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葫芦岛市初中化学教师学科专业素养三级培训内容模块二 学科知识与技能（三）化学与社会 “葫芦岛市中小学教师学科专业素养初中化学学科三级培训学科知识与技能”模块的内容标准是：熟练掌握学科的知识体系与结构，学科发展的历史与趋势，熟悉相关学科的知识范围、性质与相关程度，了解本学科大学的基础知识，深刻地理解和吃透教材，在教学中做到深入浅出。根据内容标准的要求，结合初中化学教学的特点，我们选择了由高等教育出版社出版的、由唐有祺 王夔（kui）主编的、面向21世纪课程教材化学与社会，作为主要参考书，并结合当前化学与社会生活的密切联系，旨在提高科学素养，拓宽教学视野，强化学科意识，使启蒙阶段的化学知识与生活建立有机的联系，为实现学生的可持续发展奠定基础。因为时间的关系，我只选择了一些与初中化学教学和日常生活联系比较密切的内容，分为十个专题，与大家一起交流学习。专题一、化学的发展简史初中教材的开篇内容是化学使世界变得更加绚丽多彩。这部分内容在教学时，一般分为三个部分：化学的发展史、化学在现代社会中的作用、怎样学习化学。作为化学史的内容，我们应该知道些什么呢？总括起来应该有三个部分：化学的前奏、创建近代化学理论探索物质结构、现代化学的兴起与发展。化学的前奏（1）人类文明的起点火的利用 在几百万年以前，人类过着极其简单的原始生活，靠狩猎为生，吃的是生肉和野果。根据考古学家的考证，至少在距今50万年以前，可以找到人类用火的证据，即北京周口店北京猿人生活过的地方发现了经火烧过的动物骨骼化石。有了火，原始人从此告别了茹毛饮血的生活。吃了熟食后人类增进了健康，智力也有所发展，提高了生存能力。后来，人们又学会了摩擦生火和钻木取火，这样，火就可以随身携带了。于是，人们不再是火种的看管者，而成了能够驾驭火的造火者。 火是人类用来发明工具和创造财富的武器，利用火能够产生各种各样化学反应这个特点，人类开始了制陶、冶金、酿造等工艺，进入了广阔的生产、生活天地。（2）历史悠久的工艺制陶陶器是什么时候产生的，已很难考证。对陶器的由来，说法不一，有人推测：人类最原始的生活用容器是用树枝编成的，为了使它耐火和致密无缝，往往在容器的内外抹上一层粘土。这些容器在使用过程中，偶尔会被火烧着，其中的树枝都被烧掉了，但粘土不会着火，不但仍旧保留下来，而且变得更坚硬，比火烧前更好用。这一偶然事件却给人们很大启发。后来，人们干脆不再用树枝做骨架，开始有意识地将粘土捣碎。用水调和，揉捏到很软的程度，再塑造成各种形状，放在太阳光底下晒干，最后架在篝火上烧制成最初的陶器。大约距今1万年以前，中国开始出现烧制陶器的窑，成为最早生产陶器的国家。陶器的发明，在制造技术上是一个重大的突破。制陶过程改变了粘土的性质，使粘土的成分二氧化硅、三氧化二铝、碳酸钙、氧化镁等在烧制过程中发生了一系列的化学变化，使陶器具备了防水耐用的优良性质。因此陶器不但有新的技术意义，而且有新的经济意义。它使人们处理食物时增添了蒸煮的办法。陶制的纺轮、陶刀、陶锉等工具也在生产中发挥了重要的作用；同时陶制储存器可以使谷物和水便于存放。因此，陶器很快成为人类生活和生产的必需品，特别是定居下来从事农业生产的人们更是离不开陶器。（3）冶金化学的兴起 在新石器时代后期，人类开始使用金属代替石器制造工具。使用得最多的是红铜。但这种天然资源毕竟有限，于是，产生了从矿石冶炼金属的冶金学。最先冶炼的是铜矿，约公元前3800年，伊朗就开始将铜矿石（孔雀石）和木炭混合在一起加热，得到了金属铜。纯铜的质地比较软，用它制造的工具和兵器的质量都不够好。在此基础上改进后，便出现了青铜器。 到了公元前3000年公元前2500年，除了冶炼铜以外，又炼出了锡和铅两种金属。往纯铜中掺入锡，可使铜的熔点降低到800左右，这样一来，铸造起来就比较容易了。铜和锡的合金称为青铜（有时也含有铅），它的硬度高，适合制造生产工具。青铜做的兵器，硬而锋利，青铜做的生产工具也远比红铜好，还出现了青铜铸造的铜币。中国在铸造青铜器上有过很大的成就，如殷朝前期的“司母戊”鼎。它是一种礼器，是世界上最大的出土青铜器。又如战国时的编钟，称得上古代在音乐上的伟大创造。因此，青铜器的出现，推动了当时农业、兵器、金融、艺术等方面的发展，把社会文明向前推进了一步。 世界上最早炼铁和使用铁的国家是中国、埃及和印度，中国在春秋时代晚期（公元前6世纪）已炼出可供浇铸的生铁。最早的时候用木炭炼铁，木炭不完全燃烧产生的一氧化碳把铁矿石中的氧化铁还原为金属铁。铁被广泛用于制造犁铧、铁镈（一种锄草工具）、铁锛等农具以及铁鼎等器物，当然也用于制造兵器。到了公元前8世纪公元前7世纪，欧洲等才相继进入了铁器时代。由于铁比青铜更坚硬，炼铁的原料也远比铜矿丰富，在绝大部分地方，铁器代替了青铜器。 （4）中国的重大贡献火药和造纸 黑火药是中国古代四大发明之一。为什么要把它叫做“黑火药”呢？这还要从它所用的原料谈起。火药的三种原料是硫黄、硝石和木炭。木炭是黑色的，因此，制成的火药也是黑色的，叫黑火药。火药的性质是容易着火，因此可以和火联系起来，但是这个“药”字又怎样理解呢？原来，硫磺和硝石在古代都是治病用的药，因此，黑火药便可理解为黑色的会着火的药。 火药的发明与中国西汉时期的炼丹术有关，炼丹的目的是寻求长生不老的药，在炼丹的原料中，就有硫磺和硝石，炼丹的方法是把硫黄和硝石放在炼丹炉中，长时间地用火炼制。在许多次炼丹过程中，曾出现过一次又一次地着火和爆炸现象，经过这样多次试验终于找到了配制火药的方法。黑火药发明以后就与炼丹脱离了关系，一直被用在军事上。古代人打仗，近距离时用刀枪，远距离时用弓箭。有了黑火药以后，从宋朝开始，便出现了各种新式武器，例如用弓发射的火药包。火药包有火球和火蒺藜两种，用火将药线点着，把火药包抛出去，利用燃烧和爆炸杀伤对方。 大约在公元8世纪，中国的炼丹术传到了阿拉伯，火药的配制方法也传了过去，后来又传到了欧洲。这样，中国的火药成了现代炸药的“老祖宗”。这是中国的伟大发明之一。 纸是人类保存知识和传播文化的工具，是中华民族对人类文明的重大贡献。在使用植物纤维制造的纸以前，中国古代传播文字的方法主要有：在甲骨（乌龟的腹甲和牛骨）上刻字，即所谓的甲骨文；甲骨数量有限，后来改在竹简或木简上刻字。可见，孔子写的论语所用的竹简之多，份量之重是可想而知的；另外，用丝织成帛,也可以用来写字，但大量生产帛却是难以做到的。最后才有了用植物纤维制造的纸，一直流传到今天。 1957年5月，中国考古工作者在陕西省西安市灞桥的一座古代墓葬中发现一些米黄色的古纸。经鉴定这种纸主要由大麻纤维制造，其年代不会晚于汉武帝（公元前156年公元前87年），这是现存的世界上最早的植物纤维纸。 提起纸的发明，人们都会想起蔡伦。他是汉和帝时的中常侍。他看到当时写字用的竹简太笨重，便总结了前人造纸的经验，带领工匠用树皮、麻头、破布、破鱼网等做原料，先把它们剪碎或切断，放在水里长时间浸泡，再捣烂成为浆状物，然后在席子上摊成薄片，放在太阳底下晒干，便制成了纸。它质薄体轻，适合写字，很受欢迎。 造纸是一个极其复杂的化学工艺，它是广大劳动人民智慧的产物。实际上，蔡伦之前已经有纸了，因此，蔡伦只能算是造纸工艺的改良者。（5）炼丹术与炼金术 当封建社会发展到一定的阶段，生产力有了较大提高的时候，统治阶级对物质享受的要求也越来越高，皇帝和贵族自然而然地产生了两种奢望：第一是希望掌握更多的财富，供他们享乐；第二，当他们有了巨大的财富以后，总希望永远享用下去。于是，便有了长生不老的愿望。例如，秦始皇统一中国以后，便迫不及待地寻求长生不老药，不但让徐福等人出海寻找，还召集了一大帮方士（炼丹家）日日夜夜为他炼制丹砂长生不老药。炼金家想要点石成金（即用人工方法制造金银），他们认为，可以通过某种手段把铜、铅、锡、铁等贱金属转变为金、银等贵金属。像希腊的炼金家就把铜、铅、锡、铁熔化成一种合金，然后把它放入多硫化钙溶液中浸泡。于是，在合金表面便形成了一层硫化锡，它的颜色酷似黄金（现在，金黄色的硫比锡被称为金粉，可用做古建筑等的金色涂料）。这样，炼金家主观地认为“黄金”已经炼成了。实际上，这种仅从表面颜色而不从本质来判断物质变化的方法，是自欺欺人。他们从未达到过“点石成金”的目的。 虔诚的炼丹家和炼金家的目的虽然没有达到，但是他们辛勤的劳动并没有完全白费。他们长年累月置身在被毒气、烟尘笼罩的简陋的“化学实验室”中，应该说是第一批专心致志地探索化学科学奥秘的“化学家”。他们为化学学科的建立积累了相当丰富的经验和失败的教训，甚至总结出一些化学反应的现律。例如中国炼丹家葛洪从炼丹实践中提出：“丹砂（硫化汞）烧之成水银，积变（把硫和水银二者放在一起）又还成（变成）丹砂；”这是一种化学变化规律的总结，即“物质之间可以用人工的方法互相转变”。 炼丹家和炼金家夜以继日地在做这些最原始的化学实验，必定需要大批实验器具，于是，他们发明了蒸馏器、熔化炉、加热锅、烧杯及过滤装置等。他们还根据当时的需要，制造出很多化学药剂、有用的合金或治病的药，其中很多都是今天常用的酸、碱和盐。为了把试验的方法和经过记录下来，他们还创造了许多技术名词，写下了许多著作。正是这些理论、化学实验方法、化学仪器以及炼丹、炼金著作，开挖了化学这门科学的先河。 从这些史实可见，炼丹家和炼金家对化学的兴起和发展是有功绩的，后世之人决不能因为他们“追求长生不老和点石成金”而嘲弄他们，应该把他们敬为开拓化学科学的先驱。因此，在英语中化学家(chemist)与炼金家(alchemist)两个名词极为相近，其真正的含义是“化学源于炼金术”。 创建近代化学理论探索物质结构世界是由物质构成的，但是，物质又是由什么组成的呢？最早尝试解答这个问题的是我国商朝末年的西伯昌（约公元前1140年），他认为：“易有太极，易生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”以阴阳八卦来解释物质的组成。约公元前1400年，西方的自然哲学提出了物质结构的思想。希腊的泰立斯认为水是万物之母；黑拉克里特斯认为，万物是由火生成的；亚里士多德在发生和消灭一书中论证物质构造时，以四种“原性”作为自然界最原始的性质，它们是热、冷、干、湿，把它们成对地组合起来，便形成了四种“元素”，即火、气、水、土，然后构成了各种物质。上面这些论证都未能触及物质结构的本质。在化学发展的历史上，是英国的波义耳第一次给元素下了一个明确的定义。他指出：“元素是构成物质的基本，它可以与其他元素相结合，形成化合物。但是，如果把元素从化合物中分离出来以后，它便不能再被分解为任何比它更简单的东西了。” 波义耳还主张，不应该单纯把化学看作是一种制造金属、药物等从事工艺的经验性技艺，而应把它看成一门科学。因此，波义耳被认为是将化学确立为科学的人。 人类对物质结构的认识是永无止境的，物质是由元素构成的，那么，元素又是由什么构成的呢？1803年，英国化学家道尔顿创立的原子学说进一步解答了这个问题。 原子学说的主要内容有三点：一切元素都是由不能再分割和不能毁灭的微粒所组成，这种微粒称为原子；同一种元素的原子的性质和质量都相同，不同元素的原子的性质和质量不同；一定数目的两种不同元素化合以后，便形成化合物。 原子学说成功地解释了不少化学现象。随后意大利化学家阿伏加德罗又于1811年提出了分子学说，进一步补充和发展了道尔顿的原子学说。他认为，许多物质往往不是以原子的形式存在，而是以分子的形式存在，例如氧气是以两个氧原子组成的氧分子，而化合物实际上都是分子。从此以后，化学由宏观进入到微观的层次，使化学研究建立在原子和分子水平的基础上。 现代化学的兴起与发展 19世纪末，物理学上出现了三大发现，即X射线、放射性和电子。这些新发现猛烈地冲击了道尔顿关于原子不可分割的观念，从而打开了原子和原子核内部结构的大门，揭露了微观世界中更深层次的奥秘。热力学等物理学理论引入化学以后，利用化学平衡和反应速率的概念，可以判断化学反应中物质转化的方向和条件，从而开始建立了物理化学，把化学从理论上提高到了一个新的水平。在量子力学建立的基础上发展起来的化学键（分子中原子之间的结合力）理论，使人类进一步了解了分子结构与性能的关系，大大地促进了化学与材料科学的联系，为发展材料科学提供了理论依据。 化学与社会的关系也日益密切。化学家们运用化学的观点来观察和思考社会问题，用化学的知识来分析和解决社会问题，例如能源危机、粮食问题、环境污染等。 化学与其他学科的相互交叉与渗透，产生了很多边缘学科，如生物化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等等，使得生物、电子、航天、激光、地质、海洋等科学技术迅猛发展。化学也为人类的衣、食、住、行提供了数不清的物质保证，在改善人民生活，提高人类的健康水平方面作出了应有的贡献。现代化学的兴起使化学从无机化学和有机化学的基础上，发展成为多分支学科的科学，开始建立了以无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学为分支学科的化学学科。化学家这位“分子建筑师”将运用善变之手，为全人类创造今日之大厦、明日之环宇。化学在现代社会发展中的作用和地位 可以肯定地说，人类生活的各个方面，社会发展的各种需要都与化学息息相关。首先就是我们的衣、食、住、行。色泽鲜艳的衣料需要经过化学处理和印染，丰富多彩的合成纤维更是化学的一大贡献。要装满粮袋子，丰富菜篮子，关键之一是发展化肥和农药生产。加工制造色香味俱佳的食品，离不开各种食品添加剂，如甜味剂、防腐剂、香料等，它们大多是用化学合成方法或用升华这种分离方法从天然产物中提取出来的。现代建筑所用的水泥、石灰、油漆、玻璃和塑料等材料都是化工产品。用以代步的各种现代交通工具，不仅需要汽油、柴油作动力，还需要各种汽油添加剂、防冻剂，以及机械部分的润滑剂，这些无一不是石油化工产品。此外，人们需要的药品，洗涤剂，美容品和化妆品等日常生活必不可少的用品也都是化学制剂。可以说我们生活在化学世界里。再从社会发展来看，化学对于实现农业、工业、国防和科学技术现代化具有重要的作用。比如，农业要大幅度的增产，化肥、农药、植物生长激素和除草剂等化学产品，都是少不了的。而且高效、低污染的新农药的研制，长效、复合化肥的生产，农、副业产品的综合利用和合理贮运，也都需要应用化学知识。 随着科学技术和生产水平的提高以及新的实验手段和电子计算机的广泛应用，不仅化学科学本身有了突飞猛进的发展，而且由于化学与其他科学的相互渗透，相互交叉，也大大促进了其他基础科学和应用科学的发展和交叉学科的形成。化学已经成为“环境科学、能源科学、材料科学、生命科学”这四大领域的支柱。总之，化学与国民经济各个部门、尖端科学技术各个领域以及人民生活各个方面都有着密切联系。它是一门重要的基础科学，它在整个自然科学中的关系和地位，正如美Pimentel G C在化学中的机会今天和明天一书中指出的“化学是一门中心科学，它与社会发展各方面的需要都有密切关系。它不仅是化学工作者的专业知识，也是广大人民科学知识的组成部分，化学教育的普及是社会发展的需要，是提高公民文化素质的需要。专题二、能源1能源的进化能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。所谓能源是指提供能量的自然资源。根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期。 柴草时期 从火的发现到18世纪产业革命期间，树枝杂草一直是人类使用的主要能源。柴草不仅能烧烤食物，驱寒取暖，还被用来烧制陶器和冶炼金属。 现代能源中煤炭和石油天然气的重要性虽已居首位，但柴草作为生活能源却从未间断过，不少发展中国家的农牧民至今仍以柴灶为主。在能源危机的呼唤中，这种最古老的能源品种，又以它的容易再生而再度受到关注。可以说人类是在利用柴火的过程中，产生了支配自然的能力而成为万物之灵的。煤炭时期 煤炭的开采始于13世纪，而大规模开采并使其成为世界的主要能源则是18世纪中叶的事了。1769年，瓦特发明蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力之源而受到关注。第一次产业革命期间，冶金工业、机械工业、交通运输业、化学工业等的发展，使煤炭的需求量与日俱增，直至20世纪40年代末，在世界能源消费中煤炭仍占首位。煤是发热量很高的一种固体燃料。它的主要成分是碳(C)，还有一定量的氧(H)和少量的氧(0)、氮(N)、硫(S)和磷(P)等。煤是既含有机物也含无机物的复杂混合物。煤可以直接当燃料使用，但从物尽其用的角度来看，应多提倡煤的综合利用。例如煤经过干馏(隔绝空气情况下强热)，可以分别得到焦炭、煤焦油和焦炉气。焦炭可以供炼铁用；煤焦油可提取苯、萘、酚等多种化工原料：从焦炉气中也可提取一定量的化工原料，也可直接作为气体燃料，其污染性远低于直接烧煤。 煤炭的利用使人类获得了更高的温度，推动了金属冶炼技术的发展，工业革命后100多年生产力的发展促进了人类近代社会的进步。 石油时期 第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。石油炼制得到的汽油、柴油等是汽车、飞机用的内燃机燃料。世界各国纷纷投资石油的勘探和炼制，新技术和新工艺不断涌现，石油产品的成本大幅度降低，发达国家的石油消费量猛增。到60年代初期，在世界能源消费统计表里，石油和天然气的消耗比例开始超过煤炭而居首位。2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。 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。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 U=Q+W 其中U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 u(+)体系内能增加 (一)体系内能体系减少 Q(+)体系吸收热量 (一)体系放出能量 w(+)外界对体系做功(一)体系对外界做功能源的利用。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。而化学变化的实质是化学键的改组。这些常用能源的主要成分为碳元素及其化合物。3碳元素及其化合物我们应该知道以下碳及其化合物：单质碳：金刚石、石墨、球碳（C60、C50、C70、C84、C120等）。烃类碳氢化合物：烷烃、烯烃、炔烃、芳烃。烃的衍生物： 4煤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。现代的成煤理论认为煤化过程是：植物泥煤（含碳50%）褐煤（含碳50%-70%）烟煤（含碳70%-85%）无烟煤（含碳85%-95%）。煤的化学组成虽然各有差别，根据目前公认的平均组成而折算成原子比，可以用C135H96O9NS来代表。5石油和天然气 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。 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。石油中所含化合物种类繁多。必须经过多步炼制才能使用。石油炼制的主要过程有：分馏、裂化、重整、精制等。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1 g镭和足量氯气(C12)起反应生成RaCl2时所释放能量的50万倍。1g铀235(92U)发生裂变时释放能量为810kJ，1g氘(1H)发生聚变时释放的能量是6100 kJ。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。这里我们应该了解以下几个概念（原理）：核衰变U、Po、Ra原子核不稳定，能自发地放出辐射，而变成另一种原子核的过程。核裂变原子核受高能中子轰击时，分裂为质量相关不多的两种核素，同时又产生几个中子并释放大量的能量。核电站、原子弹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，用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。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。化学电池都与氧化还原反应有关。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。下面就是铜-锌电池示意图。化学电池的主要部分是电解质溶液，和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。下面介绍化学电池的种类：1干电池：普通锌锰干电池的简称，在一般手电筒中使用的锌锰干电池，是用锌皮制成的锌筒作负极兼做容器，中央插一根碳棒作正极，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液；电池顶端用蜡和火漆封口。在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂(吸收正极放出的H2，防止产生极化现象，即作去极剂)，淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。电极反应为：负极 Zn2 e- Zn2+正极 2 2 e- 2NH3H2 H22MnO2Mn2O3H2O正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+4NH3Zn(NH3)42+干电池的总反应式：Zn2NH4Cl2MnO2Zn(NH3)2Cl2Mn2O3H2O或2Zn4NH4Cl2MnO2Zn(NH3)2Cl2ZnCl2Mn2O3H2O正极生成的氨被电解质溶液吸收，生成的氢气被二氧化锰氧化成水。干电池的电压1.5 V1.6 V。在使用中锌皮腐蚀，电压逐渐下降，不能重新充电复原，因而不宜长时间连续使用。这种电池的电量小，在放电过程中容易发生气涨或漏液。而今体积小，性能好的碱性锌锰干电池是电解液由原来的中性变为离子导电性能更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增加，使放电电流大加幅度提高。碱性干电池的容量和放电时间比普通干电池增加几倍。2铅蓄电池：铅蓄电池可放电亦可充电，具有双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，用含锑5%8%的铅锑合金铸成格板，在正极格板上附着一层PbO2，负极格板上附着海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液(密度为1.251.28 g / cm3)中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。放电的电极反应为：负极：Pb 2e- PbSO4正极：PbO24H+ 2e- PbSO42H2O铅蓄电池的电压正常情况下保持2.0 V，当电压下降到1.85 V时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达1.18 g / cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：阳极：PbSO42H2O2e- PbO24H+阴极：PbSO42e- Pb当密度增加至1.28 g / cm3时，应停止充电。这种电池性能良好，价格低廉，缺点是比较笨重。 蓄电池放电和充电的总反应式：PbO2Pb2H2SO4= 2PbSO42H2O 目前汽车上使用的电池，有很多是铅蓄电池。由于它的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此广泛应用于国防、科研、交通、生产和生活中。3银锌蓄电池银锌电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。目前，有一种类似干电池的充电电池，它实际是一种银锌蓄电池，电解液为KOH溶液。常见的钮扣电池也是银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极盒一端充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。负极：Zn2OH-2e- Zn(OH)2正极：Ag2OH2O2e- 2Ag2OH-银锌电池跟铅蓄电池一样，在使用(放电)一段时间后就要充电，充电过程表示如下：阳极：2Ag2OH-2e- Ag2OH2O阴极：Zn(OH)22e- Zn2OH-总反应式：ZnAg2OH2O = Zn(OH)22Ag 一粒钮扣电池的电压达1.59 V，安装在电子表里可使用两年之久。4燃料电池：燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池，所以燃料电池也是化学电源。它与其它电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮存在电池内，而是在工作时，不断地从外界输入，同时把电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实地把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、煤气、发生炉煤气、水煤气、甲烷等气体；从正极连续通入氧气或空气。电解液可以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。化学反应的最终产物和燃烧时的产物相同。燃料电池的特点是能量利用率高，设备轻便，减轻污染，能量转换率可达70%以上。当前广泛应用于空间技术的一种典型燃料电池就是氢氧燃料电池，它是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，碳电极上嵌有微细分散的铂等金属作催化剂，如铂电极、活性炭电极等，具有很强的催化活性。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应式为：负极H2 2H 2H2OH-2e- 2H2O 正极22H2O4e- 4OH-电池总反应式为：2H222H2O另一种燃料电池是用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷(燃料)和氧气(氧化剂)。电极反应式为：负极：CH410OH8e- 7H2O；正极：4H2O2O28e- 8OH-。电池总反应式为：CH42O22KOHK2CO33H2O目前已研制成功的铝空气燃料电池，它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池可代替汽油作为汽车的动力，还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。5锂电池：锂电池是金属锂作负极，石墨作正极，无机溶剂亚硫酰氯(SO2Cl2)在炭极上发生还原反应。电解液是由四氯铝化锂(LiAlCl4)溶解于亚硫酰氯中组成。它的总反应是锂与亚硫酰氯发生反应，生成氯化锂、亚硫酸锂和硫。8Li3SO2Cl26LiClLi2SO32S锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其它金属作负极相比较，能在较小的体积和质量下能放出较多的电能，放电时电压十分稳定，贮存时间长，能在216.3344.1K温度范围内工作，使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起博器上，以及作为火箭、导弹等的动力资源。微型电池：常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池是锂电池。这种电池容量大，电压稳定，能在-56.771.1温度范围内正常工作。6海水电池1991年，我国首创以铝空气海水电池为能源的新型电池，用作海水标志灯已研制成功。该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其能量比干电池高2050倍。负极材料是铝，正极材料可以用石墨。电极反应式为：负极反应：Al3e- Al3+， 正极反应：2H2OO24e- 4OH-。电池总反应式为：4Al3O26H2O4Al(OH)37溴锌蓄电池国外新近研制的的基本构造是用碳棒作两极，溴化锌溶液作电解液。电极反应式为：负极反应：Zn2e-Zn2+ 正极反应：Br22e-2Br-电池总反应式为：ZnBr2ZnBr2专题三、化学键理论化学键是指两个相邻原子之间强烈的相互作用力。化学变化的实质是原子的重新排列组合，而化学变化过程是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。化学键的基本类型有三种：离子键、共价键和金属键。离子键：正负电荷间强烈的静电作用被称为离子键。由离子键形成的化合物叫离子化合物。电负性差别越大的原子间越容易形成离子化合物。共价健：由共用电子对形成八电子稳定结构，这种原子间的作用力称为共价键。金属键：自由电子和金属原子间产生没有方向性的“胶合“作用力，称为金属键。专题四、环境与环境污染1人类环境与生态平衡2自然界中化学物质的循环自然环境可分为四个圈层：生物圈、大气圈、水圈和岩石圈。总称为生态圈。它们之间有着复杂的物质交换和能量交换关系。生物圈、大气圈、水圈和岩石圈中的无机物交换示意图根据放射性同位素推算，地球的年龄约为46亿年，自然环境发展历史可划分为地球的形成、生物的形成和人类的出现三个阶段。地球的形成 地壳内部大量放射性元素的裂变和衰变所释放出的能量积聚和迸发，陨星对地表的频繁撞击等，导致了地球火山的强烈活动，使地球温度升高，出现局部熔融，重元素沉入地心，轻物质浮升到地表，逐渐形成地壳（岩石圈）、地幔和地核等层次。与此同时，被禁锢在地球内部的气体不断迸发出来，形成原始大气圈，其主要成分为H2O、CO、CO2、CH4和N2等，当时不含有氧气，这是一个还原性大气圈。水气凝结后，在低凹处汇聚成海洋（水圈），地表水呈酸性。上述过程历时约10-15亿年。显然，早期地表环境的显著特征是缺氧，也没有臭氧层，太阳辐射中的高能紫外线可直接射到地面上。生物的形成 在太阳能和地热能的作用下，简单无机化合物和甲烷等化合物形成了简单有机化合物，并逐步演化为生物大分子（如蛋白质、多糖等），为生命的产生创造了条件。大气中O2的积累主要是依赖于生物的光合作用。原始海洋中的蛋白质、氨基酸首先形成无氧呼吸的细菌（原生物），并逐步深化为含有叶绿素的藻类，在水体中进行光合作用放出游离氧。经历了20多亿年的进化，终于在6亿年前出现了海洋的生物群，4亿年前形成了水陆生物和藻类的生命系统，逐渐形成了生物圈。游离氧的出现促进了生命的进化，并使地球在4亿年前出现了能屏蔽太阳强烈紫外线辐射的臭氧层，保护了陆地植物的生长。陆地植物的生长和微生物的作用，产生了土壤层。土壤是岩石与植物相互作用下的产物。土壤层的形成，又使易于流失的养分在地表上富集起来，从而促使陆地植物更加繁盛，保证了生物圈的发展与繁荣。人类的出现 人类出现距工业革命约300万年。在这300万年中人类活动对环境的化