会燃烧的“石脂水”——石油

石油的真面目

如果你去过油田，你会看到从地下采出来的石油是一种粘稠的，颜色很深的液体，人们叫它原油。

原油的颜色虽然很深，但各地产的石油并不是同一个色。大庆出的原油是黑色的，王门出的原油是绿色的、克拉玛依出的石油是褐色的。为什么颜色不一样？原来里面含的胶质和沥青多少不一样，含量越多颜色越深。

原油带有各种特殊的气味，这是由于里面含有一些有奇味的成分。比如有一种原油有股臭鸡蛋味，这是因为里面含有硫化氢。

原油的“体重”比较轻，密度大约是水的0.75或多一点，只有极少数的比水重。所以，大多的原油都可以浮在水上。

上面说好这些是原油的“外表”状况，那么它的“内心本质”是由什么元素组成的呢？经过分析，它主要是由碳和氢构成。其中碳占84%～87%左右，氢占12%～14%左右。余下的百分之一是极微量的硫、氧、氮等元素。

碳和氢可以形成多种化合物，按它们的原子数从少到多排列，有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、十一烷、十二烷等等。石油就是由这些化合物组成的。

由于组成石油的各种化合物“脾气”不一样，所以直接用它不方便。这就像各种性格的人搅在一起，发挥不出正常的作用一样。为此，科学家决定给石油“分家”。“分家”的办法就是加热，也就是蒸馏。

由于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷在常温下呈气体状态，所以一蒸馏，它们就从蒸馏塔顶跑出来。

当加温到40～150摄氏度时，就会从蒸馏塔上部流出戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷等化合物来，它们在这个温度下呈液态。这部分液体油就是汽油。它是石油家庭中的老大。

再加温150摄氏度以上，至300摄氏度时，在蒸馏塔中部会流出癸烷、十一烷至十五烷等化合物的混合物。这部分化合物也是液态，叫煤油。它是石油家庭中的老二。

再继续加温，从200摄氏度加到350摄氏度时，则会在蒸馏塔下部流出另一种液体——柴油来。它是石油家庭中的老三。老三的成分包括十一烷至二十烷等。

再加温，从300摄氏度开始，则会在蒸馏塔底部流出沸点很高的重油来，它是石油家庭中的老四。它是由十六烷至四十五烷等化合物组成的。

由于重油的沸点很高，到400摄氏度也不蒸发，所以不能再用一般加热的方法来给石油“分家”了。科学家采用减压加热法，使重油又“分家”了，又得到了柴油，还有润滑油、石蜡、沥青等许多有用的东西。

这样，我们基本上把石油的里里外外都看清了，把它们一家的大小兄弟都找出来了。

火井之谜

“火井沉荧于幽泉，高焰飞煽于天垂。”这是西晋初年文人左思作的《蜀都赋》中的诗句。这首诗是对当时人民煮盐作坊的描写。煮盐用的燃料是来自一种“火井”，这种井将火种埋藏在深深的水井中，它冒出的气体一经点着，就会燃烧。燃烧起来的火焰直冲云天。

“火井”里到底埋藏什么气体呢？原来是天然气。天然气常常和石油共生在一起，它的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，其中甲烷占的比例最大，常常占到80%以上，有时甚至高达95%。

我国是世界上最早利用天然气作燃料的国家。早在公元前200年，我国的四川临邛县（即今四川邛峡县）就利用天然气来煮盐。上面那首诗描述的就是用天然气井煮盐的情况。据古书中介绍，这种天然气井深达200米。而英国有记载的使用天然气的时间是1668年，这比我国要晚13个世纪多。

天然气的发现，与古时人民打井有关。当古时打井深度增加时，往往把含石油的油层也给打穿了，就有天然气冒出。清代道光十六年间，即公元1821年至1850年，在四川就有许多钻井能手，他们用竹、木和钻头制成的钻机，钻穿了天然气田的主要地层，建成了深达1000米以上的气田，使天然气的开采达到十分高的水平。

天然气也和石油一样，是由几百万年前的动植物残骸在水底沉积，在与空气隔绝的条件下，经细菌分解而形成的。天然气往往和石油伴生在一起，但由于它的主要成分是甲烷，所以发热量要比煤气高，几乎要高出1倍，所以天然气是一种理想的燃料，用它做饭火“猛”，省气。

在我国一些大城市里，已经使用了人工煤气。由于人工煤气必须由生产煤气的厂家引来，而且要用煤再加工得到，所以很麻烦。现在北京等城市，又在用天然气置换煤气。这是因为天然气除发热量比煤气高以外，还有对环境污染少的优点。它烧起来没有烟和灰，十分干净，而且它含杂质少，所以产生的废气也少。

天然气和煤气一样，有一个非常大的优点，就是运输起来比较方便。可以用管道来进行运输，直接从天然气的产地引进千家万户。我们陕甘宁地区天然气产量丰富，虽然离北京距离很远，但是只要一次性投资建设输气管通，就可以得到长期的好处。所以，北京正在进行将陕甘宁地区的天然气引入工程，目前已有许多家庭将煤气置换成了天然气，享受到天然气这种能源带来的益处。

有的天然气还特别有意思，其中含有少量的氦气。氦气是一种比空气轻的气体，现在许多气球就是充入了氦气。这样，就可以用这种天然气来填充气球和飞艇。而且可以用这种轻飞行器来进行运输，这样既可以运输别的物体，还可以运输天然气本身，这不是一举两得的好事吗！

酒泉城的保卫战

在我国甘肃省有一个叫酒泉的城市，见到这个名字，你当然会想到这里出产美酒。但是你可曾知道，古时这里还出产石油。

公元578年，那时我国正处在南北朝时代，我国西部地区常遭到外族的侵略。处在我国西部的酒泉城，也受到突厥贵族军队的进攻。面对外族军队把攻城器械架上酒泉城，居民们愤怒了。他们想起酒泉附近的老君庙出产石油，而这种石油可以燃烧，于是纷纷用火器将石油浇在敌军的攻城器械上，然后点上火。熊熊的火焰把攻城器械烧得七零八落，敌军救也不救了，就这样攻城失败了。酒泉城保卫住了，在这场保卫战中，立下汗马功劳的竟是石油。

石油这种可燃性的液体燃料，我国很早就发现了。公元前800年的古书《易经》上就有石油的记载。早在公元前一世纪的西汉，我国古代人民就学会了使用石油。大约在1800年前，我国古代历史学家班固在他写的《汉书》中，就提到这种燃料。书中说：“高奴有洧水可燃。”高奴就是今天陕西延安一带，那里有一条河叫清水。“燃”是一个古字，就是今天的“燃”字。这段话说的是延安附近的洧水可以燃烧。一般的水是不会燃烧的，这里讲的洧水因为含有石油，所以可以燃烧。由此可见，当时的人民就知道使用石油了。虽然当时人民还不知道石油这个名称。

在《后汉书》中又记载，酒泉的“石漆”燃之极明，不可食。“石漆”，这便是那时人民对石油的称呼。到了唐代，又把石油称作“石脂水”。宋朝汴京（今河南开封）的兵工作坊里设有“猛火油作”，即制作“猛火油”的作坊，这“猛火油”也是指石油。

第一次为石油“正名”的人，是我国北宋著名科学家沈括，他在《梦溪笔谈》一书中，专有一节写到石油。书中提到：延境内有石油。延即现在陕西富县和延安县一带。在这里，沈括第一次提到“石油”这个名称，而且一直沿用至今。

沈括还在书中说：“旧说高奴县出脂水，即此也生于水际，沙石与泉水相杂，惘惘而出。土人以雉尾着（挹）之，乃采入缶中，颇似淳漆，然（燃）之如麻，但烟甚浓，所沾幄幕皆黑。”这段话的意思是说，过去说高奴县可以燃烧的水是脂水，它也出自水中，但往往与沙石和泉水夹杂在一起，恍恍惚惚地才出现。当地人曾用鸡毛一类的东西沾取它，放在罐子里，粘稠如漆，但点燃起来像麻一样，有很浓的烟，把墙壁一类幄幕熏得漆黑一片。他还预言：“盖石油至多，生于地下无穷，不若松木有时而竭。”在当时，石油和煤一样，大多都埋在地下，流出来的只是少数，沈括在当时就指出石油埋在地下，而且藏量非常多，不像用松木柴这类燃料很快就会用完。20世纪石油的大开发，验证了沈括的伟大预言，这再一次表明中华民族的伟大。

从煤油灯到喷气式飞机

煤油本是石油家庭中的“老二”，可是它却出息得最早。因为“老大”，也就是汽油在汽车上大显神威之前，它的“弟弟”煤油就被人们广为用来照明了。

人们也许记得，当电灯还未发明之前，许多大城市的照明都是用的煤气灯。我们在电影中会看到这样的镜头：那带有玻璃罩的煤油灯给古老城市带来点点光明。在有些家庭，也许还会找到那带有球形玻璃罩的煤油灯。

为什么那时不用汽油去点灯呢？原来汽油的脾气大暴燥了。它一点上火就猛地燃烧起来，别说点灯，它连整个灯架都会烧着火了。弄不好，它还会引起爆炸，发生火灾。谁还敢用它去照明哩。

那么，用“老四”重油去点灯行不行呢？不行，它根本点不着。因为重油着火点高，要达到很高的温度才能燃烧。用它点灯太费事了。

而煤油的“性格”正好适合点灯。它着火温度不高，点燃起来很方便。它燃烧起来不火爆，像古老的菜油灯一样，十分柔和。由于煤油比菜油便宜，于是煤油灯很快取代了菜油灯，一时风行了城市和许多乡村。一直到出现了电灯，它才进入了博物馆。

没有了煤油灯，煤油还有用的场所吗？开始有人想用它作内燃机的燃料，然而它太“温和”了，在内燃机内使不上劲，发挥不了作用，只好甘拜汽油的下风了。

后来，人们发现早期的内燃机也有毛病。它和蒸汽机一样，是靠活塞的复往运动，再通过曲柄和连杆，才变成旋转运动，十分麻烦。于是，有人想取消活塞和汽缸，让燃气直接推动叶片旋转。这个想法就像我国古老的走马灯原理一样。走马灯中的蜡烛产生的热气，推动着叶轮旋转，带动纸人纸马旋转。

1872年，德国工程师希托首先设计出了热空气式轮机，并获得了专利。1906年，法国工程师阿孟高和列马里制成一台试验性的燃气轮机。到本世纪30年代，实用的燃气轮机终于出现了。

1928年，英国科学家惠特尔提出，用燃气涡轮机的喷气去推动飞机，并且提出了涡轮喷气发动机的思想。1937年，第一台喷气发动机试制出来。然而直到1941年5月14日，喷气发动机才在英国装上飞机试验成功。而在这前两年，于1939年，德国著名工程师奥海姆却抢先把喷气发动机装上了一架被命名为He178的飞机。这一年8月27日，德国后来居上，把世界上第一架喷气式飞机送上了天。

喷气式飞机的发明，使航空事业发展到一个新阶段。它从此取代了活塞式飞机，而一统了航空器的天下。有意思的是，在活塞式飞机的发动机里烧的是汽油，而在喷气式飞机里烧的竟是煤油。这是为什么？

原因是喷气发动机和活塞式发动机结构不一样。喷气发动机里没有活塞和汽缸，所以不存在汽缸的损坏问题，这样，就不要求燃料的抗爆性好。因此，它不要求用汽油那样含异辛烷值高的燃料。还有，喷气发动机是要求燃料在燃烧室里猛烈燃烧，产生喷气推动飞机前进。这样，要求燃料的发热值高是主要的。要发热值高，就要求燃料的密度高。而且燃料密度高，飞机上容积有限的燃料箱里也可以储藏更多的燃料。而从150摄氏度到250摄氏度分馏出来的煤油，发热值高、密度也大。于是，用它作喷气发动机的燃料最合适。也正是这个原因，这种煤油被称为航空煤油。

煤油在喷气时代又焕发出了青春！它不仅成了喷气式飞机的理想燃料，而且成了一种新型汽车的燃料，这种汽车就是喷气汽车。前苏联的莫洛托夫汽车工厂曾研制出一种喷气式赛跑用汽车。它的动力就是类似喷气式飞机的涡轮燃气发动机。它可以用普通煤油作燃料，竞速时每小时可跑300千米。

是谁在“喝”汽油

有人说，用石油代替煤作燃料，是又一次动力的革命。这话说的有一定的道理。

蒸汽机的出现是第一次工业革命的标志，蒸汽机的燃料是煤。所以，在蒸汽机时代，煤成了当之无愧的燃料“皇后。”

1860年，法国发明家勒努瓦，制成了一种与蒸汽机完全不同的动力机。它不是靠煤在锅炉外燃烧，而是靠油在汽缸内燃烧。后来，人们就将这种新式动力机械叫作内燃机。

内燃机不烧煤，而烧石油。1876年，德国一位技师制成了第一台四冲程内燃机。1885年，德国工程师戴姆勒和本茨把内燃机用在车子上，造出了新式交通工具——汽车。这种汽车一经问世，就击败了用蒸汽机推动的蒸汽车。从此，烧油的汽车成了马路上的霸主了。

内燃机造就了一代“马路天使”——汽车的出现，接着又被科学家用到飞机上。使用内燃机的飞机叫活塞式飞机，因为这种飞机的发动机带有汽缸和活塞，再由活塞的运动带动飞机的螺旋桨旋转。

仔细分析起来，这些内燃机烧的油是石油家庭中的“老大”——汽油。它们是“喝”汽油的大户。比如说，一辆解放牌汽车，每年大约要喝掉40吨汽油。算算看，全世界有多少汽车，一年要消耗多少汽油啊。大约从本世纪50年代开始，石油就开始取代煤，作为动力的主要能源。到了70年代，石油的用量已上升到占总能源的78%，而煤下降到17%。仅1972年，西欧几个国家消耗的石油就达7亿吨。

当然，汽油只是石油中的一种，但却是石油中消耗量最多的一种。如果你去过加油站，会发现汽油有许多种型号，它们是用数字来标号的，如“85号”、“70号”、“66号”、“56号”等。这些号码是什么意思呢？

原来，汽油在发动机汽缸里燃烧时，会发生爆裂现象，使汽缸发颤而损坏。科学家在研究这种现象时，发现这与汽油的成分有关。

汽油成分中，异辛烷抗爆性最好，而庚烷最差。因此，科学家规定，某种汽油的抗爆性如果与异辛烷相同，则性能最好，其型号就定为“100号”。其他依次规定为“95号”、“91号”、“85号”……“56号”等等。由此可见，号码越高，抗爆性越好，汽油的品质也就越好。所以，性能越好的车，使用的汽油号就越高。如小轿车用“85号”、大轿车用“70号”、卡车用“66号”、摩托车用“56号”等。

活塞式飞机的发动机也烧汽油，但由于飞机要求比汽车高，所以用的汽油号更高。如教练机可用“70号”，更好的飞机就得用“91号”和“95号”了。

大家也许知道，现在汽车加油站又在推广无铅汽油。原来，一般汽车用的汽油中都含有铅。汽油里为什么会有铅呢？那是为了提高汽油的抗爆性。提高抗爆能力的方法，除了提高汽油中的异辛烷值以外，还可以在汽油中加入一种“铅水”，即四乙基铅。四乙基铅是一种含铅的无色油状液体。它加到汽油中虽然可以提高汽油的抗爆性，但却会带来别的危害。目前使用的汽油每公升含铅约0.5克。铅这东西含量虽少，但有毒。直接接触它，会产生明显中毒症状。更危险的是，它燃烧后会产生严重的空气污染。据上海市调查，1996年的铅污染比1986年高出1倍。而这种污染的86.6%来自机动车的燃料。上海儿童血铅浓度已经超过国际公认的警戒值。因此，各国都在推广无铅汽油。一般所说的无铅汽油并不是完全无铅，而且每公升汽油含铅量低于0.13克。有关部门已经决定北京等城市，在全国率先使用低铅汽油，并达到2000年全国范围内汽油无铅化。

当然，为了保证汽油抗爆性好，又不含铅，就必须增加汽油中的异辛烷值，或利用先进的催化技术，将汽油中的其他碳氢化合物转化成异辛烷。这样，价格就会贵些，但这样可以减少机动车的损害，可以省油，更主要的是可以减少环境污染，所以加强这方面的研究，还是值得的。

不用“吃”水的火车

乘火车对大家来说，几乎是家常便饭了。古老的火车是用蒸汽机推动的。它每小时要烧掉两三吨煤，蒸发一二十吨水。这煤和水是从哪儿来的？是从起发站加上来的。但是，这些煤和水远远不够它走长途。

怎么办？过去的办法是在火车车厢后面再挂一节专门装煤和水的煤水车厢。后来改为在中间站加煤、加水，这样就要停很长的时间，耽误旅程。

火车不吃“水”行不行？自从出现内燃机之后，有人就有用内燃机来代替蒸汽机推动火车的想法。内燃机不用“吃”水，但必须“吃”油。

一般汽车用的内燃机是烧汽油。如果用这种内燃机去开火车，那消耗的汽油就太多了。要知道，火车可不像汽车那样小巧玲珑，叫火车这个大家伙吃“汽油”可供不起。

怎么办？人们想起了柴油，柴油比汽油可便宜得多啊！不过柴油比煤油还难点燃，怎么让它在内燃机里燃烧起来呢？

科学家分析，柴油在高温的空气中还是容易点燃的，而且一旦点燃起来，效果并不比汽油差多少。关键是要有高温的空气。

于是，科学家将一般烧汽油的内燃机加以改造，让汽缸先吸入空气，再加以压缩，这样一来，空气的温度就会急剧升高。这时，再将柴油通过细孔喷进高温空气中。柴油在高温空气中形成细雾，就会很快点着而燃烧起来。这种加压空气而使柴油燃烧的内燃机，有别于汽车上的用电火花点燃的内燃机，叫“压燃式内燃机”。而一般人则通称它为柴油机。

柴油机因为有一套使空气加压的装置，而且加的压力又比较大，所以比起一般内燃机来，要笨重一些。另外，因为它要加很大的压力，所以噪声比较大。要加压得需一定的时间，所以它起动速度也比较慢。这些都是柴油机的缺点。

柴油机这些缺点，和它用油便宜的优点相比，在许多地方用起来还是合算的。比如说，用柴油机来作火车头就较理想。因为火车本身就很宠大，笨一点没关系。再说它再笨也比带着大锅炉的蒸汽机车轻巧呀！火车在很宽敞的火车站上起动，不比在热闹的马路上，起动速度慢一点没有关系，噪声大点也影响不大。

在世界上，用柴油机作火车头的历史大约有70多年，这种火车头后来就叫内燃机车。我国于1958年开始试制内燃机车。我国第一批内燃机车有“东风”、“东方红”等型号，一节机车马力为2000～4000。现在我国绝大部分铁路上都用内燃机车取代蒸汽机车了。

目前，内燃机车的推进方式有多种。一种是用柴油燃烧产生高温高压燃气推动活塞往复运动，经过连杆使曲柄旋转，带动车辆前进；另一种是通过柴油机带动发电机，再由发电机带动电动机使车轮旋转；还有一种是用柴油机通过液压装置带动车轮旋转。

柴油机由于不用水作介质，不用使水蒸发，它直接烧油汽化而工作，所以热效率高。一般内燃机车的总效率接近30%，这要比蒸汽机车大3倍。它热效率高，所以消耗燃料较少，加足一次油可以走行500～800千米，所以可以把油直接存在车上，不必到车站上去加油。柴油机不必消耗大量的水，所以可以在沙漠和干旱缺水地区工作，这样就为我国边远地区开通火车提供方便。柴油机也是一种内燃机，燃料在汽缸内燃烧，所以司机室内比较清洁干净。

柴油机不只用在火车上，现在许多机器都相中了它。比如轮船、拖拉机、坦克、军舰、抽水机、小型发电机等。柴油这种曾被人称作石油兄弟中的“丑小鸭”，已变成“白天鹅”了，它在铁路上和江河湖海上，以及许多岗位上大都在大显身手。