阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第7章
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家们，无不对这些有弹性的球（用巴西的一种树木的汁液做成）感
到惊讶不已。后来，一些样品被当作珍品带回欧洲。大约在
1770
年前后，普里斯特利（在发现氧之前不久）发现，这种弹性物质能够
擦掉铅笔的痕迹，于是给它起了个不起眼的名字—
—擦子
（rubber）。这至今仍是这种物质的英文名字。英国人称它为印度
擦子，因为这种物质来自“印度”（哥伦布发现新大陆时误以为那就
是印度）。这种物质就是橡胶。
后来，人们又发现了橡胶的其他一些用途。
1823年，有个名
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叫麦金托什的苏格兰人在两层布中间夹一层橡胶，然后做成长袍，
以供雨天使用。他的这种防雨衣获得了专利，至今人们有时仍将
雨衣叫做麦金托什。
然而，这样使用橡胶有一个问题，就是它在热天会变得像胶一
样黏，而在冷天则又变得像生皮革一样硬。许多人试图发明对橡
胶进行加工处理的方法，以消除它的这些令人讨厌的特性。其中
有一位名叫古德伊尔的美国人，虽然他对化学一无所知，但他却坚
持研究，一次次试验又一次次失败，仍坚持不懈。
1839年的一天，
他不小心将橡胶和硫磺的混合物撤落在火热的炉子上。他赶忙将
这些混合物从炉子上刮下来，结果他惊奇地发现，加过热的橡胶和
硫磺的混合物尽管还是热的，但却很干燥。他将这些混合物再加
热和冷却，结果发现，它既不因加热而变黏，也不会遇冷而变硬，始
终保持柔软而富有弹性。
现在，在橡胶中加入硫磺的过程叫做硫化（依照罗马火神伍尔
卡努斯的名字取名）。说来令人慨叹，虽然古德伊尔的发现价值连
城，但他本人却从未得到过任何报偿。他毕生为取得专利权而斗
争，到死时仍负债累累。
对橡胶分子结构的认识要追溯到
1879年，那一年，法国化学
家布沙尔达将橡胶在与空气隔绝的条件下加热，结果得到一种叫
做异戊二烯的液体。异戊二烯的分子由
5个碳原子和
8个氢原子
组成，排列方式如下：
CH3
CH2 CCH CH2
另一种植物汁液（胶乳）产自东南亚的一些树木，它能产生一
种叫做固塔坡胶的物质。这种物质缺乏橡胶那样的弹性，但在与
空气隔绝的条件下加热时，也生成异戊二烯。
第十一章 分 子
第十一章 分 子
不论是橡胶还是固塔坡胶，都是由几千个异戊二烯单元构成
的。正如淀粉和纤维素的差别那样，橡胶与固塔坡胶的差别也是
键合图式的不同。在橡胶中，异戊二烯单元按…… uuuuu……图式
连成蜷曲的长链。这种长链在受拉时会伸直，因而橡胶富有伸缩
性。在固塔坡胶中，异戊二烯单元按…… ununununun……图式连
成长链，这种长链一开始就比较直，因此，它的伸缩性要小得多（图
11…3）。
图 11…3由几千个异戊二烯单元构成的固塔坡胶分子的一个部分。
左边的前 5个碳原子（黑色球）与和它们结合的 8个氢原子构成了 1个异戊二烯
单元
简单的糖分子如葡萄糖是单糖（希腊语，意为“一个糖”）；蔗糖
和乳糖是双糖（“两个糖”）；而淀粉和纤维素则是多糖（“许多糖”）。
由于两个异戊二烯分子连接形成一种有名的化合物——萜烯（来
自松节油），所以橡胶和固塔坡胶也叫做聚萜烯。
早在 1830年，贝采利乌斯（化学名称和符号的大发明家）就给
这类化合物取了统一的名称。他将基本单元称为单体（“一份”），
而将大分子称为聚合物（“许多份”）。由许多单元（比如 100个以
上）组成的聚合物称为高聚物。淀粉、纤维素、橡胶和固塔坡胶都
是高聚物的例子。
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聚合物并不是地道的化合物，而是由大小不一的分子组成的
复杂的混合物。测定平均分子量的方法有多种，其中一种方法就
是测量黏度（在给定压力下流体流动的难易程度）。分子越大，拉
伸就越长，对液体内磨擦起的作用就越大，因而，就使这种液体流
动起来更像糖蜜，而不是像水。这种方法是德国化学家施陶丁格
于
1930年研究出来的，是他在聚合物研究方面所取得的成就的一
个部分。由于他在认识这些巨型分子方面所做出的贡献，他获得
了
1953年的诺贝尔化学奖。
1913年，两位日本化学家发现，天然纤维，如纤维素的纤维，
能像晶体那样使
X射线发生衍射。从一般意义上讲，这些纤维并
不是晶体，但却显示出微晶质特征，也就是说，构成纤维分子的单
元所连成的长链，往往是一束束地、距离不等地平行排列。在这些
平行链束中，原子像在晶体中那样，按顺序重复排列。当
X射线
投射到纤维的这些断面时，就发生了衍射。
于是，聚合物就被分为两大类：晶型和非晶型聚合物。
在像纤维素这样的晶型聚合物中，由于彼此平行的相邻的长
链是以化学键连接在一起的，结果单链的强度得到增强，从而使纤
维素具有相当大的抗拉强度。淀粉也是晶型聚合物，但结晶状况
远不如纤维素，因此，缺乏纤维素的强度，也缺乏成形纤维的能力。
橡胶是一种非晶型聚合物。由于各单链并不平行排列，因而
不存在交联现象。如果受热，各长链既能彼此独立地振动，又能在
其他长链之间自由滑动。因此，随着温度的升高，橡胶或橡胶类聚
合物会变得又软又黏，以至最终熔化。（拉伸会使橡胶的长链伸
直，从而引进某些微晶质特征。因此，拉长了的橡胶具有相当大的
抗拉强度。）至于纤维素和淀粉，由于其中的各个分子在这里或那
里以化学键相连，因此它们不能像橡胶分子那样独立地振动，所以
在受热时不会变软。在温度升高到足以使分子产生振动并将分子
第十一章 分 子
第十一章 分 子
彼此振开之前，它们一直保持僵硬状态，直至烧焦和冒烟。
当温度低于使之变黏的温度时，非晶型聚合物往往是柔软而
富有弹性的。然而，在更低的温度下，这些聚合物就会变得像皮革
一样硬，甚至像玻璃那样脆。生橡胶仅在相当窄的温度范围内才
是干燥和富有弹性的。加入
5％～8％的硫磺，会在链与链之间形
成柔韧的硫键，这些硫键能降低各长链的独立性，从而防止了橡胶
在中等温度下变黏。在不太低的温度下，硫键还能增加各链之间
的自由活动范围，因此橡胶不会变硬。如果加进更多的硫，比如
30％～50％，就会使链与链之间键合得很紧密，致使橡胶变硬。这
样的橡胶称为硬橡胶。
（如果温度足够低的话，即使是硫化橡胶也会变得像玻璃那样
脆。一个普通的橡胶球，若是在液态空气中浸泡片刻之后再掷向
墙壁，也会碰得粉碎。这是在上化学课时最爱演示的实验之一。）
在一定的温度下，各种非晶型聚合物表现出不同的物理性质。
在室温条件下，天然橡胶具有弹性，各种树脂是硬而脆，而糖胶树
胶（产自南美洲的人心果树，是口香糖的主要成分）则软而黏。
纤维素和炸药
除了我们的食物——它们主要由高聚物所构成——之外，人
类使用最久的一种聚合物恐怕就是纤维素了。纤维素是木头的主
要成分，作为燃料和建筑材料，它们一向是必不可少的。纤维素还
用来造纸。以纯纤维素形式存在的纤维素棉花和亚麻，一直是人
类最重要的纺织原料。因此，
19世纪中叶的化学家们自然要转向
纤维素，用它作为制造其他巨型分子的原料。
改造纤维素的方法之一是将硝酸根（1个氮原子和
3个氧原
子）与葡萄糖中的氢氧根（羟基）连接。这样做了之后，再用硝酸和
硫酸的混合物来处理纤维素，于是就制造出了一种在当时来说是
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无与伦比的烈性炸药。这种炸药是德国出生的瑞士化学家舍恩拜
因（他曾于
1839年发现臭氧）于
1846年偶然发现的。据说，有一
天，他在厨房里（他被禁止在那里做实验，但他常趁妻子不在家时
在那里做实验）弄洒了一种酸的混合物，他赶忙抓起他妻子的棉布
围裙去擦污迹，当他将围裙挂在火炉上方烘烤时，围裙便“扑”地一
声着了起来，烧得一点不剩。
舍恩拜因立即意识到了这种化合物的潜力，这可从他给这种
化合物起的名字——火药棉——上看出来。（这种化合物还叫做
硝化纤维素。）舍恩拜因向好几个国家的政府兜售他的这个秘方。
普通火药在点然时会产生浓烟，熏黑炮手，弄脏大炮，因而发射几
次后就需要清扫一次。另外，在发射第一排炮弹之后，阵地上便升
起滚滚浓烟，致使战斗不得不在盲目的估计下进行。因此，各国的
军事部门都争相采用这种威力更大而又无黑烟的炸药。于是，制
造火药棉的工厂雨后春笋般地建立了起来。然而，这些工厂几乎
就像它们兴建时的速度那样，很快就被炸掉了。火药棉太容易爆
炸了，往往等不到大炮发射。到了
19世纪
60年代初期，的
“走火”
火药棉的隆隆声终于沉寂下来，不论是从数字还是从文字上看，情
况都确实如此。
然而，后来找到了一些方法，能够清除掉使火药棉走火的少量
杂质。这样，火药棉的制造和使用就变得足够安全了。1889年，
英国化学家迪尤尔（他以使气体液化而闻名于世）和他的合作者阿
贝耳引进了一项技术，即将火药棉与硝化甘油混合，然后再在这种
混合物中加入凡士林，最后将其压制成线状（这种混合物就叫做无
烟线状火药）。这种火药棉最后终于成为一种有用的无烟火药。
1898年西班牙与美国之间的那场战争就是用普通火药来打仗的
最后一场战争。
［机器时代也为令人战栗的射击技术尽了一份力量。19世纪
第十一章 分 子
第十一章 分 子
60年代，美国发明家加特林制造出了第一支能够迅速连发子弹的
连发枪；19世纪
80年代，美国另一位发明家马克沁对这种枪进行
了改进。加特林连发枪俗称左轮。这种枪和它的改进型马克沁机
枪使得
19世纪晚期的厚颜无耻的帝国主义者对于非洲和亚洲的
那些“劣等种族”（吉卜林
①的带有侮辱性的话）具有空前的优势。
正如当时流行的一句歪诗所说，“不管发生什么情况，我们有马克
沁机枪，而他们都没有。”］
这方面的“进步”在
20世纪仍在继续。第一次世界大战期间，
最重要的炸药是三硝基甲苯，即人们所熟悉的缩写
TNT。第二
次世界大战期间，威力更大的旋风炸药（三次甲基三硝基胺）投
入使用。这两种炸药都含有硝基，而不含硝酸根。不过，对于战争
贩子来说，任何化学炸药都比不上
1945年的原子弹（见第十章）。
顺便提一下，硝化甘油与火药棉是在同一年发现的。那一年，
一位名字叫索伯雷罗的意大利化学家用硝酸和硫酸的混合物来处
理甘油，当他意识到发�
![基地 作者:[美] 艾萨克·阿西莫夫封面](http://www.beike3.com/cover/noimg.jpg)