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发布时间:2021-02-19 07:01:36

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作者:刘行光

出版社:人民邮电出版社

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化学多大点事儿

化学多大点事儿试读:

前言

一本书让你爱上化学

年轻的朋友,当你享用着色、香、味俱全的美味佳肴时,除了原料和烹调技术外,你知道其中的精华所在吗?当你穿着绚丽多彩的服装走访同学、老师时,你知道这些布料的组成以及它们是如何加工的吗?当你被商店里琳琅满目、五光十色的塑料制品吸引时,你知道这些塑料究竟是什么东西吗?

这些常见的生活细节都与化学科学有关。化学是一门以实验为基础的研究物质结构、性质以及制造新的物质的科学。客观地讲,正是由于有百余种“化学元素”,它们之间互相作用产生变化,能生成千千万万种化合物、混合物,才形成了丰富多彩的物质世界。就是这百余种“化学元素”构成的物质世界支撑着人类所有的活动。

人类从原始社会跨入今天这样物质文明比较发达的社会的历程,就是一部化学以及其他科学技术的发展史。化学科学的发展,为人类不断地创造了千千万万的物质财富,使我们能够广泛享用这些物质文明的成果,从而更舒适地生活。不难想像,没有冶金技术的发展,就没有今天的汽车、拖拉机、飞机和宇宙飞船;没有有机合成化学的进步,就没有合成纤维、染料、药物、合成橡胶和塑料等各种各样的化工产品和生活用品;没有环境化学的发展,人类将生活在被臭气、毒物严重污染的环境之中……一句话,没有化学科学技术的进步,就没有人类今天的物质文明。由此可见,人类的生活不管是衣、食、住、行、用,还是生活环境,都离不开化学。

为了帮助广大读者了解千变万化的物质世界中一些奇妙的化学现象,认识化学与人类生活息息相关,唤起青年读者对化学的好奇心和想像力,霍启成、刘燕、徐龙、刘金英、张玉琴等多位从事初、高中化学教学的高级教师提供资料,由刘行光整理编写了此书。

此书与一般的化学书籍不同,它不是板起面孔谈化学,而是熔科学性、趣味性与文艺性于一炉。它的内容丰富,天上地下、微观宏观、过去未来无所不包;它叙述生动,深入浅出,文体多样,富有情趣,读起来津津有味,使青少年在轻松愉快中学到化学知识,在不知不觉中步入神奇的化学之宫;它会改变一些读者认为化学枯燥、无味、难记的错误看法,从而增强中学生学习化学的兴趣。

我们衷心地希望青少年读者勇敢地闯进神奇的未知世界,去探索大自然中无穷无尽的化学奥妙!

第一章 化学是世界的“显微镜”

物质是由肉眼不能直接观察到的微粒——分子构成的,分子是保持物质化学性质的最小粒子。分子是由比其更小的微粒——原子构成的,原子是化学变化过程中的最小微粒。人类对原子结构的认识经历了道尔顿原子模型、汤姆生原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型和电子云模型。现代物质结构学说认为,原子是由居于原子中心的带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子构成的。原子核是由质子和中子构成的。化学就像一架“显微镜”,带领我们一步步地深入认识这个世界。

悬浮粉尘的利弊

1987年3月15日,哈尔滨的一家亚麻纺织厂突然发生爆炸。爆炸导致200多人死伤,厂房被严重破坏。有关专家经过调查得出结论,造成这一悲剧的罪魁祸首竟然是亚麻粉尘!

看了消息人们一定会不解,小小的粉尘也会发生爆炸,并有如此大的破坏力?是的,粉尘会引起爆炸。

我们都有这样的经验,砂糖比冰糖溶解得快,这是因为砂糖与水的接触面积比冰糖大得多。一克煤如果是完整的一块,它的表面积不过五六平方厘米;要是将煤块碎成煤粉,它的表面积竟达原来的几千倍。粉尘的表面积很大,也就是说,如果碰到一颗小火星,或有适当的温度,它们就会在眨眼的功夫发生剧烈的氧化反应。其产生的热量和火焰迅速传给相邻的粉尘,又引起周围粉尘放热。一连串的连锁反应,使温度迅速升高,压力急剧增加,导致了猛烈的爆炸。粉尘爆炸的威力比同样重量的炸药爆炸还要大几倍。

粉尘的危害不仅如此,如果人吸入过量的粉尘,会对上呼吸道黏膜组织产生刺激,导致炎症。小于5微米的粉尘微粒随呼吸进入小支气管沉积于肺泡中,或被吸收到血液、淋巴液中,引起鼻咽炎、喉头炎、支气管炎、末梢气管炎、肺炎或肺心病,甚至癌症。

读到这里,你可能会说:“既然粉尘给我们带来这么多的危害,如果空气中没有粉尘就好了。”可是,如果没有粉尘,将不会有形状各异的云层,柔和凉爽的树阴,姿态万千的阴影。离开粉尘,我们就欣赏不到笼罩着山峰的彩色烟雾和令人叹为观止的夕阳美景。

其实,粉尘是大气的“合法”居民,它们是粒径小于75微米的固体悬浮物。根据大气中粉尘微粒的大小,粉尘可分为:飘尘——粒径小于10微米的固体微粒,它能较长期地在大气中漂浮,有时也称为浮游粉尘;降尘——粒径大于10微米的固体微粒,在重力作用下,它可在较短的时间内沉降到地面;总悬浮微粒——粒径小于100微米的所有固体微粒。

如果空中没有粉尘,空气中水分再大也无法凝结成水滴。因为水分子很小,由它聚合起来的水滴也很小,再加上饱和水气压力很大,所以不易形成降水。

空气中有了粉尘之后,它能吸附周围的水蒸气,并逐渐使这些水蒸气形成水滴。许多小水滴聚在一起,就变成云、雾或雨、雪等。在这一变化过程中,粉尘起了凝结核的作用。另外,正是由于大气层中悬浮着细小的粉尘微粒,它们与空气分子一起拦截并且散射太阳光中最短的(蓝色)光波,我们才有了瑰丽的蓝天。当太阳下山时,充满粉尘的大气层显露出光波更长的橙色光和红色光,将万里长空装饰得辉煌灿烂。

总之,没有粉尘,云、雾、雨、雪将不复出现,火红的太阳和绚丽的彩虹也将消失,自然景观将会大为逊色。科学小链接尘肺尘肺是由于在职业活动中长期吸入生产性粉尘(灰尘),并在肺内滞留而引起的以肺组织弥漫性纤维化(疤痕)为主的全身性疾病。尘肺按其吸入粉尘的种类不同,可分为无机尘肺和有机尘肺。在生产劳动中吸入无机粉尘所致的尘肺称为无机尘肺。尘肺大部分为无机尘肺。吸入有机粉尘所致的尘肺称为有机尘肺,如棉尘肺、农民肺等。我国法定12种尘肺有矽肺、煤工尘肺、石墨尘肺、炭黑尘肺、石棉肺、滑石尘肺、水泥尘肺、云母尘肺、陶工尘肺、铝尘肺、电焊工尘肺、铸工尘肺。

肉眼看不到的微粒

人们日常所见物总是由小的物质组成的,如一堵墙是由一块一块的砖垒起来的,一件毛衣是用毛线一针一针织出来的等,但是这些砖、毛线等材料仍然是由更小的物质构成的,如分子、原子、质子、中子、电子……我们把这些极细小的颗粒,包括肉眼看不到的分子、原子、离子等的组合,称为微粒。那么,微粒是不是不可分割呢?

大家知道,各种物质均由分子构成,分子又是由原子构成的。“原子”是一个希腊名词,它的意思是“不可分割之物”。因此,许多人把原子看作是构成物质世界的“最小砖石”,把原子的概念理解为“无结构”的,原子被简化成了点。但是,这种观点是错误的。德国科学家伦琴发现了X射线,法国科学家贝克勒耳发现铀的化合物中也会放射出射线来。在此期间,英国的汤姆生发现了电子。后来经居里夫妇研究发现,微粒镭放射出三种性质不同的射线:α射线是另一种元素——氦的原子核,β射线是一种高速运动的电子流,而γ射线却是一种波长极短的电磁波。这些发现表明:原子根本不是组成物质大厦的“最小砖石”,原子是可变的、可分的、可入的,原子并非“不可再分”、“无结构”。

实际上,原子是由电子和原子核构成的。电子被认为是人类认识的第一个“基本粒子”。那么,原子核是否“不可再分”,也是“基本粒子”呢?

一般原子核并不是“基本粒子”,只有质子(氢原子核)才是“基本粒子”。原子核内还存在着一种电中性的粒子,称为中子。于是,人们把比原子更深入的一个新层子——电子、质子、中子……以及它们的反粒子,统称为“基本粒子”。

但“基本粒子”并不基本。在一定条件下,把“基本粒子”当作一个点来研究和计算是一种科学的抽象。但不能把这一抽象绝对化,认为“基本粒子”就是一个点,甚至看作是数学点,而不去研究它的组成。

人们知道的“基本粒子”有:传递电磁相互作用的光子、电子及电子的反粒子——正电子;组成原子核的质子、中子及其反粒子——反质子和反中子;同核的β衰变有关的中微子、反中微子;作为核力媒介的核子介子;宇宙线介子及其反粒子;科学家后来发现的超子和k介子。

面对着如此众多的“基本粒子”,科学家按其寿命、质量、自旋以及参与的相互作用等性质,把它们分为轻子、强子(重子、介子)以及相互作用的传递子等。

强子有没有内部结构呢?实验证明,强子也是有内部结构的。强子是由更基本的东西组成的,人们把这些更基本的东西取名为“层子”,以表示它也无非是自然界不同质的无限层次中的一个层次。人们也用“夸克”来称呼组成“基本粒子”的更微小粒子。

综上所述,所谓的“基本粒子”并不基本,“基本粒子”的“基本”二字,只是表明人们今天对这些粒子认识的知识水平。物质的层次是无限的,人的认识也是一个无限的过程。科学小链接光的微粒说关于光的本性,牛顿是这样认为的:“光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉,这就是光的微粒说。”牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂,又能解释常见的一些光学现象,所以很快便获得了人们的肯定和支持。

原子论的创立

古时候,西方有许多炼金术士从事炼金术的研究,希望能“点石成金”。他们企图通过化学方法,将随处可见的廉价金属变成珍贵的黄金,但无一例外地都失败了。不过,随着科学技术的发展,古代人梦寐以求却又无法实现的“点石成金”梦,在今天已经成为现实。

众所周知,各种物质的性质之所以不同,是由于物质的原子不同。如果可以使一种物质的原子转变成另一种物质的原子,那么就可以“点石成金”,昂贵的金原子可由其他廉价物质的原子经人工改造而获得。

可见,世间万物都是由原子组成的,它们的差别仅仅在于组成物质时原子的种类、数目和结合方式的不同。那么,原子理论又是如何创立的呢?

在历史上率先明确提出原子概念的是古希腊的哲学家德谟克里特。他是一个善于观察自然现象而又爱动脑筋的人。当他看到,植物在粪土上长得特别旺盛的时候,他就在想,是不是粪土中的什么小微粒进入到植物中去了?当他发现,盐溶解在水里以后,盐不见了,水却有了咸味,他就想到,是不是盐的小微粒分散在水里了?当他看到,鱼在水里游动的时候,他就断定,水这种物质绝不是结构紧密的整体,就像沙堆是由沙粒构成的那样,水也是由水的微粒构成的。只有这样,当鱼游过来后,水微粒向两边散开,鱼才会自由地游来游去。

德谟克里特对大量的自然现象加以分析和推测之后,便得出了这样的结论:物质都是由一些坚硬的、不可再分的微粒构成的。他给这种小微粒起名叫做原子(按照希腊文的原意,就是不可再分的意思)。这就是原子概念的由来。

但是,德谟克里特的原子概念提出后,并未得到重视和发展。因为,这种朴素的古代原子论是靠观察、推测得出的结论,并没有被科学实验所证实。

最先在科学原子论方面做出卓越贡献的,是著名的英国化学家道尔顿。这位乡村教师出身的化学家以研究气体为终生爱好。他通过对气体的研究,不仅发现了有关气体的一些重要定律,而且从密度不同的气体可以均匀扩散的现象中得到启发,提出了著名的道尔顿原子论。道尔顿认为,一切物质都是由极小的微粒——原子组成的,但原子并不都是一模一样的小球,不同的物质含有不同的原子,不同的原子具有不同的性质、大小和不同的原子量。在这里,他首先创立了原子量的概念。道尔顿原子论的重大意义不在于他重申了两千多年前就提过的原子概念,而在于他提出了不同原子具有不同原子量的观点。正因为如此,当年道尔顿在一次道尔顿(1766—1844)英国科学家学术会议上宣读论文之后,便立刻引起了科学界的震动。

人们听了他的论述,豁然开朗,因为有了原子量的概念,化学上一些定量的实验现象和基本定律都得到了合理的解释。这是化学发展史上的一个重要里程碑。恩格斯曾高度评价这一成就:“化学的新时代开始于道尔顿的原子论。”科学小链接中国古代的原子概念在我国战国时代(公元前四世纪),人们对于物质结构的探讨就十分活跃,不同学派持有不同见解。庄子的《天下篇》中写道:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”意思就是,一尺长的短棍,若每天截取一半的话,是永远也截取不完的。这就是说,物质是无限可分的。以墨子为代表的另一派则提出了相反的主张,认为物质不是无限可分的,分到最后总会有个“端”,到了“端”也就不能继续分割了。这种物质有“端”的说法,就接近于原子的概念。

原子究竟有多小

我们生活在物质的世界中,周围有形形色色的、丰富多彩的物质,像晶莹的水晶、清澈的流水、闪亮的金属、绚丽的花朵、乌黑的煤、雪白的盐等。那么,为什么不同的物质性质不同呢?物质是由什么构成的呢?人们对此充满了好奇。

古希腊人认为,世间上所有的物质都能分解为火、空气、土和水四种基本要素。我国古代也有“五行说”,即世界是由金、木、水、火和土组成的。科学发展到今天,人们已经形成了比较完整的物质结构理论:世间万物都是由原子组成的,它们的差别仅仅在于组成物质时原子的种类、数目和结合方式的不同。

我们可以形象地将复杂的物质世界看成一座辉煌的大厦,那么原子就是砌成大厦的砖石,化学键就是将砖石黏结在一起的水泥砂浆。那么,小小的原子究竟小到什么程度呢?

我们知道,分子很小,肉眼看不见,原子更是小得可怜!拿水的分子来说,如果一个人每秒钟数一个水分子,日夜不停地数下去,数一千年也不过数了一滴水里全部分子的20亿分之一,可见水分子是多么小。

至于组成水分子的氧原子和氢原子,当然更小。例如,据计算氢原子的直径大约只有0.00000001厘米,重量只有0.000000000000000000000002克重。后面这个数字读起来都很难,读法是“万万万万万万分之二克重”!

不同物质的分子所含原子的数目是不一样的。例如,水的分子中含有两个氢原子和一个氧原子,共含有三个原子;而葡萄糖(CHO)中竟含有碳、6126氢、氧等大大小小的原子24个。不同物质的分子,它们的大小差别就是这么悬水分子的结构殊。但是原子,即使是最轻的原子——氢原子,和很重的原子——铀原子相比,它们的大小也相差无几。

正因为原子的个头都差不多,所以科学家曾笼统地想像了一下原子的大小。假如把你看见的各种东西都放大100万倍,一只小狗就成了身高三四百千米的一头怪兽!一支铅笔至少也有150千米长,粗细也得超过5千米!而原子放大100万倍以后又怎样呢?还没有书本上一个句号大!

想一想是很有趣的,当我们用铅笔在纸上写字的时候,也就是在白色纸的原野上,撒下了成百万个碳原子。至于你手中的笔,上面存在的原子数目之多,恐怕你一辈子也数不完!

总之,我们周围的一切,微小的尘埃、高大的山脉、涓涓细流、江河湖海、蝴蝶、蜜蜂、鲜花、地球、太阳,甚至距离我们几十亿光年的星球,统统是由小小的原子构成的。科学小链接化学键氢分子是由氢原子构成的,要使氢分子分解成氢原子需要将其加热到2 000摄氏度,但它的分解率仍不到l%。这就说明在氢分子中的氢原子与氢原子之间存在着强烈的相互作用,实验测得如果要破坏这种作用就需消耗436千焦每摩尔的能量。这种强烈的相互作用不仅存在于直接相邻的两个原子间,也存在于分子内非直接相邻的多个原子之间。但前一种的相互作用比较强烈,破坏它要消耗很多的能量,是原子形成分子的主要因素。人们将分子中相邻原子间强烈的相互作用称为化学键。科学家经过上百年的摸索和探讨,对化学键本质的认识逐步深化。目前,科学家认为化学键有离子键、共价键、金属键三种主要的类型。

浓缩就是精华

第二次世界大战后期,美国将两颗原子弹投到日本的广岛和长崎,造成了数十万人死亡和城市的毁坏,这种破坏力是数百万颗普通炸弹所无法达到的。原子弹为什么有这么大的威力呢?这还要从原子说起。

在整个原子的“国土”中,空旷的地方大得使人难以想像。原子的直径大约为1/100000000毫米,在这个神秘的“国土”中本来可以容纳下一千万万万个电子“居民”,而实际上一般原子中仅有几个或几十个可怜的电子“居民”围绕着“国土”的中心(即原子核)旋转,其余的绝大部分地方是空的,什么也没有。可见,与整个原子比起来,原子核很小。原子核虽然很小,它却拥有非常复杂的结构,蕴含着极其巨大的能量。

我们知道,普通化学反应释放的能量,主要是将原子保持在分子中的力,这种力仅同原子核外围的电子结构(特别是最外层的电子)有关。当两个或两个以上的原子组成分子时,各个原子核外的电子运动状态和分布发生一定的变化,把合拢在一起的所有原子核都笼罩包围起来。由于化合物分子的能量总是低于组成它的各个原子的能量之和,所以这些原子外围电子重新组合的过程会放出能量来,这部分能量称为化学结合能。像燃烧、氧化等化学反应所放出的能量主要是原子核外电子变化的能量,即化学能。类似的把质子、中子紧密结合在一起的力称为核力,它克服了质子之间的库仑排斥力,形成坚实的原子核。当质子和中子组成原子核时,也会放出能量,所以原子核的能量总是低于组成它的中子和质子的能量之和,这部分能量就是核结合能。铀原子核的裂变由于质子和中子等核子相互作用比原子核外电子相互作用强大得多,所以核反应释放的能量也就比化学反应释放的能量大得多。

根据理论计算,1千克混合好的氧和碳发生化学反应生成一氧化碳会放出920千卡能量,而1千克混合好的氧原子核和碳原子核发生核反应聚合成硅原子核,则可放出140亿千卡的能,是化学反应释放能量的1500万倍。

又如,1千克TNT(一种炸药)分解约释放1000千卡能量,而同样重量的水银发生核裂变则释放出100亿千卡的热量,是化学释放能的1000万倍。

科学家实际测得,相同质量核反应能是化学反应能的几百倍,例如,1千克铀235原子核裂变释放的能量相当于3000吨煤燃烧的能量,1千克铀裂变产生的爆炸威力相当于20000吨TNT的爆炸威力。

由此可见,原子核很微小,能量却很大,“浓缩就是精华”这句话用在这里真是特别合适。科学小链接曼哈顿工程1939年8月,流亡在美国的匈牙利物理学家西德拉等人,说服了当时威信最高的科学家爱因斯坦,请他出面给美国总统罗斯福写信,陈述新发现的裂变现象有可能用来制造威力空前的炸弹。他们还特别提到,德国人正在进行类似的研究,如果这样一种新的爆炸方式被纳粹分子获得,对全世界来说将是一场巨大的灾难。爱因斯坦与许多科学家的联合署名信件,促使罗斯福迅速作出研制原子弹的决定,这就是“曼哈顿工程”。从1942年开始,在以奥本海默和费米为首的大批科学家的艰苦努力下,经过三年多的研究工作,美国于1945年7月成功试验了世界上第一颗原子弹。原子弹爆炸生成的蘑菇云

捧月的“众星”

电子是英国科学家汤姆生1897年发现的。当时他正在研究“阴极射线”,这种神秘的射线是通过在真空玻璃管两端插入电极,随后加上高压电产生的。

汤姆生发现,如果在玻璃管中再加上一个电场,就能使阴极射线发生偏转。这一点说明射线是由粒子组成的。汤姆生对偏转角度的测算表明,粒子非常小,远远小于最小的原子——氢原子。由此,汤姆生得出结论:阴极射线是由电子组成的。后来,他用实验发现了电子。那么,电子是怎样安置在原子里面的?它是静止的还是运动的?想用肉眼看一看电子,那根本不可能。事实上,即使在今天用放大本领高达80万倍的电子显微镜,人们也无法看到电子在原子世界里翱翔的样子。不过,人类洞察自然的本领与手段并不只限于一个“看”字,我们还有一个极为得力的办法,那就是根据各种已汤姆生(1856—1940)英国物知的事实,提出一定的“模型”或假理学家设。要是这个假设同实验的结果有抵触,就说明这个假设是错误的。在20世纪的初期,人们对原子结构的探讨就是用这种办法进行的。

1904年,也就是发现电子的第七年,汤姆生提出了一个原子模型:原子是一个平均分布着正电荷的粒子,其中镶嵌着许多电子,就像葡萄干镶嵌在布丁中一样。在静电力的作用下,这些电子被吸引到中心又互相排斥,从而达到原子的稳定状态。在一段时间内,这个假设得到了大家的广泛认可。

可是,在几年以后,英国物理学家卢瑟福用实验彻底否定了这个假设,并于1911年提出了新的假设。

卢瑟福认为,在原子的中心存在着一个带正电的核心——原子核。原子核占有了原子的几乎全部的质量,而电子分布在原子核外围的空间里,绕着原子核运动。

到了1913年,实验证实这个假设是正确的。

科学不是一成不变的,人们对自然规律在进行着不断探索。卢瑟福的原子模型比汤姆生的原子模型更接近真理,但它却不能解释后来发现的氢原子光谱。于是有了玻尔原子模型(1913年):电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。量子力学发展以后,又有了更接近事实的电子云模型(1927—1935年):电子绕核运动形成一个带负电荷的云团,在一个确定的时刻不能精确测定电子的确切位置。

现在,我们来描述一下核外电子的运动和排布。

原子很小,原子核更小。如果将原子比作一个庞大的体育场,那么原子核就是体育场上的一只小蚂蚁。电子就在原子核外的空间里以接近光速的速度一刻不停地运动,于是电子的运动规律就与宏观物体完全不同了。我们不能同时准确测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度,也无法描绘它的运动轨迹,这就是所谓的“不确定原理”。

我们在描述核外电子运动时,只能指出它们在核外空间某处出现机会的大小。电子在原子核外运动,可以想像成一团带负电荷的云雾笼罩在原子核周围,就像星星捧着月亮,所以,人们形象地把它叫作“电子云”。

就像风扇转得快了就看不到叶片一样,高速运动的电子看上去就像一团云。云厚的地方密度大,表示电子在空间单位体积内出现的机会大,电子云密度小的地方表明,电子在空间单位体积内出现的机会小。电子绕原子核高速运动科学小链接汤姆生约瑟夫·约翰·汤姆生(又译汤姆逊),1856年12月18日生于英国曼彻斯特郊区,父亲是苏格兰人,以卖书为业。汤姆生14岁进入曼彻斯特欧文学院学习工程,1876年进入剑桥大学三一学院。完成学业后,汤姆生到卡文迪许实验室工作。开始时,他的研究工作偏重于理论方面,很少涉及实验。由于他双手笨拙,操作实验仪器时,他感到非常烦恼。但是汤姆生却具有非凡的眼力,当仪器发生故障时,他只要一看就知道毛病发生在什么地方和毛病发生的原因,并指出如何使其恢复正常工作。由于这方面具有天分,虽然他动手能力很差,却成了一位伟大的实验物理学家,在实验物理方面作出了杰出的贡献。他先后用实验的方法发现了电子和氖的一个稳定同位素,这在当时都是最重要的发现。1906年,汤姆生由于在气体导电方面的理论和实验研究而荣获诺贝尔物理学奖。

第二章 化学是大自然的“魔术师”

大约45亿年前,地球形成了,那时候地球上并没有生命,那么生命是怎么形成的呢?一般情况下,一堆干草放在那里并不会燃烧,但是用火柴一点就会燃起火来,这是怎么回事呢?不少人喜欢将豆腐和菠菜放入火锅中一起煮食,长久食用会引发结石病,这是为什么呢?一直以来,氮气都被人们认为是不易改造的“顽固分子”,但有些细菌却能将氮气变成氨肥,它们是怎么做到的呢?其实,这一切都是化学变的“魔术”!下面就让我们看看这位“魔术师”还有哪些本领。

地球生命的诞生之谜

在广阔的自然界里,生存着多种多样、千奇百怪的生物。除了那些只留下化石、已经灭绝的古生物之外,世界上已知现存的动物有110多万种,还有50多万种植物和微生物。这些生物是怎样产生的呢?生命的本质究竟是什么?

这得从有机物和无机物谈起。

以前,人们把世界上的化合物分成两类:一类受热后保持原样,它们广泛存在于空气、海洋、土壤等没有生机的非生物界,这类物质叫做无机物;另一类物质受热以后发生根本性改变,通常只能从生物体和它们的产物里得到,这类物质叫做有机物。

瑞典化学家贝采里乌斯认定:生命的化学完全是另一门学科,它遵循着自己的一套神秘的规律;有机物和无机物之间存在着不可逾越的鸿沟,有机物只能由活组织制造出来。

可是,时隔不久,正是贝采里乌斯的学生、德国化学家维勒第一次用无机物氰酸铵作原料,仅仅通过加热的办法就制得了一种实实在在的有机物——尿素。17年以后,另一位德国化学家科尔贝又用最简单的元素人工合成了有机物——醋酸。这样一来,有机物和无机物之间的绝对界限被打破了。

有机物都是含碳化合物,结构比较复杂,其中包括醇类、醛类、酮类、醚类等。19世纪中叶,人们发现,在几百万种有机物里面,有两种物质是生命的基础:一种叫核酸,最早是在细胞核里被发现的;另一种是蛋白质,从加热后能凝固的蛋白体物质里得来的。

蛋白质的大名我们早就听说过,它是构成生物体的主要物质之一,是生命活动的基础。核酸是生命本身最重要的物质,没有它,活的机体就不能繁殖,当然也就不会出现生命。这就告诉我们:生命是物质的,是物质发展到一定阶段的产物。

那么,生命又是怎样开始的呢?

20世纪20年代,前苏联生物化学家奥巴林(1894—1980)前苏联奥巴林和英国生物学家霍尔登提出了生生物化学家命的化学进化论。他们认为,在生命本身进化以前,还存在着一个化学进化阶段,生命的出现是一系列化学反应的结果:第一步,原始大气和海洋里的无机物生成了低分子有机化合物;第二步,低分子有机化合物生成了高分子有机化合物;第三步,高分子有机化合物生成了能够自我复制和繁殖的原始生命体。

化学进化论为我们描绘了一幅初期地球的图景:原始太阳系星云慢慢地凝聚成了我们初期的地球。初期的地球冷却以后,火山喷发出大量的气体——氢、水蒸气、氮、氨、甲烷、二氧化碳、一氧化碳等,组成了原始的大气。在初期的地球上,自然界进行着剧烈的活动。天空中的闪电,喷出地面的热熔岩和热泉水,太阳发出的紫外线,来自宇宙空间的辐射,它们结合起来向原始大气进攻,把原始大气里的成分改造成为甲醛、氢化氰和其他一些与生命有关的物质。这些物质溶解在雨水里,落进原始海洋,通过化学反应又进一步生成氨基酸、糖类和嘧啶、嘌呤等。要知道,生命的基础——蛋白质和核酸,恰恰是由这些有机化合物组成的。大大小小的有机物聚集在原始海洋里,海流把它们带到安全地带,既避开了强烈紫外线的照射,又远离放射性活跃的海底,结果它们越聚越多。许多亿年过去了,海洋里的简单低分子有机物质通过化学反应,变成了蛋白质、核酸等复杂的高分子有机物。最后,地球上终于出现了类似细胞的、具有完整新陈代谢作用的原始生命体。科学小链接米勒的实验1952年,还是一名研究生的美国化学家米勒,很想探索一下地球上的原始生命究竟是怎样出现的。他模拟原始大气的条件,让加上氨、甲烷和水蒸气的气体循环流过一个电弧。一个星期以后,米勒分析所得到的化学产物竟意外地发现其中有两种最简单的氨基酸——甘氨酸和丙氨酸。这是一个重大的突破,在米勒的实验成功之后,很多科学家进行了一系列类似的试验。他们用不同气体、不同组分的原始材料通过放电、紫外线、热能、电子束等自然界可能有的能源作用,合成了大多数的氨基酸,有的甚至合成了核糖、脱氧核糖、嘌呤、嘧啶以及维生素等生物有机化合物。

“自给自足”的营养方式

大家都知道,无论哪一种生物都必须不断地“吃东西”才能生存下去。食肉动物必须吃肉,食草动物必须吃草。肉和草都是现成的有机物。依靠现成的有机物取得能量和碳素等,以维持生命活动的生物叫做异养生物。

微生物也要“吃东西”。各种含碳物质是它们的主要口粮,因为它们的身体主要是由碳元素构成的,其含量在各类微生物中均占细胞干物质重量的一半。通常人们把凡是微生物能利用的含碳的物质叫做碳源。

不同的微生物对碳源的要求千差万别。有的微生物必须依赖植物把各种简单的无机物转变成有机碳源之后才能利用,我们把它们叫作异养菌。

虽然异养菌都吃有机物,但口味也各有不同。异养型放线菌爱吃淀粉、纤维素、麦芽糖、葡萄糖、有机酸、蛋白质等许多有机物,它们口味很广。酵母菌最喜欢吃的是麦芽糖和葡萄糖,对淀粉则是不屑一顾。有的酵母菌对其它生物厌恶的石油吃起来却津津有味。许多霉菌只把动物或植物的尸体当作食物。

有的微生物并不吃现成的有机物,而是靠吃二氧化碳气来过日子。因为微生物要经过一番自食其力的劳动,把简单的二氧化碳和无机物变成复杂的有机物,所以这类菌叫作自养菌。自养菌在利用二氧化碳时,还需要外来的能量来帮助它们。

自养菌中,有的要借助于光能。它们的菌体中含有一种光合色素,能在无氧气时使二氧化碳进行光合作用供自己生长繁殖。不过,它们的光合作用与绿色植物不同。植物的光合作用是吸收二氧化碳,放出氧气;这些微生物的光合作用只吸收二氧化碳,并不放出氧气。因为它们生活中需要光能,所以叫做光能自养菌。硝化细菌利用无机物氧化所放出的能量来合成有机物

光能自养菌大约在20亿年前就生存在地球上了。它们的菌体中含有丰富的营养物质,粗蛋白、粗脂肪和可溶性糖类的含量都比较高,而且它还含有多种维生素,特别是维生素B的含量很高。12

一些光能自养菌还有一种嗜好,能把臭不可闻的硫化氢消化转变成硫磺颗粒贮藏在菌体的细胞内。用它们来处理的工业废水能够灌溉农田。

自养菌中有许多种类不能利用光能,但是它们可以把一定的无机物氧化并产生化学能,利用这种能量它们能够还原二氧化碳和生成有机碳水化合物。这些细菌叫做化能自养菌。

化能自养菌中人们研究比较多,而且与生产实践有密切关系的主要有硝化细菌和硫化细菌。硝化细菌能使土壤中的氢转变成硝酸,它们的活动与土壤的肥力有很大关系。

有的化能自养菌则“以硫为食”,它们在石油加工中大显身手。由地下开采出来的原油常含有大量的硫磺化合物,这些物质能腐蚀石油设备,使石油产品有臭味,质量降低。在石油产品燃烧时还产生硫化氢气体,会造成大气的严重污染。用吃硫自养菌处理原油,就能除去硫磺化合物,从而使石油精炼。科学小链接化能自养菌的危害硫杆菌等化能自养菌能产生大量的硫酸,它们的腐蚀性很强,不仅可以腐蚀水管、汽管、油管等各种铁质管道、抽水机等,在煤矿、铁矿、铜矿、金矿等各种矿井中也起破坏作用。化能自养菌产生的硫酸也可以腐蚀混凝土和石头建筑,破坏堤防、桥墩,给人们的生活造成损失。

“点石成金”的妙法

把豆类植物连根拔起,除了看到像胡子一样的根须之外,根须上还长有许许多多的小圆疙瘩。这些球状体结构是由一种微生物侵入植物根部后形成的“肿瘤”。植物身上的这种“肿瘤”不但不会使植物生病,反而成了专门供给植物营养的“器官”。一旦把“肿瘤”切除,植物就会营养不良。

人们已经发现数千种植物都有这种“肿瘤”,有的生长在根上,叫做根瘤;有的生长在叶子上,叫做叶瘤。在显微镜下人们可以看到,根瘤中住着一种叫根瘤菌的细菌。它们在侵入植物根部后分泌一些物质能刺激根须的薄壁细胞,细胞很快增殖就形成了“肿瘤”。在瘤中,根瘤菌依赖植物提供的营养生活,同时它们也把空气中的游离氮气固定下来供给植物利用。小小的根瘤就像微型化肥厂,源源不断地把氮气变大豆根部的小圆疙瘩成氨送给植物吸收。

我们知道,大气氮素一向被人们认为是不易改造的“顽固分子”,只有把它放在摄氏500~550度和200~300个大气压力的合成塔中,通过催化剂作用才能使它和氢分子化合成氨(即合成氨),氨再被加工制成各种氮肥。固氮微生物却有“点石成金”的妙法,能在活细胞中轻而易举地改造氮气。

我国人民很早就知道利用微生物的固氮作用来提高土壤肥效。远在几千年以前,人们就已经把瓜类和豆类轮作种植以提高产量,而西方人采用轮作种植技术则是在18世纪30年代以后。

把固氮的微生物进行人工培养,获得大量的活菌体,然后用它们拌种或施播,这就是近些年来迅速发展的细菌肥料。因为活的菌体能在土壤中继续生长繁殖,因此,细菌肥料不仅能提高农作物的产量,还有一年施加多年有效的好处。

菌肥的生产很简单,而且成本小、易普及、收效快。例如,在苜蓿根土中找到的一种细黄链霉菌,把它接种于饼土混合物中堆制5~7天,即可制成菌肥。100斤这种菌肥相当于17斤硫酸铵的肥效。在棉花、小麦种植时使用这种菌肥,能使产量提高20%以上。

在我国东北地区找到的一种自生固氮菌,制成菌肥以后用在谷子、高粱、玉米等一些农作物上,都有不同程度的增产效果。科学小链接复合菌肥能够制成菌肥的菌类并不仅仅限于固氮微生物。有一种氧化硫硫杆菌能把磷矿粉、煤矸石中的磷解放出来供给植物利用。将这种细菌进行人工培养,就制成了磷细菌肥料。在小麦、玉米田里试用这种肥料后显示出明显的增产效果。用一种硫杆菌与硫磺粉混用施入碱性土中,可以改良土壤的碱性,使之更适于植物生长。把固氮菌、磷细菌、钾细菌人工培养以后混合制成复合菌肥。这种菌肥既有固氮作用,又能分解土壤和肥料中难溶于水的含磷和钾的物质,来供给植物吸收利用。另外,这些细菌还能分泌出一些对植物生长有利的激素。在晚稻中使用复合菌肥能使产量提高10%,在红薯种植时使用菌肥可以增产20%以上。

“颜色”对化学的帮助

颜色在画家笔下可以绘制出形形色色的生动形象,给人以美的享受。随着科学事业的发展,颜色不仅在绘画上、装饰上具有不可或缺的地位,人们经过长时期的实践研究还发现了颜色更重要的作用,从而创立了光谱分析。光谱分析创立以后,科学家发现了一大批化学元素,并对以前发现的化学元素做了系统的检验。

正如任何一个发明都有漫长的历史一样,光谱分析的创立也有着悠久的历史。我们知道,金属离子在高温时发出不同颜色的光,在化学上这一现象称为焰色反应。早在1758年,有一位叫马格拉夫的科学家就注意到,在火焰上撒上钠盐,火焰就呈现黄色,撒上钾盐,火焰则呈现紫色。只不过他对这种现象还缺乏深刻的认识。实用光谱学是由科学家本生与基尔焰色反应霍夫在19世纪60年代发展起来的。

1858年,德国科学家本生在一次实验中,用镊子夹了一颗食盐晶体,放在“本生灯”(本生发明的火焰没有颜色的煤气灯)上灼烧,本来无色的火焰变成了亮黄色。火焰颜色的变化引起了本生极大的兴趣,于是他就把各种化合物一一放在灯焰上灼烧。

他发现凡含有钠的化合物都能使灯焰呈亮黄色。后来,他改用白金丝蘸一点钠溶液,在灯上灼烧,也能得到同样的结果。于是本生总结出灯焰变色是钠离子起的作用,他把亮黄色灯焰称为钠离子的特征焰。

本生坚信,自己已经发现了一种最重要的化学分析方法,而且这种方法能使化学分析过程大大简化。

本生按着自己的思路继续做实验,但是问题比意想的要复杂得多。最困难的就是复杂物质的各种焰色混合在一起,特别是钠的黄色火焰几乎把所有物质的火焰的颜色都掩盖了。

这该怎么办呢?

本生试着用各种滤光镜把各种颜色分开,效果比用肉眼直接观察好了一些。但还有许多问题解决不了,例如,紫红色的锂的火焰和洋红色的锶的火焰就十分难辨别,如两者混在一起就更难办了。

本生为这些问题所苦恼,他吃不好,睡不着,一连几昼夜钻在实验室里进行实验,始终找不到解决问题的办法。这时,他想起了一位最亲密的朋友—德国著名物理学家基尔霍夫。

基尔霍夫对本生的设想大加赞赏,并建议他用分光镜来观测各种化学物质的光谱。此后,本生开始与基尔霍夫密切合作。基尔霍夫负责改装分光镜,他们的第一台分光镜非常简陋。基尔霍夫把一架直筒望远镜和三棱镜联在一起,设法让光线通过狭缝进入分光三棱镜。这实际上就是本生和基尔霍夫共同发明的第一台“光谱仪”。

后来,二人经过大量的实验和进一步研究发现,任何金属离子都能使灯焰变色,每一种金属离子都有其特征焰,如钾离子的特征焰为紫色,锶离子为猩红色,钙离子为砖红色,钡离子为绿色。而且,本生和基尔霍夫还发现,金属及其盐类的火焰光透过三棱镜后被分成若干条不同颜色的线,每种元素的色线都按一定顺序排列在固定的位置上。就是几种盐混合以后进行灼热,其中各种元素特有的彩色线条和位置也不变。

光谱分析法对于化学这门学科的发展有着举足轻重的作用,它显示出极大的优越性,并在科研和生产中得到迅速推广。本生和基尔霍夫立即用他们发明的光谱分析新方法检验各种物质,1860年5月10日,他们在矿泉水中发现了新元素铯;1861年2月23日,他们在分析云母矿时,发现了新元素铷。后来,化学家们用他们的方法又发现了铊、铟、镓、钇、钬、铥、钐、钕、镨等元素。科学小链接本生灯本生灯是德国化学家本生为装备海德堡大学化学实验室而发明的,它是一种用煤气为燃料的加热器具。在本生灯发明前,因煤气燃烧不完全,煤气灯的火焰很明亮,但温度不高。本生将其改进为先让煤气和空气在灯内充分混合,从而使煤气燃烧完全,得到无光高温火焰。燃烧产生的火焰分三层:内层为水蒸气、一氧化碳、氢、二氧化碳和氮、氧的混合物,温度约为300摄氏度,称为焰心;中层煤气开始燃烧,但燃烧不完全,火焰呈淡蓝色,温度约为500摄氏度,称为还原焰;外层煤气燃烧完全,火焰呈淡紫色,温度可达800~900摄氏度,称为氧化焰。本生灯

燃烧的三要素

燃烧是一种化学现象,从化学的观点讲,燃烧是可燃物和氧化剂发生剧烈的化学反应,同时放出热和光的现象。

燃烧要有一定的条件才能发生,根据定义它必须同时具有可燃物和氧化剂,但光有这两种物质不一定会发生燃烧。例如,我们身上穿的衣服是可燃物,空气中的氧气是助燃剂,可是这并不会发生燃烧。导致燃烧的另一个重要条件,就是能够引起着火的点火源。这三者就是燃烧的必要条件,缺一不可。

然而这三个条件并不是充分条件,就是说每一个条件中还有一定的要求,否则三者具备也烧不起来。以下我们逐一讨论这三个条件。(1)可燃物

所谓可燃物,就是能够烧得起来的物质,以化学观点讲就是含有碳、氢等元素的化合物,特别是富含碳的化合物,如汽油、煤、酒精……但是在特定的条件下可燃物还应包括强还原剂,如金燃烧属铝、金属镁。过去在焊接铁轨时用的铝热剂,就是利用金属铝粉与氧的燃烧反应所生成的热使铁熔化的。

各种可燃物的易燃程度不同,因此常用一定的标准将它们划分为各种等级,以便人们在处理、运输或贮存过程中加以注意。

常用的标准中有根据闪点来划分的。所谓闪点,即明火接近易燃或可燃液体的液面时,在蒸气中发生一闪一闪而不能连续燃烧现象(闪火或闪燃)时的温度。由于闪点是可能引起火灾危险的最低温度,大部分国家均采用闪点来划分可燃物的危险程度。

闪点在28摄氏度以下的均为易燃危险品,如苯、乙醇。闪点愈低,危险性愈大,如丙酮闪点为-20摄氏度,乙醚闪点-45摄氏度,低沸点石油醚闪点为-55摄氏度。

还可根据可燃物的燃点来判断它们的危险性。所谓燃点即点火源接近可燃物使其着火并继续燃烧的温度。它与闪点有一定的联系,即闪点高,燃点也高。但闪点愈低,两者的差距愈小。一般的易燃液体,燃点比闪点高l~5摄氏度,闪点高达100摄氏度以上时,差值可达30摄氏度左右。

此外尚有根据自燃点标准来划分危险程度的。所谓自燃,即虽没有与明火接触,但连续加热,当温度升高至某一程度时,发生燃烧的现象,也称热自燃。引起这种现象的最低温度即为自燃点。自燃点一般比闪点和燃点高出许多。如石油醚的自燃点为246摄氏度。当然也有自燃点较低的可燃物,如二硫化碳的自燃点为112摄氏度,硝化棉的自燃点为180摄氏度。(2)助燃剂

最常见的就是空气中的氧气。氧气在空气中的体积含量为21%左右,是燃烧中最为普遍的助燃剂。然而当空气中氧气的体积浓度降低到14%以下,依靠氧气发生的燃烧反应就无法继续,这就为我们抑制燃烧提供了有力的帮助。

由于燃烧反应是强烈的氧化还原反应,因此除氧气之外,具有使其他物质迅速氧化的强氧化剂均会引起燃烧反应。如卤素中的氟、氯等强氧化剂。尽管没有氧参与,铁粉仍可以在氯气中持续燃烧。

有许多化学物品中含有较多的氧,一旦参与燃烧反应就是极好的氧化剂,如高锰酸钾、浓硝酸、重铬酸钾、过氧化氢等。在一些场合中,这些强氧化剂比空气中的氧更厉害,但往往又会被人们忽视。(3)点火源

点火源作为燃烧的必要条件,它必须具有足够的强度,以使可燃物被加热到燃点或者整个体系被加热到自燃点。最普通的点火源就是明火,如火柴、打火机、煤气灯、气切割枪焰……电火花也是引起火灾的罪魁之一,常常会有电路开启或切断时产生的火花而引起一场大火的事故。

自然现象中的雷电也会引起火灾,强烈的日光通过透镜的聚焦也可起到点火源的作用。最后还必须提到某些化学反应所积聚的能量也可成为点火源。例如,一些缓慢放热的氧化反应,若不及时疏散热量,热量积聚到一定程度就会发生燃烧,像堆积的干草和煤堆。又如,与水发生剧烈化学反应的物质,如金属钠、石灰等。因为不是明火往往不易被人注意,然而恰恰是这些化学反应释放的热能成为火灾的祸首。科学小链接火的利用早在50万年前,人类就学会了用火。在北京周口店中国猿人生活过的山洞里,人们找到了经火烧过的兽骨、草木灰和木炭。有的灰烬层达6米厚,显然是人类长期用火的结果。火的利用,使人类能更好地防御野兽的侵害,使人类结束了“茹毛饮血”的野蛮生活,并在后来学会了冶炼金属和制陶。火促进了生产的发展,也促进了人类文明的发展。周口店发现的含灰烬炭屑的沉积物

物质分离妙法

众所周知,水是一切生物赖以生存的基本条件之一,也是人类生存和发展的重要条件。我们每天都要喝水,所以饮用水的水质是否良好,直接影响着人们的健康。

作为生活饮用水,首先要对人体的健康无害,要不含病菌、病毒,不含有毒、有害物质。我国人习惯饮用煮沸过的水,沸水杀死了病毒和细菌,这是一个良好的卫生习惯。

煮沸过的水也不是完全纯净的,里面含有一些可溶性的矿物质。要想得到纯净水该怎么办呢?那就要用到物质分离法——蒸馏。

蒸馏是化学中常用的,能得到纯净物的方法。它根据各种物质沸点的不同,利用再冷凝来收集不同温度时蒸发的蒸汽,就可得到被分离的纯净物。

对水而言,1.325卡帕压力时纯水的沸点为100摄氏度,因此将水加热到沸腾,然后收集100摄氏度蒸汽冷凝下来的水即为蒸馏水,这样原先溶解在水中的杂质仍保留于蒸馏残液中。

用蒸馏的方法虽可将水中不挥发物蒸馏装置质如钠、钙、镁及铁的盐除去,但溶解在水中的氨、二氧化碳或者其他气体和挥发性物质则随着水蒸气起进入冷凝器,然后又溶入收集的水中。除去这类气体的一个有效方法是使水蒸气一部分冷凝,另一部分任其逸去,原溶解于水内的气体和挥发性物质即随逸出的部分被除去。

想得到纯度更高的蒸馏水,可将普通蒸馏水中先加入高锰酸钾的碱性溶液进行蒸馏,以除去其中的有机物和挥发性的酸性气体(如二氧化碳)。然后在所得的蒸馏水内加入非挥发性的酸(如硫酸或磷酸)再行蒸馏又除去氨等挥发性碱。这样制得的蒸馏水又称为重蒸馏水。

蒸馏在石油炼制、石油化工、基本有机化工、精细化工、高聚物工业、医药工业、日用化工及轻工业等部门得到了广泛的应用。

比如,石油炼制是用蒸馏的方法把原油按照沸点的高低分离为汽油、煤油、柴油、重油等产品。空气中氧气与氮气的分离也可以用蒸馏的方式进行。先将空气降温、加压,使之液化再进行蒸馏,此法能获得较高纯度的氧和氮。聚合级的乙烯、丙烯的生产也是先将炼厂气或裂解气压缩液化后,再进行蒸馏。科学小链接蒸馏操作的分类蒸馏操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏和特殊精馏,对较易分离或对分离纯度要求不高的物料,可采用简单蒸馏或平衡蒸馏;而对分离纯度高或难分离的物料,一般采用精馏的方法分离;而对于普通蒸馏方法无法分离或分离时操作费用和设备投资很大,经济上不合算时可采用特殊蒸馏(如恒沸精馏、萃取精馏、分子蒸馏等)。

溶解不了的物质

不少人喜欢将豆腐和菠菜同时放入锅中一起煮食。殊不知这种食法不仅影响人体对营养素的吸收和利用,时间久了,还有引发结石的危险。为何豆腐和菠菜不宜一起煮食呢?

这是因为制作豆腐的原料大豆含有较高的钙质,而且在豆腐制作过程中还要加入石膏或盐卤。石膏中含有硫酸钙,盐卤中含有氧化镁,而菠菜中含有较多的草酸。当你把豆腐和菠菜同煮时,豆腐中的钙、镁离子便会和草酸起化学反应,生成不溶于水的沉淀——草酸钙和草酸镁。草酸钙、草酸镁人体难以吸收和利用,而且还是体内结石的重要成分之一,因而久食可能引发结石。

那么,什么是沉淀呢?

沉淀是发生化学反应时生成了不溶于反应物所在溶液的物质。固体进入水中,在周围水分子的作用下,固体表面的分子或离子离开固体表面而进入水溶液的过程叫做溶解。豆腐和菠菜一起煮食会产生沉淀

如果只把溶解看成是一个简单的物理过程,溶解度可用单位体积溶剂中可溶解的物质的质量来表示。以水做溶剂时,则习惯上用100克水中最多可溶解的溶质的克数来表示该物质的溶解度。通常把常温下溶解度小于0.01克/100克水的物质称为“难溶物”,如硫酸钡、硫化汞等都属于难溶物质。

在实际工作中,人们所遇到的沉淀类型可粗略地分为两类。

一类是晶形沉淀如硫酸钡等;另一类是无定形沉淀。它们之间的主要差别是颗粒大小不同。晶形沉淀的颗粒直径约为0.1~l微米,无定形沉淀颗粒直径一般小于0.02微米,而凝乳状沉淀介于两者之间。

生成的沉淀属于何种类型,首先取决于沉淀物质本身的性质,其次与沉淀生成时的条件有密切关系。因此,我们必须了解沉淀的形成过程和沉淀条件对沉淀颗粒大小的影响,以便控制适宜的条件,获得符合要求的分析结果。

沉淀又是怎么形成的呢?

沉淀的形成过程是一个复杂的过程,这里只作简单介绍。在一定条件下,将沉淀剂加入到试液中,当形成沉淀的有关离子浓度的乘积超过其溶度积时,离子通过相互碰撞聚集成微小的晶核。晶核形成后,溶液中的构晶离子向晶核表面扩散,并沉积在晶核上,晶核便逐渐长大成沉淀微粒。

由离子聚集成晶核,再进一步聚集成沉淀微粒的快慢称为聚集速度。在聚集的同时,构晶离子又能按一定的顺序排列于晶格内,这种定向排列的快慢称为定向速度。如果聚集速度大,而定向速度小,即离子很快地聚集生成沉淀微粒,但是却来不及进行晶格排列,这时得到的是无定形沉淀。

反之,如果定向速度大,而聚集速度小,即离子缓慢地聚集成沉淀,而且有足够的时间进行晶格排列,此时得到的是晶形沉淀。科学小链接牛奶、豆浆加红糖产生沉淀牛奶和豆浆中的蛋白质含量都不少。这些蛋白质遇到较多的酸时,会立刻发生变性,在液体中沉淀下来。红糖是一种未经提炼的粗制糖,带有很多从原料中夹杂来的有机酸(像草酸、苹果酸、柠檬酸、酸性氨基酸等)。这些酸虽然人们尝不出来,但足以使牛奶和豆浆蛋白质发生变性沉淀。在鲜奶或豆浆中加入3%以下的红糖,因为含酸量较少还不至于发生沉淀(如牛奶、豆浆本身已不新鲜则也可发生沉淀);当红糖加到5%时,沉淀就很明显了。所以,喝牛奶、豆浆时应尽量使用白糖。

火灾爆炸的主要原因

顾名思义,火灾是由于建筑物、森林等物质资源着火燃烧,而给人们的生命、财产造成破坏的一种灾害。一旦着火的建筑物中有液化气罐,就会发生爆炸。爆炸时,人们会忽然听到一声巨响,会看到炸坏的罐体带着高温爆炸气体、火光和浓烟腾空而起。那么,生产、生活中的火灾爆炸的主要原因是什么呢?我们知道,燃烧是一种放热、发光的氧化反应。最初,氧化反应被认为仅是氧气与其他物质的化合。但现在则被理解为,凡是可使被氧化物质失去电子的反应,都属于氧化反应,如氯和氢的化合。氯从氢中取得一个电子,因此,氯在这种情况下即为氧化剂。这就是说,氢被氯所氧液化气罐爆炸引起燃烧化,并放出热量和呈现出火焰,此时虽然没有氧气参与反应,但发生了燃烧。又如铁能在硫中燃烧,铜能在氯中燃烧等。

然而,物质和空气中的氧所起的反应毕竟是最普遍的,是火灾和爆炸事故最主要的原因。

可燃性气体与氧混合后,之所以会引起爆炸,是因为可燃物与氧气在大范围内均匀混合,一经点火,局部发生的氧化反应热能迅速传播到整个体系而导致爆炸。

氧化反应得以维持的前提是能量源源不断地补充,如前所说燃烧中产生能量又去引发别的物质燃烧。因此,反应中的两种物质浓度必须满足它们在反应中的化学计量比例。若某一种物质的量少于一定的浓度,该反应也就难以连续而迅速地传播。

因此,可燃性气体的爆炸能否实现,取决于体系中的可燃物与氧的浓度是否达到一定的比例。可燃物太少不会引起爆炸,氧气太少也不会引起爆炸。这就出现了两个浓度限制,这两个浓度限制就是我们所谓的爆炸极限。

例如,氢气是可燃气体,它与空气混合可以形成爆炸性体系,一经点火即爆炸,但是它有爆炸极限,低限为氢的浓度为4.0%,高限为78%。也就是说,氢气在空气中的浓度超过4%或者低于78%均会引起爆炸,而在这两个浓度之外,虽经点火也不会爆炸。

同样,汽油蒸气也是可燃性气体,它的爆炸极限为1.4%~6%,苯的爆炸极限为1%~7.1%。

爆炸极限的概念对我们处理危险性可燃物时十分重要,若我们发现有可燃性气体溢出并与空气混合时,必须注意不能动用明火,包括开启电源开关等;同时,我们应立即通风排气以降低可燃物的浓度,使其低于爆炸极限。

例如,我们在家庭中发现有煤气(天然气)泄漏时就应该谨慎处理,切记不可动用明火。如果一间厨房的空间是12立方米,只要泄漏出0.2立方米的煤气(天然气),厨房里的空气就会形成爆炸性气体。一旦遇到火种,爆炸性气体就会立即燃烧爆炸。

液化气的着火温度比汽油低得多,因此当液化气遇到香烟头、灼热物体、金属摩擦撞击产生的火星或静电火花时,就能立即引起爆炸燃烧。而且液化气比空气重,泄漏时沉积在低洼处,不易飘散消失,浓度高时形成飘浮的白色云雾,遇明火即爆炸。科学小链接火灾探测器火灾探测器种类较多,常见的有感烟、感温、光辐射、可燃气体以及复合式探测器等。其中感烟、感温是目前我国用量较大的探测器。火灾探测器为什么能发现火情和自动报警呢?因为发生火情后会伴随着产生烟雾、高温和火光(光辐射),探测器内装的元件对这些都很敏感。探测器将火灾信号(烟雾、高温、光辐射)转换成电信号,输入自动报警器。报警器以声、光信号发出警报,同时发出灯光信号,显示火灾发生的部位和地点。

第三章 化学是元素的“大家庭”

写作文描写景物的时候,大家往往会使用这样的词:“青山绿水”、“黑土地”、“清新的空气”、“高楼大厦”……无论我们用了多少华丽或朴实的词汇,也难以说尽世界的多样性和物质的多姿多彩。先哲在观察周围世界时,领悟出一个道理:复杂的现象中包含着简单的因素,千差万别的物质只是由几种基本元素组成的。所谓元素,就是组成物质的基本单位。我们今天享受到的物质资源,都是由近一百种化学元素组成的。

门捷列夫的伟大发现

世界上成千上万的物体是由什么构成的呢?

这个问题,自古以来就吸引着人们的注意。现在我们知道,我们日常所接触的多得数不清的物体,都是由数目有限的近一百种化学元素构成的。

从化学组成的角度来看,这些物体可以分成两大类:一类是单质,即由一种元素组成的,如铅丝、铜块等;一类是化合物,即由两种以上的元素组成的,如水、食盐、化学肥料等。

化学元素是化学上最简单的物质。例如,水可以分解为氢和氧两种成分,食盐可以分解为氯和钠两种成分,化学肥料中的硫酸铵可以分解为硫、氧、氮和氢四种成分。而氢、氧、氯、钠、氮、硫则不能用化学方法再分成更简单的成分,它们都是化学元素。

随着工业的发展,新发现的化学元素像雨后春笋一样层出不穷。在19世纪初,人们已知道的元素是28种,之后的50年中,人类又发现了27种元素,几乎等于以前发现的元素总和。

新化学元素的发现完全是偶然性的产物。科学家库尔特瓦在研究海藻灰时,由于不慎把硫酸加多了,突然杯子上出现了紫色蒸气,凝结后成为黑色带金属光泽的结晶,于是,他无意中发现了碘。巴拉尔在试验盐卤时,通进氯气后,盐卤变成了棕色,从而分离出了溴。化学元素周期表

人类对化学元素达到今天这样的认识,经过了一个伴随着生产和科学发展的漫长过程。在这个过程中,人类对化学元素的认识是不断发展、不断深化的。

原子—分子学说的确立,使人类对化学元素的认识深入了一大步。按原子—分子学说,自然界中数不尽的物体都是由种类不多的元素的原子构成的。但是,自然界究竟有多少种元素?元素之间有没有规律可循?这个问题给化学家们带来了新的困惑。

帮助化学家们摆脱这种困境的,是19世纪60年代末,门捷列夫关于化学元素周期律的发现。

19世纪60年代末,俄国化学家门捷列夫在对当时已知的63种元素的相对原子质量、化合价和各种物理、化学特性进行了长期深刻的研究之后,他发现这些元素并不是一堆杂乱无章的东西,而是相互间存在着一种规律性的关系。

门捷列夫按照相对原子质量的大小依次把各个元素排列起来,他看到,元素的化合价和化学性质发生周期性地重复。

例如,在门捷列夫所排的周期表中,第一横行的锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟,这七种元素的性质是按照从金属到非金属的顺序变化的。锂是最强、最活泼的金属,铍是不大活泼的金属,硼的金属性很弱,碳是介于金属和非金属之间的过渡元素,氮是不活泼的非金属,氧是活泼的非金属,氟是最强、最活泼的非金属。

第二横行的钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯等七种元素,就基本上重复了第一横列的七种元素的性质。周期表中每一纵列的各元素构成一族,它们的化合价相同,相对原子质量依次增大,化学性质也依次增强或减弱。例如,在第一族中,锂和水反应时很平静,钠则反应得很猛烈,而钾和水反应就会出现火光。

元素的化学性质依核电荷数增加的顺序而发生周期性变化的规律,就是元素的周期律。在元素周期律的指导下,利用元素之间的一些规律性知识来分类学习物质的性质,就使化学学习和研究变得有规律可循。

元素周期律第一次使人们在认识化学元素方面具有了科学预见的能力。当年,门捷列夫根据元素周期表中未知元素周围的元素和化合物的性质,经过综合推测,成功地预言未知元素及其化合物的性质。现在科学家利用元素周期表,指导寻找、制取半导体、催化剂、化学农药、新型材料的元素及化合物。科学小链接相对原子质量科学家规定:以一个碳原子(指碳12)重量的1/12为标准,其他的原子重量同这标准相对照得出相对重量,称为这个原子的相对原子质量。就是说,用一种原子的重量来衡量另一种原子的重量,两种不同原子重量的比,才是相对原子质量。所以,相对原子质量是没有单位的。例如,氢的相对原子质量等于1,碳是12,氧是16,钠是23等,这在化学计算等方面很有用。

“活命空气”的发现

氧气是动物赖以生存的物质基础。没有氧气,也就不会有千姿百态的动物世界,当然更不会有人类。因为人如果没有氧气,六七分钟便会死亡。虽然它时时刻刻地“出入”我们的身体,无孔不入;虽然它的脚步走过世界的每个角落,无处不在,可是,直到1772年和1774年,舍勒和普利斯特里才各自独立发现了氧气的存在。而其间的过程也是一波三折。

瑞典杰出的化学家舍勒幼年时家境十分清寒,他的兄弟姐妹很多,这更增加了家庭的经济负担。因无钱上学读书,14岁时,舍勒便到一家药店当学徒,开始自食其力的生活。

舍勒聪明好学,又有坚强的意志,在三年学徒中,他自学了当地图书馆里的全部化学书籍。这大大充实了他的基础知识,扩大了他的视野。舍勒还有一个很大的优点就是对实验有着浓厚的兴趣,非常喜欢动手做实验。舍勒(1742—1786)和普利斯特里(1733

1772年秋季的一天,舍勒—1804)在实验室里正埋头做制取硝酸的实验。他把硝石(硝酸钠)和矾油(浓硫酸)放入曲颈甑里进行高温蒸馏,并用盛石灰水的猪尿泡吸收放出来的棕色气体。他无意中把点燃的小蜡烛伸进猪尿泡,可是烛火不但没有熄灭,反而发出耀眼的光芒,这可把舍勒吓了一跳。

他苦苦思索、反复实验,结果都一样。于是他得出一个结论:猪尿泡里有一种未知的无色气体。

舍勒继续用其他药品进行实验,如加热硝石、硝酸汞或把二氧化锰与浓硫酸混合加热,都可以制得能使点着的小蜡烛发出更亮光芒的神奇气体。舍勒把这种神奇的气体取名为“火气”(即氧气)。

接着他又做了许多实验,发现“火气”在空气中也有,且占空气体积的1/5。后来,他把这一系列实验的结果写进了一本名叫《火与空气》的书中。

无独有偶,正当舍勒精心做自己的实验的时候,英国人普利斯特里也在做他的探索实验。

普利斯特里的父亲是一个裁缝,家中生活也很贫困,他一度辍学打工。普利斯特里养成了许多优良品质,如从小就爱动脑筋,遇到不明白的事情总要问个为什么。

有一天,普利斯特里跟着叔叔到啤酒厂参观。一走进发酵车间,他就被那高大的木桶吸引住了。他爬上梯子,趴在桶边看里面正在发酵的液体。“不要对着啤酒汁呼吸,你会晕过去的!”同来的伙伴一边说一边点燃了一根细木条。他把木条伸进酒桶,火立刻熄灭了。普利斯特里惊异极了。这是什么原因呢?

转眼二十多年过去了,普利斯特里已成为哲学博士,但他仍然没有忘记啤酒桶里那奇怪的气体,他要研究空气。

有一次,普利斯特里将一只小老鼠扣在玻璃钟罩里,又把一根点燃的蜡烛放进钟罩。一会儿,蜡烛熄灭了。小老鼠在钟罩里乱串乱跳,很快就死了。

植物在这种空气中会怎样呢?他又把一盆花放进钟罩,同样放上一支点燃的蜡烛。结果蜡烛熄灭了,花却毫无变化。

第二天一早,他还意外地发现,花不仅没有死,反而又开了一朵。他将点燃的蜡烛放进钟罩,蜡烛继续燃烧。经过反复实验,普利斯特里终于发现,动物呼吸、啤酒发酵都会产生出“固定空气”(即二氧化碳气体)。而植物在阳光下能吸收“固定空气”,放出帮助生物呼吸和物质燃烧的“活命空气”(即氧气)。

为了得到“活命空气”,普利斯特里开始使用各种方法制造气体。1774年8月1日,他用一个很大的透镜把阳光聚焦,投射到放在玻璃瓶中的水银灰(即氧化汞)上,突然水银灰粉末轻轻浮动起来,有气体产生了。

普利斯特里将点燃的木条伸进充满了这种空气的瓶中,木条立刻放出明亮的光。他拿出木条,将火熄灭,再插到瓶里,木条又燃烧起来。“是活命空气!”他高兴地叫了起来。他又把两只小老鼠放进充满这种气体的瓶子里,小老鼠自由自在地跳着。普利斯特里决定亲自尝一尝这种气体,他一连吸了几大口,顿时觉得心神特别轻松舒畅。

普利斯特里经过多次试验,确定空气中有1/5的气体是“活命空气”。他把自己的发现告诉了法国化学家拉瓦锡。拉瓦锡重复了普利斯特里的实验,确认这是一种新的气体,并正式给它命名为“氧气”。科学小链接氧气的存在氧是地壳中含量最丰富、分布最广的元素,它在地壳中的含量为48.6%(重量),单质氧在大气中占23%。氧在水中占88.8%,在人体中占65%。大气中的氧气虽不断地用于动物的呼吸、燃烧及其他氧化过程,但由于植物的光合作用能把二氧化碳转变为氧气,就使大气中的氧气的浓度几乎保持不变。氧原子有三种稳定同位素,即氧16、氧17和氧18,其中氧16的含量最高,为99.759%。

“无用空气”的作用

我们周围的空气是一个“大杂院”,里面有氮、氧、二氧化碳、氢、氖以及水蒸气等气体。其中含量最多的是氮气,它占空气总体积的78.16%,氧气只不过占空气总体积的20.99%。而二氧化碳、氢、氖和水蒸气等所占的体积同氮气相比,那就更少了。纯净的氮气在常温下是无色无味的气体,比空气稍轻一些。在零下195.8摄氏度时,氮气成为无色的液体。如果温度下降到零下210摄氏度以下,液体氮还会凝结为雪花般的白色晶体。在生产中,人们通常采用灰色钢瓶盛放氮气。氮气的性质很不活泼,既不像氢气那样能燃烧,又不像氧气那样能助燃,平时也很难同别的物质结合在一起。人类认识氮气经过了一个漫长的历史过程。在很长时期里,人们以为空气是一种单一元素,到了1771年,瑞典化学家舍勒发现空气里有两种成分,一种能助燃,舍勒叫它“火焰空气”;一种成分不能助燃,舍勒叫它“无用空气”。后来科学家们又发现,“无用空气”也不是单一的成分,它含有多种气体,其中绝大部分是氮气。氮气真的是“无用空气”吗?不是的!拿电灯泡来说吧,它的灯丝是钨丝,虽然钨的熔点高达3410摄氏度,是最难熔解的金属,但是,在电灯泡点亮,灯丝温度高达2200摄氏度以上盛放氮气的钢瓶时,灯丝便容易蒸发。人们利用氮气不容易和别的东西化合的特点,把它充进灯泡里,便可以减慢钨丝蒸发,延长灯丝的使用寿命。

防止存放在粮仓里的粮食发霉、虫蛀是最费劲的事儿。如果把氮气充进粮仓里,粮食在低氧高氮的环境中便不会发霉、发芽。老鼠和蛀虫在氮气中不能生存,也就无法捣乱了。现在,博物馆里也常常用氮气来珍藏名贵的书画,以免虫蛀、霉蚀。

另外,氮气还可以用来切割金属。在激光束能量的作用下,材料表面被迅速加热到几千乃至上万度而熔化或气化,随着气化物逸出和熔融物体被辅助高压气体(氧气或氮气等)吹走,切缝产生。

在切割的实际操作中有氧割和氮割之分,在保持同样切割精度前提下,氧割热量大、速度快,但是切边有褐色、薄氧化层;氮割需要用高压氮气,速度慢、成本高,但切边无氧化,呈银灰色,可以直接进行焊接。氮割常用来切割要求较高的不锈钢类材料。

更有意思的是,氮气在高温下十分活泼,能和许多东西化合。例如,将氮气和氢气同时送进又高又大的合成塔,在催化剂的帮助下,经过高温、高压等一系列处理,它们便化合成氨。

农业生产上常用的化肥如硫酸铵、尿素、氯化铵、硝酸铵、碳酸铵、磷酸铵等,无一不是用氮为原料制成的。不仅如此,氨还是制造五颜六色的各种染科、消炎药磺胺、合成纤维、塑料制品以及黄色炸药——TNT等的重要原料。

氮有这么多的用途,怎么能说氮气是“无用的空气”呢?但是,这也不能责怪舍勒。人们对自然界的任何事物都有一个认识过程,而且人们的认识能力又是和社会生产及科学技术条件紧密相关的。随着科学技术的发展,有许多在今天看来是无用的东西,说不定在将来大有用处呢。科学小链接氮肥发现氮气之后,人们一直认为其性质稳定,不能发生化合反应生成化合物,难以利用。1849年,科学家发现豆类植物的根上寄生着一种细菌,能吸收空气中的氮气,变为氮的化合物而供植物吸收,这时氮气才引起了农业化学工作者的注意。人们注意到含氮化合物是植物最需要的物质之一,因之提出“氮肥”这一概念。最好的氮肥是硝酸钠,产于南美洲的智利,因此也被称为“智利硝石”。

最轻元素的高超本领

学化学的同学没有不知道“氢”这个元素的。可是,你知道吗,人类认识氢元素花费了几代科学家的心血。在四百多年前,人们甚至“捉”住了它还不知道它是什么。

16世纪末,瑞士化学家巴拉采尔斯把铁片投进硫酸中,铁和硫酸顿时发生了激烈的化学反应,放出许多气泡——氢,可是巴拉采尔斯还不敢确认它就是一种化学元素。直到1783年,氢才被确认为是一种化学元素。可见,在科学上研究一种现象、揭示一个真理是多么艰难。

氢气是无色、无臭的气体。在大自然里,氢和其他许多元素结合在一起分布极广。水中含有11%的氢,泥土里约有1.5%的氢,石油、天然气、动植物等都含有氢。

氢气是最轻的气体。在0摄氏度和一个大气压下,每升氢气只有0.09克重,只有相同体积的空气重量的1/14。

1780年,法国化学家布拉克把氢气充进猪膀胱,制成了世界上第一个,也是最原始的氢气球,使它冉冉飞向天空。现在,有些气象台站几乎每天都要放几个巨大氢气球,用它们把仪器带上天空,探测高空风云的变化。氢气球节日里,人们还用五颜六色的氢气球增添欢乐气氛。

在希腊文里,氢这个字的原意是“水的生成者”。可是在常温下,氢气和氧气很难化合成水。氢气和氧气化合时,能放出大量的热。

在工业上,氢气常常被用作气体燃料,如氢氧焰的温度高达2500摄氏度,可用来焊接或切割钢板。氢气也是重要的工业原料,氢气与氮气化合可以制成氨;氢气与氯气化合可以制成氯化氢,氯化氢溶于水便成为盐酸;用氢作还原剂还可以提炼高纯度的钨、钼、硅等;许多种液态的油,用镍作催化剂,再通入氢气,可以变成固态,这叫做油脂氢化。

氢气的本领高超,神通广大,资源丰富,引起了人们极大的兴趣,吸引着人们去研究、去探索。

科学家们认为,氢气将是一种取之不尽、用之不竭的新能源。而且用氢气做燃料有许多优点:一是干净,因为它与氧气反应只能生成水,不像石油、煤、天然气那样会生成污染环境的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫及颗粒粉尘等;二是储运方便,它既可以液态储藏于罐中,也可以气态用管道输送;三是发热效率比其他燃料都高。

由于氢气很难液化,在目前的技术条件下,制取液态氢气的成本极高,所以还不能广泛用它作燃料。科学小链接金属氢

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