當(dāng)分子變大以后

組成物質(zhì)的微粒，原子、分子都很小，一個(gè)水分子的重量只有3×10^－23克，物質(zhì)分子的質(zhì)量實(shí)在太小，使用起來也不方便，現(xiàn)在用相對分子質(zhì)量來表示，則簡單多了。水的相對分子質(zhì)量為18，氧氣的相對分子質(zhì)量為32，蔗糖的相對分子質(zhì)量為342，等等。

一般的有機(jī)物相對分子質(zhì)量大約在幾十到幾百之間。但是，在物質(zhì)世界中還有一大類有機(jī)物。它們的相對分子質(zhì)量很大，大到成千、上萬、幾十萬甚至幾百萬。當(dāng)分子變大之后，奇跡發(fā)生了，這些大分子可以像鋼鐵一樣堅(jiān)硬，像玻璃一樣透明，像陶瓷一樣耐腐蝕?，F(xiàn)在人們稱這些大分子為高分子化合物。20世紀(jì)20年代，德國化學(xué)家施陶丁格（Hermaann Staudinger，1881—1965年）首先提出這一概念。半個(gè)多世紀(jì)以后，人類進(jìn)入了高分子時(shí)代?，F(xiàn)代生活中高分子無處不在，塑料、纖維都是高分子，衣食住行離不開它們，甚至人類自己的身體中也有不少高分子在發(fā)揮著重要作用。組成人體的重要物質(zhì)蛋白質(zhì)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對分子質(zhì)量為5萬至15萬，的確良的相對分子質(zhì)量為1．8萬至2．3萬，丁苯橡膠的相對分子質(zhì)量為15萬至20萬。這些物質(zhì)都是人們從簡單原料中制造出來的，自然界原來并沒有。但有些天然物質(zhì)相對分子質(zhì)量也很大，如纖維素相對分子質(zhì)量是50萬至100萬，天然橡膠是20萬至40萬。為什么相對分子質(zhì)量變大以后其性質(zhì)會有這樣大的變化呢？一個(gè)重要的原因就是在高分子與高分子之間有了很大的相互作用力。例如，乙烯是一種重要的化學(xué)原料，是無色氣體，相對分子質(zhì)量32。當(dāng)由幾千個(gè)乙烯分子結(jié)合成聚乙烯大分子時(shí)，聚乙烯大分子的相對分子質(zhì)量就可達(dá)到幾萬，聚乙烯也變成了固體。乙烯分子由碳原子和氫原子結(jié)合而成，這種結(jié)合力相當(dāng)大，所以乙烯分子本身不易被破壞。但乙烯分子與乙烯分子間的結(jié)合力要小得多（大約是原子間結(jié)合力的1%～10%），所以乙烯分子可以自由運(yùn)動(dòng)，室溫下為氣態(tài)。幾千個(gè)乙烯分子結(jié)合成聚乙烯，大分子與大分子作用力就會增大很多。把大分子聚集在一起，不讓它們散開，聚乙烯也就有了一定的“強(qiáng)度”，變成了固體了。

舍拜恩夫人的布圍裙

其實(shí)，人類很早就開始利用天然的高分子化合物了。人類進(jìn)入文明社會以后，服裝成為生活必需品，用來制作服裝的材料是一些天然纖維，如來自植物的棉、麻和來自動(dòng)物的絲、毛，其中纖維素是用量最大的。纖維素是構(gòu)成一切植物細(xì)胞壁的物質(zhì)，樹木、野草、棉花、亞麻都含有纖維素。木材中纖維素含量約占總質(zhì)量的40%～50%（除去水分后）。亞麻的纖維素約占80%～90%，棉花的纖維素占88%～90%。它們都很結(jié)實(shí)、堅(jiān)韌，不溶于水，可以作為建筑材料和編織材料使用。我們?nèi)祟惖氖澄镏幸灿欣w維素，特別是蔬菜水果中。但是，人們食用纖維素之后并不能消化它。牛、羊和駱駝等反芻動(dòng)物，可以消化纖維素。雖然食物中的纖維素不能給人類提供營養(yǎng)，卻是對人體健康有益的，例如可以防止便秘和某些疾病的發(fā)生。

1846年，一件有歷史意義的布圍裙開創(chuàng)了纖維素利用的新天地。一天，瑞士巴塞爾大學(xué)的化學(xué)教授克里斯蒂安·舍拜恩（1799—1868年）在自己的廚房里做試驗(yàn)。在那個(gè)時(shí)代，不少化學(xué)家都在家里建有實(shí)驗(yàn)室。他所用的藥品有濃硝酸和濃硫酸，這都是腐蝕性很強(qiáng)的酸。試驗(yàn)過程中，他不小心打破了裝有這兩種藥品的燒瓶，藥品灑了滿地，這將使地板爛掉，慌亂之中，舍拜恩找不到拖把，就拿起妻子做飯時(shí)用的棉布圍裙當(dāng)抹布，趕緊把地擦干凈。然后他把圍裙洗干凈，掛在火爐旁烘干，忽然屋子里出現(xiàn)一道閃光，圍裙著起火來，接著就消失了。舍拜恩是位勤于思考的化學(xué)家，這場偶然事故自然引起他的注意。因?yàn)橐话愕拿薏紘乖诤娓蓵r(shí)是不會著火的，而夫人的圍裙被用做抹布擦了濃硝酸和濃硫酸，變得這樣容易燃燒，很可能是這兩種藥品和抹布發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。一種新的易燃物質(zhì)生成了。

舍拜恩并沒有想錯(cuò)，盡管這一變化具體過程是在多年之后才搞清楚，但確實(shí)是有一種新物質(zhì)在這個(gè)過程中產(chǎn)生了?，F(xiàn)在人們知道，當(dāng)把棉花和濃硝酸、濃硫酸放在一起時(shí)，棉花中的纖維素會與濃硝酸發(fā)生反應(yīng)，生成硝酸纖維素，濃硫酸的作用簡單說來是加速這一過程。硝酸纖維素是一種新物質(zhì)，與纖維素和硝酸都不一樣，自然也就有它自己的新性質(zhì)。硝酸雖然有腐蝕性，但不可燃。纖維素雖然可燃，但燃燒得慢。而硝酸纖維素，則極易燃燒，甚至爆炸，于是人們稱它火棉。黑火藥是14世紀(jì)時(shí)由中國傳到歐洲的。那時(shí)候，黑火藥威力很大，用途很多，但是黑火藥也有缺點(diǎn)，那就是產(chǎn)生的黑煙太多，而火棉則煙很少，而且威力也大，比黑火藥大3倍。

作為化學(xué)家，舍拜恩把纖維素這種天然高分子變成了自然界中從未產(chǎn)生過的高分子物質(zhì)——硝酸纖維素。硝酸纖維素在化學(xué)上是一種酯類，變化來自于硝酸中的硝基代替了纖維素中羥基上的氫。舍拜恩又是一個(gè)很有經(jīng)濟(jì)頭腦的人，他在法國和德國的化學(xué)雜志上公布了他的發(fā)明，卻未公布生產(chǎn)火棉炸藥的方法。他申請了專利，并把專利賣給了奧地利政府和英國的約翰·泰勒。法、德、俄等國都有人研究過了制造火棉的方法，并投入生產(chǎn)。不幸的是1847年7月開設(shè)在倫敦附近的泰勒火棉廠發(fā)生了爆炸，炸死兩個(gè)工人，工廠也被炸毀。

到1862年俄、德、法、奧等國的火棉廠，由于同樣的爆炸事故相繼停止了火棉的生產(chǎn)。

乒乓球是用什么做的

火棉的工業(yè)生產(chǎn)雖然暫時(shí)停止了，但人們對于硝酸纖維素的研究并未停止。這主要有兩方面原因：一是人們有制造各種各樣物品的需求；另一個(gè)則是纖維素在自然界有豐富的資源。木材、竹子、蘆葦、棉籽絨、甘蔗渣等，這些不能直接用于紡織的原料太多，它們能利用嗎？

1846年，法國人路易·梅納爾發(fā)現(xiàn)，硝酸纖維素可以溶在乙醚或酒精中，得到透明的溶液，稱為“克羅丁”?？肆_丁在空氣中立即成為無色、透明、堅(jiān)硬的膜，這種新物質(zhì)叫膠棉。梅納爾喜愛藝術(shù)，他想把這一發(fā)明用于油畫，也許會使油畫的光潔度變好。結(jié)果失敗了，油畫色彩變得更模糊。后來克羅丁被用在醫(yī)學(xué)上，涂在傷口上，會形成堅(jiān)韌、不透水薄膜，起到保持傷口衛(wèi)生，避免感染的作用。有些裝藥品或液體的瓶口，在瓶蓋上也有一層硬膜，那就是克羅丁形成的。

后來，美國印刷工人約翰·韋斯利·海厄特為膠棉找到了更為廣泛的應(yīng)用。當(dāng)時(shí)許多物品，包括臺球都是用象牙制造的，象牙的短缺使一個(gè)臺球制造廠竟然懸賞1萬美元，尋求象牙的代用品。海厄特把樟腦溶在酒精里，再與硝酸纖維素混合，可以得到一種角質(zhì)物質(zhì)，起名為賽璐路。賽璐路遇熱可以軟化、卷曲，放在模具中，可以鑄成各種形狀的物品，用擠壓的方法也行，但海厄特制造的這種東西用來做臺球卻不太適合。因?yàn)橘愯绰分破繁容^脆，易碎。人們用它制造梳子、眼鏡架、紐扣，甚至耐洗的衣領(lǐng)，其中沿用至今的是乒乓球。賽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對象。炸藥大王諾貝爾在1875年用膠棉和硝化甘油制成了一種威力很大的炸藥。據(jù)傳說他的這一發(fā)明，是有一天晚上他手指受傷用膠棉處理后仍疼痛不止，難以入睡，才想出來的。

人造纖維

纖維素是可以紡紗織布的，人造硝酸纖維素行嗎？法國的伊萊爾德·夏爾多內(nèi)就設(shè)法實(shí)現(xiàn)了這種設(shè)想。

1889年夏爾多內(nèi)在巴黎首次展示了他的成果，他用膠棉抽成細(xì)絲織成布，很柔軟有光澤，能洗滌。但是有一個(gè)致命的缺點(diǎn)就是容易著火，一個(gè)火星就可能使它化為灰燼。顯然，這種絲不可能得到實(shí)際應(yīng)用。誰都知道養(yǎng)蠶繅絲，蠶這種動(dòng)物已經(jīng)在地球上生存了幾千萬年，人們用蠶絲織成華貴的織物也有幾千年。什么時(shí)候人也像蠶一樣能造絲呢？法國化學(xué)家保羅·舒曾貝爾首先發(fā)明了人造絲。1865年，舒曾貝爾把棉纖維和醋酐一起加熱得到一種白色粉末，稱為醋酸纖維素，它可以溶于丙酮，與硝酸纖維素不同的是醋酸纖維素不易燃燒。

醋酸纖維素制成人造絲是從20世紀(jì)初才投入使用的。第一次世界大戰(zhàn)期間還用做飛機(jī)機(jī)翼的涂料。醋酸纖維素也曾大量用做照相膠卷，比原來用硝酸纖維素更柔軟，也更安全。

1892年英國的克羅斯和貝文發(fā)明了粘膠法，把纖維素用燒堿處理得到堿纖維素，然后加入二硫化碳和水，得到一種橙黃色的顆粒物。將這種顆粒物溶解在稀堿液中，得到一種像蜂蜜一樣黏稠的黃色溶液。這種溶液通過有許多細(xì)微小孔的噴絲頭，噴到酸性溶液中就得到連綿不斷的絲條，一種人造纖維，人們稱為粘膠纖維。粘膠纖維比膠棉纖維絲安全，不易燃燒，做出的織物柔軟美觀。粘膠纖維可以紡成薄的府綢、麻紗，也可紡成厚一些的嗶嘰、咔嘰等。

硫化橡膠

橡膠是另一種被人類廣泛應(yīng)用的天然高分子化合物。橡膠最早產(chǎn)于拉丁美洲，是從橡膠樹上分泌出來的。我國南方廣大地區(qū)也生產(chǎn)橡膠。橡膠樹為常綠喬木，樹干皮有乳漿（圖5－1為橡膠工人正在割膠）。

1496年哥倫布航海到達(dá)海地，看到當(dāng)?shù)厝擞幸环N可以彈跳的奇怪的球，他把這種球帶回歐洲，讓歐洲人第一次看見了橡膠。1731年，法國人夏爾·德拉·孔達(dá)米納從秘魯帶回巴西三葉膠，就是亞馬孫河流域橡膠樹的產(chǎn)物。當(dāng)?shù)厝瞬粌H用橡膠制成玩具，還將橡膠樹漿涂在布上，烘干后做成風(fēng)雨衣，還用來做雨靴、瓶子等生活用品。后來，歐洲也陸續(xù)發(fā)展了橡膠制造業(yè)。

圖5－1　橡膠工人正在割膠

橡膠為什么有彈性呢？因?yàn)橄鹉z分子很大，由成千上萬個(gè)原子生成很長的鏈子。分子和原子不斷運(yùn)動(dòng)相互繞曲，糾纏在一起，柔如絲，亂如麻，就像雜亂無章的毛線團(tuán)。受到外力時(shí)會伸長，外力去除后就又恢復(fù)原狀。不過當(dāng)時(shí)的橡膠制品有著共同的缺點(diǎn)，那就是遇熱變軟、變粘，遇冷則易斷裂，這一問題在很大程度上限制了橡膠的應(yīng)用。

1844年，美國發(fā)明家古德伊爾發(fā)明了橡膠硫化技術(shù)，解決了這一難題。當(dāng)時(shí)古德伊爾接受了生產(chǎn)郵袋的任務(wù)，這些郵袋既要防水防熱，還要經(jīng)久耐用。為了解決這個(gè)問題，他在煉制橡膠時(shí)嘗試加入其他物質(zhì)，希望能改善橡膠的質(zhì)量。但是，選用了許多種物質(zhì)都不成功。在一次試驗(yàn)時(shí)，他把硫磺加到加熱的橡膠中，頓時(shí)發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出臭氣，試驗(yàn)被迫停止，實(shí)驗(yàn)品被扔進(jìn)垃圾箱。后來在清掃現(xiàn)場時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一塊廢棄物，這塊東西受熱時(shí)不發(fā)粘，拉長或扭曲時(shí)有彈性，降低溫度仍很柔軟。他高興極了，這不正是他要尋求的材料嗎！他再一次重復(fù)試驗(yàn)，他將生橡膠和硫磺混合，在高溫爐上加熱，得到既耐冷又耐熱，還有韌性的材料。經(jīng)進(jìn)一步研究改進(jìn)之后，形成了橡膠硫化技術(shù)。1844年，古德伊爾的技術(shù)獲得專利權(quán)。

為了研究橡膠加工技術(shù)，古德伊爾付出了大量的心血，經(jīng)歷了很多次失敗，并欠下了高達(dá)20萬美元的債務(wù)。但是橡膠硫化技術(shù)卻促進(jìn)了橡膠工業(yè)的發(fā)展，為人類創(chuàng)造出巨大財(cái)富。例如用橡膠制造的充氣輪胎，從1845年開始就有人發(fā)明了氣胎，后經(jīng)改進(jìn)，大量應(yīng)用于汽車工業(yè)。

曾經(jīng)有人風(fēng)趣地形容古德伊爾說：“如果在路上碰到一個(gè)從帽子、背心、褲子到鞋子全是橡膠制品的人，但他卻帶著一個(gè)一無所有的橡膠錢包，這個(gè)人一定就是古德伊爾”。

從空氣、水、煤開始合成

以上所說的人造纖維素、硫化橡膠，盡管經(jīng)過人的加工、改造，但其原料仍然是天然的高分子物質(zhì)。能不能從空氣、水、煤這些自然界中大量存在的物質(zhì)制造出自然界中沒有的大分子呢？

第一個(gè)這種大分子今天被稱為酚醛塑料，是20世紀(jì)初出現(xiàn)的，這個(gè)偉大的發(fā)明應(yīng)歸功于利奧·貝克蘭（1863—1944年）。這位化學(xué)家曾因發(fā)明了印相紙從柯達(dá)公司得到100萬美元，用以支持自己的研究。開始貝克蘭試圖尋找一種蟲膠的代用品，當(dāng)時(shí)蟲膠被廣泛用于涂料和其他制品，來源是東南亞的紫膠蟲。但是，15萬只紫膠蟲半年才能分泌出450克淡黃色樹膠，而美國每年需要幾十萬千克。他在動(dòng)手之前，先查閱了許多文獻(xiàn)，看別人做過什么。他發(fā)現(xiàn)著名的法國化學(xué)家馮·貝耶爾曾用消毒劑石炭酸（苯酚）、防腐劑（甲醛），混合得到樹脂狀物質(zhì)，加熱時(shí)起泡，發(fā)出臭味，冷卻時(shí)凝固成堅(jiān)硬、多孔的無色固體，不能溶于水，也不能溶于酸，這種物質(zhì)的產(chǎn)生會黏附在容器上，造成堵塞，又刷洗不掉，非常讓人討厭。貝克蘭不討厭它，反而想方設(shè)法地利用它，他為此專門設(shè)計(jì)了新的反應(yīng)器，嘗試不同的反應(yīng)條件，終于得到一種琥珀色的液體。這種液體倒入模具，可以鑄成各種形狀的制品，堅(jiān)硬透明。

塑料是一類可塑性材料，就像陶土、石膏一樣，可以塑制成各種所需要的形狀。貝克蘭得到的樹脂就是塑料的主要成分。有時(shí)還在應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要加入一些添加劑，現(xiàn)在已有幾十種塑料。有些塑料可以多次反復(fù)加熱，仍然有可塑性，叫做熱塑性塑料。另一些塑料隨著加熱會發(fā)生化學(xué)變化，形狀固定之后，即使再加熱也不能再軟化，稱為熱固性塑料。貝克蘭得到的酚醛樹脂，加入木粉和其他添加劑可以塑制成各種電器零件，如插頭、插座、配電盤、燈頭等。它質(zhì)輕，耐腐蝕性、絕緣性好，還可以有許多其他用途。酚醛樹脂的原料苯酚和甲醛，可以用煤、空氣、水為基本原料，大量制造。貝克蘭開始了一場革命——人工合成高分子的革命。

第一種投入使用的合成纖維是尼龍。1930年，在杜邦公司工作的卡羅瑟斯（1896—1937年）和他的同事們在研究時(shí)曾做出一種黏稠的液體。當(dāng)把玻璃棒從這種液體中取出來時(shí)，玻璃棒上的液體拉成了很多根長絲。這些絲拉不斷，冷卻后凝成固體，有韌性，有光澤。他們報(bào)告說：“單從合成材料獲得有用的纖維已經(jīng)成為可能”。但是，這有歷史意義的第一根絲并不實(shí)用，因?yàn)閺?qiáng)度不夠、熔點(diǎn)也低。4年以后，卡羅瑟斯從注射器里擠出一根絲，商品名是尼龍。它是由己二酸和己二胺兩種原料制造的，學(xué)名叫聚酰胺纖維。1940年，用尼龍做成的長襪上市。姑娘們排隊(duì)競相購買，僅用三四天就將第一批400萬雙售光。這一年杜邦公司一共生產(chǎn)了6400萬雙。第二年就用于軍事生產(chǎn)降落傘。牙刷、外科縫針、漁網(wǎng)、地毯、輪胎簾子線、安全帶都可以用尼龍制作。尼龍比天然纖維有很多優(yōu)點(diǎn)。它的強(qiáng)度比棉花高2～3倍，比羊毛高4～5倍，耐磨性更好，比重輕，熔點(diǎn)高，彈性好，耐腐蝕，價(jià)格便宜更是突出優(yōu)勢。杜邦公司在10年時(shí)間內(nèi)開發(fā)這一產(chǎn)品，耗資2700萬美元，而現(xiàn)在他們的尼龍產(chǎn)品的銷售額就有幾億美元。

古德伊爾發(fā)明了橡膠硫化技術(shù)，橡膠的應(yīng)用越來越普遍，需求量也越來越大。但是，天然橡膠只能來源于生長在熱帶的橡膠樹，資源有限，供不應(yīng)求的矛盾日益突出，特別是軍事方面的需求。沒有橡膠，卡車、坦克、飛機(jī)都無法開動(dòng)，民用機(jī)械也將無法使用，交通也會受阻，從而合成橡膠成為重要研究課題。美國在珍珠港事件發(fā)生時(shí)，98%的橡膠來自馬來西亞和印度尼西亞，戰(zhàn)爭切斷了這一供應(yīng)。美國只有52萬噸的儲備，不夠和平時(shí)期用1年。美國總統(tǒng)羅斯福下令專門成立橡膠局解決這一問題，當(dāng)時(shí)對形勢的估計(jì)是“如果我們不能保證很快得到大量新的橡膠來源，我們在戰(zhàn)爭方面所做的努力就會付之東流，我們的國內(nèi)經(jīng)濟(jì)就會崩潰”。

其實(shí)，德國人早在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)就曾遇到同樣的問題。他們也早就開始了合成橡膠的研究。1882年，人們就已證實(shí)天然橡膠是異戊二烯的聚合物。1931年，美國化學(xué)家卡羅瑟斯用乙炔為原料，合成出氯丁橡膠。這種橡膠耐油、耐水、耐酸、耐光等性能比天然橡膠好，用途也超過了天然橡膠，可以做橡膠管、油箱襯里等，其缺點(diǎn)是價(jià)格高。德國人用從石油中得到的苯乙烯和丁二烯制造成了丁苯橡膠，價(jià)格低，可以代替天然橡膠做汽車輪胎。據(jù)報(bào)道，1943年德國人每年可生產(chǎn)人造橡膠9萬噸，相當(dāng)于1600萬平方千米的橡膠園中4000萬棵橡膠樹1年的產(chǎn)量。到20世紀(jì)50年代，和天然橡膠完全一樣，以異戊二烯為單體的人造橡膠投入市場。

人們以水、空氣、煤為原料合成出塑料、橡膠、纖維以后，又發(fā)明了以石油和天然氣為原料的方法，并且大有后來者居上的勢頭。人工合成與利用天然物相比，首先是極大地節(jié)約了資源。有人做過統(tǒng)計(jì)，從1千噸煤，煉焦得到的副產(chǎn)物煤焦油中分離出的苯，可以制得尼龍絲1．6噸，可以織8萬雙尼龍襪；從1千噸石油加工，得到的乙烯和丙烯，可以制15噸合成纖維，織布20萬米。一個(gè)年產(chǎn)量1萬噸的合成纖維工廠生產(chǎn)的纖維相當(dāng)于50萬畝（3．3公頃）棉田提供的纖維。