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第20章 千变万化:身边的化学故事(1)

缓解疼痛的“笑气”

最早的麻醉剂要追溯到东汉末的“麻沸散”,它由杰出的医学家华佗所创造。1799年,英国化学家戴维牙痛得厉害,当他走进一间充有“一氧化二氮”气体的房间时,牙齿忽然不感觉疼了。好奇心使戴维作了很多次试验,从而证明了一氧化二氮具有麻醉作用。由于这种气体能引人发笑,所以被称为“笑气”,这可能是西医使用的最早的麻醉剂。美国牙科医生维尔斯用笑气做麻醉剂,成功地给不少患者做了拔牙手术。可是,1844年的一天,维尔斯在美国波士顿城作拔牙公开表演时,由于笑气用量不足,手术没有成功,病人痛得大声呼叫,一群保守的人就此把维尔斯当做骗子,将他赶出了医院。

当时,维尔斯有个学生名叫莫顿。一个偶然的机会,莫顿听到化学教授杰克逊说,有一次在做化学实验时,他不慎吸入一大口氯气,为了解毒,他立即又吸了一口乙醚。不料,开始他感到浑身轻松,可不一会便失去了知觉。杰克逊的话让勤于思索的莫顿深感兴趣,他大胆设想,能否用乙醚来作为一种理想的麻醉剂呢?于是,他便动手在动物身上试验,以后又在自己身上试验,结果证明乙醚的确是一种理想的麻醉剂。当时,莫顿还是医学院二年级的学生。后来,莫顿正式将乙醚用于手术中,病人在手术时一点也不觉得疼痛。

莫顿成功了,他提出了申请乙醚麻醉的专利。可是,维尔斯和杰克逊都认为专利应该属于自己,由此引发了三人之间旷日持久的发明权之争。这场官司把三个人折磨得精疲力竭,最终,维尔斯自杀,杰克逊得了精神病,而莫顿因脑溢血而去世。这不能不说是科学史上的一大遗憾。

19世纪中期,北爱尔兰的学者辛普森首次尝试使用氯仿作为麻醉剂为病人进行手术取得了成功。后来,威廉·梅斯文改进了辛普森的麻醉方法,他使用导管让氯仿气体直接输入病人的气管。至今,这一方法仍被乙醚、氯仿全身麻醉术所沿用。

肥皂的传说

五千多年前的一天,古埃及国王胡夫正在设宴招待客人。这时,厨房里忙得热火朝天,可在忙乱中偏偏出了差错,一位粗心的厨师不小心踢翻了油灯,油洒了一地。伙夫们都赶来收拾场地,他们用手将沾有油脂的灰捧到厨房外扔掉,再到水盆里洗手。这时他们意外地发现手洗得特别干净。当国王知道这件事后,就吩咐手下人做出沾有油脂的炭饼,放在洗漱的地方,供客人使用。这也许就是肥皂的雏形。

无独有偶,古罗马人的肥皂也经历了同样的命运。起初,古罗马人用羊油脂和山毛榉炭灰压制成一种称做“萨波”的物质,用来把头发染成浅棕红色。后来,有一次罗马人在节日里忽然遇到大雨,头发被淋湿了,人们却意外地发现头发比以往洗得更干净了。从此,罗马人便将“萨波”作为清洁剂来使用。

公元70年,罗马帝国学者普林尼第一次用羊油和草木灰制取块状肥皂获得成功,罗马开始了肥皂生产。其后,这种制皂方法传到希腊、英国等地,俄国的皇帝彼得一世也学到了这门技术,他规定只有贵族才能使用肥皂,农奴如果使用便会受到惩罚。

后来,这项技术在欧洲逐渐传播开来。到了公元2世纪,肥皂已成为专门用来清洗的物品。8世纪,大多数的南欧国家已经开始生产肥皂了,法国的马赛和意大利的热那亚、威尼斯、萨沃纳等地都是生产肥皂的主要城市,因为这些地方有橄榄油和苛性碱,原料来源方便。公元1000年后,西班牙的肥皂制造业已成为一种重要的行业。尽管在当时肥皂已被广泛使用,但仍属价格昂贵的奢侈用品,普通家庭是买不起的,他们一般还是在自制“软皂”,把动物油和桦木灰混合起来,就制成了简易的肥皂。

直到1791年,法国化学家卢布兰通过用电解食盐的方法制成烧碱,木炭洗手的秘密才被揭开,肥皂的成本大为下降,肥皂才逐步进入了普通百姓家庭。19世纪初,合成碱被发明出来,这就使大规模地廉价生产肥皂成为可能。到了19世纪20年代,大规模的制碱法出现了,从此肥皂价格下跌,成为普通家庭的生活必备品。

如今,日用洗涤剂花样很多,尤其洗衣粉广告大战使得洗衣粉的位置与日俱增。肥皂虽然古老,但是仍不过时,而且有它的独到之处。这一点在日常生活当中,人们还是深有体会的,它不仅不会被其他洗涤品所替代,反而会有更大的发展和更广泛的运用。

细美的纤路———尼龙

在尼龙未发明之前,人们的衣服只有两种质地:一种是丝做的,一种是棉做的。长久以来,人们希望有一种新的面料能够代替天然的丝和棉,历史的契机给了美国的科学家华莱士·卡罗瑟斯。

卡罗瑟斯于1896年4月27日出生在美国的柏灵顿。1914年,他中学毕业后,来到了得梅因商学院学习会计,他对这一专业并不感兴趣,倒是对化学等自然科学情有独钟。鉴于此,一年后他转入了一所规模较小的学院学习化学。1924年,他获得伊利诺伊大学的化学博士学位,后来到哈佛大学教授有机化学,但性格内向的卡罗瑟斯并不适合从事教学,1928年,卡罗瑟斯接受美国最大的化学工业公司———杜邦公司的聘请,在那里搞基础科学研究。

卡罗瑟斯来到杜邦公司的时候,正值国际上对德国有机化学家斯陶丁格提出的高分子理论展开激烈争论的时候。卡罗瑟斯赞同并支持斯陶丁格的观点,他决心通过实验证实这一理论的正确性。因此,一到杜邦公司,卡罗瑟斯就把对高分子的探索作为有机化学部的主要研究方向。

1931年,卡罗瑟斯和他的研究小组发现,当某种物质的分子聚合度大于一定数值后,它可以纺成丝,冷却后可得到有一定韧性的可以拉长好几倍的纤维状细丝,这种发现启迪了卡罗瑟斯的思路:纤维丝可不可以替代蚕丝等天然纤维来纺织呢?卡罗瑟斯和他的助手们经过两年的努力,合成了上百种尼龙纤维。1935年,他们终于发明了一种柔韧性能好、抗拉强度高的合成纤维,这就是被命名为尼龙66的产品。

由于尼龙66是利用易从空气、水、煤或石油中提炼的化学元素碳、氢、氮、氧来合成的,所以它的生产成本比较低。为了把尼龙变成产品,杜邦公司投入了大量的人力、物力,花费了2700万美元和230名化学家及工程师的心血,世界上第一种尼龙制品———长筒女袜于1940年问世了。

尼龙制成的袜子颜色亮丽、结实而且有弹性,一上市就受到了女性消费者的青睐。人们曾用“像蛛丝一样细,像钢丝一样强,像绢丝一样美”的词句来赞誉这种纤维。此后,尼龙热潮席卷全球,其他以尼龙为原料的产品层出不穷,从丝袜、衣着到地毯、渔网等,以难以计数的方式出现在人们面前。尤其是第二次世界大战之后,尼龙因其特性和广泛的用途,迅速发展成为最重要的合成纤维制品。

如今,尼龙已成为工程塑料中最大、最重要的品种,被广泛用于汽车、电子、纺织、体育用品、办公用品和家电部件等行业中,而且,对尼龙产品高性能的要求也推动了相关产业的飞速发展。伴随着纳米尼龙的出现,我们相信尼龙的前景将会更广阔。

出汗的铁盒

我们现实生活中常见的也是与我们的生活最密切的。我们都知道水是由氢氧组合而形成的,然而在古代,人们是不知道的。这个“秘密”直到1781年才被化学家卡文迪什发现。

卡文迪什出身贵族,家里几代都是大官,他父亲死后还给他留下了百万英镑的遗产,但他丝毫不贪恋奢华的生活,而是把献身科学作为人生的最高理想。

有一段时间,他专门对氢气进行研究。一次,他把氢气和空气混合在一起,放在一个容器里,用电火花点燃,突然,猛烈的爆炸使容器炸坏了,他自己也差点儿受了伤。

容器里充满氢气,看上去仍是空空的,点燃却能爆炸,像是塞满了炸药。这个奇怪的试验,引起人们极大的兴趣,很快成为魔术表演中的一个新节目。

这一天,卡文迪什利用难得的休闲时间上街,在街上走的时候,他心里还想着化学。

正在他思考的时候,突然一声巨响,把他从沉思中惊醒过来,原来是流浪街头的魔术师在表演氢气爆炸。

他好奇地走了过去,只见魔术师拿着表演用的铁盒子,边让观众看,边煞有介事地宣扬说:

“先生们请观看,这叫‘铁盒出汗’。”

观众好奇地凑上去看,果然见在铁盒的壁上布满了细小的液滴。大家议论纷纷,感到十分奇妙。

对这个有趣的现象,卡文迪什没有一笑了之,而是陷入了深深的思考之中。

他立即赶回实验室,把氢气和氧气混合,进行点燃试验,结果发现,每次爆炸,容器的四壁上都会出现小液滴。

于是,卡文迪什就把这些小液滴收集起来,进行化验,证明这些小液滴是纯净的水。

水滴又是从哪里来的呢?

难道是容器没有擦干造成的?卡文迪什特意把一个容器擦得干干的,进行实验。爆炸后,容器上仍有水滴出现。

这些水滴肯定是与氢气有关系的,卡文迪什认真地琢磨起来。他反复地进行研究和实践,终于弄清楚了,原来,水滴是由氢气和氧气在爆炸的极短时间内化合而成的。

卡文迪什的这个发现,揭开了物质化合的奥秘,为化学研究开辟了一个新的纪元。

汽车会喝酒

初春的一天,阳光灿烂。

实验中学的一帮学生,到省城参加知识竞赛。一路上,同学们有说有笑,好不热闹。

车快到省城时,只听驾驶员师傅说了一句话:“完了”,汽车也就“嘎”地一声停了下来。

“什么完了?”同学们都惊愕地问。

“汽车的燃料用完了。”司机一边说着话,一边伸手去开车门。

“那就快点加汽油哇!”同学们催促着。

“我可没带汽油。”司机师傅似乎有点漫不经心地说。

“那可怎么办呀!”同学们焦急起来。

“请同学们别急,我自有办法。”司机一边回答,一边从驾驶室里取出一样东西。

只见那东西呈冻胶状。司机师傅像切豆腐似地用小刀将它划碎,然后将小碎块一点一点地装进汽车的燃料箱。

一切干罢,司机师傅回到驾驶室,一按电钮,只见“丝丝”几声,汽车像离弦的箭,往省城方向驶去。

司机师傅的一连串动作,令中学生们惊愕不已。他们真想问个为什么。

汽车到达目的地后,同学们便围住司机师傅,七嘴八舌地问开了。

司机师傅听完大家的话,微笑着说:“同学们,我是一个化学迷。刚才那种情景是不是像‘汽车喝酒’,其实呀……”司机师傅开始一五一十地向同学们讲开了。

“刚才大家看到的‘汽车喝酒’的事儿,其实也并不是什么新玩艺儿。同学们都知道,汽车所用的燃料———汽油,本是由石油蒸馏提炼加工而成的。石油是天然产生的埋在地底下的各种碳氢化合物的混合液体。由于长期不断地开发,现在世界上石油蕴藏量越来越小,能源很紧张。有些国家为了解决能源缺乏的困难,就把乙醇掺入汽油混用,乙醇就是酒精。汽油掺进酒精,就成了混合燃料,它有一股难闻的气味。”

“这种混合燃料是怎么被人们发现并开始使用的呢?”有的同学不解地问道。

司机师傅微笑着看着大家,又说:

“这个问题首先是在美国攻破的。有一次,美国一个地方举行汽车赛跑,有一辆汽车夺得了冠军,这辆汽车所用的燃料是甲醇。甲醇和乙醇可以说是两‘兄弟’,但甲醇比乙醇更易燃,它完全可以代替汽油使用,并且不产生废渣,不造成污染。甲醇类似酒精,制造很方便,原料来源很广,像草木、煤、沼气和垃圾等,都可以用来制造甲醇,所以能大量生产。有不少国家都正在以醇代油,这可以套用两句古诗来说:山穷水尽疑无路,柳暗花明又一‘醇’。”

中学生们听了司机师傅的一番话,都觉得挺新鲜。

有的大声问道:“甲醇既然类似酒精,又能大量的生产,是否可用它作酒供人饮用呢?”

“那可使不得!”司机急忙摆手说。

“甲醇的化学符号是CH3OH;乙醇的化学符号是C2H5OH。两者同为‘醇’,但甲醇有毒,成人只要喝10毫升,就会双目失明,喝30毫升,就能致死。”

听完司机师傅的话,有的同学伸了伸舌头。

“那你刚才用刀子切成一小块一小块的往燃料箱里装的是啥东西?”有的同学又问道。

“那叫‘变性酒精’,是在乙醇里掺进一点甲醇制成的,也可作燃料。”司机师傅边说边打开驾驶室的门,从座位底下取出一只纸盒,打开让同学们看了看。只见这种变性酒精是像山楂糕一样的冻块。待同学们看罢,司机师傅稍一思索,又接着告诉大家:

“也许是山楂汁凝结现象给了科学家某种启示,因为酒精、汽油一碰到火就会燃烧起来,而且它们又极容易流动,只要有一点缝隙就会流出去。这在使用和储存上都给人们造成很多麻烦和危险。为了解决这个问题,化学家们经过一番研究,终于找到了一种凝固剂,使酒精或汽油在常温下可以冻结,不信,你们在酒精或甲醇里加入少量的醋酸钙饱和液不断搅拌,就会使它凝成冻胶状,而在汽油里加入镁粉和橡胶,搅拌到一定程度,汽油也会变成胶状。”

“那么,用这种冻胶状的东西作燃料,把它装进地雷、燃料弹和火焰喷射器里,岂不更好!”有人欢快地说。

“你们真会联想!”司机师傅乐了,指着同学们说:“今后科学发明全靠你们了。”

同学们在省城参加了两天激烈紧张的知识竞赛。临回来前一天,领队的王老师告诉大家:

“明天我们去看大型爆破。”

听说要去看大型爆破,男同学都不亦乐乎,而几位女同学显得有点紧张和害怕。

爆破地点位于繁华的闹市区。同学们跟随着工程师来到工地,只见一座混凝土结构的废建筑物耸立在一幢厂房附近,而且离高压线很近。

如何爆破掉这座废建筑而又不危及近邻呢?同学们的心都提到了嗓子眼上。

只见一位工人把一个药包塞入预先在这幢废建筑物内打好的洞中,然后牵出一根用来引燃的导线,再用快凝砂浆封堵洞口。

一切完毕,指挥人员一声令下,通电引燃,那座庞然大物便悄无声息地四分五裂,垮了下来。废建筑物的基础碎裂,顶部倒向预定的空地上,既无强烈震动,也无硝烟、飞石,确实安全可靠。

同学们看了,一颗颗提着的心落了地。

有好奇的同学问工程师:“师傅,这股神奇的力量是怎样形成的?”工程师扶了扶眼镜,说:

“道理是这样的,装入洞内的药粉,是按一定比例混合了的铝粉和二氧化锰;不用二氧化锰,用氧化铜亦可。引燃时,二者进行化学反应,放出热量产生高达2760℃左右的膨胀气体,将混凝土结构胀裂。当裂缝中钻入空气后,温度立即降低,膨胀力减弱。只要药量控制适当,就能使混凝土结构仅仅被胀裂,而不致发生爆炸,从而保证了爆破物周围的安全。”

工程师讲到这里,便写了两道化学反应方程式给同学们看:

4Al+3MnO22Al2O3+3Mn+221卡(热量)或2Al+3CuOAl2O3+3Cu+432卡(热量)工程师又接着向同学们解释说:

“无声爆破剂虽比炸药的威力小很多,但人们正好利用其膨胀力大于混凝土和岩石的强度,使它达到无声胀裂破碎的理想效果。”

工程师还向同学们介绍道:

“‘无声爆破’法不仅用于建筑物的拆除,还可用在开采大理石、花岗岩和汉白玉方面。以往使用炸药爆破,一般成材率为30%左右;使用无声爆破剂,就是实行胀裂‘切割’,成材率则高达90%以上,而且成本只及炸药的一半,非常合算。”

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