资源简介

主题一 空气
一、空气－人类赖以生存的物质
【背景介绍】
化学作为一门自然科学，所研究的领域与人的日常生产和生活所接触的物质密切相关。在学生的化学学习中，自然就要关注和探究生产和生活中的常见问题。空气是人类接触最直接也是最多的化学物质，学生的学习活动也往往从对空气的探究开始。
空气是地球上生命体的基石，离开空气，地球上的一切生命活动将停止。一方面，动植物需要空气进行生命活动。人（动物）通过呼吸空气来维持生命，一个成年人每天呼吸大约在2万次左右，吸入空气量约1万立方米，大约14千克，这个数值为人饮水量的10倍。人可以5天不饮水，一周多不吃饭，但没有空气，5分钟就会因为窒息而死亡。同时，植物需要空气进行光合作用。另一方面，空气还是重要的资源。人们在进行现代化生产过程中的许多原材料需要从空气中获得。
【基本素材】
1．空气的组成成分
对于空气里有什么，人类经历了数百年的探索，许多科学家为之付出了艰苦的努力。
现在人们已经知道空气是多种气体组成的混合物，它的组分可以分为恒定组分、可变组分和不定组分3类，如图1—1所示。
空气这种相对稳定的组成并不是一开始就有的，而是长期演化的结果。自从地球诞生以来，空气从无到有，各种成分和含量逐渐变化，经历了漫长的衍变过程，直到近十几亿年才稳定到目前的状态。空气中各成分参与自然界中诸如生物生死腐败、岩石风化。雨雪雷电等各种变化，不断地被消耗和生成。这种循环平衡的建立，维持了其主要成分含量的相对稳定，提供了人和动物得以生存的适宜环境。
根据科学家的研究，地球已经有大约46亿年的历史了，在距现在约25亿年前的某个时期，原始海洋中突然出现了一种名为蓝绿藻的低等生物，它的大量繁殖和所具备的光合作用能力开始给地球的大气输送氧气，但是所产生的氧气一直被大气中的还原性气体和海底存在的大量金属铁“无情地”消耗着，使大气中氧的浓度只能长期地维持在 1％左右。直到距今约17亿年时，源源不断的氧气终于战胜了来源日益枯竭的各种还原性物质的“抵抗”，浓度突升至 20％左右，后来便长期稳定在目前的水平上。
2．自然界中的氧循环
由于氧在自然界中含量丰富，分布广泛，而且性质活泼，环境中处处有氧（游离态或化合态），所以氧在自然界中的循环很复杂，在后面述及的碳循环及氮循环中都包含有一部分氧循环。
图l－2是氧在自然界中的主要循环途径。光合作用是实现自然界中氧循环的主要途径。在光合过程中，叶绿素受到太阳光的照射吸收能量，分解水分子弟兵；水分解产生的氢与碳及其他化合物化合而产生糖，同时，把氧释放到大气中．
6CO2＋6H2O ---------C6H12O6＋6O2，动物通过呼吸作用，吸进氧气用排出二氧化碳，产生了可供生命利用的能量。因此，在光合作用开始时吸进的水和碳，最后又被放了出来；而光合作用放出来的氧，又通过呼吸作用重新吸收回去。这是地球上简单的、基本的氧的循环。这样的循环是地球上维持全部动植物生命的一个基本源泉。
3．自然界中的氮循环
在自然界中，氮元素的循环几乎涉及到生物圈的全部领域（见图1—3）。氮被固定后经植物吸收储存在植物体内，动物以植物为食而获得氮并转化为动物蛋白质。动植物死亡后的遗骸中的蛋白质被微生物分解成NH4+、NO3-和 NH3，又回到土壤和水体中，被植物再次吸收利用。
应当指出，无论是氧循环、氮循环，还是后面要谈到的碳循环，参与循环的物质仅是该物质总储量的很少部分，大部分则存留于各自的“储库”之中。海洋和岩石是氧的总储库，大气是氮的总储库。因为参与循环的物质的量极少，所以各种物质总体循环一周所需要的时间很长，且根据各类物质总储量的不同，循环周期的长短差别很大。
二、主要的空气污染物及其危害
【背景资料】
各种生命体都在与外界环境不停地进行着气体交换，以维持其新陈代谢活动。在正常情况下，空气是洁净的，即使有一些自然活动如火山爆发，自然界也会在较短的时间内通过本身的循环而除去这些活动造成的污染。然而由于人类的活动，特别是现代工业的发展，人为向空气中排放的污染物越来越多，种类也越来越复杂，大大超过自然界本身的净化能力，从而导致空气成分的变化，以致对人类和其他生物以及一些建筑设施产生了不良的影响。自20世纪60年代以来，这一问题已越来越受到人们的重视。了解、认识这些污染物的种类和来源，是减少人为排放、消灭污染的先决条件。
【基本素材】
空气污染物的种类非常多，有百余种，如 CO，CO2，烃类，氮氧化物（NOx），SO2，浮尘等，表1－3列出了一些常见的空气污染物的成分、危害和来源。
据我国环境质量报告书和世界资源报告提供的数据，我国是燃煤大国，煤燃烧后产生的颗粒物石O2和 NOx污染严重。这些污染物给人们的生产和生活带来诸多危害，也是导致全球气候变化。烟雾事件、臭氧层破坏等重大环境问题的重要因素。许多城市的空气污染主要来源于可吸入颗粒、SO2和NOx。
1．可吸入颗粒
化学物质对空气的污染，按照其体积大小可分为3类：
（1）基本粒子
主要是单个分子、离子或原子，包括CO、NOx、CO2、SO2等一些气体分子和具有放射性危害的元素氡。
（2）化学气溶胶体
每个颗粒由1012－1013个原子、离子或分子组成，大小一般在0.001～10μm之间，化学气溶胶体和悬浮颗粒物是硫化物、氮氧化物以及其他污染物的负载体。
化学气溶胶体表面积比较大，能够吸附有毒气体并为它们发生化学反应提供场所。悬浮颗粒物的直径大小在 1～10μm之间，一般肉眼可以看得到，它也能吸附有毒的气体。
（3）悬浮颗粒物
在可吸人颗粒物中，直径小于 10μm的污染颗粒物可通过呼吸作用侵入人的上呼吸道；当其直径小于2.5μ m时，污染物可进入人的下呼吸道，有时甚至穿过肺泡进入血液。目前，在我国监测的300余个城市中，首要污染物就是颗粒物，而其中直径小于2.5 μm的细微颗粒物，则是解决空气污染问题的难点。
目前许多人以为天蓝就是空气质量好，其实这是一种误解。天蓝只能说明肉眼可见的粗颗粒少，能见度高。相反，如果将粗颗粒转化为细微颗粒物排入空气中，危害将更为严重。
大气中的可吸入颗粒物对人类健康和生态环境有很大影响。对其中直径小于2.5 μm的细微颗粒物的研究表明，它们将会增加重病及慢性病患者的死亡率、促使呼吸系统及心脏系统疾病恶化。改变肺功能及结构、改变免疫结构等。
矿物燃料燃烧产生微细颗粒，汽车尾气、火力发电厂和其他工厂也要产生大量的细微颗粒。这些微粒包括O3，CO，SO2和NOx等，人们普遍认为这些物质对人体危害极大。
近年来，许多国家都将可吸入颗粒物的研究，特别是直径小于2.5μm的细微颗粒物的物理化学行为、形成与污染机制、控制技术，以及对人体健康的影响等，作为环境科学研究的重点。
2．二氧化硫
空气中的SO2除少部分来源于火山喷发外，绝大部分都是由于人类生产生活造成的。我国目前的燃料主要以煤为主，其中火力发电对空气质量影响非常大。一个100万千瓦的发电厂每年要释放 600吨 SO2。一座 2000兆的大型现代化火电站每年产生的SO2大约相当于一座100万人口的工业城市产生的数量。许多煤都含有1％～2％的硫（以单质、黄铁矿、有机硫化物形态存在）。
根据接触史、呼吸系统受损的临床表现，以及现场劳动卫生学调查，可明确诊断 SO2对人体的危害，表 1－4列出了 GB16375－1996（职业性急性二氧化硫中毒诊断标准及处理原则）所规定诊断标准。
SO2漂浮在空气中，在粉尘的作用下会被氧化为SO3，当SO3的量较多时降水的酸度就会明显增大，从而形成酸雨。
为了控制空气中SO2的含量，我国制定了一系列的政策和法规，要求：
．禁止新建煤层含硫量大于3％的矿井；
．已建成的生产煤层含硫量大于3％的矿井，逐步实行限产和关停；
．新建、改造含硫量大于1.5％的煤矿，应当建设煤炭洗选设施；
．禁止在大中城市城区及近郊区新建燃煤火电厂；
．现有燃煤含硫量大于1％的电厂要在 2010年前分期分批建成脱硫设施或其他具有相应效果的措施；
并从制定规划、强化监督管理、推行SO2污染防治技术和经济政策、完善酸雨和SO2监测网络、开展科技研究、积极进行宣传培训等方面，提出具体计划，以实现控制目标。
3．氮氧化物
N2是空气中含量最多的气体，性质比较稳定，但在一定条件下以与O2反应生成氮氧化物（NOx）。这些化合物对空气产生较大的污染作用。氮的氧化物气体有 NO，NO2，N2O3，N2O4，N2O，N2O5等。其中，对空气质量影响比较大的是 NO和 NO2。
NOx的产生一般有以下3种途径：
·在高温燃烧过程中，空气中的N2与O2反应而生成NOx；
·某些燃料中含有氮的化合物，在燃烧过程中被氧化而产生NOx；
．碳氢化合物燃烧时若浓度过高，NOx也伴随生成。
空气中的 N2和O2能化合生成大量的NO和少量的NO2，NO随后迅速氧化成红棕色的 NO2。其毒性比 NO和 SO2都强，不但对动物的呼吸组织有着强烈的损害作用，对心脏、肝脏、肾脏以及造血组织都有着破坏作用。
化肥厂的高烟筒往往冒着浓浓的黄色烟雾，翻滚着冲向天空，它主要含有高浓度的NOx。NO2能引起急性哮喘。日本当年发生的“横滨哮喘病”，NO2就是肇事者。“二战”后的1946年，驻扎在横滨地区的美国军人及其家属，在秋冬季节好多人早晨起床后表现猛烈咳嗽、气喘和呼吸困难症状。经认真研究后，认为是NOx污染空气造成的。当空气中NO2的平均浓度24小时都在0.06mL·m3以上时，人的健康就会受到危害。而世界上许多大城市，NO2浓度都超过这一数值。
NO2也是一种腐蚀剂，它能使各种织物褪色，损坏棉纺织品及尼龙织物，损伤植物。NOx能与空气中的碳氧化合物在阳光的作用下形成光化学烟雾，危害更大，NO2还是酸雨的成因之一。实际上，氮氧化物对环境的影响还有很多，例如，对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响，大气能见度的降低，地表水的酸化，富营养化，以及增加水体中对鱼类和其他水生生物有害的毒素含量等。
为了改善空气的质量，需要采取各种手段降低氮氧化物的含量。首先要降低燃料中氮的含量，进行脱氮处理。其次，改变燃料的燃烧方式，降低烟中氮氧化物的含量。另外，科学家们研究并提出让 NOx变成肥料的方法，让 SO2和 NOx变成(NH4)2SO4和NH4NO3，用在农业生产上。
三、空气质量的衡量标准
各种媒体每天都要向我们预告天气的风霜雨雪和冷暖，如今，一种新的预报—空气质量预报，开始成为一些媒体的日常工作。中央电视台每天预报十几个大城市的空气质量，许多城市的各种媒体也适时播报当地的空气质量。有些城市在市中心设置了电子屏幕，时刻显示空气质量。人们像关心天气一样，开始关注每天呼吸的空气质量。
【基本素材】
1．空气质量标准
为了控制空气中各有害物质的含量，创造一个好的生存环境，需要制定相应的环境标准对空气污染进行监控。所谓环境标准，是指人类和生物维持生存所必须的环境条件。一般是制定各种有害物质在环境中的最高允许浓度。表l－5列出了GB3095—1996中规定的有关环境空气质量的一些标准：
随着对空气质量预报工作的深入研究，以及检测技术水平的提高，各地还可根据本地区的特点，增加其他一些污染项目以及重新规定各污染物的标准，使之能更全面、准确地反映当地的空气质量和污染状况。
2．空气污染指数
我国的空气质量采用了空气污染指数进行评价。空气污染指数是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响，来确定污染指数的分级及相应的污染物浓度值。我国目前采用的空气污染指数（API）分为五个等级：
．API值小于等于50，说明空气质量为优，相当于国家空气质量一级标准，符合自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护地区的空气质量要求；
．API值大于50且小于等于 100，表明空气质量良好，相当于达到国家质量二级标准；
．API值大于 100且小于等于200，表明空气质量为轻度污染，相当于国家空气质量三级标准；
．API值大于200且小于等于300，表明空气质量差，称之为中度污染，为国家空气质量四级标准；
．API大于 300表明空气质量极差，已严重污染。
为了更准确地标定空气的质量，目前，我国把空气质量日报中的三级或四级污染天气，细分为三级1、三级2和四级1、四级2共4个档，它们分别代表轻微污染、轻度污染、中度污染和中度重污染。如表1－6所示。
目前，各个城市一般都在媒体上公布空气质量。从当日的空气质量日报中，我们可以清楚地看出各城市空气的污染状况和主要污染物，既可以为专业部门控制污染提供依据，又让广大市民及时了解空气质量，提高关心环境质量、保护环境的意识。
四、二氧化碳与温室效应
【背景介绍】
CO2是空气中的组成部分之一，植物利用它进行光合作用，对整个生命系统有着重要的作用。在正常情况下，大气中的CO2维持在一定的范围内。但是，随着现代化工业的发展，越来越多的CO2释放到大气中，超出了大气自身的调节能力。过多的CO2滞留在大气中，对地球上的生态系统产生了许多不良的影响。所以虽然是空气的组成部分，但是目前也被认为是一种污染。目前研究表明，产生“温室效应”的重要原因是大气中比以往有了更多的 CO2。
【基本素材】
1．碳元素在自然界的循环
碳是构成生物体的基本元素之一，也是构成地壳岩石和矿物燃料（煤、石油、天然气）的主要元素。碳在自然界的循环主要是通过CO2来完成的，它可分为3种形式：
·植物经光合作用将大气中的CO2和H2O化合生成碳水化合物，在植物呼吸中又以CO2的形式返回大气中，被植物再度利用；
．植物被动物采食后糖类被动物吸收，在体内氧化生成CO2，并通过动物呼吸释放回大气中，又可被植物利用；
．煤、石油、天然气等燃烧时生成CO2，它返回大气中后重新进入生态系统中参与循环。
2．温室效应
上述碳的循环多年来一直处于平衡之中，维持了大气中CO2含量的相对稳定。但是近几十年来，由于工业、交通和居民使用燃料的增加，以及森林和草地的减少，使CO2的产生大大多于消耗，造成大量的CO2笼罩在地表上空。当太阳向地球光照时，其中一部分光能被地球表面和云层反射回宇宙，一部分被大气中的气体和尘埃散射，也进入到宇宙中，一部分被地球上的物体所吸收，从而使地球变暖，同时，地表也向上空反射。大气中的CO2等气体，吸收了部分从地表来的热量，使自身的温度升高然后又折射到地表上，这样使地球温度逐渐变暖，并且这种趋势正在延续，这就是所谓的“温室效应”。
温室效应的产生给人类的生产和生活带来了很大影响：
．随着地球表面温度的逐渐升高，南极的冰雪逐渐融化，使得平面逐年升高，直接威胁着许多沿海国家，有科学家预测，在本世纪，世界各地海岸线的70％将被海水淹没，许多城市将完全或部分消失；
．地球表面温度的升高，对农业也产生了很大的威胁，一方面，耕种的土地将减少，另一方面，一些作物在高浓度CO2中也将减产；
．随着地球温度的升高，一些物种也将灭绝。
为减缓温室效应的加剧，既要设法减少矿物燃料的使用量，开发新能源，又要禁止砍伐森林，特别是有效地控制人口的增长。为减少温室气体的排放，世界各国都作出了努力。1997年12月“防止地球温暖化”国际会议在通过了“京都宣言”后闭幕。宣言中规定了发达国家削减废气排放量的指标，计划在2012年实现整体削弱1990年废气排放标准的5.2％。我国也在为减少空气中的温室气体而努力，而且取得了较好的成绩。我国自1996年以来经济发展迅速，却成功地把CO2排放量降低了12％～17％，仅2000年就减少排放 CO2　4亿到 9亿吨。联合国环境规划署和世界能源理事会2001年7月1日高度评价中国政府为减少温室气体排放所采取的实质性步骤和取得的巨大成效，并呼吁国际社会自觉采取行动，切实减少温室气体排放量。
五、光化学烟雾与环保汽车
【背景介绍］
在一般人的意识中，空气污染就是人们向空气中排放的有毒有害物质直接造成的。然而，空气中的这些物质，甚至一些本来无明显毒害性的物质（如烃），在一定条件下会发生转化，产生破坏力更强的二次污染物质。光化学烟雾就是这样特殊的一种环境污染。
【基本素材】
大气中的污染物由一次性污染物和二次污染物组成，一次性污染物是指直接污染环境的物质；有些污染物在空气中与其他物质发生反应又产生污染，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（气体和颗粒物）所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。这种污染首先出现在美国的洛杉矶。
1．光化学烟雾的产生和危害
洛杉矶位于美国西南海岸，西面临海，三面环山，是个阳光明媚，气候温暖，风景宜人，商业、旅游业都很发达的港口城市。城市的繁荣又使洛杉矶人口剧增，纵横交错的城市高速公路上拥挤着数百万辆汽车。然而从20世纪40年代初开始，每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。同时处在这种烟雾中的人眼睛发红、咽喉疼痛、呼吸憋闷，出现头昏、头痛等症状。
光化学烟雾是由于汽车尾气和工业废气排放造成的，一般发生在湿度低、气温在24～32℃的夏季晴天的中午或午后。汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和NO2被排放到大气后，在强烈的阳光紫外线照射下，会吸收太阳光所具有的能量。这些物质的分子在吸收了能量后，会变得不稳定起来，原有的化学链遭到破坏，形成新的物质。这种化学反应被称为光化学反应，其产物为含剧毒的光化学烟雾。
光化学烟雾的机理可以用如下反应来描述：
汽车尾气产生的NO2在日光的作用下，分解为NO和原子氧：
NO2＋hν-------NO＋O
有了氧原子，光化学烟雾的循环就开始了。原子氧与氧分子反应生成 O3：
O＋O2-----O3
O3既是一类强烈的刺激性污染物，又会与烃类物质发生一系列复杂的化学反应，其产物中有烟雾和刺激眼睛的物质，如醛类、酮类等。在此过程中，NO2还会形成另一类刺激性强烈的物质PAN（硝酸过氧化乙酸）。另外，烃类中一些挥发性小的氧化物会凝结成气溶胶液滴而降低能见度。下式可表示光化学烟雾的主要成分和产物：
汽车尾气十阳光十O2——O3＋NOX＋CO2十H2O十有机化合物（CO，NOx，烃）
洛杉矶之后，日本、加拿大、德国、澳大利亚、荷兰、意大利等国家相继发生光化学烟雾污染事件，近几年我国一些城市也出现了光化学烟雾，形势令人担忧。
光化学烟雾污染发生时，大气中各种污染物的浓度比晴朗天气要增大五、六倍，会对人和其他动物以及植物造成严重的损坏。人和动物受到的主要伤害是眼睛和呼吸系统黏膜受刺激，引起眼红流泪、气喘咳嗽、头痛等病症，严重时使人头晕胸痛、恶心呕吐。手足抽搐、血压降低，甚至昏迷致死。对于植物的影响也很明显，当刚受烟雾污染时，植物表皮褪色，呈蜡质状，经过一段时间后色素发生变化，叶片上出现红褐色斑点，对西红柿、烟草、豆类植物的影响尤其明显。光化学烟雾严重影响植物的生长和发育，降低植物对病虫的抵抗能力。光化学烟雾还可加剧橡胶制品的老化速度，使其易脆裂，加快染料的褪色，损害油漆、纺织品和塑料制品等。
2．光化学烟雾的防治
形成光化学烟雾的主要污染物来自汽车尾气，因此，当前要在改善城市交通结构、改进汽车燃料、安装汽车排气系统和提高汽油的质量等方面做文章。
为保护环境，促进低污染排放汽车的生产和消费，我国相继发布了《关于对低污染排放小汽车减征消费税的通知》和《关于低污染排放小汽车减征消费税实施产品检验及生产一致性审查管理办法》。从2001年9月份起，国家环保总局会同经贸委、国家税务总局。组织汽车排放和质量体系专家，根据对样车和生产情况进行了抽检和审查。将对达到欧洲II号标准低污染排放小汽车，减征30％的消费税。
3．环保汽车的开发
目前，在开发环保汽车方面，主要采取以下策略：
（1）提高汽油质量
在燃油汽车中，油品质量直接影响着尾气排放的清洁程度，当前的首要问题是提高油品质量。要改善油品质量，就必须去除油品中对空气造成污染的主要成分——硫，使之成为清洁汽油，以便从源头上降低油耗和减少造成空气污染的NOx、碳氢化合物的排放量，使燃油汽车的尾气更加清洁。除去燃油中的硫不仅会直接减少尾气污染，还能让汽油发动机的潜能进一步发挥出来。
在提高油品质量方面，美国一直走在世界各国的前列。有资料表明，过去的10年里，美国在汽油中应用了充氧饱和技术，使车辆的CO排放量减少了18％，从而使污染降低了37％。此外，使用洁净汽油也使其他几种污染物的排放有所降低，目前美国汽车尾气污染物排放量比 40年前少了95％。
（2）使用燃料电池
燃料电池是把氢、甲醇等燃料和空气中氧气的化学能，通过电化学反应直接转变成电能的发电装置。燃料电池具有发电效率高、可循环利用和无环境污染等特点。燃料电池可以广泛应用于航天飞机、潜艇、水下机器人、电动汽车。中小规模电站、家用电源。可移动电源和通讯系统等。燃料电池汽车的等效燃油经济性高于汽油内燃机车，而且不产生污染物，为世界汽车工业发展示了光明的前景。电动汽车、混合动力汽车、燃料电池等已被中国政府列入“十五”计划研究开发的重点。
（3）利用甲醇做燃料
甲醇属液体清洁燃料，开发甲醇汽车被称为“绿色汽车工程”。甲醇燃烧后排出 H2O和 CO2，排放指标优于国家最新标准，是世界公认的“清洁燃料”。“全甲醇环保汽车”是在原汽油汽车发动机上装置“全甲醇环保汽车燃烧装置”而成，改造成本低于同类汽油发动机的成本；同时，汽车燃甲醇后运行成本低于燃汽油成本，并且故障率低，维修方便。
不管怎样，今后世界汽车产品发展的主流必定是环保节能型汽车，谁能在这方面领先，谁就能在世界汽车市场上占有一席之地。
主题二 水 溶 液
一、水是取之不尽、用之不竭的吗
【背景介绍】
水是生命之源，恐怕没有人会怀疑这点，21世纪水对人类的重要性，将同20世纪石油对人类的重要性一样，成为一种决定国家富裕程度的珍贵商品。一个国家如何对待它的水资源，将决定这个国家是持续发展还是衰落。既然水对人类如此重要，那么，自然界中的水是取之不尽、用之不竭的吗？
【基本素材］
1．形形色色的水
·根据水的温度，可将水分为6种类型（见表2－1）
．按水在地球上存在的部位，可将水分为大气水、地表水、土壤水、植物水、地下水等5种类型
．按水的纯净程度，可将水分为纯净水和矿泉水
纯净水，也称纯水，是人们利用蒸馏、逆渗透、电渗析等方法对各种地表水，如江河湖泊水及自来水进行处理，将水中的重金属、微生物、有机盐和微量元素一并去除后所得到的水。纯净水中除了 H2O，H+和OH-外，几乎没有其他物质。
矿泉水是深埋在地层深处的地下水资源，可能是山涧泉水，也可能是地下水。依据泉水的温度，可将矿泉水分为4种类型：冷泉（温度低于25℃）、温泉（25～37℃）；。热泉（3—42℃）、高热泉（42℃以上）。
矿泉水除了纯净、温度低、水质好等优点外，更含有人体生长发育所必需的各种矿物质和微量元素，如 Ca、Mg、K、Na、Sr、Ge等，是人体元素平衡的重要补充。
我国对矿泉水有其严格的界定：必须是来自地下深层（至少60m）的特殊岩层中，经过天然岩层的自然过滤和矿化，摄取了多种对人体有益的矿物质、无机盐和微量元素。因此矿泉水对产地和水源的要求非常严格，无法异地生产且限量开采。
．按水的硬度，可将水分为硬水和软水
水的硬度是指溶解在水中的盐类物质的含量，即钙盐与镁盐含量的多少。Ca2+和 Mg2+的总和相当于 10 mg CaCl2，称之为1“度”。通常根据硬度的大小，把水分成硬水与软水。8度以下的为软水，8～16度的为中水，16度以上的为硬水，30度以上的为极硬水。
我国地域辽阔，各地水质软硬度也程度不一，但总的来说，高原山区水质一般硬度偏高，平原与沿海地区的水质硬度偏低，地下水的硬度一般高于地面水。一般饮用水的适宜硬度以10～20度为宜。我国《生活用水卫生标准》中规定，饮用水的总硬度不得超过25度。
此外，在自然界中还有一些特异的水，如磁化水。它是指在一定的流速下通过强磁场的水，这种水可用来清除水垢，对人体循环系统和消化系统有益处，如果用来灌溉农作物可加快作物生长。
2．我国的水资源
人生存，离不开阳光、空气和水。当人类步入现代文明的21世纪之时，人的生命之源——水，却向人们发出了警报：资源性缺水、工程性缺水、水质性缺水。
在2002年3月21日的世界水日，联合国列出了这样一些数据：目前全球有11亿人缺乏安全饮水，每年有500多万人死于同水有关的疾病。预计到2025年，全球2／3的人口将生活在不同程度的缺水的地区。据联合国环境规划署预计，如果人类不改变目前的消费方式，到2025年全球将有约50亿人生活在用水难以完全满足需要的地区，其中25 亿人将面临用水短缺。
与世界其他国家相比，我国水资源和水环境状况十分令人堪忧，主要表现在以下几个方面：
（1）我国水资源总量严重短缺
我国虽有水量2．8万亿立方米，但人均淡水资源量仅2300立方米，相当于世界人均的1／4，被列为世界上最贫水的13个国家之一。1998年我国人均水量为2251立方米，预测到2030年我国人口增至16亿时，人均水资源量将降到1760立方米。专家预言，2010年后我国将进入严重缺水期，2030年我国缺水将达400亿立方米至500亿立方米。供水量不足，给城市生产、生活造成极大影响。我国部分山区、草原、滨海和海岛还有6000万人口和4500万头牲畜饮水十分困难。每年的农业收成和工业产值都因缺水造成重大损失。
目前，我国有15个省、自治区、直辖市人均水资源量低于严重缺水线，有7个省、区人均水资源量低于生存的基本线。全国600个城市中、有400多个城市供水不足，日缺水量1600万立方米，年缺水量约60亿立方米。全国农村有2000多万人和数千万头牲畜吃水困难。这表明，目前的缺水现象只是水资源危机的黄色信号，更大的水危机在后头。缺水，严重制约着社会和经济的发展，给人们的生活带来了极大的影响。
（2）我国水资源的时空分布也很不平衡
水资源绝对数量西少东多，而人均占有量东缺西丰，两者成反向分布。华北大地，人们不难发现，一些水库、河道已是水枯见底，因缺少湿度，空气里弥漫着焦灼；在西部地区，现有的水对众多的需求来说实力杯水车薪，许多地方已是“水贵如油”。天津市重要供水水源——潘家口水库已接近死库容，一些水库、河道干枯，生活用水困难，市政府被迫对城镇用水实行定额管理；曾有1000多眼泉水的北京，部分河道断流，泉水基本枯竭，目前靠水库多年的“积蓄”维持供水；因泉水丰富而有“泉城”之称的济南，昔日清泉喷涌的情景已不复再现，有关部门报告，由于地下水位严重下降，使得地下水开采难度加大，加之供应城市用水的两座水库容量在急剧减少，济南市的供水已处于危机状态。
（3）我国的水环境也在日趋恶化，导致水资源可利用率降低
行家指出，无论是农业生产还是工业生产，抑或是人们日常生活，浪费水的现象相当严重。目前，我国农业灌溉用水有效利用率仅为40％左右，与发达国家相比差了许多，生产单位粮食用水是发达国家的两倍多。在严重缺水的黄河流域上游灌区，人们用大水漫灌的方式培植作物，饱受黄河断流之苦的豫、鲁两省引黄灌区也是如此。我国农业生产大多采用传统的大水漫灌的灌溉方式，造成了极大的水资源浪费。我国工业万元产值用水量为100多立方米，是发达国家的10多倍，工业用水的重复利用率仅为百分之三四十，发达国家为百分之七八十。日常生活中，有的人洗手、刷牙时不关水龙头，有的用完水后不把水龙头拧紧，有的人甚至开着水龙头“冰镇”瓜果，或冲洗衣物，这些“无意”的行为让大量的水白白流逝，全国多数城市的自来水管网存在跑、冒、滴、漏等现象，致使水的损失率达15Oh～o％。实验发现，一个水龙头如果一秒钟漏滴一滴水，一年便滴掉360吨水，而全国不知有多少水龙头在常年漏滴水。专家报出。若要保证新世纪国民经济和社会可持续发展，必须对种种浪费水的现象及早采取措施，加以制止。
水污染也是导致缺水的一个重要因素，我国的水污染已十分严重。资料显示，近年来全国年排放污水量近600亿吨，其中大部分未经处理直接排入水域。在全国700多条重要河流中，有近50％的河段、90％以上的城市沿河水域污染严重。许多原本清澈的江河湖泊之水被污染至已不宜饮用。由于对水资源无节制索取、不合理开发，造成水土流失、湖泊萎缩、江河断流、水体污染、土地沙化、生态恶化，人为加剧了水资源短缺的矛盾。
随着经济发展、人口增长和城镇化水平提高，我国未来对水资源的需求量还将进一步增加。如何解决水资源供给不足而需求不断增加的矛盾已成为一个亟待研究的重大课题。
3．解决水危机问题的措施与对策
解决淡水资源不足的问题，需要采取多种措施，依靠多方的共同努力。
海水淡化是一种非常有前途的淡水提供途径，蒸馏法、膜分离法、电渗析法等技术已日趋成熟，全世界目前有200多个海水淡化工厂在运行，我国在西沙群岛也建有海水淡化装置。
2002年12月正式开工的我国南水北调工程，是世界上最大的调水工程，将分东、中、西三线从长江调水到北方；将在很大程度上缓解北方某些城市的用水危机。
解决水危机问题除了开源，还更应注意节约用水。如推行农业滴灌技术；推行工业冷却水的循环利用；加强城市污水的处理，既可减小对城市周边环境的污染又可使宝贵的水资源得以再利用。为提高人们的节水意识，2003年北京市再度提高居民用水的价格。节约用水可从生活中的点滴小事做起，如每次用水后关紧水龙头；每次用水都取其能满足需要的最小量；洗菜、淘米水可用于浇花、涮拖布、冲便池等等。
只要大家都行动起来，水危机的问题就一定能够解决。
主题三 金属与金属矿物
一、丰富多彩的金属矿石和我国的矿产资源
【背景介绍】
资源是人类赖以生存和发展的物质基础，对国民经济的发展起着极为重要的作用。一个国家的工业化过程，首先是对矿物原料产品需求的迅速增长，我国经济正在高速建设，目前95％以上的能源和80％以上的工业原料来自于矿产资源。
矿产泛指一切当今科学技术和经济条件下可供人类开发利用的天然矿物和岩石。矿产可以有不同的分类：按其基本属性可分为无机矿产（如多数的金属矿产）和有机矿产（如化石燃料），也可分为金属矿产和非金属矿产；从矿产所具有的资源利用特性，可分为利用其物质组分的矿产和利用其物理、化学性质的矿产等。科学技术的进步和社会需求的多样化，使得开发利用矿产资源的范围不断扩大，矿产品种类别也不断增多。
可供开采利用的矿物（体）也称为矿床。固态矿床一般由有用的矿石矿物（如铜矿中的含铜矿物）和经济价值不大的脉石矿物构成。矿石的成分往往比较复杂，一般描述时，常指出其主要成分矿石中含有某种有用矿物成分多，叫做高品位矿（或富矿），反之称为低品位矿（或贫矿）。
【基本素材】
1．丰富多彩的金属矿石
（1）赤铁矿
赤铁矿的主要成分为Fe2O3，单晶体常呈菱面体和板状，集合体形态多样。有金属光泽至半金属光泽，硬度为5.5～6.0，密度为 5.0～5.3 g.m-3。呈铁黑色、金光泽的片状赤铁矿集合体称为镜铁矿；呈灰色金属光泽的鳞片状赤铁矿集合体称为云母赤铁矿；呈红褐色、光泽暗淡的称为赭石；呈肾状的赤铁矿称为肾状赤铁矿。赤铁矿在自然界中分布极广，是重要的炼铁原料，也可用作红色颜料。我国著名产地有辽宁鞍山、甘肃镜铁山、湖北大冶、湖南宁乡和河北宣化。
（2）磁铁矿
磁铁矿的主要成分为Fe3O4，具有磁性，是矿物中磁性最强的，单晶体呈八面体或菱形十二面体，集合体为致密块状或粒状。颜色为铁黑色，条痕呈黑色，半金属光泽，不透明，硬度为5.5～6.0，密度为4.8～5.3 g.m-3。磁铁矿分布广，我国辽宁鞍山等地都有大量产出。磁铁矿是炼铁的主要矿物原料，也是一种传统的中药材。
（3）褐铁矿
褐铁矿是针铁矿、水针铁矿的统称。因为这些矿物颗粒细小，难于区分，故统称为褐铁矿。由于它属于含铁矿物的风化产物（Fe2O3·nH2O），成分不纯，水的含量变化也很大。通常呈黄褐至褐黑色，条痕为黄褐色，半金属光泽，块状、钟乳状、葡萄状、疏松多孔状或粉末状。硬度随矿物形态而异，低的1.0，高的达5.5，密度为 3.6－4.0 g.m-3，无磁性。褐铁矿的含铁量虽低于磁铁矿和赤铁矿，但因它较疏松，易于冶炼，所以也是重要的铁矿石。世界著名矿产地是法国的洛林、德国的巴伐利亚、瑞典等地。在硫化矿床氧化带中常构成红色的“铁帽”，可作为找矿的标志。
（4）黄铁矿
黄铁矿的主要成分是FeS2，通常含 Co、Ni和 Se，具有NaCl型晶体结构，常有完好的晶形，呈立方体、八面体、五角十二面体及其聚形。集合体呈致密块状、粒状或结核状。浅黄（铜黄）色，条痕绿黑色，强金属光泽，不透明，硬度为6.0～6.5。密度为 4.9～5.2g.m-3在一定条件下易风化为褐铁矿。黄铁矿是分布最广泛的硫化物矿物，是提取硫和制造硫酸的主要原料。我国黄铁矿的储量居世界前列，著名产地有广东英德和云浮、安徽马鞍山、甘肃白银厂等。
（5）自然金
自然金的主要成分为Au，良好晶体极少见。自然金通常呈树枝状、粒状或鳞片状，较少呈不规则的大块状，俗称“狗头金”。颜色、条痕均为金黄至浅黄色，随含银量增加而变淡，有金属光泽，不透明。硬度为2.5—3.0，密度为15.6～19.3 g.m-3。金是热和电的良导体，难被氧化，不溶于酸，但可溶于“王水”。有极好的延展性，1g自然金可拉成约2km长的细丝。产于原生矿床中的自然金俗称山金，它主要产于含金石英脉或蚀变岩脉中，又称为脉金；产于砂矿中的金俗称砂金。世界著名产地有南非、美国、澳大利亚、加拿大、俄罗斯等。我国的山东招远、黑龙江沿岸、河南小秦岭和湖南等地均有产出。
（6）黄铜矿
黄铜矿.的主要成分是CuFeS2，单个晶体很少见，集合体常为不规则的粒状或致密块状。黄铜色，表面常有斑驳的蓝、紫、褐色的色膜，金属光泽。硬度为3.0～4.0，小刀可以刻破，性脆。密度为4.1～4.3g·cm-3。黄铜矿是提炼铜的主要矿物之一，是仅次于黄铁矿的最常见的硫化物之一，也是最常见的铜矿物。黄铜矿常会风化变为绿色的孔雀石和蓝色的蓝铜矿。我国的黄铜矿分布较广，著名产地有甘肃白银厂、山西中条山、长江中下游的湖北安徽和西藏高原等。
（7）蓝铜矿
蓝铜矿的主要成分为Cu2(CO3)2(OH)2，晶体为柱状或厚板状，通常多呈粒状、钟乳状、皮壳状或上状集合体。深蓝色，条痕为天蓝色玻璃光泽，土状块体为浅蓝色。硬度为3.5—4.0，密度为3.7～3.8 g.m-3。常与孔雀石共生，我国古代称为石青。
（8）孔雀石
孔雀石的主要成分为Cu2(OH)2CO3，因琢磨后显美丽的翠绿色似孔雀尾的花纹而得名。晶体为柱状、针状或纤维状，通常呈钟乳状、肾状、被膜状或土状集合体。呈绿色，玻璃光泽，半透明。硬度为3.5～4.0，密度为3.9～4.0 g.m-3。常与蓝铜矿、赤铜矿、褐铁矿等共生，可用作寻找原生铜矿的标志。孔雀石可用于炼铜，质纯色美者可做为装饰品及工艺品原料，其粉末可做绿色颜料（称石绿）。俄罗斯乌拉尔、中国海南岛石碌等地盛产。
（9）金红石
金红石的主要成分为TiO2，通常呈带双锥的柱状或针状晶体，柱面常有纵纹。金红石通常呈红褐色到几乎黑色，条痕浅褐色，金属光泽到半金属光泽，硬度为6.0—6.5，密度为4.2－5.6 g.m-3。金红石主要用于提取钛和制造白色颜料。我国江苏、辽宁、山东、河南、湖北、安徽等省也有产出。
2 我国的矿产资源
我国幅员辽阔，已知矿产资源条件较好，矿产种类齐全，探明的总储量规模可观，是世界上为数不多的几个矿产资源大国之一。虽然，矿产自用总量丰富，但人均占有量少。我国矿产资源有以下特点：
（1）矿产资源总量丰富，矿种齐全，但人均占有量少
我国已经发现的168种矿产，其中有17种人均占有量超过世界人均占有量，而其余则低于世界人均占有量。已探明的矿产资源总量约占世界的12％，仅次于美国和前苏联，居世界第3位，但人均占有量居世界第53位。
（2）矿产资源有丰有欠
从探明的储量看，有充分保证的约12种（煤、W、Ti、Mo、Li、稀土、石墨、石膏、重晶石、滑石、大理石、彭润土），基本有保证的约10种（Fe、Mn、Pb、Zn、Ni、Au、S、P、石油、天然气），相对短缺的有铬铁矿、钻、金刚石、铜、钾盐等。Mo、W、Sn、Sb、Ti、稀土、石墨、彭润土、菱镁矿、萤石、高铝耐火材料为我国优势矿产资源。
（3）贫矿多、富矿少；共生、伴生矿产多，单一矿产少
一些需用量大的矿产资源（如 Fe、Cu、Al、Zn、Mn等）存在着富矿少、贫矿多的问题，例如，我国至今还未发现超大型的富铁矿（5亿吨级）和富铜矿（5兆吨级），综合利用存在的问题也较多。有色金属矿中，共生、伴生矿产占27％以上，贵金属中，40％的金矿和75％的银矿为伴生矿。
（4）现有经济发达地区与资源富集区分布不协调
已勘查的2万余处矿床分布在全国各地，但由于各地区地质成矿条件不同，导致一些矿产的分布具有明显的地域差异。例如，经济发达的东南部用煤量大，但储量紧缺，出现了北煤南运、西煤东运的局面。一些尚未开发利用的大型、超大型矿区，主要分布于西部边远地区，开发利用难度大。
二、生铁的炼制
【背景介绍】
冶金工业为人类提供金属材料，属于国民经济建设的支柱产业。冶金工业具有悠久的历史，从古至今，对人类社会进步和生产力发展做出了大量不可磨灭的贡献。人类历史上几个主要文明转折点《如铜器时代、铁器时代》都与冶金科学技术的发展密切相关。世界上众多的国家与地区，都把冶金的发展作为直接衡量国民经济发展水平和综合实力的一个重要指标。我国1993年的钢铁产量跃居世界第二，首次超过日本，目前，钢产量为世界第二，铁产量为世界第一。但是，中国只是一个钢铁大国，还不是钢铁强国。
【基本素材】
1．冶金工业概述
冶金始于公元前38～公元前36世纪的美索不达米亚炼铜术。15世纪末到16世纪初，高炉炼铁发展迅速，进入19世纪，化学冶金取得了突破性进展，炼铁、炼钢在英国出现了一系列重大技术发明，诸如以焦炭代替木炭炼铁，贝赛麦（H．ksse）、托马斯（G、Thomas）转炉和马丁平炉炼钢，使钢铁冶金开始向大规模工业化发展；1809年戴维（H．Davy，1778—1829）创立了电解熔盐制取金属的方法；到1886年，美国的霍尔（C，W．Hall）和法国的埃鲁（H．Heroult）几乎同时以商业规模实现用熔盐电解法提取铝，开拓了有色金属冶炼的新工艺。20世纪中叶，冶金工业发展迅猛，技术不断更新、完善，生产规模不断扩大，钢铁企业向大规模联合企业发展。在20世纪80年代，西方经济不景气，钢铁需求一度下降，钢铁工业受到成本和技术方面的严峻挑战，冶金发展中心开始向东南亚地区转移，因此，西方一些人认为西方冶金为夕阳产业。
（1）火法冶金
火法冶金（Pyrometallurgy）是利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金方法。目前，在金属材料生产中，火法冶金所占比例最大。钢铁及大多数有色金属主要靠火法冶金生产。目前我国钢材和一些有色金属的生产在数量和质量上，都不能满足国民经济发展的需求，但是，由于冶金工业投资大、能耗高而产值较低，加之其他新型材料的崛起，已经使其生产规模的发展趋势趋于缓慢。世界和我国冶金工业的趋势是加强火法冶金的科学研究，不断改进冶金生产工艺，开发新的冶金方法。
（2）湿法冶金
湿法冶金（Hydrometallurgy）又称水法冶金，相对于火法冶金，同属于提取冶金或化学冶金领域。湿法冶金是指利用一些溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化还原、中和、水解及络合等反应，对原料（矿石、精矿等）、中间产物或再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。湿法冶金对于低品位、复杂和难选矿的分离提取更显示其优越性。结合我国矿产资源的特点，尤其是有色金属和稀有金属方面的优势，大力发展湿法冶金新技术，将资源优势转变为产业优势，除满足国内经济建设需要外，还可以在出口创汇方面发挥重大作用。
我国的湿法冶金技术，可以追溯到北宋时期，那时就开始用胆铜法生产铜。现代湿法冶金开始于第二次世界大战中期或20世纪50年代初期，它是化工与冶金相结合的典型，吸取了现代化工工程的原理、方法和技术，用于强化已有的提取冶金过程和开发新的湿法分离方法和技术，由于学科间的交叉和渗透，从而促进了湿法冶金的迅速发展。到了20世纪七八十年代，湿法冶金的发展进入了相当活跃的阶段，其主要原因是：
．现代生产对环境保护的要求日益严格。特别是有色金属硫化矿火法冶炼时排放烟气中SO2大污染，导致大气严重的酸雨现象，迫使人们更加关注无大气污染的湿法新工艺。
．低品位矿石的开发日显重要。随着地壳中天然矿床的不断开采，常用矿物的品位逐渐降低，从而使得金属的提取更多地依赖于湿法冶金。
．复杂矿石及二次资源的综合利用受到重视。湿法冶金的优点是对原料中金属元素的综合回收率高，加上节约能源和资源，使得湿法冶金技术获得发展。
．近年来，由于黄金价格上涨，形成了世界范围内新的黄金热，金矿的富集、分离及湿法冶金技术取得了引人注目的新进展。
（3）粉末冶金
粉末冶金（Powder Metallurgy）是研究金属、合金、非金属和化合物的粉末及其材料的性质、制造理论与工艺的一门技术科学。粉末冶金技术起源于远古时代，公元前3000年埃及人用C还原Fe2O3得到的海绵铁，经高温锻造成致密铁，再锻打成器件。世界上许多发达国家都把粉末冶金的发展放在重要地位。
2．生铁的炼制
人类早先是在一种偶然的情况下，用薪火加热熔解铁矿石而发现铁。最初采用的方法极为简单，只是将初掘的铁矿石块堆上多量的木柴，点火燃烧，以后渐渐采用木炭代替薪柴，用兽皮来鼓风。因而，产量很少，极为贵重，只供装饰用。之后的炼铁方法用木炭作燃料用石块堆砌熔矿炉，把铁矿石及木炭由炉上部加入，同时由炉下吹送空气，已略具近代制铁高炉的雏形，至18世纪英国发明以煤代替木炭。炉体设计几经改进，后来又以焦炭代替煤，终于渐渐演变确立了近代以铁矿石及焦炭大量炼制生铁的方法。由这种方式炼成的铁，含有较多的杂质，如C、Si、Mn、P、S等，称为生铁、铣铁或简称为铣。生铁的合碳量一般在2％以上，含纯铁量只有 94％（纯粹的铁，炼制困难且实用性差），大部分用作炼钢原料，一部分则作为铸造铁器之用。我国古代炼铁用到鼓风的炼铁炉，炉是用盐拌和泥土砌成。以后由于风箱的发明，炼铁业趋于兴盛，不过大规模采用新式高炉则较迟。到光绪廿一年，中国第一座日产生铁100吨的新式炼铁高炉才于汉阳钢铁厂正式生产，开始了新法炼铁。
（1）高炉简介
传统上一般在高炉（见图3－14）中炼制生铁。高炉似保龄球瓶的垂直筒状，外部为钢内部则砌有耐火砖。高炉内部自下而上，划分为炉床、炉腹、炉腰、炉胸、炉喉等部分，顶端另装有炉顶设备。炉床底部有出铁口，在其上方适当高度处有出渣口。，两口位置不在同水平上。在炉床上部，炉腹下缘之下的一圈，均匀地围绕着许多个鼓风口与热风炉的热风管相连。靠近炉盖下方，炉壁周围有4支炉顶气排气管，此4支排气管子炉外最后合而为一降流管而与除尘器相衔接。炉的高度如不计炉顶装置，大型的约高30～40米。整个高炉结构，可达90—100米高，相当于30层以上的高楼高度。炉床内径多在9米以上，深度约3.5～4.5米。高炉之内容积由1800－4 000立方米不等。高炉的生产率是以每24小时所生产的铁液量而定，大者可达10 000吨以上，小者只有 100吨而已。

由于整个高炉本体耐火材料内衬一直处于高温状态下，故须用水在外部冷却，以延长高炉的使用寿命。一座高炉内村的寿命，在良好的操作情况下，一般可达600万吨的总出铁量，更高者可达1000万吨。届时，须完全停工，重行修砌炉内的耐火内衬。
（2）高炉炼铁的主要原料
加入高炉中炼制生铁的主要原料为：铁矿石、焦炭与石灰石。高炉加入焦炭的主要作用为提供反应及熔解所需的热量，并作为还原剂，此外还具有支持加入料和加强炉内透气性的功用。高炉焦炭一般要求含较高的固定碳，较低的水分。灰分、杂质（硫分及挥发物）含量，并有适当的粒度与强度、炼制每吨生铁所耗用的焦炭量视操作情况与辅助燃料喷入的多少而定，因而各国情况不同。
高炉所加入的助熔剂主要为石灰石。视加入料的不同，有时也配用白云石（CaCO3·MgCO3）。其功用主要在收集铁矿石中所含的脉石（主要为SiO2与焦炭中的灰分）并降低其熔点，使生成炉渣而排出。炼制每吨生铁，石灰石的总耗用量约200—250千克。
（3）高炉生产过程
一座现代化的炼铁厂主要由加料设备、高炉、热风炉、鼓风设备、除尘设备等构成。为易于取得原料，一般钢铁厂多建于临海地区，或交通便利地区，或靠近矿区。由于高炉为连续24小时不停操作，所需原料量极大，故原料须有充分的库存量。
高炉操作时，铁矿石、焦炭、石灰石等原料由原料处理场或储存库经秤量后以原料输送设备（主要为运送带或加料车），直接送到炉顶部料斗，顺次自动分层由炉顶通过钟型炉盖，加入高炉中。此时由鼓风机送来的冷风通过热风炉被加热为热风，立刻由炉下部各鼓风口连续吹入炉中，而与炉内下降至炉腹下缘的焦炭发生作用，生成大量的还原性的CO及热。此种高温的还原性气体上升而与下降的铁矿石发生还原反应，由炉顶加料线以下反应渐次加强，至炉腹部熔融带装入料大部分熔解，体积锐减。生成的熔铁液则滴流聚集于炉床内。铁矿石所含的主要杂质（SiO2、焦炭中残留的灰分等）与由石灰石在炉中分解出的CaO相化合而成熔点较低、比重较轻的炉渣，浮积于铁液之上。
当炉床内熔融的生铁与渣量积存至相当量后，即由出铁口及出渣口分别排出高炉。每日出铁的次数大约10～12次，至于出渣的时机则一般于出铁前视渣量的多寡而定。
由出铁口排出的生铁液经铁水流道，流入特制的盛桶，直接将生铁液运至炼钢工厂，或流入保温车运往炼钢工厂作炼钢的原料，或将铁液运至铸铁机注入铁模内，以冷水喷洒冷却，铸成块状的生铁。
炉渣也经渣流道流至渣坑，洒水造成块状渣，或以高压水柱急速喷激冷却而成较细的粒状渣。炉渣压碎后可供填土、铺路或作为制水泥的掺合料。如以高压力的蒸气或空气处理熔融之炉渣。
高炉操作时由炉顶排气管排出的炉顶气，其主要成分由高炉中未完全反应的CO、生成的CO2及不起反应的N2组成。其排放量很大，一般每生产一吨熔铁，排出炉顶气的体积约有2000立方米（由炉顶排出之气体量与鼓入高炉中的风量有关）。炉顶气含尘量很高，尘埃之组成主要为细粉状的铁矿、石灰石以及细焦炭粒等。如不加以处理利用，会造成极大的原料损失以及严重的环境污染问题。因此炉顶气须在最经济的原则下，尽量除去其所含尘埃。一般高炉工厂皆多采用除尘器联合气体清净设备，以处理炉顶气体。由于炉顶气尚具有相当高的热值量，可供再燃烧生热。钢铁厂通常回收作为加热热风炉及锅炉之用。
（4）高炉炼铁的基本原理及炉内化学反应
炼铁的基本原理，就是设法将铁矿石中氧化铁的氧还原除去，生成金属铁。利用高炉炼铁，就是用炉内赤热的焦炭及其发生的CO作为还原剂，在一定的压力与温度下与氧化铁进行还原反应。
高炉内上升气体与下降物料间所起的主要的变化，按区域分别加以说明（实际上高炉内的反应并非如此简单）：
．燃烧带
在鼓风口前部，热风吹入后立刻与赤热之焦炭先发生燃烧：
C＋O2——CO2＋394．2 kJ（放热反应）
生成的COZ立即与其周围多量的焦炭再反应而生成CO；
C＋CO2——2CO－171．8 kJ（吸热反应）
因此主要的燃烧带反应可合为：
2C＋O2————2CO＋222．4 kJ
加入炉中的焦炭大约有85％以上是在各鼓风口前燃烧生成CO，火焰温度的理论值可达2 000℃以上，为整个高炉中温度的最高区。吹入热风中的N2在炉内并不起反应，被加热后随着CO气体上升，而热风中的水分与焦炭也发生反应，分解而放出H2，吸收热量：
C＋H2O——CO＋H2－131．2 kJ
．熔融带
在高炉炉腹部分，除焦炭外，其他加入料全部都开始熔融，此区温度高达 1350～2 000℃，各种主要还原反应皆发生在此处。由于已还原的铁吸入C、Si、Mn、S、P等元素，熔点降低，生成熔铁液，滴下集聚于炉床，炉渣也开始生成，此区的主要反应为：
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
．下部还原区
在炉胸下部加腰等部分，由炉腹上升的炉腹气迅速与下落的铁矿石发生还原反应，将氧化铁还原为固态的海绵铁。石灰石亦快速进行分解，生成CaO而开始与铁矿石中的脉石结合，温度可达900℃以上，主要反应为：
FeO十 C——Fe十 CO
FeO十CO——Fe＋CO2
CO2＋C——2CO
MnO2 ＋CO——MnO＋CO2
CaCO3 ——CaO ＋ CO2
．上部还原区
在炉胸上部以上至加料线部分，亦可称为预热及预还原区域。炉料首先被预热至200～300t，水分与结晶水被蒸发排出，铁矿石渐次下降而与上升的CO气体起还原反应。主要反应为：
3Fe2O3＋CO——2Fe3O4＋CO2
Fe2O3＋CO——2 Fe O＋CO
Fe3O4＋CO——3FeO＋CO2
2CO——C＋CO2
以上的分区只是为方便说明而已，实际上高炉内有很多反应并不只限发生于某一区域，还涉及反应热力学与反应动力学的问题，情况非常复杂。
主题四 常见的酸碱盐
一、酸雨的形成、危害及治理
【背景介绍】
1872年英国科学家史密斯分析了伦敦市的雨水成分，发现：农村雨水中含碳酸铵，酸性不大；郊区雨水含硫酸铵，略呈酸性；市区雨水含硫酸或酸性的硫酸盐，呈酸性。于是史密斯首先在他的著作《空气和降雨：化学气候学的开端》中提出“酸雨”这一术语。
那么什么是酸雨呢？简单地说，酸雨是指pH低于5.6的大气降水，包括雨、雪、雾、露、霜。由于空气中含有CO2，而CO2溶于水后使水变成弱酸性，因此雨水在通常情况下就具有一定的酸性。但是正常降水的 pH不会低于 5.6，因为 CO2饱和溶液的 pH为 5.6。
【基本素材】
1．酸雨的形成
酸雨是大气污染物排放、迁移、转化、成云和在一定气象条件下产生降雨的综合过程的产物，其主要成分是H2SO4和HNO3，两者占总酸量的 90％以上。我国酸雨中H2SO4占绝大多数，其含量是HNO3的10倍。这表明我国的酸雨主要是由SO2造成的。人类活动和自然过程还使许多气态物质或固态物质进入大气，对酸雨的形成产生影响。大气颗粒物等变成酸反应的催化剂，大气光化学反应生成的O3和H2O2等，又是使SO2氧化的氧化剂。
酸雨中的硫是否都是由于人为排放的SO2造成的？研究结果表明，情况并非如此。以我国酸雨最严重的贵州省中部地区为例，其酸雨中的硫至少有5种来源：燃煤释放的气态SO2、大气颗粒物、生物活动释放的天然挥发性硫化物、临近省份传输来的含硫气溶胶，以及由海洋暖湿气流带来的溅出物。
2．酸雨的危害
20世纪的五六十年代以前，酸雨只是在局部地区出现，如北欧地区受到欧洲中部工业区排出的酸性气体的影响，出现了酸雨。之后，20世纪60年代末至80年代初，其范围由北欧扩大至中欧，同时北美也出现了大面积的酸雨区；20世纪 80年代以来，在世界各地相继出现了酸雨。有资料表明，目前出现酸雨最集中、面积最大的地区是在欧洲、北美和我国，而且，酸雨危害范围不断扩大，危害程度也不断加深。
（1）酸雨与建筑、文物
酸雨能使非金属建筑材料(混凝土、砂浆和灰砂砖)表面的硬化水泥溶解,出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而使建筑物受损。科学家收集许多被酸雨毁坏的石灰石和大理石建筑材料，分析发现样品中碳酸盐的颗粒中总是嵌人硫酸钙晶体。硫从哪里来的？专家们认为与酸雨有关。沙浆混凝土墙面经酸雨侵蚀后，出现“白霜”，经分析此种白霜就是石膏（硫酸钙）重庆市 1956年建成的重庆体育馆，由于酸雨腐蚀，石子外露，深达1cm之多。按时间估计，平均每年侵蚀0.4 mm，十分惊人。这种水泥栏杆石子外露现象，在路旁电线杆上也每每出现。
酸雨能使文物面目皆非。著名的杭州灵隐寺的“摩崖石刻”近年经酸雨侵蚀，佛像眼睛、鼻子、耳朵等剥蚀严重，面目皆非。修补后，古迹不“古”。碑林、石刻大都由石灰岩雕成，遇到酸雨立即起酸碱中和反应，导致被腐蚀。南方某地，有一块有着五百年历史的大理石碑，50年前字迹尚清晰，现在已一片模糊。这说明此事与近40至50年间的该地的酸雨现象有关。上海市嘉定城中明代万历年间的古代建筑金沙塔，在酸雨产生的“水滴石穿”的腐蚀作用下，表面层日益灰暗，更显颓废。嘉定名园秋霞圃、江龙潭、古建筑十年内粉刷油漆多次，不久又暗淡无光，使游人摇头而去。世界上许多古建筑和石雕艺术品遭酸雨腐蚀而严重损坏。如我国的乐山大佛、加拿大的议会大厦等。最近发现，北京卢沟桥的石狮和附近的石碑、五塔寺的金刚宝塔等，均遭酸雨侵蚀而严重损坏。
（2）酸雨与森林
酸雨会对森林植物产生很大危害。根据国内对105种木本植物影响的模拟实验，当降水pH 小于3.0时，可对植物叶片造成直接的损害，使叶片失绿变黄并开始脱落。叶片与酸雨接触的时间越长，受到的损害越严重。野外调查表明，在降水pH小于4.5的地区，马尾松林、华山松和冷杉林等出现大量黄叶并脱落，森林成片地衰亡。例如重庆奉节县的降水pH小于4．3的地段，20年生马尾松林的年平均高度生长量降低 50％。
酸雨对森林的影响，在很大程度上是通过对土壤的物理化学性质的恶化作用造成的。在酸雨的作用下，土壤中的营养元素K、Na、Ca、Mg会释放出来，井被雨水淋溶掉。所以长期降酸雨会使土壤中大量的营养元素淋失，造成土壤中营养元素的严重不足，从而使土壤变得贫瘠。此外，酸雨还能使土壤中的铝从稳定态中释放出来，使活性铝增加而有机络合态铝减少。土壤中活性铝的增加，会严重地抑制林木的生长。
酸雨会抑制某些土壤微生物的繁殖，降低酶活性。土壤中的固氮菌、细菌和放线菌等也明显受到酸雨的抑制。酸雨还可使森林的病虫害明显增加。在四川，重酸雨区的马尾松林的病情指数为无酸雨区的2.5倍。
酸雨对中国森林的危害主要是在长江以南的省份。根据初步的调查统计，四川盆地受酸雨危害的森林面积最大，约为28万公顷，占有林地面积的 32％，贵州受害森林面积约为14万公顷。估计南方11个省的酸雨造成的直接经济损失可达44亿元。北美酸雨区已发现大片森林死于酸雨，德国、法国、瑞典、丹麦等国已有700多万公顷森林正在衰亡。
现在大多数专家认为，森林的生态价值远远超过它的经济价值。虽然对森林的生态价值的计算方法还有一些争议，计算出来的数字还不能得到社会的普遍承认，但森林的生态价值超过它的经济价值，这一点，几乎已达成共识。根据计算结果，森林的生态价值是它的经济价值的2～8倍。如果按照这个比例来计算，酸雨对森林危害造成的经济损失是极其巨大的。
（3）酸雨与人体健康
虽然人体耐酸能力强于耐碱能力，但眼角膜和呼吸道黏膜对酸类却十分敏感。酸雨或酸雾对这些器官有明显刺激作用，会导致红眼病和支气管炎，咳嗽不止，并可诱发肺病；这是酸雨对人体健康的直接影响。另一方面，酸雨会使农田土壤酸化，使本来固定在土壤矿化物中的有害重金属，如 Hg、Cd、Pb等再溶出，继而被粮食、蔬菜等吸收和富集，人类摄取后，便会中毒、得病。这是酸雨对人体健康的间接影响。
（4）酸雨与农业
酸化土壤肥力减退，造成农业减产。酸雨可使土壤微生物种群变化．细菌个体生长变小，生长繁殖速度降低。如分解有机质及其蛋白质的主要微生物类群芽抱杆菌、极毛杆菌和有关真菌数量降低，会影响土壤中营养元素的良性循环，给农业生产带来危害。酸雨可降低土壤中氨化细菌和固氮细菌的数量，使土壤微生物的氨化作用和硝化作用能力下降，对农作物大为不利。1982年6月18日，重庆下了一场pH为3.9的强酸雨，某乡上万亩水稻叶片迅速变成赤色，这场灾害使水稻的产量损失40万千克。
（5）酸雨与水生生物
湖水pH在6.5—9.0之间的中性范围时，对鱼类无害；在5.0～6.5之间的弱酸性时，鱼卵难以孵化，鱼苗数量减少；当湖水pH低于5.0时，大多数鱼类不能生存。因此，湖泊酸化会引起鱼类死亡。相对于忍耐湖水酸化的能力而言，虾类比鱼类更差，在已酸化的湖泊中，虾类要比鱼类提前灭绝。
草本食物是一些鱼、虾类生活的基础。湖水酸化，水生生物种群将减少。例如某湖酸化后，绿藻从26种减至5种；金藻由22种减至5种；兰藻由22种减至10种。俗语说： “大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃滋泥。”其实滋泥中就含有大量水生生物。鱼虾离开了水草和水生生物，好比鸟兽离开了森林。因此，从生态食物链角度来看，湖泊酸化，也将使鱼虾难以生存。如在瑞典的9万多个湖泊中，已有2万多个遭到酸雨危害，4千多个成为无鱼湖；美国和加拿大许多湖泊成为死水，鱼类、浮游生物，甚至水草和藻类均一扫而光。
3．酸雨的控制与治理
我国出现酸雨的地区，已由20世纪80年代初期的西南局部地区，扩展到长江以南的大部分地区，成为我国危害最大的大气污染问题。目前，我国的酸雨主要分布在长江以南、青藏高原以东地区，以及四川盆地。华中地区酸雨污染最严重，其中心区域酸雨pH年均值低于4.0，酸雨频率在80％以上；由南充、宜宾、重庆和遵义等城市所形成的酸雨区，仅次于华中地区，其中心区域的酸雨pH年均值低于5.0，酸雨频率高于80%。
二、叶脉书签
【基本素材】
制作叶脉书签的全过程如下：
．采叶
通常采一些叶脉粗壮、坚韧的树叶，如桂花树的叶子、山毛榉科植物的叶子都可以。所采的树叶大小要适当，不要有残缺；叶子老一点好，不要太嫩。
·浸润、煮沸
叶子采来后放在烧杯里，加入10%－15%NaOH水溶液（把树叶浸没为止），加热煮沸10～15分钟
．洗叶
当叶肉呈现黄色后，取出，平放在塑料纱网上，用自来水冲洗干净。
主题五 化学元素
一、元素与植物的生长
【背景材料】
人类开始种植植物以获取生活资料之后，就逐渐认识到了植物需要营养，植物生长需要肥料。土壤的营养元素不足，常引起植物体营养元素含量的不足，一方面造成植物生长发育不良，另一方面还将引起动物和人体的营养元素不足，最终导致人类疾病的发生，形成恶性循环。例如，20世纪60年代初期，在伊朗有一种青春期营养性侏儒综合症，病人身体矮小、肝脾肿大、食欲低下、贫血、性发育不良。经科学考察分析，原来是这一地区土壤缺Zn，当地作为主食的谷物中一些盐和大量纤维也影响了人体对Zn元素的吸收利用，使这一地区的病人出现了由缺乏Zn而导致的青春期营养性侏儒综合症。大量研究表明。土壤中严重缺乏某种元素是导致一些地方性疾病发生的重要原因。
【基本素材】
地球上自然存在的元素为82种，其余的为人工合成，然而植物体内却有60余种化学元素。到目前为止被证实是必需元素的有 20多种，在必需元素中，C、H、O三种元素占作物干重量的 95％以上，主要来源于空气和水。N、P、K三种元素占作物干重的千分之几或百分之几，主要来源于土壤和空气。这两类元素对农作物来说需要量大，称为大量元素。Ca、Mg、S、Si的含量约为作物干重的千分之几，称为中量元素。而含量在 0.001％～0.0001％ 的元素称为微量元素，目前被世界公认的微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl等7种元素。
这些元素在植物生长过程中都各发挥着重要作用。绿色植物的生长和生殖发育离不开植物特有的光合作用。植物的光合作用能将 CO2转化成有机物质贮存在体内。C、H对是植物构成的主要元素以是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的组成成分；P是植物体内核酸、蛋白质和酶等多种重要化合物的组成元素；Ca是组成植物细胞壁的主要元素，还可以中和有机酸，调节PH，消除细胞内过多的酸毒害；Mg是叶绿素的重要成分，没有叶绿素就没有植物的生长水不是植物体的组成元素，但它与一起参与植物体内的代谢过程，具有促进植物生长、增强抗病虫害和抗倒伏能力等功能。
微量元素的作用同样是十分重要的，表5—1列出了几种微量元素对植物生长的影响。
二、化学元素与人体健康
【背景介绍】
大自然中的一切物质都是由化学元素组成的，人体也不例外。人体通过呼吸、饮水和进食，与环境进行物质交换和能量交换而达成某种平衡，所以从某种意义上说，生命过程就是生物体发生的各种物质转化以及能量转化的总结果。在生命活动过程中，化学元素和营养物质通过食物链循环转化，再通过微生物返回环境。
生命在人类知识范围内是最富于魅力的现象，健康长寿是人类的共同愿望。许多资料证明，人的生老病死是与生物分子如蛋白质、肽、多糖、核酸、激素、维生素和矿物质等联系在一起的，危害人类健康的疾病大都与体内某些元素平衡的失调有关。因此了解元素在生命过程中的功能，正确理解饮食。营养与健康的关系，树立营养平衡的观念，补充和调节体内元素的平衡，对于预防疾病，增强体质，保持人类身体健康具有重要意义。
【基本素材】
1．人体内存在的元素
生物体内的元素大致可分为以下3类：
（1）必需元素
所谓必需元素是指生命过程的某一环节需要该元素参与，即该元素存在于所有健康的组织中；生物体能主动摄入并调节其体内分布和水平的元素；与存在于体内的生物活性化合物有关的元素；缺乏该元素时会引起生物生理变化，当补充后即能恢复。那么构成人体的必需元素有哪些呢？19世纪初，化学家开始分析有机化合物，清楚地认识到活组织主要由4种元素组成，即C、H、O、N，仅这4种元素就约占人体体重的96％。此外，体内还有少量 P、S、K、Na、Ca、Mg龙等，这11种元素属于人体健康必需的常量元素。属于人体必需的微量元素有：Fe、Zn、Cu、Cr、V、Ge、Sr等10多种。
（2）有益元素
所谓“有益元素”是指那些对健康有一定帮助，但没有时生命也可维持的元素。这种元素约有20～30种，普遍存在于人体组织中，它们的生物效应和作用还未被人们全部认识，有待于进一步研究。这些元素与必需元素之间没有明确的划分界线，一种元素是不是有益元素既与它在体内的浓度有关，又与它的存在状态有关。
（3）有毒有害元素
所谓“有毒有害元素”是指对人体能产生有害的作用的元素。如血液中浓度极低的Pb、Cd、Hg等。它们可能来自环境污染，又不易排除，会在体内积聚，当这些元素在体内的浓度达到一定程度后，就会引起身体中毒甚至危及人的生命。
表5—3列出了几种微量元素在人体中的存在、对人体健康的影响及相应的食品来源。
三、月球上有什么元素
通过对宇航员从月球上采集回来的月岩和月壤样品的分析，发现月球上有O、Si、H、Fe、Ni、Ti、Cr、Al、Mg等多种元素，并且还发现了He－3。另外美国发射的‘“月球勘察者”号初步探明月球的两极存在大量的冰态水。表5—7列出了月球上部分元素的质量丰度。

主题六 常见的有机物
一、服装干洗
【基本素材】
1．干洗剂
据历史记载，在19世纪60年代，英国已较普遍使用汽油作干洗剂。为了彻底解决汽油溶剂安全性差的问题，在20世纪初期，开发出了卤代烃合成溶剂，首先使用的是CCl4，不久因为它有毒、腐蚀性强而逐渐被其他卤代烃溶剂代替。
1918年，欧洲开始使用三氯乙烯，但它脱脂能力太强，目前已不使用。现今使用最多的氯代烃合成溶剂是四氯乙烯，它安全性好，脱脂去污能力强，但它存在着对金属材料的腐蚀作用，特别是对环境造成污染，因合成溶剂水解的产物有毒，会对土壤和水质造成污染。
因此20世纪60年代以来又开发出以三氯三氟乙烷为代表的氟里昂溶剂。氟里昂溶剂无毒、不可燃，对橡胶、金属和化纤无腐蚀性，洗净度又比四氯乙烯更好，因而受到好评。但由于氟里昂溶剂有破坏大气臭氧层的问题，目前已被禁止使用。
由于环保法规日趋严厉，发达国家对环保型干洗剂的要求越来越多，而随着科技的更新，干洗业越来越多地采用石油溶剂。石油干洗机在整个操作过程中，几乎听不到机器噪声，更没有四氯乙烯溶剂洗完衣服后所常有的异味，洗涤效果也非常好。在今后的发展中石油干洗剂将成为干洗业的最佳选择。
2．服装干洗的步骤
在日常生活中，洗衣店里进行服装干洗时，一般有以下3个流程：
（1）洗前预处理
在服装进行干洗前，要先用毛刷把服装上的灰尘轻轻刷掉，然后，对服装进行检查，看服装上是否有比较特殊或明显的油渍或污垢。如果有的话，要对这些油渍或污垢进行特殊处理。如服装上有油渍，需在干洗前对油渍进行预处理，可在油渍处滴上汽油，上下各铺两层吸墨水纸，用热熨斗熨一下，油脂就会连同汽油一起被纸吸收，反复二三次，然后再进行干洗。再如印泥油渍，需先用温热皂液浸泡10分钟后搓洗，后用95％酒精擦洗；铁锈渍需用1％的草酸溶液洗涤等。
（2）机器干洗
服装通过预处理后就可以通过干洗机进行干洗了。干洗机就好像常见的洗衣机一样，把服装放进干洗机后，只需调节一些按钮，设计一定的时间，干洗机就能自动进行干洗。服装在干洗机里，经历了下面一些处理；放入干洗机－干洗液浸泡－清洗－漂洗－脱液－烘干－去臭－冷却。
（3）熨烫
通过机器干洗后，把服装从干洗机里取出，需对服装进行检查、修补、熨烫和整理。然后。把熨烫整理好的服装悬挂或存放好即可。另外，如果干洗业者很专业，很有责任感，过滤蒸馏过程中，使用适当的干洗溶剂，同时也依照正当的干洗作业程序，干洗后的衣服应该是没有任何味道或残留物的。
二、人类重要的营养物质――糖类、脂、蛋白质、维生素
【背景材料】
人体的化学组成虽然很复杂，但都依赖于基本的营养物质来维持它们的生物活性。表6—7中的数据反映了人体内的基本化学构成。
人类为了维持生命和健康，除了阳光与空气外，必须摄取食物。食物的成分主要有糖类、油脂、蛋白质、维生素、无机盐和水六大类，通常称为营养素。其中糖类、油脂、蛋白质和维生素都是天然的有机化合物，在自然界分布很广。
【基本素材】
1．糖类
糖类是由 C、H、N元素组成的一类有机化合物，通式为CnH2nOn，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉、纤维素等。糖类是食品的重要成分，广泛存在于植物体中，是绿色植物经过光合作用的产物。动物体自身没有产生糖类的机能，植物光合作用产生的糖类是动物的重要营养来源。因此，糖类主要是由植物性食品供给。
糖的营养和生理功能 膳食中碳水化合物的供给量，主要依饮食习惯、生活水平和劳动强度的不同而异，一般认为每日需糖量平均以占总热能供给量的50％～70％为宜。成年人中轻体力劳动者每人每天约需400～450g，重体力劳动者约为500～600 g。其食物来源主要是植物性食品，如谷类、薯类、豆类等，其中含有大量的淀粉和少量的单糖、二糖。蔬菜和水果中除含少量的单糖外还是食物纤维的主要来源。此外，动物性食品中的乳类及肝也是糖类的来源之一。
糖类是人体重要的能源。食物中的糖类，只有单糖能直接给人体提供热能。其他的糖类，要经过一系列的消化过程最终转变为单糖后，才能便于人体很好地吸收。淀粉在人体内的消化过程，主要是通过酸、酶的水解作用：
在人体内，糖被氧化后，变成CO2和水，同时，这个反应产生足够的热量，供人们进行各种活动的需要，其反应式为：
糖也是维护心脏和神经系统具有正常生理功能的必需品。人体的许多组织中，都需有糖参加，它是构成人体组织的一类重要物质，例如，正常人的血液中约含0.1％的葡萄糖，叫做血糖。
2．油脂
油脂是人类的主要食物之一，日常食用的动物油、花生油、菜子油、豆油、棉籽油等都是油脂。在室温下，植物油脂通常呈液态叫做油；动物油脂通常呈固态，叫做脂肪。脂肪和油统称油脂。
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。三个基团可相同，也可不同。由动植物组织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双键可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。动物脂肪如猪油、牛油、羊油等主要含有饱和脂肪；植物油如某油、花生油、豆油、芝麻油等则含有较多的不饱和脂肪酸。自然界的脂肪酸多含偶数碳原子，分布最广的有软脂酸[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］三种。
不同的油脂有其不同的性质和生理营养功能，主要是因为它们含有不同的脂肪酸。人体正常生长所不可缺少而体内又不能合成、必须从食物中获得的脂肪酸称为必需脂肪酸。例如亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸。在这三种必需脂肪酸中，亚油酸是关键化合物。如果有了亚油酸，人体就能够合成亚麻酸和花生四烯酸。若缺乏亚油酸，会发育不良，使皮肤和肾损伤，以及产生不育症。亚油酸在医药上用于治疗血脂过高和动脉硬化。
在各种食用油脂中、饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、多不饱和脂油脂能产生很高的热能，同时，也是人体热能贮备最适宜的能源。贮存在人体内脏器官表面的油脂，有保护内脏器官免受剧烈震动和摩擦的作用；皮下脂肪有保持体温的作用。油脂还能溶解一些脂溶性维生素，如维生素A、D、E、K等，因此，进食一定量的油脂能促进人体对食物中维生素的吸收。
3．蛋白质
蛋白质是生命的物质基础，它存在于一切活细胞中，是细胞里最复杂、变化最大的一类分子。一切重要的生命现象和生理机能，就是由组成生物体的无数蛋白质分子活动来体现的。1839年德国化学家米尔德（G．T．Mulder）给这类化合物起名叫做蛋白质（protein），意思是“头等重要的”。
（1）蛋白质的组成
蛋白质是一种化学结构非常复杂的含氮的有机高分子化合物，主要由C、H、O、N等元素组成。有的蛋白质中还含有S、P(如牛奶中的奶酪蛋白)、Fe(血中的血红蛋白)、Mg(绿色蔬菜中的叶绿蛋白)、I(甲状腺中的甲状腺球蛋白)等其他元素。其中四种主要元素的质量分数为：C 51％～55％，H 5.5％～7.7％，O 19％～24％，N 15％～18％。多数蛋白质的分子量范围在1.2万至 100万之间。含氮是蛋白质组成上的特征，且各种蛋白质的含氮量很接近、其平均值为16％。
氨基酸是组成蛋白质的基本单位，也是蛋白质降解后的最终产物。几乎所有的蛋白质都是由不同数目的氨基酸以肽键（酰胺键）连接而成的生物大分子化合物。迄今从各种生物体中发现的氨基酸已有180多种，但参与蛋白质组成的氨基酸只有20种。除脯氨酸外，这些氨基酸在结构上的共同特点是氨基均连在与羟基相邻的α碳原子上，因而称为α－氨基酸。
（2）蛋白质的生理功能
蛋白质是生命的基础，没有蛋白质就没有生命。人体最重要的组成成分是蛋白质。据估算，人体中的蛋白质分子多达10万种，蛋白质占人体重的15％～18％、干重的50％。肌肉、皮肤、血液、酶、乳汁以及毛发等都是由不同的蛋白质构成的。 蛋白质是重要的营养素。人们从食物中摄取的蛋白质，在胃液中的胃蛋白酶和胰蛋白酶作用下，经过水解生成氨基酸。氨基酸被人体吸收后，重新结合成人体所需的各种蛋白质，或者以氨基酸的形式发挥各种生理机能，维持生命活动。它们供给肌体营养，执行保护功能，负责机械运动，控制代谢过程。
（3）蛋白质的主要食物来源
人体主要通过食物摄取自己所需的蛋白质。食物蛋白质分为动物性蛋白质和植物性蛋白质。动物性蛋白质来源于鱼、畜禽肉、蛋、乳类等，因所含必需氨基酸种类齐全，数量充足，而且各种氨基酸的比例与人体需要基本符合，容易吸收利用。这类蛋白质属于完全蛋白质。植物性蛋白质主要来源于豆类、硬果类、薯类、蔬菜类等食物，它们所含的氨基酸人体可自行制造，属于不完全蛋白质。但含有丰富蛋白质的豆、硬壳果类等植物性食品也含有较多的人体不能合成的必需氨基酸。
4．维生素
维生素是维持人体正常生理机能所必需的一类低分子有机化合物，在天然食物中含量极少，在人体内含量甚微。与蛋白质、脂肪、碳水化合物不同，维生素在人体内不能产生热量，也不参与人体细胞、组织的构成，但却参与调节人体的新陈代谢，促进生长发育，祛除某些疾病，并能提高人体抵抗疾病的能力。因此，维生素是人体生长和健康所必不可少的营养素。人体若缺少了维生素，新陈代谢就要发生紊乱，就会产生各种维生素缺乏病，如坏血病、脚气疾、凝血病和夜盲症等。这些病看起来不是什么重症，但如不加治疗，对人体健康危害是很大的。因此，维生素既是营养品又是药品。维生素在人体内不能合成，必须从食物中摄取，但由于人体对各种维生素的需要量并不大（一般都在毫克级），只要注意平衡膳食，多吃新鲜蔬菜和水果，一般不会引起维生素缺乏症。若发生维生素缺乏症，可在医生指导下服用富含维生素的食品或维生素制剂（如鱼肝油、干酵母及维生素C、E、K等）。
维生素种类多，化学性质与分子结构差异很大，其分类一般按其溶解性，分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素都溶于脂肪和脂溶剂，而不溶于水，可随脂肪为人体吸收并在体内储积，排泄率不高。水溶性维生素能溶于水而不溶于脂肪或脂溶剂，吸收后体内贮存很少，过量的多从尿中排出。
主题七 能源
一．资源的综合利用
所谓资源的综合利用，是指对资源实行全面的、充分的和深层次的利用，是对资源在开发、生产、消费和再循环的整个过程实施优化的一个手段。综合利用包含着一物多用、变废为宝、化害为利等方面的内容，广义地说，就是“物尽其用”。举个简单的例子，砍下一棵成材的松树，你可以把它的树干劈成木材，连同它的树根。树叶和树枝作柴火用；也可以用它的树干锯成板材，把它的树枝按大小、长短分门别类，各派用场，把它的树头制成砧板，把它的树根用于雕刻，把它的树叶用作储运水果的辅助用品等等。前一种利用是单一的使用，没有体现出这棵松树应有的价值，后一种使用是综合利用，它比前者更充分地发挥了作为一棵松树应有的价值。可见综合利用相对于单一使用而言，其效果是大不一样的，有着明显的经济效益。
自从人类大规模的使用自然资源以来，人们利用资源的历史，实际就是一个由单一利用走向综合利用的历史。但是，在两次世界能源危机以前，由于资源使用过程中起主导作用的是经济因素，资源综合利用在深度和广度上，基本是由经济行为主体对资源的认识及其切身利益决定的，在这种情况下，资源的综合利用只能是一种自发的行为，因而它本质上还是经济决定论下的一个附属物。
然而，在发生了两次世界性的能源危机之后，情况就不同了，在能源危机中吃尽苦头的西方工业化国家，对它们盲目开发使用资源的行为进行了深刻的反省，不得不重新估价资源本身的价值，把眼光进一步转向资源的节约、深度开发、再生循环和“废物”的综合利用等领域，并通过制订一系列强有力的法律措施，通过采用合理的技术和先进的管理手段，以解决人类在资源、环境等问题上所面临的巨大难题。可见，自然资源综合利用蔚然成风，实际上是人类对其传统的物质生产和生活方式反思的结果，是社会历史进化的必然。
在我国，现代化发展进程的加速还只是近十几年才发生的事情，对资源的大规模需求，使我们在“开源”与“节流”问题上更多地关注了前者，于是就出现了“凡是能获取的资源就尽快地尽可能多地把它们拿到手”，而对资源的综合利用则是听其自然。结果，不但资源短缺的问题得不到解决，还使人们对资源综合利用的内涵产生了诸多的误解，以为综合利用就是环境净化、生态重建，综合利用事业就是不产生经济效益的社会公益事业等，严重地制约了我国综合利用事业的发展，使得资源综合利用的巨大潜力得不到应有的发挥。据有关资料统计，目前我国矿产资源的平均总回收率只有30％～50％，比发达国家低10%～20%，2／3以上的矿山的综合利用率指数还不到 25％；我国工业废渣综合利用仅为29％，累计堆积量达67．5亿吨，占地约5．6亿公顷，成为严重的二次污染源；工业水回收率不到 30％，而发达国家在 70％以上；废钢铁回收量约占钢产量的50％，而发达国家一般占70％左右；废纸回收率只有 20%，而日本则超过 50％。这说明，与发达国家相比，我国资源的综合利用水平，无论是在深度还是在广度上，都存在着很大的差距。
有人曾做过统计，建国以来，我国再生资源行业回收了废钢铁3.8亿吨，废有色金属307万吨，废纸3200万吨，废橡胶360万吨，废玻璃270万吨。这些二次资源社会提供了可观的基础材料：炼钢2亿吨，相当于25个鞍钢一年的产量；生产再生胶220万吨，相当于橡胶树293公顷；节约铁矿石9亿吨，相当于全国铁矿5年的产量；节约铜矿1.4亿吨，相当于新建产 300万吨大型铜矿47个；节约木材1.28亿 m3，是全国木材年产量的 2倍；节省能源约1亿吨标准煤，可供全国人口消费2年半；节电305亿千瓦时，相当于4座90万千瓦大型电厂一年的发电量；节省矿山投资2 652亿元，相当于我国冶金工业3年的总产量；节约运力120亿吨，相当于24亿辆东风牌卡车的载货量。
二．开发新能源
新能源是一个相对的概念，是相对于成熟的、常规的能源而言的。开发新能源，是出于实际的需要。已经探明的不可再生能源的储量是十分有限的。煤、石油、天然气的储量至多只能再供人类节省地使用几百年。水力资源在很多发达国家也已经开发殆尽。然而，社会的发展、人口的增长、环境的恶化、资源的减少，对能源提出越来越高的要求。靠什么才能获得持久和强大的能量，来保证子孙万代的需要呢？新能源的开发是重要的途径之一。
（1）太阳能
太阳上的热核反应已经进行了几十亿年。它在“滴答”一秒钟内释放出的能量，同爆炸900亿颗氢弹相当。这些能量向四面八方辐射出去。而地球只截获了其中的二十亿分之一。尽管这是太阳能量中很少的一份，但它已相当于全世界所有电站总发电量的10万倍。因此，太阳能将始终是地球上人类赖以生存的基本能源。
1996年7月，在德国斯图加特郊外的机场，一次与众不同的飞行表演吸引了数万名观众的注意。飞机在400米的空中进行各种动作的表演， 15分钟后，当飞机准备降落时，场上的人都不禁屏住了呼吸。几分钟后，飞机安全地降落在停机坪上，这时，观众席上爆发出雷鸣般的掌声。这架飞机仅靠太阳能板获得的能量来飞行，起飞后的上升速度每秒只是2米。虽然只有短短15分钟的飞行，但它在人类航空史上书写了具有里程碑意义的一页。 “万物生长靠太阳”，而太阳还能工作80亿年，因此，把太阳能转换成电力或其他二次能源，如生物能源、氢能源等，以满足未来世界对能量的需求，有很光辉的前景，但目前还有待技术上和经济上的重大突破。
（2）核能
另一种比较强大而集中的能源是核能。1千克U—235的原子核全部裂变，可放出 7．94 × 10”焦的热量，而 1千克标准煤完全燃烧只能放出 2．93 X 10’焦的热量。然而，当 1千克氖核发生聚变时，其放出的能量比铀核还要大4～5倍。 铀是地球上分布很广的元素，在地壳内储量丰富。在地壳的岩石圈内，每吨土壤平均含铀1克左右。每吨海水约含铀3g左右。现在，人们除了开采含铀量高的铀矿外，还在研究从海水中提铀的方法。
氖是氢的同位素，它的化学性质和氢相似，通常以氖水（又称重水）的形式存在。一浴缸的海水可提取一茶匙的重水，它所包含的能量相当于2浴缸的汽油。不过，人类现在只会用氢弹爆炸的形式来释放聚变的能量，可控的热核反应才具雏形，有待进一步研究和试验。
（3）风能
古代人早就利用风力作为动力，用风带动水车，提水浇灌农田；带动磨盘，用来磨米磨面……现在为了寻找无污染的能源，人们又仿效古代祖先，利用风力作动力。
空气流动，就产生风。因此，利用风力，不用勘探、采掘或加工，只要空气一流动，就产生风力。据估计，全世界每年可以接收的风能为10兆瓦，相当于全球总发电量的1／10。而且在离地面200米的高度内，风能比较大，因此，如何开发风能是21世纪的新课题。
现在风力发电技术向大型化发展。美国研制M—5大型风力发电机，叶片直径为91.5米，额定功率为2.5兆瓦，并在美国已试运转了几年。欧共体于1995年开始生产1兆瓦的风力发电机。我国风力发电起步较晚，一般只有几台小型风力发电机在内蒙草原上运转，为牧民提供电能。现在，我国也开始对大型风力发电机组进行研制，并从国外引进一批大型风力发电机组，使草原牧区取得明显的经济效益和环境效益。
但是，风能不稳定，风能的储存也有问题，这是21世纪开发风能必须解决的难题。
到了21世纪，无论在广阔的草原，还是在高高的山岭，我们都会看到，一座座抗风暴袭击又能稳定运行的风电站。每当大风来临，收集器就会自动调节风叶方向，迎接风暴的洗礼。任凭风力有多大，来势有多猛，一律吸收转变成电能并储存起来，为牧民和周围居民提供稳定的电能。在无污染能源的开发上，风能的利用将有一个大发展。
（4）地热能
地热是埋藏在地下的热源。科学家认为，地球可分为地壳、地幔和地核三层。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几千米至70千米不等。地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为 2 900千米。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为 2 000℃。因此，整个地球就是一个大的热量储体。如果仅开采地下3千米以内的地热资源，就可相当于29000亿吨煤，可见地热是一个不可小看的资源。
很早以前，人们只利用地热资源作温泉疗养、温室栽培。到本世纪70年代，它才开始逐渐被重视，人们考虑如何把地热能转变为电能。目前，世界上已有25个国家建立了地热发电站，设备能力已达10万千瓦。
在我国，已探明的地热储量为 4 600多亿吨标准煤。而且，目前只开发利用了不到十万分之一。最典型的西藏拉萨附近的羊八井地热电站，现装机容量为2.5万千瓦，发电量已占拉萨电网的50％，地热发电保证了拉萨的生产和生活用电。
随着技术的发展，21世纪对地热资源的开发也会如开采石油一样方便。在地热资源丰富的地方，人们钻出一口口深达几千米的热气井。如美国已在圣路西岛上钻出一口 1500米的热气井，热水汽——温度达300℃，生产能力为10兆瓦。地下热水汽资源因为带有大量的盐分和矿物质，在开发时，也需要考虑对地热资源的综合利用问题。
一个个地热电站在21世纪将屹立在世界各地。地热带出的硫化氢被浓缩、提炼成为制造硫酸和其他化工产品的原料。地热水经过利用后，又成为清洁的水源供人们生产和生活使用，开拓了一条新水源。因此，未来21世纪，一座座活火山将成为一个个热电厂，一块块地震频发区，反而成为一个个地热开采的中心；地热资源是地球奉献给人类的又一个能量宝库，有其不可估量的前途。
（5）潮汐能
大海每天似人的脉搏一样不断地涨潮和落潮。涨潮时，它把海水推向岸边。落潮时，又让海水退回大海。潮汐就是这样，往复不停而又有规律地让海水运动。海水不停地拍打岸边，每一次涨潮落潮，潮汐中都蕴藏着巨大的能量。
课题八 新材料
一．新型金属功能材料
金属的功能材料同金属工程材料相比，往往具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能，特殊的机械性能，以及优异的化学、生物学性能。功能材料的发展历史悠久，对技术的进步、社会的发展起到非常巨大的作用。早期的硅钢片、铜、铝导线材料，对电力工业的发展起到关键作用；20世纪50年代，与微电子技术密切相关的半导体材料迅速发展；到了60年代，激光技术中以光导纤维?

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