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化學(xué)是能源的開拓者

上一篇文章回顧：化學(xué)是什么？-第4章 什么的化學(xué)和化學(xué)的什么（2）

一個(gè)電廠或電站的發(fā)電能力用功率，即瓦（W）表示，因瓦很小，常用千瓦（kW）、兆瓦（MW）或更大的單位表示：

2010年全世界能源消耗的峰值估計(jì)達(dá)12.5太瓦，這里的能耗包括提供汽車、火車、輪船和飛機(jī)等交通工具以及照明、各種電器設(shè)備、各種機(jī)器等所需的能源。三峽電站的裝機(jī)容量為1800萬千瓦（1.8×1010瓦），即大約需要相當(dāng)于700個(gè)三峽電站的發(fā)電量才能滿足世界能源的需要。

太陽能是太陽高溫條件下，由和進(jìn)行核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，以摩爾為單位，反應(yīng)式為：

ΔH＝-1698 MJ/mol

太陽在上述核聚變反應(yīng)中發(fā)熱發(fā)光，每秒約消耗6億噸H，轉(zhuǎn)化為5.95億噸He，虧損400萬噸質(zhì)量。按照愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系方程：

質(zhì)量轉(zhuǎn)變成輻射能，其中輻射到地球的光能每秒相當(dāng)于太陽虧損的1.59 kg。由此可計(jì)算地球每秒得到的太陽能為：

上述能量按功率瓦（W）計(jì)，為1.43×1017 W。由于地球?qū)μ柟獾姆瓷?，海洋、大山和大氣對陽光的吸收，剩余可用來發(fā)電的太陽能約為6500太瓦。

我國對核聚變反應(yīng)的研究已有一定的進(jìn)展，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中期，隨著化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)等的發(fā)展，能源供應(yīng)將會(huì)有新的面貌。

在可再生能源中，太陽能和風(fēng)能分別為最多和發(fā)展最快的能源。太陽能資源達(dá)6500太瓦，風(fēng)能資源達(dá)1700太瓦。有人預(yù)計(jì)到2030年全球所需能源峰值達(dá)16.9太瓦，屆時(shí)風(fēng)能可達(dá)5.8太瓦，太陽能可達(dá)4.6太瓦。

人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)時(shí)，世界上生產(chǎn)和生活所需的能量有3/4來自化石能源燃燒放出的化學(xué)能?；茉吹拈_采、煉制、加工、利用以及燃燒放出的廢氣廢渣的應(yīng)用和處理，每個(gè)環(huán)節(jié)都和化學(xué)密切相關(guān)。能源的可持續(xù)發(fā)展供應(yīng)和新能源的開拓也需要化學(xué)進(jìn)行研究。利用太陽能、風(fēng)能及氫能等能源時(shí)，表5.1.1所列的金屬元素鋰、鉑、釹、銀、銦及非金屬元素硅、碲是必需的。例如太陽能光伏電池需要的單晶硅、多晶硅、碲化鎘（CdTe）、銅銦硒（CuInSe）、電池中的銀電極，電動(dòng)汽車的鋰電池所需的鋰，鋁電池所需的鋁，燃料電池所需的鉑等。這些材料或其替換材料所需的物資，更多地要依靠化學(xué)家來解決。表中未列出硅和鋁元素，是因?yàn)樗鼈冊诘乇砗繕O為豐富，沒有資源問題，僅存在由化學(xué)家將它提純的問題。

表5.1.1　新能源開發(fā)中必需的一些元素

《環(huán)球科學(xué)》雜志2009年11月載文《石油100年都用不完》。這和上小節(jié)所列情況有很大差異，哪一個(gè)可信？應(yīng)怎樣看待？

由于新的采油技術(shù)將大幅度提高油田采收率，新的勘探技術(shù)將發(fā)現(xiàn)更多的石油儲(chǔ)量，新的估計(jì)應(yīng)當(dāng)可信。采油技術(shù)主要決定于化學(xué)科學(xué)的發(fā)展。借助先進(jìn)的化學(xué)科學(xué)，按現(xiàn)在的采油量，21世紀(jì)石油不會(huì)短缺。

埋藏在地下的石油，不是以油的湖泊或充滿洞穴的油體存在，而是油、水及天然氣組成類似糖漿的黏稠液體，儲(chǔ)存于沙石的縫隙和毛細(xì)孔中，和水滲入到浮石中相似。當(dāng)鉆井到油層，石油擺脫了巖石的長期囚禁，油層內(nèi)部的壓力將油液（包括泥沙和巖石碎片）驅(qū)向油井，自噴到地面。這個(gè)過程通常會(huì)持續(xù)幾年，直到壓力消耗殆盡。這階段得到的油稱一次采油，采收率通常達(dá)10％～15％。經(jīng)過自噴階段后，為了幫助部分剩余石油透過巖石孔隙滲出到油井中，就需要將水或天然氣注入地下，將油擠出油井，稱為二次采油，依靠這種方式能使采出率達(dá)到20％～40％。近十年來，由于從一開始就逐步采用先進(jìn)技術(shù)，一次采油和二次采油界限已變得模糊。要想采得更多石油，就需要加熱油層或用化學(xué)試劑降低石油的黏度和阻力。常用的化學(xué)試劑為表面活性劑，它可以包住油形成小油滴，這種化學(xué)方法的總采出率可達(dá)60％，稱為三次采油。

5.2.3　留著石油作化工原料

石油資源雖然可用100年，但是要看到下面三個(gè)問題：

（1）石油是不可再生能源，若現(xiàn)在不努力開辟新能源，100年后怎么辦？

（2）現(xiàn)在石油大半是煉制成汽油、煤油和柴油等燃料油，主要用來開飛機(jī)、汽車、輪船、火車等交通工具，也用來發(fā)電成為二次能源。這些燃料油只用它和氧氣燃燒放出的化學(xué)能，將燃燒產(chǎn)物CO2和H2O排放到大氣之中，增加了大氣中CO2的濃度，和低碳生產(chǎn)背道而馳。

（3）從原子經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，在一切化學(xué)工業(yè)中要充分利用原子組成的物質(zhì)，使上一家生產(chǎn)排放的廢料，成為下一家的原料，整體生產(chǎn)中沒有物質(zhì)浪費(fèi)掉。

石油的主要成分是碳和氫，它們的含量分別在84％～87％和11％～14％，兩者合計(jì)占96％～99％。由于含氫量高，石油的發(fā)熱量比煤高很多，硫、氧、氮及其他元素的總含量只占1％～4％。含硫的多少是評(píng)價(jià)石油質(zhì)量的一項(xiàng)主要指標(biāo)，通常含硫量高于2％的原油稱高硫油，低于0.5％的為低硫油，煉制石油時(shí)，要嚴(yán)格采取脫硫措施。由于石油的成分主要是碳?xì)浠衔?，已有的化學(xué)方法能比較容易地轉(zhuǎn)化為其他國民經(jīng)濟(jì)所需的產(chǎn)品，這種化學(xué)工業(yè)通稱為石油化工。

石油化工是以石油為原料，在催化劑作用下，通過催化反應(yīng)，獲得化工產(chǎn)品，其品種有3000多種，涉及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，例如輕工、紡織、農(nóng)藥、醫(yī)藥、電子、文化用品、通信、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。世界化工總產(chǎn)值在20世紀(jì)末達(dá)10000億美元，其中80％以上的產(chǎn)品均和石油化工有關(guān)。單以乙烯為例，20世紀(jì)末，乙烯的年產(chǎn)量達(dá)5000萬噸，以乙烯為原料用不同的催化劑和反應(yīng)條件可得許多中間產(chǎn)品和不同性質(zhì)的各種中下游產(chǎn)品。

上述石油能源的情況給化學(xué)家提出明確的任務(wù)：①提高開采石油的采收率；② 配合其他科技加快可再生能源的利用，代替燃油；③ 發(fā)展石油化工，廉價(jià)、高效地生產(chǎn)高質(zhì)量的合成高分子材料及潤滑油等特種油品。總之，要合理地使用剩余的石油，減少對地球環(huán)境的污染，使子孫后代可持續(xù)地發(fā)展。

未完待續(xù)......

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