书城童书科学未解之谜(世界未解之谜)
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第26章 化学之谜(4)

在这个反应中,镁从CO(下标2)中得到氧,使镁氧化,镁成为还原剂。而原跟氧化合成CO(下标2)的碳从+4价变为0价,被还原成碳,所以我们说CO(下标2)是氧化剂。除此以外,钾、钠、锌等活泼金属都能在二氧化碳中继续燃烧。

是不是能使二氧化碳的碳原子化合价降低的反应都叫燃烧呢?也不能这样说。例如,碳在高温下能与二氧化碳反应生成一氧化碳

这个反应不放热,也不发光,而是吸热,故不能叫燃烧反应。

综上所述,燃烧是发光发热的激烈的氧化还原反应。二氧化碳常作为灭火剂,但不是所有的物质都不能在二氧化碳里燃烧。

超强酸的酸性为何强得出奇

早在古埃及时代,人们就认识了醋酸。到了17世纪,荷兰化学家劳贝尔又发现了盐酸、硝酸和硫酸。时至今日,人们已知的酸类物质已有很多很多种。但在这庞大的酸类家族中,酸性强的并不多,大家熟悉的强酸,主要有盐酸、氢溴酸、硝酸、硫酸和高氯酸等。它们有强烈的腐蚀性,许多“刚强”的金属在它们面前也要“酥软”下来。不过,它们对黄金却无可奈何。

黄金不怕酸的时代并没有延续多久,化学家们就发现,如果将浓硝酸和浓盐酸按照1:3的体积比混合,所得到的混合酸液的酸性强度比上述几种酸要强得多,黄金遇到这种混合酸液就像“泥牛入海”一样,很快就变得无影无踪。无怪乎人们称这种混合酸液为“酸中之王”——王水。

在很长的一段时间里,人们认为最强的酸就是王水了,不会再有新的“酸王”出现了。就在人们对强酸没有什么新追求的情况下,在一个圣诞节的前夕,美国加利福尼亚大学的实验室里却传出了一则惊人的消息:奥莱教授和他的学生偶然地发现了一种奇特的溶液,它能够溶解性质非常稳定的蜡烛。这种奇特的溶液是1:1的SbF(下标5)·HSO(下标3)F溶液。

我们知道,蜡烛是高级烷烃,通常不与强酸、强碱甚至强氧化剂作用,但1:1的SbF(下标5)·HSO(下标3)F溶液却能让它“粉身碎骨”。奥莱教授对此现象非常惊愕,他把这种溶液称做“魔酸”,后来又称做超强酸。

1:1SbF(下标5)·HSO(下标3)F超强酸的发现,重新点燃了人们对强酸研究的兴趣之火。迄今为止,化学家们又找到了多种新的超强酸。不仅有液体超强酸,如HF·SbF(下标5)·HSO(下标3)F等;还有固体超强酸,如SbF(下标6)·SO(下标2)ZrO、SbF(下标5)·HSO(下标3)F·Al(下标2)O(下标3)等。它们都具有与1:1的SbF(下标5)·HSO(下标3)F溶液相似的性质。

从成分上看,超强酸都是由两种或两种以上的化合物组成的,且都含有氟元素。它们的酸性强得令人难以思议,真不愧是酸中的“巨魔”。例如,超强酸HF·SbF(下标5)的“摩尔比”为1:0.3时,其酸性强度是浓硫酸的1亿倍;当其“摩尔比”为1:1时,其酸性强度约为浓硫酸的10亿倍。它们是强酸家族的新秀,也是名副其实的超级明星,王水在它们面前只是“小巫见大巫”了。

由于超强酸的酸性和腐蚀性强得出奇,因此过去在化学领域中一些极难或根本无法实现的化学反应,在超强酸的条件下便能异常顺利地完成了。例如,正丁烷在超强酸的作用下,可以发生C—H键断裂,生成氢气,又可以发生C—C键断开生成甲烷,还可以发生异构化生成异丁烷……这些都是普通强酸所做不到的。

对于超强酸为什么能使正丁烷发生上述化学反应,其详细反应机理至今也不清楚。

过去,化学界是用瑞典化学家阿仑尼乌斯的“电离理论”来定义酸和碱的。根据这一理论,把酸定义为“电离时生成的阳离子全部是氢离子的化合物”,把碱定义为“电离时生成的阴离子全部是氢氧根离子的化合物”。在已发现的几种超强酸中,有的根本就不含氢元素,因此无法电离出氢离子来,既然如此,也就不能用阿仑尼乌斯的电离理论来认识超强酸了。这样,人们又想到了路易士的“电子对理论”。根据路易上的理论,酸是其分子或离子在反应过程中能够接受电子对的物质;碱则是其分子或离子含有可以配给电子对的物质。不过,超强酸又与能用路易士理论解释的一般酸不同。一般酸都是一种化合物,而超强酸都是由两种或两种以上的化合物组成的,且都含有氟元素。那么,究竟什么样的两种化合物可以组合成超强酸,组合是否有一定的规律,超强酸还能有多少新成员……这些都是未知数。

凡是学过化学的人都知道结构决定性质。超强酸为什么具有如此特殊的化学性质,它们的结构有什么显著特征,也有待于人们进行深入的探索。

现在已知的几种超强酸,除了可以做催化性能极高的酸性催化剂以及做有机化合物和无机化合物的质子化试剂外,在其他领域里还有哪些应用,这方面的谜也藏得很深很深,等待着人们去发现。

棉花做炸药之谜

棉花,是个斯斯文文的家伙,棉被里有棉花,棉袄里也有棉花,难道这些普普通通的棉花,可以变成炸药?

棉花真的可以做炸药。

按照化学成分来说,棉花几乎是纯净的纤维素。它与葡萄糖、麦芽糖、淀粉、蔗糖之类是“亲兄弟”——都是碳水化合物。

棉花容易燃烧,但是,燃烧时并不发生爆炸。可是人们把棉花(或棉子绒)与浓硝酸和浓硫酸的混合酸作用后,就制成了炸药,俗名叫做火棉。这是因为硝酸好像是个氧的仓库,能供给大量的氧,足以使棉花剧烈地燃烧。

火棉燃烧时,要放出大量的热,生成大量的气体——氮气、一氧化碳、二氧化碳与水蒸气。据测定,火棉在爆炸时,体积竟会突然增大47万倍!

火棉的燃烧速度也是令人吃惊的:它可以在几万分之一秒内完全燃烧。如果炮弹里的炸药全是火棉的话,那么,在发射一刹那,炮弹不是像离弦之箭似地从炮口飞向敌人的阵地,而是在炮筒里爆炸了,会把大炮炸得粉身碎骨。因此,在火棉里还要加进一些没有爆炸性的东西,来降低它的爆炸速度。

你见过液态的氧气吗?在极低的温度、很高的压力下,无色无味的氧气会凝结成浅蓝色的液态氧气。把棉花浸在液态氧气里,就成了液氧炸药了。一旦用雷管起爆,爆炸起来,威力可不小。

棉花是很便宜的东西,液体氧也不太贵,自然,液氧炸药的成本也比较低廉。所以,液氧炸药与火棉可算是便宜的炸药了,被大量用来开矿、挖渠、修水库、筑隧道。经过硝酸或液氧处理的棉花,能成为人们移山造海的好助手。

石油气变成橡胶之谜

我们手中拿一块橡胶,就会感到它是具有弹性、韧性和强度高的物质。正因为橡胶有这种优良的性质,几乎每一个工业部门都需要橡胶制品,甚至很多生活制品也离不开它。随着工业的飞速发展,对橡胶的需要越来越广泛,天然橡胶已不能满足需要,人们便开始探索获取橡胶的新方法。从19世纪开始,人们经过许多次科学实验,逐渐认识橡胶是碳氢化合物,由丁二烯和异戊二烯分子所组成。

既然橡胶能够分解成单体的丁二烯分子和异戊二烯分子,那么在一定温度和压力的条件下,将异戊二烯分子和丁二烯分子聚合就可以生成合成橡胶,也就是人造橡胶。我国现在已经能够生产氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁钠橡胶、丁苯橡胶等各种合成橡胶。

人们从生产实践中,发现石油气体中含有良好的制造橡胶的原料。

从石油中提炼出汽油以后,其中余下一部分蒸馏气体,我们叫它石油气。石油气是含有各种有机碳氢化合物的气体。石油气再经过高温裂解、分离提纯,就能得到制造合成橡胶的各种气体:如乙烯、丁烯、丁烷、异丁烯、异戊烯、戊烯、异戊烷等等。乙烯在一定的条件下与水分子作用,可以合成乙醇;两个醇分子脱去水分子就生成丁二烯。丁烯和丁烷在高温下经过化学反应,同样可以生成了二烯。本二烯经过聚合就能变成丁钠橡胶。而丁二烯与苯乙烯共聚又能生成丁苯橡胶。丁二烯与丙烯腈共聚,则生成丁腈橡胶。

同样,异戊烷和异戊烯通过高温裂解,可以生成异戊二烯;异戊二烯聚合就生成了异戊橡胶。现从石油气中可以提炼多种合成橡胶的原料。可见,合成橡胶不仅充分利用了丰富的石油工业资源,而且还具有比天然橡胶更优越的耐磨、耐寒、耐油、耐酸等性能。如丁苯橡胶比天然橡胶更耐磨;氯丁橡胶有极好的耐曲挠性能,可防火、耐酸、耐油;丁腈橡胶耐油性能更好……因此,合成橡胶是工农业生产、国防、科学研究十分需要的材料。