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燃料燃烧释放的热量
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燃料和热量、使用燃料对环境的影响
　　一、化石燃料
　　生活中经常使用的燃料煤、石油和天然气，是由古代生物的遗骸经过一系列复杂的变化而形成的，我们常称它们为化石燃料。化石燃料是不可再生能源。
　　1、煤和石油
　　煤是复杂的混合物，主要含有碳元素，还含有氢元素和少量的氮、硫、氧等元素以及无机矿物质。将煤作为燃料主要是利用碳元素与氧气反应所放出的热量。为了使煤得到综合利用，把煤隔绝空气加强热使它分解成许多有用的物质，如：焦炭、煤焦油、煤气等。煤干馏产品的主要用途如下：
　　焦炉气——作气体燃料，化工原料
　　煤焦油——提取有机产品或原料
　　焦炭——冶金、电石、合成氨造气、燃料
　　石油是混合物，呈黑色或深棕色粘稠状液体。主要含有碳、氢两种元素。
　　有特殊气味，不溶于水，比水稍轻，无固定熔、沸点。将石油加热炼制，利用石油中各成分的沸点不同，将他们分馏分离，可得到不同的产品，使石油得到综合利用。
　　石油污染产生的危害：
　　⑴石油比水轻，浮于水面，且极易扩散形成油膜，油膜覆盖在水面上，使水与空气隔绝，阻止了大气中氧气的溶解，在加上水中有机物质分解需消耗水体中的溶解氧，因而使水体缺氧变臭。
　　⑵石油在水中发生氧化反应时，也需要消耗水中的溶解氧，因而引起水体缺氧，水生生物窒息死亡。
　　⑶石油及其分解产物中存在许多有毒的物质，这些物质危害水生生物，造成水生生物畸变，甚至食物链进入人体，使人的肠、胃、肝发生病变，危害人体健康。
　　⑷受污染的水体还会引起动植物的大量死亡。如1989年美国埃克森石油公司的泄油灾难。
　　⑸海面浮油还会沾污海兽的皮毛，使它们失去保温作用，海兽因丧失游泳的能力而死亡。
　　⑹石油污染还会破坏海滨风景区和海滨浴场等。
　　减轻海洋石油污染，需要所有国家和地区的共同努力及国际协议的支持。现在已经通过了一些国际公约和协议来控制水体和海洋的石油污染。目前，处理海洋石油污染的主要方法有分散法、吸附法、凝固法和围拦法等，美国和韩国还研究出利用细菌治理石油污染的方法。
　　2、天然气
　　天然气的主要成分是甲烷CH4，甲烷作为一种简单的有机物广泛存在于日常生活中。甲烷的性质：
　　⑴ 物理性质：
　　甲烷是一种无色无味的气体，密度比空气小，极难溶于水。
　　⑵ 可燃性：甲烷易燃，燃烧时发出蓝色火焰。点燃前要先验纯。
　　CH4 + 2O2 　CO2 +
　　【思考】如何证明甲烷含有碳元素和氢元素？
　　点燃甲烷，在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯，过一会儿，观察烧杯上是否有小水滴生成，如果有则说明含有氢元素。然后迅速将烧杯倒过来，向烧杯中注入适量澄清石灰水，振荡，观察石灰水是否变浑浊，如果变浑浊则说明含有碳元素。
　　【引申】甲烷中是否有氧元素又将如何探究？
　　提示：根据化学反应的本质可知，化学反应前后元素的种类不变，元素的质量也不变，由此你是否可以想出探究甲烷中是否含氧元素的方法。
　　二、化学反应中的能量变化
　　化学反应中的能量变化，体现化学与生产、生活和社会的密切联系。现代能量离不开化学反应，化学反应中的能量问题，对于化工生产有重要意义。化学反应释放出的能量是当今世界上最重要的能源。最为常见的能源是热能，比如：燃烧放出的热。
　　化学反应中的能量变化通常表现为热量的变化。但并不是只有燃烧才能产生热量。可燃物的燃烧是最常见的有热量放出的反应。也并不是所有化学反应都是放热的。有的化学反应是放热的，有的化学反应是吸热的。
　　在化学上，我们把有热量放出的化学反应叫做放热反应，如：可燃物在氧气中的燃烧、金属单质与酸的反应等等；把吸收热量的化学反应叫做吸热反应，如：碳和二氧化碳反应生成一氧化碳的反应等等。
　　反应的能量变化
　　(1)化学反应的特点是有新物质生成，新物质和反应物的总能量不同。
　　(2)反应中能量是守恒的。如A+B→C为放热反应，则EA+EB=EC+放出的热量。
　　(3)反应物与生成物的能量差若以热能形式表现即为放热和吸热，如果二者能量比较接近，则放热和吸热都不明显。
　　目前，我们使用得最多的燃料是煤、石油、天然气等，它们都是由古代动植物遗体埋在地层下，并在地壳中经过一系列非常复杂的变化而逐渐形成的。因此，它们被称为化石燃料。这些燃料的蕴藏量是有限的，而且不可再生。据估计，依照目前的开采速度，地球上的石油还可以供人类开采40
~ 50年。因此，充分利用燃料是目前的一个很重要的研究课题。
　　(1)燃料要充分燃烧
　　燃料燃烧时如果空气不足就会不充分燃烧。不完全燃烧：①产生热量少，浪费资源；②产生污染，影响环境，危害健康。
　　(2)充分燃烧的必要条件
　　一是燃烧时要有足够多的空气；
　　二是燃料与空气要有足够大的接触面。在工业上常需要将固体燃料粉碎，或将液体燃料以雾状喷出，以增大燃料与空气的接触面，从而提高燃烧效率。
　　三、燃料燃烧对环境的影响
　　化石燃料燃烧造成对空气污染的主要原因：
　　1、燃料中的一些杂质如硫等燃烧时，产生空气污染物如二氧化硫等。如煤的燃烧会排放出二氧化硫、氮氧化物(NO2)，会形成酸雨。对煤等燃料进行脱硫等处理，改进燃烧方式，使燃料充分燃烧等措施都可以减少煤燃烧对环境的危害。还可以采取以下具体措施充分利用煤：
　　①制新型煤粉燃料器；
　　②将煤进行液化、气化；
　　③制成水煤气或干馏煤气。
　　2、燃料燃烧不充分，产生一氧化碳等。使用尾气净化装置，使有害气体转化成无害气体。
　　3、未燃烧的碳氢化合物及炭粒、尘粒（如含铅化合物和烟尘等）等排放到空气中。
　　从污染物的角度可以总结如下：
硫氧化物（SO2和SO3）的污染及危害
　　来源：硫化物矿石的焙烧、煤燃烧和金属的冶炼
　　危害：SO2具有刺激性气味，空气中SO2的安全浓度约为5cm3/m3。对眼、鼻、咽喉、肺等器官有强刺激性作用，能引起黏膜炎、嗅觉和味觉障碍、倦怠无力等疾患。对金属、涂料、纤维、皮革、建筑材料等都有不同程度的损害作用。
　　⑵ 氮氧化物（NO和NO2）的污染及危害
　　来源：矿物的燃烧，生产或使用硝酸的工厂排放的尾气，氮肥厂、有机中间体厂等
　　危害：NOx对人体的安全浓度约为5cm3/m3。高浓度会引起头晕、头疼、咳嗽、心悸等；低浓度长时间能诱发儿童支气管炎疾病。植物、棉织物、尼龙、金属材料都会受到腐蚀。
　　⑶ 碳氧化物（CO和CO2）的污染及危害
　　来源：CO2是大气中的正常成分，是温室效应的原因。CO是在燃料不完全燃烧时产生的。
　　危害：对人体的危害是因为它与血红蛋白结和力约为氧气的230-270倍，最终导致组织低氧，甚至心肌坏死
　　⑷ 其他污染物及危害
　　有机污染物：来自石油烃类和人工合成的卤代烃类制品。如大气中的多环芳香烃是引起癌症的主要物质；多氯联苯，通过呼吸道或通过食物链进入人体，蓄积在人体各种组织，造成病变，严重者可致死亡。
　　重金属元素：如来自汽车尾气排放的铅尘，铅中毒表现为肠胃效应，出现厌食、消化不良和便秘，还会影响小孩的脑部发育。汞蒸气有高度的扩散性和较大的脂溶性，侵入呼吸道后，可被肺泡完全吸收并经血液送至全身，造成严重病变。
　　四、使用和开发新的燃料及能源
　　1、乙醇
　　乙醇（俗称酒精），是由高梁、玉米和薯类经过发酵、蒸馏等过程得到的。化学式为：CH3CH2OH，无色有特殊气味的液体，与水以任意比例互溶，易挥发，密度比水小。
　　燃烧时放出大量的热，在空气中燃烧的化学方程式是：
　　C2H5OH + 3O2 2CO2 +
　　乙醇可以用作酒精灯、火锅、内燃机等的燃料。在汽油中加适量的乙醇，可节省石油资源，减少汽车尾气的污染。
　　2、氢气
　　氢气本身无毒，极易燃烧，燃烧产物是水，被认为是最清洁的燃料。氢气燃烧的化学方程式是：
　　2H2 + O2 2H2O
　　氢气虽然是最清洁的燃料，但由于氢气的制取成本主和贮存困难，作为燃料暂时还不能广泛使用。目前，对氢能源的开发已取得了很大进展，随着科技的发展，氢气终将会成为主要能源之一。
　　【资料介绍】
“可燃冰”——甲烷水合物
　　可燃冰外观为无色透明冰状晶体，是甲烷水合物。早在1778年英国化学家普利斯特里（J．Priestley）就着手研究哪些气体可以生成气体水合物，以及生成气体水合物的温度和压力条件。1934年，人们发现，在油气输送管道和加工设备中有冰状固体堵塞现象，经研究证明，这些固体不是冰，而是比冰熔点高的气体分子水合物。当时研究的目的是如何抑制和防止气体分子水合物堵塞管道和设备问题。
　　1965年，前苏联科学家预言，天然气水合物可能存在海洋底部的地表层中，后来他们在西伯利亚冻土带发现了天然气水合物。从此，各国政府和科学家对天然气水合物作为潜在的能源，产生了极大的兴趣。30多年来，对天然气水合物的结构、性能、形成、开采和应用进行了研究，使人们对天然气水合物有了比较深入的了解。
　　天然气水合物，或称甲烷水合物，是笼型水合物，属于主客体化合物。水分子间以氢键相互吸引构成笼子，作为主体，甲烷作为客体居于笼中，以范德华力与水分子相互吸引而形成笼型水合物。笼子的空间与气体分子的大小必须匹配，才能形成稳定的笼型水合物。除甲烷外，Ar、Kr、O2、N2、乙烷、丙烷、氯氟烃和硫化合物等都可作为客体形成笼型水合物。应用Ｘ射线衍射等技术已确定不同大小笼型水合物的结构，有的呈五角十二面体，有的呈五角六角十六面体等。
　　甲烷水合物形成的条件为：
　　①温度不能太高。海底的温度是2篊至4篊，适合甲烷水合物的形成，高于20篊就分解。
　　②压力要足够大。在0篊时，只需要3MPa就可形成甲烷水合物。海深每增加10m，压力就增大0.1MPa，因此海深300m就可达到3MPa，越深压力越大，甲烷水合物就越稳定。估计海深300m至2000m应有甲烷水合物存在。
　　③要有甲烷气源。一般认为，海底古生物尸体的沉积物，被细菌分解会产生甲烷；还有人认为，石油和天然气是在地球深处（地幔）产生并不断进入地壳的；海底岩层是多孔状介质。
　　在上述三个条件具备的情况下，可在介质的空隙中生成甲烷水合物。甲烷分子被若干个水分子形成的笼型结构接纳，生成甲烷笼型水合物，分散在海底岩层的空隙中。在常温常压下，甲烷水合物即分解为甲烷和水。1m3的“可燃冰”可释放164m3的甲烷，所以，“可燃冰”可看作高度压缩的天然气。
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