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第86章 基础科学(6)

这究竟是什么原因呢?原来,除了氦原子是以2个电子为稳定结构的以外,其他气体的原子最外层都有8个电子的稳定结构。那时的化学理论认为,具有这种结构的元素,是不能发生化学反应的。所以,化学家下结论说,惰性气体元素不可能形成化合物。

1962年,英国年轻化学家巴特列特在进行铂族金属和氟反应的实验时,意外地得到了一种深红色的固体,经过分析才知道它是六氟铂酸氧的化合物,并从这个化合物中看到这样一个事实:已经达到8个电子稳定结构的氟分子居然能失去一个电子,形成阳离子。而氟是很难失去电子的,它的第一电离能(即原子失去电子的困难程度)比氙的第一电离能还大些。那么,惰性元素氙是否也能形成阳离子呢?再说,六氟化铂是一种强氧化剂,如果让六氟化铂同氙作用,又会怎样呢?

巴特列特仿照合成六氟铂酸氧的条件和方法,在常温下把六氟化铂蒸气和过量氙气混合,结果得到了六氟铂酸氙的橙黄色固体。这是世界上第一个惰性气体化合物。之后,氙的氟化物、氯化物、氧化物也相继问世,现在,氟化氡、二氟化氩等惰性气体化合物已有数百种之多。惰性气体化合物的合成,给了科学家又一次启示:科学是无止境的,今天的真理,明天很可能变成谬误。只有勇于探索,才能永远站在真理一边。

乙烯为何被称为化学王国的“孙悟空”

乙烯出生在石油裂化炉,这个裂化炉好像《西游记》里太上老君的炼丹炉,乙烯就像是从炼丹炉里蹦出来的孙悟空,有七十二般变化,神通广大。

生性活泼的乙烯,遇到其他化合物,很容易“摇身一变”成了新的“化身”。它与水结合,就会变成酒精;如果先同硫酸结合,再同水反应,也可以变成酒精。工厂里如果用乙烯制造酒精,能节约大量的粮食。如果许多个乙烯手拉手地连接在一起,只要有一定的压力和一些催化剂,就会聚合起来变成聚乙烯。我们日常生活中使用的食品袋,就是一种聚乙烯薄膜。用聚乙烯做的塑料管,不怕酸碱的腐蚀,又能任意弯曲,比用金属管要方便得多。

聚乙烯是个大分子,在单个聚乙烯分子里,有2 000多个碳原子。这个分子像是一条又长又窄的长线。聚乙烯液体经过喷丝头喷出,并且一边冷却,就成了聚乙烯纤维。乙烯和丙烯共同聚合,可以生成一种具有橡胶性质的聚合物,叫做乙丙橡胶。乙烯得到银的“帮助”,能在空气中氧化成环氧乙烷,再加水反应,变成乙二醇,它是制造“的确良”的原料,也可制造防冻剂。

乙烯加上氯化氢,又“摇身一变”为镇痛急救药氯乙烷,如果进一步同铅作用,生成的四乙铅,是半个世纪来广泛使用的汽油抗爆添加剂,但是由于铅的毒害,无铅汽油正在逐步顶替它的位置。乙烯也能变成氯乙烯,从而制成聚氯乙烯树脂。它能做成各种塑料用品,或者做成聚氯乙烯纤维,再加工成具有保暖防病作用的内衣。

液晶是有机界的“骡子”吗

现在市场上的计算器,都有许多本领,既可以用来计算,又能显示日历和时间,若要它定时报信,它又能准时发出“嘟——嘟——”的声音。这许多功能都在一块小小的屏幕上映现出来。这块屏幕,就是用崭新的显示材料——液晶做成的。

1888年,澳大利亚有位叫莱尼茨尔的科学家,合成了一种奇怪的有机化合物,它有两个熔点。把它的固态晶体加热到145℃时,便熔成液体,只不过是浑浊的,而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175℃时,它似乎再次熔化,变成清澈透明的液体。后来,德国物理学家列曼把处于“中间地带”的混浊液体,叫做液晶。它好比是既不像马,又不像驴的骡子,所以有人称它为有机界的“骡子”。液晶自被发现以后,人们并不知道它有什么用途,直到1968年,人们才把它作为电子工业上的重要材料。

电子表或者计算器中的液晶为什么会显示出数字呢?原来,液晶在正常情况下,它的分子排列很有秩序,是清澈透明的。但是,加上直流电场以后,分子的排列被打乱了,有一部分液晶变得不透明颜色变深,因而能显示数字和图像。

根据液晶会变色的特点,人们便用它来指示温度、报警毒气等。例如,液晶能随着温度的变化,使颜色从红变绿、蓝。这样可以指示出某个实验中的温度。液晶遇上氯化氢、氢氰酸之类的有毒气体,也会变色。在化工厂里,人们把液晶片挂在墙上,一旦有微量毒气逸出,液晶变色了,就提醒人们赶紧去查漏、堵漏。

氢是最理想的燃料吗

汽车、飞机等现代交通工具都用汽油作动力燃料,可是汽油在内燃机里并不能完全燃烧,而且燃烧之后产生的有害废气又严重地污染大气。科学家经过长期研究,认为氢才是一种最理想的燃料。

水是氢的“仓库”,用电解的方法,可以把水中的氢和氧分离出来。如果把氢和氧重新混合燃烧,就会产生3 000℃的高温。燃烧后生成的水对人类也不会产生污染,所以氢是最清洁的燃料。氢又是热效率最高的燃料。同汽油相比,重量相等的氢在燃烧后产生的能量多,氢气在空气中燃烧的速度比汽油要大10倍以上。

以氢气作为燃料的最大困难是它不易贮存。氢在-259℃以下才能变成固体。液态氢必须保存在-253℃低温中,稍微提高一点温度,就会沸腾,到-2399℃,液态氢极易挥发和汽化。科学家已经想出了不少贮存的办法,但要把它变成汽车和飞机的燃料,仍有不少困难。科学家还在考虑另一种比普通氢更好的燃料,它是氢的孪生兄弟——重氢,学名叫氘,从水中电解出来的氢里有万分之二是氘。每50吨水可电解产生5吨氢,其中有1千克是氘,它在发生核反应时,能产生18亿千瓦的能量,相当于10千克铀或2万吨煤所产生的能量。假如人工能够控制氘的核反应,那么氘便是取之不尽用之不竭的永久能源。

为何硫能“驯服”橡胶

现代生产、军事工业和日常生活中不可缺少的橡胶,在150多年前,人们还不能制造,只知道从橡胶树中获得生胶,它热天十分柔软,到了冬天却像木板那样硬。把生胶涂在布上,做成胶布雨衣,也只能在温暖的季节里才能使用。

1838年,美国人古德伊尔发现,如果把生胶和少量的硫黄一起加热,得到的产品比普通生胶要好得多,无论是冬天还是夏天,都能保持柔软而不黏。这样处理过的橡胶叫做硫化橡胶。现在我们穿的雨鞋,用的自行车胎,戴的橡胶手套等橡胶制品,几乎都是经过硫化处理的。如果加入的硫黄相当多,就会成为硬橡皮。

为什么硫黄会使橡胶变得“驯服”了呢?原来,橡胶分子里的碳原子,像一根碳链条那样,一个接连着一个,这些碳原子又拉住了两个氢原子。这些分子连起来,像一条长长的线,叫做线型结构。如果这种橡胶分子里混入硫黄,并加热,硫黄能够巧妙地在线型分子链之间架起桥梁,把线型结构的线型分子变成网状结构,使得橡胶的强度成倍地提高。

不过,从生胶加工成橡胶制品,要经过配料、塑炼、混炼、压延、压出、硫化等12道工序。如果加工成轮胎,在成型和硫化两个工序上,同其他的橡胶制品生产工艺又有较大的不同。另外,在配料时,除了要加硫黄外,还需要氧化镁、硫化促进剂、防老剂、补强剂、软化剂和着色剂等,这就像盖楼房,不仅需要砖瓦沙石,还需要钢筋、水泥一样。加了这许多化学药品,再经过加热,橡胶的弹性、强度、耐磨性都有了显著的提高,做成的胶鞋、暖水袋、胶布、雨衣、轮胎等橡胶制品,才富有光泽,经久耐用。

银能杀菌吗

古时候,人们就知道用银碗盛牛奶等食物,可以保存较长的时间不变质。因为银也会“溶解”于水,当食物同银碗接触以后,食物中的水就会使极微量的银变成银离子。银离子的杀菌能力相当强,每升水中只要有一千亿分之二克的银离子,就足以使细菌一命呜呼了。

银离子的杀菌功能,还可以用在消毒和外科救护方面。古埃及人就已经知道,用银片覆盖伤口有疗效。后来又有人用“银纱布”来包扎伤口,治疗皮肤创伤和难治的溃疡,有时会收到很好效果。现代医学中,医生常用1%的硝酸银溶液滴入新生儿的眼睛里,以防治新生儿眼病。驰名中外的中医针灸,最早使用的就是小小的银针。

银的化学性质很稳定,不会与氧气直接化合。银器表面发黑,一般是遇到了硫化氢,生成黑色的硫化银的缘故。古银器长期与空气接触,在空气中极微量的臭氧作用下,也会失去光泽。银还有许多用处,它作为良导体可以制作导线;电镀、制镜、摄影等行业也十分需要它。

同位素碳—14能测知年代吗

埃及的考古学家在离尼罗河不远的山上,发现一座非常古老的谷仓,从谷仓里找到了一些小麦,经科学方法测定,这些小麦是6 000多年前留下来的。这是用一种放射性同位素碳-14测定小麦“年龄”后才知道的。

科学家发现,一棵树、一片草叶、一只蜜蜂,以及人体的一点肝脏、一片指甲,在每6×1012个碳原子中一定有一个是碳-14原子。这种原子每分钟能放出16个β粒子,自己则转变成碳的其他同位素。假如生物(植物或动物)活着,碳-14原子则衰变多少就能补充多少,总保持一定的数量。假如有人砍倒了一棵树,这棵树死了,就不会再补充不断减少的碳-14了。可是,原来的碳-14原子还在继续衰变。要知道,从活树上碳-14原子每分钟放射16个β粒子,逐渐地“衰变”,到只能每分钟放射8个β粒子,经历这样一个“半衰期”,需要5 730年。因此,几千年后人们发现了这棵被砍倒的树,锯下一块木头,将它加热变成炭,从中取出1克,用放射性探测器测出它每分钟能放射的β粒子个数,经过计算,就会确知这棵树究竟是在什么时候被砍倒的。埃及考古学家就是用这种方法测知小麦的“年龄”的。

用放射性测定年代的方法,是很有用的。我们说5 000年前地球上已有了人类,他们会用火,会砍树,会制作草鞋。这也是通过碳-14原子测定的。据考证,很久以前,有些印第安人曾经做了一些草鞋,留在一个山洞里。在他们返回山洞之前,火山突然爆发,堵住了洞口。这个山洞现在被考古学家发现了,他们用放射性碳-14测定这些草鞋是在9 600年前留下的。这里可能有些误差,但一般总是在9 400年到9 600年前这段时间里留下来的。

是什么创造了丰富多彩的“世界”

很早很早以前,中国就有“炼金术”、“炼丹术”,古代人企图人工制造黄金,炼出“长生不老”的仙丹,结果当然没有成功。到了15世纪,欧洲人把炼金技术与化学知识结合起来,才诞生了医药化学,使几千年的炼金术走上了化学这条“康庄大道”。

化学发展起来以后,化学家开始了物质理论的探讨。他们发现生机盎然的五彩世界,其实只是由为数不多的几十种元素,以不同的方式组合而成的,人们可以用一些物质通过化学反应制造另一些物质。于是,化学家开始在实验室里进行这种研究,当制造了一些物质以后,又迅速进行工业化生产。到17世纪之后,在现代工业中举足轻重的硫酸、烧碱、合成氨工业便陆续建立了起来。

但是,这些产品都属于无机物。能不能合成有机物——这些以前只能由生命体产生的有机物质呢?在18世纪末19世纪初,有一种称为生命力论的学说,认为人工合成有机物是不可能的。有一位年轻的德国化学家维勒经过四年的努力,于1828年合成了尿素这个有机物。维勒的成功使当时的化学家如梦初醒,纷纷加入了人工合成有机物的行列。不久,大批有机物被人们合成了出来,如甘油、柠檬酸、乳酸等。当石油化工产生后,化学家们作出了更伟大的创举:他们合成了塑料、橡胶和人造纤维。这三大合成材料成为改变人们生活的重大因素。化学家以自己的才识和技巧,利用一些不太有用甚至根本无用的物质,制造出一个又一个人们十分需要的产品。现在全世界每年新合成的物质达数十万种以上。这些物质,从最简单的无机物,如氨,到高级的复杂的有机物,如胰岛素,无所不包,应有尽有。可以说,化学家创造了一个新的物质世界。

合成橡胶工业是高分子工业的开路先锋吗

从学生用的橡皮到人人需要的雨鞋、球鞋,从地上跑的车辆到天上飞的飞机,可以说,到处需要橡胶,离不了橡胶制品。人们最早使用的是天然橡胶,这是从橡胶树分泌的液汁经过加工制成的。天然橡胶受气候和地理因素限制,满足不了各方面飞快增长的需要。于是科学家们仔细研究了橡胶的分子结构,发现它是以异戊二烯为单体的聚合物,于是采用异戊二烯和1,3-丁二烯等有类似结构的化合物,让它们发生聚合反应,得到了与天然橡胶有相似性质的材料,这就是合成橡胶。合成橡胶的性能在某些方面已超过天然橡胶。如氯丁橡胶耐火性能好,丁苯橡胶耐油、耐老化、耐腐蚀都超过了天然橡胶。还有具有特殊用途的硅橡胶、氟橡胶等。现在,合成橡胶的产量已大大超过天然橡胶。合成橡胶工业是高分子工业的开路先锋,继合成橡胶之后,塑料工业和合成纤维工业也蓬勃发展起来了。

高吸水性树脂能大量地吸收水分吗

世界上吸水本领最大的要数海绵。但现在人们已合成出一种吸水性胜过海绵的高分子材料,称为高吸水性树脂,其吸水量可达自身重量的500~3 000倍。这是一种神奇的白色粉末,每颗高分子树脂微粒,就像一个小小的蓄水池。把它们撒到干旱少雨的沙漠地,能在夜间汲取从地下渗上来的水分。如果预先拌好肥料和水,就能在沙漠地区栽培农作物。用它做尿布,吸水好,又卫生。用来做卫生棉、清洁餐巾,更受人们欢迎。这种高吸水性树脂没有毒性,它和药物混在一起,药物会缓慢地释放出来,延长药效。用它做成水果的包装袋,新鲜水果就能长久保鲜。

高吸水性树脂的吸水本领,在于聚合物中有许多能吸引住水的“基团”,它像一双双能拉住水分子的“手”一样。当整个大分子上的“手”拉住了许许多多的水分子后,一颗白色的粉末,变成了一个“吃饱”水的小水球。这种神奇的粉末,有的是用淀粉、纤维素天然高分子为骨架,通过接枝共聚的方法制造的;有的是用化学合成方法制造的,还有的是用腈纶废丝综合利用得到的。

病人吃蛋白质高的食物会中毒吗

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