此页面上的内容需要较新版本的 Adobe Flash Player。

获取 Adobe Flash Player

今天:
官方资讯:

  • 智慧校园

  • 网站登录

  • 教辅中心

  • 心理教育

  • 资源平台

  • 抗战胜利
精品课程
您当前的位置 > 首页>教学沙龙>精品课程

前 沿 化 学

作者:佚名  来源: 南昌市第三中学   更新时间:2015/11/12 10:40:09   访问:1344

 

 

 

 

 

                     沿   

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

1采煤新方法-----------煤地下气化 - --------------------

 2制造生物燃料新方法-----------------------------------

3、纳米化学-----------------------------------------------

4、超疏水- -----------------------------------------------

5、形形色色的炸药--------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  南昌三中校本教材编委会

 

  编:许建成

副主编:  吴永安   解壮丽

成  员:蒋玉清      吴梅玉  罗来旺  刘晓东   王黎明  占志斌

 魏继平   刘维萍  庄米泉  陶新平  涂建平   谭振华  邹志雄

杨长根      萍  陈立明  吴耀山       顾建云  任小龙           张金生  余爱凤      徐  虹   丁晓雯   盛文英 

胡建平    汤跃辉  李文兵  唐荣华  杨复元    龚慧珍  万志春

       武金柱   

 

本册执行主编:胡建平

   员:  章易明  肖巍  刘雪莲   李亚平

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

南昌三中是一所百年名校,多年来坚持全面贯彻党的教育方针,秉承传统校风,坚持立德树人。经过几代教师的辛勤耕耘,现已发展成为一所享有盛誉的江西省重点中学,得到社会的广泛赞誉。现任南昌三中校长许建成带领全体教师,以党的十八大三中全会精神为指针,积极开展教育教学改革与创新教育实践活动,遵循教育规律,探索人才成长规律,关注学生不同特点和个性差异,为发展每个学生的优势潜能提供帮助,实施因材施教。随着基础教育改革的深入,编写符合学生发展需求的特色教材已成为衡量特色学校的重要标志。《基础教育课程改革纲要》规定:“为保障和促进课程适应不同地区、学校、学生的要求,实行国家、地方和学校三级课程管理”。这为我校教师编写校本教材提供了依据。校本教材是以学校的校长和教师为主体,为了有效地实现校本课程目标,达到教育学生的目的,对教学内容进行研究,并共同开发和制定一些基本的教与学素材,作为校本课程实施的媒介,这些素材构成了校本教材。校本教材是对统编教材的补充、延伸和完善。经过学校行政会研究决定,我们组织教师编写这套校本教材丛书。

南昌三中具有深厚的文化底蕴、一流的师资力量、丰硕的办学成果之优势,本着以“科研为先、创新为魂、育人为本、观念为新”的办学思想;以“国际化视野,多元化发展,个性化成才”为育人目标;以“文化建设为核心,课程改革为抓手、教育科研为动力、学生发展为目标”的管理理念,走内涵式发展道路,促进德育、智育、体育、美育有机融合。南昌三中校本课程的开发与实施,为学生多元发展、个性成长提供了坚实平台,促使学生关注自然、关注科学、关注文史、走向社会、体验生活,促进学生爱学习、爱劳动、爱科学、爱自然、爱生活、爱家乡,进而形成爱社会、爱祖国、爱民族等方面积极的情感、态度和价值观。我们坚持校本课程开发必须紧密结合国家课程标准,形成学校特色,进一步拓宽学科知识面,提高人文素养,形成正确的社会主义核心价值观,促进学生全面发展。在探索与实践的基础上进一步完善和丰富南昌三中校本课程,形成科学的校本课程体系。坚持走以课程建设为重点、文化管理为特色、多元发展为目标的道路,着力开发优秀的校本特色课程,形成南昌三中的核心竞争力。

南昌三中成立了由党政领导班子成员、中层干部组成的校本教材管理委员会,主要负责校本教材的规划方案与内容审核;成立了校本教材编委会,主要负责组织教师根据学科特点和自身专长参加编写工作,确保校本教材的编写质量。这套丛书包括知识拓展类、职业技能类、兴趣特长类、综合实践类、语言文学类、人文社会类、科学技术类、体育艺术类、德育活动类等,我们感谢参与编写的在职教师及离退休老同志的辛勤耕耘与付出,我们坚信南昌三中校本教材丛书将成为学校发展和学生成长的助推器。

 

 

                               南昌三中校本教材编委会

                                 201587

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

《前沿化学》校本课程研究报告

 

{C}一.   {C}课程开发背景

课程在教育活动中处于基础和核心地位。课程不等同于教材,它是教材、学生、教师、环境四方面相互作用的“完整的文化”,课程分为:课程目标、课程内容、课程结构、课程评价。是一个全方位的系统工程。

校本课程是以学校为本位、由学校自己确定的课程,它与国家课程、地方课程相对。虽然“校本课程”的概念和有关理论研究出现的较晚,但校本课程的历史渊源是很悠久的,可以说,它与学校教育的历史几乎一样悠久。

    在世界上大多数国家里,单一的国家课程或校本课程开发模式都陆续退出了历史舞台。大家越来越清楚地意识到,两种课程对学校都有特定的作用。进入90年代后,由于社会变迁的脚步加快,公众对于学校课程的关注更加强烈,新兴的课程议题不断涌现,校本课程开发又一次受到重视,成为许多国家教育改革的口号之一,受到政府的大力支持和鼓励,并得到基层学校的响应。

在中国,进入20世纪90年代以来随着经济体制改革和经济高速持续增长,教育领域也像经济一样呈现出鲜活的时代气息。各地展开了丰富多彩的教育改革实践。这次改革的显著特征是课程改革居于核心。校本课程被列入课程标准,并取得合法地位。我国基础教育课程政策改革正从原来单一的国家课程模式走向国家、地方、和学校三级课程模式* *中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定,1999615日)。作为一个与国家课程相对的概念,校本课程频频出现于教育文献中,引起了课程理论和实践工作者的关注。

校本课程的研究价值在于,它是以学校为基础而开发的课程。学校是真正发生教育的地方,校本课程可以更多的从学校的办学目标、办学条件的实际出发,从培养需求出发,提供满足不同需要的教育内容。它是以学生存在着差异为出发点,更多的进行个别化学习、合作学习,实践活动。这将有利于促使学生在各自的基础上发展成为有创新精神和实践能力,能实现自我更新的可持续发展人才。

 

 

{C}二.   {C}课程目标

以《课程改革纲要》为指导,结合我校课程改革实际,充分发掘学生的个性潜能,促进学生个性全面、和谐地发展,为学生的终身发展奠定基础。学会交流,在合作中学习;学会探究,培养学生的创新意识;学会生活,培养学生良好的生活习惯,懂得生活,成为生活的主人。努力构建具有特色的校本课程体系。

1、着重培养学生探究性学习及创造性学习的能力,主要是通过情感体验和探究实践,对知识的掌握与运用永不满足、追求卓越的学习态度;发现、提出问题,研究、解决问题的过程,问题的创新意识与学习能力。其中最重要的是研究、解决问题的过程,问题能否解决倒是其次,关键是在探究过程中帮助学生养成基本的研究态度与技能。

2、培养学生自主学习、独立思考及解决问题的素质和能力,在查阅资料、实际研究的过程中不断探索,不断研究,不断创新,体味其中的乐趣3、开阔学生的视野,提高学生学习化学的兴趣,丰富学生的知识,发展学生的思维,促进

学生学习化学的主动性。

4、培养学生学会生活、保护环境、保护地球的社会责任心和使命感。

三.课程主要内容

《前沿化学》

1、采煤新方法-----------煤地下气化

2、制造生物燃料新方法

3、纳米化学

4、超疏水

5、形形色色的炸药

 

课程负责人

胡建平

课程成员

廖忠梅 肖巍 刘雪莲  

李亚平 沈映花  章易明

学分

 待定

授课对象

高二学生

课程实施时间

双周六下午第三、四节

考试与评价

  

1.实验    2.论文及论文答辩

人数

 

课程目标

      激发学生对化学的兴趣,了解现代化学发展最新成就,培养学生热爱科学、热爱化学,树立远大理想,提高学生的科学素养。

课程内容和活动方式设计

a.了解化学发展最新进程  b.分析化学成果对人类社会的利与弊。c.了解当前我国化学的现状

课程实施建议

通过以上课程,让学生了解化学发展的现在与未来,增强荣誉感与忧患意识,提高全民素质。

授课计划

 

时间

       

授课人

2

采煤新方法-----------煤地下气化

胡建平

4

制造生物燃料新方法

章易明

6

纳米化学

李亚平

8

超疏水

肖巍

12

现代炸药

刘雪莲

14

实验考查

全组

16

总结及论文答辩

全组

                   

四、课程实施办法

 

 

 

五、课程实施情况

1、明确目标。校本课程开发的目标必须体现校本化,必须建立在对学校环境与学生学习需求分析的基础之上。目的是要让每一个学生都能健康地成长,让每一个学生走向成功。

2、落实教师。艾利奥特说:“课程改革是人的改革”,“课程发展是人的发展。校本课程开发,关键在落实教师,需要一批具有创新意识高素质的有特长的教师。然而,我国教师长期习惯于一套教学计划、教学大纲和教材,仅满足于课程实施,视教材为圣经。因此,必须唤醒教师正确的课程意识,确立正确或合理的课程理念,积极投身于校本课程开发的热潮中去。

3、确定内容。校本课程开发是以学校为基地,以学生需求为导向的课程开发。在组织实施过程中,应充分考虑选择安排知识或活动序列、班级规模、时间安排、资源分配及需要注意的问题等事项。校本课程开发大多会打破学科的界限,把多门学科通过事例有机地组合在一起。

4、联系社会。校本课程开发绝不能与当地的社会环境相脱离。当地的社会环境中蕴含着校本课程开发的丰富资源,并能为校本课程开发的实施提供各种有效的途径。

5、写教材。校本课程开发要求将成功的经验积累起来并形成较科学的体系和实践内容,以教材的形式反映出来,为进一步开发和实施作参考或有利于推广,遵循开发----实施----观察----反思----再开发这一螺旋上升的过程。

6、开展评估。校本课程开发是一个探索的实践研究过程,成功与失败并存。评估既重视结果,更应注重过程。因为校本课程开发是学校自主进行的,目的各异,所以国家很难采用类似于统一考试等评价手段来评价校本课程开发的成效。因此,校本课程开发除通过教育行政管理部门、中介机构的评估外,还需要更多地依靠学校进行自觉自律的自我评价,不断找出校本课程开发过程中出现的各种问题,通过自我批评、自我激励、自我改进,以保证校本课程开发的顺利进行。

六.成果与反思

1、开发校本课程给学生带来的影响

1)、有利于不同层次学生的学习需求,培养学生实践能力。

高中学生尤其是高考压力相对较小的高一、高二年级学生,多数学生希望进入到不同于传统课堂的新的学习领域,他们已经意识到在未来靠竞争生存的社会中提高和锻炼自身综合能力的重要性,并愿意为此付出努力。这种在教师指导下由学生自主组织的研究型课程得到学生的认同,很大程度上源于高中学生的这种内在需求。
    我校开展校本课程学习,都是学生在教师指导下,以学生的自主性、探索性学习为基础,从自身的学习生活和社会生活、自然界以及人类自身的发展中选择和确定研究专题,每一个学生根据自己的实际情况和兴趣爱好,选择研究的内容、寻找合作的伙伴。这种学生自主选择的灵活方式以及针对不同的学习内容,采取调查报告、专题讨论、质疑辩论等学习方法的多样性,有利于适应不同层次的学生的学习需求。
    2)、有利于培养学生发现问题、研究问题、解决问题的科研品质的形成。

在“校本课程”学习过程中,可以帮助学生学习如何解决问题,如何将新信息与已有知识联系起来寻找问题的突破口,克服实施过程中的困难,直至问题的解决。
  3)、由于学习过程是由学生自主设计完成的,获得信息的渠道完全由学生自己选择。有利于学生学会寻找信息源,从多种渠道获取、分析、处理和利用信息。
  4)、有利于学生体验科学研究的一般过程和方法,经过课题的研究,学生亲身体验选题、开题、研究、报告、答辩等环节,大致了解科研的一般流程。

  5)、研究问题时需要小组内部的分工合作、对外调察、采访需要与他人、社会上的不同机构建立联系,有利于学生学会与人交往,增强团队精神。
  6)、有利于学生学会多种方法思考问题,尝试相关学科知识的综合。

2、开发校本课程给教师带来的影响

1)、教师失去了对学生学习内容的权威和垄断

长期以来教师是知识的占有者和传授者,是学生获得知识的来源。但在校本课程学习中,这种情况发生了变化:学生学习的内容大大超出了课堂教学、教材、教学参考资料的范围,学生希望研究的很多问题超出了老师的专业领域,同时学生学习内容的开放性使学生的认知领域大为拓展,吸纳知识的途径由单一变为多元。师生之间的界限趋于淡化,教与学的互换日趋频繁。教学由“我说你听”变为一起讨论,一起商量。

2)、方式的变化让老师开始意识到自己在知识能力上的不足

传统基础教育阶段的课程内容相对比较稳定,一般任教三、五年后,教师对教材、大纲已经比较熟悉,又积累了一定的经验,在自我学习方面的压力不会很大。但进入校本课程后,教师从内心意识到自己知识结构单一、知识面狭窄、对本学科知识与生活实际联系准备不足等问题,在课程开发推进过程中,能激发教师不断学习的愿望。

3)、教师第一次处于被学生选择的地位

过去学生总是被动地接受学校安排的任课教师。而在“校本课程”,我们采用课题模块的开课方式,给了学生选择教师的权利,允许学生自由地在全年级选择自己的课题及指导老师。这种选择权,是学生学习主体作用能够发挥的前提条件。这就使教师第一次处于被学生选择的地位。这对教师来说,也是前所未有的挑战。
  4)、教师从个体走向合作

以往的教学中,老师独立地完成自己的教学工作。但在研究性学习中,围绕课题研究,教师指导的内容包括计算机知识、科研方法、跨学科专业知识、结题报告写作、数据处理等各方面的知识。需要与其他同事建立联系,从仅仅关注本学科走向关注更多的相关学科,从独立完成教学任务到和其他教师一起合作完成对学生课题小组的指导工作。这对教师来讲,是一种工作方式的根本改变。这是老师面临的又一个挑战。
       随着校本课程开发、研究的起步与推进,我们越来越感到课程改革指向是双重的,学生学习方式改变的前提和保证是教师教学方式的改变。而且从实践的结果来看,后者的改变比前者更显得困难。教师将从思想观念、知识结构、工作方式和教学方式等方面挑战自己、改变自己和完善自己。从这个意义上说,“校本课程”对教师既是严峻的挑战也是难得的机遇,是教师提升自己素质的一个良好契机。教师能否适应校本课程的要求,能否参与课程的设计和实施,将成为每位老师的必备能力。

总之,校本课程开发是发展学生潜能、促进教师发展、学校全面发挥社会功能和实现教育理想的重要途径。可以预见,校本课程开发必将成为今后我国广大中小学校的一项重要任务,也必将成为教师专业工作中的一个重要组成部分。让我们行动起来,走进校本课程的开发。

 

 

 

 

第一课    采煤新方法-----------煤地下气化

 

由于人类工业化的过程,大量使用化石燃料,致使CO2等气体组分增大,产生了严重的温室效应。为此,在联合国主持下,从1992年起,召开了一系 (l5)国际会议与相应的国际条约。直到200912718日在丹麦哥本哈根召开《联合国气候变化框架公约》,并形成其"哥本哈根协议"。目标是减少温室气体CO2,的排放,防止全球平均气温再上升20C。温家宝总理在哥本哈根会上也明确表示:"应对气候变化必须在可持续发展的框架下统筹安排,绝不能以延续发展中国家的贫穷和落后为代价。"

     我国是个"富煤、少气、缺油" 国家,这决定了中国能源结构以煤为主,低碳能源资源的选择有限。电力中,火电占有比达77%以上,一次动力在一段时期内仍然占有60%~  70%的比重。尽管太阳能、风能等可再生能源在大力发展中,但一时都很难充当主角。那么,让煤的使用变得干净、少污染成为当务之急,发展煤地下气化不失为好的选择。

1.什么是煤层地下气化

煤地下气化是一种把机械采煤变成化学采煤的方法。简言之,就在地下直接打孔,孔间进行连接,有效控制燃烧,在高温下注人水蒸气,期间发生以下一系列反应:

{C}  碳燃烧C+O2= CO2

{C}  部分氧化C+l/2 O2=CO

{C}  CO再进一步氧化CO+1/2 O2= CO2

●遇到水汽CO+H2O=CO2+H2

●甲烷化CO+3H2=CH4+ H2O

●碳被氢化C+2H2=CH4

     形成可燃气体后,引到地面,可直接发电,以供民用。

     煤地下气化与地面发生炉内煤 气化的原理及过程基本相同。两者不同之处在于煤层本身直接就可以作为发生反应的炉,气化过程在地下完成。

由于地下气化是一个化学过程,这样就可以使复杂的煤组分得到有效分离,如硫在煤中除了以黄铁矿形式出现外,还有大量的有机硫、碳、氮等。这些采用通常固体状态的方法是无法从煤中分离出来的,而且煤在燃烧过程中,这些成分还会产生污染气体排放。煤气化后,才有可能把煤中的不同成分得到分离、集中、转换、处理。'

2·世界各国都重视煤直接地下气化

    1935年后,苏联己经开展了煤地下气化,在莫斯科、顿巴斯、库兹巴斯、乌兹别克等地先后建立了 5个气化站,并与地面的发电站连接,一直运行至今。

    20世纪70-80年代,美国在怀俄明汉那、罗林斯、森特雷利亚开展了煤地下气化试验,其中有些技术是从苏联(俄罗斯)引进。

     1978-1986期间,德国和比利时合作在比利时图林煤矿进行地下气化试验。

     19886个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组,在西班牙特鲁埃尔煤炭地下气化试验,验证欧洲典型煤层地下气化可行性的商业规模示范。

      英国的北海南部的近海和远海,有大片无法开采的海底大煤田。对于濒临枯竭的北海油气田来说,其煤储量足以提供未来所需的能量。在英国贸易、工业部(DTI)响应的一个EU的试验中,论证了欧洲深层煤地下气化的可行性,其结论是,地下气化处理对英国煤炭资源有较大的潜力,特别是,远离海岸的煤能被利用。这项技术假如成功的话,有潜在的输出国,诸如中国和印度,在那里煤的储量超过了油气。

英国地下煤气化可行性的评价报告于2004年出版,在2007年时,从商务、企业和管理统一的角度重新组合了一个新的部门,有来自DTI的某些功能,包括对能源的责任,与内阁办公部分(Better RegulationExecutive)合并,可见其重视程度。

      其他国家,如澳大利亚、南非、加拿大、印度、捷克和斯洛伐克等都在积极开展煤地下气化的研究。 

 3·国内"长通道、大断面、两阶段"工艺具举世创新

    在国内,由中国矿业大学余力教授为代表的科研专家,与矿区、各企业等学者、工程技术人员组成团队在国家高技术研究发展计划(863计划)支持下于 1994-2000年期间,在江苏徐州新河二号井、河北唐山刘庄、山东新汶孙村等地成功地作了煤地下气化半工业化到工业化的实验。此外在山西昔阳、太原小东山、甘肃华亭等地正在利用煤地下气化成分建立甲乙醚、氨等化工厂研究。      

我国采取了与国外不同的"长通道、大断面、两阶段"的独特的思路,使得可燃气中氢的成分为60%- 70%,明显高于国外(一般为10%~ 30%)。为我国氢能源的发展也开辟了一条可行的道路。 

4·煤地下气化最治理大气污染和温室效应的金钥匙      

燃煤治污花费很大。我国"十·五"期间的燃煤电厂治污费1262亿元                                         但也仅治其标,而非治本。如果能够大力发展煤地下气化,那么治标治本即可兼得。      

目前国内从网上几个招商项目估算,如果要建立一个20万吨煤的地下气化站,投资约1亿,如果投人入l000亿,就可以建立1000个气化站,这样就可以解决2亿吨煤的净化问题。如果投入5000亿,就可以解决10亿吨煤的气化问题,这就相当2009年煤产量为27.93亿吨的36%煤的污染问题。届时,大气状况是会发生显著改变的。由此可见,煤地下气化的前景是不言而喻的。

     全世界每年因工业化生产排放 的二氧化碳总量超过240亿吨,其 150亿吨被植物吸收,净增90亿 吨,由此造成的大气污染日趋严重。煤炭地下气化可以使CO2,得到分离,这样就可以使CO2向大气的排放得到管理和利用。为碳的捕获、利用和储存提供了一种低成本、零排放的煤开采方式。

     在今天把CO2,当做老鼠一样人人喊打的时代,还是应当看到:首先,二氧化碳既是最主要的温室气体,又是最廉价的资源。

     其次,耍相信科学技术发展的力量,如国内已成功地发展了二氧化碳聚合物的研究及生产线------可降解塑料。CO2,中的碳与水中的氢是石油的基础成分,使其形成甲烷也是人们的梦想。

    第三,注重生物储存,海洋、森林、江湖、湿地是最大的CO2,天然储存库。保护好森林、湿地、草原植被当然是首选目标。

第四,煤气化过程中采用CO2,回填技术(2)也在研究之中。其目的就是减少CO2排放,在温度可控条件下,增加可燃气组分:

    CO2+C=2CO

    H2O+C=H2+CO

    2H2O+C=2H2+CO2

第五,地质储存(3):

  3二氧化碳的地质储存的选择   .1空的油气田;2.CO2增加油气产量;3。深部无用盐水和饱和盐水库;4·深部不可采煤层;5.CO2增加煤层的甲烷;6其他支撑选择(玄武岩、油页岩、岩洞)。红色:油或气的生产井; 蓝色:二氧化碳注入井;粉蓝色:氧化碳储存井  

据文献报道二氧化碳的储存可有如下选择:

    (1)将二氧化碳注人邻近煤层,增加煤层气的回采率;

    (2)将二氧化碳储存在由地下气化产生的上覆层的应力区;

    (3)注人废弃的地下气化燃空区进行永久储存。

    粗略的计算表明,1000深的煤层气化,煤气中分离的二氧化碳,大约有2/3可以储存在废弃的地下气化燃空区及其上覆应力区,其余的可集中利用。因此,碳捕获及碳储存将产生一个零排放的化石燃料加工过程,这是一个很有前途的研究方向。综上所述,地下煤气化具有较好的环境效益。因此,是一把治理煤燃料污染的金钥匙。

5·我国发展地下煤气化的意义深远

    煤地下气化是一条可确保能源安全的战略。

   煤地下气化可直接投供廉价的洁净的无碳能源------氢能(H2) "长通道、大断面、两阶段"地下气化工艺,实际上是吸取了地表煤气化原理,使用我国特有的"二阶段"气化后组分中的氢含量可高达60%~ 70%,与国外地下煤气化 (7.6%~ 31.2%,平均为17%)相比具有明显的优势。因此,煤地下气化,可以直接提供非常廉价的氢的来源。

     地下气化煤气联合循环发电。地下气化煤气用于燃气-蒸汽联合循环发电是合理使用地下气化煤气热能的有效途径。煤炭地下气化产生煤气发电,在俄罗斯已应用近 50年,莫斯科近郊等煤田先后建立的5座地下气化站,生产2930~ 4187kJ/m'的低热值煤气用来烧锅 炉或发电井积累了丰富的经验。

{C}{C}{C}(鄂庄煤矿气化站一角)

     早在2002年时,我国科研人员 柴兆喜等就认为发展"气采一燃气轮 机无水发电(UGTG)"具有广阔前景。 对现有电厂进行扩建和技术改造, 实施改造20万千瓦以下发电机组的目标,现有电厂改装机容量70% 左右的蒸汽轮机为燃气轮机,与所余机组构成气采一联合循环发电(UGCC)。预测2020年全国燃煤发电装机总量将达到5亿千瓦左右,约年耗水100亿吨、燃煤15亿吨。 若采用上述扩建UGCC改造方案,需"气采"能力10亿吨煤/年,约年 节水70亿吨,并可消除燃煤15亿吨/年的"煤污染全程"

煤炭使用成本有明显的降低。

煤炭地下气化技术的成本为0·20~ 25/m3,比地面气化的成本(0.4~ 05/m3降低50%。氢的成本为0·5/m3,而利用一般方法制取氢气则为15~ 20/m3。与地下采煤到地面上气化相比,煤地下气化生产合成气成本可下降43%,生产天然气代用品成本可下降10%~18%,发电成本可下降27%。采用"长通道、大断面"新工艺可大大节省建炉的初期投资和运行费用,煤气成本就更低。我国山东孙村地下气化水煤气成木为0·193/m3,年获利税375万元,利润311万元,投资利润率 25.83%,投资回收期3·9年。

     可以较充分地利用能源资源,矿井采煤都不会百分之百采净,目前报废资源储量已有300亿吨以上。这些报废资源一般为井工开采遗留的煤柱、薄煤层、劣质(高硫、高灰)煤层、高瓦斯煤层等,用井工开采不安全或经济性差,但可以用" 通道、大断面、两阶段"等地下气化 技术进行部分回收气、T业燃料气、 城市民用煤气等。

{C}{C}

(山东里能煤炭地下气化发电机组试运行)

     提高安全生产程度。煤炭地下 气化不仅经济效益显著,同时还改善了能源结构,因不需要工人下井挖煤,增强了煤矿生产人员的安全性。煤炭气化后灰碴留在原地,避免造成废气、废水、废碴等污染,并可减少因煤炭采空造成的地面下沉。

      此技术可大大提高资源回收率,使传统工艺难以开采的边角煤、深部煤、"三下"压煤和己经或即将报废矿井遗留的保护性煤柱得到开采,同时深部开采条件极其恶劣的煤炭资源也可得到很好的利用。

    煤资源的综合利用放丰明显如强。我国实践表明,在地面以上引进 "先进"技术所作生产的合成氨,二甲醚、合成油等化工产品成本很高,以至于没有竞争力。目前,我国正在进行 "昔阳煤炭地下气化暨合成氨联产"示范工程的现场试验,甘肃华亭煤集团"煤炭地下气化合成氨"项目的可行性论证巳完成,太原东山煤矿煤炭地下气化实验工程-年产5000吨二甲醚的可行性研究报告正待立项。

     有望摆脱长期依赖油、气进口作为主要燃料的状况。柴兆喜等(2002)提出:如果发展了地下气化采煤技术,就可用"气采一煤"来代替 进口石油。例如在"气采"矿区可就近供气,在东、南沿海的需进口液化 天然气的地区,可由中南、西南矿区"气采"产生的煤气替代人工天然气  (SNG)及进口天然气。

     各矿区"气采"生产原料煤气, 采用"无转换"工艺流程合成燃油和 人工天然气(SNG),估算煤地下气 化等同产品的投资仅为石化技术的1/2左右。

     

  思考题:常见的矿难有哪些?面对层出不穷的矿难气化法有何优势?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二课   制造生物燃料新方法

  

 生物燃料目前成为一种十分热门的可再生绿色能源,世界各国都在大力发展生物燃料。其实,生物燃料离我们并不遥远,我们家中的酒中就含有常见的生物燃料:乙醇。然而,由于不少能源公司用粮食来生产生物燃料而引起了争议,因此科学家开始研究生产生物燃料的一些新方法。

一、用甲虫来分解树木

    在美国农业科学与工业大楼的地下室里,有一个实验室中摆满了蠕动的幼虫、蛹和甲虫。这些虫子是一种替代燃料的原料。研究用的甲虫叫做亚洲天牛,它们最初是随运输包装箱从中国漂洋过海来到美国的。这个课题组的研究组长霍奥夫介绍说,亚洲天牛会侵袭枫树、榆树、柳树、杨树和七叶树,但是,亚洲天牛与其他昆虫不同的是,它们是在树木还活着的时候就侵人树中,而不是等树木死后。

    昆虫学家斯科特·盖博说,活着的树木之所以枝干坚硬,是由于一种叫木质素的物质。木质素形似塑料,包裹在树木纤维素的外面。许多昆虫可以分解纤维素,却无法分解木质素。但是,亚洲天牛就可以分解木质素。亚洲天牛分解木质素后,留下能发酵生成乙醇的纤维素。

美国能源部现在更倾向以纤维素作为生物燃料的原料,纤维素的产量比粮食大,而且不会危及人们的粮食需求。那些不适宜种植粮食作物的荒山、荒坡和荒滩,都可以用于种植一些适合恶劣环境生长的树木和草本植物,这不但可以用于生产生物燃料,还可以增加植被覆盖率,减少水土流失,使土地增值。

      (亚洲天牛)

二、用微生物分解纤维素

    用微生物制造生物燃料是很古老的创意,几千年前的中国人就会用酵母菌造酒。美国麻省理工学院的一个学生研究小组发明了一种用微生物发酵废弃植物纤维产生电能的生物燃料电池,它可专门用来为手机充电。这个学生科研小组研制的电池名为"生物伏特",它利用一种特殊细菌在分解植物纤维时将电子释放出来,从而产生电能。

美国亚利桑那州立大学最近还宣布,他们已与英国石油公司和亚利桑那州科学基金会结成合作伙伴关系,共同开发可再生生物柴油。据悉,这一研究工作的重点将放在如何利用一种特殊优化的光合细菌来生产生物柴油上,这种光合细菌是在黄石公园的热泉里找到的。利用可再生光合细菌生产生物柴油可以省去成本高昂、复杂繁琐的加工过程。另外,由于这种细菌的培养只需要太阳能和环境控制生产设备,所以在干旱贫瘩的土地上也能大规模地养殖。这种细菌生物柴油生产占地很小,可以建在发电站附近,利用废弃的植物纤维作为原料。

(制造生物燃料的光合细菌发现于热泉中)

三、用废弃水果生产二甲基呋喃

    二甲基呋喃是普通人没有听说过的一种新型生物燃料,它是美国科学家用废弃的水果制造的。不少水果难以长期储存,如果未能按期 销售出去则会腐败变质,于是这些水果被果农和销售商作为垃圾抛弃了。而美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家表示,水果中的单糖可 以转化成比乙醇更有优势的燃料,这种燃料被称为二甲基呋喃。

     和乙醇相比,二甲基呋喃有一系列优点,和同样体积的乙醇相比,二甲基呋喃燃烧后产生的能量要高 40%,和目前使用的汽油相当;二甲基呋喃不溶于水,因此不用担心吸潮问题;二甲基呋喃的沸点要比乙醇高近20摄氏度,这意味着其在常温下是更稳定的液体,在汽车引擎中则被加热挥发成气体。这些都是汽车燃料所具备的特点。此外,二甲基呋喃的部分制造过程和现在石油化工中使用的方法相似,因此容易推广生产。专家表示,在经过安全和环境试验后,二甲基呋喃可以和汽油混合,作为交通运输工具的燃料使用。

{C}{C}

四、用藻类植物来产油

     几乎所有的天然水域里都有藻类植物生存,藻类植物因为生存能力强、生长速度快而成为环境公害。而以色列和美国的科学家则把这些 "环境毒物"变成了解决能源问题的生物燃料。

    以色列海洋生物技术公司的科学家将发电厂产生的二氧化碳输人海藻池,不仅净化了环境,也为海藻提供了充足的营养。目前,研究人员已在以色列西南部的阿什克隆建立了试验性海藻农场。该农场由8 海藻池组成,占地四分之一英亩。附近一 家煤发电厂释放出的部分煤烟直接 输送到海藻池中,煤烟中的二氧化碳被海藻吸收后,不仅有效地促进了海藻的生长,同时也减少了温室气体。烟尘中的其他有害物质,则通过一个特殊的过滤系统予以净化。

     最近,位于美国的国际能源公 司也宣布,他们己经成功开发出以 绿色微藻为原料生产生物燃料的新 技术。美国能源部已经启动了二个 称之为水生生物计划的创新研究计划,即是支持以藻类生产生物柴油,总资助金额为2500万美元。

     藻类植物可直接生长在海水、废水中,而不需要清洁的淡水,只要有阳光和二氧化碳即可,因此十分环保。据估计,占地面积1平方千米的藻类植物每年可处理5万吨二氧化碳。藻类植物不像玉米和大豆等粮食作物需要较长的时间来种植,也不需要大量杀虫剂和化学肥料。从产量上来看,每年每亩玉米可产 300加仑乙醇,每亩大豆可产30加仑生物柴油,而每亩藻类可产5000加仑生物燃料。玉米和大豆每年收获一次,而藻类生长迅速,每隔几天即可收获一次。

{C}{C}

(用来制造生物燃料的藻池)

五、筛选造燃料的植物

并非所有的植物都可以用来直接制造生物燃料,就像我们前面提到的一些树木因为有难以分解的木质素而难以利用。为此,美国化学家史密斯动用了先进的拉曼成像技术来筛选那些可以用来造燃料的植物。史密斯利用的拉曼技术采用一个光学显微镜,用激光束照射样品。当激光照射到样品上时,一些光就被散射了。通过用分光镜来分析散射光,他可以很容易并且快速地确定植物材料的化学组成,筛选出那些木质素含量低的植物。这种方法还可以对筛选出来的植物进行进一步研究,研究它们在不同生长阶段的化学组成,以便在它们木质素含量较低的生长阶段进行收割。

 

六、用废塑料熬制生物柴油

     印度马德拉斯大学机械工程系的4名大学生在老师帮助下,成功将废弃塑料转换成汽车燃料。学生们在废弃塑料中加人了一种催化剂,将其在真空中加热。在催化剂的作用下,废弃塑料逐渐熔化成它的原生态    石油;再经过蒸馏和提纯,废弃塑料最终转化成汽油、柴油和煤油,整个加工过程还不产生二氧化碳。按照4名大学生的方法, 2·5千克废弃塑料可以产生1汽油、0·5柴油和0·5煤油,生产成本在1·5美元左右。

{C}{C}

七、奇特霉菌可将植物废料转变为柴油气

 最近,美国科学家在热带雨林 中发现了一种粉红色的霉菌。这种霉菌有一种奇特的功能,可以让植物的枝叶发酵,转化为燃烧值特别高的柴油气。这项发现为植物能源的利用开辟了新的途径,是科学家在寻找可再生能源征程中的一项重大发现。

    在目前能源逐渐紧缺的形势下,寻找可再生能源是各国科学家正在探索的事情,其中植物能源大受欢迎。因为植物可以再生,利用植物的枝叶生产能源还不影响生态环境。在200多年前,人们就发现植物发酵可以产生可燃性气体,这种气体的主要成分是甲烷,俗称"沼气"

    然而,沼气的密度小、燃烧值低,因此不是很理想的燃料。于是,科学家希望能够从植物废料申提取到更好的燃料。美国科学家加里·斯特罗贝尔就找到了这样一种原料,他在阿根廷巴塔哥尼亚高原的热带雨林中发现了粉红粘帚霉,这种霉菌可以把植物的废料转化为燃烧值比沼气高得多的柴油气。

    斯特罗贝尔在心叶船形果木树的树干上发现了寄生的粉红粘帚霉。他起初对粉红粘帚霉的生存特性特别好奇,因为这种长在植物枝干上的霉会产生气体,这些气体可以消灭附近的其他真菌,让它独享植物枝干的"美食"。斯特罗贝尔希望弄清楚这些气体为何可以作为粉红粘帚霉的武器,结果发现这些气体不过是高浓度的碳氢化合物,可让其他真菌窒息而死。

    斯特罗贝尔等人在实验室内检验粉红粘帚霉的性能,用以燕麦为基础的果冻和纤维素培养它们。研究人员利用抽风机把粉红粘帚霉排出的气体抽走,并将它们收集起来。他对粉红粘帚霉发酵植物原料释放的气体分析,发现其中富含8种柴油中的碳氢化合物,如燃烧值很高的辛烷。

    与现在世界各地的植物燃料工厂生产的生物乙醇相比,粉红粘帚霉发酵产生的这种气体燃烧效果更好。这项发现让斯特罗贝尔十分惊喜,他说:"地球上还没有其他已知生物能让植物发酵出柴油气。这种气体混合物可以驱动发动机,直接作为机械的燃料。"

    更加令人振奋的是,粉红粘帚霉可以生长在纤维素上。目前,植物能源科学家要攻克的难题就是怎样利用植物的纤维素,纤维素中含有大量的碳氢化合物,但是用普通的化学方法和生物方法都特别难分解。斯特罗贝尔说:"纤维素是地球上最丰富的有机化合物,但大多数给浪费掉了。"

    通过粉红粘帚霉对纤维素发酵,可以产生大量现成的柴油气。但还需要做更多的实验来证实此想法的可行性。研究人员将做更大规模的测试,进行发酵后让此真菌产生足够多的柴油气来驱动一台小发动机。如果他们能做到这一点,利用这种方法来大规模生产柴油气就变得可行了。

    植物燃料曾被宣传是代替石油的好选择,而且植物生长过程可以吸收植物燃料产生的二氧化碳,让大气中二氧化碳浓度不会失衡。然而,现在不少人反对植物燃料,是因为许多工厂用粮食来生产燃料,而工厂不用植物废料作生产原料的原因是纤维素难以分解。如果广泛用粉红粘帚霉发酵植物废料,就可以摆脱植物燃料工厂用粮食做原料的困境。

    斯特罗贝尔还发现,粉红粘帚霉含有独特的基因,能生产出将纤维素分解成柴油气的酶。据此,可以把这种基因转移到其他微生物的体内,让其他微生物也能分解纤维素产生柴油气,这样就可以有效扩大工厂的规模。

斯特罗贝尔的研究还有可能揭开石油的形成之谜,传统的石油形成理论认为,石油是植物被埋在地下时,在地壳的高温高压下形成的。但是这个理论不能解释一些浅层油田的成因,根据斯特罗贝尔的研究,粉红粘帚霉或其他不知名的微生物很可能在石油的形成中起到了重要作用。

思考题:上海市奉贤区实验上学的“精灵小队”利用工厂的排风扇的能量转化为电能,获得上海市第七届“明日科技之星”三等奖。关于被忽视的能源,你有什么设想?

 

 

 

 

 

 

 

第三课        

1981年,当IBM公司苏黎士实验室的两位科学家宾尼和罗雷尔发明了被称为 “扫描隧道显微镜”(STM)的神奇仪器之后,也同时宣告了一个引发世界性关注的全新科技领域的诞生。因为这一新发明第一次使人们借用仪器看到了原子实体,看到了原子在物质表面上的排列形式。在这之后,科学家借助STM不仅可以看到原子、分子,而且可以操纵原子和分子。1990年,IBM公司下属的研究所利用STM技术实现了人类操纵原子的梦想,他们用35个氖原子在镍表面上排出了"IBM"字样,所排出的字样不到3nm,由此揭开了人们探索纳米世界的序幕。作为一个新兴的科学领域,纳米科技一出现就引发了科学家的关注,化学家也不例外,他们纷纷转向对这一领域的探索,由此开始了纳米化学的研究和应用。

{C}{C}{C}

     一、奇妙的纳米世界

    与微观世界和宏观世界不同,纳米世界是介于二者之间的一个新奇的世界,这不仅表现为它具有大于微观物质,远小于宏观物质的尺寸,而且表现于它具有独特的物理化学性质,从而开拓独特的应用领域。

    1:独特的物质层次和结构

从尺寸上看,纳米世界包括那些大小在1nm100nm之间的物质,而且这些物质具有以下特征:第一,它们必须至少有一个维具有1nm100nm的尺度;第二,它们的设计过程必须体现微观操控的能力,即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质;第三,它们能够组合起来形成更大的结构。从特征来看,一方面,纳米世界与物质的基本结构单元相邻接,但是又不属于微观层次,因为它有稳定的物理化学性质;另一方面,它也不属于宏观世界,因为它有较小的尺寸。正是在这个意义上,人们将纳米世界看做是微观世界与宏观世界之间的中观世界。由于纳米世界的物质具有稳定的物理化学性质,确定了最小的天然结构,从而成为物质微型化过程的最终极限。换句话说,在具有稳定的物理化学性质物质构造层次上,再没有比纳米世界更小的结构了。

2:独特的物理化学性质

当物质的可分性到达纳米尺度的物质世界时,物质的物理化学性质都会发生根本的改变,这种改变经过科学家的探索,认为至少体现在四个方面:(1)表面效应。它是指球型颗粒的比表面积与颗粒直径成反比。当物质的尺寸小于10nm时,其表面原子数会急剧增长,以至于1g纳米颗粒的表面积的总和可高达100m2,这时的表面效应将不容忽略。(2)小尺寸效应。随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变,这种变化即为小尺寸效应。对纳米颗粒而言,尺寸变小,同时其表面积增加,一系列新奇的性质将会产生,主要表现为光学、热学、磁学性质发生根本的变化,而这些变化通常都有利于人们对物质的操作和控制。(3)界面效应。纳米材料通常有非常大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出很好的韧性与一定的延展性,使材料具有新奇的界面效应。(4)量子效应。介于原子和大块材料之间的纳米的能带不是连续的而是分裂为分立的能级,能级间的距离随颗粒尺寸的减小而增大,当热能、电场能或磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子效应。

3:独特的应用

纳米物质的新奇特性为人们开发和利用新型材料提供了一种崭新的思路,这就是纳米材料。从应用角度看,由于纳米材料独特的物理、化学性质,决定了它在当今和末来科学技术中将发挥重大作用,并产生巨大的经济效益。首先,纳米材料所具有的较大比表面和比界面决定了纳米材料能与外界环境有较大的接触面积,这一方面能使纳米材料同外界环境有较好的物质和能量的交换,同时,也能使纳米材料同外界有较好的信息交流。由此,纳米材料可以被用来制造各种灵敏度高、响应速度快的传感器。"同样由于比表面大、表面有效活性中心多,催化剂的催化效率可大大提高。现已制成一些具有各种用途的纳米微粒催化剂,如在火箭固体燃料中掺入铝的纳米微粒,燃烧效率可提高若干倍。而纳米银粉、镍粉轻烧结体作为化学电池、燃烧电池和光化学电池中的电极,可以增大与液体或气体之间的接触面积,增加电池效率,有利于电池的小型化。纳米材料的小尺寸效应则使陶瓷材料纳米微粒的相变温度降低,有利于这些材料的烧制。同样可以利用纳米材料的这一特性,将其涂在导弹或飞机表面,避免雷达发现。另外,纳米颗粒的磁性作用还可以作为药剂载体应用,利于提高药效;采用纳米金属颗粒制成金属溶胶,接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验,用于快速诊断;在化学纤维制造工序中掺人铜、镍等金属纳米颗粒,可以合成导电性的纤维,从而制成防电磁辐射的纤维制品或电热纤维,也可以与橡胶、塑料合成导电复合体。总之,纳米材料的应用同纳米物质的特殊性质一样具有诱人的研究前景和价值,这使得化学家有更多的信心和激情投人纳米化学的研究,试图在这一新型领域占领制高点,为化学开辟全新的研究领域。

      4:独树一帜的C60与碳纳米管

     1985C60被发现后,化学家的进一步研究发现,C60具有许多独到的结构和物理、化学性质,例如具有完美的对称结构、特殊的电子结构、异常稳定的化学性质等,其中最引化学家注意的是C60具有特有的中空结构,这种结构有利于其他原子和分子进人C60的空腔内,使这些原子和分子同C60共同形成新的物理化学性质。例如,在空腔内掺人碱金属后,本来是不良导体的C60能转化为超导体

{C}{C}

    化学家成功地给C60的每个碳原子上添加一个氟原子,,得到一种全氟化的C60F60它是一种超级耐高温材料。利用C60的特性,科学家获得了非常多的设计灵感,使它在分子器件和纳米电子器件的研制方面有广阔前景,人们对它投入了饱满热情。

    碳纳米管同C60一样具有特殊的结构和性质,它于1991年由伊基玛 (S·Iijima)首次发现,是由类似于石墨结构的六边形网卷成的中空纳米级管,碳纳米管的密度约为1.4g/cm3,很轻,质量只有钢的六分之一左右,但非常结实,强度是钢的100倍。因石墨层中碳原子的卷曲程度角度不同,碳纳米管的性质也迎然不同。例如,就导电性而言,可以是金属性的,也可以是半导体性的。令人惊奇的是,甚至在管内的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。由于其特殊的电子结构,电子在碳纳米管中的径向运动受到限制,而轴向运动则不受任何限制,因此是很好的一维量子导线,有望替代硅成为新世纪微电子器件的主流材料,而它的特殊的管状中空结构及很大的比表面积,可以选择性地填充金属、合金微粒,或者成为氢吸收材料。这有助于化学家对其进行各种各样功能化设计,从而使化学从结构化研究走向功能化研究,为化学家开拓研究思路提供了便利条件,这也正是纳米化学吸引化学家密切关注的原因之所在,也是化学家在化学的末来研究中应当加以注意的焦点。

 二、纳米化学的应用

    随着大科学时代的到来,任何一个新兴学科的发展最终都要能给人类社会的发展带来积极的作用,纳米化学也不例外。无论纳米化学如何发展,其最终目的都是研究和制备出有利于人类生存和发展的物质材料,这不仅是纳米化学的立足之本,也是纳米化学发展的动力。

    由于纳米颗粒具有特殊的量子尺寸效应和表面效应及其活泼的化学性质,使它有了比体相物质更广泛的使用价值。

1:新型材料的生产和制备

通过控制材料单元尺寸和成分,化学家可以制备出更轻、韧性更强、硬度更大、灵敏性更高、使用寿命更长的纳米材料。现在,已能制备和应用的纳米材料有纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米生物活性材料、纳米贮氢材料等。由于纳米材料在导电性方面的物质特点,科学家已经看到了它们在微电子领域中的巨大作用,纳米材料将再次给计算机硬件技术带来新的革命。纳米材料的量子尺寸效应表现出来的电学、磁学、光学性质在物理方面的应用更是令人欢欣鼓舞。例如在磁记录材料上的应用,可以大幅度提高存储信息的密度和速度,可以制备出新一代的微电子元件。化学家和生物学家发现,在生物体系中加入纳米颗粒后能有效地提高仿生体系的寿命与功能,这种性质决定了纳米材料在生物计算机和人工智能方面大有作为。

    2:纳米材料对能源利用和环境保护带来无限益处

    在针对环境和能源的高科技中,纳米科技占有很重要的分量,它被广泛用于发展绿色能源、减少污染、恢复己破坏的环境以及废物处理等。如人们可以利用纳米催化材料降解水和空气中的污染物,这是其他技术难以做到的。利用纳米科技可以开发高效价廉的治理汽车恩气、工业废气的净化催化剂。将纳米颗粒填充到废旧材料和塑料中,能增强、增韧废旧塑料并可能使其使用性能超过原来新材料的水平,从而提高原料使用率,变废为宝。近年研制成功的纳米结构燃烧增强剂、助燃剂和净化剂,既可以提高燃烧效率,又可以节省能源。用纳米贮氢材料可以使氢气成为机动车燃料并减少空气污染、节约矿藏资源消耗。纳米阵列体系可以使太阳能转化为电能的效率大大提高。

     3:纳米材料最为重要的用途是可能带来新的医学革命

    进入新世纪,人类在医疗和药物方面面临着新的挑战,例如需要治疗严重危害人们身体的各种传染疾病和多发病,还要抑制细菌和病毒的继续滋生蔓延。当纳米技术与先进生物技术、传统的化学制药相结合时,高效缓释、耙向药物将会相继问世。纳米颗粒特有的电子取出和给予效应所表现出的特殊氧化一还原功能,在人的生命过程中能起到重要的作用。它朝影响自由基、酶等与人类的新陈代谢、长寿、美容的密切关系;量子尺寸的Al2O3,和TiO2对骨细胞的附着力能大大增加与活细胞的结合性能,成为矫形科和牙科手术的良好材料;纳米大小的具有生物传感效应和特有的光学效应可制成生物传感器,可以对癌症和其他疾病进行前期检测和诊断,并可检测机体的生理和代谢情况。目前市场上出售的纳米金,对DNA的免疫传感器以及DNA芯片的制作都有广阔的前景,能促进细胞生物鞘和病理学的基础研究。利用纳米材料还可以研究智能医疗设备,降低手术等对人饿器官的直接和间接损坏,如“纳米钳”的使用。

 4:促进国防、航空和航天技术的飞速发展

先进的纳米微电子器件在信息控制以及智能机器人方面的使用,使军队在警报、导弹拦截、核防卫系统、部队的隐蔽性及战斗方面的能力会有大幅度的提高,并且武器装备和爆炸反应控制能力也将大大增加。阻热、耐磨擦的涂层,轻质、体积小、低耗能、抗辐射的纳米仪器则可以在航空领域应用,使一个国家在国民经济和国防安全方面处于领先地位。

思考题:

纳米这个概念被商人应用于商战中,如:补钙片中的纳米钙等,观察一些广告看看还有哪些滥用纳米这个概念的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第四课     

 

一、摩天大楼的烦恼

阿联酋迪拜大楼由美国SOM设计所设计,高828米,是世界第一高楼。世界第一高楼并不是迪拜大楼创造的唯一世界纪录;其它新纪录还包括拥有最多楼层及世界最高居住楼层。如天气晴朗,远在100公里以外皆可看到这座超高摩天大楼的尖顶。这个直入云霄达半英里的摩天大楼届时高度会比伦敦的肯纳立码头大厦 (Canary Wharf towers) 的三倍还高。

这座摩天大楼的设计外形应该归功于美国芝加哥的斯基德莫尔·奥因斯·梅里尔公司的建筑设计师阿德里安·史密斯。史密斯曾设计了上海1378英尺(450米)高的金茂大厦,金茂大厦在世界最高建筑中排列第四,但按摩天大楼网站的排名,金茂大厦排名第五,因为这家网站将吉隆坡的国家石油双子星座大楼以塔楼1和塔楼2分别排名第二和第三。迪拜大楼的设计灵感来源于一种生长在沙漠里花朵。它高高的尖顶从95公里(60英里)之外仍然清晰可见。

  建筑师的目标:不仅仅是打破大楼高度的记录,而且要建立一套新的世界质量标准,包括最精细的建筑、最佳的材料、以及注重每个细节的精雕细琢。相当于17个英式足球场(或25个美式足球场)大小的玻璃和金属幕墙采用有机硅来装配。硅酮中空玻璃密封胶有助于降低中空玻璃中压力积聚的危险。硅酮结构密封胶将强化中空玻璃面板与幕墙框架之间的机械附着。之所以选择有机硅来完成这一任务,是因为它们能够承受高温、紫外线、地震、恶劣气候条件,包括沙暴和大风。

       然而凡事有利就有弊,玻璃窗户脏了肯定要擦,里面当然很好擦,可外面呢?要知道给摩天大楼擦玻璃是个非常危险且高成本的工作。摩天大楼顶部设计建有擦玻璃使用的"吊篮",专供保洁工人作业。但工人不能一天24小时擦,当空气灰尘多的时候,一旦下雨,玻璃上全是泥点,整个摩天大楼就要等待数天甚至半个月后才能重新亮堂起来。如果能让含有泥巴的雨水碰到玻璃就会自动飞开,不沾在玻璃上,或者雨水自动帮我们清洁玻璃,清理完后自动走开该有多好啊,这样就不用擦玻璃了。

二、荷叶效应

 

 

 

 

雨水在具有疏水结构的水稻叶面上形成颗颗珍珠般水滴

 

 

也许这只是个梦想,但是梦想也有实现的那天。人是擅长学习的动物,自然界有太多的东西值得我们去学习,模仿。地球上的生物经过了亿万年的进化,许多生物体为了适应环境,表层己逐渐形成各种规则的独特结构,有一种结构具有令人称奇的防水的功能。对于固体来说,当液滴接触其表面时,液滴会保持它部分的形状或者在固体表面铺展开来从而形成一层薄的液膜。这一性质是通过测量接触角来描述的,当水滴在固体表面上所形成的接触角接近0°时,固体表面就被称为超亲水,而当水滴在固体表面上所形成的接触角大于150°时,这样的固体表面则被称作为超疏水。

                 水稻叶面密布具有超疏水功能的乳头状突起

雨后的荷叶非常的清新,因为落在叶面上的雨滴会自动聚集成水珠,水珠的来回滚动可以将叶片上的污泥等粘在水珠上滚出叶面,使得荷叶"出淤泥而不染"。这一现象显示荷叶具有优异的超疏水性能和非凡的自洁净功能。具有类似"荷花效应"的植物还有水稻、芋头、美人蕉等。

水滴在荷花上来回滚动而不沾在叶片上,这被称为“荷花效应”

 

 

 

 

荷叶正面的乳突状的表面结构

 

 

除了植物的叶片之外,许多昆虫,比如水黾、蝴蝶、萤火虫、蝉等的身休都具有超疏水功能。作者曾观察过水栖萤火虫成虫可以站立在水面上漂浮,也可以在水面上起飞。而当水栖萤火虫受到惊扰时,从蹦节分泌出含有毒素的血液,这滴血液竟能在多毛的蹦节上汇聚成圆滴,足以证明多毛蹦节的超强疏水功能。

 

 

水黾的足上密布具有超疏水的刚毛,使得“水上漂”水黾可以“站立”在水面上

 

 

 

 

 

 

水栖萤火虫条背萤受到惊扰时,从足的跗节分泌出并汇聚血液,血液在具有超疏水功能的跗节上形成一个非常圆的液滴

   

 

 

条背萤具有超疏水功能的跗节超微结构,显示每根刚毛顶端有膨大的圆形结构,正是这些独特的刚毛结构使得条背萤可以在水上漂浮并起飞。

 

 

水黾的腿具有一种非凡的超疏水性能,可以使得它非常容易地在水面站立和行走,它的腿是由无数百径在微米级别上的针状的刚毛组成,而每个刚毛上面又有许多精细的纳米尺度级的凹槽。正是这些多级的表面结构以及表面上蜡层的协同作用赋予水黾腿部这种非凡的超疏水性能。

三、超疏水的纳米材料

    在西方发达国家,对超疏水性的研究于20世纪90年代形成高潮,而我国则奋起直追,也取得了不凡的成绩。近期,中国科学家研制出一种运用超疏水性的涂层,将其应用到一艘小型的铜网架船上,居然使得小船在水中立即能够承受三倍于自身的重量。

    这种超疏水涂层在船体表面形成了一道空气缓冲层,在涂层和水之间充斥了大量的气泡。船体底部很小的面积浸没在水中,从而产生了很小的阻力,但同时产生了巨大的浮力。这种材料可望用于制造具有重要潜在应用前景的水上交通工具,如水上机器人、微型环境监测器、船舶等,可以有效提高交通工具的速度,节省能源,将可能引发交通、能源领域的一次巨大革新。

     随着20世纪60年代纳米材料的出现促进了材料学革命性的进步,纳米材料也为材料科学家在生物仿生领域的研究提供了一个更好的可实现平台。材料科学家被自然界超疏水现象深深吸引,众多的纳米制备方法被广泛的应用于超疏水材料的制备。超疏水表面仿生制备方法主要有:层叠层和胶体组装,电化学反应和电化学沉积,溶胶-凝胶处理,刻蚀与印刷,化学气相沉积或物理气相沉积,电纺等。仿生超疏水材料种类则有碳纳米管,金属化合物纳米棒和纳米颗粒,金属合金工程材料,聚合物材料等。

四、超疏水材料应用广阔

    伴随着对超疏水性表面的研究不断深入,材料科学家们己经不满足只停留在对超疏水性表面的制备工艺研究,而对超疏水性能之外的其他功能产生了很大的期望。因为当增加固体表面的粗糙程度时,提高了疏水性,但会丢失许多表面重要的性质,比如光学透明性和机械力学性能等。

    现在,很多研究小组开始致力于探索多功能的超疏水膜的制备研究,比如,对于海洋船舶工业来说,制备出具有超疏水表面抗腐蚀能力的工程合金材料将会产生非常重要和深远的意义;玻璃等材料的光学透明性是一种非常特别而又重要的性质,制备具有光学性能的透明的超疏水表面引起了材料工作者们的极大关注和广泛兴趣;还有具有高电导率的超疏水表面,具有高黏附力的超疏水表面等等。

    未来超疏水技术会在我们的生活中广泛应用,防水功能的衣服让我们走在雨中而身上不沾一滴水;身着浮力超强的超疏水救生衣,毫不费力就可以漂浮在水面上;摩天大楼的玻璃窗户再也不需要擦玻璃工;轮船的速度比汽车还快且消耗的能量非常少;战斗以在水面上行驶……

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第五课  

 

一、硝化甘油
1:英文名:Nitroglycerine  ,别名:硝酸甘油酯,缩写:XHGY,化学结构:C3H5(ONO2)3
化学特性:淡黄色稠厚液体,几乎不溶于水,有毒,低温时易冻结,冻结后再熔化时危险性极大,易引起爆炸。在65%相对湿度下,吸湿0.17%

相对密度:1.5918 熔点:13 爆燃点:260 爆速:7600m/s 爆温:3000 爆轰气体体积:715L/kg 爆热:6322kJ/kg ,火灾危险:遇暴冷暴热、明火、撞击, 有引起爆炸的危险。

它的爆炸分解反应按下式进行:
硝化甘油 

硝化油燃烧现象

 

{C}{C}                   

 

2:硝化甘油-对人的影响
少量吸收即可引起剧烈的搏动性头痛,常有恶心心悸,有时有呕吐和腹痛,面部发热、潮红;较大量产生低血压、抑郁、精神错乱,偶见谵妄、高铁血红蛋白血症和紫绀。饮酒后,上述症状加剧,并可发生躁狂。本品易经皮肤吸收,就防止皮肤接触。慢性影响:可有头痛、疲乏等不适。

3:诺贝尔与硝化甘油

                             

    意大利化学家索布雷罗(Ascanio  So brerol8l21888l847年在报告他的研究成果时说,用硝酸和硫酸处理甘油,得到一种黄色的油状透明液体,即硝化甘油,“这种液体可因震动而爆炸,将来能做何用途,只有将来的实验能告诉我们。”西宁教授在圣彼得堡做锤击硝化甘油发生爆炸实验给诺贝尔看,并说,如能想出切实的办法使它爆炸,它将在军事上大有用处。

    诺贝尔经过长期思考和实践,认识到要使硝化甘油爆炸,必须把它加热到爆炸点(170180℃)或以重力冲击。寻求一种安全的引爆装置正是诺贝尔为自己确定的课题。18625月,随着一声剧响,水沟水花四溅,地动山摇,他第一次发现了引爆硝化甘油的原理。

    用少量的一般火药导致硝化甘油猛烈爆炸就是诺贝尔发明的“引爆物”。为此,1864年他在瑞典第一次获得了硝化甘油的引爆装置-雷管的专利权,完成了他的第一项重大发明。他发明了用冷水管散热生产硝化甘油的冷却法,并设计了相应的机器,初步扫除了大批量生产的障碍。

       新的“炸油”在爆破工程上可以节约大量的人力,很快地得到普遍应用。但由于当时人们对炸药的危险性十分无知,在长途运输中,各地相继发生了严重的液体硝化甘油爆炸事故,报警的信函涌向诺贝尔。1867年他把产于德国北部的多孔的硅藻土与硝化甘油混合制成了两种固体炸药:1号和2号猛炸药。这种安全烈性炸药很快获得了英、法、德国的专利权,并在开矿、筑路、开掘隧道等施工中应用。此后,诺贝尔又发明多种炸药。

   二、 三硝基甲苯(简称TNT,梯恩梯)

分子式CH3C6H2NO23

有文献报道其纯品为无色或淡黄色晶体,工业品呈黄色。经制片的为鳞片状物。不溶于水,易溶于丙酮、四氯化碳。密度1.633g/3,熔点80.9℃,安定性较好。爆速67606820m/sρ=1.575g/3,作功能力(铅土寿实验值)290mL,有文献报道为300mL。猛度(铅柱实验, ρ=1g/3)16.5mm。在合成炸药中TNT的威力算是比较小的。撞击感度48%(10㎏锤,25㎝落高),摩擦感度46%;枪弹贯穿一般不会爆炸。毒性大,急性毒为低毒,毒力与农药敌百虫相当。能引起亚急性中毒、慢性中毒,给身体造成不可逆的损害。例如引起白内障、中毒性肝炎,还损坏造血系统,疑有致癌性。
     TNT的生产成本低,工艺成熟,各国都有大量生产。TNT的熔点低,且熔点远低于分解温度,可以放心的将其熔化而不担心发生危险。熔化的TNT是良好的溶剂和载体,许多不易熔化的粉状炸药都可以与其混熔后浇铸成型。片状的TNT及用片状物压成的药块易被起爆,浇铸成块的起爆较困难,须用扩爆药柱。一般情况下起爆TNT至少需要0.24g雷汞或0.16g叠氮化铅或者0.163g DDNP。点燃TNT时只发生熔化和缓慢燃烧,发出黄色火焰,不会爆炸。因而常用燃烧法销毁。
     制法 由甲苯经三段硝化制得。一段硝化中甲苯被硝化成一硝基甲苯(MNT),二段硝化中MNT被硝化成二硝基甲苯(DNT)。{C}{C}

DNT是重要的炸药。一、二段硝化只需浓度50%左右的硝酸溶液与硫酸混合作硝化剂。一段混酸的成份为HNO3 13%H2SO4 66%H2O 21%。甲苯混酸比约16。二段混酸成份为:HNO3 13%H2SO4 76% H2O 11%MNT、混酸比为145。一二段硝化原料易得,工艺简单,制成的DNT成本低廉,很适于临时生产。第三段硝化是将DNT硝化为TNT,需要几乎不含水的混酸。一般是先向熔化了的DNT中加入发烟硫酸,再加入浓硝酸。发烟硫酸较缺乏的国家也使用浓硫酸。三段硝化的废酸用于配制二段混酸,余类推。第三段硝化难度较大,不适于临时生产。硝化后分离出的TNT为粗品,含大量有害杂质,必须精制。目前常用的精制方法是亚硫酸钠法。
   三、无烟火药-------火棉

1:学名纤维素硝酸酯,旧称硝化纤维硝化棉 它是一种白色的纤维状物质,物理性质与棉花基本相同;它的爆炸威力比黑火药大23倍,可以用于军事,所以被称为“火棉”。不过,火棉的燃爆速度实在是太快了,如果制成炮弹,那么在发射出炮筒之前就会爆炸,非常不安全。但是,用醇-醚混合溶剂处理并碾压成型后,其燃爆速度就能明显减慢,可以用作枪弹、炮弹的发射药或者固体火箭推进剂的成分。硝化纤维的爆炸反应方程式为:
      2(C6H7O11N3)n3nN2+7nH2O+3nCO2+9nCO


   
由于其爆炸不产生任何烟尘,所以也被称作“无烟火药”。火棉是一个聚合物。其分子量很大。它的分子式是[C6H7O2ONO2aOH3-a]n,其中a为酯化度,n为聚合度。习惯上用含氮量百分数代表酯化程度。工业上把NC分为1号强棉(含氮≥13.13%),2号强棉(含氮11.9%12.4%),3号弱棉(含氮11.8%12.1%),爆胶棉(含氮11.94%12.3%),火胶棉(含氮12.5%12.7%),清漆用棉(含氮11.6%12.2%),赛璐珞棉(含氮10.8%11.2%)等。为了便于理解,又有文献把含氮≤12.4%NC称胶棉,把含氮>12.4%的称火棉。NC和棉花在外观上本来区别不大,工业品由于经过了安定处理,是白色纤维样粉末。不溶于水,溶于丙酮。火棉的溶解性与含氮量有关。火棉在着火时以极快的速度燃烧。燃烧时发出黄色火焰而不产生烟尘。低氮量的火棉在密闭条件下难以燃烧,尤其是在直径细时。高氮量的能引起爆炸。当用溶剂处理火棉后,蒸干溶剂形成白色塑料样物质,燃速降低。火棉不但易着火,感度也较高,撞击感度50%2㎏落锤,8cm落高,火胶棉)。一号强棉的爆速为6300m/s(经过溶剂处理,密度ρ=1.3g/cm3),作功能力126%

    2 硝酸纤维的制造主要有三个步骤:①精制棉制取;②酯化;③安定处理。
    普通的棉花中有大量灰尘、杂质,并且由棉纤维上包裹着一层脂肪,根本不能直接用于酯化。精制棉用于医疗时被称作药用棉,脱脂棉,是由棉短绒经清除机械杂质、洗涤、加压碱煮、漂洗等工序制成的,工艺比较复杂。这里讲述经简化的制法,这种制法不适宜大量生产。硝化剂成份的稍微变化,都会影响到NC的含氮量。一般的,在一定范围内增加硝硫混酸中硫酸的含量,减少水的含量,能提高产物含氮量。部份品号的火棉所用的硝化剂成份为:
硝化用酸成份(%NHO3(100%)H2SO4(100%)

注:原料酸中所含的水应算到上表中的H2O中。H2SO4用量为100减去HNO3H2O的量之后的余量。在2000mL烧杯中加入500mL稀硝酸,置水浴中。然后在搅拌下加入1100mL浓硫酸,加酸的速度尽量慢一些。此时混酸温度升高(可至80℃),水浴对其起冷却作用。盖上玻璃板以防HNO3挥发,待酸冷却至室温。向酸中投入被扯碎、扯松的精制棉,投入量以能被淹没为准(用玻璃棒压),搅动棉花至被酸浸匀,然后静置10分钟。用不锈钢镊子将棉花夹出,并让酸滴回烧杯中。把夹出的棉花状物体用大量水冲洗多次,然后泡在水中待安定处理。向余有混酸的烧杯中再次加入精制棉,反应20分钟后捞出水洗。把两次捞出的棉状物合并,准备安定处理。
四、燃料空气炸弹

新型燃料空气炸弹MOAB

 

200111月,美军为打击躲藏在阿富汗{C}{C}

山洞中的恐怖分子,使用了一种名为BLU-82的高效能燃料空气炸弹。这种炸弹有时也被称

新型燃料空气炸弹MOAB试验实景

 

 

为云爆弹、气浪弹、窒息弹或吸氧武器。据称, BLU-82炸弹在接近地面引爆后,可以将方圆500多米的地区全部化为焦炭,且爆炸产生的震力可以在数公里之外感觉到。爆炸时,除产生高温外,还可使山洞内的氧气耗尽,使其中的所有生物窒息死亡而山洞不致完全崩塌,以便后续军队进入山洞鉴别死者身份。燃料空气

弹的主装药之一是环氧乙烷,爆炸时,环氧乙烷先成雾状分散在空气中,然后,反应的生成物为CO2H2O氧气不足时还会有CO产生。

 

 

 

 

新型燃料空气炸弹MOAB试验实景