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1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2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,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。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80—90%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3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,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4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,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,5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。1770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6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—100℃—300℃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7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5000—6000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8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,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9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H—O—H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10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、S