhí)法監(jiān)督水平。 環(huán)境質(zhì)量評價的內(nèi)容包括：污染源評價、污染狀況評價、環(huán)境自凈能力評價、環(huán)境對人體健康與生態(tài)系統(tǒng)的影響評價和環(huán)境經(jīng)濟學(xué)的評價等。 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是環(huán)境質(zhì)量評價（分級）的基礎(chǔ)，首先要根據(jù)被測對象和評價目標(biāo)確定監(jiān)測項目。如對水體質(zhì)量進行評價時一般需要測定的項目有三類：①無機物，包括 硝酸鹽、銨態(tài)氮、磷酸鹽、氯化物、水中總固體濃度、硬度、pH等；②有機物，包括生化需氧量、化學(xué)耗氧量、有機酸、氰化物、洗滌劑等的含量；③重金屬，如鉻、鎘、鉛、汞、砷等含量。此外，還有色度、臭度、透明度、溫度、放射性物質(zhì)濃度、細菌總數(shù)、藻類含量及水文條件等許多項目供各種評價目標(biāo)選擇。 常規(guī)的大氣環(huán)境質(zhì)量評價中受監(jiān)測的污染物種類一般有5種：顆粒飄塵（PM），SOx，NOx，CO，氧化劑（以O(shè)3為代表）。測定目標(biāo)確定后，通過具體監(jiān)測，將各種污染物的實際測得值和標(biāo)準(zhǔn)值代入公式進行計算，并根據(jù)E值大小，將大氣環(huán)境質(zhì)量分為6個級別： 專題六、無機材料 材料發(fā)展的歷史從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類社會發(fā)展的文明史，因此，歷史學(xué)家往往根據(jù)當(dāng)時有代表性的材料劃分為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。而現(xiàn)在已經(jīng)進入了納米材料時代。 化學(xué)是材料發(fā)展的源泉?；瘜W(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能、變化及應(yīng)用研究的學(xué)科。經(jīng)過數(shù)百年的努力，化學(xué)家開發(fā)出許多存在于自然界中的人工天然化合物和合成了大量自然界中不存在的合成化合物，到目前已經(jīng)達到了3000多萬種。所謂材料是指人類利用化合物的某種功能來制作物件時用的化學(xué)物質(zhì)。目前傳統(tǒng)材料有幾十萬種，而新合成的材料每年大約以5%的速度在增加。因此可以毫無夸張地說，化學(xué)是材料發(fā)展的源泉，也可以說，材料科學(xué)的發(fā)展為化學(xué)研究開辟了一個新的領(lǐng)域。 材料可按不同的方法分類。 若按用途分類，可將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功