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第16章 魔法般神奇的化学反应(1)

化学反应,并不仅仅是存在于化学实验室里的,在我们的生活中,处处都有它的身影出没。它与人类的关系之深、之密切,远远超出人们的想象。可以这么说,人是化学反应的产物。

电解的辉煌成就

电解是指将直流电通过电解质溶液或熔体,使电解质在电极上发生化学反应,以制备所需产品的反应过程。

戴维与电解

说起电解,不能不说英国化学家戴维。1799年意大利物理学家伏打发明了将化学能转化为电能的电池,使人类第一次获得了可供实用的持续电流。1800年英国的尼科尔逊和卡里斯尔采用伏打电池电解水获得成功,使人们认识到可以将电用于化学研究。许多科学家纷纷用电做各种实验。戴维在思考,电既然能分解水,那么对于盐溶液、固体化合物会产生什么作用呢?于是他开始研究各种物质的电解作用。首先他很快地熟悉了伏打电池的构造和性能,并组装了一个特别大的电池用于实验。他选择了木灰(即苛性钾)作第一个研究对象,发现一种新的元素。因为它是从木灰中提取的,故命名为钾。

对木灰电解成功,使戴维对电解这种方法更有信心,紧接着他采用同样方法电解了苏打,获得了另一种新的金属元素。这元素来自苏打,故命名为钠。

接着他又得到了银白色的金属钙。紧接着又制取了金属镁、锶和钡。

戴维依靠电解,成为发现化学元素最多的科学家,在化学史上留下了不朽的身影。

电解的成就

1807年,英国科学家戴维将熔融苛性碱进行电解制取钾、钠,从而为获得高纯度物质开拓了新的领域。

1833年,英国物理学家法拉第提出了电化学当量定律(即法拉第第一、第二定律)。

1886年美国工业化学家霍尔电解制铝成功。

1890年,第一个电解氯化钾制取氯气的工厂在德国投产。

1893年,开始使用隔膜电解法,用食盐溶液制烧碱。

1897年,水银电解法制烧碱实现工业化。

至此,电解法成为化学工业和冶金工业中的一种重要生产方法。

1937年,阿特拉斯化学工业公司实现了用电解法由葡萄糖生产山梨醇及甘露糖醇的工业化,这是第一个大规模用电解法生产有机化学品的过程。

1969年又开发了由丙烯腈电解二聚生产己二腈的工艺。

电解广泛应用于冶金工业中,如从矿石或化合物提取金属或提纯金属,以及从溶液中沉积出金属。

金属钠和氯气是由电解熔融氯化钠生成的;电解氯化钠的水溶液则产生氢氧化钠和氯气。

电解水产生氢气和氧气。水的电解就是在外电场作用下将水分解为氢和氧。

电解是一种非常强有力的促进氧化还原反应的手段,许多很难进行的氧化还原反应,都可以通过电解来实现。

例如:可将熔融的氟化物在阳极上氧化成单质氟,熔融的锂盐在阴极上还原成金属锂。电解工业在国民经济中具有重要作用,许多有色金属(如钠、钾、镁、铝等)和稀有金属(如锆、铪等)的冶炼及金属(如铜、锌、铅等)的精炼,基本化工产品(如氢、氧、烧碱、氯酸钾、过氧化氢、乙二腈等)的制备,还有电镀、电抛光、阳极氧化等,都是通过电解实现的。

火是人类文明之始

人类对火的认识、使用和掌握,是人类认识自然,并利用自然来改善生产和生活的第一次实践。火的应用,在人类文明发展史上有极其重要的意义。

火是原始人狩猎的重要手段之一。用火驱赶、围歼野兽,行之有效,提高了狩猎的生产能力。焚草为肥,促进野草生长,自然为后起的游牧部落所继承。最初的农业耕作方式——刀耕火种,就是依靠火来进行的。至于原始的手工业,更是离不开火的作用。弓箭、木矛都要经过火烤矫正器身。以后的制陶、冶炼等,没有火是无法完成的。

燃烧

燃烧,俗称着火,燃烧是可燃物跟助燃物(氧化剂)发生的剧烈的氧化反应。通常伴有火焰、发光和发烟现象。燃烧具有三个特征,即化学反应、放热和发光。

物质燃烧过程的发生和发展,必须具备以下三个必要条件,即:可燃物、氧化剂和温度。只有这三个条件同时具备,才可能发生燃烧现象,无论缺少哪一个条件,燃烧都不能发生。但是,并不是上述三个条件同时存在,就一定会发生燃烧现象,还必须三个因素相互作用才能发生燃烧。

燃烧的广义定义:燃烧是指任何发光发热的剧烈反应,不一定要有氧气参加,比如金属钠(Na)和氯气(Cl2)反应生成氯化钠(NaCl),该反应没有氧气参加,但是是剧烈的发光、发热的化学反应,同样属于燃烧范畴。同时也不一定是化学反应,比如核燃料燃烧。

火焰

火焰中心到火焰外焰边界的范围内是气态可燃物或者是汽化了的可燃物,它们正在和助燃物发生剧烈或比较剧烈的氧化反应。

在气态分子结合的过程中释放出不同频率的能量波,因而在介质中发出不同颜色的光。例如,在空气中刚刚点燃的火柴,其火焰内部就是火柴头上的氯酸钾分解放出的硫,在高温下离解成为气态硫分子,与空气中的氧气分子剧烈反应而放出光。外焰反应剧烈,故温度高。

火是物质分子分裂后重组到低能分子中分离、碰撞、结合时释放的能量。火内粒子是高速运动的——高温高压就是这个目的。

火焰内部其实就是不停被激发而游动的气态分子。它们正在寻找“伙伴”进行反应并放出光和能量。而所放出的光,让我们看到了火焰。

烟花的颜色为什么是五颜六色的呢?这是由于不同金属灼烧,发生焰色反应的颜色不同而造成的。烟花是利用各种金属粉末在高热中燃烧而构成各种夺目的色彩。使用不同金属就能产生不同效果,发出不同颜色的光芒。

发光剂是金属镁或金属铝的粉末。当这些金属燃烧时,会发出白炽的强光。

氯化钠和硫酸钠都属于钠的化合物,它们在燃烧时便会发出金黄色火焰。

硝酸钙和碳酸钙在燃烧时会发出砖红色火焰。

在化学试验中,我们常常会运用以上结果来测试物质中所含的金属。这类型的实验称为焰色试验。烟花便是利用金属的这种特性制成的。制作烟花的人经过巧妙的排列,决定燃烧的先后次序。这样,烟花引爆后,便能在漆黑的天空中绽放出鲜艳夺目、五彩缤纷的图案了。

人体内的化学反应

人的体内无时无刻不在进行着复杂的化学反应,你所做的每一个动作,你进行的每一个思考,都是化学反应在推动,而人体内的这些反应中,酶是主角。酶是一种生物催化剂。生物体内含有千百种酶,它们支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程,与生命过程关系密切的反应大多是酶催化反应。

酶的重要性

哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞质中,或是与各种膜结构结合在一起,或是位于细胞内其他结构的特定位置上。这些酶统称为胞内酶;另外,还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶——胞外酶。

酶催化化学反应的能力叫酶活力(或称酶活性)。酶活力可受多种因素的调节控制,从而使生物体能适应外界条件的变化,维持生命活动。

没有酶的参与,新陈代谢只能以极其缓慢的速度进行,生命活动就根本无法维持。例如食物必须在酶的作用下降解成小分子,才能透过肠壁,被组织吸收和利用。在胃里有胃蛋白酶,在肠里有胰脏分泌的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等。又如食物的氧化是动物能量的来源,其氧化过程也是在一系列酶的催化下完成的。

酶的作用

生物体(包括人)内每时每刻都在进行着大量的生物化学反应,如摄入的食物包含有蛋白质、脂肪、碳水化合物等,这些物质本身并不能为人体所利用。

蛋白质必须被蛋白酶分解成氨基酸才能透过肠黏膜吸收入血液,通过血液运送到全身各个组织细胞,被细胞利用;脂肪必须由脂肪酶分解成甘油和脂肪酸才能被吸收入血液,被组织细胞利用;碳水化合物必须被淀粉酶分成小分子的葡萄糖才能被吸收入血液,然后运输到各组织器官,并进入细胞内,再在各种酶的作用下,被燃烧产生能量,放出水和二氧化碳。在人体内只要生命在持续,各种生物化学反应一刻也不能停息。成千上万种的生物化学反应的过程中必须有酶进行催化促进,否则这种生物反应就无法进行。

生物体内的酶促反应就是生命存在的一种内在本质。所以测定人体内各种酶的浓度和酶的活力来反映机体生化反应机能是否正常,常见的测定转氨酶反映肝脏、心脏的功能状态,测碱性磷酸酶反映心肌功能状态,测定乙酰胆碱酯酶反映神经功能。

维生素是个庞大的家族,目前所知的维生素就有几十种,大致可分为脂溶性和水溶性两大类。

有些物质在化学结构上类似于某种维生素,经过简单的代谢反应即可转变成维生素,此类物质称为维生素原,例如β-胡萝卜素能转变为维生素A;7-脱氢胆固醇可转变为维生素D3;但要经许多复杂代谢反应才能成为烟酸的色氨酸则不能称为维生素原。水溶性维生素不需消化,直接从肠道吸收后,通过循环到机体需要的组织中,多余的部分大多由尿排出,在体内储存甚少。

脂溶性维生素溶解于油脂,经胆汁乳化,在小肠吸收,由淋巴循环系统进入到体内各器官。体内可储存大量脂溶性维生素。维生素A和维生素D主要储存于肝脏,维生素E主要存于体内脂肪组织,维生素K储存较少。水溶性维生素易溶于水而不易溶于非极性有机溶剂,吸收后体内贮存很少,过量的多从尿中排出;脂溶性维生素易溶于非极性有机溶剂,而不易溶于水,可随脂肪为人体吸收并在体内蓄积,排泄率不高。

维生素是人体代谢中必不可少的有机化合物。人体犹如一座极为复杂的化工厂,不断地进行着各种生化反应,其反应与酶的催化作用有密切关系。酶要产生活性,必须有辅酶参加。已知许多维生素是酶的辅酶或者是辅酶的组成分子。因此,维生素是维持和调节机体正常代谢的重要物质。可以认为,最好的维生素是以“生物活性物质”的形式,存在于人体组织中的。

让人又爱又恨的塑料

塑料是由高聚物(即通常所说的树脂)与各种添加剂混合而成的化合物,添加剂主要有填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂以及色料等。

塑料的成分

塑料的主要成分是合成树脂。

最初的树脂是指由动植物分泌出的脂质,如松香、虫胶等,现代的树脂是指还没有和各种添加剂混合的高聚物。

树脂约占塑料总重量的40%~100%。塑料的基本性质主要决定于树脂的性质,但添加剂也起着很重要的作用。

有些塑料基本上是由合成树脂所组成,不含或少含添加剂,如有机玻璃、聚苯乙烯等。所谓塑料,其实它是合成树脂中的一种,形状跟天然树脂中的松树脂相似,但因经过化学手段进行人工合成,而被称之为塑料。

塑料诞生的历史

第一种完全合成的塑料出自美籍比利时人列奥·亨德里克·贝克兰,1907年7月14日,他注册了酚醛塑料的专利。

贝克兰是鞋匠和女仆的儿子,1863年生于比利时根特。1884年,21岁的贝克兰获得根特大学博士学位,24岁时就成为比利时布鲁日高等师范学院的物理和化学教授。1889年,刚刚娶了大学导师的女儿,贝克兰又获得一笔旅行奖学金,到美国从事化学研究。

在哥伦比亚大学查尔斯·钱德勒教授的鼓励下,贝克兰留在美国,为纽约一家摄影供应商工作。

他发明了一种照相纸,并申请了专利权。这个专利以85万美金卖给了柯达公司。

贝克兰将一个谷仓改成设备齐全的私人实验室,还与人合作在布鲁克林建起试验工厂。当时刚刚萌芽的电力工业蕴藏着绝缘材料的巨大市场。贝克兰的目光对准了天然的绝缘材料——虫胶。

贝克兰研究得到了一种糊状的黏性物,模压后成为半透明的硬塑料——酚醛塑料。

酚醛塑料是世界上第一种完全合成的塑料。1909年2月8日,贝克兰在美国化学协会纽约分会的一次会议上公开了这种塑料。

酚醛塑料绝缘、稳定、耐热、耐腐蚀、不可燃,贝克兰自称为“千用材料”。特别是在迅速发展的汽车、无线电和电力工业中,它被制成插头、插座、收音机和电话外壳、螺旋桨、阀门、齿轮、管道。在家庭中,它出现在台球、把手、按钮、刀柄、桌面、烟斗、保温瓶、电热水瓶、钢笔和人造珠宝上。

五大通用塑料

一、聚乙烯塑料

聚乙烯塑料目前是世界上最大的通用塑料树脂产品。

低密度聚乙烯的用途非常广泛,用挤出吹塑法可以生产薄膜、中空容器,用挤出法可以生产管材,用注射法可以生产各种日用品,如奶瓶、皂盒、玩具、杯子、塑料花等。

中密度聚乙烯主要用于制作各种瓶类制品、中空制品、电缆用制品以及高速自动包装用薄膜。

高密度聚乙烯塑料强度高、耐磨性好,所以主要用于制造绳索、打包带等,还可制作盒、桶、保温瓶壳等。

二、聚丙烯塑料

聚丙烯塑料主要用于薄膜、管材、瓶类制品等。由于受热软化点较高,可用于制作餐具,如碗、盆、口杯等;医疗器械的杀菌容器;日用品如水桶、热水瓶壳等;还可制作文具盒、仪器盒等;也可制作电器绝缘材料及代替木材的低发泡板材等。它还适于制作各种绳索和包装绳。

三、聚苯乙烯塑料

聚苯乙烯塑料广泛应用于光学仪器、化工部门及日用品方面,用来制作茶盘、糖缸、皂盒、烟盒、学生尺、梳子等。由于具有一定的透气性,当制成薄膜制品时,又可做良好的食品包装材料。

四、聚氯乙烯塑料

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