阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第7部分
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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
牙只能从死了的大象身上得到，这自然就产生了问题。
19世纪
60
年代初，有人出
10 000美元奖金来征求象牙的最好代用品，这种
代用品必须满足对台球的种种要求，如硬度、弹性、抗热、防潮和没
有纹理等。许多人跃跃欲试，美国发明家海厄特便是其中之一。
开始他的工作毫无进展，直到后来他听说帕克斯有一种妙法能使
焦木素变成可塑性物质，然后又变为坚硬的固体，他的工作才有了
转机。海厄特着手改进生产这种物质的方法，即少用价格昂贵的
乙醇和乙醚，而同时提高温度和压力。到了
1869年，海厄特用这
种他称之为赛璐珞的物质制造出了廉价的台球，从而赢得了这笔
奖金。
后来才知道，赛璐珞的用途是多种多样的，远远超出了台球桌
的范围。它能够在水的沸点温度下模塑成形；它可以在较低的温
度下被切割、钻孔或锯开；它可以是坚硬的团块，也可以制成柔软
的薄片（可以用来做衬衫领子、儿童玩具等）。更薄和更韧的薄片
可以用作胶状银化合物的片基，这样它就成了第一种实用的照相
底片。
赛璐珞有一个缺点，即由于它含有硝酸根，所以非常容易着
火，而且燃烧起来异常迅速，特别是做成薄片状时，更是如此。在
过去，赛璐珞是引起一系列火灾的原因。
如果用醋酸根代替硝酸根，则会使纤维素变成另一种叫做醋
酸纤维素的物质。经适当的塑化处理后，这种物质的性能就能与
第十一章 分 子
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赛璐珞一样或几乎一样好，此外，它还有不易着火的优点。醋酸纤
维素在第一次世界大战前夕投入使用，战后，在底片和其他许多物
品的制造方面，完全取代了赛璐珞。
高聚物
赛璐珞问世还不到半个世纪，化学家们便摆脱了必须用赛璐
珞作为塑料的基本原料的束缚。早在
1872年，拜耳（他后来合成
出靛蓝）就发现，当酚和乙醛一起加热时，会得到一种黏稠的树胶
状物质。由于他只对由反应分离出来的小分子感兴趣，结果便忽
略了留在长颈瓶底部的这种渣滓（
19世纪的有机化学家们对于沾
污玻璃器皿的渣滓一般都是这种态度）。37年后，在比利时出生
的美国化学家贝克兰用甲醛进行了实验，发现在一定的条件下，这
种反应会生成一种树脂，而且，如果在压力下继续加热，这种树脂
首先变成柔软的固体，继而又变成坚硬而不可溶解的物质。这种
树脂在柔软时可进行模塑，而且在变硬后，模塑的形状就永久地保
留下来。当树脂变硬后将其研成粉末，装入模子，再通过加热加压
可以使之合为一体。利用这种方法，即使是非常复杂的形状，也可
以既便当又迅速地压制出来。此外，这种产品一般不受周围环境
的影响。
贝克兰用自己的姓氏命名他自己的产品，即命名为贝克兰树
脂（酚醛塑料）。酚醛塑料属于热固性塑料，这种塑料一旦冷却定
形之后，就不能再通过加热使之变软（当然，猛烈加热会使之毁
坏）。另有一些塑料，如纤维素衍生物，则能反复软化，这种塑料称
之为热塑性塑料。酚醛塑料有多种用途，如用作绝缘体、胶黏剂和
层压剂等等。尽管这种塑料是古老的热固性塑料，但至今仍然是
用途最为广泛。
酚醛塑料是在实验室中由小分子制成的第一种有用的高聚
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物。化学家们首次圆满地完成了这项特殊任务。当然，这不是血
红素和奎宁意义上的合成，因为要合成这两种物质，化学家们必须
将排在最后的每一个原子安放在适当的位置，而且几乎是每次只
安放
1个。制造高聚物则仅要求将构成高聚物的小单元在适当的
条件下混合在一起，然后设计一个能够使这些单元自动形成长链
的反应就行了，而无须化学家们加以特殊的照料。然而，化学家们
能够运用各种方法间接地改变长链的性质，如变换原料的成分或
比例，添加少量的酸、碱或各种能够作为催化剂并能控制反应的具
体性质的物质。
由于成功地制成了酚醛塑料，化学家们自然要转向其他可能
的原料，以寻求更多的可以成为有用塑料的合成高聚物。随着时
间的推移，他们获得了许多成功。
例如，英国化学家们在本世纪
30年代发现，在高温高压条件
下，乙烯气体（
CH2=CH2）能够形成很长的链。碳原子之间的双键
中有
1个键打开并与相邻的分子连接。这个过程一次又一次地重
复进行，结果就产生了一种叫做聚乙烯的长链分子。
石蜡分子也是由乙烯单元构成的一种长链，但聚乙烯分子的
链甚至更长。因此，聚乙烯像石蜡，但并不仅仅如此而已。聚乙烯
具有石蜡那样的暗白色，有滑腻感、电绝缘性和防水性，比重较小
（它大概是能够在水上漂浮的惟一的一种塑料）。而且，在最佳状
态下，它比石蜡更坚韧、更柔软。
最初，制造聚乙烯需要具有很大危险性的高压，而且产品的熔
点相当低——仅稍高于水的沸点。在低于这个熔点的温度下，它
就开始变软，成为毫无用处的东西。显然，这是由于碳链具有分
支，从而使分子不能形成密集结晶点阵的缘故。
1953年，一位名
叫齐格勒的德国化学家发现了一种能生产无分支聚乙烯链的方
法，而且这种方法无须使用高压。这种新型聚乙烯比原先的聚乙
第十一章 分 子
第十一章 分 子
在听说齐格勒为聚合物的形成研究出一种金属有机催化剂之
后，意大利化学家纳塔开始将这一技术应用于丙烯（连结有
1个小
的一碳甲基
CH3的乙烯）。他在
10个星期之内就发现了这样的情
况，即在所获得的聚合物中，所有甲基都朝着同一方向，而不是随
意地朝向一方或另一方（在此之前形成的聚合物大都如此）。这种
等规聚合物（纳塔的妻子给起的名字）证明具有优良的性能，而且
现在已能够随意制取了。换句话说，化学家们已经能够比以往任
何时候都更加精确地设计高聚物了。由于齐格勒和纳塔在这一领
域所做出的成就，他们分享了
1963年的诺贝尔化学奖。
原子弹工程提供了另一种有用的高聚物，它是聚乙烯的另一
个新属。为了从天然铀中分离出铀
…235，核物理学家们不得不将
天然铀与氟结合来生成六氟化铀。氟是所有物质中最活泼的元
素，几乎能腐蚀所有物质。在为装氟的容器寻找能不受氟腐蚀的
润滑剂和密封剂的过程中，物理学家们选中了碳氟化合物——碳
已经与氟（取代氢）结合的物质。
直到那时，碳氟化合物仍然是实验室中的珍品。直到
1926
年，人们才获得了纯净的四氟化碳（CF4）——这类分子中的第一
种（也是最简单的一种）分子。目前，化学家们仍在努力研究这些
有意义的物质的化学性质。在已经研究过的碳氟化合物中，其中
之一是
1933年首次合成的四氟乙烯（CF2=CF2），可以看出，它实
际上是
4个氢原子被
4个氟原子所取代的乙烯。这就必然会使人
们想到，四氟乙烯也应像乙烯那样，能形成聚合物。第二次世界大
战之后，杜邦公司的化学家们制造出了一种长链聚合物，正如聚乙
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烯是
CH2CH2CH2……的单调地重复一样，这种聚合物也是
CF2CF2CF2……的单调地重复。这种聚合物的商品名称是特
氟隆。
特氟隆与聚乙烯相似，但并不仅此而已。碳
…氟键比碳…氢键
更牢固，因而也就更不易受环境的影响。特氟隆不溶于任何物质，
不会被任何物质所弄湿，是优良的电绝缘体，其耐热性甚至比新型
的、经过改进的聚乙烯还要好。就家庭主妇而言，特氟隆最为人所
熟知的用途便是用作煎锅的衬里，这样就能使要煎炸的食物不会
过分油腻，因为食物不会粘在不同任何物质亲和的碳氟聚合物上。
还有一种有趣的化合物，它并不是真正的碳氟化合物，而是本
书前面提到的氟里昂（
CF2Cl2）。它是
1932年作为致冷剂所推销
的商品。它比大型制冷装置所使用的氨或二氧化硫要昂贵；但从
另一方面看，氟里昂无臭、无毒、不可燃，因而偶然漏失所造成的危
险是很小的。为了证明氟里昂的无害性，它的发现者米奇利深深
地吸了一口氟里昂，然后在一根点燃的蜡烛上方缓缓吐出，结果蜡
烛熄灭了，而米奇利毫无损害。正是由于采用了氟里昂，室内空调
才成了第二次世界大战以来美国这个地方的一大特色。
玻璃和硅酮
当然，可塑性并不仅仅属于有机界。在所有可塑性物质中，最
为古老的是玻璃。玻璃的大分子实质上是由硅和氧的原子所组成
的长链：…Si…O…Si…O…Si…O…Si…，以此排列，没有穷尽。链中的每一个
硅原子都有两个尚未使用的价键，可以用来连接其他原子团。硅
原子像碳原子一样，具有
4个价键。然而，硅
…硅键不如碳…碳键那
样牢固，因此只能形成短链，而且这些短链（在化合物中称为硅烷）
很不稳定。不过，硅…氧键却很牢固，由此形成的链甚至比由碳
…碳
键形成的链还要稳定。事实上，由于地壳有半数是氧，
1/4是硅，我
第十一章 分 子
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们脚下那坚实的大地实质上可以看作是由硅…氧链组成的。
尽管玻璃的优点和用途不胜枚举，但它有一个很大的缺点，
就是容易破碎。玻璃被打碎时坚硬而锐利的碎片会四处飞散，十
分危险，甚至能致人于死命。如果用未经处理的玻璃做汽车的风
挡，一旦发生撞车事故，玻璃的碎片就会像榴霰弹一样飞向四面
八方。
然而，玻璃也可加工处理，如在两层玻璃中间加一薄层透明的
聚合物（作为一种胶黏剂加固玻璃），于是就产生了安全玻璃。之
所以称为安全玻璃，是因为它即使碎成粉末，碎片也会被聚合物牢
牢地黏住，不会飞散伤人。起初
（这要追溯到
1905年），人们就曾
用火棉胶作黏结剂，但如今大部分都已用由小分子如氯乙烯（氯乙
烯与乙烯类似，所不同的是乙烯分子中的
1个氢原子被氯原子所
取代）所构成的聚合物代替。乙烯基树脂不会因光照而变色，因此
能够确保安全玻璃不致因年深日久而发黄。
有些透明塑料可以安全代替玻璃，至少在某些应用领域是如
此。本世纪
30年代中期，杜邦公司合成了一种叫做甲基丙烯酸甲
脂的小分子，并将所得到的聚合物（聚丙烯酸塑料）压制成光亮、透
明的薄片。这些产品的商品名称叫做普列克斯玻璃和路塞特树
脂。这类有机玻璃比普通玻璃轻，更易模塑成形，也不那么脆；破
碎时，仅仅是破裂而不是粉碎。在第二次世界大战期间，模塑成的
透明塑料薄片得到了重要的应用，那就是作为飞机的窗户和座舱
的罩。在这方面，轻质和韧性具有特殊的价值。当然，聚丙烯酸塑
料也有其缺点：它们能被有机溶剂腐蚀，受热时比玻璃更易软化，
而且容易出现擦痕。例如，当聚丙烯酸塑料用作汽车风挡时，在尘
埃颗粒的撞击下会很快出现擦痕，而且变得模糊不清，而这是非常
危险的。因此，看来玻璃永远不会被完全取代。事实上，现在玻璃
确实已具有许多新的用途。玻璃纤维可以纺成细线，它像有机纤
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维一样柔软，并且有一个可贵的优点——绝对不会着火。
除这些玻璃代用品外，还有一种可称之为“类玻璃”的产品。
我在前面说过，在硅…氧链中，每个硅原子都有两个空闲的键来连
接其他原子。在玻璃中，这些“其他原子”是氧原子，但并不一定非
是氧原子不可。如果所连接的不是氧原子，而是含碳的原子团，那
情况又会怎样呢？这时你会得到一种带有有机分支的无机物链，
也就是说，得到一种介于有机物与无机物之间的中间物。早在
1908年，英国化学家基平就合成了这样的化合物，即大家都知道
的硅酮。
在第二次世界大战期间，各种长链的硅酮树脂大量涌现。这
些硅酮的耐热性要优于纯有机聚合物。通过改变主链的长度和侧
链的性质，可以获得玻璃所不具有的一系列理想的性能。例如，某
些硅酮在室温条件下是流体，其黏度在相当大的温度范围内变化
极小，也就是说，它们既不随温度的升高而变稀，也不随温度的降
低而变稠。对于液压流体——如用于飞机起落架的那种流体——
来说，这是一种特别有用的性能。另一些硅酮可以制成柔软的、与
油灰类似的封泥，这种灰泥在同温层的低温下既不变硬，也不开
裂，而且防水性能良好。还有一些硅酮可作为抗酸润滑剂，等等。
合成纤维
在有机合成的故事中，有关合成纤维的章节具有特殊的趣味。
第一批人造纤维（同第一批塑料一样）是以纤维素为原料制成的。
化学家们自然是从硝化纤维素开始，因为它有足够的数量可以利
用。1884年，法国化学家夏尔多内将硝化纤维素溶解于乙醇和乙
第十一章 分 子
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醚的混合物中，并迫使所得到的黏稠液体通过一些小孔喷出。在
这种液体喷出之后，乙醇和乙醚随之蒸发，于是便剩下胶棉细线似
的硝化纤维素。（这实际上就是蜘蛛织网和春蚕吐丝的那种方式：
它们从身体上的小孔中喷吐出一种粘液，这种黏液遇空气而变成
固态纤维。）这种硝化纤维素纤维太容易着火，不宜使用。不过，通
过适当的化学处理能够去掉硝酸根，结果便得到了一种外观像蚕
丝一样的带有光泽的纤维素细丝。
