书城科普扑朔迷离的化学宫殿(新编科技大博览·B卷)
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第17章 化学与生活关于水水是什么?(3)

七百多年前,著名的意大利旅行家马可·波罗到过中国,看见中国人烧煤炼铁,这是他生平第一次看到煤做燃料。马可·波罗在他的游记里记载了这件新鲜事。书中写道,中国有一种黑石头,能够燃烧,着起火来像木柴一样,而且终夜不灭。

当时,欧洲人读了马可·波罗的游记,都觉得十分新奇。他们哪里知道,中国人用煤做燃料,都已经有一千二三百年了。我们的祖先在世界上最早发现了煤这种燃料。

不过,用煤做燃料是很大的浪费。这是因为,从煤里还可以提炼出煤焦油、氨水等重要的化工原料,在燃烧时都白白毁掉了。况且,烧煤炉做饭,热量四散,不用火时也在消耗煤,燃料的有效利用率很低。

在一些城市里,就把煤改造成煤气。在煤气厂里,煤被放在空气不足的“铁箱子”里,从外面加热,煤就变成了煤气,同时又得到了焦炭、煤焦油和氨气,煤得到了充分利用。

煤气的主要成分是一氧化碳和甲烷。用煤气做燃料很方便,拧一下开关,一点就着,再拧一下开关,说灭就灭。不论在城市和农村,都很重视发展气体燃料。

在农村,使用的是沼气。沼气的原料是粪便、秸秆和杂草,经过发酵,得到了甲烷——沼气,同时也得到了肥料。

还有些地方使用天然气,天然气的主要成分是甲烷。有的天然气是与地下的石油同时存在,而有的天然气却是单独存在于地下。

北京、天津和其他一些地方,还使用液化石油气,那是炼油厂的副产品,丙烷和丁烷的混合气。为了便于运输,工人把石油气加高压,使气体压缩成为液体,贮存在结实的钢罐里。

除了液化气以外,还有人使用着真正的液体燃料。有的人口少的家庭里,预备着一个煤油炉。煤油炉也像煤气一样,用火时一点就着,不用就熄灭,非常方便。

你看,家庭里使用的燃料也各不相同,有固体的,液体的或是气体的。但是,也有相同的地方,它们都是碳或碳的化合物。

燃料在炉子里燃烧,就是碳或者碳的化合物和空气里的氧气剧烈地化合,放热发光的化学变化。所以,我们应当记住,必须有可燃烧的物质,燃烧才能进行。

一擦就着的火柴

妈妈准备生火做饭了。你急忙拿起火柴盒,用火柴头在盒边一擦,“嗤”的一声,火柴就燃着了。

用火柴点火,实在太方便啦。在钻木取火的时代,人们为了得到一个火种,常常要付出艰苦的劳动。没有足够高的温度,那是无法把木头引燃的。

人类发明火柴,也经历了漫长曲折的过程,并不是轻而易举就办到了的。

二百多年前,在意大利的威尼斯出现了第一支火柴。那是一支巨型火柴,很像一根敲大鼓的木槌,槌头由一团氯酸钾药面做成。只要把火柴头浸到盛浓硫酸的瓦盆里,火柴就燃烧起来。这是由于氯酸钾碰到浓硫酸,发生猛烈的化学变化,又是发热,又是放氧气,于是,木棒就吐出了明亮的火焰。

那时候,这种火柴价格昂贵,即使是有钱人家也是几家合买一根。

这种最早的火柴使用起来很不方便。浓硫酸溅在人身上,会烧坏衣服,伤害皮肤。

19世纪初,瑞典人发明了摩擦火柴。火柴头上涂了一层白磷,模样也变得小巧灵便,长短已经接近今天使用的火柴。划火柴,不需要专门的火柴盒,找块粗糙的地方,墙壁、砖头或是鞋底,轻轻地一擦,火柴就燃着了。

这是因为白磷的着火点很低,超过40℃就自动着起火来。再说,白磷有毒,那时候,有些制火柴的工人,由于吸入了白磷蒸气而中毒死亡。因此,用白磷做火柴,实在不安全。

人们改用三硫化四磷来做火柴头,不再使用白磷,火柴仍然可以在鞋底上划出火来,而毒性和自动着火的危险减轻了许多。可是,这种改进了的火柴仍然不安全,在运输途中或者在口袋里磨来蹭去,还可能发火,酿成火灾。

幸而在1845年发现了另一种没有毒的磷——红磷。此后,就用红磷代替白磷制造火柴了。

1855年,瑞典人设计制造出了世界上第一盒安全火柴。安全火柴在火柴盒外侧涂上红磷,火柴头上有氯酸钾和三硫化二锑这两种引火药。

当你擦火柴时,火柴头蹭下的一丁点儿红磷,由于摩擦生热,达到着火点,起火了。火星引着三硫化二锑,氯酸钾受热放出氧气,帮助燃烧得更旺。火柴杆是用松木或白杨木做的,前端又浸透了石蜡和松香,使火柴擦着后,火焰容易烧到火柴杆上去,发火的时间也长一些。

火柴一擦就着,关键在于红磷的着火点比较低。也就是说,只要有稍许一点热量(比如摩擦生的热)使红磷的温度升高到着火点以上,红磷就开始燃烧。

你会问,打火机点火又是怎么一回事呢?你一定注意到了,打火时,手指要按一下打火机,这样带动齿轮摩擦火石,于是就从那儿迸射出了火花。

火石里也有着火点比较低的物质,这就是金属镧和铈。它们好似火柴盒上的红磷,稍加摩擦,便发火燃烧。打火机里的汽油很容易蒸发,汽油蒸气遇到从近旁飞来的镧、铈的火花,便燃烧起来。

要点炉子了。在蜂窝煤炉的炉膛底,自下而上一层层铺上刨花,引火炭和蜂窝煤。用火柴或者打火机点燃碎纸片,依次引燃刨花、引火炭。最后,蜂窝煤燃烧起来。

详细回忆一下点炉子的过程,划火柴,着火点很低的红磷烧起来,我们得到了火。以后,各种引火材料一个接一个烧了起来,它们的顺序是:火柴头上的药物——火柴杆——纸片——刨花——引火炭——蜂窝煤。排列在前的引火材料着火点比较低,它点着以后,产生较高的温度,就把它后面的引火材料烧着了。一次一次地提高温度,才能使着火点较高的煤点着。

这里,你是不是已经归纳出一条知识:物质需要达到一定的温度才能开始燃烧。这个温度就是这种物质的着火点。

反过来,如果将一个熊熊燃烧着的煤球从炉子里钳出来,不多会儿它就熄灭了。

这也是同样的道理。单个的煤球脱离了火热的炉膛,它那不多的热量很快散失掉了,温度降到着火点以下,燃烧不能继续进行,火便熄灭了。

四季换衣话桑麻

鸟有羽毛,兽有皮毛。人不是鸟兽,原始人赤身裸体,怎么能抵挡冬天的风寒,夏日的暴晒?

人是有头脑的,开始寻找天然的衣裳。最先找到的是树叶,整张的兽皮。等到学会了纺纱织布,这才出现了麻布。后来又知道种桑养蚕,用蚕丝去织造绸缎。我们今天常穿的棉布,出现的年代反而比麻布和绸缎晚得多。难怪古人的诗文中,常常说到桑麻,而很少提到棉花。

棉、麻、丝、毛,这些天然的纤维物质都是来自动植物的有机化合物,它们的主要成分都是纤维素,碳是它们的骨干材料。碳原子和其他元素的原子结合成一个个小单元,这些小单元又联结成串,好像铁环一个套一个连接成长长的链条。链节的数目往往多达好几百,而分子量高达好几万,因此,被称为高分子化合物。

我们生活中接触到的高分子化合物很多。比如前面讲到的淀粉、蛋白质,后面要说到的日用品里的橡胶、塑料,也都是高分子化合物。

纤维的导电、传热能力很差,加上纤维分子卷曲缠绕、左钩右连,形成许多缝隙洞穴,包藏不少流动困难的空气,使热量不容易穿过纤维层,这就是衣服能帮助我们保暖防晒的原因。

外貌相似的纤维,用化学眼光看,它们的构造却有很大的差别,棉、麻燃烧起来像柴草,没有什么臭味;丝、毛放在火焰里,迅速地卷曲起来,“吱吱”作响,发出一股刺鼻的臭气。这就把它们区别开来:棉、麻是植物纤维,和木材里的木质纤维素相似,它的基本链节是碳、氢、氧三种元素组成的葡萄糖,燃烧以后生成二氧化碳和水汽,所以没有气味。丝、毛是动物纤维,和指甲、肌肉的蛋白质差不多,是由氨基酸组成的,除了碳、氢、氧,还含有硫和氮,那刺鼻的臭气就是硫燃烧以后生成的二氧化硫造成的。

我们不要忘了盐酸这把“化学刀”。木质纤维素和盐酸一块儿煮,一个个葡萄糖链节被盐酸“切”断,变成葡萄糖。锯末、刨花经过盐酸处理,可以生产出葡萄糖。有些葡萄糖就是用这种化学方法生产的。棉麻织品容易被酸腐蚀,就是由于酸能破坏植物纤维。

棉、麻不太怕碱。弱碱和植物纤维作用,会生成一层丝光物质,大大增强纤维的着色能力,并且能使织物光滑、柔软又耐折皱。丝光毛巾、丝光床单的生产过程中有碱处理这一步。但是,强碱不行。苛性钠能损坏棉、麻织品。

丝、毛对酸的耐受力比较强。在化工厂里,为接触腐蚀性酸溶液或蒸气的工人做工作服,往往选用毛呢料子,这不是摆阔气,而是工作的需要。

毛料挺括,弹性好,不容易起皱。这是由于组成毛纤维这条长链条的有些氨基酸链节有两个硫原子搭起的“桥”,这些桥好像小弹簧一样。你按捺它一下,它很快弹回来,恢复原状。

熨烫衣服时,纤维受热变形,毛纤维高分子上的“小弹簧”拉伸开来,只好听任人们的摆布:哪儿打折,哪儿起裥,服服帖帖了。

理发吹风做发型,和熨烫衣服是一个道理。而化学烫发,保持发型比较持久,那是首先用化学药剂“切”断毛纤维上的“小弹簧”,卷曲成一定形状后又换用一种化学药剂,使这些小弹簧就近重新联结起来。少年儿童皮肤娇嫩,容易受化学药品刺激,产生过敏反应甚至受到伤害,还是以不烫发为宜。

电视机里的“警卫”

学习之余,电视机是我们的好朋友。

电视机的核心是显像管,它展开的荧光屏幕常常吸引着我们目不转睛地观看。

这显像管里,是真空的世界。显像管的工作状态和寿命同它的真空程度密切相关。

尽管在封熔显像管的抽气口以前,内部已经达到高度真空了。但是,电视机在工作的时候,管子内壁的玻璃表面、灯丝和电极还会散发出少量的气体来,使真空程度降低,电视机的寿命就大打折扣了。

因此,人们在显像管里派驻了“吞食”气体的化学“警卫”——消气剂。它们是钙、钡等活泼的碱土金属。这些金属和氧气、水汽的化合力很强。还有一些特殊的金属善于吸收气体,如钯粉,在常温下,竟能吸收相当于自身体积七百倍的氢气。这种吸收好似气体溶解进固体里,使原先可锤可锻、光泽闪闪的金属变成膨松的、海绵一般又黯淡无光的东西。稀有金属锆、铌、钽、铂和一些稀土金属,都是吸收各种气体的能手。

收音机里的电子管玻璃内壁,乌黑锃亮,那是镀上的一层薄薄的金属钠,是早期的一种消气剂。钠很活泼,和水汽、氧气很容易化合。

在显像管和大型电子真空管里,电极旁安置着善于“吞食”气体的金属做成的丝、带或管。它们不让气体捣乱,维护真空世界的正常秩序,堪称忠诚的警卫战士呢!

你知道吗,最近我国电视工业迅速接近国际先进水平,关键就是科技人员研制钛基消气剂取得成功,大大延长了显像管的使用寿命。钛价廉,来源广。电视机有了众多可靠的警卫员,质量怎能不大大提高呢?

墨水的来历

墨水多数是蓝色的,也有红色、绿色的,黑色的墨水很少。那为什么却叫它“墨水”呢?原来,从前墨水只有黑色的,没有蓝色和绿色的。最早制造墨水的原料是煤烟和水,它黑得像墨,由此得名。

2000多年前,埃及和阿拉伯的学者和商人,就用墨水来写字和记账。这种墨水容易沉淀,蘸水前得摇晃墨水瓶,写字很不方便,字迹也不清楚。后来,人们在墨水里掺进胶水,墨水变稠了,煤烟就不易析出来。

100多年前,化学家发现,五倍子等植物里含有鞣酸,它同铁离子生成的黑色物质可以牢牢地粘附在纸、布等纤维上,形成字迹,永不褪色。用它来做墨水很理想。可是,鞣酸铁是细粉末,不溶解于水,没法使用,而鞣酸亚铁却能溶解在酸性水溶液里,它在空气中会慢慢氧化变成黑色的鞣酸铁。

人们就用五倍子,加上鞣酸亚铁和胶水来制造墨水。用这种墨水写的字,必须借空气的帮助,使鞣酸亚铁氧化以后字迹才变得清楚。人造染料发明以后,人们在墨水中搀进点蓝色染料,制成现在的蓝黑墨水。

蓝黑墨水写出来的字,刚开始时是蓝色的,这是蓝色染料的原色。过了一段时间,无色的鞣酸亚铁被氧化成黑色的鞣酸铁,字迹便由蓝变蓝黑了。蓝黑墨水变色的奥秘就是这样。

为了防止鞣酸亚铁产生沉淀,墨水里还得放进一些硫酸。为了便于墨水的保存,还得在墨水中加进一些防腐剂。在使用墨水时,必须注意随时将墨水瓶盖盖好,以防鞣酸亚铁过早地氧化成鞣酸铁,发生沉淀。墨水还怕见阳光,太阳光不仅会使墨水蒸发浓缩,而且会使墨水褪色。应该把墨水放在阴凉的地方。

用纯蓝墨水或者红墨水、绿墨水写的字,日子久了会褪颜色。这是因为纯蓝墨水、红墨水和绿墨水的主要成分是染料,没有鞣酸亚铁。普通的染料碰到空气会被氧化,时间一长,字迹就越来越淡啦。

当然,蓝黑墨水里的蓝色染料也会氧化褪色,但是由鞣酸亚轶氧化变成的黑色鞣酸铁是永不褪色的。因此,人们为了要把书写的字迹(如档案、文件等)长久地保存起来,就要用蓝黑墨水。

纯蓝墨水是用水溶性的染料做的,一遇上水,字迹会“溶解”,蓝黑墨水也有水溶性染料,但主要成分是鞣酸亚铁,被氧化后变成黑色的鞣酸铁,是不会溶解于水的。