书城教材教辅中外化学故事
30646300000015

第15章 扑朔迷离:化学发现故事(1)

海明威的发明

海明威的《老人与海》许多人都读过,可是,提到这位文豪的化学发明,就鲜为人知了。

大文豪海明威在他的著名小说《老人与海》中讲述了渔夫桑提亚哥与鲨鱼斗争的故事。这故事歌颂了人的尊严、勇气、毅力和信心。也许桑提亚哥就是海明威自己的象征吧!海明威自己就曾与鲨鱼斗争过。

那是在第二次世界大战方兴未艾的时候,辽阔的大西洋、太平洋已成为残酷的战场。这是一场钢铁消耗战,双方都有大批船只被击沉。在危急关头,官兵们不得不弃船逃生,然而,那些跳到海里去的官兵很少能够生还,因为海里有许多鲨鱼正在等着他们。在鲨鱼阴冷的眼里,每个落水者都是一顿点心,不论你是士兵还是军官,也不论你是日军还是美军。那些挂了彩的士兵,更逃不脱鲨鱼灵敏的鼻子。

为了使自己一方的士兵免遭鲨鱼的攻击,美国当局号召全国有识之士都来研究防鲨药品。许多科学家和捕鲨者纷纷响应,投入了以药防鲨的试验。海明威也在鲨鱼出没的海域里圈了一块海面,选用化学物质进行试验。有一次,他把含有硫酸铜和不含硫酸铜的诱饵交错地布置在海面上,看鲨鱼有什么反应。两天后,当他乘船来检验这些诱饵时,他由惊奇到振奋,高兴得手舞足蹈。他发现,鲨鱼把不含硫酸铜的诱饵吃得精光,含硫酸铜的诱饵一点也没动。他又做了一次试验,结果还是一样。

海明威把自己的发现告诉了海军当局。人们对这位作家的话将信将疑,这人既非生物学家又非化学家,他的发现可靠吗?直到海军指挥部的官员亲自观察了海明威的试验,才不得不相信了!可是澳大利亚的专家们提出了疑问,他们说:“这也许是美国鲨鱼太温顺了吧,如果在澳大利亚,也许情况会不一样呢!”于是,澳大利亚专家在本国海岸的鲨鱼湾里进行了类似试验,结果与海明威的试验完全一样,以凶恶闻名的澳大利亚鲨鱼对硫酸铜照样是唯恐避之不及。

就这样,一种有效的防鲨药物被找到了。美国海军的将士,无论官阶大小一律佩戴由这种常见盐类制成的“护身符”。

硫酸铜是一种重金属盐,能使细菌身体里的蛋白质发生变性而死亡,在我们普通的游泳池里就溶有硫酸铜,不过,这可不是用来防鲨的,而是用来消灭众多游泳者身上带进来的细菌,以保证游泳者身体健康。

无水的硫酸铜是一种白色固体,能溶于水,溶于水后生成蓝色的溶液。从这种溶液里析出的晶体是蓝色的,俗称胆矾或蓝矾,含有结晶水,化学式是CuSO4·5H2O。胆矾受热又能失去结晶水,成为白色CuSO4。在工业上,精炼钢、镀铜以及制造各种铜银的化合物时,都要应用硫酸铜。

硫酸盐的种类很多,除硫酸铜外,还有一些在实际应用上很有价值。比如硫酸钙,它是白色固体。带两个分子结晶水的硫酸钙,叫做石膏(CaSO4·2H2O)。石膏在自然界以石膏矿的形式大量存在。给石膏加热到150~170℃时,石膏就失去所含大部分结晶水而变成熟石膏(2CaSO4·H2O)。熟石膏跟水混合成糊状物后很快凝固,重新变成石膏。人们利用这种性质,通常把石膏用来制造各种模型。医疗上用它来作石膏绷带。水泥厂也要用石膏来调节水泥的凝结时间。

带7个分子结晶水的硫酸锌(ZnSO2·7H2O)是无色的晶体,俗称皓矾。医疗上用做收敛剂,可使有机体组织收缩,减少腺体的分泌;在铁路施工上用它的溶液来浸枕木,是木材的防腐剂;在印染工业上用它能使染料固着于纤维上,是一种媒染剂。硫酸锌又可用于制造白色颜料(锌钡白等)。

硫酸钡(BaSO4)可作白色颜料。天然产的硫酸钡叫做重晶石。重晶石是制造其他钡盐的原料。硫酸钡不溶于水,也不溶于酸。利用这种性质以及不容易被X射线透过的性质,医疗上常用硫酸钡作X射线透视肠胃的内服药剂,俗称“钡餐”。

硫酸和硫酸盐溶于水时都会产生硫酸根离子。可以利用硫酸钡的不溶性来检验硫酸根离子的存在。比如在硫酸或硫酸钠的溶液里加入氯化钡溶液,就生成白色的硫酸钡沉淀。

BaCl2+H2SO4BaSO4↓+2HClBaCl2+Na2SO4BaSO4↓+2NaCl在碳酸钠的溶液里加入氯化钡溶液,也生成白色沉淀,这是碳酸钡沉淀。

BaCl2+Na2CO3BaCO3↓+2NaCl白色的硫酸钡既不溶于水,也不溶于盐酸或稀硝酸,但白色碳酸钡能够溶于盐酸或稀硝酸。

BaCO3+2HClBaCl2+H2O+CO2↑BaCO3+2HNO3Ba(NO3)2+H2O+CO2↑许多不溶于水的钡盐(如磷酸钡)也跟碳酸钡一样,能溶于盐酸或稀硝酸。

由此可见,用可溶性钡盐溶液和盐酸(或稀硝酸)可以检验硫酸根离子(SO2-)的存在。

石灰的妙用

公元180年,苍梧(今广西梧州市南)、桂阳(今湖南省郴州)一带出现一股叛军,攻打郡县,声势很大。

零陵郡太守杨璇想出兵清剿,又感到兵少力弱,于是心生一计。他找来几十辆马车,每辆车上装一个大布袋,袋里放满石灰粉末,并在马尾巴上系一条布绳子。

战斗开始时,杨璇命令拉石灰的马车走在前面,让士兵顺风使劲敲打石灰袋子,飞散出来的石灰粉末遮天蔽日,使敌人看不到这边的情况。接近敌人后,杨璇又叫士兵点燃马尾巴上的布绳子。马被烧后,拼命地向敌阵冲撞,更使石灰粉末纷飞,呛得敌人睁不开眼,喘不过气。这时,装有弓箭手的兵车在石灰烟幕的掩护下,冲了上去乱箭齐发,很快就杀散敌军,敌人首领也被打死了。

在近代中国反帝反封建的斗争中,石灰也书写过它光彩的一笔。让我们追溯到1839年6月3日,这一天是中国人扬眉吐气的日子,值得我们永远纪念。

这一天,广州虎门炮台人山人海,旗幡招展,鼓乐喧天,围观的百姓数以万计。在虎门炮台的高坡上,搭了一座帅帐,高挂着串串彩灯。帅帐正中上方,供着道光皇帝的圣旨以及尚方宝剑,下前方设帅位。帅帐前摆着钦差大人的全套执事:立瓜、卧瓜、长枪、银戟、雁翎刀、金钺、铜斧,肃静牌、虎头牌、回避牌、官衔牌,旗罗伞盖,指、掌、权、衡。

500名御林兵分站左右,一个个身穿锦衣,肋挂弯力,甚是威风。在帅帐左右,还搭起两座观礼台。左面台上站满了被邀请来的各界代表,右面台上都是在广州的洋商,有英国人、美国人、瑞典人、荷兰人、葡萄牙人、西班牙人等。本来也邀请了鸦片贩子英国人义律、颠地等前来观礼,只因他俩心怀鬼胎,没敢露面。

上午10时,钦差大臣林则徐率领广州文武来到虎门,在一片欢呼声和鞭炮声中,林则徐下轿,升坐帅位,邓廷桢、关天培、广东巡抚怡良、广州知府余保纯等人都入了座。

林则徐今天格外高兴,端坐在帅位之上,满面红光,神采奕奕。稍微休息片刻之后,问道:“都准备好了没有?”关天培满面赔笑着回答:“都准备好了,钦差大臣请看。”说着,用手指向海滩。

林则徐欠身一看:只见海滩上并排挖了6个大坑,呈正方形,每边长4丈5尺,深约9尺。靠海水那面设有闸门,可以把海水引进坑内。每个坑边都站着50名水勇,正在把一箱箱鸦片倒在坑里;还有许多人往坑里倒生石灰,然后用竿子把鸦片和生石灰搅拌在一起。在海滩上是鸦片箱子堆积如山,无数水勇持械守护。

林则徐看罢,连说:“好,好,好!”马上传令道:“关将军,传我的令,开始销烟!”“是。”关天培手举大令,站在帅帐外高声喝道:“钦差大臣有令,销烟开始!”

这真是“一声令下如山倒,兵随将令草随风”。水勇们听到命令,立即行动起来,忙绞起闸门,把海水灌入坑内。海水遇上生石灰,产生了高温,这大坑里就“咕嘟咕嘟”开了锅。气泡连成片,浓烟冲上天,被销毁的鸦片随着海水流入大海,什么也剩不下了。

据说过去也销毁过鸦片,方法是用火烧。烧的结果,鸦片由固体变成液体,这种烟液,一部分化为烟雾飘散,一部分则渗到地里。有些精明鬼儿就把渗进烟液的土挖出来,又炼出了不少大烟。对比之下,用海水和生石灰销烟,实在高明。

人们看着把一箱箱鸦片倒入坑内,顿时烟雾腾空,销烟池里黏稠的废水流入大海,老百姓欢声雷动,洋商们瞠目结舌,中国人扬眉吐气,侵略者狼狈不堪。林则徐虎门销烟,震惊中外,流芳千古。

从6月3日开始,至6月25日截止,一共烧了23天,才把2万多箱、共230余万斤鸦片销尽。当然,销烟所用的石灰也是数量惊人。

石灰的生产有着悠久的历史。生产石灰的原料是石灰石。石灰石的主要成分是碳酸钙,它也是重要的建筑材料。把石灰石放在石灰窑里,经过高温煅烧,就制得生石灰,同时释放二氧化碳气体。

高温

CaCO3CaO+CO2↑

生石灰的主要成分是氧化钙,而建筑上直接使用的是熟石灰。生石灰吸水就变成熟石灰:

CaO+H2OCa(OH)2

人们在粉刷墙壁时用的是由熟石灰做成的石灰膏。墙壁在刚用石灰粉刷后,含有大量的水分,空气中的二氧化碳溶于水后生成碳酸,碳酸在水中离解成氢离子和碳酸根离子,碳酸根离子和钙离子结合,生成不溶于水的碳酸钙。这是一个不可逆的化学反应过程。这样,原来粉刷墙壁的熟石灰与二氧化碳发生化学反应,又逐渐变成了白色的碳酸钙。

无心插柳柳成荫

美国北卡罗来纳州的木棉工厂有一位工人叫詹姆斯·穆尔黑德,自称加拿大的发明家TL威尔逊向他说了一些他感兴趣的事情。威尔逊说,如果像炼铁那样,把木炭掺入氧化铝中加以高温,就会还原成金属铝。但是,这需要比炼铁高得多的温度,不能用熔矿炉,必须用电炉。穆尔黑德听信了这番话,出钱成立了一个公司,由威尔逊指导生产铝,当然,铝并不是用这种方法就能轻易得到的,所以屡遭失败。威尔逊并没有灰心,他又提出了第二个方案:把木炭掺入生石灰(氧化钙)中加以高温,使它还原成金属钙。再把金属钙掺入氧化铝加热,抽去氧使铝分离出来。这个方案的后半部分是合理的,但前半部分同前面提到的方案一样,仍然是不可能实现的。但是,穆尔黑德仍然支持这个新建议。威尔逊在生石灰中掺入作为碳来源的煤焦油,用电炉加高温,得到了结晶状物质,这种物质有金属光泽。看来,如所预料的那样,得到了金属钙。

为了证实是不是金属钙,威尔逊便把这种物质投入了水中。他想如果是钙,它会使水分解,释放出氢气。结果的确冒出了不少气泡。他将火移近,立即燃烧起来。他断定气体是氢,制造出来的肯定是金属钙。但是,他没有高兴多久,火焰就变黄了,而且开始冒黑烟。如果是氢,火焰应该是无色的。

仔细分析以后,才知道制造出的物质是碳化物,即碳化钙。抛入水中所生成的气体是乙炔。制造铝的美梦虽然破灭了,但是却掌握了碳化物实用制法。穆尔黑德和威尔逊进一步研究和改进制法,取得了美国的专利权。从那时直到今天,碳化物的制法在本质上没有什么改变。

变色的紫罗兰

在一个春意盎然的早晨,化学大师波义耳像往常一样来到实验室。

刚刚坐下,一位花匠走进他的书房,在书房里摆下一篮美丽的深紫色紫罗兰。

波义耳见状,随手拿起一束,观赏着,不断放在鼻子上闻闻。

“威廉,有什么新情况吗?”波义耳向实验室里年轻的助手问。

“昨天晚上运来了两大瓶盐酸。”

“我想看一看这种盐酸,请从烧瓶里倒出一点来。”波义耳把紫罗兰放在桌子上,去帮助助手倒盐酸。

盐酸在倾倒时,发出一种刺鼻子的气体。这种气体像白烟一样,刺得人很是难受。只见白烟缓缓漫过放紫罗兰的桌面。

“年轻人,这种盐酸好极了。”波义耳高兴地对威廉说。

正当波义耳从桌上拿起那束紫罗兰准备离开实验室的时候,他突然发现紫罗兰上冒出轻烟。原来盐酸的飞沫溅到花儿上了。

波义耳赶紧把花放进水杯里冲洗。过了一会儿,令人不可思议的事情发生了,只见紫罗兰的颜色变成红色。

这个出人意料的现象,引起了波义耳的兴趣。

他再次走回书房,把那个盛满紫罗兰的篮子拿到实验室,对威廉说:

“取几只杯子来,每种酸都倒一点,再拿些水来。”

威廉按照波义耳的吩咐,一个杯子倒进一种酸,再往每个杯子里放进一朵花。

波义耳低下头,仔细地观察着。他看见,深紫色的花朵逐渐变色了,先是带点儿淡红色,最后完全变成了红色。

“威廉,你来看,不仅是‘盐酸’,其他种类的酸,都能使紫罗兰由紫色变成红色。”波义耳兴奋地对助手说。

“这个发现太有意思,太重要了!今后我们只要把紫罗兰的花瓣放进溶液里,就能知道是不是酸了。”

“可是……先生,紫罗兰并不是一年四季都开花的呀!”威廉带着遗憾的口气说。

“你真聪明,我也这么想。”波义耳说。

“我想,我们还是先收集一些紫罗兰的花瓣,把它们泡出汁液来。今后我们研究溶液是不是酸,只要把它们放进去,根据变出的颜色就知道了。”

“先生,说不定碱也能使紫罗兰改变颜色?”威廉迟疑地推测说。

“你说得很有道理,我们不妨试一下。”

接着,波义耳开始着手进行实验。在实验的过程中,他还采用丁香、苔藓、蔷薇等各种植物的花和根,浸泡在液体里,结果泡出很多不同颜色的浸液,最有趣的是用石蕊泡出的液。酸和碱本来像水一样,是无色透明的,可是把酸液滴到石蕊浸液里,就出现红色,碱能使石蕊液变成蓝色。

后来,波义耳又想出一个更简便的方法,他吩咐威廉用石蕊浸液把纸浸透,再把纸烘干,只要将一小块这种试纸放进被检验的溶液里,根据纸的颜色变化,就能知道这种溶液是酸性的还是碱性的。

波义耳把这种石蕊纸和起同样石蕊纸作用的其他物质叫做“指示剂”。

“指示剂”能帮我们分辨什么是酸,什么是碱,它为科学研究工作带来了很大的方便。

阴天里的射线

20世纪90年代中期的一天,贝克勒尔挤在人群中,在巴黎参观首次展出的X射线照片展览,他完全被这次展览迷住了。当时,X射线是怎样产生出来的问题,还没有一个明确的结论。有的科学家认为,X射线是产生荧光的玻璃管的管产生的。贝克勒尔从他父亲那一代起就开始研究荧光,他特别详细地研究了发出荧光的铀的化合物。如果玻璃在发出荧光时放出X射线,那么,其他的荧光物质不是也能放出X射线吗?贝克勒尔这样想,并利用手头的铀化合物致力于发现新的X射线源的研究。他在用黑纸严密包好的感光板上,放上一块铀化合物的结晶体,在旁边放上一枚银币,再在银币上放上另一块结晶体。铀化合物一旦见到阳光就会发出荧光。贝克勒尔把这种准备好的感光板放在有太阳的地方,让阳光长时间照射。之后,再将感光板显影,他发现,如他所料,放第一个结晶体的地方明显地感了光,而在放第二个结晶体的地方,清晰地映出了银币的轮廓。

的确,铀化合物在放出荧光时也放出了X射线。不用说,贝克勒尔是非常高兴的。