书城教材教辅中外化学故事
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第14章 趣味横生:化学反应故事(7)

我们知道,醋之所以是酸的,是因为醋中含有醋酸,而醋酸还与当代社会的毒瘤———毒品泛滥有着不解之缘。酸脱水后的物质叫做酸酐。醋酸酐无色但有刺激性气味,通常用于制作化学药品和醋酸纤维等,但它同时又是生产海洛因不可缺少的配剂。据悉,每生产一公斤海洛因,必须用25公斤醋酸酐作合成制剂。中国边防警察就曾多次破获从国内向境外“金三角”“金新月”等毒品产地大宗走私醋酸酐的涉嫌贩毒案件。

醋酸的学名叫乙酸,是一种有强烈刺激性气味的无色液体,对皮肤有腐蚀作用。乙酸易溶于水和酒精。当温度低于166℃时,乙酸就凝结成像冰一样的晶体,所以无水乙酸又称冰醋酸。

乙酸的分子式是C2H4O2,它的结构式是:

CH3COH

简写为CH3COOH。

乙酸具有明显的酸性,在水溶液里能部分电离,产生氢离子:

CH3COOH幑幐CH3COO

+H+

乙酸是一种弱酸,但比碳酸的酸性强,具有酸的通性。

在有浓硫酸存在并加热的条件下,乙酸能够跟乙醇发生反应,生成有香味的无色透明油状液体乙酸乙酯。由于反应生成的乙酸乙酯在同样的条件下,又能部分地发生水解反应,生成乙酸和乙醇,所以反应是可逆的。乙酸乙酯属于酯类化合物的一种。我们知道,像这样酸跟醇起作用,生成酯和水的反应叫做酯化反应。

乙酸是一种重要的化工原料,用途极为广泛,可用于生产醋酸纤维、合成纤维(如维纶)、喷漆溶剂、香料、染料、医药以及农药等。

工业上制取乙酸的方法有多种。过去用发酵法制乙酸,即用含糖类物质发酵制乙醇,乙醇经过发酵被氧化成乙醛,乙醛进一步被氧化,即制得乙酸。食醋就是这样制取的。目前大都采用乙烯氧化法。乙烯氧化法生产乙酸的原理是:使乙烯在有催化剂如氯化钯(PdCl2)和氯化铜(CuCl2)存在的条件下,跟氧气发生反应,生成乙醛;乙醛再在催化剂如醋酸锰[(CH3COO)2Mn]的作用下,被氧化生成乙酸。反应的化学方程式如下:

催化剂

2CH2CH2+O2→2CH3CHO催化剂2CH3CHO+O2→2CH3COOH这种方法的原料是乙烯,可以从石油加工产品中获得,来源很丰富。

生产乙烯的工艺不断改进,近年来又发展起来一种新的生产乙酸的方法———烷烃直接氧化法。直接氧化法又叫丁烷氧化法。这种方法的主要原料是石油炼制所产生的低沸点烷烃(主要是C4~C6馏分)。这些低沸点烷烃在一定的温度、压强和催化剂存在的条件下,被空气中的氧气直接氧化,生成乙酸。

在有机化合物里,有一大类结构跟乙酸相似的化合物,分子里都含有羧基官能团(-COOH),因而它们具有跟乙酸相似的化学性质,如有酸性、能发生酯化反应等。我们知道,这类在分子里烃基跟羧基直接相连接的有机化合物叫做羧酸。根据羧基所连接的烃基不同,羧酸可以分为脂肪酸(如乙酸)和芳香酸(如苯甲酸C6H5—COOR)。此外也可以根据羧酸分子中含有羧基的数目来分类,含有一个羧基的叫一元羧酸,含有两个羧基的叫做二元羧酸。在一元羧酸里,烃基含有较多的碳原子的酸为高级脂肪酸,如硬脂酸(C17H35COOH)、软脂酸(C15H31COOH)和油酸(C17H33COOH)等都是重要的高级脂肪酸。

古罗马灭亡的元凶

古罗马帝国曾经称霸一时,然而,鼎盛时期仅100多年,古罗马帝国就很快走向了灭亡。这是为什么呢?科学家认为,古罗马帝国是铅污染的牺牲品,因为在古罗马人的遗骸中含有大量的铅。科学家们这样说不无道理,古罗马贵族惯用铅制器皿(瓶、杯、壶等)和含铅化合物的化妆品,从而导致慢性中毒死亡。古罗马帝国的平民虽说不能享用高级铅器皿,又不使用化妆品,但古罗马人曾经拥有古代人类最先进的给水系统和排水系统,而当时用于输送饮水的管道是用铅做的。古罗马人的饮水中富含二氧化碳,与铅发生化学反应生成可溶于水的酸式碳酸铅,其中的铅离子进入人体后被吸收,同样会对人体造成严重的毒害。铅在溶有二氧化碳的水中所发生的化学反应方程式如下:

Pb+2H2O+2CO2Pb(HCO3)2+H2↑可惜古罗马人不知道上述道理,不然也不会稀里糊涂地因为滥用铅制品,而导致一个盛极一时的大帝国迅速衰亡。

同样是古罗马帝国,曾驱使大量奴隶开采汞矿,众多的奴隶得了汞中毒的病症。由此,人们也把这种病称为“奴隶病”。其实,皇家贵族也有得“奴隶病”的。俄国曾有一个叫“伊万雷帝”的暴君,在一次发怒时竟杀死自己的亲生儿子,这一反常行为,令人们大惑不解。在他死后,医生们进行了尸体解剖,发现其骨关节里汞含量很高。原来,伊万雷帝因关节痛,长期外敷一种汞软膏。汞中毒一般会使人产生幻觉和多疑,导致莫名其妙地发怒。

查考史料,早在3000年前,我国的炼丹家就与汞打交道了。古书上常有这样的句子:“颜如丹,面冠玉,唇涂朱”,用以形容女子的美貌。其中“丹”是指丹砂,“朱”即银朱,两者实际为一物,即硫化汞。古希腊女子的爱美之心,比东方女郎有过之而无不及。她们以白铅粉抹脸,用朱砂(硫化汞)涂双颊和双唇。就这样,在人类追求美的脚步中,化妆品中的汞化物为女子增添魅力的同时,也在损害她们的肌体。

《水浒全传》第一百二十回对梁山好汉卢俊义的死是这样交代的:高俅借皇上赐御膳之际,“把水银暗地放在里面”,卢俊义食后中毒而死。

著名科学家牛顿,曾有一段时期出现精神异常。过去一直认为,是牛顿在该段时期母亲亡故及一场大火烧毁了重要的论文手稿引起的。后来,英国的两位牛顿研究家从牛顿后代保存下来的牛顿4根头发中查出了高浓度的水银,从而认为牛顿患精神异常症系因水银蒸气中毒所致。原来,牛顿在世时,对炼金术深感兴趣,曾多次使用水银、铅等重金属进行炼金实验,而且喜欢品尝(他的实验笔记中,就曾留有“无味”“甘甜”等品味记录),以致不知不觉中,被汞蒸气所污染。

某些汞化合物毒性更大。在日本出现的令人谈汞色变的“水俣病”就是因为甲基汞这个“妖魔”在作祟。原来,新日本氮肥公司的含汞污水大量排入海湾,然后汞被水中微生物转化为甲基汞而进入浮游生物体内,再经过“浮游生物———小鱼———大鱼”食物链的富集,使大鱼中有机汞浓度达到海水汞浓度的几万倍!人吃了这种鱼,便发生甲基汞中毒,也称“水俣病”。

日常生产和生活中其他许多重金属(如铬、镉、锌)被人体吸收后也会对人的健康造成危害。比如在矿业生产中,镉是锌的副产品,银是铜、锌及铅矿的副产品,锌和铅本身又是所有其他矿物的伴生物。这些重金属在矿业生产中会经过自然界的循环系统进入人体造成危害。

所幸的是,在当代社会,化学和其他科学已经高度发展,人们对于重金属性质的认识已越来越深入。对于重金属,人们必将能更好地趋利避害,从而不断提高生产和生活水平。

农妇的“情报蛋”

“一战”中的一天,有位挎篮子的德国农妇在过边界时受到了法国岗哨的例行盘查,篮里装满了煮熟的鸡蛋,哨兵无意中发现这些鸡蛋竟是“情报蛋”。

这是发生在第一次世界大战中的一个故事。当时,在索姆河前线的德法交界处,法军岗哨林立,戒备森严,过往行人都要接受特别严格的检查。当哨兵检查这个挎篮子的农妇时,看见篮里装满了煮熟的鸡蛋,便想捞点小便宜,顺手牵羊拿它几个。不料,农妇死活不肯,而且神色紧张,讲话有点语无伦次,这些反常的举动引起了法国哨兵的怀疑。鸡蛋被打开了,只见蛋清上布满了字迹和符号。原来德军为了将情报安全送出,请教了化学家,制成了一个个“情报蛋”。其做法其实很简单:用醋酸在蛋壳上写字,等醋酸干了以后,再将鸡蛋在稀的铜盐溶液中煮熟,字迹便奇迹般地印在蛋白上,外面不留下任何痕迹。

这里面应用了什么化学原理呢?我们知道,醋酸是食醋的主要成分,又叫乙酸。蛋壳的主要成分是碳酸钙,它碰到醋酸即发生如下的反应:

CaCO3+2CH3COOH→Ca(CH3COO)2+H2O+CO2↑碳酸钙与醋酸反应,生成了醋酸钙、水和二氧化碳,这样醋酸就把蛋壳的一部分溶解掉了。醋酸在溶解了蛋壳后,少部分渗入到蛋白内。鸡蛋白的成分是一种由氨基酸组成的蛋白质———球蛋白。组成蛋白的蛋白质在弱酸环境中水解,分解成含有肽键的多肽等物质,能和铜离子(Cu2+)发生络合反应,生成蓝色或紫色的络合物。

鸡蛋煮熟后,蛋白质凝固,字迹便牢牢地记录在蛋白表面,而鸡蛋外面不露一点痕迹。

尽管德国间谍用了上述化学原理,将情报伪装得很巧妙,还是被高度警惕的法国哨兵识破了。法国哨兵逮捕了化装成农妇的德军间谍,避免了一次战场上的重大损失。

蛋白质是由不同的氨基酸互相结合而形成的高分子化合物。蛋白质的结构很复杂,种类也很多。鸡蛋所含的蛋白质是人们需要的营养物质,而有些种类的蛋白质却是致命的毒素。下面这个“杀人伞”的故事或许能说明这一问题。

1978年9月7日,在英国伦敦,一个年近50岁的男人匆匆忙忙去上班,走在拥挤的人行道上。不知为什么,他的右大腿被一个身材魁梧的人用雨伞刺了一下。那大汉在转眼之间就不见了。

那个男人上班后,感到右大腿很痛,被送到医院。医生们使尽了浑身解数,也终究是回天乏术,那个男人4天之后就死了。

死者名叫格奥尔基·马尔科夫,本是保加利亚的一个剧作家,在1969年访问意大利时叛离了祖国,后来在英国广播公司工作。他常常在广播中抨击保加利亚当局。

由于马尔科夫是被雨伞刺死,于是这一案件便被称为“杀人伞案件”。奇怪,一个人被伞尖碰了一下,怎么就会丧命呢?马尔科夫之死,引起了英国警局的注意。法医解剖了马尔科夫的尸体,在他的右大腿肌肉中,找到一颗直径为17毫米的银光闪闪的小圆珠。经鉴定,在小圆珠上,有两个微小的孔,小圆珠的中心是空的,容积约为04微升。在小孔附近,找到了蜡迹。估计两个小孔本来是用蜡封死的,进入人体后,蜡化了,小圆珠里的东西流了出来。

小圆珠里装了什么东西呢?是有名的剧毒药氰化钾吗?按照小圆珠里的容积计算,最多只能容纳04毫克以下的毒剂。然而,氰化钾使一个成年人致死,起码要100毫克,比半粒米还大,无法装进那颗小小的圆珠里。另一类跟氰化钾差不多剧毒的药物是砷化物,它的致死量也是100毫克。其他一些剧毒药虽然比氰化钾更毒,致死量也要50毫克,都无法容纳在小圆珠之中。

是放射性元素吗?不是。经过检查,马尔科夫的血液里并没有放射性物质。

是细菌或者病毒吗?也不是,因为马尔科夫并没有明显的细菌或病毒中毒的症状。

经过法医们的仔细鉴定,并研究了有关的间谍情报,最后查明小圆珠内装的是剧毒的蓖麻毒素。

蓖麻毒素是从蓖麻子中提取的。早在第二次世界大战之前,英国化学生物战研究机构就开始提取蓖麻毒素。在第二次世界大战中,美国开始生产这种毒素。后来,苏联获知了有关情报,也着手研究、制造蓖麻毒素。

那颗使马尔科夫致死的小圆珠,是装在一把特殊的雨伞里。这是一把“杀人伞”,内有弹簧、枪管、扳机等。一扣扳机小圆珠就沿枪管射出,刺入人体。小圆珠用白金制作,为的是防止蓖麻毒素变质。

蓖麻毒素也是一种蛋白质,但这是一种毒性极强的植物蛋白,主要损伤肝脏。蓖麻毒素是由A、B两条肽链构成的糖蛋白,当它与细胞接触时,首先通过B链结合到细胞上,尔后它的A链透过细胞膜,抑制细胞的蛋白质合成,从而导致细胞中毒死亡。

其实,在丰富多彩的自然界里,蛋白质广泛存在于生物体内,是组成细胞的基础物质。动物的肌肉、皮肤、血液、乳汁以及发、毛、蹄、角等都是由蛋白质构成的。植物的各种器官也都含有蛋白质,例如,小麦的种子里约含18%蛋白质。

蛋白质的成分里含有碳、氢、氧、氮、硫等元素。蛋白质的分子量很大,有的几万、几十万、几百万,个别的甚至上千万,真可算得上是庞然大物了。

氨基酸是构成蛋白质的基本单位,它是一种含氮有机物,分子里不但含有羧基(—COOH),而且含有氨基(—NH2)。氨基酸是一个大家族,种类很多,蛋白质就是由不同的氨基酸互相结合而形成的高分子化合物。由于蛋白质的分子量很大,组成蛋白质的氨基酸的种类和排列顺序各不相同,所以,蛋白质的结构很复杂。研究蛋白质的结构和合成,进一步探索生命现象,这是科学研究中的重要课题。这方面,我国曾有过辉煌的成就。1965年,我国科学家在世界上第一次用人工方法合成了具有生命活力的蛋白质———结晶牛胰岛素,对蛋白质和生命的研究作出了重大贡献。

蛋白质在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作用下,会发生性质上的改变而凝结起来。这种凝结是不可逆的,不能再使它们恢复成为原来的蛋白质。蛋白质的这种变化叫做变性。蛋白质变性后,就丧失了原有的可溶性,并且失去了它们生理上的作用。高温消毒灭菌就是利用加热使蛋白质凝固从而使细菌死亡的。重金属盐(如铜盐、铅盐、汞盐等)能使蛋白质凝结,所以会使人中毒。蛋白质可以跟许多试剂发生颜色反应,蛋白质被灼烧时,则产生具有烧焦羽毛的气味。人们常用这种方法鉴别皮革制品是不是用真皮制作的。

酶是一种生物催化剂,它能催化许多有机化学反应和生物体中复杂的反应,如氧化还原、水解等,而酶也是一种蛋白质。

蛋白质是我们极为重要的营养物质,因为一切生命现象都跟蛋白质息息相关,所以,可以这样说:没有蛋白质就没有生命。不仅如此,蛋白质在工业上也有广泛用途。但愿蛋白质能够更好地造福人类,也希望人类不再用蓖麻毒素之类的药物去制造谋杀、血腥和毁灭。