濃縮就是精華
第二次世界大戰後期，美國將兩顆原子彈投到日本的廣島和長崎，造成數十萬人死亡和城市毀壞的嚴重破壞力，是數百萬顆普通炸彈所無法達到的。原子彈為什麼有這麼大的威力呢？這還要從原子說起。
在整個原子的國土中，空曠的地方大得使人難以想象。原子的直徑大約為一千萬分之一毫米，在這個神秘的國土中本來可以容納下一千萬萬萬個電子居民，而實際上一般原子中僅有幾個或幾十個可憐的電子“居民”圍繞著“國土”的中心（即原子核）旋轉，其餘絕大部分是空空洞洞，一無所有！可見，與整個原子比起來，原子核是很小的。原子核雖然很小，但它卻擁有非常複雜的結構、蘊含著極其巨大的能量。
我們知道，普通化學反應釋放的能量，主要是將原子保持在分子中的力，這種力僅同原子核外圍的電子結構（特別是最外層的價電子）有關。當兩個或兩個以上的原子組成分子時，各個原子核外的電子運動狀態和分布發生一定變化，把合攏在一塊的所有原子核都籠罩包圍起來。由於化合物分子的能量總是低於組成它的各個原子的能量之和，所以這些原子外圍電子重新組合的過程會放出能量來，這部分能量稱為化學結合能，像然燒、氧化等化學反應所放出的能量也主要是原子核外電子變化的能量，即化學能。
類似的把質子、中子緊密結合在一起的力稱為核力，它克服了質子之間的庫侖排斥力，形成堅實的原子核。當質子和中子組成原子核時，也會放出能量，所以原子核的能量總是低於組成它的中子和質子能量之和，這部分能量就是核結合能。
由於質子和中子等核子相互作用比原子核外電子相互作用強大得多，所以核反應釋放的能量也就比化學反應釋放的能量大得多。根據理論計算，1千克混合好的氧和碳發生化學反應生成一氧化碳會放出920千卡能量，而1千克混合好的氧原子核和碳原子核發生核反應聚合成矽原子核，則可放出140億千卡的能，是化學反應釋放能的1500萬倍；又如，1千克TNT（是一種炸藥）分解約釋放1000千卡能，而同樣重量的水銀發生核裂變則釋放出100億千卡的熱量，是化學釋放能的1000萬倍。實際測得相同質量核反應能是化學反應能的幾百倍，例如，1千克鈾235原子核裂變（圖1-5）釋放的能相當於3000噸煤燃燒的能量，1千克鈾裂變產生的爆炸威力相當於2萬噸TNT的爆炸威力。
由此可見，原子核很微小，能量卻很大，“濃縮就是精華”這句話用在這裏真是特別合適。
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曼哈頓工程
1939年8月，流亡在美國的匈牙利物理學家西德拉等人說服了當時威信最高的愛因斯坦，請他出麵寫信給美國總統羅斯福，陳述新近發現的裂變現象有可能用來製造威力空前的炸彈，並特別提到德國人也正在進行的研究，十分擔心這樣一種新的爆炸方式要是被納粹獲得，那對全世界將是一場巨大的災難。愛因斯坦與許多科學家的聯合署名信件，促使羅斯福迅速作出采取行動的決定，這就是“曼哈頓工程”。從1942年開始，在以奧本海默和費米為首的大批科學家的艱苦努力下，經過三年多的研究工作，美國於1945年7月試驗成功了世界上第一顆原子彈。
捧月的“眾星”
電子是英國科學家湯姆生在1897年發現的。當時他在研究“陰極射線”。這種神秘的射線是通過在真空玻璃管兩端插入電極，隨後加上高壓電產生的。湯姆生發現，如果在玻璃管中再加上一個電場，就能使陰極射線發生偏轉。這一點說明，射線是由粒子組成的。對偏轉角度的測算表明，粒子非常之小，遠遠小於最小的原子——氫原子。由此，湯姆生得出結論：陰極射線是由電子組成的。他用實驗發現了電子。
那麼，電子是怎樣安置在原子裏麵的？它是靜止還是運動？這些，想用肉眼看一看，那根本不可能。事實上，即使在今天用放大本領高達八十萬倍的電子顯微鏡，人們也無法看到電子在原子世界裏翱翔的形象。好的是，人類洞察自然的本領與手段，並不隻限於一個“看”字，我們有一個極為得力的辦法，那就是根據各種已知的事實，提出一定的“模型”，即是提出一種假設，要是同實驗的結果有抵觸，就說明這個假設是錯誤的。在20世紀的初期，人們對原子結構的探討就正是用這種辦法進行的。
1904年，也就是發現電子的第七年，湯姆生提出了一個原子模型：原子是一個平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著許多電子，就像葡萄幹鑲嵌在布丁中一樣。在靜電力的作用下，這些電子被吸引到中心又互相排斥，從而達到原子的穩定狀態。在一段時間內，這個假設得到了廣泛的承認。
可是，在幾年以後，英國物理學家盧瑟福又用實驗徹底否定了這個假設，並於1911年，提出了新的假設。盧瑟福認為在原子的中心，存在著一個帶正電的核心，稱它為原子核，原子核占有了原子的幾乎全部的質量，而電子分布在原子核外圍的空間裏，繞著原子核運動（圖1-7）。到了1913年，經過實驗證實這個假設是正確的。
科學不是一成不變的理論，而是人們對自然規律不斷探求的記錄。盧瑟福的原子模型比湯姆生的原子模型更接近真理，但它卻不能解釋後來發現的氫原子光譜，於是有了玻爾原子模型（1913年）：電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運動。量子力學發展以後，又有了更接近事實的電子雲模型（1927-1935年）：電子繞核運動形成一個帶負電荷的雲團，在一個確定的時刻不能精確測定電子的確切位置。
現在，我們來描述一下核外電子的運動和排布。
原子很小，原子核更小。如果將原子比作一個龐大的體育場，那麼原子核就隻是其中的一隻小螞蟻。電子就在原子核外的空間裏以接近光速的速度一刻不停的運動，於是電子的運動規律就與宏觀物體完全不同了。我們不能同時準確測定電子在某一時刻所處的位置和運動的速度，也無法描畫它的運動軌跡，這就是所謂“不確定原理”。我們在描述核外電子運動時，隻能指出它們在核外空間某處出現機會的大小。電子在原子核外運動，可以想象成一團帶負電荷的雲霧籠罩在原子核周圍，就像星星捧著月亮，所以，人們形象的把它叫做“電子雲”。就像風扇轉得快了就看不到葉片一樣，高速運動的電子看上去就像一團雲了。雲厚的地方密度大，表示電子在空間單位體積內出現的機會大，電子雲密度小的地方表明電子在空間單位體積內出現的機會小。
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湯姆生
約瑟夫·約翰·湯姆生（又譯湯姆遜），1856年12月18日生於英國曼徹斯特郊區，父親是蘇格蘭人，以賣書為業。湯姆生14歲進曼徹斯特歐文學院學習工程，1876年入劍橋大學三一學院。完成學業後，湯姆遜到卡文迪許實驗室工作。開始時，他的研究工作偏重於理論方麵，很少涉及到實驗。由於他那雙笨拙的手，他操作實驗儀器時，感到非常煩惱。但是湯姆遜卻具有非凡的眼力，當儀器發生故障時，他隻要一看就知道毛病發生在什麼地方和毛病發生的原因，並指出如何使其恢複正常工作。由於這方麵的天才，雖然他動手能力很差，卻成了一位偉大的實驗物理學家，在實驗物理方麵作出了傑出的貢獻。他先後用實驗的方法發現了電子和氖的一個穩定同位素，這在當時都是最重要的發現。1906年，湯姆生由於在氣體導電方麵的理論和實驗研究而榮獲諾貝爾物理學獎。
燃燒的三要素
燃燒是一種化學現象，從化學的觀點講，是可燃物和氧化劑發生劇烈化學反應，同時放出熱和光的現象。
燃燒要有一定的條件才能發生，根據定義它必須同時具有可燃物和氧化劑。但光有這兩種物質不一定就會發生燃燒，例如我們身上穿的衣服是可燃物，空氣中的氧是助燃劑，可是這並不會發生燃燒。導致燃燒的另一個重要條件，就是能夠引起著火的點火源。這三者就是燃燒的必要條件，缺一不能燒之。然而這3個條件並不是充要條件，就是說每一個條件中還有一定的要求，否則三者具備也燒不起來。以下逐一討論這3個條件。
（1）可燃物
所謂可燃物，就是能夠燒得起來的物質，以化學觀點講就是含有碳、氫等元素的化合物，特別是富含碳的化合物，例如，汽油、煤、酒精……但是在特定的條件下可燃物還應包括強還原劑，如金屬鋁、金屬鎂。過去在焊接鐵軌時用的鋁熱劑，就是利用金屬鋁粉與氧的燃燒反應所生成的熱使鐵熔化的。
各種可燃物，它們的易燃程度不同，因此常用一定的標準將它們劃分為各種等級，以便人們在處理、運輸或貯存過程中加以特別的注意。常用的標準中有根據閃點來劃分的。所謂閃點，即明火接近易燃或可燃液體的液麵時在蒸氣中發生一閃一閃而不能連續燃燒現象（閃火或閃燃）時的液體溫度。由於閃點是可能引起火災危險的最低溫度，大部分國家均采用閃點來劃分危險程度。閃點在28℃以下的均為易燃危險品，如苯、乙醇。閃點愈低，危險性愈大，如丙酮閃點為-20℃，乙醚閃點-45℃，低沸點石油醚閃點為-55℃。還可根據可燃物的燃點來判斷它們的危險性。所謂燃點即點火源接近可燃物使其著火並繼續燃燒的溫度。它與閃點有一定的聯係，即閃點高，燃點也高，但閃點愈低，兩者的差距愈小。一般的易燃液體，燃點比閃點高1℃～5℃，閃點高達100℃以上時，差值可達30℃左右。此外尚有自燃點標準來劃分。所謂自燃，即連續加熱雖沒有與明火接觸，當溫度升高至某一程度時，發生燃燒的現象，也稱熱自燃。引起這種現象的最低溫度即為自燃點。自燃點一般比閃點和燃點高出許多。如石油醚的自燃點為246℃。當然也有自燃點較低的可燃物，如二硫化碳的自燃點為112℃，硝化棉的自燃點為180℃。
（2）助燃劑
最常見的就是空氣中的氧。氧在空氣中的體積含量為21%左右，是燃燒中最為普遍的助燃劑。然而當空氣中氧氣的體積濃度降低到14%以下，依靠氧氣發生的燃燒反應就無法繼續、這為我們抑製燃燒提供了有力的依據。
由於燃燒反應是強烈的氧化還原反應，因此除氧之外，具有使其他物質迅速氧化的強氧化劑均會引起燃燒反應。如鹵素中的氟、氯等強氧化劑。盡管沒有氧參與，鐵粉仍可以在氯氣中繼續燃燒。
有許多化學物品中，含有較多的氧，一旦參與燃燒反應就是極好的氧化劑，如高錳酸鉀、濃硝酸、重鉻酸鉀、過氧化氫等。在一些場合中，這些強氧化劑比之空氣中的氧更厲害，但往往又會被忽視。
（3）點火源
點火源作為燃燒的必要條件，它必須具有足夠的強度，以使可燃物被加熱到燃點或者整個體係被加熱到自燃點。最普通的點火源就是明火，諸如火柴、打火機、煤氣燈、氣切割槍焰……電火花也是引起火災的罪魁之一，常常由於電路開啟或切斷時產生的火花引起一場大的災難。自然現象中的雷電也會引起火災，強烈的日光通過透鏡的聚焦也可起到點火源的作用。最後還必須提到某些化學反應所積聚的能量也可成為點火源。如一些緩慢放熱氧化反應，若不及時疏散熱量，積聚到一定程度就會發生燃燒，像堆積的幹草和煤堆。又如與水發生劇烈化學反應的物質，如金屬鈉、石灰等。因為不是明火往往不易被人注意，然而恰恰是這些化學能源成為火災的禍首。
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火的利用
據曆史學家們說，早在50萬年前，人們就學會了用火。在北京周口店中國猿人生活過的山洞裏，人們找到了經火燒過的獸骨、草木灰和木炭（圖1-10）。有的灰燼層達6米深，顯然是長期用火的結果。火的利用，使人類更好地防禦野獸侵害，使人類結束了“茹毛飲血”的野蠻生活，並在後來學會了冶煉金屬和製陶，促進了生產的發展，也促進了人類自身的發展。
物質分離妙法
眾所周知，水是一切生物賴以生存的基本條件之一，也是人類生存和發展的重要條件。我們每天都要喝水，所以飲用水水質是否良好，直接影響人們的健康。作為生活飲用水，首先要求對人體健康無害而有益，要不含病菌、病毒，不含有毒、有害物質，並且要含有人體所需要的成分。當然在感官上也要求無色、澄清和無臭味。我國人習慣飲用煮沸過的水，是一個良好的衛生習慣。但是，煮沸過的水也不是完全幹淨的，裏麵還是含有一些雜質。要得到純淨的水該怎麼辦呢？那就要用到物質分離妙法——蒸餾。
蒸餾是化學中常用的得到純淨物的方法。它根據各種物質沸點的不同，利用再冷凝來收集不同溫度時蒸發的蒸汽，就可得到被分離的純淨物。對水而言，1.325kPa壓力時純水的沸點為100℃，因此將水加熱到沸騰，然後收集100℃蒸汽所冷凝下來的水即為蒸餾水，這樣原先含於水中的化學雜質仍留於蒸餾殘液中。為常用的一種蒸餾裝置。
用蒸餾的方法雖可將水中不揮發物質如鈉、鈣、鎂及鐵的鹽除去，但溶解在水中的氨、二氧化碳或者其他氣體和揮發性物質則隨著水蒸氣起進入冷凝器，旋而又溶入收集的水中。除去這類氣體的一個有效方法是使水蒸氣一部分冷凝，一部分任其逸去，原溶解於水內的氣體和揮發性物質即隨逸出的部分而被除去。欲得到純度更高的蒸餾水，可將普通蒸餾水中先加入高錳酸鉀的堿性溶液，進行蒸餾以除去其中的有機物和揮發性的酸性氣體（如二氧化碳）。然後於所得的蒸餾水內加入非揮發性的酸（如硫酸或磷酸）再行蒸餾又除去氨等揮發性堿。這樣製得的蒸餾水又稱為重蒸餾水。
蒸餾在石油煉製、石油化工、基本有機化工、精細化工、高聚物工業、醫藥工業、日用化工及輕工業等部門得到了廣泛的應用。如，石油煉製是用蒸餾的方法把原油按沸點的高低分離為汽油、煤油、柴油、重油等產品；空氣中氧氣與氮氣的分離，先將空氣降溫、加壓，使之液化再進行精餾，獲得較高純度的氧和氮；聚合級的乙烯、丙烯生產也是先將煉廠氣或裂解氣壓縮液化後，再進行精餾。因此，蒸餾是化工及其他工業部門最主要的一種傳質分離的單元操作。
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蒸餾操作的分類
蒸餾操作可以按不同的方法分類。按操作方式可分為連續蒸餾和間歇蒸餾。在現代化的大規模的工業生產中多為連續蒸餾，在小規模或某些特殊要求的場合和實驗研究主要采用間歇蒸餾。按分離的難易或對分離的要求高低來分，蒸餾操作可分為簡單蒸餾、平衡蒸餾（閃蒸）、精餾和特殊精餾，對較易分離或對分離純度要求不高的物料，可采用簡單蒸餾或平衡蒸餾，而對分離純度高或難分離的物料，一般采用精餾的方法分離，而對於普通蒸餾方法無法分離或分離時操作費用和設備投資很大，經濟上不合算時可采用特殊蒸餾（如恒沸精餾、萃取精餾、分子蒸餾等）。按操作壓強分，有常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾，通常情況下采用常壓蒸餾，對於沸點高或熱敏性物料采用減壓蒸餾，而對常壓下為氣態或常壓下沸點很低的物料（如氧氣、氮氣、乙烯、乙烷等），一般采用加壓蒸餾。按所要分離混合物的組分數分，蒸餾分為雙組分蒸餾和多組分蒸餾（精餾）。