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第22章 神奇理化篇(3)

意大利科学家伽利略是第一个想出测量光速的方法的人。1607年,他做了下面这个实验:他先让两个手各提一盏有盖的信号灯的人分别站在相距1郾5千米的两个山头上。接下来,让第一个人先打开灯盖,对方一看到灯光就立即打开灯盖,用光将信号传出来。伽利略本来想测出这段时间,便可以计算出光速了,可是两个人的动作衔接时间太长,因此测量时间不准确,再加上光速又太快,所以这一实验还是以失败而告终了。

250年后,刚满30岁的法国物理学家斐索对伽利略测光速的实验作了仔细研究,终于找到了这个实验失败的原因。大家对镜子的反光现象一定都很熟悉吧!光一照射到镜面上便会立即反射,因此一条光线从反射到返回就是连续的。

斐索从这一现象中得到启发,认为只要可以准确地测量出光发射和返回接收到的时间差,就可以将光速准确地计算出来。

斐索对实验装置又作了改进。他用一面镜子代替第二个人,又用一只旋转的齿轮代替钟表计时。斐索选择了两个相距7千米的山头,将旋转的齿轮和一面镜子分别放在上面。实验开始后,斐索首先让光通过齿轮的两个齿之间,照到另一个山头的镜子上,光线经过镜子反射后,又从齿轮的另外两个齿之间传回来。这样便可以根据齿轮旋转的速度,计算出光往返所用的时间。斐索的试验结果是:光的速度为每秒钟31郾5万千米。

历史上测量光速结果最精确的人是美国物理学家麦克尔逊。1873年,毕业于美国海军军官学校的麦克尔逊因为学习成绩优异而留校工作。由于理论研究和航海方面的实际需要,麦克尔逊对测定光速非常感兴趣。当时美国的航海历史局局长纽科姆对这项工作也很感兴趣,于是两人开始合作并得到了政府的帮助,进一步改进了光速测量装置。麦克尔逊和纽科姆整整用了50年的时间,不断地进行改进和重复测量。不幸的是,在一次光速测量中,麦克尔逊突发中风并因此而去世,享年79岁。他的测量结果是:光速为299764依4千米/秒。这个结果是目前为止最精确的。

安全玻璃

1903年11月21日,别涅迪克士在实验室里打扫卫生。当他用掸子去掸仪器上的灰尘时,一不小心把柜顶上几只瓶子碰了下来。别涅迪克士惊讶地发现,其中有一只瓶子竟然没有摔碎,只是上面布满了相互交错的裂纹。他觉得非常奇怪,拿着那只烧瓶陷入了沉思,想探究这究竟是怎么一回事。他忽然想起来,这只烧瓶曾经装过硝酸纤维素溶液,现在溶液已经挥发了,只留下了一层薄膜,就好像皮一样紧紧地贴在瓶壁上。

别涅迪克士突然想起了几天前看到的一场车祸:一辆疾驰的小汽车翻进了深沟里,车上的乘客一个被撞死,另外两个被车窗碎玻璃片划成重伤。现场一片血肉模糊,惨不忍睹。想到这里,别涅迪克士问自己:能不能研制出一种不会摔碎的玻璃呢?他决定认真研究一下这个从3郾5米处的高处掉下来却裂而不碎的烧瓶。

经过实验,别涅迪克士确定,瓶子裂而不碎的原因就在于那层柔韧而透明的硝酸纤维薄膜。于是,他反复进行实验,在2块玻璃之间夹上一层透明的硝酸纤维素薄膜,让它们经过加热加压后黏合在一起,再做玻璃从高处落下的实验,果然,玻璃没有摔成四处飞溅的碎片,只是出现了许多裂痕。

1922年秋天,第一代安全玻璃诞生了。它广泛地用于汽车玻璃、商店橱窗上。又过了一些年,美国康宁玻璃公司实验室又发明了更坚硬的用冷风来淬火的玻璃,即使用铁锤也不能敲碎它,而且即使敲碎了,也不会有锋利的尖角。

近年来,随着科学技术的发展,安全玻璃的性能得到了进一步提高,成为可以抗子弹射击的“防弹玻璃”。

现在的玻璃已不仅仅只考虑安全问题了,而且人们将其制作得更透明、更坚硬,还可以根据需要使其富有弹性,传递能量,甚至能做成人造牙、人造骨等。说不定有一天,人类会住进全部用玻璃制成的房子里呢!

水火也可“相容”

中国有句俗语叫“水火难容”,意思是说水是火的对头,两者是势不两立的事物。水能灭火也是常见的事实。大家知道,只要哪里发现火灾,消防车就会隆隆地开去,喷出“大水”,火便会很快熄灭。

但是,在特定的条件下,水却能帮助燃烧哩!或许您早已注意到,在工厂或老虎灶旁边的煤堆里,工人师傅常把煤堆浇得湿淋淋的,如果您问他们为什么要浇水时,他会告诉您说:“湿煤要比干煤烧得更旺。”难道这是可能的吗?

原来,世界上一切事物,都会按不同的条件表现自己的独特性格。水也不例外,其实水能助燃,也表现在日常生活中,当你在烧开水时,如果壶里水开了溢出来,落到煤炉上,顿时火焰会变得更旺。一氧化碳和氢气都是燃烧的能手,这样一来,炉膛内的火就会烧得更旺,水能助燃的奥秘就在这里。

为了证明上述的原理,我们可以做下面的一个实验。烧瓶中放入200毫升水,在另一燃烧管中放入粒状硬质煤块,实验开始时先用小火匀热燃烧管,再用大火对着煤块加热使煤块变红,同时把烧瓶中的水煮沸,使水蒸气通过燃烧管,此时在另一端燃烧管中点燃,就有蓝色火焰出现。这个实验,也是工业上制造水煤气的原理。

可以燃烧的冰

前苏联有一位天然气专家为了研究往天然气井里注水对产气量的影响,让工人把20吨水注入一口气井里。不料,天然气出不来了,刚刚还出气的气井顿时变得死气沉沉,难道水会压住天然气?这是不大可能的事。这位天然气专家决定向气井里注入2吨甲醇。没有几个小时,气井又喷气了。他继续研究这一奇怪现象,发现原来气体在低温和高压条件下很容易形成水化物。在气井深处,温度低,压力大,水注入之后,就跟井里的天然气很快结合起来,形成一种特殊的水化物——可燃冰。气与水形成冰,气又如何喷出气井呢?而注入甲醇之后,甲醇与水有很大的亲和力,这样就破坏了可燃冰的结构,让气又放出来了,重新喷出井面。

人们很自然会想到在大海深处,很可能存在丰富的可燃冰。经过海洋学家和化学家的努力,这个猜想终于得到证实,在北极的海底发现了大量的可燃冰。

可燃冰的结构很奇特,在1个可燃冰气体分子周围,包围着6个水分子,只要把水去掉,就是一种理想的燃料。它的热值很高,在每立方米可燃冰内压缩着200立方米的可燃气体。它们的储量在海洋里也大得惊人,现在已探明的储量,比煤、石油和天然气的总储量还要大几百倍。至少可供人类用上几千年。

在海底、洋底为什么会形成这么丰富的可燃冰,人们至今没有研究透。据推测可能因为海底压力大,海洋里的生物死后尸体沉入海底,经过细菌分解,生成甲烷、乙烷等可燃性气体,然后与水结合形成可燃冰。从古至今,一年又一年,就形成了这样的可燃冰矿藏了。但是,这种解释虽然有道理,却显得苍白无力。按说气体比水轻,它应该冒出海面,释放到大气中来。为什么反而钻入海底,与水结合呢?还有一个问题,海洋的生物死亡之后,尸体一般都是浮在海面,很少沉入海底的,不沉入海底,又如何谈得上分解成甲烷和乙烷等可燃性气体呢?如果上述理论成立,那么陆地上的天然气早就应该与地下水形成可燃冰了,为什么没有这样呢?所以,此论不足取。

人们对可燃冰有如此大的储藏量感到高兴,但要开采却有不小的困难。因为它们都沉睡在海底,人无法下去开采。这就需要一种有效的破冰剂,在机器人的操纵下进入海底,用破冰剂破坏可燃冰的结构,同时又能集中收集可燃性气体。这当然是21世纪的任务了。

超强酸为何会比王水还厉害

早在古埃及时代,人们就认识了醋酸。到了17世纪,荷兰化学家劳贝尔又发现了盐酸、硝酸和硫酸。时至今日,人们已知的酸类物质已有很多很多种。

但在这庞大的酸类家族中,酸性强的并不多,大家熟悉的强酸,主要有盐酸、氢溴酸、硝酸、硫酸和高氯酸等。它们有强烈的腐蚀性,许多“刚强”的金属在它们面前也要“酥软”下来。不过,它们对黄金却无可奈何。

黄金不怕酸的时代并没有延续多久,化学家们就发现,如果将浓硝酸和浓盐酸按照1颐3的体积比混合,所得到的混合酸液的酸性强度比上述几种酸要强得多,黄金遇到这种混合酸液就像“泥牛入海”一样,很快就变得无影无踪。

无怪乎人们称这种混合酸液为“酸中之王”——王水。

在很长的一段时间里,人们认为最强的酸就是王水了,不会再有新的“酸王”出现了。就在人们对强酸没有什么新追求的情况下,在一个圣诞节的前夕,美国加利福尼亚大学的实验室里却传出了一则惊人的消息:奥莱教授和他的学生偶然地发现了一种奇特的溶液,它能够溶解性质非常稳定的蜡烛。这种奇特的溶液是1颐1的SbF5·HSO3F溶液。

我们知道,蜡烛是高级烷烃,通常不与强酸、强碱甚至强氧化剂作用,但1颐1的SbF5·HSO3F溶液却能让它“粉身碎骨”。奥莱教授对此现象非常惊愕,他把这种溶液称做“魔酸”,后来又称做超强酸。

1颐1的SbF5·HSO3F超强酸的发现,重新点燃了人们对强酸研究的兴趣之火。迄今为止,化学家们又找到了多种新的超强酸。不仅有液体超强酸,如HF·SbF5·HSO3F等;还有固体超强酸,如SbF6·SO2ZrO、SbF5·HSO3F·A12O3等。它们都具有与1颐1的SbF5·HSO3F溶液相似的性质。

从成分上看,超强酸都是由两种或两种以上的化合物组成的,且都含有氟元素。它们的酸性强得令人不可思议,真不愧是酸中的“巨魔”。例如超强酸HF·SbF5的“摩尔比”为1颐0郾3时,其酸性强度是浓硫酸的1亿倍;当其“摩尔比”为1颐1时,其酸性强度约为浓硫酸的10亿倍。它们是强酸家族的新秀,也是名副其实的超级明星,王水在它们面前只是“小巫见大巫”了。

由于超强酸的酸性和腐蚀性强得出奇,因此过去在化学领域中一些极难或根本无法实现的化学反应,在超强酸的条件下便能异常顺利地完成了。

对于超强酸为什么能使正丁烷发生上述化学反应,其详细反应机理至今也不清楚。

过去,化学界是用瑞典化学家阿仑尼乌斯的“电离理论”来定义酸和碱的。根据这一理论,把酸定义为“电离时生成的阳离子全部是氢离子的化合物”,把碱定义为“电离时生成的阴离子全部是氢氧根离子的化合物”。在已发现的几种超强酸中,有的根本就不含氢元素,因此无法电离出氢离子来,既然如此,也就不能用阿仑尼乌斯的电离理论来认识超强酸了。这样,人们又想到了路易斯的“电子对理论”。根据路易斯的理论,酸是其分子或离子在反应过程中能够接受电子对的物质,碱则是其分子或离子含有可以配给电子对的物质。不过,超强酸又与能用路易斯理论解释的一般酸不同。一般酸都是一种化合物,而超强酸都是由两种或两种以上的化合物组成的,且都含有氟元素。那么,究竟什么样的两种化合物可以组合成超强酸,组合是否有一定的规律,超强酸还能有多少新成员……这些都是未知数。

凡是学过化学的人都知道结构决定性质。超强酸为什么具有如此特殊的化学性质,它们的结构有什么显著特征,也有待于人们进行深入的探索。

现在已知的几种超强酸,除了可以做催化性能极高的酸性催化剂以及做有机化合物和无机化合物的质子化试剂外,在其他领域里还有哪些应用,这方面的谜也藏得很深很深,等待着人们去发现。

石油气为何能变成橡胶呢

我们手中拿一块橡胶,就会感到它是具有弹性、韧性和强度高的物质。正因为橡胶有这种优良的性质,几乎每一个工业部门都需要橡胶制品,甚至很多生活制品也离不开它。随着工业的飞速发展,对橡胶的需要越来越广泛,天然橡胶已不能满足人们的需要,人们便开始探索获取橡胶的新方法。从19世纪开始,人们经过许多次科学实验,逐渐认识橡胶是碳氢化合物,由丁二烯和异戊二烯分子所组成。

既然橡胶能够分解成单体的丁二烯分子和异戊二烯分子,那么在一定温度和压力的条件下,将异戊二烯分子和丁二烯分子聚合就可以生成合成橡胶,也就是人造橡胶。我国现在已经能够生产氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁钠橡胶、丁苯橡胶等各种合成橡胶。

人们从生产实践中,发现石油气体中含有良好的制造橡胶的原料。

从石油中提炼出汽油以后,其中余下一部分蒸馏气体,我们叫它石油气。

石油气是含有各种有机碳氢化合物的气体。石油气再经过高温裂解、分离提纯,就能得到制造合成橡胶的各种气体:如乙烯、丁烯、丁烷、异丁烯、异戊烯、戊烯、异戊烷等等。乙烯在一定的条件下与水分子作用,可以合成乙醇,两个醇分子脱去水分子就生成丁二烯。丁烯和丁烷在高温下经过化学反应,同样可以生成了二烯。本二烯经过聚合就能变成丁钠橡胶。而丁二烯与苯乙烯共聚又能生成丁苯橡胶。丁二烯与丙烯腈共聚,则生成丁腈橡胶。

同样,异戊烷和异戊烯通过高温裂解,可以生成异戊二烯;异戊二烯聚合就生成了异戊橡胶。现从石油气中可以提炼多种合成橡胶的原料。可见,合成橡胶不仅充分利用了丰富的石油工业资源,而且还具有比天然橡胶更优越的耐磨、耐寒、耐油、耐酸等性能。如丁苯橡胶比天然橡胶更耐磨;氯丁橡胶有极好的耐曲挠性能,可防火、耐酸、耐油;丁腈橡胶耐油性能更好……因此,合成橡胶是工农业生产、国防、科学研究十分需要的材料。

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