书城童书《化学知识篇》(上)

第10章 奇妙的化学物质(5)

火碱还用在炼铝工业上,它把铝土矿里的氧化铝溶解出来,得到纯净的氧化铝,用这种不含杂质的氧化铝来炼铝,才能得到高质量的金属铝。有人统计过,每造一千个普通大小的铝锅,要消耗二十多公斤火碱。

火碱还是制造肥皂的原料,炼钢,化工也都少不了它,所以,火碱是同硫酸一样重要的化工原料。

名不符实的纯碱

发好的面团是酸的,放一点碱可以去掉酸味,蒸出松软香甜的大馒头来;碗筷太油腻时,用热水也洗不干净,如果用点碱水,一下子就把油腻刷干净了。这就是我们日常使用的纯碱,也叫苏打,化学名称叫碳酸钠。

叫它纯碱,是因为它确有碱性,谁上街买它时,都会对售货员说:“要一块碱。”从来没听人说:“请给拿一块碳酸钠!”看来,纯碱是大家用熟了的商品名称,但它却的确不属于碱类,而是一种盐。

碳酸钠是金属钠离子和碳酸根组成的化合物,是一种典型的盐,它在水里会跟水起化学反应,生成碳酸和氢氧化钠。碳酸只有微弱的酸性,而氢氧化钠的碱性特别强,所以,纯碱一到水里就显出很强的碱性。这也许就是把碳酸钠叫做纯碱的原因吧!

人们使用纯碱比使用火碱普遍,这是因为碳酸钠便宜,碱性适中,不烧手,制造也比较容易,原料又充足。那么,纯碱是用什么东西造出来的呢?它是用食盐和石灰石再加上水、空气和煤制造出来的。我国制碱工业不但开始得较早,而且,我国化学家还对制碱工业的发展作出过重要的贡献呢!本世纪初,我国就有了制碱业。那时,用的是德国人的老办法,用这种办法,虽然能得到碳酸钠,但它的副产品氯化钙用处不大。我国化工专家侯德榜经过多年苦心研究,改革了德国人的老办法,创立了“联合制碱法”。这个方法不再使用石灰石,节省了运输能力,降低了生产成本,它的副产品氯化铵又是一种很好的化肥。这个方法早已传遍了世界各地,被国际上称为“侯氏制碱法”。

纯碱是重要的化工原料,玻璃、纺织、造纸、制药、化工等许多轻工业部门都要用到它,因此,全世界每年生产的纯碱比火碱还要多。

纯碱容易潮解变质,所以要注意保存。你大概有过这样的经验:一块碱放在碗里,时间一长,表面就完全变酥了,用手一捻,竟成了粉沫;碱性也不如以前了。

这是由于碳酸钠吸收了空气里的水蒸气和二氧化碳,变成了碳酸氢钠,也就是小苏打了。原来,它已经悄悄地脱胎换骨,变成了新的化合物。怎样保存才能防止它变质呢,只要用塑料布或者蜡纸将它包严实,隔绝空气就可以放心了。

会飞的碘

你一定用过碘酒,碘酒就是碘在酒精里的溶液,它比纯酒精的杀菌能力大得多,所以,大夫在给你打预防针时,常常给你先擦上一点碘酒,这样,皮肤表面就彻底消毒了。在空气中,碘酒里的酒精先挥发,留下一片黄印,这就是碘;然而,早上的黄印到了下午往往就不翼而飞了,这是为什么呢?因为碘是个与众不同的非金属元素,它能直接变成气体跑掉,这种固体物质不经过液态而直接变成气态的现象叫做“升华”。凡是能升华的物质,也会由气体直接凝结成固体。利用碘的这个特性,我们可以提炼出很纯净的碘。

现在,请你看这样一个实验,把不太纯净的粗碘放在一个圆底烧瓶里加热,瓶口套进一支盛着冷水的玻璃试管,试管和瓶口之间有缝,可以剪块硬纸板盖住。

用酒精灯加热烧瓶,不一会儿,试管下方就开始出现紫色的有金属光泽的碘晶体。它们长得象麦芒似的有棱有角,这就是经过升华提纯了的碘,黝黑紫亮,透着精神。

纯碘的蒸气是深蓝色的,不过这有一个条件,只有不混杂空气时才是深蓝的;平时,我们不太可能见到真空中的碘,我们见到的都是跟空气呆在一起的碘,它是紫色的;碘的希腊文原意就是紫色。碘在酒精里是棕黄色的,这是因为溶解它的酒精和它结合成这种颜色的溶液,汽油之类的溶剂与碘之间就没有这种结合,所以碘分散在汽油中时发出紫色的光亮。

碘的用处很大。

在农业上,常用的除草剂和农药中,碘是不可缺少的元素之一,用含有碘化物的饲料,可以提高营养价值。用它喂奶牛,产奶量就会增加;用它喂绵羊,羊毛又密又长;用它喂鸡,可以多生鸡蛋;用它喂猪,可以催肥……

碘也是人体中不可缺少的元素,它能调节人的生长发育和能量供应,在人体中,它集中在一个叫“甲状腺”的部分,碘对人身体的作用是通过甲状腺来实现的;一旦人缺少碘,就会得大脖子病——甲状腺肿。于是,大夫就会给这样的病人吃一些含碘的药;并嘱咐他多吃海带、紫菜、葱头、大葱和海鱼等等,因为这些食物里含丰富的碘。

性格迥异的同胞兄弟

你也许不曾想到,黑黝黝的石墨和亮闪闪的金刚石是同胞兄弟,都是存在于自然界中的纯碳,只是它们的相貌和性格大不相同。

石墨的质地非常软,只要在纸上轻轻一划,就留下灰黑色的痕迹,铅笔芯就是用石墨制造的。金刚石是所有矿物中的硬度“冠军”:玻璃商店的营业员用镶着金刚石的刀来切割玻璃,无不“迎刃而解”;钻探机的钻头上镶着金刚石,这能大大加快它向地下钻进的速度;金刚石刀具有可以用来加工最硬的金属。

石墨和金刚石都是碳家族的成员,为什么它们的硬度相差得如此悬殊呢?

原来,石墨分子中的碳原子是成层排列的,每层原子之间的结合力很小,就像一副叠起来的扑克牌一样,很容易滑动、散开。而金刚石的碳原子却是交错整齐地排列成立体结构,每个碳原子都紧密地与其他4个碳原子直接连接,构成一个牢固的结晶体,因而显得特别坚硬。

天然金刚石产量很少,一般都隐居在地球深处,只有在非常高的温度和巨大的压力之下,地下熔岩里的碳,才有可能经过天然结晶的过程形成贵重的金刚石。由于天然金刚石产量少,价格昂贵,所以,人们通常就利用高温高压来制造人造金刚石。

计算证明:碳在平常压力下的稳定体是石墨,而金刚石必须在2000℃高温和5.065X107百帕(5万个大气压)以上的高压时,才达到稳定状态。近年来,人们已在类似条件下,把石墨变成了金刚石。

点燃霓虹灯——氖气

霓虹灯,也叫氖灯。氖是一种稀有气体,在空气中含量非常少。科学家把氖气从空气中提取出来,再充填到抽去了空气的密闭灯管里去。这时只要在灯管的两端通上电流,氖气在电流作用下就会放射出美丽的红光。

最初的霓虹灯都是用氖气制成的红色霓虹灯。以后人们又发明了各种荧光粉,把荧光粉涂在玻璃管的内壁上,再抽去管内空气,充上氖气,就可以得到粉红色、浅蓝色……的霓虹灯了。

还有一些稀有气体如氮气和氦气,在电流作用下,也能发出有颜色的光。要是把它们单独或混合起来装进灯管,那制成的霓虹灯就更加绚丽多彩啦!

懒惰的气体

氦、氖、氩、氪、氙、氡六种气体,叫做惰性气体。说实在的,它们“懒”得也的确有点出奇,它们很难与别的物质作用,生成真正的化合物。直到近些年来,人们想尽了办法,才制出了氙、氪、氡的氟化物,以后又制得了二氧化氙、三氧化氙等化合物。1972年,甚至还制得了氙与金属的化合物。当然,新的化合物还可能继续被制得,但是无论如何,惰性气体还是以“懒惰”闻名的,因为它们对多数物质仍是不理不睬的。

这究竟是什么缘故呢?要揭开这个谜,就得从原子构造的“内幕”说起。

任何物质都是由原子组成的,原子又是由原子核和围绕着原子核旋转的电子组成的。不同物质的原子,它们拥有的电子数目是各不相同的。比如26号元素铁,它所拥有的电子数目,就等于铁元素的原子序数,它的原子也就拥有26个电子;而79号元素金,它的原子拥有79个电子;而近年来发现的107号元素,就拥有107个电子。

不过这些电子,并不是乱七八糟地堆在一起,而是有条不紊地按一定的规则,一层一层地分布在原子核周围的。而且每一层该有多少个电子最稳定,是有规定的,最外一层该有几个电子才最稳定,也有规定。对于多数原子来说,最外层有8个电子时是稳定结构。氢和氦以2个电子为稳定结构,还有一些其他原子是以别的数目为它们自己的稳定结构。

可是事实上,原子最外层的电子,却常常不恰好是稳定结构,所以只要有机会,它们总是会想出各种巧妙的方法,使最外层的电子数目能成为自己的稳定结构。比如氯原子最外层的电子是7个,而对氢原子来说,8个电子才是自己的稳定结构,因此当两个氢原子组成分子时,每一个氯原子都拿出一个电子作为双方公用,这样一来,氯分子中的每一个氯原子,最外层就都成为自己的稳定结构了。

在适当的条件下,各种元素相遇时常常会彼此化合,变成化合物,其实,这也是为了满足各种原子都能变成最外层电子是稳定结构的一种手段。比如氯原子最外层是7个电子,而钠原子呢?最外层只有1个电子,最外的第二层是8个电子(钠的最外层也是以8个电子为稳定结构),因此当氯原子一有机会碰上钠原子,氯原子就会想夺取钠最外层的那一个电子,而钠原子也巴不得把自己的这一电子送掉,这样当氯和钠一结合,就变成氨化钠(食盐),里面的氢原子和钠原子也都满足了自己最外层是8个电子的稳定结构。

当电子一层一层排布时,排到最外一层恰好正是自己的稳定结构的机会有没有呢?当然有的。氦、氖、氩、氪、氙、氡这六种惰性气体,除了氦是以2个电子为稳定结构以外,其他五个惰性气体都是以最外层有8个电子为稳定结构的。而事实上惰性气体最外层的电子数目,恰好氦是2个,其他都是8个,也就是说,它们原来都已经是稳定结构,当然,它们也就不大想和“别人”进行化合了。