1、化学趣味小故事二十九9698剖析化学趣味小故事（二十九）故事九十六：石油的运用早在19世纪70年代,许多化学家就对不同产地的石油进行了研究。1886年,第一辆使用汽油发动机的汽车出现了,交通工具的迅速发展,人们对汽油的需要迅速增加。由于上述原因,人们对石油、石油的成分和石油加工产生了浓厚的兴趣。在1875年,一位研究石油的科学家列特尼发现,在300的温度下,部分重的石油余渣变成了较轻产物。他还在高温分解石油剩下的煤焦油中,发现了苯、二甲苯、甲苯以及其他烃类。1903 年以后,随着航空事业的诞生和科学技术的日新月异,相继出现了大型客机及喷气式飞机,要消耗大量的汽油,在海上,远洋船舶和海军舰艇也都
2、逐步用石油为燃料,取代了锅炉用煤,因此,不论是陆上、空中或海洋,对提供动力来说,石油都起着越来越大的作用。在第一次世界大战期间,汽油供应已经十分紧缺了，当时主要靠将石油分馏来得到汽油。其后,人们开始研究石油裂化的方法,就是将石油中重的碳氢化合物裂解为较轻的烃类,这些是汽油的主要成分。在一定条件下,石油裂化时除了生成汽油外, 还生成一些低的气态乙烯、丙烯等。这些碳氢化合物对工业上大规模生产各种有用材料起着重大作用，如用聚合方法能将乙烯变成聚乙烯，乙烯又与苯作用生成乙苯,从乙苯脱去氢得到苯乙烯,把苯乙烯再通过某种反应,最后制成聚苯乙烯,加工成各种化合物。却说本世纪20 年代开始的石油化学合成的研究
3、,取得了巨大的成就。最早把石油用于照明或作为燃料,现在看来显然是一种极大的浪费,因此必需把石油合理地利用。1919 年,美国新泽西州的一家石油公司,采用硫酸水合法,建立了生产异丙醇的工业装置,这可以说是石油化学利用的开端。在石油化学产品的历史上,乙二醇是继异丙醇之后的第二大工业产品,美国化学家们采用氯醇法生产乙二醇,生产出的乙二醇当时绝大部分被制成硝化乙二醇,用于生产炸药。之后,他们又以乙烯为原料,进行了合成乙醇的生产。此外,美国的化学家们经过多年的努力,开始了氯丙烯法合成甘油的研究工作，其主要是从丙烯出发,通过3一氯丙烯和1,2 一环氧丙烷而合成。作为石油化工原料的另一个较早的资源是天然气。
4、早在本世纪初,由天然气制得的碳黑就开始作为轮胎的填充料，以后通过费希尔和陀罗普希法制乙醇和醋酸。到本世纪60年代,有机化学产品已有8090%是以石油和天然气为原料生产的,石油化学工业已成为现代化学工业的主要基础。三大合成材料的原料,几乎全部来自石油化工,石油化工和三大合成材料工业已融为一体。至于石油化工的产品制造方面,目前更加注意对合成法进行简化，例如乙醇和丙醇的合成,以前是用乙烯、丙烯和硫酸等,经过多步反应才制得,现在大都采用乙烯,丙烯在催化剂作用下直接水合得到。随着石油工业的发展,环境污染造成的公害也是面临的一个严重问题，因此,我们必须开展环境保护的研究。一方面对石油化工中的三废采取治理,
5、另一方面改革工艺流程,使其不产生或少产生污染物。故事九十七：洗涤剂、橡胶以及塑料的合成由于纺织工业的需要,人们合成了许多辅助物质,这其中包括一些能去除污垢的物质,他们称之为洗涤剂。后来,化学家们在以烷烃氧化制造脂肪和醇类中,发现了一种合成洗涤剂的新途径,这类洗涤剂主要成分是烷基磺酰氯。在20世纪30年代,英国、美国、德国的料学家对这一化合物进行了认真研究,使得它有了实际用途。英国化学家制成了带有长侧链的烷基苯磺酸16烷基苯磺酸;美国化学家在他们之后,将烷烃同时进行磺化和氯化,得到了各种磺酸,用碱皂化,生成磺基皂,这是一种效果更好的洗涤剂。现在合成洗涤剂在洗涤衣物中,已取代了包括肥皂在内的许多其
6、他旧的去污物品。有关塑料的合成,最初使用的塑料是赛璐珞,它由硝化纤维与樟脑、酒精和植物油等混合加工制成,它的最大缺点是容易着火。比赛璐珞稍后一些时候,出现了酪素塑料,这是一种颜色显白,用酪蛋白与甲醛作用制成的。在酪素塑料之后,又曾出现一种叫酚醛的塑料,它是著名化学家拜耳发明的。他将苯甲醛与酚在酒精溶液中混合加热,得到一种像树脂状的物质，他又将其他的酚类与醛类相互作用,也制得了类似的产品,于是命名为酚醛。在本世纪初,比利时的化学家贝克兰将酚醛树脂大批量地生产；晚一些时候,俄国科学家彼得罗夫,用酚类与甲醛在芳香族磺酸存在的条件下起缩合作用,制得了各种塑料，这种塑料被称为卡波立塑料。从1933 年,
7、英国一家公司开始以聚乙烯制造成塑料，由此塑料的制造起了崭新的变化,以惊人的速度向前发展。塑料现已广泛地应用于日常生活中,深受人们的宠爱。它轻便,防水,耐腐,不能不说这是一绝。日常生活中,我们除了使用洗涤剂和塑料外,各种人造纤维和合成纤维也同我们密切相关。自古以来,制取人造纤维的原料是纤维素，将纤维素(主要用棉花)进行硝化,然后溶于乙醇与乙醚的混合溶剂中,得到一种胶体,最后将溶剂蒸发,即制得了人造纤维。本世纪内,特别是40年代以后,出现了种类繁多的合成纤维，其中以美国杜邦公司的化学家卡罗泽斯发明尼龙最为著名。卡罗泽斯在化学实验中发现,从大分子量聚酰胺的溶液中,能够得到强度特别高的纤维,这种纤维像
8、蚕丝一样轻柔,且很牢固,断面呈菱形,他取名叫“尼龙”。第二年,杜邦公司获得了生产超聚酰胺纤维的专利,它是由己二酸与己二胺一起聚合而成的。英国在第二次世界大战后,也开始生产这一类合成纤维,称为英国尼龙。随着合成纤维技术以及纤维加工技术的迅速发展,各种化纤品也开始层出不穷地出现。现在除了一般的合成纤维外,还有超细纤维、受热猛缩的高缩纤维等等。每当看到人们穿着漂亮的服饰,色彩鲜艳的各种纤维织品,我们总感到一种由衷的敬佩和赞叹。橡胶是在15 世纪末,发现美洲以后才为人们所知道。长期以来,由于种种原因,人们错误地认为橡胶没有什么用途。最先打开天然橡胶用场的,是英国著名化学家,氧的发现者普里斯特利。177
9、0年,他第一次用橡胶擦去了铅笔字迹,从此,它和铅笔一样被人们普遍采用。不久,又有人用橡胶做成医用胶管。1823年,英国一位商人马肯托什把胶汁涂在布上,做成雨衣在市场上出售。1839年,美国化学家古德依尔解决了橡胶硫化问题,使天然橡胶不再发粘了,从而橡胶制品日益增多。19世纪下半期,人们开始研究橡胶的成分。化学家威廉斯将橡胶干馏,得到了异戊间烯，他发现此种成分在空气中逐渐凝固,变成了白色海绵状物质,燃烧时发出橡胶的糊味。1845 年,美国著名科学家汤姆生制成了世界上的第一只橡胶轮胎,并将它套在木轮车上,又减震又耐磨,引起了商人们的极大兴趣。20 世纪以来,人们开始对天然橡胶的结构进行了研究，得出
10、结论是:橡胶是聚异戊二烯，根据这一学说,科学家们开始了工业合成橡胶的工作。1900 年,德国杰出的化学家霍夫曼和他的同事们于实验室中研究出了热聚反应。第二年他们采用这种方法,成功地合成了叫做甲基橡胶的产品,并少量地生产。现在的合成橡胶的直接用途可分为两大类:一类是生产大有用途的“通用橡胶”。在这类橡胶中,目前产量最大 的是丁苯橡胶;发展速度最快的是顺丁橡胶;能与天然橡胶相媲美的是异戊橡胶;耐磨、耐油、不燃烧,素有“万能橡胶”之称的是氯丁橡胶。另一类是“特种橡胶”，它的特点是性能特殊,主要用在飞机、导弹、卫星和潜艇等的特殊场合,如耐油性能特别好的丁腈橡胶;耐强酸和强碱腐蚀的聚异丁烯橡胶;能在10
11、0300的温度下长时期使用的硅橡胶等等。今天，橡胶已同我们的生活紧密地联系在一起了，如胶 鞋、医用手套、汽车、飞机、自行车的轮胎等,全都是用橡胶制成的。在现代,橡胶是任何国家都必不可缺少的建设物质。故事九十八：化学与能源在现代,石油的用途越来越广泛,但是如果最终石油枯竭,会不会造成能源危机这一问题引起了瑞典化学家们的注意,他们于本世纪70 年代,率先开展了水煤浆的研究。他们研究得比较多的是重新排列煤的化学结构,将煤加热气化制成高热值的煤气,或将煤与水蒸汽及氧反应转化为甲醇燃料或汽油。但由于这些方法技术难度高,投资大,目前还不能大量建厂投产。他们又将煤经过脱硫、粉碎后,制成直径只有几十微米的微球
12、体,然后加入少量添加剂,最后用水混合成胶状的水煤浆，这种水煤浆的特点是:第一,运输方便,可以通过管道像石油那样进行远距离输送；第二,经济上合算,水煤浆的热值与优质煤差不多,每克热值约50006000卡,虽然只有石油热值的60%左右,但1吨原煤可以做1.3 吨水煤浆,故它的价格只有石油1/3；第三,水煤浆制造工艺简单,投资少,易推广；还有,因为水煤浆经过了脱硫净化处理,所以粉尘和二氧化硫的污染问题可大大减少，因此,它既可作工业和铁路机车的锅炉燃料、水泥窑燃料、冶炼钢铁燃料,又可作船舶的柴油发动机燃料和载重汽车燃料等。正因为这种新型燃料具有上述优点,所以,继瑞典之后, 美国、日本、前苏联等国都竟相
13、进行开发。瑞典的卡尔博格公司经过艰苦的努力,于1981年建成小型试验装置,煤和水的重量比达到70:30。1984年,瑞典同加拿大签订合同,设计 年产量为250万吨的水煤浆工厂,瑞典政府打算利用水煤浆代替一部分石油,1989年后使石油进口量减少1/3。那么,怎样才能使水和煤始终保持“浆”的状态而不分层、沉淀呢？这是制造水煤浆的核心技术,各国都是严格保密的。不过,大概说来,这种技术主要有三方面：首先是煤变成颗粒以后,对形成稳定的胶体状态有利，例如将1立方毫米(一粒小米大小)的煤粒碎成只有1/10毫米的细煤粉,它的表面积就会增1000倍，若把它们分散在水中,则与水的接触面也就增加1000倍，也就是说
14、,颗粒越细,它与介质(如水)所发生的物理的或化学的作用就越大,这样做成的水煤浆当然就更稳定,更不容易沉淀。其次,水煤浆中煤的颗粒一样大的不好,而是要有两种不同大小的颗粒,大的承受整体负荷,小的分散在大颗粒之间的缝隙中，据报道,只有这样,才能形成比较稳定的体系，至于什么道理,化学家们仍在探索中；第三,要加入少量的添加剂，如有机液化物等,以增强水对煤粉的湿润性以及水与煤的表面作用力。现在,制造水煤浆技术水平最高的国家是瑞典和美国，瑞典制造的水煤浆存放一年以后仍不分层,美国的煤同水之比最高达75:25。据科学家们估计,在不久的将来,水煤浆将成为被人类普遍采用的新燃料。再说21世纪的新能源氢。氢是所有
15、元素中最轻的,在0,1个大气压下,每升氢只有0 .09g重,仅相当于空气重量 的1/14.5。在地壳中,100个原子里就有17个是氢原子;水是氢的“仓库”100份水中含11份氢;泥土中也有1.5% 的氢;空气中的氢约占总体积的千万分之五。氢是地球上相当丰富的一种元素,因此氢就成了人们向往和研究的新能源。 用氢气作为燃料,有很多优点:一是氢用途广泛,适用性强，它除了用作燃料外,还可转化为其他化工产品和新型燃料, 如乙炔、氨、甲烷以及别的碳氢化合物；二是干净,不会造成环境污染，它与氧气燃料只生成水,不象石油、煤那样生成危害环境的一氧化碳、 二氧化碳、二氧化硫等，氢燃烧时,虽有少量的氧化氮产生,但可
16、以通过低温催化燃烧法加以消除；三是氢燃料储运方便，它既能以液态状储运于罐中, 也能以气体状态用管道输送，如美国宇航局发射的“阿波罗”飞船,使用的就是液态的氢。由于氢作燃料的优点很多,但约 90%的氢来自天然气,只有4%来自水的电解,因此需要广泛研究提取氢燃料的方法。原则上,凡是能破坏HOH键的方法都可用来制取氢。目前研究较多的是电解法、光解法、热化学法、光催化法等，制取氢最好用分解水的方法取得,因为整个地球上水的储藏量极为丰富，可谓取之不尽,用之不竭的氢的源泉。电解法是广泛采用的方法。每制取1立方米的氢约消耗0.9升水,纯度可达99 .99至.999 % 。缺原料要纯水,而海水中含大量的氯离子
17、和钙离子,需要预先将海水纯制，另外,效率低,要消耗大量电力,投资和生产费用高,经济上不合算等。光催化法是利用太阳能将水分解。太阳能以2卡/厘米2秒或1353瓦米/2（？）的固定常数射到地球,由于大气层的吸收,实际能量比这要小。但只要设法集中使用,已经足够大了。事实上,两周内射到地球上的太阳能就相当于全世界现有有机燃料的储量。除约0.03 % 从光合作用转化为化学能外,绝大部分用以加热大陆和海洋的表面。光催化法需要辅以无机材料如TiO2、S2TiO3等，目前正处在研究之中,不久可望被应用。氢虽然是一种理想的燃料,但实践起来还有不少困难,用它来取代现有燃料还有个过程,因此我们说它是21世纪的燃料。
18、且说在近代,由于人类大量使用石油、煤炭和天然气等矿物燃料,排入大气中的二氧化碳越来越多，从科学观点来看,这并非令人愉快的消息，因为二氧化碳会反射地面的红外辐射,像一个大玻璃罩一样覆盖在地球上空,使地球表面的温度逐渐升高，科学家们把这种现象称作“温室效应”。科学家们指出,如果不严格控制二氧比碳的排放量,如大气中的二氧化碳浓度增加1 倍的话,则地球表面温度将比现在平均升高34。现在,世界各国的化学工业,例如合成橡胶、合成塑料、合成纤维、洗涤剂等,都是以石油、煤或天然气等这些含碳的物质作原料的。但是,随着这些物质的逐渐减少,化学工业所需要的碳源就会出现危机，为了解决这个问题,化学家们于本世纪70 年代,开始致力于将二氧化碳转变成化学产品的开发研究。从理论上讲,二氧化碳可以转换成几十种有机化合物,如甲烷、甲醇、乙醇、乙二醇、乙烯、丙酮、环氧丙烷等等，而用这些有机物中的任何一种,通过化学方法又可生成许多别的有机化合物，例如乙二醇,目前从乙二醇出发可以开发出电镀光洁剂、维生素E、吸水性和弹性都极好的新型纤维,耐磨性非常好的飞机轮胎等，因此二氧化碳是未来化学工业的宝库,是许许多多有机化学品的新发源地。可是,由于二氧化碳是一种相当稳定的分子,碳和氧之间的化学键很难打开，所以,上述各种理论,现在还没有进入实用阶段,让我们翘首以待吧。
