化学趣味小故事(二十八)(95)

1化学趣味小故事（二十八）故事九十五:化学发展与生产紧密相连氮可以作肥料,不可思议的是:锰、钼、铜等金属也能作肥料。喹啉可治愈疟疾,它的发现,充满传奇色彩。此外还有塑料、橡胶、洗涤剂等等。化学的作用真是魅力无比,前景灿烂。却说在整个化学史中,化学的发展与生产之间存在着密切的联系,它渗透到生活的每一个领域,为农业、纺织、能源、医药等等部门的发展做出了巨大的贡献。且说在农业方面。我们知道,氮是农作物生长发育不可少的营养物质。首先,生命是蛋白质存在的形式,而蛋白质就是氮的化合物,没有氮就没有蛋白质,也就没有生命。其次,农作物进行光合作用的叶绿体也是氮的化合物，植物体内许多酶、维生素、生物碱等也都必须同氮结合,才能有效地作用。空气中氮约占4/5,由于氮气分子结合得十分牢固,要破坏它需要很大能量，因此必须将空气中的游离氮,制成硝酸盐、尿素等氮肥,才能为大多数农作物吸收。氮肥的主要成分是氮，它是1906年德国化学家哈伯开始研究合成的。哈伯利用高温高压法合成氨,经过三年的努力,他得到了100克产品。后来他的同胞,德国化学家博希和伯杰亚斯共同发展了哈伯的方法,才使它用于工业生产。他们将氮合成了氨,使粮食成倍增产,揭开了农业发展的新序2幕。但是,高温高压法合成氨,需要300℃-600℃的高温,400—1000大气压以及复杂设备,且氮的转化率通常只7—20%,成本既高,效率又低。而有一种可将空气中的氮固定下来供植物使用的细菌,它又方便,又省力,难道不可以模仿这种细菌固定氮的模式,在常温常压下合成氨么？想法是美妙的,但要成为现实却不那么容易。到了1960年,才有人从固氮菌中提取出元细胞物，固氮成功。此后对固氮酶的生物化学研究就有了迅速的发展。在1975年,科学家艾伦和塞诺夫利用肼的水合物与三氯化钌反应,首次成功地合成了氮的一个典型络合物。其后,艾伦和另一位科学家史蒂文合成了锇的类似化合物。至1969年,他们又合成了氮的钼络合物,这一合成很有意义,因为已知在固氮菌中发现的固氮酶,就存在钼里。现在科学家们正在加紧研究细菌固氮作用,试图直接将大气中的氮转化为硝酸盐,用作农作物的肥料。除了大量种植豆科作物以固定空气中的氮外,还侧重于固氮酶的生物模拟研究。这方面已有不少可喜的实验成果,我们相信,经过科学家的辛苦劳动,不断努力,终有一天我们可以直接从空气中取得氮肥。却说氮可以作为肥料,某些金属是不是也可以作肥料呢？很久以前,新西兰的一个牧场上出现了一件怪事:牧民们种下的牧草长得又矮又小,整个牧场就象一片凋黄的沙漠。但在这“沙漠”之中,竟然有一个葱茏青翠的“小岛”,3岛上牧草长得格外茂盛，这使牧场主人十分惊奇。经过仔细观察后,原来那“小岛”旁边,是一个钼矿厂,许多贪图走近路的人,常常从那“小岛”走过去,工人们的皮靴上沾着许多钼矿粉,便撒落在“小岛”上。又经过仔细的研究得出结论,钼是植物生长必不可少的微量元素，那牧场是缺钼的,一旦补充了所需要的养分,牧草就长得格外好，这就是那牧场“小岛”的秘密。原来微量金属是植物生长必不可少的肥料哩!除了钼之外,后来又发现锰、铜、锌、钴等都是,我们称它们为“金属肥料”。关于钼对植物生长的影响,科学家发现,含钼素最多的是由水成岩分化形成的粘土。粘土中的钼素是不溶解的,植物不能吸收。在含有机质较的土壤中,环境使六价钼的化合物还原成低价的钼化合物,再被有机质吸附,使钼素在土壤中积累,但溶解度极小,也不能作钼肥。在酸性土壤中,钼总是以低价状态存在,这是一种难溶的化合物,所以酸生土壤也极需钼肥。只有在中性或微碱性环境中,六价钼的化合物才能溶解于水,为植物所吸收。钼对植物中的禾本科植物和豆科植物尤为必要。根据很多数据,施钼肥植物的产量明显高于未施钼肥植物的产量。除禾本科和豆科植物需要钼肥外,现已发现许多低等植物和高等植物均需不同程度的钼素，例如油菜、马铃薯、小麦、胡萝卜等几十种植物都对钼素有反应。4锰肥对植物的作用,早在本世纪头10年就开始研究了。曾经发现,某些植物缺乏锰时,常害“花斑病”，导致植物生长迟缓,以至停止生长甚至死亡。小麦因缺锰而易患“灰斑病”，向日葵缺锰易害“黄斑病”果树缺锰时,发叶较少,树冠上部叶子很早脱落,枝条死亡,果实色泽较淡,甚至还会出现裂纹等。对玉米的实验表明,在施锰肥后,可增40—78.9%,而且还增加了玉米中的淀粉含量。锰肥对草莓的影响特别大,不但可以增产,而且含糖量也明显增加。锰肥很容易取得。在制造锰化物的化工厂中,有大量的含锰废物硫酸锰,可浓缩到37%左右的浓度。此外,氧化锰的粉末不易受潮,便于运输,也是很好的锰肥。植物也不能缺铜,微量的铜是植物生长必需的，特别是沼泽地的土壤,施用微量铜肥,可显著提高作物产量。如果用0.02%的硫酸铜溶液处理播种前的亚麻种子,则亚麻秆增产25.9%,种子增产12.1%,纤维也增长了，而且硫酸铜溶液处理过的小麦种子,同样使产量极大增加。在干旱地区使用铜肥,效果尤好,因铜肥提高了植物的耐旱性。有人曾在干旱的土壤中,施用铜肥于马铃薯,结果使块茎增产21%。有趣的是,铜肥还能提高植物的耐寒能力。曾用0.005%的硫酸铜溶液浸泡棉籽12小时,发现在降温条件下,铜素加速了棉籽在土壤中的发芽,出苗更快,产量更高。还有人对玉米种子进行了实验,结果表明,未经硫酸铜处理过的种子,到6℃时大部分被5冻坏,产量也明显降低,而处理过的却显著增产。植物所需的微量肥料,还有钴肥、硼肥、锌肥等等，这些肥料的施用必须是微量的,否则过犹不及,反而成为植物的公害了。近年来出现了复合元素肥料，这种肥料中含3—4种大量元素,6-7种微量元素,如含18%,氧化钾12%,氧化镁0.7%及锰、铜、硼、锌、钼、钴等的复合肥料，它们能完全溶于水,可制成液体肥料。它们肥效高,成本低,适用于各种作物,对农业的增产有明显的成效。以上所有这些,不能不说是化学对人类的一大“功劳”。却说在农业生产中,害虫、病菌和杂草是三大敌害。我们周围的作物和家畜处在一个极复杂的生态环境中,其中有5万种真菌可引起1500多种病害；全世界约3万种杂草,其中每年有1800种以上造成经济上的损失;约15000种线虫危害各种农作物,1500种以上造成农业上的损失，我们不得不使用化学农药来防治这些病虫草害。如果不使用化学农药,全世界粮食总收成的一半就会为害虫所残害,被杂草所吞噬。由于使用了农药,粮食大大地减少了损失。任何事物都是一分为二的。化学农药能使农业显著增产,但农药大都是些毒性物质,生产和使用都不可避免地造成环境污染,危害生物和人类。造成环境污染的,主要是一些有机氯农药和铅、汞、砷等贵重金属的制剂。据一份资料显示,美国人体内DDT含量平均6达1299m,日本人体内六六六含量比一般人高10倍，这些农药除了使人体神经系统和肝功能遭到损坏外,还可能导致某些癌症。有机氯农药主要是DDT、氯丹等,由于它们的结构比较稳定,在空气中经酸、碱、氧和紫外光作用后不易分解,脂溶性强,水溶性小,在生物体内不易被酶所分解,长期使用后造成药物残留而污染环境。含铅、汞、砷等重金属的制剂,在土壤中残留时间较长,有的半寿命期(物质分解一半的量所需要的时间)竟达10—30年。这里有一件事例:有家人患了奇怪的遗传病，父亲死于肾功能衰竭,四个孩子中有三个出生不久也死了,妻子不久也得了病。后来的研究表明,那是因为有砷的颗粒悬浮于水中,喝了这种水就中砷毒。却说科学家们在做化学实验时,对合成具有生理作用和医疗作用的物质产生了极大的兴趣。这类物质中最先获得应用的是水杨酸。水杨酸是一种有效的药物,但在服用后常常有副作用。化学家柯尔贝第一次制得了它的钠盐,其后化学家们又发现,水杨酸钠与乙酰氯作用,能生成乙酰基水杨酸,医学上叫阿斯匹林。19世纪末和20世纪初,化学家开始寻找新的药物,特别是麻醉药、安眠药等,化学家们对药物的研究工作越来越重视。从帕拉塞斯时期以来,砷剂通常用来治疗贫血、皮肤病、寒热病以及其他疾病，科学家们自然会想到生产这类药物。71902年,砷酸钠开始被用于治疗一种叫非洲蝇的昆虫所引起的昏睡病,还有疟疾病、梅毒等。然而,人们在使用这类药物时发现,它有副作用,能使患者失明。在这种情况下,德国的化学联合企业决定开展专门研究,来合成具有高生理效能,但没有副作用的这类药物。这一任务交给化学家兼药学家埃里希去完成,并且在法兰克福给他建立了专门的实验室。在多次失败后,终于制得了六0六药品,又叫做洒尔佛散，这种化合物的结构与重氮染料相似。1912年,埃里希又合成了一种更有效的药物新洒尔佛散,两种药品很快由一家工厂获得了专利权,并开始大规模生产。磺胺药物的发现历史要复杂得多,有机化学一章已有所叙述,这里从略。19世纪初,化学家对合成喹啉开始产生了浓厚的兴趣。这里讲一则有趣的故事:早在17—18世纪,英国和欧洲一些国家疟疾流行。当时因为没有找到特效药,致使不少人丧命，那时的疟疾就像现在的癌症一样令人可怕。可是,生活在另外半个地球上的南美印第安人,却有很灵的办法对付疟疾，他们用一种树皮煮水喝下去,常常是药到病除，这种树被称为是拯救人们的“生命树”。印第安人订下一条禁规，谁也不准向外人泄露这个秘密,否则就把他当众砍死。那个时候,美洲大陆已经开发,去美洲创业谋生的人与日俱增。有一位西班牙伯爵带着他的夫人也去了南美洲,不幸夫人染上了可怕的疟疾，在她生命垂危之际,有位印第安姑娘8给她送来了树皮汤，伯爵夫人喝了以后,不久病就痊愈了，从此她们结下了深厚的情谊。伯爵夫人回国前,这个姑娘把这个秘密告诉了她。后来,这个秘密逐渐传开了,那时凡是去南美洲的人,都把这种树皮当作珍宝带回欧洲去。渐渐地,这种神奇的树皮引起了科学家们的重视。19世纪初,瑞典化学家纳尤斯最先对这种树皮进研究,发现这种树的根、茎和皮之所以能治疗疟疾,是因为含有一种叫喹啉的化学物质。不久,化学家们又发现,这种称为“鸡纳树”的根、枝、干及皮内含有25种以上的碱。化学家们从鸡纳树皮内取得了两种最重要的碱,即辛可宁碱和金鸡纳碱。且说19世纪的英国,无论在工业生产还是科学技术方面,都处于世界领先地位。鉴于英国没有鸡纳树,而疟疾仍时有发生,因而英国皇家学院希望能够用人工方法制取治疟疾的药物。但是直到20世纪30年代,喹啉的结构只是部分地被确定，其后化学家们开始寻找喹啉的代替物。1926年,出产了扑虐喹啉,而1930年出产了虐涤平，这些药物得到了广泛的应用。一直到1944年,美国化学家伍德沃德和德林格才实现了喹啉的全合成。且说霉是民间医学古老药物之一,特别用于治疗伤口,一些江湖医生常采用它来治疗各种疾病。早在2500年前,我们的祖先就知道利用豆腐上的霉来治疗疮、痛等病,到13、914世纪时,当对的医生们曾用“丹曲”(主要用大米培养红曲霉制成的)治疗赤白痢和湿热泄痢。明末《天工开物》一书中记载:“凡丹曲一种,其义奥腐神奇,其法气精变化。世间鱼肉最腐配物,而此物薄施涂抹,能固其质于炎暑之中,历经旬日,蛆蝇不敢近,色味不离初,盖奇药也。”到了19世纪时,正规医学中已不再用霉治疗,但是1871年,英国外科医生李斯特指出霉能使细菌处于受抑制状态,而且他还做了实验,可惜没有将实验进行到获得结果为止。1928年,在伦敦一家医院工作的微生物学家弗莱明注意到,在琼脂培养基上生长的葡萄球菌菌落产生了溶化现象。他重复做了多次实验,最后确信,霉含有某种抗菌物质,他称之为青霉素，英文字母为Penicilin,拉丁文原意为霉菌。这一发现公布后,连弗莱明所在医院的同事们也对此持怀疑态度。8年以后,牛津大学的两位医生兼生理学家弗洛里和钱恩检验了弗莱明的实验结果,肯定了他的结论是正确的。这一发明被工业生产上采用,在1946年,英国和美国都用这种方法生产青霉素。从1884年起,古柯碱就被用作局部止痛的麻醉剂。它的化学结构是由科学家威尔施台特确定了的。在1906年,另一位化学家艾因霍恩发现,氨基羧基苯甲酸酯具有与古柯碱类似的作用,这一类型的新化合物叫做奴佛卡因,现仍然被广泛应用。巴比酸是1864年化学家拜耳发现的,它的衍生物被用作安眠药。费歇尔在1903年,制得的乙基巴比酸，现10在用于医疗中,叫做