书城童书奇妙的发明(科学知识大课堂)
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第21章 化学大发明(9)

到1840年,德国化学家舍恩拜因(C.F.Sch Onbein,1799~1868)在空气中进行放电实验时也嗅到这种“电气”的味道,认为它和氯以及溴属于同类气味。1844年他又发现白磷在空气中发光氧化时也产生这种臭味,更发现它能将碘化钾(KI)中的碘释放出来,并能将二价亚铁盐氧化成三价铁盐。他认为氮气是这种气体和氢气的化合物。他继续研究这种气体,在1854年发表的论说中指出,氧气除了普通的氧气外,还有一种ozonized氧气。ozonized这一词可译成“臭味化了的”或“变臭了的”。它来自希腊文ozo-(嗅、臭味),德文中的臭氧ozon、法文中的ozone、英文中的ozone都从它而来。我们称它为臭氧是很适合的。

同一个时期里,还有一些人发现过它。1845年瑞士化学家马里纳(J.C.G.de.Marignac,1817~1891)和德拉里夫(A.A.de LaRive,1801~1873),各自加热氯酸钾(KClO3)获得氧气后,经干燥,在其中放电而获得臭氧。认为它是一种特别化学活动的氧气。

直到1898年,德国化学家拉登堡(A.Ladenburɡ,1842~1911)在测定了它的式量后,确定它的化学式是O3,是氧气的一种同素异形体。

臭氧是一种天蓝色气体,冷却时可凝结成暗蓝色液体,并可凝固成紫黑色晶体。臭氧很不稳定,在常温下就会慢慢变成氧气,受热时变得更快。当臭氧转变成氧气时放出热量:

2O33O2+热量正如发现臭氧的化学家们所研究的那样,它具有活泼的化学性质,能氧化许多氧气所不能氧化的物质。金属银在臭氧中表面被氧化成一层“银锈”,硫化铅(PbS)被氧化成硫酸铅(PbSO4),硫酸亚铁(FeSO4)被氧化成硫酸铁[Fe2(SO4)3]。许多有机物,如松节油、酒精等,遇到臭氧会着火燃烧。

正因为臭氧能把碘化钾中的碘释放出来,而碘遇到淀粉水溶液就变成蓝色。因此,将气体通入含有少量淀粉浆的碘化钾溶液中,可以检验是否有臭氧存在。

空气中存在的臭氧会促使橡胶轮胎老化,还会与氮的氧化物等化合生成带刺激性的有毒气体,污染环境。因此,它对人类来说既有益,也有害。

助熔剂的发明

《南方周末》报在1997年11月28日刊登了名为《“地下黄金基地”揭秘》的文章。

文中说:“……几百度的温度可以熔真金?在这里可是千真万确的事:尽管黄金熔点在摄氏二三千度以上(应为1064℃——引者),但当地人配制了一种药水加入坩埚,几百度足以熔化真金。”这段话给我们提出了一串问题:高熔点的物质在低于熔点的温度时能熔化吗?如果能,那是为什么,又是用的什么办法?通过下面铝从“贵族”到“平民”的故事,可以回答这些问题。

19世纪的一天,法国皇帝拿破仑三世在宫廷中举行盛宴。客人面前都摆上了精致的银餐具,它们在明亮的烛光下闪闪发光。可是,客人们奇怪地注意到,惟独皇帝面前的餐具却少有光泽。客人们对此议论纷纷,窃窃私语。拿破仑三世见到这种情况,意识到这是自己的餐具与众不同,便告诉大家,这套餐具是用一种新的金属——铝制成的,由于它的价值超过金银,所以不能让客人都用上它。“啊!铝!”人们顿时兴奋起来。宴会的高潮到来了:客人们举起自己的银杯,幸运地与皇帝的铝杯相碰,共饮佳酿。

是的,当时由于不能大量生产铝,所以价格为2000法郎/公斤,超过了黄金。拿破仑三世还曾专门下旨将军队战旗上的金星改为铝星,以炫耀他的富有。俄国沙皇为了表彰门捷列夫发现元素周期律的功绩,授予他的最高科学奖奖杯不是金杯而是铝杯。门捷列夫发现元素周期律是1869年,而得到承认则是在几年以后,可见直到19世纪70年代,铝在俄国仍然是“贵族”。

那么,为什么当时人们“厚铝薄银”将铝视为“贵族”呢?这还得从铝的提炼说起。铝是地壳中含量很多的金属,占地壳总质量的7.45%,比铁还多出60%。但是,由于铝的性质活泼,与氧结合成氧化铝即三氧化二铝,不容易把它从中分离出来,所以直到19世纪以前,人们还没能发现铝。

最先发现和提出纯铝的人是丹麦物理学家奥斯特。他将氯气通过烧红的木炭和三氧化二铝的混合物,得到氯化铝。然后与钾汞齐作用得铝汞齐,再将铝还原出来并隔绝空气蒸馏,除去汞,就得到纯铝。他的实验结果发表在一本丹麦杂志上,但因这个杂志名气不大,加上没有署上他的大名——他于1820年因发现电流的磁效应而闻名于世。所以这一实验成果被忽略,以致许多科技文献上都说铝的发现者是维勒。

1827年,德国化学家维勒曾就提炼铝的问题去哥本哈根拜访过奥斯特。奥斯特将提炼铝的方法告诉了维勒,还说自己并不打算进一步进行试验。不过,维勒对此却兴趣盎然,一回到德国就全力以赴进行试验,终于在年底就制出了纯铝。不过,他的方法不同于奥斯特,他是用钾还原无水氯化铝制得纯铝的,他还弄清了铝的主要物理性质。因此,1827年被认为是铝的发现年代。后来在1845年,他终于制得了一块铝,而此前他制得的铝一直是一些粉末。

作为一国之尊的皇帝,竟不能让客人们都用上铝制餐具,这使拿破仑三世深感遗憾。为此,他找来本国化学家德维尔(A·E·Deville),对他说:“先生,您是否能找到一种大量、廉价的制铝方法,使我的客人都用上铝制餐具,甚至使我的卫兵也戴上铝头盔呢?”他拨给德维尔大量的研制经费。1854年,德维尔不负圣望,终于用钠代替维勒的钾也制得了钝铝。这使铝的价格略有下降。铝的小批量生产开始了。1855年,在巴黎举行了一次世界博览会,在展厅里最珍贵的珠宝旁,就放着一块铝,它的标签上写着:“来自黏土的白银”,它就是德维尔炼出的铝。

德维尔的炼铝为法国皇帝带来了极大的荣誉。拿破仑曾骄傲地说:“铝是法国人发现的!”

但德维尔却心中有数,他亲手用铝铸了一枚纪念章,上面刻着维勒的名字、头像和“1827”这个年代,作为礼物郑重地送给他的德国同行和发现铝的先驱维勒。两人从此成了好朋友。德维尔不掠人之美、实事求是的精神和两位不同国度化学家的真挚友谊一时传为佳话。

不过,此时铝的价格并未在全世界降下来。生产铝的原料氧化铝随处可见,价格低廉,但由于生产方法、技术落后,以致铝还是“贵族”,这使当时的化学家们脸上无光。如何将这“贵族”变成“平民”,便成为当时化学家们的重大科研课题。

在这一课题上取得重大突破的是两位不同国度的大学生。

美国化学家查尔斯·马丁·霍尔(1863~1914)从小就是一个科学迷。他在幼年还认不全书上的字母时,就曾把父亲的化学教科书翻开来放在地板上煞有介事地仔细“阅读”。青年霍尔就读于奥柏林学院时是个全面发展的学生,对化学更情有独钟。因此,他的化学教授特地为他在实验室里安排一个位置,以便更好地指导他学习化学。这时,炼铝的方法已发展到电解氯化铝的时代,但这种方法仍不能从根本上大量制铝而大幅降低成本。因此,他毕业后,就在家中布置了一个简陋的实验室,继续研究制铝的新方法。最终于1886年发明了能大量制铝且生产成本很低的炼铝法——电解熔盐制铝法。

电解熔盐制铝法的主要原料是氧化铝,将其熔化,再经电解而在阴极上得到纯铝。所以成功的关键是降低氧化铝的高达2072℃的熔点。因为要达到这么高的温度和在这么高的温度下进行电解,无论在设备上还是在技术上都有难以逾越的障碍。因此,霍尔设想加入另一种物质来降低这一温度。经过多次实验之后,终于找到了一种含铝的复盐——冰晶石作为电解时的助熔剂,使氧化铝在较低温度(仅约1000℃)下就能溶解于熔化的冰晶石中进行电解。这就攻克了电解熔盐制铝法的最大难关,使其在设备、技术上都切实可行,生产成本也大大降低。

此法的又一好处是,由于铝的熔点仅为660℃,所以在约1000℃的电解槽阴极得到的铝是液态的,这样就便于定时放出直接铸成铝锭。

1886年2月23日,他来到他在奥柏林学院读大学时代的化学老师的实验室,高兴地向老师展示用新方法得到的12颗晶亮的金属铝小球,以此感谢恩师。后来,他又进一步改进了自己的方法,并向美国铝业公司出卖了当年发明的这一方法的专利。该公司很快生产出价格较低的铝制品供人们使用。从此,铝从“贵族”变为“平民”,而该公司至今还存有霍尔最先制得的几块铝。

为了表彰霍尔对炼铝法的改进所作的贡献,奥柏林学院在院内建立了世界上第一个用铝铸造的塑像——霍尔像。

同年,另一位大学生、后来成为法国化学家的保尔·路易·托圣特·赫洛特也几乎同时独立发明了与霍尔相同的炼铝法,且于同年取得专利。

霍尔和赫洛特所发明的方法叫“助熔剂”法。助熔剂的发明,不但解决了铝的生产成本高的问题,更重要的是使铝成为一种重要的原料;而且这一方法还为人们指明了一条新路并得到广泛应用:借助于某一“秘方”——即助熔剂就可让高熔点的物质在较低温度下熔化,正如本故事开头所说的“当地人”加“药水”那样。

不过,铝的价格并没有在1886年立即在全世界降下来。例如,此时泰国的国王还用着铝制的表链,1889年英国皇家学会对门捷列夫发现元素周期律表彰时,发的珍贵纪念品还是用了铝和金制成的一台天平。

1887年,赫洛特和同胞基里亚尼设计了第一台大型电解装置,为大量生产铝提供了方便。真正大量生产、应用铝始于19世纪末叶。1890年~1900年间,各国相继开始将铝用于电气工业和造船工业。从此,铝彻底成为“平民”。

1906年,德国学过农业和化学专业、并干着冶金工作的化学家阿尔福雷德·维尔姆(1869~1937)发现在铝中加入少量的铜可大幅度提高铝的硬度,加入镁、锰也有这种作用。“硬铝”

——又叫“坚铝”,含铝94%的铝和少量铜、镁、硅,便由他在1911年制成。因德国杜拉最早将“硬铝”投入工业生产,故又称“杜拉铝”。

“硬铝”的发明,不但克服了纯铝的硬度、强度低的缺点,使铝的“轻”(密度小)和“强”在“硬铝”施展出来,为其应用开拓了广阔的天地。例如1919年就出现了第一架用“硬铝”制成的飞机,使铝成为航空业不可或缺之物;而且还为制造铝的其他合金开了路,今天我们几乎被铝包围便是明证——铝成为现代工业、农业、生活、科研不可或缺之物。

不过,铝过量进入人体,有可能对人产生危害。例如脑损伤、记忆力衰退等。虽然这些说法仍未得到普遍公认和长期实践检验,但世界卫生组织还是建议每人每天的铝摄入量应小于1毫克/千克体重。少吃油条、粉丝、凉粉、油饼、易拉罐装的软饮料等含铝多的食物和铝锅炒出的饭菜,是减少铝摄入量的有效方法。

助熔剂的发明,使廉价的原料氧化铝成为用途广泛的、价格低廉的金属铝,可见科学发明是多么巨大地改变着人类的生活啊!

广义的助熔剂是指能降低其他物质软化、熔化或液化温度的物质。因此,除上述这类在冶金中利于熔炼或精炼金属的助熔剂外,还有在化学分析中使不溶性物质变为可溶性物质这类助熔剂,和在焊接工艺中的焊剂这类助熔剂。

故事开头的问题可以回答了。“真金不怕火炼”的原因是,通常的柴火温度仅几百摄氏度,远低于金的熔点。所以它能“烈火烧身若等闲,金光闪耀在人间”。但若用了助熔剂,就能使它在几百摄氏度时熔化而“真金也怕火炼”了。

卢瑟福步入原子内室

电子、X射线、物质的放射性以及具有放射性的镭、钋等元素先后被发现后,物质放射性的研究紧接着开始,从而揭开了原子内部的结构。

1902年,汤姆生的学生、出生在新西兰的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)等人在研究物质的放射性时,进行了这样的实验:在镭射线周边设置强磁场,发现原来成一束的射线分为三束。经再测定,带正电的一束是氦原子核He2+流,用希腊字母α(alfa)命名它;带负电的一束是电子流,用希腊字母β(beitǎ)命名它;不带电荷的一束是一种波长比X射线更短的电磁波,用希腊字母γ(gàmǎ)命名它。各束射线的运动速度不相同,又都有穿透一些物质的性能。

卢瑟福从α粒子的能量计算出放射性元素原子内部潜藏着大量的能量,这个数字可能是任何化学反应所产生的能量的100万倍。他认为没有理由假设这些潜藏的能量独为放射性元素所拥有,可能普遍存在各种元素的原子中。于是他考虑利用α粒子穿进原子内部去“刺探”原子内部的情况。