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第23章 分子筛为什么能筛选出不同的分子

在建筑工地上,工人用铁丝网筛分选沙,使小粒通过,大粒留下;在面粉厂,振动的细孔筛可以把细粉漏下,粗粒留在筛上。既然可以用孔径粗细相同的筛把直径不同的物质粉粒筛分开来,那么能不能根据同样的道理制成分子筛,把不同的分子彼此筛分开呢?答案是肯定的。

早在200多年前,克龙斯泰特就发现,有一类天然沸石,具有多孔的骨架结构,其中有许许多多孔径大小均匀的通道和排列整齐、内表面面积很大的空穴,这就是天然水合硅铝酸盐晶体。这些晶体只能让直径比空穴孔径小的分子进入,把直径比空穴孔径大的分子阻挡在外面,从而像筛子一样起到分离筛选分子的作用。这种能够把大小不同分子筛分开的晶体就叫分子筛。现在,除各种天然沸石分子筛之外,人工合成分子筛已经有180多个品种,广泛用于分离蛋白质、多糖和高分子合成等。由于分子筛可以吸附某些特定大小的分子,因此还用来干燥气体、液体和做化学反应的催化剂等。

以分子筛为催化活性组分的催化剂,叫分子筛催化剂。早在1951年就发现天然沸石分子筛具有加速有机反应的催化作用。60年代初又发现分子筛对烃裂化、醇脱水和石蜡加氢异构反应的催化作用。由于分子筛晶体具有良好的耐热和耐水稳定性,它比以前采用的无定形硅铝催化剂容易再生;分子筛的微孔与分子大小相近似,只能允许比它孔径小的分子自由进出,某种孔径的分子筛就具有很强的选择催化作用,使进入分子筛内晶孔道——催化活性中心的分子才起反应,生成的产物分子比内晶孔道小的才能从分子筛里迅速扩散出来。因此,分子筛催化对反应物和产物都有很强的选择性,例如,在ZSM—5型分子筛上进行的二甲苯异构化反应,由于对二甲苯从分子筛中扩散出来比邻位和间位异构体容易得多,因此,最终产物中对二甲苯产率远远高于普通热力学平衡值。

分子筛中具有可交换的阳离子,可以引入不同种类、不同性质和价态的阳离子,以改变其性能,使其具有特定的催化能力。用稀土金属离子交换后的分子筛即稀土分子筛,是目前工业上一类优良的催化剂。第一章 液氦为什么会自动从玻璃杯底部向上流近年来,低温超导研究十分火热,某些物质在相当低的温度下电子流动成为没有阻力的了,那么原子或分子流动是否也会没有阻力呢,答案是肯定的,氦就是这样一种物质。

氦在常压下即使处于超低温的条件下,甚至绝对零度时,也不凝固,仍然是自由流动的液体。氦在4.2K(K是开尔文的符号,即过去习惯称呼的绝对温度的度)液化,进一步冷却到2.2K,就会出现与我们通常习惯的经验完全不同的奇特现象,即超流动性。例如,在一个直立的玻璃杯里装半杯液氦,在2.2K时,液氦很快地自动沿杯内壁爬上来,越过杯口经杯外壁流下去;与此相反的过程也会发生,把空口朝上的玻璃杯部分浸入2.2K液氦中,液氦很快自动沿杯外壁流上来,越过杯口沿杯内壁进入杯底,直到杯内外液面相平为止。温度越低,液氦超流动性越强,当达到绝对零度时,恐怕就没有任何粘滞阻力了。

奇特现象不止于此,这种超流动液氦还不施力于任何物体。例如,它从高压消防水龙带喷出来甚至连一个竖立的硬币也射不倒,而是沿着硬币边缘自由流动,没有任何力作用到硬币上。

关于低温下液氦没有粘滞阻力的超流动性原因,现在认为是量子力学的简并效应所致。从量子力学的角度来看,氦原子的自旋量子数为零,任何自旋为零的粒子都能处于相同的量子态,具有相同的能量,并且遵守玻色—爱因斯坦统计法则,所有处于超流态的氦原子都处于基态。如果这种氦原子粘滞性不为零,即彼此有粘滞阻力,那它们就必须跃迁到激发能态,可是这时没有能量提供给它们跃迁。所以各个氦原子的运动互不影响、互不限制,它们既能附于容器壁上,也能自由流动,甚至可以通过连氦气分子(实际是氦原子)也通不过的微小夹缝或细微小孔。

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