能源的家族十分庞大，人们为了深入研究和开发利用各种能源，曾按照不同的分类方法对它们进行排列组合，“对号入座”。
能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。所谓能源是指提供能量的自然资源。人类的文明始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实践之一，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化，创造了五光十色的物质文明。从人类社会的发展历史进程中可以看到能源品种的不断开发不断更替的作用。
煤炭的开采始于13世纪，而大规模开采并使其成为世界的主要能源则是18世纪中叶的事了。1769年，瓦特发明蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力之源而受到关注。第一次产业革命期间，冶金工业、机械工业、交通运输业、化学工业等的发展，使煤炭的需求量与日俱增，直至20世纪40年代末，在世界能源消费中煤炭仍占首位。
煤是发热量很高的一种固体燃料。它的主要成分是碳（C），还有一定量的氢（H）和少量的氧（O）、氮（N）、硫（S）和磷（P）等。煤是既含有机物也含无机物的复杂混合物。煤可以直接当燃料使用，但从物尽其用的角度来看，应多提倡煤的综合利用。例如煤经过干馏（隔绝空气情况下强热），可以分别得到焦炭、煤焦油和焦炉气。焦炭可以供炼铁用；煤焦油可提取苯、萘、酚等多种化工原料；从焦炉气中也可提取一定量的化工原料，也可直接作为气体燃料，其污染性远低于直接烧煤。
煤炭的利用使人类获得了更高的温度，推动了金属冶炼技术的发展，工业革命后100多年生产力的发展促进了人类近代社会的进步。
第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。石油炼制得到的汽油、柴油等是汽车、飞机用的内燃机燃料。世界各国纷纷投资石油的勘探和炼制，新技术和新工艺不断涌现，石油产品的成本大幅度降低，发达国家的石油消费量猛增。
原子由带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子组成。普通化学反应的热效应来源于外层电子重排时键能的变化，而原子核及内层电子并没有变化。另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化，这类反应叫核反应。核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。1g镭（Ra）在衰变过程中释放的能量是1g镭和足量氯气（Cl2）起反应生成RaCl2时所释放能量的50万倍。1g铀-235（23592U）发生裂变时释放能量为8×107kJ，1g氘（21H）发生聚变时释放的能量是6×108kJ。而1g煤完全燃烧时释放的能量仅为30kJ。核反应过程中由于原子核的变化，而伴随着巨大的能量变化，所以核能也叫原子能。认识核反应和研究核能的利用就成为处理能源问题时必须考虑的一个方面。
电能是现代社会生活的必需品，电能是最重要的二次能源，大部分的煤和石油制品作为一次能源用于发电。煤或油在燃烧过程中释放能量，加热蒸汽，推动电机发电。煤（或油）燃烧过程就是它和氧气发生化学变化的过程，所以“燃煤发电”实质是化学能机械能电能的过程，这种过程通常要靠火力发电厂的汽轮机和发电机来完成。另外一种把化学能直接转化为电能的装置，统称化学电池或化学电源。如收音机、手电筒、照相机上用的干电池，汽车发动机用的蓄电池，钟表上用的钮扣电池等都是小巧玲珑携带方便的日常用品。那么哪些化学体系可以设计成为实用的电池呢？
化学电池都与氧化还原反应有关。在18世纪末，人们把与氧化合的反应叫氧化反应，而把从氧化物中夺取氧的反应叫还原反应。到19世纪中叶，有了化合价的概念，人们把化合价升高的过程叫氧化，把化合价降低的过程叫还原。20世纪初建立了化合价的电子理论，人们把失电子的过程叫氧化，得电子的过程叫还原。例如：
Zn氧化还原Zn2++2e-
Cu2++2e-还原氧化Cu
这两个式子分别代表两个氧化还原半反应，两个半反应组合成一个氧化还原反应：
Zn+Cu2+Zn2++Cu
还原剂氧化剂
上式代表锌片和硫酸铜溶液发生置换反应生成硫酸锌和金属铜的离子反应方程式。反应过程中电子由Zn转移给Cu2+，Zn失去电子被氧化为Zn2+，Zn本身是还原剂，它使Cu2+还原为Cu，所以Cu2+本身则是氧化剂。有失电子的一方，就有得电子的一方，电子得与失一定同时发生，即氧化与还原一定同时发生。
图I锌—铜电池示意图
凡涉及电子转移的反应都属于氧化还原反应，若这些电子能顺一定方向流动便成为电流。按图I所示，左边烧杯里盛硫酸锌溶液，并插入锌片，右边烧杯里盛硫酸铜溶液，并插入铜片；两个烧杯之间用“盐桥”相联。（盐桥是一个盛KCl饱和溶液胶冻的U形管，用以构成电子流的通路）。锌片和铜片之间用电线相联结，中间串联一个电压表（或电流表），电表指针的偏转证明上述装置确有电流产生，这就成为由锌电极（ZnZnSO4）和铜电极（CuCuSO4）组成的一个电池，简称锌铜电池。在这个装置里，锌片并没有和CuSO4溶液相接触，但确实可以看到在锌极发生的是Zn片溶解生成Zn2+，在铜极则有Cu2+还原成金属铜析出在铜片上，电子由锌极流向铜极，电流方向反之，即由铜极流向锌极，电流表指针向正方向偏转指明铜极为正极，锌极为负极。两个电极反应分别是：
正极：Cu2++2e-Cu
负极：ZnZn2++2e-
若Zn2+和Cu2+的浓度都是1．0mol·L-1，用高阻抗伏特计测得两极电势差为1．1V，即该电池的电动势为1．1V。若用铁片和硫酸亚铁溶液代替上述锌电极，则组成铁－铜电池。当Fe2+和Cu2+浓度都是1．0mol·L-1时，测得电动势为0．75V。若以Ag和AgNO3溶液（1．0mol·L-1）代替铜电极，组成了锌银电池，其电动势则为1．6V。与上述电池相关的氧化还原反应，电子流动方向和电池电动势（E）如下：
Zn+C2e-u2+Zn2++Cu
Fe+C2e-u2+Fe2++Cu
Zn+2A2e-g+Zn2++2Ag
这几个反应是读者熟悉的金属置换反应，按图I所示原理可以装成经典的化学电池，在上个世纪它们曾是实用的化学电源。
电池的电动势决定于电极得失电子的能力和溶液的浓度。电极得失电子的能力，用“电极电势”表示，它是一类相对数据，其中“标准”两字是指电极反应中的物质都处于标准状态，即溶液中离子浓度都是1mol·L-1，气态物质的分压都是100kPa，温度为298K（25℃）。以氢电极作为比较的标准，指定氢电极的标准电极电势为零：
2H+（1．0mol·L-1）＋2e-H2（100kPa）
其他电极与之相比，如Cu2+/Cu=0．34，表示铜电极电势比氢电极高0．34V；而Zn2+/Zn=-0．76V，表示锌电极电势比氢电极低0．76V。由此可以求得铜电极电势比锌电极高1．10V，即锌铜电池的电动势为1．10V。
利用电极反应，可以判别水溶液中氧化还原反应的方向。电极反应物质有氧化态与还原态，在书写反应方程式时，氧化态物质写在左边，得电子变为还原态，还原态物质写在右边。电极反应的E值越大，表示氧化态物质得电子能力越大，即氧化能力越大。
如表里左下方的氧化态物质F2，Cl2，S2O2-8，MnO-4等都是很强的氧化剂。反之E值越小，氧化态得电子能力越小或还原态失电子能力越大，亦即右上方还原态物质如K，Na，Zn等都是强还原剂。由此可知表中左下方的氧化态物质可以和右上方的还原在物质起反应；反之右下方的还原态物质不能和左上方氧化态物质起反应。例如H+和Fe可以起反应生成H2和Fe2+，而H+不能和Ag起反应，此即铁能和酸起置换反应放出H2，而银不能和酸起反应。同理，可以判断Cl2能氧化Br-或I-，但Fe3+只能使I-变为I2，而不能使Br-变为Br2。化学手册里有许多常见物质的有关E0值可供参考。
任何两个电极反应都可组成一个氧化还原反应，理论上都可以设计成一个电池，但真要做成一个有实际应用价值的电池并非易事。目前我们最熟悉而又经常使用的莫过于锌锰干电池和铅蓄电池。
地球上最根本的能源是太阳能，煤，石油中的化学能是由太阳能转化而成的风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为50×1018kJ，相当于目前全世界能量消费的1．3万倍，真可谓取之不尽用之不竭，因此利用太阳能的前景非常诱人。阳光普照大地，单位面积上所受到辐射热并不大，如何把分散的热量聚集在一起成为有用的能量是问题的关键。太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。
太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的，集热器也就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的钢片制成的，封装在玻璃钢外壳中。钢片只是导热体，进行光热转化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。封装材料也很有讲究，既要有高透光率，又要有良好的绝热性。随涂层、材料、封装技术和热水器的结构设计等不同，终端使用温度较低的在100℃以下，可供生活热水、取暖等；中等温度在100～300℃之间，可供烹调、工业用热等；高温的可达300℃以上，可以供发电站使用。20世纪70年代石油危机之后，这类热水器曾有蓬勃发展，特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家安装家用太阳能热水器的住宅很多（10％~35％）。80年代在美国已建成若干示范性的太阳能热发电站，用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽送到发电机进行发电。