书城教材教辅中外化学故事
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第7章 各显其能:化学元素故事(6)

其他材料都已具备,只是石墨需要现加工,这一任务交给了德国著名的西门子公司。西门子公司则指示其位于拉齐布日的普拉尼亚工厂生产布雷格需要的石墨。

普拉尼亚工厂的总工艺师埃尔温·施密特是一个坚定的反纳粹战士。他看到布雷格要求的订货单后,对要求在很短的时间内生产长3米、宽06米,100块之多的石墨片感到十分奇怪,他想不通什么地方需要这么多这种规格的石墨,而且要求的时间又这么急。施密特预感到这批订单一定是要用到军事目的上。虽然他猜不出这批石墨到底是用于什么军事目的,但他还是决心破坏这次供货。当然,不生产是不行的,施密特采取了非常巧妙的办法,就是设法使生产出来的石墨含有硫、二氧化硫和钙等杂质。

施密特的计划取得了巨大的成功,德军既未发现产品中含有杂质,布雷格也没有想到石墨中会含有杂质。结果,布雷格在使用含有杂质的石墨进行实验时,屡试屡败,以至于他认为自己的计算有误,只好另寻新的减速剂。这使德国原定的生产原子弹的计划大大推迟了。

1915年正值第一次世界大战,西方战线的德法两军正处在相持状态。

德军为了打破僵局,在4月22日,突然向英法联军使用了可怕的化学武器———18万公斤氯气,造成英、法士兵伤亡15万人。此后不到一年的时间里,双方用过几十种不同的化学毒气。所以,必须找到一种能使任何毒气都会失去毒性的物质才好。

这种有效的解毒剂在1915年末就被科学家找到了,它就是活性炭。

什么是活性炭呢?把木材隔绝空气加热可以得到木炭。木炭是一种多孔性物质,这种物质的表面积很大。而物质的表面积越大,它吸附其他物质的分子也就越多,吸附作用也就越强烈。如果在制取木炭时不断地通入高温水蒸气,除去黏附在木炭表面的油质,使内部的无数管道通畅,那么木炭的表面积必然更大。经过这样加工的木炭,就叫做活性炭。显然,活性炭比木炭有更强的吸附作用。到1917年,交战双方的防毒面具里都已装上了活性炭。

木炭和活性炭的成分都是碳。碳和碳的化合物是一个极其庞大的家族,其种类不胜枚举。它们在国民经济建设和我们的日常生活中占有十分重要的地位。

金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质。还有一种碳叫做无定形碳,通常称为无定形碳的有木炭、焦炭、活性炭、炭黑等。

我国古代用墨书写或绘制的字画,虽年深日久但仍不变色,这说明在常温下,碳的化学性质是不活泼的。碳受日光照射或跟空气、水分接触,都不容易起变化。但是,随着温度的升高,碳的活动性大大增强。在高温下,碳能够跟许多物质起反应。

木炭可以跟氧气发生氧化反应。

当碳在氧气或空气里充分燃烧时,生成二氧化碳,同时放出大量的热。当碳燃烧不充分的时候,生成一氧化碳,同时也放出热。

单质的碳具有还原性,在较高温度下它能夺取某些含氧化合物里的氧,使其他元素还原。比如在加热的时候,木炭能从氧化铜里还原出铜。

高温

2CuO+C2Cu+CO2↑

单质碳的还原性可用于冶金工业。炼铁厂之所以用焦炭冶炼生铁,是因为焦炭可以把铁从它的氧化物矿石里还原出来。碳这种司空见惯的元素,对人类的贡献可是绝对不容小觑的!

化干戈为玉帛的陶瓷

12世纪后期,埃及王国与大马色国一度失和,两国边境形势严峻。大马色国陈兵数万,虎视眈眈,眼看一场战争不可避免。埃及国王萨拉定立即召来谋士,商谈如何化解这场战争,其中一位谋士献出了一条锦囊妙计,获得埃及国王的赞许。国王立即派人带上一个神秘的箱子出使大马色国。大马色国王奴尔爱定看到埃及国王送的礼物极为高兴。面对埃及王国的和平诚意,奴尔爱定决定撤兵回城,一场战争就此平息了。读者可能会问,究竟是什么礼物使大马色国偃旗息鼓,收兵回国的呢?原来,埃及国王萨拉定送上的是一箱中国陶瓷工艺品。一箱陶瓷使两国化干戈为玉帛,可见中国陶瓷的身价之高,乃至被视为无价之宝。所以,欧洲人把瓷器叫做“China”,久而久之,“China”成了中国的英文名称。

陶瓷是最古老的硅酸盐材料。精致的中国陶瓷制品,至今仍然吸引着世界各地的客商。随着科学技术的发展,具有特殊优异性能的现代陶瓷材料也飞速地发展起来,并且具有非常广泛的应用,被人们誉为永不凋谢的材料之花。当然,在军事领域陶瓷也不甘落后。

有一天,美国新材料研究中心来了一个神秘的客人,他是美国核试验基地的空军驾驶员。他带来了一个新的研究课题。原来,在核战争或核试验中,一颗爆炸能量跟2万吨TNT炸药相当的原子弹,爆炸时所产生的70亿大卡的辐射光能在3秒钟里全部释放出来,即使离爆炸中心比较远的人,眼睛也会被核闪光灼伤。空军驾驶员等到发现核闪光再戴防护眼镜就来不及了。如何解决这个问题呢?以前科研人员为他们设计了一种防核护目头盔,但控制护目镜的是一台高压电源,飞行员得背上几十公斤重的用硅钢片做成的变压器,既笨重又麻烦。因此,他们向新材料研究中心提出了研究新的护目镜材料的要求。研究中心接到这一课题后,立即组织力量进行攻关。他们选择了许多材料进行实验,最终选择的理想材料是陶瓷,不过它不是普通的日用陶瓷,而是一种经过特殊的“极化”处理的陶瓷。这种陶瓷能把机械力、光能转变成电能,在电场作用下,又能把电能转变为机械能。这种特殊的功能叫做“压电效应”,具有这种压电效应的陶瓷叫压电陶瓷。

核试验员带上用透明压电陶瓷做成的特殊护目镜,极为方便。原子弹爆炸后,当核闪光强度达到危险程度时,由于光的作用护目镜的控制装置马上就把它转变成瞬时高电压,防护镜便自动地迅速变暗,在千分之一秒里,能把光强度减弱到只有原来的万分之一。险情过后,它还能自动复原,不影响驾驶员的视力。这种压电陶瓷护目镜结构简单,重不过几十克,只有火柴盒那么大,安装在防核护目头盔上当然十分方便。

压电陶瓷在军事上的应用十分广泛。第一次世界大战中,英军发明了坦克,自此以后坦克曾经在多次战争中大显身手。然而,到了20世纪六七十年代,由于反坦克武器的发明,坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的炮弹一接触坦克,就会马上爆炸。因为这种炮弹头上装有一种引爆装置,它就是用压电陶瓷制成的。只要引爆装置跟坦克相碰撞,它马上能把因此产生的强大的机械力转变成瞬间高电压,爆发火花,引爆雷管使炮弹发生爆炸。

我们留心一下就会发现,很多领域都利用压电陶瓷的这种优良性质做成各式各样的用品。比如日常生活用品和玩具上常见的蜂鸣器,就是用压电陶瓷做成的。

新型陶瓷的种类有很多。如具有气敏、热、电、磁、声、光等功能互相转换特性的各种“功能陶瓷”,用于人或动物肌体、具有特殊生理功能的“生物陶瓷”等。下面再介绍一种十分有趣的陶瓷———“啤酒陶瓷”。

说起“啤酒陶瓷”的出世,还有一个非常有趣的故事。

美国的化学家哈纳·克劳斯在研究一种用于宇航容器的材料配方时,无意中错把身旁的一杯啤酒当做蒸馏水倒入了一个盛有石膏粉、黏土以及几种其他化学药品的烧杯中,结果出现了意想不到的奇特现象,烧杯中的那些混合物立即产生了很多泡沫,体积突然膨胀了约2倍,不到30秒就变成了硬块,这使克劳斯大吃一惊。他在回忆当时的情况时说:“这一过程如此之快,以致我都想不起来我到底做了些什么。”这种后来被人称做“啤酒石”的陶瓷具有釉光、重量轻、无毒、防火性能好等特点。

“可疑金”不再可疑

1782年的一天,奥地利矿物学家牟勒正在萨拉特纳采矿,突然在一个矿穴里看到一种色泽美丽的矿石:乍看是银白色,细看略显黄色,并带有浅蓝色,奇特无比。当地人都称它为“可疑金”、“奇异金”。他觉得新奇,便采了一些标本拿回实验室。次日,他从矿石中提取出一粒银灰色金属,外貌酷似金属锑,但其性质又与锑差别很大。牟勒心想,它可能是一种新金属,但他又没有什么科学依据,于是将这点唯一的标本寄给了化学家贝格曼,请求帮助鉴定。由于标本太小,贝格曼也无能为力,只能断定它的确不是锑,未能进一步加以研究。

本来这时牟勒已经发现并制得了元素碲,可是,由于他为人做事过于审慎,没有公布这一发现。因此,这一发现竟沉默了16年。1797年,德国化学家克拉普罗特又重新提取和研究这种物质,结果有了重大发现。

克拉普罗特把这种“可疑金”矿石研成粉末,用王水溶解(生成可溶性TeCl4),滤出残渣后,往滤液中慢慢加入冰水稀释,随后又加入苛性钠,使滤液变成弱酸性,于是有白色沉淀析出(含水TeO2)。克拉普罗特又加入过量的苛性钠溶液,则白色沉淀溶解(生成Na2TeO4),仅留少许棉絮状的棕色氢氧化铁沉淀。他把沉淀洗净烘干,用油调成糊状,装在硬质玻璃瓶中徐徐加热干馏,一直烧到红热。结果在冷凝器和玻璃瓶壁上凝结出一些银白色的金属颗粒。经过仔细研究后,他确定这种金属是一种尚未见到的新金属,于是他为其取名为“碲”,其拉丁文原意是“地球”的意思。1798年,克拉普罗特在柏林科学院宣布了“可疑金”矿的组成,从此,“地球”元素碲才名声远扬。

虽然克拉普罗特在碲元素的发现上立下了汗马功劳,可是他并不贪图虚名,更无掠美之意,在报告中他一再强调牟勒早在1782年就发现了碲。牟勒闻讯倍受感动,同时也深感内疚,从此,他在科学探索的征途上,也变得勇敢起来。克拉普罗特谦虚谨慎的科学态度一直被当成佳话广为流传。

催化大王

100多年前的一天,正值一位化学家的生日,可是他仍在忙着做实验,当人们把他从实验室里拉出来参加宴会时,化学家匆忙接过一杯蜜桃酒一饮而尽,酒醇香甜美。可是当他喝自斟的第二杯酒时,忽然皱起眉头把酒吐了出来———酒竟变得像醋那样酸!这是怎么回事呢?化学家仔细观察,这才注意到匆忙中自己没有洗手,手指上沾满了黑色粉末,也许就是这粉末施的魔法吧!经过研究,终于证实了这个猜想。

这黑色粉末就是金属铂。纯净的铂块闪耀着银白色的光泽。极细的铂粉因吸收光线而呈现黑色,又叫“铂黑”。甜酒之所以变酸就是由于铂黑使酒中的乙醇氧化成了醋酸,而铂却“无动于衷”,这就是大家熟知的“催化作用”。

1823年,德国化学家德贝莱纳发现:把氢气流源源不断地通到铂粉上,铂粉温度会逐渐升高至红热,最后使氢气不点自燃。这也是铂的催化奇迹,它使常温下难于化合的氢气和氧气变得容易化合了。根据这个原理,世界上出现了第一只打火机———用酸产生的氢气通到铂绒上而发火。

铂的催化本领从20世纪初开始大显神威。以前,人们曾经想利用空气中丰富的氮气来制造氮肥。但是偏偏氮气性情懒惰,很难与氢结合变成氨。与活泼的氧气反应,也要电弧下,强迫它们结合。怎么办呢?还是铂施展催化神通,才使氢气和氮气结合,工业上用空气中游离氮制造氮肥得以实现,从此开创了人造氮肥的新纪元。目前许多化学反应,如加氢、脱氢、异构化、环化、脱水、氧化、化合等都离不了金属铂。据估计每年世界上有30余万种新物质出现,其中3/4的产品要靠催化剂帮忙才能制得。而在催化剂队伍中,催化历史之悠久,催化活性之强,适应范围之广,均以铂最引人注目,难怪人们亲切地称它为“催化大王”。