第22章 化学发明(1)

　　人类文明的圣火由无数的发现和发明贯穿，一代传承一代，不断地推动人类历史的车轮滚滚向前。化学史上的发现、发明创造也是如此。

　　本章从浩瀚如烟的化学发现、发明中，遴选出重要且具有影响意义的29个，比如，肥皂、火柴、火药、化肥、橡胶等，以期让你找到光明之源、力量之源。

　　1.点石成金

　　智慧思索

　　我们知道金刚石是一种贵重的宝石，深受人们的喜爱，人们将其加工成各种各样的饰品，佩戴在身上。天然的金刚石产量太少，满足不了人们的需求，这时有个人突发奇想，他想用自己的手把石头变成“金刚石”，那么这个人是谁，他又能否成功呢？这个“异想天开”的年轻人就是药店学徒出身的法国化学家莫瓦桑。莫瓦桑看到天然金刚石“供不应求”时，就琢磨：能不能用人工制造金刚石来满足人们的需要呢？那样不就解决供求紧张的问题了吗？于是，他在化学界同仁的异样目光中，开始了艰难的探索。

　　在当时，人们已经在陨石里发现了石墨和碳，而天然的金刚石里也夹杂着石墨和碳。这就是说，金刚石是石墨和碳在不同的条件下转化成的。要使石墨和碳变成金刚石，就必须要有强大的压力，因此莫瓦桑就用各种各样的方法对石墨和碳进行加压，然而在对碳和石墨加压中发现挤压不行，撞击也不行……

　　最后，他终于想到利用“热胀冷缩”的方法给它加压，这一招果然有效：他设计了一种特殊的装置，在熔化的铁液中掺入少量的碳，使碳和铁液混在一起，然后把烧红的铁液一下子倒入冷水中，水立即产生了强烈的嘶鸣声，一团团水蒸气迅速升腾着。熔化的铁立即变成了固体，同时内外产生了一股非常强大的压力，使金属铁中的那些碳变成一颗颗很小的亮晶晶的结晶体，这就是人类历史上最早的人造金刚石。人造金刚石不像天然的金刚石那样有光泽，要黑一些，但硬度比一般的物质都强。

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　　人造金刚石具有超硬特性和优异的物理、化学性能，在国民经济和人们日常生活中，日益得到广泛的应用和极大的重视，年消耗量直线上升。

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　　莫瓦桑，法国化学家，生于1852年9月28日，因首次制得单质氟等一系列发明获得1906年诺贝尔化学奖。

　　1906年，瑞典诺贝尔基金会宣布：把相当于10万法郎的奖金授给莫瓦桑，“为了表彰他在制备元素氟方面所做的杰出贡献，表彰他发明了莫氏电炉”。同年12月，一大批莫瓦桑的学生和朋友，在巴黎大学的会议厅里，隆重举行庆祝大会，庆祝莫瓦桑制取单质氟20周年。会上，54岁的莫瓦桑即席讲演，他在演讲的最后说：“我们不能停留在已经取得的成绩上面，在达到一个目标之后，我们应该不停顿地向另一个目标前进。一个人，应当永远为自己树立一个奋斗目标，只有这样做，才会感到自己是一个真正的人，只有这样，他才能不断前进。”

　　2.燃烧的真相

　　智慧思索

　　氧气是我们天天都要吸入的气体，每个人都离不开它。同样，物体的燃烧也离不开氧气。

　　人类的祖先在穴居时代就学会了钻木取火，火与人们的生活息息相关。然而，燃烧究竟是怎么回事呢？

　　于是许多化学家开始对燃烧现象进行探讨，但都未能触及燃烧的本质。后来，德国人斯塔尔提出“燃素说”。他认为一切可燃物中都含有燃素，物体燃烧时，本身所含的燃素便飞散出去，燃烧即物体失去燃素的过程。

　　拉瓦锡对此感到怀疑，但是他找不到更科学、更合理的理由。有一天，吃完饭时，他突然灵机一动，为何不从重量上入手呢？于是他决定从“物体燃烧后重量变化的原因”这一棘手的问题入手。他应用定量分析的方法，进行了无数次的实验。在实验中他发现了化学反应中的质量守恒定律，发现了氧气及其性质，燃烧的真相大白了。以汞为例，加热汞后，生成物汞灰增加的重量恰好等于空气失去的重量；再加热汞灰使其还原，还原汞灰时所得的空气与生成汞灰时所失去的空气正好相等；把这一部分空气同不参加反应的其他空气混合后，恰好就是普通空气；拉瓦锡称这部分特殊空气为氧气，指出了氧气具有助燃并参与燃烧中化合的性质。

　　氧气的发现彻底将燃素从燃烧中驱逐了出去，用真正的原因揭示了燃烧的本质。

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　　世界上最早发现氧气的是我国唐朝的炼丹家马和。马和认真地观察各种可燃物，如木炭、硫黄等在空气中燃烧的情况后，提出的结论是：空气成分复杂，主要由阳气（氮气）和阴气（氧气）组成，其中阳气比阴气多得多，阴气可以与可燃物化合把它从空气中除去，而阳气仍可安然无恙地留在空气中。马和进一步指出，阴气存在于青石（氧化物）、火硝（硝酸盐）等物质中。如用火来加热它们，阴气就会放出来。他还认为水中也有大量阴气，不过很难把它取出来。马和的发现比欧洲早1000年。

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　　拉瓦锡，法国化学家。他在化学上主要的贡献是：用实验和理论多方面证明燃素说是错误的，并建立氧化说去代替错误的燃素说；证明水是化合物，推翻自古以来认为水是元素的错误观念。

　　拉瓦锡著作很多，代表作有《化学概要》《物理学和化学的重量》等。

　　在政治上，拉瓦锡不能说没有错误，特别是担任收税官和后来拥有大量土地的情况下，有错误是不可避免的。然而，他在化学上的功绩并不因此而磨灭。

　　3.能燃烧的石头

　　智慧思索

　　日常生活中，取暖做饭经常用到煤气，对于煤气，我们并不陌生，但对它的发现过程，我们是否熟悉呢？

　　英国大发明家威廉·梅尔道克，小时候和一些小朋友在自己家后的一座小山上挖页岩玩——这种石头一片片的，像一页页书，能用火点着。梅尔道克觉得这种石头很怪，居然能着火，要是放在水壶里烧一烧，又会成什么样子呢？于是威廉·梅尔道克决定带些石头回家烧烧看。

　　回到家，梅尔道克把采来的页岩小心翼翼地放进水壶，然后把水壶放在火上烤。他想，加热了，这种奇怪的石头还能变成什么呢？过了一会儿，水壶嘴里冒出了一股股气体，小梅尔道克又惊又喜，呀，这石头还真神奇，居然还呼吸，石头能燃烧，那它呼出来的气体也可能会燃烧，他一边想，一边用火柴点燃它，想不到火柴刚一碰到那种气体，就听“啪”的一声，那气体就燃烧起来了，把小梅尔道克吓了一跳，差点儿让火烧着他了。

　　自此梅尔道克迷恋上了科学，长大后，他开始研究煤，他把一块煤块像小时候玩页岩一样，放进了小水壶里，然后在水壶底加热，并仔细地观察着水壶里的变化。一会儿，水壶嘴里也冒出了一股股气，用火柴一点，也着了起来。梅尔道克把这种气体称为“煤气”。

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　　煤的组成以有机质为主体，构成有机高分子的主要是碳、氢、氧、氮等元素。通常所指的煤的元素组成主要是：碳、氢、氧、氮和硫。煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。这些稠环的骨架是由碳元素构成的，因此碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。同时，煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类矿物。氢是煤中第二个重要的组成元素。除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存在于矿物质的结晶水中，如高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）、石膏（CaSO4·2H2O）等都含有结晶水；氧是煤中第三个重要的组成元素。它以有机和无机两种状态存在；氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。煤中的硫成分是有害杂质，它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成SO2污染大气及危害人类健康。所以，硫成分含量是评价煤质的重要指标之一。

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　　煤气中毒通常指的是一氧化碳中毒，一氧化碳是煤炭燃烧不完全形成的。一氧化碳被吸入肺，并通过血管进入血液。我们知道，红细胞是携带氧气及二氧化碳的“气体交换车”，通过红细胞的流动，全身组织才能进行气体交换。一氧化碳与红细胞结合的力量比氧气大200～300倍，所以大量的一氧化碳与红细胞结合，就大大减少了红细胞带氧的能力，使组织发生缺氧而“窒息”。

　　4.意外发现的肥皂

　　智慧思索

　　最早的肥皂是谁发明的呢？

　　古埃及有个庄园主，他请了一个厨师。由于吃饭的人多，做饭的人少，小厨师天天忙得不可开交，脸都没时间仔细洗，黑糊糊的。小厨师为了早上多睡会，每天忙到半夜把第二天的材料给准备出来。

　　有一天，小厨师实在太困了，一觉睡到了8点，小厨师急急忙忙起来做饭。一不小心，把灶下的一盆炼好的羊油踢翻了，全部浇在炭灰里。

　　小厨师怕被主人责骂，连忙用手将混有羊油的炭灰一把一把地捧了出去，以免被人发现。他捧完炭灰洗手时，忽然发现手上竟然出现了一些白糊糊的东西，而且手洗得特别干净，甚至连以前很难洗掉的污垢都不见了。

　　小厨师没有多想就赶紧去做饭了。当他做完饭后又用那种白糊糊的东西把手洗了一遍，变得更白了，接着他又洗了洗脸，的确能变白。

　　小厨师把他的发现告诉了庄园主，庄园主半信半疑地试了试。“嗯，不错，的确能让脸又白又光。”庄园主惊讶地说道。

　　不久，小厨师的这种“小团团”被更多的人知道了，一传十，十传百，全国上下都开始使用了。

　　原来，小厨师的“小团团”就是我们说的肥皂。

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　　肥皂是由易溶于油的亲油基（也叫疏水基）和易溶于水的亲水基所组成。这两个基团分别溶于油和水中，降低了油水的界面张力，从而把油水本不能互溶的两种物质连接起来不使其分离，被肥皂乳化后的油以微小的粒子分散于水中而不分层。肥皂的这种性质，能显著降低界面张力，这种化合物统称为表面活性剂。由于肥皂和其他表面活性剂有这种性质，因此产生润湿、渗透、乳化、分散、起泡和去污等作用。

　　肥皂的化学成分是硬脂酸钠，它能和硬水中的碳酸氢钙反应，生成白色的沉淀物——硬脂酸钙。所以用硬水洗衣服，会浪费肥皂，而自然水如海水、河水、湖水、井水，总是和石灰石打交道，大多数是硬水。在家里最便当的软化硬水的方法，是把水煮一下，去掉碳酸氢钙。

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　　我们现在用的肥皂是从工厂的大锅里熬出来的。制皂工厂的大锅里盛着牛油、猪油或者椰子油，然后加进烧碱（氢氧化钠或碳酸钠）用火熬煮。油脂和氢氧化钠发生化学变化，生成肥皂和甘油。因为肥皂在浓的盐水中不溶解，而甘油在盐水中的溶解度很大，所以可以用加入食盐的办法把肥皂和甘油分开。因此，当熬煮一段时间后，倒进去一些食盐细粉，大锅里便浮出厚厚一层黏黏的膏状物。用刮板把它刮到肥皂模型盒里，冷却以后就结成一块块的肥皂了。

　　药皂和一般的肥皂差不多，只是加进了一些消毒剂。

　　香皂一般是用椰子油和橄榄油制造，并且加进了香料和着色剂，所以有散发出各种香味和五颜六色的香皂。甘油是制皂工业的重要副产品，甘油在国防、医药、食品、纺织等方面，都有很大的用途。

　　5.铁盒出汗

　　智慧思索

　　水是我们的生命之源，我们离不开水。日常生活中，我们对水司空见惯，觉得它没有什么神奇的地方。那么要问你水是由什么组成的，又是谁最先揭开水组成之谜时，你是否也了如指掌呢？

　　英国有一个化学家喜欢看魔术表演，他就是卡文迪斯。

　　一天，卡文迪斯在路边看见一个长头发的魔术师在表演“铁盒出汗”，只见魔术师把氢气通入一个擦干的铁盒里，然后点燃，就看见铁盒里冒出一股股白烟来，接着是“啪”的一声巨响。这时，魔术师立即拿起铁盒对大家说：“大家看哪，铁盒出汗啦！”

　　果然，刚才干燥的铁盒内出现了许许多多小水滴，这引起了卡文迪斯的好奇心。他回到实验室，立即做起了实验，把氢气和氧气混合在一起，然后点燃，结果发现，每次爆炸后，容器的四壁都出现了小水滴。

　　他非常纳闷：“这些水是从哪里来的呢？难道是容器没有擦干造成的？”

　　卡文迪斯把容器一遍又一遍地擦干，结果仍然是这样。

　　经过无数次的试验和研究，结果发现：水是由氢元素和氧元素组成的。

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　　纯水是一种无味无色的液体，天然水多呈浅蓝绿色。水的元素构成是氢和氧，其化学分子式用H2O表示，是一个键能很强的偶极分子，这是H与O原子的电子层结构决定的。在H-O键中共价键成分很高，其形式是等腰三角形，两个H-O键角为105°。

　　此外，水分子间分子键强大，使水具有较高的溶点和沸点。这一特性使得自然界的水多数条件下以液态形态存在。离子健化合物在水中极易溶解。水中的各种溶质极易发生相互之间及其与水之间的各种化学反应，具有良好的对自然界物质的迁移、转化能力。即具有很强的溶解力。

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　　常温下，水为液态。温度改变时，水的体积变化也不寻常，它在0℃～4℃范围内，一反“热胀冷缩”的普遍规律，而是在4℃时密度最大，高于或低于此温度时，密度都较小，因此当水结冰时，体积反而胀大而变轻，所以冰浮在水面上。水的这一特性，对自然界水下生命的保护有着十分重要的意义，当冬季河流、湖泊冰封水面时，反而保护了水下生物的生存。

　　在一般液体物质中，除汞以外，水具有的表面张力最大。植物通过水的毛细管作用获得水分及养分，土壤也是通过毛细管作用来保持水分的。

　　6.侯氏制碱法

　　智慧思索

　　我们平时吃的馒头、面饼等都离不开纯碱，因此只靠天然的纯碱是不够用的，这就出现了工业制碱。关于工业制碱，我国最早的就是侯德榜发明的“侯氏制碱法”，它的发明会有怎样的历程呢？

　　以前全世界的碱生产都被英国垄断，他们不向其他国家提供相关的技术，还任意抬高产品的价格，给包括中国在内的其他国家工业的发展，造成了巨大的阻碍。

　　当时，侯德榜在美国留学，期间来美国考察化学工业的陈调甫感慨地对侯德榜说：“中国的化学工业很需要碱，但我们没有制碱的技术，就只能看着别人卡我们的脖子，让我们受气……”侯德榜听后，暗下决心：一定要掌握制碱技术。

　　毕业后，侯德榜回到祖国，开始研究制碱的方法，经过三年不懈努力，他终于探索出了一种制碱的方法，打破了英美对新式制碱法的技术封锁，使工厂生产出了洁白的纯碱。

　　后来侯德榜认真地研究自己制碱法的优缺点，反复地试验，首次使用了一种自己想出的新方法，并配合一种合理的制作流程，大大节省了原料，降低了成本。1939年，侯德榜终于发明了“侯氏制碱法”。

　　这种制碱法被世界公认为当时的最高水平，“侯氏制碱法”的名字永远留在了科学史中，侯德榜也被世界称为“制碱大王”。

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　　纯碱的化学学名是碳酸钠，俗称纯碱、苏打。化学式为Na2CO3。纯碱在常温下是固体粉末，而它的结晶水合物是白色晶体，观察到是白色小颗粒。

　　纯碱水解后水溶液呈碱性，能和碳酸根离子结合产生沉淀的阳离子作用。它的结晶水合物是Na2CO3·10H2O，易风化。

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