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《文明世界的动力──能源化学的故事》
作者:焦宪成【完结】
绿色，在烈火中永生——薪柴
读过安徒生童话的人都不会忘记那个穿着单衣，划着火柴取暖的卖火柴 的小女孩，那绝望中的小小火光给了她一丝丝的温暖，却无法拯救她悲惨的 命运。 可怜的小女孩，那小小的火柴所发出的一点点热量，怎能助你度过寒冷 的冬天呢？
不过，人类以燃烧木材取暖的方法，早在几十万年以前就有了。
在使用煤炭以前，木头一直是人类最好的燃料。因为那时候地球上到处 长着茂盛的森林，木头俯拾皆是。另外，只要木头干燥，它就很容易被点燃， 而且能燃烧很长一段时间，发出的光和热也很可观。
你知道吗？原始人用来使木头着火的东西，其实还是木头。一开始，人 们用带锯齿形的木棒摩擦木头起火；后来在木头上打个洞，把一根一端很尖 的木棒在一个有沟的木板上用力来回划来取火；最后便是我们所熟悉的 “钻 木取火”方式，即用弓弦卷绕木锥，将木锥插入木板洞内，迅猛地旋转木锥 取火。这种“钻木取火”的方式，是原始人用木头取火方式中最进步的一种。 草木作为人类的主要燃料，历史长达数十万年，一直延续到人类开化程 度已十分高的17世纪。
从化学角度来看，木材主要是由一种叫 “纤维素”的物质组成的。纤维 素是一种有机物，其中主要是碳、氢、氧三种元素。木头能燃烧并发光、发 热主要归功于纤维素。
当木头燃烧时，木头表层木料中的碳原子跟氢氧原子很容易和空气中的 氧原子化合，火就烧得很旺，这个过程可以这样表示 （C H O ）+ O →nCO + nH O 6 10 5 n 2 2 2
纤维素 但是，空气很难进入木头中心。木头的中间部分不断受热，它的纤维素 大分子被分解为小分子的气体，从木头中跑出去，这些气体中可燃的跑出去 后就燃烧掉了。由于缺少空气，在木头的中间部分没有足够的氧原子，有些 通过重重阻力来到木头中心的氧原子，也很快与氢原子结合起来，因为碳原 子比氢原子更难于和氧原子结合。 由于以上原因，在木头的中间部分，就会组成一些主要由碳原子构成的 集合物。如果这时木头外面的火焰熄灭，这种黑色物质就能保存下来。这种 被保存下来的黑色物质就是木炭，木炭即是被碳化了的木头。 因为木炭主要由碳原子组成，当你把它投入火中时，碳原子终于有了和 氧原子结合的机会，就欢快地燃烧起来，但碳原子燃烧时并不放出气体，所 以人们在烧炭时看不到跳跃的火苗，只看到木炭一片片发红、发热，然后化 成灰烬，但并不会 “灰飞烟灭”。这种燃烧方式很受人们欢迎，至今还有人 用木炭取暖。 最早的木炭是人们在无意中获得的，到后来，人们就开始有意识的用木 头制木炭。好的木炭是以较粗的树木枝干放在窑中封闭烧制而成的，其断面 有光泽，敲击起来还会发出金属声，被称为 “钢炭”。 然而木炭对人类最大的贡献并不是取暖，而是用它来冶炼金属。由于碳 及碳部分氧化所生成的一氧化碳既可作燃料同时又是很好的还原剂，所以它 很早就被人们用来冶炼金属：冶铜、冶铅、冶铁……中国人在汉朝以前，就
用木炭来冶炼金属。 木炭不仅仅是燃料。我国古代四大发明之一的火药，就是用硫磺、硝石 和木炭制成的。 木头作为燃料，为人类服务了数十万年，但是到了18世纪，生产力发展 程度越来越高，木头的需求量剧增，使得一些地方单靠树木的生长已供不应 求。 能源不够了，怎么办？
岩层里的黑色来客——煤
神秘的黑石头
马可·波罗在 《东方见闻记》一书中有这样一段文字： “中国的燃料不 是木头，也不是干草，却是一种黑石头……在中国，到处都有黑色的石头。 它们是从山上开采出来的，像矿石一样，它可以燃烧，燃起来火力比木头还 要猛烈，能够连续烧一整夜，一直到第二天早晨。因此，居民就把黑石头当 木头烧。它的价格比木头便宜，而且又能把树木保存了下来……”马可·波 罗所说的可燃的 “黑石头”，就是煤。其实，中国人开始用煤，大约是他见 到之前1000多年前的事了。 在沈阳发掘的新石器末期的遗址中，曾出土过用 “煤玉”（一种特殊的 煤）雕琢成的圆环和造型生动的动物。这说明我们的祖先早在六七千年前就 已发现了煤这种矿物。后来，在西安、宝鸡出土的西周墓葬里，在河南陕县 的汉墓中，都发现过煤玉的雕刻制品，说明这一种矿物在各地均有发现，历 代均有应用。实际上，现在我国北方的一些产煤区仍可见到这种煤雕工艺品， 这几乎可称是我国传统工艺品中最为古老的一类了。 现在已知的最早用煤的文字记载是 《汉书·地理志》：“豫章郡出石， 可燃为薪。”豫章郡在现今江西南昌一带，那里至今还出产煤，在辽宁抚顺 发掘出的汉代居住遗址中，也在煮饭的火坑内发现过烧过的煤炭。 在古代，煤的名称很多，有石炭、灰炱、石涅、乌金石、乌薪、墨金、 樵石、燃石、墨脂石、矿炭等。“煤”字的本义是指烟尘凝在器具上的烟炱， 制墨的烟炱也称煤，人们大约是看这种矿物漆黑，如同烟炱，所以才称它为 “煤”吧。 煤比木炭的火力强而持久，可以得到更高的温度，炼出更好的铁来。煤 的使用无疑会使铁的生产规模扩大，近代在山东平陵发掘汉初冶铁遗址时发 现过煤炭，又在河南巩县铁生沟西汉末年的冶铁遗址中，发现了未烧完的煤 炭和用煤粉、粘土制成的煤饼。后来，用煤冶铁的技术还从中原传到了西部 边睡。北魏郦道元的 《水经注》中说：“屈茨（今新疆库车）北二百里，有 山，夜则火光，昼旦但烟。人取此山石炭，冶此山铁，恒充三十六国用。” 看来，当时采煤冶铁的规模还很大哩。在唐朝许多诗人的诗句中，不时可见 到 “石炭”字样，可见那时煤炭已是人们常见的东西了。到北宋时代，陕西、 山西、河南、河北、山东等地，煤的开采和使用更为广泛，煤已取代柴草成 为一些城镇居民的主要燃料。元代以后，煤炭简直是人人知道，已成为 “很 不值钱”的东西。 中国人不仅用煤最早，而且在技术上最早创造了竖井采煤的方法。明末 著名学者宋应星在 《天工开物》里就对古代采煤法作过详细的记载。 中国古代用煤史上的另一成就是焦炭的烧制。 《天工开物》中曾提到过 “铁炭”，有人考证即为焦炭。明末人的其他著作中更有明确提到焦炭的。 实物的考证，更可证明焦炭的问世，远在明朝以前。1961年，在广东新会发 掘大约1270年前后的南宋末年炼铁遗址时，除找到炉渣、石灰石、铁矿石外， 还找到了焦炭。就目前所知，这是世界上冶铁用焦炭的最早实例。 当中国人已在用煤的加工产品焦炭时，欧洲人尚不知煤为何物，英国宫 廷大臣对煤的了解还不如中国的乡村妇孺。而今天，当欧洲人早已放弃传统
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的燃煤方式，进行煤的深加工和综合利用时，中国大部分地方和2000年前一 样在烧煤。历史与现实的这种对比固然有点滑稽，但更发人深思。 煤的形成与发现 在俄罗斯苏尔古特的煤炭博物馆里，你会看到一些奇异的煤块。有的外 貌就像一段粗大的树干，只不过外面好像被涂上了墨汁而已；有的被截开的 煤块，依稀可见树木年轮似的圆圈；个别的煤块中间还夹杂着金黄色的琥珀。 这些煤块分明是在告诉我们： “我过去曾是树木，现在变成煤了。” 远古，在地球上低洼而潮湿的沼泽地带，生长着茂密的森林。高大的树 木生长到一定年限就死了，或因衰老而枯死，或因雷电和风暴的袭击而倒下。 通常情况下，这些树木会在微生物的作用下，在空气中逐渐烂掉。但是，如 果它倒在了水里或干脆陷到地底的淤泥里去了，那么由于接触不到大量空 气，缺乏氧原子，就不会完全腐烂，而会慢慢地碳化。这种情况，同大木头 燃烧时中间部分的情形差不多，也就是说，一种外观和性质都与木炭十分相 似的黑色物质会慢慢形成。在森林里还生长着灌木和草丛，在沼泽里还会有 芦苇、蒲草等，这些植物的化学组成和树木相似。它们死去后，也沉积到了 沼泽的淤泥里，发生着同树木一样的碳化过程。 树木和其他植物在不断地死去、倒下。刚倒下的压在以前倒下的上面， 使它们陷得更深。日久天长，一层层地大量堆积起来，以至渐渐将沼泽填满。 今天，人们有时可在一些洼地里挖掘出一些黑色的腐殖质物质，这种物质叫 做泥炭。泥炭形成年代较短的只有数万年，有时用肉眼还可见到存在的藓类 的蛛丝马迹。 泥炭中的碳原子比新鲜木材里的多，因为它里面的氢原子有一些已经被 置换出去了。新鲜木材中有大约50％的碳，而泥炭中的碳可达60％左右。不 过，泥炭燃烧时的热值太低，用途不大。 严格说来，泥炭还称不上是煤，只能说是植物变成煤的准备阶段。如果 由于地壳运动，泥炭田被挤压到了下面，那么，在地层持以巨大压力和地下 热量作用下，泥炭会继续发生变化。它变得越来越致密结实，原来所含的氧、 氮及其他挥发性物质都慢慢地散去了，碳的份量逐渐增大。当含碳量增加到 70％左右，泥炭终于变成为煤，这种煤叫褐煤。 由原始植物变为泥炭，由泥炭变为褐煤的过程少说也得进行几十万年。 褐煤是煤的初级阶段，它略带些褐色，易碎而无光泽，燃烧时有些难闻的气 味，产生的烟也比较多。 埋藏在地下深处的褐煤，受高温高压的影响，还会继续进行变化——不 断脱去水分和挥发性成分，进一步增加含碳量。到含量高达85％左右时，人 们就称它为 “烟煤”了。 最成熟的煤是含碳量高达95％以上的无烟煤。这种煤热值高，燃烧时放 出炽红的光，几乎不产生烟，而且最后可以全烧光，几乎没有煤渣，像木炭 一样只留下白色的灰烬。为此，人们也叫它为 “白煤”。自然，它最受人们 欢迎。无烟煤只在那些压力很大的少数地区形成，它在全世界煤炭储量中的 比例也很小。绝大多数的煤是烟煤，在地球上估计储藏着总数约8万亿吨的 烟煤。 当地球表面的地层发生变化时，地下的岩层也随着被挤压或被挤得断裂
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开来。一部分地面被挤压得隆起形成山脉；另一些地方却沉陷下去。与此同 时，地表下的煤层也被挤得有高有低，有些煤层被埋藏到更深的地方；另一 些却被挤得离地表更近。有些煤层已被挤得非常接近地表，一些煤块甚至都 已露出地面了。这些煤便是最早被人们发现的。 煤对工业的贡献 根据史料记载，在欧洲，荷兰人是第一个用煤的。马可·波罗的 《东方 见闻记》在欧洲流传甚广，荷兰许多受过教育的人都读过这本书。英国大概 是欧洲第二个开始用煤的国家，因为英国与荷兰隔海相望，它们之间有着大 量的贸易往来。当英国人发觉荷兰人已找到中国人那种神奇的黑石头后，也 慌忙开始在自己的海岛上寻找起来了。在英国找煤并不困难，因为实际上这 是个煤的蕴藏量丰富的国家。很快地，采煤业快速发展起来。到 1660年，英 国的煤开采量达到200多万吨。这个数量占了当时全世界煤开采量的80％还 多。 不久后，蒸汽机问世了，燃烧的煤把水变成蒸汽推动蒸汽机欢快地运转， 奏响了工业革命的进行曲。英国之所以成为第一个实行工业革命的国家，与 它那蕴藏丰富的煤是分不开的。美国和德国在19世纪末期也实现了工业化， 原因之一也在于两国境内蕴藏着大量的煤。 从 20世纪开始，俄国也开始了它的工业化进程。它的国土上也富含着 煤。在俄罗斯，已探明的煤的总储量达5700亿吨。 遗憾的是，最早用煤的中国，此时煤的开采和应用却发展缓慢，成为影 响工业化进程的原因之一。 煤的需求量增加了，开采技术也随之有很大改进。人类最初采煤时，都 是先开采露在地面上的矿苗，然后一层层地往下挖，采出的煤用竹筐等容器 往外搬运，或从斜井中拉出，或从竖井中用辘轳绞上去，劳动强度非常大。 大约到19世纪中期，英国的矿井内开始使用一种装有4个小轮的矿车拉煤， 1868年，英日合办的日本高岛煤矿第一次在井下铺上铁轨，将矿车放在铁轨 上面向前推，这使采掘工作间机械化迈出了一大步。现在，这些矿车已采用 电动机车或绞车牵引了。最早，人们采煤是用铁镐、铁锹一点一点向下刨的。 到19世纪30年代，开始用 “炮采”的方式来采煤，即先在煤壁上打出一些 深孔，然后装上火药放炮，将煤块崩落下来。以后，又出现了机械化采煤的 先进方法。后来，还出现了一种高压水采煤的方法，叫水力采煤。与之相匹 配，人们还发明了 “管道运输法”。 煤气的制成和使用 18世纪下半叶，有一种新的燃料——煤气闯入了人们的生活中。煤气， 顾名思义，自然来源于煤。将煤先变成煤气，再作为能源使用，实在是人类 用煤方式上的重大进步。 据说，煤气最早是人们无意之中发现的。在 1667年，英国一位乡村教师 雪莱，在他任教处威甘，发现了一个奇怪的池塘。池水中常冒出气体，多的 时候池水好似沸腾一样，晚间用火一点，竟会像油锅起火似的，在池面上掠 起一阵蓝莹莹的火焰。雪莱发现池底有着厚厚的泥炭层，他猜测气体是泥炭
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分解后放出来的。1670年，雪莱的朋友克莱顿用实验证实了雪莱的想法。他 挖了些泥炭来，放在密闭的容器中加热，得到了一些气体，并充进气囊里。 他的小女儿好奇地用针将气囊刺了一个小孔，用蜡烛焰去接近逸出的气体。 顿时，蓝色的火焰窜得高高的，一会儿把气囊里的气体烧得无影无踪了，这 也许就是人类第一次制得和使用煤气吧。 后来，英国有人用泥炭的不完全燃烧，制得了发生炉煤气。这就是克莱 顿方法的工业生产。不过，从真正的煤中获得煤气，是克莱顿以后100多年 的另一个英国人默多克。默多克小时候很爱玩火，一次少年默多克把一块油 页岩放在水壶里加热，壶嘴里冒出了气体，他划了根火柴去点，气体烧着了。 1972年，青年默多克用煤块代替了油页岩重复了儿时的游戏，他用一根 21 米长的镀锡铁管把气体引到自己的住室内，气体点燃后，将屋内照耀得如同 白昼。这可以说是煤气第一次用于照明，也是煤气的第一次实际应用。后来， 默多克成立了一家煤气公司，专门提供照明煤气。 现代人们使用的煤气，通常是利用煤的不完全燃烧得到的。煤气发生炉 的种类很多。有一种鲁奇炉是座高大的直立钢筒，内壁砌着耐火砖。炉顶是 煤的进口，炉身下部有鼓进空气和蒸汽的管道，炉渣从底部排出。点火后， 下层的煤燃烧发出大量的热，使上面的煤层热到炽红的程度。燃烧产生的二 氧化碳随热气上升，当它通过上部又厚又炽热的煤层时，就起反应生成了一 氧化碳。通进去的蒸汽还会与炽热的煤发生另一种反应，生成一氧化碳和氢 气。上述变化可概括成3个反应式： C+O=CO 2 2 CO+C=2CO 2 C+HO＝CO+H 2 2 制得后的煤气被引进煤气贮罐。这是一个完全用钢板焊接而成的庞然大 物，远看上去像一座巨大的圆房子，有 20层楼那么高。这个巨大的煤气贮罐 会随着煤气存量的增减而升降，煤气多了，就把一层层的 “房子”鼓得高高 的，煤气少了， “房子”就会矮下去。煤气贮罐靠着钢筒的压力，将煤气压 送出去。如果输送路程较远，人们还会在沿途装上压力调节器，以保证压力， 使远近的用户都能正常使用。 煤焦油的利用 人们开采的煤绝大多数是烟煤。这种煤用来冶炼钢铁是不行的，因为温 度不够高时它的燃烧情况就不理想。于是，人们要先将烟煤炼成焦炭后再使 用。焦炭和木炭的结构差不多，在它里面布满了许多肉眼看得见和看不见的 细密的小孔，空气可以进去，使它猛烈燃烧。 炼焦时，人们将煤装在一个密闭的大容器——焦炉里，隔绝空气加强热。 当温度高到 600℃时，煤就变成了 “半焦”，还生成了煤焦油和煤气，如果 将温度升到 1000℃以上，这时煤就真正变成了焦炭。这时，人们打开炉门， 用推焦机将烧成火红色的高温焦炭推出炉门，再进行炼焦的最后一道工序熄 焦——用水或氮气使它降温熄火。 最初，人们炼焦采用的是露天烧炼方式。后来，中国人约在13世纪发明
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了半密闭的方箱式炼焦炉，欧洲人则迟至19世纪初才应用焦炉炼焦。 可是，人们却厌恶焦炉留给我们的煤焦油。这种东西又黑又粘，毫无用 处。一开始，人们把它抛到河里，结果使河水变黑了，鱼儿也纷纷死去，人 们只好把它搬到那些沼泽地里去，或挖个大坑埋掉。后来，有人尝试利用这 些废物，想出用它作道路的粘结料、涂在布上作雨具、用于木材的防腐等。 再后来，化学家对煤焦油进行了分析，发现这里面有着不少有用的化学物质。 以后，人们从煤焦油中分离出一批有用的东西来：1819年，英国化学家基德 分离出了萘，这东西可做成卫生丸放在衣箱里防蛀虫；1834年，德国化学家 龙格分离出了苯胺、喹啉和酚等。这些东西日后成为制取药物和塑料等的原 料；1842年，德国化学家霍夫曼分离出了苯，这是有机化学工业中一种非常 重要的原料…… 人们利用煤焦油分离物还合成了许多种有机染料。这些人工合成染料比 天然染料的品种更多、更鲜艳、更持久、产量更大、价格更便宜，人类的生 活变得更加多姿多彩了。 1879年，俄国科学家法利德别尔格在美国巴尔的摩大学实验室工作，进 行从煤焦油分离物合成芳香族磺酸化合物的实验。一天，他觉察到家里的菜 肴都带上了甜味，他猜测可能是自己不小心将某些物质混入了菜肴中。后来， 他终于发现，甜味来自一种叫邻磺苯酸亚胺钠的化学物质，这就是今天我们 称之为 “糖精”的东西。
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燃烧的地下水——石油 地壳里的液体化石 石油，对我们来说是一个非常熟悉的字眼。它是人类生活离不开的一种 非常重要的能源，没有它，汽车的车轮不能转动，工厂的机器会停止轰鸣…… 可是，石油到底是怎么形成的？是像空气和水一样一直就存在在地球上的 吗？ 一些地质学家在考察火山喷发时，从喷出的气体中发现有甲烷、乙烷等 石油中的常见成分；在火山喷发而形成的黑曜岩、火山灰和浮石中观察到细 微的分散沥青。一些化学家在实验室里发现，大多数金属碳化物与水作用后， 能产生碳氢化合物，如电石 （CaC）与水反应就能生成可燃烧的简单的碳氢 2 化合物乙炔。一些天文学家从光谱分析中发现，一些慧星的头部气圈中含有 碳氢化合物；在木星、土星、天王星、海王星上，有较浓的甲烷聚集，从宇 宙中陨落下来的流星里也发现有沥青。 根据这些发现和所做的实验，最早有人提出，石油产生于无机碳化物， 是由没有生命的无机矿物合成的。 后来，有人提出了石油的有机成因假说，有许多事实支持了这种假说。 如人们把石油放在偏光显微镜下观察，发现偏振光透过石油具有“旋光性”， 而这一性质无机物是不具备的。如有人在石油中发现了一种独特的有机物叶 琳，这是在叶绿素和其他天然色素中才有的物质，说明石油与有机物有天然 的联系。 就目前人类手中积累的材料来分析判断，这一有机成因假说得到了绝大 多数人的认可。根据这一假说，我们可以大致勾划出石油形成的场景。 海洋，是生命的摇篮。大约在10亿年以前，在广阔的海洋里出现了生命 最低级的形式——单细胞生物，经过一段漫长的演化，单细胞生物进化为多 细胞生物，为生物的不断演化发展打下了基础。 这些单细胞生物由碳、氢、氧三种原子组成。如果一个单细胞生物把另 一个吃掉了，则被吃掉的一个就会被消化掉，组成原来生物的原子进入新的 生物体内。如果单细胞生物死后未被吃掉，下沉到海底，而沙子、淤泥又及 时覆盖了它的话，它就会被保存在那里。当然，留在那里的这类生物的遗体 决不只一个两个，而是不计其数的团体。 我们都知道，细菌在有机物质的发酵和腐解的过程中，起着很大作用。 当那些生物遗体被埋葬在泥沙中，就与氧气基本上隔绝了。这时厌氧细菌会 过来帮助它们：将脂肪酸变成类似石油的烃类，把蛋白质变成芳香烃烃类。 在分解过程中，一些气体和可溶于水的产物从堆积处散失，结果会形成富含 相当有机物质的黑色半液体物质——有机淤泥，有机淤泥在细菌的进一步作 用下，又转变为液态的分散石油。 一些放射性元素在石油的形成过程中也是功不可没的。在海洋底部的沉 积物里，含有铀、钍等放射性元素，这些元素能放出α、β、γ三种放射线。 有机物质在α射线的作用下，会分解成氢、二氧化碳、甲烷以及高分子化合 物，使复杂的有机分子变成简单的烃。 另一位 “功臣”是温度。地下的温度较高，有助于细菌的生长繁殖，也 利于使有机物发生热分解产生较简单烃类，不过，在石油形成过程中，温度
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也不可以太高，据学者测定，世界上许多含油气盆地的含油层及生油岩层的 温度，大多数在100℃以下，只有极少数在100℃以上。 有机物质在细菌、放射性元素和温度等的帮助下，再加上埋在地下所承 受的巨大的压力，经过数百万年或者更漫长的岁月，终于转化成了石油和天 然气。在这一漫长变化的同时，泥沙受到上部堆积很厚的沉积物的积压，渐 渐固结，最后形成了坚硬的沉积岩。生成的石油分布于这沉积岩之中，即所 谓的生油岩层。 沉积岩是最受探矿者青睐的岩石，在世界矿产资源中，约有 75％左右与 沉积岩有关，石油的储藏更是与沉积岩密切相关，有资料表明，有 99.9％的 油田是在沉积岩中发现的。 沉积岩通常在海岸附近的浅海形成。随着岁月的流逝，地球上在发生沧 海桑田的变化，有些地方海底慢慢升高，海水渐退，沉积岩变为陆地，石油 也随之登陆；有些仍留在浅海的大陆架上，有些则可能推向海洋的更深处， 藏在这些沉积岩中的石油就是我们所说的海底石油。 据科学家推测，石油刚形成时是呈现分散的油滴状态存在的。当地层发 生变化时，在地下水流带动或地层压力的迫使下，分散的油滴便慢慢地向有 空隙和裂缝的岩石层中流动、积聚，直到找到合适的储集场所——储油构造 为止。 形成储油构造要有三个条件，一是要有能够储集油气的储集岩层；二是 要有覆盖在储集岩层上的不渗透岩层，称为盖层，三是要有封闭条件，能够 挡住油气，不让它们散逸。 沉积岩层本来是水平的，后来由于地壳运动而发生了褶皱，地层向上拱 气的部分被称为 “背斜构造”，“背斜构造”是典型的储油构造。在地壳运 动时，石油被往上运移到背斜构造的顶部，被上面褶皱着的盖层围住再也出 不去了，被迫就在这里定居。由于地壳的运动范围相当大，因而背斜构造往 往不是孤零零的一个，而是成片出现，形成了构造带，这也是油田往往是成 群成带发现的原因。 当然，石油的形成过程事实上并不如此简单，它是一个非常复杂和漫长 的过程，还有许多奥秘等着我们去揭示。 泉水上燃起火焰 我国是世界上发现石油很早的国家。1800多年前的《汉书·地理志》说： “高奴，有洧水，肥可燃。”高奴就在现在的延安附近，洧水是延河的一条 支流。这里提到的可燃烧的液体就是石油。 比陕北石油发现稍晚，约在1700多年前，又在酒泉郡延寿县南山（今甘 肃玉门东南）流出来的泉水中发现了石油，当地人称之为“石漆”。“石油” 这个名称，是我国北宋时著名的科学家沈括起的。 沈括还发现了可以用石油来制墨，并组织老百姓生产这种墨，结果大受 欢迎。 在古代中国，石油除被用来点灯、制墨外，人们还用它作润滑油，用来 涂在牛皮囊上防水，还有人用石油作锻炼时的淬火剂，李时珍在《本草纲目》 中还指出了石油在医疗上可用于治疗疮癣等等。到南北朝以后，人们因为石 油具有 “遇水不灭”的性能而把它广泛用于军事方面。
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中国古代最早发现和利用的石油，都是那些大自然中露出来的石油，如 从含油岩裂缝中流出的等。这种石油的量很少，所以，当人们认识到石油的 用途之后，就积极地开始勘探和开发。据考证，我国最迟在14世纪以前就开 始钻井采油了。中国古代还有很高明的勘探和凿井技术。 石油在地球上的分布是非常广泛的，从北极附近的阿拉斯加和西伯利 亚，往南经过波斯湾、墨西哥湾、中国海，跨过中间的赤道地带，直达非洲 和南美的最南端，在世界五大洲的辽阔地域上都有分布。除古代中国外，在 巴比伦、印度、埃及、希腊和罗马等文明古国的历史中，也有许多关于石油 早期应用的记载。不过，虽然人类使用石油的历史悠久，但它在古代的种种 用途，以现代人的眼光看来，都是微不足道的。今天，石油的威力和作用才 真正显示出来，它已是人类须臾不可离开的朋友了。 突破重围 19世纪中叶，美国宾夕法尼亚州西北匹兹堡城北部约145公里处的小城 梯尤菲尔，有一家 “宾夕法尼亚石油公司。”这家“公司”仅有数十名雇员， 他们从事的工作只是在梯尤菲尔附近收集渗出地表的石油。公司仅将石油用 于医药，尽管渗出的石油极为有限，但供药用还是绰绰有余的。 这家公司的股东德雷克萌生了一个念头：既然石油源源不断地从地下渗 出，那么地下深处肯定有大量石油存在，关键是如何把它们开采出来。他想 起了地球那端的中国人，因为好学博闻的他知道古代中国人会打很深的 “火 井”和 “盐井”，然后用从火井中引出的天然气去蒸发盐井中取出的盐水， 生产固体盐。他也充分了解中国人的打井方法。于是，德雷克用坚硬的钢制 成了钻凿，用缆索上下抽送破碎的岩石。1859年8月28日，在洞钻了21米 之后，一条碗口粗细的黑色石油柱从地下喷了出来，喷得高高的，又雨点般 地洒向地面。德雷克他们在 “油雨”中欢呼雀跃。德雷克取得成功的消息马 上传开了，人们蜂拥而至。宾夕法尼亚州的西北部成了世界上第一个油田。 在石油开采的初期，人们都是根据地表有石油渗出这类“地面油气显示” 来确定打井地点。地面油气显示往往与地下地层的断裂有关，含油层的石油 沿着断层的裂缝运移到地表，会在一些凹地中汇集成油池。这给人们提供了 明确的信息： “这里的地下有石油。” 可是，更多的时候却是石油在向上渗透时，会遇到没有孔隙的坚硬岩层， 这时地面上就不会有油气显示了。那么，有没有办法知道地下有石油呢？人 们发明了一种 “人工地震勘探法”。 探测时，人们先在地下几十米深处放上炸药，然后引爆，利用这小规模 的爆炸制造出人工地震来。爆炸时产生的地震波向周围地层内传播。由于含 有油气的地层结构与一般地层不同，因而对地震波的反射也不同。设在地面 上的仪器将反射回来的地震波接收并用磁带录制下来，人们只要对录制下来 的地震波进行分析研究，便可大致判断那里有没有油气，以及埋藏深度和储 量多少。 人工地震勘探法是石油的物理勘探方法中最常用的一种，此外还有磁力 测量法、电力勘探法等。 其实，细菌也可以帮助人们找到石油。不同的细菌由于特性不同所以吃 的东西也不同。其中有一类细菌专门喜欢吃石油的分解成分。这一类最能代
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表石油特征指示性细菌，因为在油气田范围之外很少见到它。人们只要在野 外取得岩石、土壤、地下水样品，送到实验室去分析，如能见到它，则十有 八九可以顺藤摸瓜，找到石油。 现在最先进的勘探方法，是用地球资源卫星进行探测。这种卫星不断向 地面发射电磁波，不同岩石和矿石反射的电磁波的本领不同，卫星上的遥感 器会把各种矿物反射的电磁波能量记录到高密度磁带上，再转换成不同色彩 的照片，通过对这些照片的判读，就能找到包括石油在内的各种矿物。美国 科罗拉多州西北部的油田就是这样发现的。 找到油田以后，人们就开始钻机打油井。钻机上大功率的柴油机带动钻 盘转动，转盘再带动钻杆转动。岩石由于受到钻杆重量的压力，在钻头的高 速旋转下破碎。破碎的岩屑被钻杆中压入的泥浆从钻杆与钻孔之间的环形空 间带到地表的泥浆槽中。就这样钻孔越钻越深，一直打到含油气层为止。 石油在地底下埋藏很深，上面覆盖着很厚的地层，因此受到很大的压力。 油层一旦被打穿，油层内的压力就会将石油自动压出地面，当油喷到一定程 度时，地下油层的压力就会逐渐降低，渐渐的油就喷不出来了。这时人们再 通过向油层内注水或者加气的方式，使油层的压力得到恢复，从而将剩余的 油开采出来。 从1859年人类大规模开始采油以来，全世界已开采石油640亿吨，其中 绝大部分采自陆上。60年代以后，由于在陆上已很难发现大的新油田，人们 将目光投向海上，于是海上油田数量猛增，1947年，美国在墨西哥湾建造了 第一座远离海岸的钢制平台，标志着海上石油的开采已经进入现代化阶段。 兵分几路 德雷尔钻井取油的成功，轰动了世界，发生了空前的世界性的石油勘探 热、经营热。短时间内，石油公司如雨后春笋般地涌现出来。 但是，原油 （没有加工过的石油）的用处并不太大，用它来点灯，黑烟 太大，很快就会将房间熏黑，与当时的煤气灯相差很远。 1862年，年轻的美国人洛克菲勒与石油技师安德留斯筹资建了一座炼油 厂，开始进行石油的工业化加工。他们采用 “蒸馏”的方法，加热使石油汽 化，并首先收集那些较小的碳氢化合物分子，然后是稍大一些的碳氢化合物 分子，这样依次收集下去，直到剩下的无法汽化的成分为止。那些很小的碳 氢化合物就是 “石油气”，可以像煤气一样用来点灯，并且有与煤气一样好 的效果。稍小一些的分子是液体，接近于煤油，可以用来作润滑剂、用来点 灯，还可以作燃料。剩下的无法汽化的碳氢化合物大分子就是可以用来铺路 的 “沥青”。 说来也不可相信，在初期的石油炼制中，人们丢弃的废物正是以后最有 价值的部分。当时人们获得了一些小分子的石油产品，其分子大于石油气而 小于煤油。由这些分子组成的物质是极易挥发的液体，因为它们汽化太快， 会产生太多汽化气而引致爆炸，所以人们不敢用来燃烧，最后只有丢弃。直 到好些年以后，人们才知道被自己丢弃的就是汽油。 原油中一般含有 10％的汽油，这个数字远不能满足人类的需要。于是， 人们开始用一种 “裂化”的石油加工方法，即在高温、高压和催化剂的作用 下，使含碳原子较多的碳氢化合物大分子裂开成小分子，也就是把煤油、柴
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油等相对用途较小的产品变为汽油。通过这样的处理，人们从1吨原油中可 以得到的汽油比原来提高了7倍多。 石油中含有一类叫芳香烃的物质可以加工制成苯和甲苯，而这是制造硝 基苯和三硝基甲苯等烈性炸药的主要原料。现在人们在石油加工中采取 “重 整”的方法，让石油中的其他烃类改变组合方式变成芳香烃。在用催化剂进 行处理后的重整产品中，芳香烃的含量可高达50％。 人们要提高汽油内燃机的功率，很重要的一点是要把汽油和空气的混合 物在汽缸内压缩得尽可能地紧密，然后再点火燃烧，使它产生更大的推力。 但这样一来，由于气体被压缩到一定体积时会产生高温，这会使汽油燃烧起 来，发生爆震。爆震会损坏汽缸，还使汽油的燃烧不完全，浪费汽油。70多 年前，有两位美国化学家密德烈和波义德开始了这方面的研究。经过多方研 究，终于发现了一种叫甲基苯胺的物质可以提高汽油的抗爆震性能，用同样 多的汽油，可以使汽车多跑一半的路程，但它排出的气体非常难闻。他们继 续努力，到 1921年，他俩终于发现了一种便宜的带有水果香味的抗爆震剂— —四乙基铅，只要在 1公升汽油中加入1克的这种物质，就可显著地提高汽 油的抗爆震性。 19世纪中后期，随着石油的大量开采和加工工艺的发展，石油制品在种 类和数量上都变得越来越多了。经过很多人的共同努力，汽车和飞机相继被 发明并用汽油内燃机作发动机，随着飞机的日益普遍化，需要的汽油量也越 来越多了。 1892年，德国工程师狄塞尔发明了另一种类型的内燃机，即柴油机。狄 塞尔柴油内燃机比汽油内燃机重，功率也大，因此后来多被用于卡车、公共 汽车、轮船那样的大型设备上。 至20世纪30年代，随着汽油内燃机和柴油机的推广使用，石油作为能 源已变得比煤更重要，人类开始迈进了石油时代。
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怒火冲天——天然气 天然气，顾名思义就是天然产生的气体。它是以甲烷为主要成分的分子 量比较小的烃类。它和石油一样，也是埋藏在地下的古代生物经过长期高温、 高压的作用而形成的，因此，常常伴随石油存在于地壳中，被称为石油的“孪 生兄弟”。 早在2200多年前的战国时代，人们在现在的四川省双流县境内掘井取地 下盐水时，就发现了天然气。现在，四川仍是我国天然气最大的产地。 天然气燃烧时能发出大量的热量，一立方米的热值一般在 8000～20000 千卡之间，大约是同等质量木材的3倍，是同等质量优质煤的1.5倍，这是 因为在天然气分子中含有较多的氢原子。天然气有的是不断喷出，有的是间 断喷出，有的点火才燃烧，有的自己就会燃烧，形成 “怒火冲天”的自然景 观。 我国大规模用天然气作燃料是在宋代。当时，我国古代人民已经掌握了 深井钻凿技术，能钻出深达数十米的小口筒井，而且发现和利用天然气的地 方也多了起来。到清朝时，钻天然气井的技术更高了。据记载，当时筒井钻 凿的深度已达到300丈，一口火井出产的天然气最多可烧盐锅700口。这说 明当时的钻井技术及每口井的天然气产量都已达到很可观的程度。 在国外，虽然也有较长的天然气发现史，可应用较晚，大约到1820年左 右，才有意识地开采和使用天然气。现在，世界上天然气储藏量和开采量最 大的是俄罗斯，占世界总量的1/3左右。 天然气和石油常常储藏在一起，有伴生气、含气田和纯气田的说法。目 前，天然气、煤和石油并称为当今世界的三大矿物燃料，共同构成了整个工 业的能源基础。 天然气的主要成分甲烷同水蒸气在催化剂的作用下，可以生成一氧化碳 和氢气，氢气是合成氨工业制造氮肥的主要原料。所以，还可以利用天然气 建立一批氮肥厂。用甲烷作原料，还可以生产粒子很细的炭黑，它可用作橡 胶的补强剂，天然橡胶掺入炭黑以后，强度可增加一二倍。炭黑还可以用来 制墨和墨汁。现在人们还发现，天然气里含有许多合成工业中不可缺少的重 要原料，如果能充分利用的话，其价值远远超过作为燃料的价值。 天然气在生产和消费过程中，具有比其他矿物能源更多的优点： 一是纯净。天然气在燃烧过程中也要产生许多二氧化碳，但与石油相比， 却少50％，与煤炭相比要少75％，基本不排放有毒气体。因此，天然气是矿 物燃料中对环境污染最小的一种。 二是使用方便。既可液化，又可经管道直接输送，能作为任何大中小企 业和电站的燃料。 三是经济。开采成本低，兴建天然气电站投资少，维修和防止污染所需 设备费用也小。因此，这种石油的孪生兄弟，成为石油强有力的竞争对手， 格外受人青睐。 所以，目前人们正在进行天然气利用的深层开发，以使这地下宝物能为 人类创造更为美好的色彩斑斓的明天。
