資源簡介

主題一 空氣
一、空氣－人類賴以生存的物質
【背景介紹】
化學作為一門自然科學，所研究的領域與人的日常生產和生活所接觸的物質密切相關。在學生的化學學習中，自然就要關注和探究生產和生活中的常見問題。空氣是人類接觸最直接也是最多的化學物質，學生的學習活動也往往從對空氣的探究開始。
空氣是地球上生命體的基石，離開空氣，地球上的一切生命活動將停止。一方面，動植物需要空氣進行生命活動。人（動物）通過呼吸空氣來維持生命，一個成年人每天呼吸大約在2萬次左右，吸入空氣量約1萬立方米，大約14千克，這個數值為人飲水量的10倍。人可以5天不飲水，一周多不吃飯，但沒有空氣，5分鐘就會因為窒息而死亡。同時，植物需要空氣進行光合作用。另一方面，空氣還是重要的資源。人們在進行現代化生產過程中的許多原材料需要從空氣中獲得。
【基本素材】
1．空氣的組成成分
對于空氣里有什么，人類經歷了數百年的探索，許多科學家為之付出了艱苦的努力。
現在人們已經知道空氣是多種氣體組成的混合物，它的組分可以分為恒定組分、可變組分和不定組分3類，如圖1—1所示。
空氣這種相對穩定的組成并不是一開始就有的，而是長期演化的結果。自從地球誕生以來，空氣從無到有，各種成分和含量逐漸變化，經歷了漫長的衍變過程，直到近十幾億年才穩定到目前的狀態。空氣中各成分參與自然界中諸如生物生死腐敗、巖石風化。雨雪雷電等各種變化，不斷地被消耗和生成。這種循環平衡的建立，維持了其主要成分含量的相對穩定，提供了人和動物得以生存的適宜環境。
根據科學家的研究，地球已經有大約46億年的歷史了，在距現在約25億年前的某個時期，原始海洋中突然出現了一種名為藍綠藻的低等生物，它的大量繁殖和所具備的光合作用能力開始給地球的大氣輸送氧氣，但是所產生的氧氣一直被大氣中的還原性氣體和海底存在的大量金屬鐵“無情地”消耗著，使大氣中氧的濃度只能長期地維持在 1％左右。直到距今約17億年時，源源不斷的氧氣終于戰勝了來源日益枯竭的各種還原性物質的“抵抗”，濃度突升至 20％左右，后來便長期穩定在目前的水平上。
2．自然界中的氧循環
由于氧在自然界中含量豐富，分布廣泛，而且性質活潑，環境中處處有氧（游離態或化合態），所以氧在自然界中的循環很復雜，在后面述及的碳循環及氮循環中都包含有一部分氧循環。
圖l－2是氧在自然界中的主要循環途徑。光合作用是實現自然界中氧循環的主要途徑。在光合過程中，葉綠素受到太陽光的照射吸收能量，分解水分子弟兵；水分解產生的氫與碳及其他化合物化合而產生糖，同時，把氧釋放到大氣中．
6CO2＋6H2O ---------C6H12O6＋6O2，動物通過呼吸作用，吸進氧氣用排出二氧化碳，產生了可供生命利用的能量。因此，在光合作用開始時吸進的水和碳，最后又被放了出來；而光合作用放出來的氧，又通過呼吸作用重新吸收回去。這是地球上簡單的、基本的氧的循環。這樣的循環是地球上維持全部動植物生命的一個基本源泉。
3．自然界中的氮循環
在自然界中，氮元素的循環幾乎涉及到生物圈的全部領域（見圖1—3）。氮被固定后經植物吸收儲存在植物體內，動物以植物為食而獲得氮并轉化為動物蛋白質。動植物死亡后的遺骸中的蛋白質被微生物分解成NH4+、NO3-和 NH3，又回到土壤和水體中，被植物再次吸收利用。
應當指出，無論是氧循環、氮循環，還是后面要談到的碳循環，參與循環的物質僅是該物質總儲量的很少部分，大部分則存留于各自的“儲庫”之中。海洋和巖石是氧的總儲庫，大氣是氮的總儲庫。因為參與循環的物質的量極少，所以各種物質總體循環一周所需要的時間很長，且根據各類物質總儲量的不同，循環周期的長短差別很大。
二、主要的空氣污染物及其危害
【背景資料】
各種生命體都在與外界環境不停地進行著氣體交換，以維持其新陳代謝活動。在正常情況下，空氣是潔凈的，即使有一些自然活動如火山爆發，自然界也會在較短的時間內通過本身的循環而除去這些活動造成的污染。然而由于人類的活動，特別是現代工業的發展，人為向空氣中排放的污染物越來越多，種類也越來越復雜，大大超過自然界本身的凈化能力，從而導致空氣成分的變化，以致對人類和其他生物以及一些建筑設施產生了不良的影響。自20世紀60年代以來，這一問題已越來越受到人們的重視。了解、認識這些污染物的種類和來源，是減少人為排放、消滅污染的先決條件。
【基本素材】
空氣污染物的種類非常多，有百余種，如 CO，CO2，烴類，氮氧化物（NOx），SO2，浮塵等，表1－3列出了一些常見的空氣污染物的成分、危害和來源。
據我國環境質量報告書和世界資源報告提供的數據，我國是燃煤大國，煤燃燒后產生的顆粒物石O2和 NOx污染嚴重。這些污染物給人們的生產和生活帶來諸多危害，也是導致全球氣候變化。煙霧事件、臭氧層破壞等重大環境問題的重要因素。許多城市的空氣污染主要來源于可吸入顆粒、SO2和NOx。
1．可吸入顆粒
化學物質對空氣的污染，按照其體積大小可分為3類：
（1）基本粒子
主要是單個分子、離子或原子，包括CO、NOx、CO2、SO2等一些氣體分子和具有放射性危害的元素氡。
（2）化學氣溶膠體
每個顆粒由1012－1013個原子、離子或分子組成，大小一般在0.001～10μm之間，化學氣溶膠體和懸浮顆粒物是硫化物、氮氧化物以及其他污染物的負載體。
化學氣溶膠體表面積比較大，能夠吸附有毒氣體并為它們發生化學反應提供場所。懸浮顆粒物的直徑大小在 1～10μm之間，一般肉眼可以看得到，它也能吸附有毒的氣體。
（3）懸浮顆粒物
在可吸人顆粒物中，直徑小于 10μm的污染顆粒物可通過呼吸作用侵入人的上呼吸道；當其直徑小于2.5μ m時，污染物可進入人的下呼吸道，有時甚至穿過肺泡進入血液。目前，在我國監測的300余個城市中，首要污染物就是顆粒物，而其中直徑小于2.5 μm的細微顆粒物，則是解決空氣污染問題的難點。
目前許多人以為天藍就是空氣質量好，其實這是一種誤解。天藍只能說明肉眼可見的粗顆粒少，能見度高。相反，如果將粗顆粒轉化為細微顆粒物排入空氣中，危害將更為嚴重。
大氣中的可吸入顆粒物對人類健康和生態環境有很大影響。對其中直徑小于2.5 μm的細微顆粒物的研究表明，它們將會增加重病及慢性病患者的死亡率、促使呼吸系統及心臟系統疾病惡化。改變肺功能及結構、改變免疫結構等。
礦物燃料燃燒產生微細顆粒，汽車尾氣、火力發電廠和其他工廠也要產生大量的細微顆粒。這些微粒包括O3，CO，SO2和NOx等，人們普遍認為這些物質對人體危害極大。
近年來，許多國家都將可吸入顆粒物的研究，特別是直徑小于2.5μm的細微顆粒物的物理化學行為、形成與污染機制、控制技術，以及對人體健康的影響等，作為環境科學研究的重點。
2．二氧化硫
空氣中的SO2除少部分來源于火山噴發外，絕大部分都是由于人類生產生活造成的。我國目前的燃料主要以煤為主，其中火力發電對空氣質量影響非常大。一個100萬千瓦的發電廠每年要釋放 600噸 SO2。一座 2000兆的大型現代化火電站每年產生的SO2大約相當于一座100萬人口的工業城市產生的數量。許多煤都含有1％～2％的硫（以單質、黃鐵礦、有機硫化物形態存在）。
根據接觸史、呼吸系統受損的臨床表現，以及現場勞動衛生學調查，可明確診斷 SO2對人體的危害，表 1－4列出了 GB16375－1996（職業性急性二氧化硫中毒診斷標準及處理原則）所規定診斷標準。
SO2漂浮在空氣中，在粉塵的作用下會被氧化為SO3，當SO3的量較多時降水的酸度就會明顯增大，從而形成酸雨。
為了控制空氣中SO2的含量，我國制定了一系列的政策和法規，要求：
．禁止新建煤層含硫量大于3％的礦井；
．已建成的生產煤層含硫量大于3％的礦井，逐步實行限產和關停；
．新建、改造含硫量大于1.5％的煤礦，應當建設煤炭洗選設施；
．禁止在大中城市城區及近郊區新建燃煤火電廠；
．現有燃煤含硫量大于1％的電廠要在 2010年前分期分批建成脫硫設施或其他具有相應效果的措施；
并從制定規劃、強化監督管理、推行SO2污染防治技術和經濟政策、完善酸雨和SO2監測網絡、開展科技研究、積極進行宣傳培訓等方面，提出具體計劃，以實現控制目標。
3．氮氧化物
N2是空氣中含量最多的氣體，性質比較穩定，但在一定條件下以與O2反應生成氮氧化物（NOx）。這些化合物對空氣產生較大的污染作用。氮的氧化物氣體有 NO，NO2，N2O3，N2O4，N2O，N2O5等。其中，對空氣質量影響比較大的是 NO和 NO2。
NOx的產生一般有以下3種途徑：
·在高溫燃燒過程中，空氣中的N2與O2反應而生成NOx；
·某些燃料中含有氮的化合物，在燃燒過程中被氧化而產生NOx；
．碳氫化合物燃燒時若濃度過高，NOx也伴隨生成。
空氣中的 N2和O2能化合生成大量的NO和少量的NO2，NO隨后迅速氧化成紅棕色的 NO2。其毒性比 NO和 SO2都強，不但對動物的呼吸組織有著強烈的損害作用，對心臟、肝臟、腎臟以及造血組織都有著破壞作用。
化肥廠的高煙筒往往冒著濃濃的黃色煙霧，翻滾著沖向天空，它主要含有高濃度的NOx。NO2能引起急性哮喘。日本當年發生的“橫濱哮喘病”，NO2就是肇事者。“二戰”后的1946年，駐扎在橫濱地區的美國軍人及其家屬，在秋冬季節好多人早晨起床后表現猛烈咳嗽、氣喘和呼吸困難癥狀。經認真研究后，認為是NOx污染空氣造成的。當空氣中NO2的平均濃度24小時都在0.06mL·m3以上時，人的健康就會受到危害。而世界上許多大城市，NO2濃度都超過這一數值。
NO2也是一種腐蝕劑，它能使各種織物褪色，損壞棉紡織品及尼龍織物，損傷植物。NOx能與空氣中的碳氧化合物在陽光的作用下形成光化學煙霧，危害更大，NO2還是酸雨的成因之一。實際上，氮氧化物對環境的影響還有很多，例如，對濕地和陸生植物物種之間競爭與組成變化的影響，大氣能見度的降低，地表水的酸化，富營養化，以及增加水體中對魚類和其他水生生物有害的毒素含量等。
為了改善空氣的質量，需要采取各種手段降低氮氧化物的含量。首先要降低燃料中氮的含量，進行脫氮處理。其次，改變燃料的燃燒方式，降低煙中氮氧化物的含量。另外，科學家們研究并提出讓 NOx變成肥料的方法，讓 SO2和 NOx變成(NH4)2SO4和NH4NO3，用在農業生產上。
三、空氣質量的衡量標準
各種媒體每天都要向我們預告天氣的風霜雨雪和冷暖，如今，一種新的預報—空氣質量預報，開始成為一些媒體的日常工作。中央電視臺每天預報十幾個大城市的空氣質量，許多城市的各種媒體也適時播報當地的空氣質量。有些城市在市中心設置了電子屏幕，時刻顯示空氣質量。人們像關心天氣一樣，開始關注每天呼吸的空氣質量。
【基本素材】
1．空氣質量標準
為了控制空氣中各有害物質的含量，創造一個好的生存環境，需要制定相應的環境標準對空氣污染進行監控。所謂環境標準，是指人類和生物維持生存所必須的環境條件。一般是制定各種有害物質在環境中的最高允許濃度。表l－5列出了GB3095—1996中規定的有關環境空氣質量的一些標準：
隨著對空氣質量預報工作的深入研究，以及檢測技術水平的提高，各地還可根據本地區的特點，增加其他一些污染項目以及重新規定各污染物的標準，使之能更全面、準確地反映當地的空氣質量和污染狀況。
2．空氣污染指數
我國的空氣質量采用了空氣污染指數進行評價。空氣污染指數是根據環境空氣質量標準和各項污染物對人體健康和生態環境的影響，來確定污染指數的分級及相應的污染物濃度值。我國目前采用的空氣污染指數（API）分為五個等級：
．API值小于等于50，說明空氣質量為優，相當于國家空氣質量一級標準，符合自然保護區、風景名勝區和其它需要特殊保護地區的空氣質量要求；
．API值大于50且小于等于 100，表明空氣質量良好，相當于達到國家質量二級標準；
．API值大于 100且小于等于200，表明空氣質量為輕度污染，相當于國家空氣質量三級標準；
．API值大于200且小于等于300，表明空氣質量差，稱之為中度污染，為國家空氣質量四級標準；
．API大于 300表明空氣質量極差，已嚴重污染。
為了更準確地標定空氣的質量，目前，我國把空氣質量日報中的三級或四級污染天氣，細分為三級1、三級2和四級1、四級2共4個檔，它們分別代表輕微污染、輕度污染、中度污染和中度重污染。如表1－6所示。
目前，各個城市一般都在媒體上公布空氣質量。從當日的空氣質量日報中，我們可以清楚地看出各城市空氣的污染狀況和主要污染物，既可以為專業部門控制污染提供依據，又讓廣大市民及時了解空氣質量，提高關心環境質量、保護環境的意識。
四、二氧化碳與溫室效應
【背景介紹】
CO2是空氣中的組成部分之一，植物利用它進行光合作用，對整個生命系統有著重要的作用。在正常情況下，大氣中的CO2維持在一定的范圍內。但是，隨著現代化工業的發展，越來越多的CO2釋放到大氣中，超出了大氣自身的調節能力。過多的CO2滯留在大氣中，對地球上的生態系統產生了許多不良的影響。所以雖然是空氣的組成部分，但是目前也被認為是一種污染。目前研究表明，產生“溫室效應”的重要原因是大氣中比以往有了更多的 CO2。
【基本素材】
1．碳元素在自然界的循環
碳是構成生物體的基本元素之一，也是構成地殼巖石和礦物燃料（煤、石油、天然氣）的主要元素。碳在自然界的循環主要是通過CO2來完成的，它可分為3種形式：
·植物經光合作用將大氣中的CO2和H2O化合生成碳水化合物，在植物呼吸中又以CO2的形式返回大氣中，被植物再度利用；
．植物被動物采食后糖類被動物吸收，在體內氧化生成CO2，并通過動物呼吸釋放回大氣中，又可被植物利用；
．煤、石油、天然氣等燃燒時生成CO2，它返回大氣中后重新進入生態系統中參與循環。
2．溫室效應
上述碳的循環多年來一直處于平衡之中，維持了大氣中CO2含量的相對穩定。但是近幾十年來，由于工業、交通和居民使用燃料的增加，以及森林和草地的減少，使CO2的產生大大多于消耗，造成大量的CO2籠罩在地表上空。當太陽向地球光照時，其中一部分光能被地球表面和云層反射回宇宙，一部分被大氣中的氣體和塵埃散射，也進入到宇宙中，一部分被地球上的物體所吸收，從而使地球變暖，同時，地表也向上空反射。大氣中的CO2等氣體，吸收了部分從地表來的熱量，使自身的溫度升高然后又折射到地表上，這樣使地球溫度逐漸變暖，并且這種趨勢正在延續，這就是所謂的“溫室效應”。
溫室效應的產生給人類的生產和生活帶來了很大影響：
．隨著地球表面溫度的逐漸升高，南極的冰雪逐漸融化，使得平面逐年升高，直接威脅著許多沿海國家，有科學家預測，在本世紀，世界各地海岸線的70％將被海水淹沒，許多城市將完全或部分消失；
．地球表面溫度的升高，對農業也產生了很大的威脅，一方面，耕種的土地將減少，另一方面，一些作物在高濃度CO2中也將減產；
．隨著地球溫度的升高，一些物種也將滅絕。
為減緩溫室效應的加劇，既要設法減少礦物燃料的使用量，開發新能源，又要禁止砍伐森林，特別是有效地控制人口的增長。為減少溫室氣體的排放，世界各國都作出了努力。1997年12月“防止地球溫暖化”國際會議在通過了“京都宣言”后閉幕。宣言中規定了發達國家削減廢氣排放量的指標，計劃在2012年實現整體削弱1990年廢氣排放標準的5.2％。我國也在為減少空氣中的溫室氣體而努力，而且取得了較好的成績。我國自1996年以來經濟發展迅速，卻成功地把CO2排放量降低了12％～17％，僅2000年就減少排放 CO2　4億到 9億噸。聯合國環境規劃署和世界能源理事會2001年7月1日高度評價中國政府為減少溫室氣體排放所采取的實質性步驟和取得的巨大成效，并呼吁國際社會自覺采取行動，切實減少溫室氣體排放量。
五、光化學煙霧與環保汽車
【背景介紹］
在一般人的意識中，空氣污染就是人們向空氣中排放的有毒有害物質直接造成的。然而，空氣中的這些物質，甚至一些本來無明顯毒害性的物質（如烴），在一定條件下會發生轉化，產生破壞力更強的二次污染物質。光化學煙霧就是這樣特殊的一種環境污染。
【基本素材】
大氣中的污染物由一次性污染物和二次污染物組成，一次性污染物是指直接污染環境的物質；有些污染物在空氣中與其他物質發生反應又產生污染，形成新的污染物，即二次污染物。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象，稱為光化學煙霧。這種污染首先出現在美國的洛杉磯。
1．光化學煙霧的產生和危害
洛杉磯位于美國西南海岸，西面臨海，三面環山，是個陽光明媚，氣候溫暖，風景宜人，商業、旅游業都很發達的港口城市。城市的繁榮又使洛杉磯人口劇增，縱橫交錯的城市高速公路上擁擠著數百萬輛汽車。然而從20世紀40年代初開始，每年從夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就會出現一種彌漫天空的淺藍色煙霧，使整座城市上空變得渾濁不清。同時處在這種煙霧中的人眼睛發紅、咽喉疼痛、呼吸憋悶，出現頭昏、頭痛等癥狀。
光化學煙霧是由于汽車尾氣和工業廢氣排放造成的，一般發生在濕度低、氣溫在24～32℃的夏季晴天的中午或午后。汽車尾氣中的烯烴類碳氫化合物和NO2被排放到大氣后，在強烈的陽光紫外線照射下，會吸收太陽光所具有的能量。這些物質的分子在吸收了能量后，會變得不穩定起來，原有的化學鏈遭到破壞，形成新的物質。這種化學反應被稱為光化學反應，其產物為含劇毒的光化學煙霧。
光化學煙霧的機理可以用如下反應來描述：
汽車尾氣產生的NO2在日光的作用下，分解為NO和原子氧：
NO2＋hν-------NO＋O
有了氧原子，光化學煙霧的循環就開始了。原子氧與氧分子反應生成 O3：
O＋O2-----O3
O3既是一類強烈的刺激性污染物，又會與烴類物質發生一系列復雜的化學反應，其產物中有煙霧和刺激眼睛的物質，如醛類、酮類等。在此過程中，NO2還會形成另一類刺激性強烈的物質PAN（硝酸過氧化乙酸）。另外，烴類中一些揮發性小的氧化物會凝結成氣溶膠液滴而降低能見度。下式可表示光化學煙霧的主要成分和產物：
汽車尾氣十陽光十O2——O3＋NOX＋CO2十H2O十有機化合物（CO，NOx，烴）
洛杉磯之后，日本、加拿大、德國、澳大利亞、荷蘭、意大利等國家相繼發生光化學煙霧污染事件，近幾年我國一些城市也出現了光化學煙霧，形勢令人擔憂。
光化學煙霧污染發生時，大氣中各種污染物的濃度比晴朗天氣要增大五、六倍，會對人和其他動物以及植物造成嚴重的損壞。人和動物受到的主要傷害是眼睛和呼吸系統黏膜受刺激，引起眼紅流淚、氣喘咳嗽、頭痛等病癥，嚴重時使人頭暈胸痛、惡心嘔吐。手足抽搐、血壓降低，甚至昏迷致死。對于植物的影響也很明顯，當剛受煙霧污染時，植物表皮褪色，呈蠟質狀，經過一段時間后色素發生變化，葉片上出現紅褐色斑點，對西紅柿、煙草、豆類植物的影響尤其明顯。光化學煙霧嚴重影響植物的生長和發育，降低植物對病蟲的抵抗能力。光化學煙霧還可加劇橡膠制品的老化速度，使其易脆裂，加快染料的褪色，損害油漆、紡織品和塑料制品等。
2．光化學煙霧的防治
形成光化學煙霧的主要污染物來自汽車尾氣，因此，當前要在改善城市交通結構、改進汽車燃料、安裝汽車排氣系統和提高汽油的質量等方面做文章。
為保護環境，促進低污染排放汽車的生產和消費，我國相繼發布了《關于對低污染排放小汽車減征消費稅的通知》和《關于低污染排放小汽車減征消費稅實施產品檢驗及生產一致性審查管理辦法》。從2001年9月份起，國家環保總局會同經貿委、國家稅務總局。組織汽車排放和質量體系專家，根據對樣車和生產情況進行了抽檢和審查。將對達到歐洲II號標準低污染排放小汽車，減征30％的消費稅。
3．環保汽車的開發
目前，在開發環保汽車方面，主要采取以下策略：
（1）提高汽油質量
在燃油汽車中，油品質量直接影響著尾氣排放的清潔程度，當前的首要問題是提高油品質量。要改善油品質量，就必須去除油品中對空氣造成污染的主要成分——硫，使之成為清潔汽油，以便從源頭上降低油耗和減少造成空氣污染的NOx、碳氫化合物的排放量，使燃油汽車的尾氣更加清潔。除去燃油中的硫不僅會直接減少尾氣污染，還能讓汽油發動機的潛能進一步發揮出來。
在提高油品質量方面，美國一直走在世界各國的前列。有資料表明，過去的10年里，美國在汽油中應用了充氧飽和技術，使車輛的CO排放量減少了18％，從而使污染降低了37％。此外，使用潔凈汽油也使其他幾種污染物的排放有所降低，目前美國汽車尾氣污染物排放量比 40年前少了95％。
（2）使用燃料電池
燃料電池是把氫、甲醇等燃料和空氣中氧氣的化學能，通過電化學反應直接轉變成電能的發電裝置。燃料電池具有發電效率高、可循環利用和無環境污染等特點。燃料電池可以廣泛應用于航天飛機、潛艇、水下機器人、電動汽車。中小規模電站、家用電源。可移動電源和通訊系統等。燃料電池汽車的等效燃油經濟性高于汽油內燃機車，而且不產生污染物，為世界汽車工業發展示了光明的前景。電動汽車、混合動力汽車、燃料電池等已被中國政府列入“十五”計劃研究開發的重點。
（3）利用甲醇做燃料
甲醇屬液體清潔燃料，開發甲醇汽車被稱為“綠色汽車工程”。甲醇燃燒后排出 H2O和 CO2，排放指標優于國家最新標準，是世界公認的“清潔燃料”。“全甲醇環保汽車”是在原汽油汽車發動機上裝置“全甲醇環保汽車燃燒裝置”而成，改造成本低于同類汽油發動機的成本；同時，汽車燃甲醇后運行成本低于燃汽油成本，并且故障率低，維修方便。
不管怎樣，今后世界汽車產品發展的主流必定是環保節能型汽車，誰能在這方面領先，誰就能在世界汽車市場上占有一席之地。
主題二 水 溶 液
一、水是取之不盡、用之不竭的嗎
【背景介紹】
水是生命之源，恐怕沒有人會懷疑這點，21世紀水對人類的重要性，將同20世紀石油對人類的重要性一樣，成為一種決定國家富裕程度的珍貴商品。一個國家如何對待它的水資源，將決定這個國家是持續發展還是衰落。既然水對人類如此重要，那么，自然界中的水是取之不盡、用之不竭的嗎？
【基本素材］
1．形形色色的水
·根據水的溫度，可將水分為6種類型（見表2－1）
．按水在地球上存在的部位，可將水分為大氣水、地表水、土壤水、植物水、地下水等5種類型
．按水的純凈程度，可將水分為純凈水和礦泉水
純凈水，也稱純水，是人們利用蒸餾、逆滲透、電滲析等方法對各種地表水，如江河湖泊水及自來水進行處理，將水中的重金屬、微生物、有機鹽和微量元素一并去除后所得到的水。純凈水中除了 H2O，H+和OH-外，幾乎沒有其他物質。
礦泉水是深埋在地層深處的地下水資源，可能是山澗泉水，也可能是地下水。依據泉水的溫度，可將礦泉水分為4種類型：冷泉（溫度低于25℃）、溫泉（25～37℃）；。熱泉（3—42℃）、高熱泉（42℃以上）。
礦泉水除了純凈、溫度低、水質好等優點外，更含有人體生長發育所必需的各種礦物質和微量元素，如 Ca、Mg、K、Na、Sr、Ge等，是人體元素平衡的重要補充。
我國對礦泉水有其嚴格的界定：必須是來自地下深層（至少60m）的特殊巖層中，經過天然巖層的自然過濾和礦化，攝取了多種對人體有益的礦物質、無機鹽和微量元素。因此礦泉水對產地和水源的要求非常嚴格，無法異地生產且限量開采。
．按水的硬度，可將水分為硬水和軟水
水的硬度是指溶解在水中的鹽類物質的含量，即鈣鹽與鎂鹽含量的多少。Ca2+和 Mg2+的總和相當于 10 mg CaCl2，稱之為1“度”。通常根據硬度的大小，把水分成硬水與軟水。8度以下的為軟水，8～16度的為中水，16度以上的為硬水，30度以上的為極硬水。
我國地域遼闊，各地水質軟硬度也程度不一，但總的來說，高原山區水質一般硬度偏高，平原與沿海地區的水質硬度偏低，地下水的硬度一般高于地面水。一般飲用水的適宜硬度以10～20度為宜。我國《生活用水衛生標準》中規定，飲用水的總硬度不得超過25度。
此外，在自然界中還有一些特異的水，如磁化水。它是指在一定的流速下通過強磁場的水，這種水可用來清除水垢，對人體循環系統和消化系統有益處，如果用來灌溉農作物可加快作物生長。
2．我國的水資源
人生存，離不開陽光、空氣和水。當人類步入現代文明的21世紀之時，人的生命之源——水，卻向人們發出了警報：資源性缺水、工程性缺水、水質性缺水。
在2002年3月21日的世界水日，聯合國列出了這樣一些數據：目前全球有11億人缺乏安全飲水，每年有500多萬人死于同水有關的疾病。預計到2025年，全球2／3的人口將生活在不同程度的缺水的地區。據聯合國環境規劃署預計，如果人類不改變目前的消費方式，到2025年全球將有約50億人生活在用水難以完全滿足需要的地區，其中25 億人將面臨用水短缺。
與世界其他國家相比，我國水資源和水環境狀況十分令人堪憂，主要表現在以下幾個方面：
（1）我國水資源總量嚴重短缺
我國雖有水量2．8萬億立方米，但人均淡水資源量僅2300立方米，相當于世界人均的1／4，被列為世界上最貧水的13個國家之一。1998年我國人均水量為2251立方米，預測到2030年我國人口增至16億時，人均水資源量將降到1760立方米。專家預言，2010年后我國將進入嚴重缺水期，2030年我國缺水將達400億立方米至500億立方米。供水量不足，給城市生產、生活造成極大影響。我國部分山區、草原、濱海和海島還有6000萬人口和4500萬頭牲畜飲水十分困難。每年的農業收成和工業產值都因缺水造成重大損失。
目前，我國有15個省、自治區、直轄市人均水資源量低于嚴重缺水線，有7個省、區人均水資源量低于生存的基本線。全國600個城市中、有400多個城市供水不足，日缺水量1600萬立方米，年缺水量約60億立方米。全國農村有2000多萬人和數千萬頭牲畜吃水困難。這表明，目前的缺水現象只是水資源危機的黃色信號，更大的水危機在后頭。缺水，嚴重制約著社會和經濟的發展，給人們的生活帶來了極大的影響。
（2）我國水資源的時空分布也很不平衡
水資源絕對數量西少東多，而人均占有量東缺西豐，兩者成反向分布。華北大地，人們不難發現，一些水庫、河道已是水枯見底，因缺少濕度，空氣里彌漫著焦灼；在西部地區，現有的水對眾多的需求來說實力杯水車薪，許多地方已是“水貴如油”。天津市重要供水水源——潘家口水庫已接近死庫容，一些水庫、河道干枯，生活用水困難，市政府被迫對城鎮用水實行定額管理；曾有1000多眼泉水的北京，部分河道斷流，泉水基本枯竭，目前靠水庫多年的“積蓄”維持供水；因泉水豐富而有“泉城”之稱的濟南，昔日清泉噴涌的情景已不復再現，有關部門報告，由于地下水位嚴重下降，使得地下水開采難度加大，加之供應城市用水的兩座水庫容量在急劇減少，濟南市的供水已處于危機狀態。
（3）我國的水環境也在日趨惡化，導致水資源可利用率降低
行家指出，無論是農業生產還是工業生產，抑或是人們日常生活，浪費水的現象相當嚴重。目前，我國農業灌溉用水有效利用率僅為40％左右，與發達國家相比差了許多，生產單位糧食用水是發達國家的兩倍多。在嚴重缺水的黃河流域上游灌區，人們用大水漫灌的方式培植作物，飽受黃河斷流之苦的豫、魯兩省引黃灌區也是如此。我國農業生產大多采用傳統的大水漫灌的灌溉方式，造成了極大的水資源浪費。我國工業萬元產值用水量為100多立方米，是發達國家的10多倍，工業用水的重復利用率僅為百分之三四十，發達國家為百分之七八十。日常生活中，有的人洗手、刷牙時不關水龍頭，有的用完水后不把水龍頭擰緊，有的人甚至開著水龍頭“冰鎮”瓜果，或沖洗衣物，這些“無意”的行為讓大量的水白白流逝，全國多數城市的自來水管網存在跑、冒、滴、漏等現象，致使水的損失率達15Oh～o％。實驗發現，一個水龍頭如果一秒鐘漏滴一滴水，一年便滴掉360噸水，而全國不知有多少水龍頭在常年漏滴水。專家報出。若要保證新世紀國民經濟和社會可持續發展，必須對種種浪費水的現象及早采取措施，加以制止。
水污染也是導致缺水的一個重要因素，我國的水污染已十分嚴重。資料顯示，近年來全國年排放污水量近600億噸，其中大部分未經處理直接排入水域。在全國700多條重要河流中，有近50％的河段、90％以上的城市沿河水域污染嚴重。許多原本清澈的江河湖泊之水被污染至已不宜飲用。由于對水資源無節制索取、不合理開發，造成水土流失、湖泊萎縮、江河斷流、水體污染、土地沙化、生態惡化，人為加劇了水資源短缺的矛盾。
隨著經濟發展、人口增長和城鎮化水平提高，我國未來對水資源的需求量還將進一步增加。如何解決水資源供給不足而需求不斷增加的矛盾已成為一個亟待研究的重大課題。
3．解決水危機問題的措施與對策
解決淡水資源不足的問題，需要采取多種措施，依靠多方的共同努力。
海水淡化是一種非常有前途的淡水提供途徑，蒸餾法、膜分離法、電滲析法等技術已日趨成熟，全世界目前有200多個海水淡化工廠在運行，我國在西沙群島也建有海水淡化裝置。
2002年12月正式開工的我國南水北調工程，是世界上最大的調水工程，將分東、中、西三線從長江調水到北方；將在很大程度上緩解北方某些城市的用水危機。
解決水危機問題除了開源，還更應注意節約用水。如推行農業滴灌技術；推行工業冷卻水的循環利用；加強城市污水的處理，既可減小對城市周邊環境的污染又可使寶貴的水資源得以再利用。為提高人們的節水意識，2003年北京市再度提高居民用水的價格。節約用水可從生活中的點滴小事做起，如每次用水后關緊水龍頭；每次用水都取其能滿足需要的最小量；洗菜、淘米水可用于澆花、涮拖布、沖便池等等。
只要大家都行動起來，水危機的問題就一定能夠解決。
主題三 金屬與金屬礦物
一、豐富多彩的金屬礦石和我國的礦產資源
【背景介紹】
資源是人類賴以生存和發展的物質基礎，對國民經濟的發展起著極為重要的作用。一個國家的工業化過程，首先是對礦物原料產品需求的迅速增長，我國經濟正在高速建設，目前95％以上的能源和80％以上的工業原料來自于礦產資源。
礦產泛指一切當今科學技術和經濟條件下可供人類開發利用的天然礦物和巖石。礦產可以有不同的分類：按其基本屬性可分為無機礦產（如多數的金屬礦產）和有機礦產（如化石燃料），也可分為金屬礦產和非金屬礦產；從礦產所具有的資源利用特性，可分為利用其物質組分的礦產和利用其物理、化學性質的礦產等。科學技術的進步和社會需求的多樣化，使得開發利用礦產資源的范圍不斷擴大，礦產品種類別也不斷增多。
可供開采利用的礦物（體）也稱為礦床。固態礦床一般由有用的礦石礦物（如銅礦中的含銅礦物）和經濟價值不大的脈石礦物構成。礦石的成分往往比較復雜，一般描述時，常指出其主要成分礦石中含有某種有用礦物成分多，叫做高品位礦（或富礦），反之稱為低品位礦（或貧礦）。
【基本素材】
1．豐富多彩的金屬礦石
（1）赤鐵礦
赤鐵礦的主要成分為Fe2O3，單晶體常呈菱面體和板狀，集合體形態多樣。有金屬光澤至半金屬光澤，硬度為5.5～6.0，密度為 5.0～5.3 g.m-3。呈鐵黑色、金光澤的片狀赤鐵礦集合體稱為鏡鐵礦；呈灰色金屬光澤的鱗片狀赤鐵礦集合體稱為云母赤鐵礦；呈紅褐色、光澤暗淡的稱為赭石；呈腎狀的赤鐵礦稱為腎狀赤鐵礦。赤鐵礦在自然界中分布極廣，是重要的煉鐵原料，也可用作紅色顏料。我國著名產地有遼寧鞍山、甘肅鏡鐵山、湖北大冶、湖南寧鄉和河北宣化。
（2）磁鐵礦
磁鐵礦的主要成分為Fe3O4，具有磁性，是礦物中磁性最強的，單晶體呈八面體或菱形十二面體，集合體為致密塊狀或粒狀。顏色為鐵黑色，條痕呈黑色，半金屬光澤，不透明，硬度為5.5～6.0，密度為4.8～5.3 g.m-3。磁鐵礦分布廣，我國遼寧鞍山等地都有大量產出。磁鐵礦是煉鐵的主要礦物原料，也是一種傳統的中藥材。
（3）褐鐵礦
褐鐵礦是針鐵礦、水針鐵礦的統稱。因為這些礦物顆粒細小，難于區分，故統稱為褐鐵礦。由于它屬于含鐵礦物的風化產物（Fe2O3·nH2O），成分不純，水的含量變化也很大。通常呈黃褐至褐黑色，條痕為黃褐色，半金屬光澤，塊狀、鐘乳狀、葡萄狀、疏松多孔狀或粉末狀。硬度隨礦物形態而異，低的1.0，高的達5.5，密度為 3.6－4.0 g.m-3，無磁性。褐鐵礦的含鐵量雖低于磁鐵礦和赤鐵礦，但因它較疏松，易于冶煉，所以也是重要的鐵礦石。世界著名礦產地是法國的洛林、德國的巴伐利亞、瑞典等地。在硫化礦床氧化帶中常構成紅色的“鐵帽”，可作為找礦的標志。
（4）黃鐵礦
黃鐵礦的主要成分是FeS2，通常含 Co、Ni和 Se，具有NaCl型晶體結構，常有完好的晶形，呈立方體、八面體、五角十二面體及其聚形。集合體呈致密塊狀、粒狀或結核狀。淺黃（銅黃）色，條痕綠黑色，強金屬光澤，不透明，硬度為6.0～6.5。密度為 4.9～5.2g.m-3在一定條件下易風化為褐鐵礦。黃鐵礦是分布最廣泛的硫化物礦物，是提取硫和制造硫酸的主要原料。我國黃鐵礦的儲量居世界前列，著名產地有廣東英德和云浮、安徽馬鞍山、甘肅白銀廠等。
（5）自然金
自然金的主要成分為Au，良好晶體極少見。自然金通常呈樹枝狀、粒狀或鱗片狀，較少呈不規則的大塊狀，俗稱“狗頭金”。顏色、條痕均為金黃至淺黃色，隨含銀量增加而變淡，有金屬光澤，不透明。硬度為2.5—3.0，密度為15.6～19.3 g.m-3。金是熱和電的良導體，難被氧化，不溶于酸，但可溶于“王水”。有極好的延展性，1g自然金可拉成約2km長的細絲。產于原生礦床中的自然金俗稱山金，它主要產于含金石英脈或蝕變巖脈中，又稱為脈金；產于砂礦中的金俗稱砂金。世界著名產地有南非、美國、澳大利亞、加拿大、俄羅斯等。我國的山東招遠、黑龍江沿岸、河南小秦嶺和湖南等地均有產出。
（6）黃銅礦
黃銅礦.的主要成分是CuFeS2，單個晶體很少見，集合體常為不規則的粒狀或致密塊狀。黃銅色，表面常有斑駁的藍、紫、褐色的色膜，金屬光澤。硬度為3.0～4.0，小刀可以刻破，性脆。密度為4.1～4.3g·cm-3。黃銅礦是提煉銅的主要礦物之一，是僅次于黃鐵礦的最常見的硫化物之一，也是最常見的銅礦物。黃銅礦常會風化變為綠色的孔雀石和藍色的藍銅礦。我國的黃銅礦分布較廣，著名產地有甘肅白銀廠、山西中條山、長江中下游的湖北安徽和西藏高原等。
（7）藍銅礦
藍銅礦的主要成分為Cu2(CO3)2(OH)2，晶體為柱狀或厚板狀，通常多呈粒狀、鐘乳狀、皮殼狀或上狀集合體。深藍色，條痕為天藍色玻璃光澤，土狀塊體為淺藍色。硬度為3.5—4.0，密度為3.7～3.8 g.m-3。常與孔雀石共生，我國古代稱為石青。
（8）孔雀石
孔雀石的主要成分為Cu2(OH)2CO3，因琢磨后顯美麗的翠綠色似孔雀尾的花紋而得名。晶體為柱狀、針狀或纖維狀，通常呈鐘乳狀、腎狀、被膜狀或土狀集合體。呈綠色，玻璃光澤，半透明。硬度為3.5～4.0，密度為3.9～4.0 g.m-3。常與藍銅礦、赤銅礦、褐鐵礦等共生，可用作尋找原生銅礦的標志。孔雀石可用于煉銅，質純色美者可做為裝飾品及工藝品原料，其粉末可做綠色顏料（稱石綠）。俄羅斯烏拉爾、中國海南島石碌等地盛產。
（9）金紅石
金紅石的主要成分為TiO2，通常呈帶雙錐的柱狀或針狀晶體，柱面常有縱紋。金紅石通常呈紅褐色到幾乎黑色，條痕淺褐色，金屬光澤到半金屬光澤，硬度為6.0—6.5，密度為4.2－5.6 g.m-3。金紅石主要用于提取鈦和制造白色顏料。我國江蘇、遼寧、山東、河南、湖北、安徽等省也有產出。
2 我國的礦產資源
我國幅員遼闊，已知礦產資源條件較好，礦產種類齊全，探明的總儲量規模可觀，是世界上為數不多的幾個礦產資源大國之一。雖然，礦產自用總量豐富，但人均占有量少。我國礦產資源有以下特點：
（1）礦產資源總量豐富，礦種齊全，但人均占有量少
我國已經發現的168種礦產，其中有17種人均占有量超過世界人均占有量，而其余則低于世界人均占有量。已探明的礦產資源總量約占世界的12％，僅次于美國和前蘇聯，居世界第3位，但人均占有量居世界第53位。
（2）礦產資源有豐有欠
從探明的儲量看，有充分保證的約12種（煤、W、Ti、Mo、Li、稀土、石墨、石膏、重晶石、滑石、大理石、彭潤土），基本有保證的約10種（Fe、Mn、Pb、Zn、Ni、Au、S、P、石油、天然氣），相對短缺的有鉻鐵礦、鉆、金剛石、銅、鉀鹽等。Mo、W、Sn、Sb、Ti、稀土、石墨、彭潤土、菱鎂礦、螢石、高鋁耐火材料為我國優勢礦產資源。
（3）貧礦多、富礦少；共生、伴生礦產多，單一礦產少
一些需用量大的礦產資源（如 Fe、Cu、Al、Zn、Mn等）存在著富礦少、貧礦多的問題，例如，我國至今還未發現超大型的富鐵礦（5億噸級）和富銅礦（5兆噸級），綜合利用存在的問題也較多。有色金屬礦中，共生、伴生礦產占27％以上，貴金屬中，40％的金礦和75％的銀礦為伴生礦。
（4）現有經濟發達地區與資源富集區分布不協調
已勘查的2萬余處礦床分布在全國各地，但由于各地區地質成礦條件不同，導致一些礦產的分布具有明顯的地域差異。例如，經濟發達的東南部用煤量大，但儲量緊缺，出現了北煤南運、西煤東運的局面。一些尚未開發利用的大型、超大型礦區，主要分布于西部邊遠地區，開發利用難度大。
二、生鐵的煉制
【背景介紹】
冶金工業為人類提供金屬材料，屬于國民經濟建設的支柱產業。冶金工業具有悠久的歷史，從古至今，對人類社會進步和生產力發展做出了大量不可磨滅的貢獻。人類歷史上幾個主要文明轉折點《如銅器時代、鐵器時代》都與冶金科學技術的發展密切相關。世界上眾多的國家與地區，都把冶金的發展作為直接衡量國民經濟發展水平和綜合實力的一個重要指標。我國1993年的鋼鐵產量躍居世界第二，首次超過日本，目前，鋼產量為世界第二，鐵產量為世界第一。但是，中國只是一個鋼鐵大國，還不是鋼鐵強國。
【基本素材】
1．冶金工業概述
冶金始于公元前38～公元前36世紀的美索不達米亞煉銅術。15世紀末到16世紀初，高爐煉鐵發展迅速，進入19世紀，化學冶金取得了突破性進展，煉鐵、煉鋼在英國出現了一系列重大技術發明，諸如以焦炭代替木炭煉鐵，貝賽麥（H．ksse）、托馬斯（G、Thomas）轉爐和馬丁平爐煉鋼，使鋼鐵冶金開始向大規模工業化發展；1809年戴維（H．Davy，1778—1829）創立了電解熔鹽制取金屬的方法；到1886年，美國的霍爾（C，W．Hall）和法國的埃魯（H．Heroult）幾乎同時以商業規模實現用熔鹽電解法提取鋁，開拓了有色金屬冶煉的新工藝。20世紀中葉，冶金工業發展迅猛，技術不斷更新、完善，生產規模不斷擴大，鋼鐵企業向大規模聯合企業發展。在20世紀80年代，西方經濟不景氣，鋼鐵需求一度下降，鋼鐵工業受到成本和技術方面的嚴峻挑戰，冶金發展中心開始向東南亞地區轉移，因此，西方一些人認為西方冶金為夕陽產業。
（1）火法冶金
火法冶金（Pyrometallurgy）是利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金方法。目前，在金屬材料生產中，火法冶金所占比例最大。鋼鐵及大多數有色金屬主要靠火法冶金生產。目前我國鋼材和一些有色金屬的生產在數量和質量上，都不能滿足國民經濟發展的需求，但是，由于冶金工業投資大、能耗高而產值較低，加之其他新型材料的崛起，已經使其生產規模的發展趨勢趨于緩慢。世界和我國冶金工業的趨勢是加強火法冶金的科學研究，不斷改進冶金生產工藝，開發新的冶金方法。
（2）濕法冶金
濕法冶金（Hydrometallurgy）又稱水法冶金，相對于火法冶金，同屬于提取冶金或化學冶金領域。濕法冶金是指利用一些溶劑的化學作用，在水溶液或非水溶液中進行包括氧化還原、中和、水解及絡合等反應，對原料（礦石、精礦等）、中間產物或再生資源中的金屬進行提取和分離的冶金過程。濕法冶金對于低品位、復雜和難選礦的分離提取更顯示其優越性。結合我國礦產資源的特點，尤其是有色金屬和稀有金屬方面的優勢，大力發展濕法冶金新技術，將資源優勢轉變為產業優勢，除滿足國內經濟建設需要外，還可以在出口創匯方面發揮重大作用。
我國的濕法冶金技術，可以追溯到北宋時期，那時就開始用膽銅法生產銅。現代濕法冶金開始于第二次世界大戰中期或20世紀50年代初期，它是化工與冶金相結合的典型，吸取了現代化工工程的原理、方法和技術，用于強化已有的提取冶金過程和開發新的濕法分離方法和技術，由于學科間的交叉和滲透，從而促進了濕法冶金的迅速發展。到了20世紀七八十年代，濕法冶金的發展進入了相當活躍的階段，其主要原因是：
．現代生產對環境保護的要求日益嚴格。特別是有色金屬硫化礦火法冶煉時排放煙氣中SO2大污染，導致大氣嚴重的酸雨現象，迫使人們更加關注無大氣污染的濕法新工藝。
．低品位礦石的開發日顯重要。隨著地殼中天然礦床的不斷開采，常用礦物的品位逐漸降低，從而使得金屬的提取更多地依賴于濕法冶金。
．復雜礦石及二次資源的綜合利用受到重視。濕法冶金的優點是對原料中金屬元素的綜合回收率高，加上節約能源和資源，使得濕法冶金技術獲得發展。
．近年來，由于黃金價格上漲，形成了世界范圍內新的黃金熱，金礦的富集、分離及濕法冶金技術取得了引人注目的新進展。
（3）粉末冶金
粉末冶金（Powder Metallurgy）是研究金屬、合金、非金屬和化合物的粉末及其材料的性質、制造理論與工藝的一門技術科學。粉末冶金技術起源于遠古時代，公元前3000年埃及人用C還原Fe2O3得到的海綿鐵，經高溫鍛造成致密鐵，再鍛打成器件。世界上許多發達國家都把粉末冶金的發展放在重要地位。
2．生鐵的煉制
人類早先是在一種偶然的情況下，用薪火加熱熔解鐵礦石而發現鐵。最初采用的方法極為簡單，只是將初掘的鐵礦石塊堆上多量的木柴，點火燃燒，以后漸漸采用木炭代替薪柴，用獸皮來鼓風。因而，產量很少，極為貴重，只供裝飾用。之后的煉鐵方法用木炭作燃料用石塊堆砌熔礦爐，把鐵礦石及木炭由爐上部加入，同時由爐下吹送空氣，已略具近代制鐵高爐的雛形，至18世紀英國發明以煤代替木炭。爐體設計幾經改進，后來又以焦炭代替煤，終于漸漸演變確立了近代以鐵礦石及焦炭大量煉制生鐵的方法。由這種方式煉成的鐵，含有較多的雜質，如C、Si、Mn、P、S等，稱為生鐵、銑鐵或簡稱為銑。生鐵的合碳量一般在2％以上，含純鐵量只有 94％（純粹的鐵，煉制困難且實用性差），大部分用作煉鋼原料，一部分則作為鑄造鐵器之用。我國古代煉鐵用到鼓風的煉鐵爐，爐是用鹽拌和泥土砌成。以后由于風箱的發明，煉鐵業趨于興盛，不過大規模采用新式高爐則較遲。到光緒廿一年，中國第一座日產生鐵100噸的新式煉鐵高爐才于漢陽鋼鐵廠正式生產，開始了新法煉鐵。
（1）高爐簡介
傳統上一般在高爐（見圖3－14）中煉制生鐵。高爐似保齡球瓶的垂直筒狀，外部為鋼內部則砌有耐火磚。高爐內部自下而上，劃分為爐床、爐腹、爐腰、爐胸、爐喉等部分，頂端另裝有爐頂設備。爐床底部有出鐵口，在其上方適當高度處有出渣口。，兩口位置不在同水平上。在爐床上部，爐腹下緣之下的一圈，均勻地圍繞著許多個鼓風口與熱風爐的熱風管相連。靠近爐蓋下方，爐壁周圍有4支爐頂氣排氣管，此4支排氣管子爐外最后合而為一降流管而與除塵器相銜接。爐的高度如不計爐頂裝置，大型的約高30～40米。整個高爐結構，可達90—100米高，相當于30層以上的高樓高度。爐床內徑多在9米以上，深度約3.5～4.5米。高爐之內容積由1800－4 000立方米不等。高爐的生產率是以每24小時所生產的鐵液量而定，大者可達10 000噸以上，小者只有 100噸而已。

由于整個高爐本體耐火材料內襯一直處于高溫狀態下，故須用水在外部冷卻，以延長高爐的使用壽命。一座高爐內村的壽命，在良好的操作情況下，一般可達600萬噸的總出鐵量，更高者可達1000萬噸。屆時，須完全停工，重行修砌爐內的耐火內襯。
（2）高爐煉鐵的主要原料
加入高爐中煉制生鐵的主要原料為：鐵礦石、焦炭與石灰石。高爐加入焦炭的主要作用為提供反應及熔解所需的熱量，并作為還原劑，此外還具有支持加入料和加強爐內透氣性的功用。高爐焦炭一般要求含較高的固定碳，較低的水分。灰分、雜質（硫分及揮發物）含量，并有適當的粒度與強度、煉制每噸生鐵所耗用的焦炭量視操作情況與輔助燃料噴入的多少而定，因而各國情況不同。
高爐所加入的助熔劑主要為石灰石。視加入料的不同，有時也配用白云石（CaCO3·MgCO3）。其功用主要在收集鐵礦石中所含的脈石（主要為SiO2與焦炭中的灰分）并降低其熔點，使生成爐渣而排出。煉制每噸生鐵，石灰石的總耗用量約200—250千克。
（3）高爐生產過程
一座現代化的煉鐵廠主要由加料設備、高爐、熱風爐、鼓風設備、除塵設備等構成。為易于取得原料，一般鋼鐵廠多建于臨海地區，或交通便利地區，或靠近礦區。由于高爐為連續24小時不停操作，所需原料量極大，故原料須有充分的庫存量。
高爐操作時，鐵礦石、焦炭、石灰石等原料由原料處理場或儲存庫經秤量后以原料輸送設備（主要為運送帶或加料車），直接送到爐頂部料斗，順次自動分層由爐頂通過鐘型爐蓋，加入高爐中。此時由鼓風機送來的冷風通過熱風爐被加熱為熱風，立刻由爐下部各鼓風口連續吹入爐中，而與爐內下降至爐腹下緣的焦炭發生作用，生成大量的還原性的CO及熱。此種高溫的還原性氣體上升而與下降的鐵礦石發生還原反應，由爐頂加料線以下反應漸次加強，至爐腹部熔融帶裝入料大部分熔解，體積銳減。生成的熔鐵液則滴流聚集于爐床內。鐵礦石所含的主要雜質（SiO2、焦炭中殘留的灰分等）與由石灰石在爐中分解出的CaO相化合而成熔點較低、比重較輕的爐渣，浮積于鐵液之上。
當爐床內熔融的生鐵與渣量積存至相當量后，即由出鐵口及出渣口分別排出高爐。每日出鐵的次數大約10～12次，至于出渣的時機則一般于出鐵前視渣量的多寡而定。
由出鐵口排出的生鐵液經鐵水流道，流入特制的盛桶，直接將生鐵液運至煉鋼工廠，或流入保溫車運往煉鋼工廠作煉鋼的原料，或將鐵液運至鑄鐵機注入鐵模內，以冷水噴灑冷卻，鑄成塊狀的生鐵。
爐渣也經渣流道流至渣坑，灑水造成塊狀渣，或以高壓水柱急速噴激冷卻而成較細的粒狀渣。爐渣壓碎后可供填土、鋪路或作為制水泥的摻合料。如以高壓力的蒸氣或空氣處理熔融之爐渣。
高爐操作時由爐頂排氣管排出的爐頂氣，其主要成分由高爐中未完全反應的CO、生成的CO2及不起反應的N2組成。其排放量很大，一般每生產一噸熔鐵，排出爐頂氣的體積約有2000立方米（由爐頂排出之氣體量與鼓入高爐中的風量有關）。爐頂氣含塵量很高，塵埃之組成主要為細粉狀的鐵礦、石灰石以及細焦炭粒等。如不加以處理利用，會造成極大的原料損失以及嚴重的環境污染問題。因此爐頂氣須在最經濟的原則下，盡量除去其所含塵埃。一般高爐工廠皆多采用除塵器聯合氣體清凈設備，以處理爐頂氣體。由于爐頂氣尚具有相當高的熱值量，可供再燃燒生熱。鋼鐵廠通常回收作為加熱熱風爐及鍋爐之用。
（4）高爐煉鐵的基本原理及爐內化學反應
煉鐵的基本原理，就是設法將鐵礦石中氧化鐵的氧還原除去，生成金屬鐵。利用高爐煉鐵，就是用爐內赤熱的焦炭及其發生的CO作為還原劑，在一定的壓力與溫度下與氧化鐵進行還原反應。
高爐內上升氣體與下降物料間所起的主要的變化，按區域分別加以說明（實際上高爐內的反應并非如此簡單）：
．燃燒帶
在鼓風口前部，熱風吹入后立刻與赤熱之焦炭先發生燃燒：
C＋O2——CO2＋394．2 kJ（放熱反應）
生成的COZ立即與其周圍多量的焦炭再反應而生成CO；
C＋CO2——2CO－171．8 kJ（吸熱反應）
因此主要的燃燒帶反應可合為：
2C＋O2————2CO＋222．4 kJ
加入爐中的焦炭大約有85％以上是在各鼓風口前燃燒生成CO，火焰溫度的理論值可達2 000℃以上，為整個高爐中溫度的最高區。吹入熱風中的N2在爐內并不起反應，被加熱后隨著CO氣體上升，而熱風中的水分與焦炭也發生反應，分解而放出H2，吸收熱量：
C＋H2O——CO＋H2－131．2 kJ
．熔融帶
在高爐爐腹部分，除焦炭外，其他加入料全部都開始熔融，此區溫度高達 1350～2 000℃，各種主要還原反應皆發生在此處。由于已還原的鐵吸入C、Si、Mn、S、P等元素，熔點降低，生成熔鐵液，滴下集聚于爐床，爐渣也開始生成，此區的主要反應為：
FeO十 C——Fe十 CO
Fe2O3十3CO——2Fe十3CO2
2FeO＋Mn＋C——2Fe ＋ MnO＋CO
FeS ＋ CaO＋C——CaS＋Fe ＋CO
SiO2＋2C＋FeFe＋Si＋2CO
3CaO＋P2O5＋3SO2十5C＋6Fe——3Ca SiO3十 5CO＋2Fe3P
．下部還原區
在爐胸下部加腰等部分，由爐腹上升的爐腹氣迅速與下落的鐵礦石發生還原反應，將氧化鐵還原為固態的海綿鐵。石灰石亦快速進行分解，生成CaO而開始與鐵礦石中的脈石結合，溫度可達900℃以上，主要反應為：
FeO十 C——Fe十 CO
FeO十CO——Fe＋CO2
CO2＋C——2CO
MnO2 ＋CO——MnO＋CO2
CaCO3 ——CaO ＋ CO2
．上部還原區
在爐胸上部以上至加料線部分，亦可稱為預熱及預還原區域。爐料首先被預熱至200～300t，水分與結晶水被蒸發排出，鐵礦石漸次下降而與上升的CO氣體起還原反應。主要反應為：
3Fe2O3＋CO——2Fe3O4＋CO2
Fe2O3＋CO——2 Fe O＋CO
Fe3O4＋CO——3FeO＋CO2
2CO——C＋CO2
以上的分區只是為方便說明而已，實際上高爐內有很多反應并不只限發生于某一區域，還涉及反應熱力學與反應動力學的問題，情況非常復雜。
主題四 常見的酸堿鹽
一、酸雨的形成、危害及治理
【背景介紹】
1872年英國科學家史密斯分析了倫敦市的雨水成分，發現：農村雨水中含碳酸銨，酸性不大；郊區雨水含硫酸銨，略呈酸性；市區雨水含硫酸或酸性的硫酸鹽，呈酸性。于是史密斯首先在他的著作《空氣和降雨：化學氣候學的開端》中提出“酸雨”這一術語。
那么什么是酸雨呢？簡單地說，酸雨是指pH低于5.6的大氣降水，包括雨、雪、霧、露、霜。由于空氣中含有CO2，而CO2溶于水后使水變成弱酸性，因此雨水在通常情況下就具有一定的酸性。但是正常降水的 pH不會低于 5.6，因為 CO2飽和溶液的 pH為 5.6。
【基本素材】
1．酸雨的形成
酸雨是大氣污染物排放、遷移、轉化、成云和在一定氣象條件下產生降雨的綜合過程的產物，其主要成分是H2SO4和HNO3，兩者占總酸量的 90％以上。我國酸雨中H2SO4占絕大多數，其含量是HNO3的10倍。這表明我國的酸雨主要是由SO2造成的。人類活動和自然過程還使許多氣態物質或固態物質進入大氣，對酸雨的形成產生影響。大氣顆粒物等變成酸反應的催化劑，大氣光化學反應生成的O3和H2O2等，又是使SO2氧化的氧化劑。
酸雨中的硫是否都是由于人為排放的SO2造成的？研究結果表明，情況并非如此。以我國酸雨最嚴重的貴州省中部地區為例，其酸雨中的硫至少有5種來源：燃煤釋放的氣態SO2、大氣顆粒物、生物活動釋放的天然揮發性硫化物、臨近省份傳輸來的含硫氣溶膠，以及由海洋暖濕氣流帶來的濺出物。
2．酸雨的危害
20世紀的五六十年代以前，酸雨只是在局部地區出現，如北歐地區受到歐洲中部工業區排出的酸性氣體的影響，出現了酸雨。之后，20世紀60年代末至80年代初，其范圍由北歐擴大至中歐，同時北美也出現了大面積的酸雨區；20世紀 80年代以來，在世界各地相繼出現了酸雨。有資料表明，目前出現酸雨最集中、面積最大的地區是在歐洲、北美和我國，而且，酸雨危害范圍不斷擴大，危害程度也不斷加深。
（1）酸雨與建筑、文物
酸雨能使非金屬建筑材料(混凝土、砂漿和灰砂磚)表面的硬化水泥溶解,出現空洞和裂縫，導致強度降低，從而使建筑物受損。科學家收集許多被酸雨毀壞的石灰石和大理石建筑材料，分析發現樣品中碳酸鹽的顆粒中總是嵌人硫酸鈣晶體。硫從哪里來的？專家們認為與酸雨有關。沙漿混凝土墻面經酸雨侵蝕后，出現“白霜”，經分析此種白霜就是石膏（硫酸鈣）重慶市 1956年建成的重慶體育館，由于酸雨腐蝕，石子外露，深達1cm之多。按時間估計，平均每年侵蝕0.4 mm，十分驚人。這種水泥欄桿石子外露現象，在路旁電線桿上也每每出現。
酸雨能使文物面目皆非。著名的杭州靈隱寺的“摩崖石刻”近年經酸雨侵蝕，佛像眼睛、鼻子、耳朵等剝蝕嚴重，面目皆非。修補后，古跡不“古”。碑林、石刻大都由石灰巖雕成，遇到酸雨立即起酸堿中和反應，導致被腐蝕。南方某地，有一塊有著五百年歷史的大理石碑，50年前字跡尚清晰，現在已一片模糊。這說明此事與近40至50年間的該地的酸雨現象有關。上海市嘉定城中明代萬歷年間的古代建筑金沙塔，在酸雨產生的“水滴石穿”的腐蝕作用下，表面層日益灰暗，更顯頹廢。嘉定名園秋霞圃、江龍潭、古建筑十年內粉刷油漆多次，不久又暗淡無光，使游人搖頭而去。世界上許多古建筑和石雕藝術品遭酸雨腐蝕而嚴重損壞。如我國的樂山大佛、加拿大的議會大廈等。最近發現，北京盧溝橋的石獅和附近的石碑、五塔寺的金剛寶塔等，均遭酸雨侵蝕而嚴重損壞。
（2）酸雨與森林
酸雨會對森林植物產生很大危害。根據國內對105種木本植物影響的模擬實驗，當降水pH 小于3.0時，可對植物葉片造成直接的損害，使葉片失綠變黃并開始脫落。葉片與酸雨接觸的時間越長，受到的損害越嚴重。野外調查表明，在降水pH小于4.5的地區，馬尾松林、華山松和冷杉林等出現大量黃葉并脫落，森林成片地衰亡。例如重慶奉節縣的降水pH小于4．3的地段，20年生馬尾松林的年平均高度生長量降低 50％。
酸雨對森林的影響，在很大程度上是通過對土壤的物理化學性質的惡化作用造成的。在酸雨的作用下，土壤中的營養元素K、Na、Ca、Mg會釋放出來，井被雨水淋溶掉。所以長期降酸雨會使土壤中大量的營養元素淋失，造成土壤中營養元素的嚴重不足，從而使土壤變得貧瘠。此外，酸雨還能使土壤中的鋁從穩定態中釋放出來，使活性鋁增加而有機絡合態鋁減少。土壤中活性鋁的增加，會嚴重地抑制林木的生長。
酸雨會抑制某些土壤微生物的繁殖，降低酶活性。土壤中的固氮菌、細菌和放線菌等也明顯受到酸雨的抑制。酸雨還可使森林的病蟲害明顯增加。在四川，重酸雨區的馬尾松林的病情指數為無酸雨區的2.5倍。
酸雨對中國森林的危害主要是在長江以南的省份。根據初步的調查統計，四川盆地受酸雨危害的森林面積最大，約為28萬公頃，占有林地面積的 32％，貴州受害森林面積約為14萬公頃。估計南方11個省的酸雨造成的直接經濟損失可達44億元。北美酸雨區已發現大片森林死于酸雨，德國、法國、瑞典、丹麥等國已有700多萬公頃森林正在衰亡。
現在大多數專家認為，森林的生態價值遠遠超過它的經濟價值。雖然對森林的生態價值的計算方法還有一些爭議，計算出來的數字還不能得到社會的普遍承認，但森林的生態價值超過它的經濟價值，這一點，幾乎已達成共識。根據計算結果，森林的生態價值是它的經濟價值的2～8倍。如果按照這個比例來計算，酸雨對森林危害造成的經濟損失是極其巨大的。
（3）酸雨與人體健康
雖然人體耐酸能力強于耐堿能力，但眼角膜和呼吸道黏膜對酸類卻十分敏感。酸雨或酸霧對這些器官有明顯刺激作用，會導致紅眼病和支氣管炎，咳嗽不止，并可誘發肺病；這是酸雨對人體健康的直接影響。另一方面，酸雨會使農田土壤酸化，使本來固定在土壤礦化物中的有害重金屬，如 Hg、Cd、Pb等再溶出，繼而被糧食、蔬菜等吸收和富集，人類攝取后，便會中毒、得病。這是酸雨對人體健康的間接影響。
（4）酸雨與農業
酸化土壤肥力減退，造成農業減產。酸雨可使土壤微生物種群變化．細菌個體生長變小，生長繁殖速度降低。如分解有機質及其蛋白質的主要微生物類群芽抱桿菌、極毛桿菌和有關真菌數量降低，會影響土壤中營養元素的良性循環，給農業生產帶來危害。酸雨可降低土壤中氨化細菌和固氮細菌的數量，使土壤微生物的氨化作用和硝化作用能力下降，對農作物大為不利。1982年6月18日，重慶下了一場pH為3.9的強酸雨，某鄉上萬畝水稻葉片迅速變成赤色，這場災害使水稻的產量損失40萬千克。
（5）酸雨與水生生物
湖水pH在6.5—9.0之間的中性范圍時，對魚類無害；在5.0～6.5之間的弱酸性時，魚卵難以孵化，魚苗數量減少；當湖水pH低于5.0時，大多數魚類不能生存。因此，湖泊酸化會引起魚類死亡。相對于忍耐湖水酸化的能力而言，蝦類比魚類更差，在已酸化的湖泊中，蝦類要比魚類提前滅絕。
草本食物是一些魚、蝦類生活的基礎。湖水酸化，水生生物種群將減少。例如某湖酸化后，綠藻從26種減至5種；金藻由22種減至5種；蘭藻由22種減至10種。俗語說： “大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃滋泥。”其實滋泥中就含有大量水生生物。魚蝦離開了水草和水生生物，好比鳥獸離開了森林。因此，從生態食物鏈角度來看，湖泊酸化，也將使魚蝦難以生存。如在瑞典的9萬多個湖泊中，已有2萬多個遭到酸雨危害，4千多個成為無魚湖；美國和加拿大許多湖泊成為死水，魚類、浮游生物，甚至水草和藻類均一掃而光。
3．酸雨的控制與治理
我國出現酸雨的地區，已由20世紀80年代初期的西南局部地區，擴展到長江以南的大部分地區，成為我國危害最大的大氣污染問題。目前，我國的酸雨主要分布在長江以南、青藏高原以東地區，以及四川盆地。華中地區酸雨污染最嚴重，其中心區域酸雨pH年均值低于4.0，酸雨頻率在80％以上；由南充、宜賓、重慶和遵義等城市所形成的酸雨區，僅次于華中地區，其中心區域的酸雨pH年均值低于5.0，酸雨頻率高于80%。
二、葉脈書簽
【基本素材】
制作葉脈書簽的全過程如下：
．采葉
通常采一些葉脈粗壯、堅韌的樹葉，如桂花樹的葉子、山毛櫸科植物的葉子都可以。所采的樹葉大小要適當，不要有殘缺；葉子老一點好，不要太嫩。
·浸潤、煮沸
葉子采來后放在燒杯里，加入10%－15%NaOH水溶液（把樹葉浸沒為止），加熱煮沸10～15分鐘
．洗葉
當葉肉呈現黃色后，取出，平放在塑料紗網上，用自來水沖洗干凈。
主題五 化學元素
一、元素與植物的生長
【背景材料】
人類開始種植植物以獲取生活資料之后，就逐漸認識到了植物需要營養，植物生長需要肥料。土壤的營養元素不足，常引起植物體營養元素含量的不足，一方面造成植物生長發育不良，另一方面還將引起動物和人體的營養元素不足，最終導致人類疾病的發生，形成惡性循環。例如，20世紀60年代初期，在伊朗有一種青春期營養性侏儒綜合癥，病人身體矮小、肝脾腫大、食欲低下、貧血、性發育不良。經科學考察分析，原來是這一地區土壤缺Zn，當地作為主食的谷物中一些鹽和大量纖維也影響了人體對Zn元素的吸收利用，使這一地區的病人出現了由缺乏Zn而導致的青春期營養性侏儒綜合癥。大量研究表明。土壤中嚴重缺乏某種元素是導致一些地方性疾病發生的重要原因。
【基本素材】
地球上自然存在的元素為82種，其余的為人工合成，然而植物體內卻有60余種化學元素。到目前為止被證實是必需元素的有 20多種，在必需元素中，C、H、O三種元素占作物干重量的 95％以上，主要來源于空氣和水。N、P、K三種元素占作物干重的千分之幾或百分之幾，主要來源于土壤和空氣。這兩類元素對農作物來說需要量大，稱為大量元素。Ca、Mg、S、Si的含量約為作物干重的千分之幾，稱為中量元素。而含量在 0.001％～0.0001％ 的元素稱為微量元素，目前被世界公認的微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl等7種元素。
這些元素在植物生長過程中都各發揮著重要作用。綠色植物的生長和生殖發育離不開植物特有的光合作用。植物的光合作用能將 CO2轉化成有機物質貯存在體內。C、H對是植物構成的主要元素以是植物體內蛋白質、核酸和葉綠素的組成成分；P是植物體內核酸、蛋白質和酶等多種重要化合物的組成元素；Ca是組成植物細胞壁的主要元素，還可以中和有機酸，調節PH，消除細胞內過多的酸毒害；Mg是葉綠素的重要成分，沒有葉綠素就沒有植物的生長水不是植物體的組成元素，但它與一起參與植物體內的代謝過程，具有促進植物生長、增強抗病蟲害和抗倒伏能力等功能。
微量元素的作用同樣是十分重要的，表5—1列出了幾種微量元素對植物生長的影響。
二、化學元素與人體健康
【背景介紹】
大自然中的一切物質都是由化學元素組成的，人體也不例外。人體通過呼吸、飲水和進食，與環境進行物質交換和能量交換而達成某種平衡，所以從某種意義上說，生命過程就是生物體發生的各種物質轉化以及能量轉化的總結果。在生命活動過程中，化學元素和營養物質通過食物鏈循環轉化，再通過微生物返回環境。
生命在人類知識范圍內是最富于魅力的現象，健康長壽是人類的共同愿望。許多資料證明，人的生老病死是與生物分子如蛋白質、肽、多糖、核酸、激素、維生素和礦物質等聯系在一起的，危害人類健康的疾病大都與體內某些元素平衡的失調有關。因此了解元素在生命過程中的功能，正確理解飲食。營養與健康的關系，樹立營養平衡的觀念，補充和調節體內元素的平衡，對于預防疾病，增強體質，保持人類身體健康具有重要意義。
【基本素材】
1．人體內存在的元素
生物體內的元素大致可分為以下3類：
（1）必需元素
所謂必需元素是指生命過程的某一環節需要該元素參與，即該元素存在于所有健康的組織中；生物體能主動攝入并調節其體內分布和水平的元素；與存在于體內的生物活性化合物有關的元素；缺乏該元素時會引起生物生理變化，當補充后即能恢復。那么構成人體的必需元素有哪些呢？19世紀初，化學家開始分析有機化合物，清楚地認識到活組織主要由4種元素組成，即C、H、O、N，僅這4種元素就約占人體體重的96％。此外，體內還有少量 P、S、K、Na、Ca、Mg龍等，這11種元素屬于人體健康必需的常量元素。屬于人體必需的微量元素有：Fe、Zn、Cu、Cr、V、Ge、Sr等10多種。
（2）有益元素
所謂“有益元素”是指那些對健康有一定幫助，但沒有時生命也可維持的元素。這種元素約有20～30種，普遍存在于人體組織中，它們的生物效應和作用還未被人們全部認識，有待于進一步研究。這些元素與必需元素之間沒有明確的劃分界線，一種元素是不是有益元素既與它在體內的濃度有關，又與它的存在狀態有關。
（3）有毒有害元素
所謂“有毒有害元素”是指對人體能產生有害的作用的元素。如血液中濃度極低的Pb、Cd、Hg等。它們可能來自環境污染，又不易排除，會在體內積聚，當這些元素在體內的濃度達到一定程度后，就會引起身體中毒甚至危及人的生命。
表5—3列出了幾種微量元素在人體中的存在、對人體健康的影響及相應的食品來源。
三、月球上有什么元素
通過對宇航員從月球上采集回來的月巖和月壤樣品的分析，發現月球上有O、Si、H、Fe、Ni、Ti、Cr、Al、Mg等多種元素，并且還發現了He－3。另外美國發射的‘“月球勘察者”號初步探明月球的兩極存在大量的冰態水。表5—7列出了月球上部分元素的質量豐度。

主題六 常見的有機物
一、服裝干洗
【基本素材】
1．干洗劑
據歷史記載，在19世紀60年代，英國已較普遍使用汽油作干洗劑。為了徹底解決汽油溶劑安全性差的問題，在20世紀初期，開發出了鹵代烴合成溶劑，首先使用的是CCl4，不久因為它有毒、腐蝕性強而逐漸被其他鹵代烴溶劑代替。
1918年，歐洲開始使用三氯乙烯，但它脫脂能力太強，目前已不使用。現今使用最多的氯代烴合成溶劑是四氯乙烯，它安全性好，脫脂去污能力強，但它存在著對金屬材料的腐蝕作用，特別是對環境造成污染，因合成溶劑水解的產物有毒，會對土壤和水質造成污染。
因此20世紀60年代以來又開發出以三氯三氟乙烷為代表的氟里昂溶劑。氟里昂溶劑無毒、不可燃，對橡膠、金屬和化纖無腐蝕性，洗凈度又比四氯乙烯更好，因而受到好評。但由于氟里昂溶劑有破壞大氣臭氧層的問題，目前已被禁止使用。
由于環保法規日趨嚴厲，發達國家對環保型干洗劑的要求越來越多，而隨著科技的更新，干洗業越來越多地采用石油溶劑。石油干洗機在整個操作過程中，幾乎聽不到機器噪聲，更沒有四氯乙烯溶劑洗完衣服后所常有的異味，洗滌效果也非常好。在今后的發展中石油干洗劑將成為干洗業的最佳選擇。
2．服裝干洗的步驟
在日常生活中，洗衣店里進行服裝干洗時，一般有以下3個流程：
（1）洗前預處理
在服裝進行干洗前，要先用毛刷把服裝上的灰塵輕輕刷掉，然后，對服裝進行檢查，看服裝上是否有比較特殊或明顯的油漬或污垢。如果有的話，要對這些油漬或污垢進行特殊處理。如服裝上有油漬，需在干洗前對油漬進行預處理，可在油漬處滴上汽油，上下各鋪兩層吸墨水紙，用熱熨斗熨一下，油脂就會連同汽油一起被紙吸收，反復二三次，然后再進行干洗。再如印泥油漬，需先用溫熱皂液浸泡10分鐘后搓洗，后用95％酒精擦洗；鐵銹漬需用1％的草酸溶液洗滌等。
（2）機器干洗
服裝通過預處理后就可以通過干洗機進行干洗了。干洗機就好像常見的洗衣機一樣，把服裝放進干洗機后，只需調節一些按鈕，設計一定的時間，干洗機就能自動進行干洗。服裝在干洗機里，經歷了下面一些處理；放入干洗機－干洗液浸泡－清洗－漂洗－脫液－烘干－去臭－冷卻。
（3）熨燙
通過機器干洗后，把服裝從干洗機里取出，需對服裝進行檢查、修補、熨燙和整理。然后。把熨燙整理好的服裝懸掛或存放好即可。另外，如果干洗業者很專業，很有責任感，過濾蒸餾過程中，使用適當的干洗溶劑，同時也依照正當的干洗作業程序，干洗后的衣服應該是沒有任何味道或殘留物的。
二、人類重要的營養物質――糖類、脂、蛋白質、維生素
【背景材料】
人體的化學組成雖然很復雜，但都依賴于基本的營養物質來維持它們的生物活性。表6—7中的數據反映了人體內的基本化學構成。
人類為了維持生命和健康，除了陽光與空氣外，必須攝取食物。食物的成分主要有糖類、油脂、蛋白質、維生素、無機鹽和水六大類，通常稱為營養素。其中糖類、油脂、蛋白質和維生素都是天然的有機化合物，在自然界分布很廣。
【基本素材】
1．糖類
糖類是由 C、H、N元素組成的一類有機化合物，通式為CnH2nOn，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖、淀粉、纖維素等。糖類是食品的重要成分，廣泛存在于植物體中，是綠色植物經過光合作用的產物。動物體自身沒有產生糖類的機能，植物光合作用產生的糖類是動物的重要營養來源。因此，糖類主要是由植物性食品供給。
糖的營養和生理功能 膳食中碳水化合物的供給量，主要依飲食習慣、生活水平和勞動強度的不同而異，一般認為每日需糖量平均以占總熱能供給量的50％～70％為宜。成年人中輕體力勞動者每人每天約需400～450g，重體力勞動者約為500～600 g。其食物來源主要是植物性食品，如谷類、薯類、豆類等，其中含有大量的淀粉和少量的單糖、二糖。蔬菜和水果中除含少量的單糖外還是食物纖維的主要來源。此外，動物性食品中的乳類及肝也是糖類的來源之一。
糖類是人體重要的能源。食物中的糖類，只有單糖能直接給人體提供熱能。其他的糖類，要經過一系列的消化過程最終轉變為單糖后，才能便于人體很好地吸收。淀粉在人體內的消化過程，主要是通過酸、酶的水解作用：
在人體內，糖被氧化后，變成CO2和水，同時，這個反應產生足夠的熱量，供人們進行各種活動的需要，其反應式為：
糖也是維護心臟和神經系統具有正常生理功能的必需品。人體的許多組織中，都需有糖參加，它是構成人體組織的一類重要物質，例如，正常人的血液中約含0.1％的葡萄糖，叫做血糖。
2．油脂
油脂是人類的主要食物之一，日常食用的動物油、花生油、菜子油、豆油、棉籽油等都是油脂。在室溫下，植物油脂通常呈液態叫做油；動物油脂通常呈固態，叫做脂肪。脂肪和油統稱油脂。
油脂主要是由一分子甘油和三分子脂肪酸形成的甘油三酯。三個基團可相同，也可不同。由動植物組織提取的油脂都是不同脂肪酸混合甘油酯的混合物。按其脂肪酸是否含有雙鍵可分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。動物脂肪如豬油、牛油、羊油等主要含有飽和脂肪；植物油如某油、花生油、豆油、芝麻油等則含有較多的不飽和脂肪酸。自然界的脂肪酸多含偶數碳原子，分布最廣的有軟脂酸[CH3(CH2)14COOH，十六烷酸]、硬脂酸[CH3(CH2)16COOH，十八烷酸]和油酸［CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH，一十八碳烯酸］三種。
不同的油脂有其不同的性質和生理營養功能，主要是因為它們含有不同的脂肪酸。人體正常生長所不可缺少而體內又不能合成、必須從食物中獲得的脂肪酸稱為必需脂肪酸。例如亞油酸、亞麻酸和花生四烯酸。在這三種必需脂肪酸中，亞油酸是關鍵化合物。如果有了亞油酸，人體就能夠合成亞麻酸和花生四烯酸。若缺乏亞油酸，會發育不良，使皮膚和腎損傷，以及產生不育癥。亞油酸在醫藥上用于治療血脂過高和動脈硬化。
在各種食用油脂中、飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、多不飽和脂油脂能產生很高的熱能，同時，也是人體熱能貯備最適宜的能源。貯存在人體內臟器官表面的油脂，有保護內臟器官免受劇烈震動和摩擦的作用；皮下脂肪有保持體溫的作用。油脂還能溶解一些脂溶性維生素，如維生素A、D、E、K等，因此，進食一定量的油脂能促進人體對食物中維生素的吸收。
3．蛋白質
蛋白質是生命的物質基礎，它存在于一切活細胞中，是細胞里最復雜、變化最大的一類分子。一切重要的生命現象和生理機能，就是由組成生物體的無數蛋白質分子活動來體現的。1839年德國化學家米爾德（G．T．Mulder）給這類化合物起名叫做蛋白質（protein），意思是“頭等重要的”。
（1）蛋白質的組成
蛋白質是一種化學結構非常復雜的含氮的有機高分子化合物，主要由C、H、O、N等元素組成。有的蛋白質中還含有S、P(如牛奶中的奶酪蛋白)、Fe(血中的血紅蛋白)、Mg(綠色蔬菜中的葉綠蛋白)、I(甲狀腺中的甲狀腺球蛋白)等其他元素。其中四種主要元素的質量分數為：C 51％～55％，H 5.5％～7.7％，O 19％～24％，N 15％～18％。多數蛋白質的分子量范圍在1.2萬至 100萬之間。含氮是蛋白質組成上的特征，且各種蛋白質的含氮量很接近、其平均值為16％。
氨基酸是組成蛋白質的基本單位，也是蛋白質降解后的最終產物。幾乎所有的蛋白質都是由不同數目的氨基酸以肽鍵（酰胺鍵）連接而成的生物大分子化合物。迄今從各種生物體中發現的氨基酸已有180多種，但參與蛋白質組成的氨基酸只有20種。除脯氨酸外，這些氨基酸在結構上的共同特點是氨基均連在與羥基相鄰的α碳原子上，因而稱為α－氨基酸。
（2）蛋白質的生理功能
蛋白質是生命的基礎，沒有蛋白質就沒有生命。人體最重要的組成成分是蛋白質。據估算，人體中的蛋白質分子多達10萬種，蛋白質占人體重的15％～18％、干重的50％。肌肉、皮膚、血液、酶、乳汁以及毛發等都是由不同的蛋白質構成的。 蛋白質是重要的營養素。人們從食物中攝取的蛋白質，在胃液中的胃蛋白酶和胰蛋白酶作用下，經過水解生成氨基酸。氨基酸被人體吸收后，重新結合成人體所需的各種蛋白質，或者以氨基酸的形式發揮各種生理機能，維持生命活動。它們供給肌體營養，執行保護功能，負責機械運動，控制代謝過程。
（3）蛋白質的主要食物來源
人體主要通過食物攝取自己所需的蛋白質。食物蛋白質分為動物性蛋白質和植物性蛋白質。動物性蛋白質來源于魚、畜禽肉、蛋、乳類等，因所含必需氨基酸種類齊全，數量充足，而且各種氨基酸的比例與人體需要基本符合，容易吸收利用。這類蛋白質屬于完全蛋白質。植物性蛋白質主要來源于豆類、硬果類、薯類、蔬菜類等食物，它們所含的氨基酸人體可自行制造，屬于不完全蛋白質。但含有豐富蛋白質的豆、硬殼果類等植物性食品也含有較多的人體不能合成的必需氨基酸。
4．維生素
維生素是維持人體正常生理機能所必需的一類低分子有機化合物，在天然食物中含量極少，在人體內含量甚微。與蛋白質、脂肪、碳水化合物不同，維生素在人體內不能產生熱量，也不參與人體細胞、組織的構成，但卻參與調節人體的新陳代謝，促進生長發育，祛除某些疾病，并能提高人體抵抗疾病的能力。因此，維生素是人體生長和健康所必不可少的營養素。人體若缺少了維生素，新陳代謝就要發生紊亂，就會產生各種維生素缺乏病，如壞血病、腳氣疾、凝血病和夜盲癥等。這些病看起來不是什么重癥，但如不加治療，對人體健康危害是很大的。因此，維生素既是營養品又是藥品。維生素在人體內不能合成，必須從食物中攝取，但由于人體對各種維生素的需要量并不大（一般都在毫克級），只要注意平衡膳食，多吃新鮮蔬菜和水果，一般不會引起維生素缺乏癥。若發生維生素缺乏癥，可在醫生指導下服用富含維生素的食品或維生素制劑（如魚肝油、干酵母及維生素C、E、K等）。
維生素種類多，化學性質與分子結構差異很大，其分類一般按其溶解性，分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。脂溶性維生素都溶于脂肪和脂溶劑，而不溶于水，可隨脂肪為人體吸收并在體內儲積，排泄率不高。水溶性維生素能溶于水而不溶于脂肪或脂溶劑，吸收后體內貯存很少，過量的多從尿中排出。
主題七 能源
一．資源的綜合利用
所謂資源的綜合利用，是指對資源實行全面的、充分的和深層次的利用，是對資源在開發、生產、消費和再循環的整個過程實施優化的一個手段。綜合利用包含著一物多用、變廢為寶、化害為利等方面的內容，廣義地說，就是“物盡其用”。舉個簡單的例子，砍下一棵成材的松樹，你可以把它的樹干劈成木材，連同它的樹根。樹葉和樹枝作柴火用；也可以用它的樹干鋸成板材，把它的樹枝按大小、長短分門別類，各派用場，把它的樹頭制成砧板，把它的樹根用于雕刻，把它的樹葉用作儲運水果的輔助用品等等。前一種利用是單一的使用，沒有體現出這棵松樹應有的價值，后一種使用是綜合利用，它比前者更充分地發揮了作為一棵松樹應有的價值。可見綜合利用相對于單一使用而言，其效果是大不一樣的，有著明顯的經濟效益。
自從人類大規模的使用自然資源以來，人們利用資源的歷史，實際就是一個由單一利用走向綜合利用的歷史。但是，在兩次世界能源危機以前，由于資源使用過程中起主導作用的是經濟因素，資源綜合利用在深度和廣度上，基本是由經濟行為主體對資源的認識及其切身利益決定的，在這種情況下，資源的綜合利用只能是一種自發的行為，因而它本質上還是經濟決定論下的一個附屬物。
然而，在發生了兩次世界性的能源危機之后，情況就不同了，在能源危機中吃盡苦頭的西方工業化國家，對它們盲目開發使用資源的行為進行了深刻的反省，不得不重新估價資源本身的價值，把眼光進一步轉向資源的節約、深度開發、再生循環和“廢物”的綜合利用等領域，并通過制訂一系列強有力的法律措施，通過采用合理的技術和先進的管理手段，以解決人類在資源、環境等問題上所面臨的巨大難題。可見，自然資源綜合利用蔚然成風，實際上是人類對其傳統的物質生產和生活方式反思的結果，是社會歷史進化的必然。
在我國，現代化發展進程的加速還只是近十幾年才發生的事情，對資源的大規模需求，使我們在“開源”與“節流”問題上更多地關注了前者，于是就出現了“凡是能獲取的資源就盡快地盡可能多地把它們拿到手”，而對資源的綜合利用則是聽其自然。結果，不但資源短缺的問題得不到解決，還使人們對資源綜合利用的內涵產生了諸多的誤解，以為綜合利用就是環境凈化、生態重建，綜合利用事業就是不產生經濟效益的社會公益事業等，嚴重地制約了我國綜合利用事業的發展，使得資源綜合利用的巨大潛力得不到應有的發揮。據有關資料統計，目前我國礦產資源的平均總回收率只有30％～50％，比發達國家低10%～20%，2／3以上的礦山的綜合利用率指數還不到 25％；我國工業廢渣綜合利用僅為29％，累計堆積量達67．5億噸，占地約5．6億公頃，成為嚴重的二次污染源；工業水回收率不到 30％，而發達國家在 70％以上；廢鋼鐵回收量約占鋼產量的50％，而發達國家一般占70％左右；廢紙回收率只有 20%，而日本則超過 50％。這說明，與發達國家相比，我國資源的綜合利用水平，無論是在深度還是在廣度上，都存在著很大的差距。
有人曾做過統計，建國以來，我國再生資源行業回收了廢鋼鐵3.8億噸，廢有色金屬307萬噸，廢紙3200萬噸，廢橡膠360萬噸，廢玻璃270萬噸。這些二次資源社會提供了可觀的基礎材料：煉鋼2億噸，相當于25個鞍鋼一年的產量；生產再生膠220萬噸，相當于橡膠樹293公頃；節約鐵礦石9億噸，相當于全國鐵礦5年的產量；節約銅礦1.4億噸，相當于新建產 300萬噸大型銅礦47個；節約木材1.28億 m3，是全國木材年產量的 2倍；節省能源約1億噸標準煤，可供全國人口消費2年半；節電305億千瓦時，相當于4座90萬千瓦大型電廠一年的發電量；節省礦山投資2 652億元，相當于我國冶金工業3年的總產量；節約運力120億噸，相當于24億輛東風牌卡車的載貨量。
二．開發新能源
新能源是一個相對的概念，是相對于成熟的、常規的能源而言的。開發新能源，是出于實際的需要。已經探明的不可再生能源的儲量是十分有限的。煤、石油、天然氣的儲量至多只能再供人類節省地使用幾百年。水力資源在很多發達國家也已經開發殆盡。然而，社會的發展、人口的增長、環境的惡化、資源的減少，對能源提出越來越高的要求。靠什么才能獲得持久和強大的能量，來保證子孫萬代的需要呢？新能源的開發是重要的途徑之一。
（1）太陽能
太陽上的熱核反應已經進行了幾十億年。它在“滴答”一秒鐘內釋放出的能量，同爆炸900億顆氫彈相當。這些能量向四面八方輻射出去。而地球只截獲了其中的二十億分之一。盡管這是太陽能量中很少的一份，但它已相當于全世界所有電站總發電量的10萬倍。因此，太陽能將始終是地球上人類賴以生存的基本能源。
1996年7月，在德國斯圖加特郊外的機場，一次與眾不同的飛行表演吸引了數萬名觀眾的注意。飛機在400米的空中進行各種動作的表演， 15分鐘后，當飛機準備降落時，場上的人都不禁屏住了呼吸。幾分鐘后，飛機安全地降落在停機坪上，這時，觀眾席上爆發出雷鳴般的掌聲。這架飛機僅靠太陽能板獲得的能量來飛行，起飛后的上升速度每秒只是2米。雖然只有短短15分鐘的飛行，但它在人類航空史上書寫了具有里程碑意義的一頁。 “萬物生長靠太陽”，而太陽還能工作80億年，因此，把太陽能轉換成電力或其他二次能源，如生物能源、氫能源等，以滿足未來世界對能量的需求，有很光輝的前景，但目前還有待技術上和經濟上的重大突破。
（2）核能
另一種比較強大而集中的能源是核能。1千克U—235的原子核全部裂變，可放出 7．94 × 10”焦的熱量，而 1千克標準煤完全燃燒只能放出 2．93 X 10’焦的熱量。然而，當 1千克氖核發生聚變時，其放出的能量比鈾核還要大4～5倍。 鈾是地球上分布很廣的元素，在地殼內儲量豐富。在地殼的巖石圈內，每噸土壤平均含鈾1克左右。每噸海水約含鈾3g左右。現在，人們除了開采含鈾量高的鈾礦外，還在研究從海水中提鈾的方法。
氖是氫的同位素，它的化學性質和氫相似，通常以氖水（又稱重水）的形式存在。一浴缸的海水可提取一茶匙的重水，它所包含的能量相當于2浴缸的汽油。不過，人類現在只會用氫彈爆炸的形式來釋放聚變的能量，可控的熱核反應才具雛形，有待進一步研究和試驗。
（3）風能
古代人早就利用風力作為動力，用風帶動水車，提水澆灌農田；帶動磨盤，用來磨米磨面……現在為了尋找無污染的能源，人們又仿效古代祖先，利用風力作動力。
空氣流動，就產生風。因此，利用風力，不用勘探、采掘或加工，只要空氣一流動，就產生風力。據估計，全世界每年可以接收的風能為10兆瓦，相當于全球總發電量的1／10。而且在離地面200米的高度內，風能比較大，因此，如何開發風能是21世紀的新課題。
現在風力發電技術向大型化發展。美國研制M—5大型風力發電機，葉片直徑為91.5米，額定功率為2.5兆瓦，并在美國已試運轉了幾年。歐共體于1995年開始生產1兆瓦的風力發電機。我國風力發電起步較晚，一般只有幾臺小型風力發電機在內蒙草原上運轉，為牧民提供電能。現在，我國也開始對大型風力發電機組進行研制，并從國外引進一批大型風力發電機組，使草原牧區取得明顯的經濟效益和環境效益。
但是，風能不穩定，風能的儲存也有問題，這是21世紀開發風能必須解決的難題。
到了21世紀，無論在廣闊的草原，還是在高高的山嶺，我們都會看到，一座座抗風暴襲擊又能穩定運行的風電站。每當大風來臨，收集器就會自動調節風葉方向，迎接風暴的洗禮。任憑風力有多大，來勢有多猛，一律吸收轉變成電能并儲存起來，為牧民和周圍居民提供穩定的電能。在無污染能源的開發上，風能的利用將有一個大發展。
（4）地熱能
地熱是埋藏在地下的熱源。科學家認為，地球可分為地殼、地幔和地核三層。地殼就是地球表面的一層，一般厚度為幾千米至70千米不等。地殼下面是地幔，它大部分是熔融狀的巖漿，厚度為 2 900千米。火山爆發一般是這部分巖漿噴出。地球內部為地核，地核中心溫度為 2 000℃。因此，整個地球就是一個大的熱量儲體。如果僅開采地下3千米以內的地熱資源，就可相當于29000億噸煤，可見地熱是一個不可小看的資源。
很早以前，人們只利用地熱資源作溫泉療養、溫室栽培。到本世紀70年代，它才開始逐漸被重視，人們考慮如何把地熱能轉變為電能。目前，世界上已有25個國家建立了地熱發電站，設備能力已達10萬千瓦。
在我國，已探明的地熱儲量為 4 600多億噸標準煤。而且，目前只開發利用了不到十萬分之一。最典型的西藏拉薩附近的羊八井地熱電站，現裝機容量為2.5萬千瓦，發電量已占拉薩電網的50％，地熱發電保證了拉薩的生產和生活用電。
隨著技術的發展，21世紀對地熱資源的開發也會如開采石油一樣方便。在地熱資源豐富的地方，人們鉆出一口口深達幾千米的熱氣井。如美國已在圣路西島上鉆出一口 1500米的熱氣井，熱水汽——溫度達300℃，生產能力為10兆瓦。地下熱水汽資源因為帶有大量的鹽分和礦物質，在開發時，也需要考慮對地熱資源的綜合利用問題。
一個個地熱電站在21世紀將屹立在世界各地。地熱帶出的硫化氫被濃縮、提煉成為制造硫酸和其他化工產品的原料。地熱水經過利用后，又成為清潔的水源供人們生產和生活使用，開拓了一條新水源。因此，未來21世紀，一座座活火山將成為一個個熱電廠，一塊塊地震頻發區，反而成為一個個地熱開采的中心；地熱資源是地球奉獻給人類的又一個能量寶庫，有其不可估量的前途。
（5）潮汐能
大海每天似人的脈搏一樣不斷地漲潮和落潮。漲潮時，它把海水推向岸邊。落潮時，又讓海水退回大海。潮汐就是這樣，往復不停而又有規律地讓海水運動。海水不停地拍打岸邊，每一次漲潮落潮，潮汐中都蘊藏著巨大的能量。
課題八 新材料
一．新型金屬功能材料
金屬的功能材料同金屬工程材料相比，往往具有優良的電學、磁學、光學、熱學、聲學等物理性能，特殊的機械性能，以及優異的化學、生物學性能。功能材料的發展歷史悠久，對技術的進步、社會的發展起到非常巨大的作用。早期的硅鋼片、銅、鋁導線材料，對電力工業的發展起到關鍵作用；20世紀50年代，與微電子技術密切相關的半導體材料迅速發展；到了60年代，激光技術中以光導纖維?

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