书城教材教辅中外化学故事
30646300000017

第17章 扑朔迷离:化学发现故事(3)

帕金在人工合成染料方面作出了突出的贡献受到人们的爱戴和敬佩。

1906年,美国化学界举行一次别具一格的欢迎会来欢迎帕金。欢迎会要求赴会的人一律结着紫色的领带,以示对帕金的尊敬。

蛇与“石子”的斗争

公元前800年的一天,天气晴朗,河山明媚。印度东部的一条河边,一位农民正在捕鱼。半天过去了,他一条鱼也没捕到,感到十分晦气,于是便沿着河谷往家走。走着,走着,突然发现一条眼镜蛇,正在同一颗“石子”搏斗。他感到很奇怪。蛇为什么要同“石子”搏斗呢?仔细一看,发现这颗石子非同一般。它光芒四射、艳丽夺目。他想这一定是宝贝,于是,把眼镜蛇赶走,拿到了这颗“石子”,赶回家中。后来,他找到识宝人鉴定,识宝人说这是“不可战胜的法宝”。梵语里的“不可战胜的法宝”就是人们所说的“金刚石”。

眼镜蛇为什么要跟“金刚石”搏斗呢?

原来,眼镜蛇有一对“热眼”,它特别敏感闪光的东西,而“金刚石”具有强烈的折光性能。阳光透过金钢石,能被折射成彩虹般的七色,就连紫外线和X射线也能使钻石发出蓝、黄、绿的荧光。这种折光引起眼镜蛇的恐惧,所以与之展开搏斗。

金刚石是由碳构成的,可以说它是自然界最纯净的碳。它在纯净的氧气中也会燃烧,生成二氧化碳。碳原子在金刚石中排列的非常规则、致密,每一个碳原子的周围都有4个等距离的碳原子,构成一个正四面体结构,所以它比重很大,相当坚硬。人们用它裁玻璃,制作钻头,通称它为“钻石”。由于钻石具有非凡的折光本领,所以人们用它制作首饰。

世界上首批钻石发现于中世纪末期的远东。历史学家认为,最初是印度西南部绵延1000公里的钻石矿脉,源源不断地供应着威尼斯、伦敦等欧洲最大的钻石市场。真正的钻石工业源于非洲。人工合成钻石源于瑞典。

1953年,瑞典一家实验室成功地制出第一颗人工合成钻石。现在,我国也能用石墨制造金刚石。

马德堡“半球表演”

1654年的一天,德国科学家、马德堡市市长格里克,在马德堡市中心广场当众表演了他的“马拉铜球”实验。这一天,中心广场显得格外热闹,在场的观众数不胜数,不仅有知名的贵族、热心科学研究的学者、平民百姓,而且国王也亲临现场。在他们当中,既有支持实验,希望实验取得成功的人,也有怀疑和反对实验的人。议论、争论、吵吵嚷嚷……实验开始了,格里克和他的助手先把两个精心制作的直径为36厘米的半球壳中间垫上橡皮圈,再把两个半球灌满了水合在一起,然后把水全部抽出使球内形成真空,再把气嘴上的龙头拧死,这时大气把两个半球紧紧地压在一起。

一系列工作做完后,格里克一挥手一名马夫牵来8匹高头大马,在球的两边各拴上4匹。格里克一声令下,4名马夫用皮鞭抽打两边的马。无奈马的力量太小,两个半球仍然紧紧地合拢在一起。见此情景,观众无不感到惊奇,广场上肃静起来,一双双带有疑惑的眼睛都集中在这8匹马拉的这两个半球上来。格里克见8匹马没拉开两个半球,又命令马夫牵来8匹高头大马。在16匹马的猛拉下,两个半球才勉强被拉开。在两个半球分开的一刹那,外面的空气以巨大的力量、极快的速度冲进球内,实验场上发出了震耳的巨响。在场的人们无不为这科学的力量而惊叹。

这个实验有力地证明,空气不但具有压力,而且压力之大,是十分惊人的。

马德堡半球实验,否定了亚里士多德的“自然界憎恶真空”的学说,结束了科学上的一场激烈的争论,从而启发人们去进行真空技术的研究。不久,格里克发明的抽气机被波义耳改进,用来研究“空气的弹力和重量”问题,并由此导致波义耳发现了气体的体积随压强而改变的客观规律,使人们对气体的认识与研究,大大向前迈进了一步。

臭气熏天的费舍

艾密尔·费舍是费舍家业的唯一继承人,可是他对父亲的公司从来不感兴趣,他负责的账本一塌糊涂,而且常常在账本上计算着化学式子,经劝诫了无数次,但毫无效果。艾密尔·费舍还是个音乐迷,城里举行的音乐会或歌剧演出,他是场场必到的。

1877年的一天,费舍走出慕尼黑实验室,到慕尼黑城的一家剧院看戏。他刚刚坐定,邻座的观众纷纷掏出手帕,还互相咬耳朵,女士们则抗议似的掏出香水瓶来。

“谁把这个马夫给放进剧场来了?”有人在喊着。

这时,费舍才突然觉醒,赶忙离开剧场,回去洗澡。但是那股令人厌恶的臭味,仍从他的皮肤里不时地散发。

费舍是何许人也?为什么身上会有奇异臭味呢?观众们当然不会知道,他就是当时德国著名的青年化学家,后来的诺贝尔化学奖获得者。

原来,在去剧院之前,他在实验室中合成了一种重要的化合物3-甲基吲哚。这种化合物奇臭无比,是粪便中的粪臭素。

说来有趣,费舍在导师拜尔教授的指导下,本来是研究靛蓝及其他具有类似结构的化合物的。费舍发现,苯肼相当活泼,易于同醛和酮发生化学反应,形成苯腙晶体,可以利用苯肼的这一性质来分离醛和酮的混合物,并根据苯肼与不同的醛或酮生成相应的苯腙在熔点上的差异,来鉴别醛或酮。然而,他把苯肼作用于丙醛,却意外制得了一种晶体,这种晶体与作为吲哚衍生物之一的粪臭素类似,仅在分子上多1个氮原子和3个氢原子,恰好是1个氨分子。能否从这种苯腙的分子中去掉这个氨分子,使它变成粪臭素呢?费舍边思索边做实验。

开始,他采用各种催化剂与之共热,但没有奏效;又加入酸类,结果又分解成丙醛和苯肼了;后来又改用氯化锌,使它与苯腙共热,结果烧瓶里冒出一股臭味。实验室的其他人被这臭气熏得纷纷停止实验跑出了实验室。可费舍却欣喜若狂,因为这是他第一次取得的成绩。虽然他的衣服、头发和皮肤上布满了粪臭素的分子,但是他毫不介意,继续进行试验,把制得的物质重结晶、测定熔点、进行元素分析,直到取得圆满的结果。

粪臭素的人工合成,使有机合成领域又增添了一个新的化合物,另一方面也体现了科学家的敬业精神。

伤员的“救星”

在古代战争中,许都士兵都是被伤口细菌引起的坏疽病和毒血症夺走了生命,为此,军医们伤透了脑筋。

一次,威震欧洲的拿破仑将军,率兵亲征。虽然打了胜仗,但是官兵伤亡甚大。数百名官兵血流疆场,英勇牺牲。数以千计的伤员,在军营里顶着夏日奄奄一息,接连不断地死于毒血症。目睹那纷纷离去的战士,医生们落下了泪水。然而,医生却惊奇地发现,许多重伤员眼看着苍蝇在伤口产卵、生蛆而无力驱赶,苦不堪言,可是最后却保住了性命,成了免遭死亡的幸运儿。被绿头苍蝇侵扰过的伤员,为什么不出现毒血症,而且他们的伤口愈合速度较快呢?当时,法国医生没有弄清这个秘密。

后来,在美国国内战争时期,美国军医得知法国军医的发现,有意识地把绿头苍蝇的蝇蛆引入伤口,结果也起到了清除伤口的坏死组织,加快伤口愈合的效果。

蝇蛆究竟含有什么物质呢?科学家们对此进行了研究。结果发现,蝇蛆唾液腺中有一种棒状细菌,它能分泌出一种化学物质,把伤口的病原体杀死。美国明尼苏达大学的科学家,从这种化学物质里分离出两种化合物———苯醋酸和苯乙醛。不错,这两种物质都有很强的杀菌能力,它们能够通过穿越脂质细胞抑制细菌利用氨基酸发挥作用,还能够阻断病菌菌体内部的化学反应。这不仅揭开了伤口生蛆有利愈合的秘密,而且还为医生们提供了一种新的杀菌药物。

苯醋酸和苯乙醛在pH值为25的酸性环境中,能穿透细菌的细胞膜,在几秒钟内把绝大多数致病菌杀灭。然而,在枪伤或外伤性创口中,常常呈中性或弱碱性,根本不利于苯醋酸或苯乙醛发挥杀菌作用,蝇蛆究竟是怎样调节伤口的pH值的呢?原来,在绿头苍蝇的体内中,pH值为29,这种情况非常适合苯醋酸和苯乙醛的杀菌活动。实际上,蝇蛆就像伤口中的消毒过滤器,把致病菌吞进口中,然后由唾液腺中分泌出来的苯醋酸和苯乙醛,把它消灭。真是难以想像,令人讨厌的蝇蛆,还有这等非凡的功能呢!

眼泪治好了毒疮

相传,三国时期的一个夏天,名医华佗正在吴国建邺一带行医,偶然遇见一群人围着一个奄奄一息的病人,嚎啕大哭。他走近一看,原来病人的背部生了个疮,疮口不断流脓淌水,全身发热,生命垂危。华佗看后,不慌不忙地让众人把他们的眼泪收集起来,并用它洗涤病人的疮口,然后将眼泪和几味中草药混在一起,贴附在患处。过了几天,这位生命垂危的病人竟奇迹般地恢复了健康。

当然,那时华佗用眼泪治疗毒疮,只不过是凭着他的医疗经验,知道眼泪具有消毒作用罢了。其实,从眼泪中真正获得科学发现的是英国细菌学家弗莱明。

1921年,对眼睛的抵抗力颇感兴趣的弗莱明提出一个疑问:“人的眼睛终日张着,难免不受细菌的侵害,但为什么眼睛却很少受细菌的感染呢?”带着这个问题,他进行了实验研究。把细菌接种到眼泪中,结果发现,被接种的细菌很快就会死去。于是,弗莱明断定,人的眼泪中存在着一种能致细菌于死地的化学物质。经过数年的实验研究,他终于在眼泪中找到了一种未知的蛋白质。由于它遇到细菌时,细菌的细胞壁很快就会溶化掉,从而使细菌丧失抵抗力而消亡,所以科学家们称这种能溶解细菌细胞壁的蛋白质为“溶菌酶”。的确,眼泪中的溶菌酶杀菌力很强,尤其是对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等具有惊人的杀伤力。限于当时的科学技术水平,弗莱明对溶菌酶的化学结构及它的杀菌机理,却是一无所知。直到20世纪60年代,用电子计算机武装起来的分析蛋白质序列器诞生后,化学家们才弄清了溶菌酶的结构。

原来,溶菌酶是一种分子量不大的蛋白质,由129个氨基酸组成,平时缩成球状,在电子显微镜下像个鸡蛋,活性部分在第35和第52个氨基酸上,如将这两个氨基酸换掉或制成衍生物,溶菌酶就会立即失去活性。眼泪中的溶菌酶与其它溶菌剂有明显的差别,它的个子很小,到处乱窜,常常吸附到细菌细胞壁的夹缝上,暗中偷袭,使细菌土崩瓦解!

溶菌酶袭击细菌,主要依靠的是第35个氨基酸———谷氨酸上的羧基和第52个氨基酸———天门冬酸上的羧基,这两个羧基如同两把铁钳,能钳断细菌细胞壁上糖蛋白的糖键,从而破坏细胞壁,使细菌遭受灭顶之灾。

溶菌酶的发现,不仅揭开了眼泪治病的秘密,而且也为有机化学和生物化学谱写了新的篇章。

让羊发狂的“魔豆”

相传,16世纪的一天,阿拉伯有位牧羊人在小山前牧羊,突然发现羊群有些异常:刚牧不久的羊群,怎么不像往常那样低头吃草,还到处乱跑?他以为有野狼惊扰了羊群,于是便四处搜寻,可是搜遍山坳,什么也没有发现。“难道是魔鬼作祟?”他越想越害怕,急忙下山向修道院院长报告。

修道院院长听完牧羊人的报告后,立即随他一起上山,亲自探查羊群。院长发现羊群吃了一种灌木上结的豆子。这种树以前从未见过,院长对这树上结的豆子也很陌生,但他由此断言,羊群的惊乱很有可能与这豆子有关,于是,院长拾起一些豆粒带回修道院,放在水里浸泡起来。他想,修道院晚祷时,有些修道士往往昏昏欲睡,不妨在他们身上试一试。晚餐时,他把这豆子浸过的水给修道士喝,结果他们晚祷时,不再打瞌睡了。从此,这种豆子就成了修道院院长的提神术,每天晚餐时,都给修道士们服用这种豆子的浸液。这豆子就是咖啡豆。

的确,咖啡有提神醒脑之功,如今它已成为风靡世界的饮料。咖啡为何具有如此神奇的提神功能呢?经过化学分析,人们发现,咖啡中主要含有咖啡因、可可碱和茶碱等生物碱,这三种生物碱都是黄嘌呤衍生物,它们的结构与环磷酸腺苷相类似,都能够同磷酸二酯酶相结合。在人体内,有一种称为三磷酸腺苷的物质,它是核酸的组成物质之一,也是提供能量的源泉。这种物质在腺苷酸环化酶的作用下,能转变成环磷酸腺苷。如果脑组织内的环磷酸腺苷的含量增多,会提高大脑皮层的兴奋性。然而,它也会在磷酸二酯酶的作用下,分解而失去兴奋作用。当咖啡经胃肠道吸收,通过血液循环到达脑组织时,咖啡中的三种生物碱就会与磷酸二酯酶结合,抑制了磷酸二酯酶与环磷酸腺苷的结合,从而使脑组织内环磷酸腺苷的含量相应增多,这就改变了中枢神经系统突触膜离子通道,使神经反射的潜伏期缩短,对大脑皮层起着明显的兴奋作用。所以,人们饮了咖啡后,会觉得精神兴奋,思维活跃。今天,咖啡不再是修道院的神秘提神术,已经成为了许多家庭的普通饮料。

由蜘蛛织网想到的

三百多年前,英国有一位年轻的科学家对“八卦飞将军”蜘蛛发生了浓厚的兴趣。从此他经常从早到晚,目不转睛地观察蜘蛛。他看见蜘蛛忙忙碌碌,吐丝织网。刚从蛛囊里拉出的细丝是黏液,迎风一吹,一瞬间变成又韧又结实的蛛丝。

这位青年科学家想,要能发明一个机器蜘蛛,“吃”进化学药品,抽出晶莹的丝来纺线织布,那该多好啊!他一头扎进化学实验室,摆弄起瓶瓶罐罐,用各种化学药品做起了试验。他用硝酸处理棉花得到了硝酸纤维素,把它溶解在酒精里,制成黏稠的液体,通过玻璃细管,在空气中让酒精挥发干以后,便成了细丝。这是世界上第一根人造纤维,但是这种纤维容易燃烧、质量差、成本高,没法用来纺纱织布。

后来,科学家模仿吐丝的蚕儿,将便宜、易得的木材里的木质纤维素溶解在烧碱和二硫化碳里,做成黏液,再在水面下喷丝,拉出千丝万缕。这就是大名鼎鼎的“人造丝”黏胶纤维。它的长纤维可以织成人造丝印花绸、人造丝袜。

可是,人们并不满意。人造丝、人造棉潮湿的时候很不结实,洗涤后容易变形,缩水严重。再说,人造纤维虽然扩大了原料的来源,把不能直接纺纱织布的木材、短的棉花纤维、草类利用了起来,可是,资源毕竟有限。于是,人们又把眼光从天然纤维跳到了矿物上,石头、煤、石油能不能变纤维呢?

五十多年前,德国出现了用煤、盐、水和空气做原料制成的聚氯乙烯纤维(氯纶)。它的化学成分和最普通的塑料一个样,这是最早的合成纤维。用氯纶织成的棉毛衫裤、毛线衣裤,既保暖又容易摩擦后带静电,穿着它,对治疗关节炎还有好处呢!

比氯纶晚几年出世的尼龙(锦纶),比蛛丝还细,但非常结实,晶莹透明,一下子便以其巨大的魅力使人们着了魔。曾经很流行的“的确良”

(涤纶),挺拔不皱,免烫舒适,是产量最大的一种合成纤维。锦纶棉絮酷似棉花,人称“合成棉花”。

后来,由丙烯聚合而成的丙纶一跃而起,成为合成纤维的新秀。丙纶是比重最轻的合成纤维,入水不沉。飞机上的毛毯、宇航员的衣服用它制作,可以减轻升空的负担。