国际化学年:他学与衣食住行(四)

来源 :中学生数理化·八年级物理人教版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hellolin
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  今天我跟同学们说说化学与衣食住行的“行”。我们几乎每天少不了上路,许多路面是沥青铺成的。沥青是什么?化学告诉我们,沥青是组成非常复杂多样的混合物。沥青呈黑色,是由于它含单质碳和多种多样的碳氢化合物。沥青黏稠,似液似固,又非液非固,实在是由于它是豆腐、乳酪、琼脂、蜡之类的“凝胶”。
  人类最早认识的沥青是天然产物,现称“天然沥青”。从互联网上可以查到,目前发现最早的、确凿可考的沥青的用途是最匪夷所思的——盖房子。考古发掘得知,印度河流域的达罗毗荼人在公元前4000年左右用沥青建造了一个浴室。公元8世纪,阿拉伯帝国的新都巴格达全部街道都由柏油铺成,这是世界上第一座“柏油马路化”的城市。几千年过去了,人们还在开采着天然沥青。如今加拿大的露天天然沥青矿的总面积竟跟英伦三岛的面积一样大!
  不过,如今铺路的沥青主要来自石油化工加工厂,简称石油沥青。这些年我国的公路里程天文数字般地伸长,其沥青用量每年不下千万吨,其中约2/3是自产的,1/3是进口的。
  早年的铺路沥青有个致命的缺点——经不起高温酷热,一到夏天沥青路面就变软了,那情景,不亲身经历已经难以想象。而今的沥青路早已不再怕高温酷热,不会变软了,这是化学的功绩!原来,化学家们把一些经过化学处理或者人工合成的高分子材料添加到沥青里,才使沥青不再被烈日晒软了,这就是“改性沥青”。改性沥青曾是德国人的专利。可喜的是,近年我国化学家已经发明了自主创新的改性沥青,添入的高分子材料是经过化学家改造的源自木材的木质素,有的改性沥青里添加的是废弃轮胎橡胶。
  橡胶轮胎是“行”之另一要素。每年用于制造轮胎的橡胶高达上百万吨!橡胶有天然和合成之分。天然橡胶主要源自南美洲热带雨林的橡胶树流出的胶汁。3600年前印第安人就用天然橡胶制作皮球了,后来他们还用橡胶制作雨鞋和雨衣。20世纪初,化学家弄清了天然橡胶的主要成分是一种叫做异戊二烯的含5个碳原子的碳氢化合物通过聚合反应得到的高分子,相对分子质量高达10万至100万。随后化学家就模仿天然橡胶合成出不下20种合成橡胶。如今合成橡胶和天然橡胶的产量比约为2:1,但轮胎橡胶主要仍是天然橡胶。
  用于橡胶制品的橡胶必须经过化学加工,其中最重要的步骤是硫化和添加填料,如碳黑或碳酸钙(由于历史原因被称为“白炭黑”)。硫化曾是偶然发现的,后来化学家才懂得,橡胶遇到硫黄,线形的高分子便通过硫原子为桥梁交联成网络状的高分子了,于是弹性、稳定性、强度等性能大大增强。填料不仅改变橡胶的颜色,而且大大改善了橡胶的性能。
  “行”的另一要素是动力。眼下的行车动力来源主要有两类,用电驱动和燃烧石油制品(汽油和柴油)来推动。化学对于人类发展动力有说不尽的故事,可写一本厚书,留给同学们自己慢慢学吧,今天我来谈谈动力的未来。
  人类未来动力最理想的来源应该是将太阳能直接转化为电力,即太阳能发电。化学对此的贡献是寻找并制造发生这种转化的电池——太阳能电池(也有人称它为光伏电池)的材料。目前已知最好的光伏电池材料是单质硅,至于未来会不会有比单质硅更好的太阳能材料还不得而知,需要未来化学家的探索。须知,自然界里可没有单质硅,它是化学家用天然二氧化硅制造的!二氧化硅形态很多,总称硅石,水晶、玛瑙、燧石、石英、脉石都是硅石。化学家把二氧化硅转化为单质硅不是一个简单的历程。
  太阳能电池直接用于车载电池是不划算的,因为它的体积太大。车载电池应该体积小、重量轻。现今体积最小、重量最轻的车载电池是锂离子电池(常被一些人不恰当地简称为锂电池,不恰当是由于后者为另一类电池),总有一天,它会完全取代既笨重又污染环境的铅蓄电池(铅污染最严重的场所是炼铅厂),锂离子电池的制造很不容易,我国到最近才出现锂离子电池的自主产业。
  考虑到电动汽车的续航能力有限,燃料电池仍是车载电池不错的选择。燃料电池不同于锂离子电池,它只是一个发电装置,而发电的原料是车载的燃料。车载燃料最好是氢气。氢气不仅质轻,而且发电效率高。即便在内燃机里直接燃烧氢气推动汽车,也由于燃烧温度低而不会产生氮氧化物污染环境。那么,氢气从哪里来?从地球上储量最多的化合物——水中来!水是氢和氧的化合物。这一点,早在200多年前就被大化学家拉瓦锡发现了。用电流可以将水分解成氢气和氧气。在燃料电池里,氢气和来自空气的氧气分别在两个电极上发生氧化还原反应,产生电力,而产物仍然是水!如若电力的源泉是太阳,人类就做到真正的绿色出行了!这一天不远了,但仍需大批化学家继续为之奋斗,你也许是这些化学家中的一员呢!
  
  责任编辑 侯秀姣
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