书城童书《化学知识篇》(上)

第12章 神奇现象化学揭秘(2)

现在,可口可乐已成为世界上最流行的饮料之一,全世界每天要喝掉几亿瓶可口可乐。然而,可口可乐的配方却是保密的,被珍藏在美国银行的保险箱里,世界上知道这一秘方的人不超过10个。

其实,可口可乐中99%以上的配料是公开的:糖、碳酸水、磷酸、咖啡因、焦糖,以及少量从古柯叶和可乐果中提取的物质。

它基本上是几种物质的混合物,也许包含了很复杂的化学反应。

神秘的配料“7x号货物”在可口可乐的含量不到1%,但为了分析这个神秘的“7x”,许多化学家和竞争者运用了最先进的化学分析仪器,花费了80多年的时间,也没有得出确切的结论,迄今仍是一个不解之谜。

不锈钢之父

不锈钢餐具明亮光洁,美观耐用,已逐渐开始取代传统的铝制品。然而,你知道不锈钢是怎样发现的吗?你大概不会想到它竟是垃圾堆里的“明星”吧!

第一次世界大战期间,英国著名的金属专家哈里·布诺雷被应邀调查解决枪管锈斑问题。战争需要大量枪枝,但是由于技术条件的限制,当时的枪容易生锈,寿命短,因此,他想研制一种不易生锈的合金钢,但多次试验都未获得理想的效果。有一次,他把铬掺入到炼钢的原料里,新材料出来后,外表亮闪闪的,十分吸引人,他高兴地把这种钢制成了枪管。可惜,第一次射击就“粉身碎骨”了,因为这种钢太脆了,他非常沮丧地把这些碎片扔进了垃圾堆里。

几周后,布诺雷从垃圾堆旁走过,在锈蚀的废铁堆中发现了几块熠熠发光的金属碎片,走近一看,竟是那几块掺入铬的钢管碎片。这一发现使他十分惊喜,他急忙拣回这几块“宝贝”,经实验分析发现,这些铬钢在一般情况下不大会生锈。于是,不锈钢就这样诞生了。

布诺雷发明的不锈钢虽然不能做枪管,但他把这一发现介绍给了一家餐具厂,生产出各种不锈钢刀、叉等,使不锈钢顿时名声大噪。从此,人们敬佩地称布诺雷为不锈钢之父。

明察秋毫

交通法规规定:驾驶员酒后不准驾车。因为人饮酒后容易出现神志不清、判断力减弱等现象。如果司机喝得醉酗酗地驾驶车辆,很容易发生车毁人亡的事故。为此,交通管理部门研制出一种能快速、准确测定司机是否酒后驾车的检测器,这就是酒精分析器。

酒的主要成分是乙醇(酒精)。乙醇有一个重要的特性,就是容易与氧发生反应。酒精分析器内含有一种叫三氧化铬的物质。检测时,将分析器贴近司机嘴巴,让司机呼出的气体进入分析器。如果司机确实饮过酒,他呼出的气体中一定含有乙醇蒸气。分析器内的三氧化铬遇到乙醇后,便由原先的橙红色变成墨绿色。随着颜色的变化,分析器内会发出一阵蜂鸣声,表示已“捕捉”到了乙醇。警察根据酒精分析器发出的声音,便可判断出司机是否酒后驾车。

“点”汞成金

黄金是一种昂贵的金属,更是财富的象征。因此,提炼黄金一直是人们梦寐以求的事情,“点”汞成金更是古往今来人们的追求。

曾经有多少人幻想用朱砂(汞的氧化物)或汞之类的廉价金属为原料,通过炼金药的催化作用,使汞转变为珍贵的黄金。

我们知道,汞和金是两种原子结构不同的元素,用化学方法是根本不可能改变原子核结构的,因此,企图通过炼金药使汞变成黄金的梦想是注定不能实现的。

可是,日本传来了令人惊奇的消息,有位科学家实现了“点”汞成金的梦想。他用γ射线对准厚12厘米、半径50厘米、重1340千克的水银整整照射了70天,然后经过6天的自然冷却,终于获得了744克黄金。

γ射线为什么会使汞变成金呢?原来,当γ射线射到某种元素的原子核时,这个原子核就可能失去一个质子,变成元素序号少一个的新元素。而汞的元素序号是80,金的元素序号是79,因此,汞在γ射线的照射下会转变为金。它的制取过程是放射化学研究的内容,但是,“点”汞确实成了金,γ射线就是当之无愧的“炼金药”。

泥巴变石头

十多年来,我国化学家征服了葛洲坝的岩石裂缝、龙羊峡的裂缝以及二滩水电站的岩石裂缝。这是怎么回事呢?

就拿已截流发电的黄河上游的龙羊峡水电站来说吧,那里地质结构比较复杂,岩石破裂地带较多,大坝左臂山岳有一条面临库区的岩石破损带,长达1000多米,深有100多米。在这条破损带中,布满许多大大小小的裂缝,大的粗如手指,小的细如发丝,所有裂缝内都被泥沙或泥浆充填着。试想,对这样的岩层若不进行加固处理,将来大坝上游100多米深的水不断地压渗进去,天长日久,就有岩石塌陷、大坝崩裂的危险,后果不堪设想。

怎样解决?用粘合剂!不过这种粘合剂除了需要有一定的粘结强度外,更主要的是要有极强的渗透性和良好的伸缩性。如果渗透性差,那些细如头发,甚至比头发还细的微型裂缝就不能被胶液充填,这就等于留下一个个隐患,放过了一个个“定时炸弹”。之所以需要良好的伸缩性,是因为岩石是热胀冷缩的,而裂缝则相反,它们的宽度是热窄冷宽。要粘结这些裂缝是相当困难的。因为像头发丝那样细的裂缝,不说是粘糊糊的粘合剂了,就是水也难渗透进去呀!可是,化学家们却有办法。几年前,这道技术难关被中国科学院广州化学研究所的研究员叶作舟等攻克了。他们将一种特殊的粘合剂浇灌进去,所以碎石细沙都牢牢地粘在一起,比石头还硬,用铁锤砸也砸不碎。不仅头发丝细的隙缝被胶液渗进去了,就是只有头发丝百分之一细的“超微裂纹”也都没有漏网。

“太空芭蕉扇”

你大概看见过流星吧,在满天星斗的夜晚,它拖着长长的火光,从天上飞流而下……由此,你可能会想到,一个高速飞行的物体与空气剧烈摩擦所放出的热量是相当大的,而洲际导弹、返地卫星和航天飞机等再入大气层时,肯定也会发生类似的现象。那么,它们为什么没有被烧成灰烬?莫非它们身上带有“芭蕉扇”把“火焰山”的烈火扇灭了不成?

这个问题提得很有道理。

我们知道,射程一万多公里的洲际导弹并不是像普通炮弹那样在大气层中飞行,而是先依靠火箭的强大推力迅速地冲出大气层,然后在高空拐弯,利用它的飞行惯性再入大气层后,一直朝目标飞去。

有些卫星,例如科学探测卫星、侦察卫星等,在空间完成预定任务后,它们的返回舱要重新返回地面,因此叫返回式卫星或近地卫星。当洲际导弹的弹头或返地卫星的返回舱重新进入(又称再入)稠密的大气层时,由于以几倍乃至十几倍声速的速度俯冲下来,所以它们的动能非常大,1000克质量所产生的动能高达28×106焦耳。这些能量转化成热,足以把30公斤的钢加热到沸腾。动能这样大的物体也必然会同流星一样,同大气发生剧烈的撞击和摩擦,在它们前头产生一个高达100多个大气压力以上的冲击波,并将波前的大气加热到七八千℃。在这样高的温度下,任何金属都会立即气化。

据理论计算和实验表明:卫星、导弹等再入大气层时,其头部迎风面的热量约占总热量的98%,流到后身的热量只有2%左右。

因此,要使它们安然无恙,关键是要解决它们头部的耐高热问题。

怎样解决呢?科学家们对高温金属和陶瓷等试验之后,认为走单一材料的路,都没有办法克服高温和脆裂这两道难关,唯一的出路是找复合材料。

提起复合材料,也许有人感到陌生。其实,我们日常接触到的三合板、钢筋水泥等都是复合材料。两种性质截然不同的物质紧密地粘合在一起,各自发挥自己的长处,于是就得到了比它们单独使用时性能更加优异的新材料。

50年代初,美、英等国首先开发出第一代复合材料——玻璃钢,即用像棉花那样细软的玻璃纤维浸沾上像胶水一样的环氧树脂加热固化制成的。其突出的优点是强度高、重量轻、耐酸碱。但是,它的主要缺点是不耐高温。

1960年,有两个澳大利亚的化学家:一个叫布洛克,另一个叫泰尔,把沥青加热时,发现在熔化的沥青中竟然出现了许多球状的液态晶体。在液晶中,沥青的分子排列得十分整齐;而在球晶外面,沥青的分子是杂乱无章的。他们的发现起初没有被人们注意,到了1970年才引起美国联合碳化物公司的重视。这家公司的专家把沥青经过精制以后,将沥青球晶进行聚合,做成沥青纤维。再将这种纤维在绝氧条件下进行高温碳化,得到沥青碳纤维。与此同时,英国皇家航空研究所等,用人造丝(尼龙)、腈纶(人造羊毛,现在不少人喜欢用它织毛衣)等,用高温碳化方法也获得类似的纤维。因为这类纤维分子中的骨架全是碳,故得名为“碳纤维”。其中,沥青碳纤维性能最好。如果说,用200公斤的力就可以使腈纶和人造丝碳纤维变形的话,那么要用600公斤的力才能使沥青碳纤维变形。这种高强度、高模量(不易变形)的沥青碳纤维,同有机树脂复合经加压和烧结之后所形成的碳/碳复合材料,比起玻璃钢当然要好得多,因而特别适合做远程导弹和近地卫星前沿的头帽。它有两大优点:

第一,不仅能耐高温,而且比重更小。对洲际导弹来说,这意味着每减少1公斤重量,则增加300公里射程;对宇宙飞船和航天飞机来说,每减轻1公斤自重,则可减少200多公斤的推力,大大节省火箭材料。

第二,沥青碳纤维复合材料在超高温和高气流的冲击下不可能一点不烧蚀,但是,因为它强度高,彼此结合非常牢固,所以烧蚀速度很慢,并且在燃烧后结成一层非常坚固而疏松的“海绵体”。

这层只有两三厘米厚的海绵体,既可防止进一步烧蚀,又可起隔热作用,使内部的设备仪器安然无恙。

无形的巨手

众所知,通信卫星是人类的“顺风耳”和“千里眼”。卫星通信比普通的无线电通信优越得多。

然而,发射通信卫星是一件非常复杂的事。首先要使卫星进入“同步轨道”,卫星在这个圆形轨道上以每秒3.74公里的速度飞行,绕地球一周为23小时56分4秒,与地球自转的速度和方向完全相同。因而,从地面看上去,它是静止不动的,所以又有人叫它为“同步卫星”或“静止卫星”。

现在,发射通信卫星有两种方法:一种是用火箭发射,例如美国曾用“大力神”火箭,英国、法国等用“阿里安娜”火箭,我国则用“长征3号”火箭。另一种是自1984年4月14日开始,美国用航天飞机在高空发射。用火箭发射,这种火箭需要三级:第一级把卫星推出大气层;第二级将卫星送入200公里高的低空停泊轨道。第三级把卫星送入700~800公里高的大椭圆转移轨道。然后再过渡到同步轨道上去。

从大椭圆转移轨道能否顺利过渡到同步轨道上去,这是发射通信卫星的最大难关。因为大椭圆转移轨道的平面和同步轨道并不重合,而是有个夹角,其近地点和远地点虽然都与赤道平面相交,但是,只有远地点的高度才是同步轨道的高度。因此,要实现顺利地过渡,首先必须调整好卫星的姿态,使卫星的飞行轴向与入射方向完全一致。然后,在地面上的遥测人员准确计算好点火时机,通过无线电把点火指令输入星内计算机中。一旦接到指挥部的“点火”命令,卫星上的火箭就立刻点火,把卫星“托举”到同步轨道上去。否则,卫星就无法进入同步轨道,只能继续在大椭圆轨道上长期徘徊,直至陨落,或者像一匹脱缰的野马,逝入冥冥太空。还有,通信卫星进入同步轨道以后,也绝非太平无事。它受太阳和月亮的引力作用,以及太阳风(从太阳发出的流向地球的、时速为160万公里的尘埃流)的影响,会发生上下漂移;同时,它受地球自转方向的影响会发生左右漂移,它受上面两种合力的影响在空中又会作“8”字形的漂移。因此,要使通信卫星保持静止不动,就必须对它进行姿态和位移的控制。

这种控制技术最早是采用钛合金做的高压氮气瓶,使用时启动阀门,喷出高速气流,借助气流产生的反作用力进行调整。但是,由于这种控制技术容量小、寿命短、准确性差,所以很快就被淘汰了。从60年代开始,美、苏等国的化学家研究了成千上万个化学物质的分解过程,最后发现肼(N2H4)在重金属铱的催化作用下,能迅速分解成氮气和氢气,从而制造出一种新型的“肼分解姿态控制发动机”。它与高压氮气瓶相比有三大优点:

一、容量大、效率高。肼在常温高压下是液态化合物,但一旦分解可产生2200多倍于原体积的高速气流。这样,它单位体积的做功率比高压氮气瓶高得多,因而对完成同量的姿控任务来说,肼分解姿控发动机就可微型化、轻量化。

二、控制自如。显然,这种发动机的推力大小是由流入催化剂床层的肼的多少决定的,所以控制了肼的流量就控制了它的推力,多则几十公斤,少则几公斤乃至几十克,它都可喷发自如。

三、机动灵活。由于肼在铱的作用下分解速度极快,从液态转变成气态的时间只需0.05~0.1秒,所以发动机每次做功时间长短皆可随意操纵。它既可进行几千次的冷起动(两次起动之间相隔很长,每次起动催化剂都是“冷”的),又可进行十几万次以至几十万次的热能动(连续起动)。

这样,只要通信卫星在上、下、左、右和前、后六个方向装上这种姿态控制发动机,就可纹丝不动地“站”在天上。自从1969年7月美国“阿波罗”登月飞船使用这种姿态控制发动机以来,现在发射通信卫星的国家都采用这种技术。欧洲航天局定于1989年发射的“奥林匹克”号通信卫星,也用这种技术进行姿态控制。

现在,肼分解姿态控制发动机不仅用于通信卫星的发射和定点,而且还用于回收卫星业务。1983年6月,美国“挑战者号”航天飞机为联邦德国发射了“斯帕斯—01”号试验通信卫星,但在进入同步轨道之前出了故障,末级火箭虽然脱离了星体,而远地点发动机仍然连在星体上。另外,其远地点为1200公里,近地点为269公里,倾角为28.2°。在通常情况下这颗卫星就报废了,但联邦德国方面经过再三考虑,还是希望美国能利用航天飞机将这颗价值7000多万美元的的卫星收回。两个月之后,美国航天飞机再次升空,利用星体上的肼分解姿态控制发动机在卫星到达远地点时,让连在星体上的远地点发动机点火,使卫星向着降低轨道的方向飞行,使卫星轨道逐渐改变成高度为300公里的圆形轨道。最后,这颗失散的卫星终于被回收了。美国利用这类技术于1984年2月还为印度尼西亚回收了“帕拉帕乃~2号”实验通信卫星。

值得自豪的是,我国化学家和航天专家也已掌握了这种高难度技术,并成功地用于我国1984年4月8日发射的实验通信卫星和1986年2月1日发射的实用通信卫星。中央电视台的节目通过它可传遍祖国各地。

“太空水”