化学趣味小故事(二十九)(96--98)

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

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臵, 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

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

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,

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

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

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年建成小型试验装臵, 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, 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

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

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。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3—4℃。

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。

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