书城教材教辅中外化学故事
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第18章 扑朔迷离:化学发现故事(4)

如今,化学纤维的年产量已经和天然纤维平起平坐了,而它在国民经济和国防事业上的作用却远远超过了天然纤维。不过,今天规模巨大的“机器蚕”在日夜运转,还多亏了蚕儿吐丝、蜘蛛织网给人们的启示呢!

金刚石的偶然发现

1893年,法国科学院宣布了一条振奋人心的消息:法国化学家莫瓦桑研制出了人造金刚石!片刻间,这一爆炸性的特大喜讯传遍了全法国,传遍了全世界。

莫瓦桑发明人造金刚石是十分偶然的。

有一次,莫瓦桑准备进行一项化学实验,需要用一种镶有金刚石的特殊器具。这种器具非常昂贵,因此实验室里的助手们对它倍加爱护。

早上,莫瓦桑来到实验室,做好实验前的准备工作。这时,各项仪器都准备好了,却找不到那镶有金刚石的昂贵器具。奇怪,怎么会突然不见了呢?

助手突然惊叫起来:“啊!门好像被撬过了!莫非有小偷光顾?”原来,小偷是看上那昂贵的金刚石了。

这桩意外使莫瓦桑萌生了一个念头:“天然金刚石如此稀少而昂贵,如果能人工制造金刚石,该有多好!”可这谈何容易!

作为化学家,莫瓦桑心里最清楚:“点石成金”只不过是美好的神话。要想制造金刚石首先要弄清楚金刚石的主要成分,并了解它是怎样形成的。

翻阅了许多资料之后,莫瓦桑了解到,金刚石的主要成分是碳。至于它是如何形成的,在这方面研究的成果很少,只有德布雷曾提出金刚石是在高温高压下形成的。

紧接着莫瓦桑想到,要人工制造金刚石,得有可供加工的原材料。选什么材料才合适呢?还从未有人做过这方面的尝试,看来,一切要靠自己摸索了。

有一回,有机化学家和矿物学家查理·弗里德尔在法国科学院作了一个关于陨石研究的报告,莫瓦桑也参加了。

在报告中,查理·弗里德尔说:“陨石实际上是大铁块,它里面含有极少量的金刚石晶体。”

听到这儿,莫瓦桑猛地想到:石墨矿中也常混有极微量的金刚石晶体,那么在陨石和石墨矿的形成过程中,是否可以产生金刚石晶体呢?

想到这里,莫瓦桑头脑中出现了制取人造金刚石的设想。他对助手们说:金刚石的主要成分是碳。陨石里含有微量金刚石,而陨石的主要成分是铁。我们的实验计划是:把程序倒过去,把铁熔化,加进碳,使碳处在高温高压状态下,看能不能生成金刚石。

历史上第一次人工制取金刚石的实验开始了。没有先例,没有经验,更没有别人的指点,一切都像在黑暗中探路一样。第一次失败了,认真总结经验,找出问题的症结所在,第二次再来……经过无数次的反复探索,莫瓦桑的实验室里终于爆发出一阵激动的欢呼声,大家紧紧地拥抱在一起:成功了!人造金刚石诞生了。

但是,人造金刚石不仅颗粒小,而且色泽深暗。那时有一颗最大的接近无色的小晶体,其直径还不足1毫米。可是人们却把它作为最贵重的珍宝收藏在罗浮宫里,并命名为“摄政王”,使它跟宫里的那颗世界上最大的金刚石———库林南相媲美。

直到20世纪50年代中期,化学家本迪等用镍等金属为催化剂,使用2000℃和7万个大气压下的设备,才使石墨转化为金刚石的试制成功。美国电气公司、瑞典通用电气公司投入工业生产。此后,美国通用电气公司应用晶种的触媒法,以金刚石粉为碳源溶解于熔融金属铁镍之中,借助反应室中适当的温度梯度,把碳输送到高压釜反应室中温度较低处的金刚石晶种上,并在晶种上沉积出晶层。这种方法在大约6万大气压和1500℃温度下,几天之内就长出02克左右的宝石级优质人造金刚石。在19世纪70年代,又采用爆炸法生产金刚石。这种方法是利用TNT和黑索金等炸药引爆后产生强烈的冲击波和在几微秒的瞬间产生的几十万大气压及高温使石墨转化为金刚石。此外还有气相法、液向外延生长法、气相固相外延生长法、常压高温生产金刚石的。由于天然金刚石不能满足工矿业的需要,人造金刚石的世界年产量逐年都在增长。据统计,1967年为24吨,1968年为44吨,1969年已达到60吨。

北周军队的“秘密武器”

中国北周宣政元年,突厥人派兵攻打位于河西走廊西部的禄福县城。守城的北周军队奋力反抗,但因兵少将弱,加上伤亡过重,被迫退到城内,闭门坚守。

怎样才能击退突厥人的进攻呢?北周将士们想出这样一条计谋。

一天,突厥人利用云梯攻城。他们拿着盾牌,在一片喊杀声中,攀着云梯向上爬,却不见北周军队有什么动静。第一批突厥兵接近城头时,突然,一桶桶、一盆盆黑糊糊、黏稠稠、有一股臭味的东西从城头泼了下来。突厥兵惊魂未定,只见无数个火把从天而降,那黑糊糊的东西立即燃烧起来,木制云梯烧得噼啪作响,身上沾着黑糊糊东西的突厥兵被烧得哭叫连天。突厥兵败下阵来,急忙收兵,但他们并未就此罢休。第二天,又带来了云梯,还运来许多盛有水的大木桶,想以此来对付北周军队的“秘密武器”。当突厥兵再次攻到城下时,只见城墙上的北周守军又运来许多大桶、大盆,将桶内、盆里的黑糊糊、黏稠稠、臭烘烘的东西倒下城去,随后又纷纷扔下火把,烈焰顿时冲天而起。突厥兵急忙用桶里的水灭火,谁知,火不但没有被扑灭,火势反而更猛,突厥兵被烧得抱头鼠窜。北周守军趁势杀出城门,杀得突厥兵横尸遍野。从此以后,突厥兵再也不敢进犯北周了。

北周军队用来打败突厥人进攻的黑糊糊、黏稠稠、臭烘烘的东西究竟是什么呢?原来是当时被称做“石脂水”的石油。

除北周外,北宋也曾以“沥青”“猛火油(石油)”作武器。当时的《武经总要》一书曾描述过这种武器的威力:“中人皆糜烂……若水战,则可烧浮桥、战舰。”

人类进入现代社会以后,石油与战争更是结下了不解之缘。第一次世界大战期间,法国军队总指挥加里宁将军为了抢在德军之前占领巴黎附近一个军事要地,征用了巴黎街头3000多辆以汽油为燃料的出租车,满载上万名士兵开赴前线,这是烧汽油的汽车第一次被用于陆上战争,这次成功的行动使法国在战争中由防御转为进攻。

1914到1916年,英国皇家海军与德国海军在海上打过两次硬仗。军事专家后来评论说,英国皇家海军打败德国海军的重要原因之一是英军舰艇用柴油作燃料,而德军舰艇大部分仍然用煤做燃料。

在第二次世界大战期间,对石油供应线的攻击成了双方军事进攻的首要目标。日本偷袭珍珠港是为了掠取东印度的石油资源而保护其侧翼;德国进攻前苏联的一个重要因素,就是要夺取高加索地区丰富的石油。战争后期,德国和日本的燃料库都已耗尽,而美国石油方面的优势是保证盟国取得胜利的重要因素。

在现代战争中,谁控制了石油,便意味着控制了战争主动权。第二次世界大战期间,德军在北非战场的主力———以“沙漠之狐”著称的隆美尔所率领的“非洲铁骑”曾一度所向披靡,但盟军以马耳他岛为基地,封锁了“非洲铁骑”漫长的军需运输线,“非洲铁骑”的所有坦克便因为没有汽油而变成了一堆废铁。隆美尔在惨败后曾说:“对那些既拥有勇敢的士兵,足够的枪和子弹,又拥有现代机械化交通工具的军队来说,汽油燃料是取胜之关键。没有了燃料,那些现代机械化交通工具就不再是取胜的工具,而是导致失败的废铁。”人类社会进入20世纪90年代初,又发生了一场充满石油味的现代高技术战争———海湾战争。

1990年8月2日凌晨2时,伊拉克兵分两路大举入侵科威特,有国无防的科威特不到9个小时就被伊拉克占领。因为美国和西方盟国在海湾地区有着巨大的石油利益,他们决不能容忍伊拉克控制中东的石油资源。所以,1991年1月17日,以美国为首的多国部队发起了代号“沙漠风暴”和“沙漠军刀”的海湾战争,意在从海湾强人———伊拉克总统萨达姆手中重新夺回对石油的控制权。战争从1991年1月18日开始至3月1日结束,进行了42天,以伊拉克军队失败而告终。

石油主要含碳和氢两种元素,主要是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃所组成的混合物。石油的大部分是液态烃,同时在液态烃里溶有气态烃和固态烃。

从油田里开采出来没有经过加工处理的原油先经过脱水、脱盐等处理过程,然后进行炼制。通过分馏法,经过加热和冷凝,就可以把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物。

石油是一种极其重要的资源,是发展国民经济和国防建设的重要物资,被称为“工业的血液”。通过石油炼制,可以得到汽油、煤油、柴油等燃料和各种机器所需要的润滑油以及许多气态烃(称为炼厂气)等产品。用石油产品和石油气(炼厂气、油田气、天然气)做原料来生产化工产品的工业简称石油化工。利用石油产品做原料,通过化工过程,可以制造合成纤维、合成橡胶、塑料以及农药、化肥、炸药、医药、染料、油漆、合成洗涤剂等产品。石油产品已被广泛地应用到国民经济各个部门。

为了更多地从石油里得到较高质量的汽油等产品,可对石油进行裂化。就是在一定条件下,把分子量大、沸点高的烃断裂为分子量小、沸点低的烃的过程。

重油、石蜡等较大的烃分子,在500℃左右和一定的压强下,被裂化而转变为分子量较小的烃。例如:

C16H34→C8H18+C8H16

这样就生成了分子量比较小、沸点比较低的、类似汽油的饱和烃和不饱和烃的液态混合物。

有些裂化产物还会继续分解,生成饱和的和不饱和的气态烃。例如:

C8H18→C4H10+C4H8

C4H10→C4+C3H6

C4H10→C2H4+C2H6

苯和甲苯等芳香烃过去完全是从煤的干馏产物制得的,现在工业上已采用石油产品的催化重整方法来大量生产了。

在石油化工生产过程里,还常对石油分馏产品(包括石油气)进行裂解,裂解气里以乙烯为主的烯烃含量比较高,因此,常把乙烯的产量作为衡量石油化工发展水平的标志,而把裂解产物进行分离,就可以得到所需的多种原料。这些原料在合成纤维工业、塑料工业、橡胶工业等方面得到广泛应用。

近年来,随着石化工业的发展以及对石油的需求不断增加,人们又将目光更多地投向海洋。现在的南沙问题可以说主要就是因石油而引起的。南沙群岛本属中国,这是被大量史料所证实的。20世纪60年代,南沙地区发现有丰富的石油资源。此后,菲律宾、越南、马来西亚等国相继侵占了我南沙群岛的许多岛屿。我国政府本着有理、有利、有节的原则,以强大的国防力量作后盾,一定会圆满解决南沙群岛问题,更好地开发南沙群岛丰富的石油资源。

后来者居上

1828年,德国青年化学家维勒用氨水和氰酸制得一种无色透明的晶体。这种晶体,四年前在法兰克福的家庭实验室里,他就曾制成过,但由于当时条件的限制,他没有分析出这种晶体到底是什么东西。这一次,他在柏林工艺专科学校的正规实验室里,又一次合成出来。他经过仔细分析,断定它就是尿素。

尿素本身并没有什么奇异之处,人和一切哺乳动物的尿中都含有它,但是,用人工合成的方法制出了尿素,这在当时却是异乎寻常的奇迹。当时,许多化学家都认为,像尿素这样的有机化合物,只能在人和哺乳动物的体内制造。没有“生命力”的作用,就不可能产生有机化合物,所以,维勒在确定所得晶体是尿素以后,欣喜若狂地写信报告他的老师贝采里乌斯:“我报告您一个好消息,不借助于人或狗的肾脏,也可以制造尿素了!”

贝采里乌斯是瑞典著名化学家,维勒在瑞典留学期间,他曾作过维勒的导师,对维勒的影响很大,二人感情颇深。维勒回国后,经常把自己的研究实验情况向贝采里乌斯报告,有问题也经常向他请教。

维勒这次向老师报告,一是介绍他的新发现,二是想通过他的发现使老师放弃“生命力论”的主张。谁知当时的化学权威贝采里乌斯却死抱住“生命力论”不放,根本不相信维勒的发现。

“哼!这个毛孩子,素来做实验就粗心,跟我上学的时候,因为这毛病还挨过我的批评,今天竟然拿什么‘实验结果’来向我炫耀,他能做出什么可信的实验结果?他这么狂妄,还想来教训我,眼里还有我这个老师吗?”贝采里乌斯一边读着信,一边想,越想越生气。他猛一挥手,不小心把桌上的一个精致的中国瓷杯打翻在地,“咣当”一声,摔个粉碎,杯里的水撒了贝采里乌斯一身。

贝采里乌斯拿起笔给维勒写信,于是,化学论战在师生间展开了。

贝采里乌斯在信中训斥维勒不尊敬老师,不尊重他这个“生命力论”的开山祖师,他气愤地质问维勒:“你忘了我对胆汁、血液、排泄物所作的许多实验?你忘了在实验中那些有机物是从哪里取来的?不靠生命力,这些有机物能形成吗?你说你在实验室里用无机物制造出了有机物尿素,你大概在实验室里还能够制造出一个小孩来吧?”

维勒读了贝采里乌斯的信很难过,一片好心遭到了误解,怎么不使他伤心呢?

一阵伤心与激动过去,维勒冷静下来。他想,“老师发火了,怎么办?放弃我的观点吗?那是千真万确的实验结果,是真理,怎么能在维护真理面前退缩?唉,尊敬的老师,我不是有意要扫你的面子呀!”他又提笔给老师写信,并进一步解释了他的做法,可是,贝采里乌斯坚决反对维勒的观点。