阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第6部分
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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，当他意识到发现了什么的时候，险些被随之而来的爆炸要
了命。索伯雷罗没有舍恩拜因那种由发明而产生的冲动，他觉得
硝化甘油过分危险，不好对付，于是就将这一发现搁置起来，未予
公布。此后不到
10年，一个姓诺贝尔的瑞典家族开始以“爆炸油”
的名称生产这种产品，并把它用于采砂和建筑工程。经历了一连
串事故（其中一次还夺去了这个家族的一个成员的性命）之后，死
者的兄弟
A。 诺贝尔发现了一种方法，即在硝化甘油中掺入一种
叫做硅藻土（主要由一种叫做硅藻的单细胞生物的遗骸构成）的吸
附剂。这种混合物由
3份硝化甘油和
1份硅藻土组成，由于后者
具有吸附能力，这种混合物实际上是干燥的粉末。一筒掺有硝化
甘油的硅藻土（达那炸药）即使受到磕碰、锤击乃至火烧也不会爆
① R。吉卜林（
1865一
1936），英国小说家，
1907年诺贝尔文学奖获得者。
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炸。但是，如果引发雷管（在远处用电流）使达那炸药爆炸，那么，
这就会显示出与纯硝化甘油完全相同的爆破力。
雷管装有极易爆炸的炸药，在受热或受到机械撞击时就会爆
炸，因此称之为起爆管。雷管爆炸所产生的强烈振动能引起不易
爆炸的达那炸药爆炸。这样看来，危险似乎只不过是从硝化甘油
转移到了起爆管。不过，事情并不像听起来那么糟糕，因为起爆管
用量很少，而且最常用的起爆药是雷酸汞（HgC2N2O2）和叠氮化铅
（PbN6）。
一筒筒的达那炸药终于能够使美国西部地区以空前的速度铺
设铁路、修建公路、开发矿山和修筑堤坝。诺贝尔（他发觉，同他的
人道主义愿望相反，他被看成是“贩卖死亡的商人”）所发明的达那
炸药和其他炸药使他成为一个离群索居、不受欢迎的百万富翁。
他在
1896年逝世时留下一笔基金，以其利息作为著名的诺贝尔奖
的奖金。这种奖分物理、化学、医学与生理学、文学及和平事业五
个领域，每年颁发一次。获奖者除赢得崇高荣誉以外，还被授予约
4万美元的奖金（自设奖以来这个金额一直在不断增加）。第一次
颁奖是
1901年
12月
10日，即诺贝尔逝世
5周年纪念日。现在，
诺贝尔奖已成为一个科学家所能获得的最高荣誉。
考虑到人类社会的性质，一些大科学家们仍将花费相当大的
精力来继续研究炸药。由于几乎所有炸药都含氮，因此氮元素及
其化合物的物质组成及化学性质对于炸药研究是至关重要的。
（必须承认，对于生命也极为重要。）
对化学理论而不是对炸药感兴趣的德国化学家奥斯特瓦尔德
研究了化学反应的速度。他将与物理学有关的数学原理应用于化
学，从而成为物理化学的奠基人之一。在上世纪末与本世纪初，他
研究出一种将氨（NH3）转变为氧化氮（
NO）的方法，后者可以用来
制造炸药。由于奥斯特瓦尔德在化学理论特别是在催化剂方面的
第十一章 分 子
第十一章 分 子
研究成果，他获得了
1909年的诺贝尔化学奖。
在
20世纪的头几十年，可供利用的氮主要来自智利北部地区
沙漠中的硝石矿。在第一次世界大战期间，由于英国海军的封锁，
德国无法得到这些矿区的硝石。然而，德国化学家哈伯研究出了
一种方法，能够使空气中的分子氮在高压下与氢结合，形成奥斯特
瓦尔德法所需要的氮。稍后，德国化学家博施——他在第一次世
界大战期间曾负责监造氮制造厂——对哈伯法进行了改进。哈伯
获得了
1918年的诺贝尔化学奖，而博施则与别人分享了
1931年
的诺贝尔化学奖。到了
20世纪
60年代末，仅美国每年用哈伯法
生产的氨就有
1 200万吨之多。
塑料和赛璐珞
现在让我们重新回到改造纤维素的问题上来。显然，正是由
于添加了硝酸根才使纤维素具有爆炸性。在火药棉中，所有可供
取代的羟基都被硝化了。如果只有部分羟基被硝化，那情况又会
怎样呢？它们的爆炸性是否会小一些？事实上，这种部分硝化纤
维素证明根本没有爆炸性。不过，这种物质的确很容易燃烧；后
来，这种物质被命名为焦木素（源于希腊语，意为“柴火”）。
正如法国学者梅纳尔和美国医科大学学生梅纳德（他俩的姓
氏十分相似）所分别独立发现的那样，焦木素能溶解于乙醇和乙醚
的混合物。当乙醇和乙醚蒸发之后，剩下来的焦木棉是一种坚韧
的透明薄膜，叫做胶棉。胶棉最初被用来包扎轻微的刀伤或擦伤，
所以将它叫做新皮。然而，胶棉的奇迹只不过刚刚开始，更多的奇
迹还在后面。
大块的胶棉本身很脆。不过英国化学家帕克斯发现，如果将
它溶解于乙醇和乙醚的混合物中，然后再与像樟脑这样的一种物
质混合，当溶剂蒸发之后，剩下的坚硬的固体物质受热后会变得柔
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软而富有韧性。这样，它就可以模塑成所需要的各种形状，而且在
冷却和变硬之后仍保持原状。于是，就在
1865年这一年，硝化纤
维素就转变成首批人造塑料。而使原来很脆的物质具有可塑性的
樟脑就成了第一种增塑剂。
使塑料从化学珍品一跃而成为公众所关注的对象，是塑料被
引进到台球室这一戏剧性的事件。以前，台球是用象牙做的，而象
牙只能从死了的大�
