当分子变大以后

当分子变大以后

组成物质的微粒，原子、分子都很小，一个水分子的重量只有3×10^－23克，物质分子的质量实在太小，使用起来也不方便，现在用相对分子质量来表示，则简单多了。水的相对分子质量为18，氧气的相对分子质量为32，蔗糖的相对分子质量为342，等等。

一般的有机物相对分子质量大约在几十到几百之间。但是，在物质世界中还有一大类有机物。它们的相对分子质量很大，大到成千、上万、几十万甚至几百万。当分子变大之后，奇迹发生了，这些大分子可以像钢铁一样坚硬，像玻璃一样透明，像陶瓷一样耐腐蚀。现在人们称这些大分子为高分子化合物。20世纪20年代，德国化学家施陶丁格（Hermaann Staudinger，1881—1965年）首先提出这一概念。半个多世纪以后，人类进入了高分子时代。现代生活中高分子无处不在，塑料、纤维都是高分子，衣食住行离不开它们，甚至人类自己的身体中也有不少高分子在发挥着重要作用。组成人体的重要物质蛋白质和核酸就都是高分子化合物。

在高分子中，可以制造鞋底的聚氯乙烯相对分子质量为5万至15万，的确良的相对分子质量为1．8万至2．3万，丁苯橡胶的相对分子质量为15万至20万。这些物质都是人们从简单原料中制造出来的，自然界原来并没有。但有些天然物质相对分子质量也很大，如纤维素相对分子质量是50万至100万，天然橡胶是20万至40万。为什么相对分子质量变大以后其性质会有这样大的变化呢？一个重要的原因就是在高分子与高分子之间有了很大的相互作用力。例如，乙烯是一种重要的化学原料，是无色气体，相对分子质量32。当由几千个乙烯分子结合成聚乙烯大分子时，聚乙烯大分子的相对分子质量就可达到几万，聚乙烯也变成了固体。乙烯分子由碳原子和氢原子结合而成，这种结合力相当大，所以乙烯分子本身不易被破坏。但乙烯分子与乙烯分子间的结合力要小得多（大约是原子间结合力的1%～10%），所以乙烯分子可以自由运动，室温下为气态。几千个乙烯分子结合成聚乙烯，大分子与大分子作用力就会增大很多。把大分子聚集在一起，不让它们散开，聚乙烯也就有了一定的“强度”，变成了固体了。

舍拜恩夫人的布围裙

其实，人类很早就开始利用天然的高分子化合物了。人类进入文明社会以后，服装成为生活必需品，用来制作服装的材料是一些天然纤维，如来自植物的棉、麻和来自动物的丝、毛，其中纤维素是用量最大的。纤维素是构成一切植物细胞壁的物质，树木、野草、棉花、亚麻都含有纤维素。木材中纤维素含量约占总质量的40%～50%（除去水分后）。亚麻的纤维素约占80%～90%，棉花的纤维素占88%～90%。它们都很结实、坚韧，不溶于水，可以作为建筑材料和编织材料使用。我们人类的食物中也有纤维素，特别是蔬菜水果中。但是，人们食用纤维素之后并不能消化它。牛、羊和骆驼等反刍动物，可以消化纤维素。虽然食物中的纤维素不能给人类提供营养，却是对人体健康有益的，例如可以防止便秘和某些疾病的发生。

1846年，一件有历史意义的布围裙开创了纤维素利用的新天地。一天，瑞士巴塞尔大学的化学教授克里斯蒂安·舍拜恩（1799—1868年）在自己的厨房里做试验。在那个时代，不少化学家都在家里建有实验室。他所用的药品有浓硝酸和浓硫酸，这都是腐蚀性很强的酸。试验过程中，他不小心打破了装有这两种药品的烧瓶，药品洒了满地，这将使地板烂掉，慌乱之中，舍拜恩找不到拖把，就拿起妻子做饭时用的棉布围裙当抹布，赶紧把地擦干净。然后他把围裙洗干净，挂在火炉旁烘干，忽然屋子里出现一道闪光，围裙着起火来，接着就消失了。舍拜恩是位勤于思考的化学家，这场偶然事故自然引起他的注意。因为一般的棉布围裙在烘干时是不会着火的，而夫人的围裙被用做抹布擦了浓硝酸和浓硫酸，变得这样容易燃烧，很可能是这两种药品和抹布发生了化学反应。一种新的易燃物质生成了。

舍拜恩并没有想错，尽管这一变化具体过程是在多年之后才搞清楚，但确实是有一种新物质在这个过程中产生了。现在人们知道，当把棉花和浓硝酸、浓硫酸放在一起时，棉花中的纤维素会与浓硝酸发生反应，生成硝酸纤维素，浓硫酸的作用简单说来是加速这一过程。硝酸纤维素是一种新物质，与纤维素和硝酸都不一样，自然也就有它自己的新性质。硝酸虽然有腐蚀性，但不可燃。纤维素虽然可燃，但燃烧得慢。而硝酸纤维素，则极易燃烧，甚至爆炸，于是人们称它火棉。黑火药是14世纪时由中国传到欧洲的。那时候，黑火药威力很大，用途很多，但是黑火药也有缺点，那就是产生的黑烟太多，而火棉则烟很少，而且威力也大，比黑火药大3倍。

作为化学家，舍拜恩把纤维素这种天然高分子变成了自然界中从未产生过的高分子物质——硝酸纤维素。硝酸纤维素在化学上是一种酯类，变化来自于硝酸中的硝基代替了纤维素中羟基上的氢。舍拜恩又是一个很有经济头脑的人，他在法国和德国的化学杂志上公布了他的发明，却未公布生产火棉炸药的方法。他申请了专利，并把专利卖给了奥地利政府和英国的约翰·泰勒。法、德、俄等国都有人研究过了制造火棉的方法，并投入生产。不幸的是1847年7月开设在伦敦附近的泰勒火棉厂发生了爆炸，炸死两个工人，工厂也被炸毁。

到1862年俄、德、法、奥等国的火棉厂，由于同样的爆炸事故相继停止了火棉的生产。

乒乓球是用什么做的

火棉的工业生产虽然暂时停止了，但人们对于硝酸纤维素的研究并未停止。这主要有两方面原因：一是人们有制造各种各样物品的需求；另一个则是纤维素在自然界有丰富的资源。木材、竹子、芦苇、棉籽绒、甘蔗渣等，这些不能直接用于纺织的原料太多，它们能利用吗？

1846年，法国人路易·梅纳尔发现，硝酸纤维素可以溶在乙醚或酒精中，得到透明的溶液，称为“克罗丁”。克罗丁在空气中立即成为无色、透明、坚硬的膜，这种新物质叫胶棉。梅纳尔喜爱艺术，他想把这一发明用于油画，也许会使油画的光洁度变好。结果失败了，油画色彩变得更模糊。后来克罗丁被用在医学上，涂在伤口上，会形成坚韧、不透水薄膜，起到保持伤口卫生，避免感染的作用。有些装药品或液体的瓶口，在瓶盖上也有一层硬膜，那就是克罗丁形成的。

后来，美国印刷工人约翰·韦斯利·海厄特为胶棉找到了更为广泛的应用。当时许多物品，包括台球都是用象牙制造的，象牙的短缺使一个台球制造厂竟然悬赏1万美元，寻求象牙的代用品。海厄特把樟脑溶在酒精里，再与硝酸纤维素混合，可以得到一种角质物质，起名为赛璐路。赛璐路遇热可以软化、卷曲，放在模具中，可以铸成各种形状的物品，用挤压的方法也行，但海厄特制造的这种东西用来做台球却不太适合。因为赛璐路制品比较脆，易碎。人们用它制造梳子、眼镜架、纽扣，甚至耐洗的衣领，其中沿用至今的是乒乓球。赛璐路是制乒乓球的最好材料。

另外，火棉的爆炸性仍是很多人研究的对象。炸药大王诺贝尔在1875年用胶棉和硝化甘油制成了一种威力很大的炸药。据传说他的这一发明，是有一天晚上他手指受伤用胶棉处理后仍疼痛不止，难以入睡，才想出来的。

人造纤维

纤维素是可以纺纱织布的，人造硝酸纤维素行吗？法国的伊莱尔德·夏尔多内就设法实现了这种设想。

1889年夏尔多内在巴黎首次展示了他的成果，他用胶棉抽成细丝织成布，很柔软有光泽，能洗涤。但是有一个致命的缺点就是容易着火，一个火星就可能使它化为灰烬。显然，这种丝不可能得到实际应用。谁都知道养蚕缫丝，蚕这种动物已经在地球上生存了几千万年，人们用蚕丝织成华贵的织物也有几千年。什么时候人也像蚕一样能造丝呢？法国化学家保罗·舒曾贝尔首先发明了人造丝。1865年，舒曾贝尔把棉纤维和醋酐一起加热得到一种白色粉末，称为醋酸纤维素，它可以溶于丙酮，与硝酸纤维素不同的是醋酸纤维素不易燃烧。

醋酸纤维素制成人造丝是从20世纪初才投入使用的。第一次世界大战期间还用做飞机机翼的涂料。醋酸纤维素也曾大量用做照相胶卷，比原来用硝酸纤维素更柔软，也更安全。

1892年英国的克罗斯和贝文发明了粘胶法，把纤维素用烧碱处理得到碱纤维素，然后加入二硫化碳和水，得到一种橙黄色的颗粒物。将这种颗粒物溶解在稀碱液中，得到一种像蜂蜜一样黏稠的黄色溶液。这种溶液通过有许多细微小孔的喷丝头，喷到酸性溶液中就得到连绵不断的丝条，一种人造纤维，人们称为粘胶纤维。粘胶纤维比胶棉纤维丝安全，不易燃烧，做出的织物柔软美观。粘胶纤维可以纺成薄的府绸、麻纱，也可纺成厚一些的哔叽、咔叽等。

硫化橡胶

橡胶是另一种被人类广泛应用的天然高分子化合物。橡胶最早产于拉丁美洲，是从橡胶树上分泌出来的。我国南方广大地区也生产橡胶。橡胶树为常绿乔木，树干皮有乳浆（图5－1为橡胶工人正在割胶）。

1496年哥伦布航海到达海地，看到当地人有一种可以弹跳的奇怪的球，他把这种球带回欧洲，让欧洲人第一次看见了橡胶。1731年，法国人夏尔·德拉·孔达米纳从秘鲁带回巴西三叶胶，就是亚马孙河流域橡胶树的产物。当地人不仅用橡胶制成玩具，还将橡胶树浆涂在布上，烘干后做成风雨衣，还用来做雨靴、瓶子等生活用品。后来，欧洲也陆续发展了橡胶制造业。

图5－1　橡胶工人正在割胶

橡胶为什么有弹性呢？因为橡胶分子很大，由成千上万个原子生成很长的链子。分子和原子不断运动相互绕曲，纠缠在一起，柔如丝，乱如麻，就像杂乱无章的毛线团。受到外力时会伸长，外力去除后就又恢复原状。不过当时的橡胶制品有着共同的缺点，那就是遇热变软、变粘，遇冷则易断裂，这一问题在很大程度上限制了橡胶的应用。

1844年，美国发明家古德伊尔发明了橡胶硫化技术，解决了这一难题。当时古德伊尔接受了生产邮袋的任务，这些邮袋既要防水防热，还要经久耐用。为了解决这个问题，他在炼制橡胶时尝试加入其他物质，希望能改善橡胶的质量。但是，选用了许多种物质都不成功。在一次试验时，他把硫磺加到加热的橡胶中，顿时发生剧烈反应，放出臭气，试验被迫停止，实验品被扔进垃圾箱。后来在清扫现场时，发现了一块废弃物，这块东西受热时不发粘，拉长或扭曲时有弹性，降低温度仍很柔软。他高兴极了，这不正是他要寻求的材料吗！他再一次重复试验，他将生橡胶和硫磺混合，在高温炉上加热，得到既耐冷又耐热，还有韧性的材料。经进一步研究改进之后，形成了橡胶硫化技术。1844年，古德伊尔的技术获得专利权。

为了研究橡胶加工技术，古德伊尔付出了大量的心血，经历了很多次失败，并欠下了高达20万美元的债务。但是橡胶硫化技术却促进了橡胶工业的发展，为人类创造出巨大财富。例如用橡胶制造的充气轮胎，从1845年开始就有人发明了气胎，后经改进，大量应用于汽车工业。

曾经有人风趣地形容古德伊尔说：“如果在路上碰到一个从帽子、背心、裤子到鞋子全是橡胶制品的人，但他却带着一个一无所有的橡胶钱包，这个人一定就是古德伊尔”。

从空气、水、煤开始合成

以上所说的人造纤维素、硫化橡胶，尽管经过人的加工、改造，但其原料仍然是天然的高分子物质。能不能从空气、水、煤这些自然界中大量存在的物质制造出自然界中没有的大分子呢？

第一个这种大分子今天被称为酚醛塑料，是20世纪初出现的，这个伟大的发明应归功于利奥·贝克兰（1863—1944年）。这位化学家曾因发明了印相纸从柯达公司得到100万美元，用以支持自己的研究。开始贝克兰试图寻找一种虫胶的代用品，当时虫胶被广泛用于涂料和其他制品，来源是东南亚的紫胶虫。但是，15万只紫胶虫半年才能分泌出450克淡黄色树胶，而美国每年需要几十万千克。他在动手之前，先查阅了许多文献，看别人做过什么。他发现著名的法国化学家冯·贝耶尔曾用消毒剂石炭酸（苯酚）、防腐剂（甲醛），混合得到树脂状物质，加热时起泡，发出臭味，冷却时凝固成坚硬、多孔的无色固体，不能溶于水，也不能溶于酸，这种物质的产生会黏附在容器上，造成堵塞，又刷洗不掉，非常让人讨厌。贝克兰不讨厌它，反而想方设法地利用它，他为此专门设计了新的反应器，尝试不同的反应条件，终于得到一种琥珀色的液体。这种液体倒入模具，可以铸成各种形状的制品，坚硬透明。

塑料是一类可塑性材料，就像陶土、石膏一样，可以塑制成各种所需要的形状。贝克兰得到的树脂就是塑料的主要成分。有时还在应用时根据需要加入一些添加剂，现在已有几十种塑料。有些塑料可以多次反复加热，仍然有可塑性，叫做热塑性塑料。另一些塑料随着加热会发生化学变化，形状固定之后，即使再加热也不能再软化，称为热固性塑料。贝克兰得到的酚醛树脂，加入木粉和其他添加剂可以塑制成各种电器零件，如插头、插座、配电盘、灯头等。它质轻，耐腐蚀性、绝缘性好，还可以有许多其他用途。酚醛树脂的原料苯酚和甲醛，可以用煤、空气、水为基本原料，大量制造。贝克兰开始了一场革命——人工合成高分子的革命。

第一种投入使用的合成纤维是尼龙。1930年，在杜邦公司工作的卡罗瑟斯（1896—1937年）和他的同事们在研究时曾做出一种黏稠的液体。当把玻璃棒从这种液体中取出来时，玻璃棒上的液体拉成了很多根长丝。这些丝拉不断，冷却后凝成固体，有韧性，有光泽。他们报告说：“单从合成材料获得有用的纤维已经成为可能”。但是，这有历史意义的第一根丝并不实用，因为强度不够、熔点也低。4年以后，卡罗瑟斯从注射器里挤出一根丝，商品名是尼龙。它是由己二酸和己二胺两种原料制造的，学名叫聚酰胺纤维。1940年，用尼龙做成的长袜上市。姑娘们排队竞相购买，仅用三四天就将第一批400万双售光。这一年杜邦公司一共生产了6400万双。第二年就用于军事生产降落伞。牙刷、外科缝针、渔网、地毯、轮胎帘子线、安全带都可以用尼龙制作。尼龙比天然纤维有很多优点。它的强度比棉花高2～3倍，比羊毛高4～5倍，耐磨性更好，比重轻，熔点高，弹性好，耐腐蚀，价格便宜更是突出优势。杜邦公司在10年时间内开发这一产品，耗资2700万美元，而现在他们的尼龙产品的销售额就有几亿美元。

古德伊尔发明了橡胶硫化技术，橡胶的应用越来越普遍，需求量也越来越大。但是，天然橡胶只能来源于生长在热带的橡胶树，资源有限，供不应求的矛盾日益突出，特别是军事方面的需求。没有橡胶，卡车、坦克、飞机都无法开动，民用机械也将无法使用，交通也会受阻，从而合成橡胶成为重要研究课题。美国在珍珠港事件发生时，98%的橡胶来自马来西亚和印度尼西亚，战争切断了这一供应。美国只有52万吨的储备，不够和平时期用1年。美国总统罗斯福下令专门成立橡胶局解决这一问题，当时对形势的估计是“如果我们不能保证很快得到大量新的橡胶来源，我们在战争方面所做的努力就会付之东流，我们的国内经济就会崩溃”。

其实，德国人早在第一次世界大战时就曾遇到同样的问题。他们也早就开始了合成橡胶的研究。1882年，人们就已证实天然橡胶是异戊二烯的聚合物。1931年，美国化学家卡罗瑟斯用乙炔为原料，合成出氯丁橡胶。这种橡胶耐油、耐水、耐酸、耐光等性能比天然橡胶好，用途也超过了天然橡胶，可以做橡胶管、油箱衬里等，其缺点是价格高。德国人用从石油中得到的苯乙烯和丁二烯制造成了丁苯橡胶，价格低，可以代替天然橡胶做汽车轮胎。据报道，1943年德国人每年可生产人造橡胶9万吨，相当于1600万平方千米的橡胶园中4000万棵橡胶树1年的产量。到20世纪50年代，和天然橡胶完全一样，以异戊二烯为单体的人造橡胶投入市场。

人们以水、空气、煤为原料合成出塑料、橡胶、纤维以后，又发明了以石油和天然气为原料的方法，并且大有后来者居上的势头。人工合成与利用天然物相比，首先是极大地节约了资源。有人做过统计，从1千吨煤，炼焦得到的副产物煤焦油中分离出的苯，可以制得尼龙丝1．6吨，可以织8万双尼龙袜；从1千吨石油加工，得到的乙烯和丙烯，可以制15吨合成纤维，织布20万米。一个年产量1万吨的合成纤维工厂生产的纤维相当于50万亩（3．3公顷）棉田提供的纤维。