汽车中的化学

2500多年前，在爱琴海边爆发了一场著名的战争——希波战争。据说，雅典军队在雅典城东北面的马拉松平原打败了波斯军队后，派遣军中擅长长跑的士兵菲迪皮茨跑回雅典城传达胜利的喜讯。在菲迪皮茨不停歇地跑到雅典广场，向人们高呼获胜的消息后，他自己也因长时间的奔跑，体力衰竭而死。而菲迪皮茨也作为这场战役的英雄以另一种方式被人们永远地铭记。
这个故事大家已经非常熟悉，没错，这就是马拉松长跑的由来。马拉松长跑全程42.195公里，是人类长距离奔跑能力的突出体现。不过论奔跑能力，人类是完全无法与自己所制造的汽车相提并论的。目前人类跑完马拉松全程的世界纪录由肯尼亚马拉松运动员埃鲁德·基普乔格于2019年10月12日创造，时间为1小时59分40秒。而这个距离对于汽车来说，即使是以普通的车速（50～60km/h）不超过1小时就可完成。汽车是人类发明的最实用、最便捷的中远距离代步工具。
1886年，世界上第一辆现代汽车被发明出来，它的速度不到20km/h。仅过了百余年，汽车不仅速度大大提升了，而且数量也急剧飙升。截至2015年，全球汽车保有量已近13亿辆，我们每天享受着汽车带来的生活上的便利，也承受着汽车带来的拥堵、污染等烦恼，汽车似乎已经成为我们再熟悉不过的事物了。
等等，熟悉？再仔细想想，你真的熟悉它吗？如果有人问你：“汽车是怎么动起来的？它为什么能跑这么快？”“汽车速度这么快，它是如何在高速运动中保持其结构的稳定性的？又是如何保护车内人员的安全的？”“汽车的出现给环境、给人们的健康带来了哪些影响？新能源汽车又是怎么回事？”……对于这些问题，你真的能说清楚吗？
汽车的生命周期包含了从生产到使用再到废弃回收这一系列过程，是一个综合了物理、化学、工程学等多个学科的复杂系统。本书将以化学的视角解析汽车的动力系统、支撑系统以及环境污染等相关的问题。在这本书中，既有简单的、大众化的科普，又有深入的、原理性的剖析，你可以通过简单的化学知识和化学原理更加了解汽车这个既熟悉又陌生的交通工具；也可以体会到初、高中的化学知识是如何在汽车这样一个复杂系统中体现的；更可以看到汽车这一素材是如何被带入初、高中的课堂教学实践中的。相信无论你是学生还是老师，都能在这本书中找到自己的收获与思考。
本书分为“汽车中的材料”“汽车的动力系统”和“汽车发展与环境保护”三个部分。
一、汽车中的材料
汽车要想正常行驶光靠燃料或者电池肯定不够，要让动力系统输出的能量驱动整辆车的行驶，离不开汽车各个部件的紧密配合。除了这些部件的结构可精确匹配外，制造它们的材料也至关重要。汽车的车架、轴承、发动机等组件需要使用具有强大支撑能力和抗冲击能力的金属材料；车窗玻璃等部件需要使用具有优良透光性能的材料；车内的座椅配饰、车外的保险杠及轮胎等部件则需要兼具坚硬和柔韧性的有机高分子材料。即使是同类部件，又需根据各自的使用方式和功能对材料有更加精细的要求。可以说汽车各部分材料的选择就决定了汽车的安全性和舒适性。
不同的部件应该选择怎样的材料？如何根据需求调控材料的性能？这就是我们这一部分所要解决的主要问题。
二、汽车的动力系统
我们都知道能量不会凭空消失，也不会凭空产生，只能由一个物体传递给另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式，这是自然界最基本的法则：能量守恒原理。那么汽车高速行驶的巨大动能是如何获得的呢？
传统的燃油汽车通过汽油等燃料的燃烧将燃料中蕴含的化学能释放出来；新能源汽车中的燃料电池车则是通过非燃烧的方式将燃料中的化学能释放出来；电动汽车则直接抛弃了燃料，使用可充电电池将电池中的化学能释放出来。这些释放出的化学能将转化为热能或电能，并最终通过内燃机或电动机转化为汽车的动能。
在“汽车的动力系统”这部分，我们将从能量转化和物质转化两条线索，窥视传统燃油汽车和新能源汽车动起来的奥秘。
三、汽车发展与环境保护
汽车自诞生以来就不断被环境污染的问题所围绕。曾经因汽油中添加了四乙基铅作抗爆震剂而引发世界范围内的铅污染事件，后又有温室效应、光化学烟雾、雾霾等问题接二连三地找上门来。似乎汽车尾气就是一个“背锅侠”，几乎所有的大气污染问题都可以找上它。那么汽车尾气在这些污染问题当中到底扮演了什么角色，我们又将如何解决这些污染问题呢？
除了尾气的污染，汽车的报废也与资源利用、环境污染紧密相关。随着现在汽车的购买量增加，大量报废汽车也随之出现。2018年我国报废机动车有约900万辆，这些车如果随意丢弃，不仅是资源的巨大浪费，汽车中一些有毒物质的渗漏还会污染土壤和水资源。因此对报废车中的有用材料如金属材料等需要回收再利用，对有害材料如电池等需要进行无害化处理。那么这些材料如何回收，又是如何处理的呢？
此外，汽车内的一些有机材料在使用过程中会缓慢释放出有刺激性、甚至有毒的气体，对乘车人的健康造成很大危害。这些又要如何应对呢？
随着经济的发展，人民生活水平的提高，人们对环境和健康的关注程度也与日俱增，在“汽车发展与环境保护”这一部分，我们将集中讨论这些与个人和社会都紧密相关的问题。
本书出版得到中国科学院天地生主题系列科普项目资助。

编者

本书将化学知识在汽车工业中的体现按照汽车中的材料、汽车的动力系统及汽车发展与环境保护三部分予以介绍。每部分内容以汽车工业发展作为时间主线，来展现工程设计中的化学知识。书稿内容是在人大附中开展的新型校本课程的基础上撰写而成的，可以看到初高中的化学知识是如何在汽车这一完整的系统中体现的，还可以看到汽车这一素材是如何被带入到初高中的课堂教学实践中的，对于学生理解课本知识有较高的价值，同时，对于教师结合STEAM进行教学设计也有很好的启发。

第一部分　汽车中的材料
一、支撑汽车的材料 001
二、保障行驶的材料 005
三、保障安全的材料 024

第二部分　汽车的动力系统
一、燃油汽车的发动机 032
二、电动汽车的动力电池 045

第三部分　汽车发展与环境保护
一、汽车尾气污染防治 066
二、汽车中的有机物污染 074
三、车内气体环境的变化与检测 078
四、人工智能（AI）与未来汽车环境安全 082
五、汽车的回收与利用 084

后记 096

参考文献 097