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        談常見現(xiàn)象中的化學知識

        2021-01-10 00:43:24凱比力努·阿巴斯
        科技信息·學術版 2021年8期
        關鍵詞:化學史氫鍵化學

        凱比力努·阿巴斯

        摘要:化學作為當代工業(yè)頂梁柱之一,起著極為重要的作用。本文以舉例方式,解釋氫鍵,氫鍵的作用和影響水密度的因素;以通俗易懂的語言解釋碳14測年法;以簡單又有趣故事,表述磷元素的發(fā)現(xiàn)等等。本文的目的是讓人們重新感覺到周圍的“化學”。

        關鍵詞:化學;氫鍵;碳14;衰變;化學史

        在古代,化學具有非常神秘的色彩,如,在西方,化學的鼻祖可能是煉金術;在我國,化學的鼻祖可能是煉丹術。無論如何,從古到今,化學一直影響著人類的生活,從開始用火的古代,到使用各種人造物質(zhì)的當代,化學的貢獻在其中起了很重要的作用。

        一、飛機在萬米高空運行,可飛機上沒有氧氣瓶。

        人飛機上竟然沒有氧氣瓶,因為飛機上的設備里是氧氣嗎?飛行開始前的安全演示將你把脫落的氧氣面罩往下拉才開始供氧,是因為在你座椅上方擋板內(nèi)有個圓柱形的應急氧氣發(fā)生器,里面裝著氯酸鈉和鐵粉混合物,當你往下拉濾罩時,拉動檔桿釋放針尖使其打到蓋子上點燃炸藥,并開始化學反應,生成可供呼吸的氧氣。所以以上的你是使用不同物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生了化學反應生成物來為乘客們提供氧氣。

        二、冰浮在水面,其實是一個反常現(xiàn)象。

        冰浮在水面,這是一個在正常不過的現(xiàn)象??赡闶欠裣脒^一個問題:同一種物質(zhì)的固體密度大于液體密度,為什么水如此與眾不同?

        固態(tài)的水密度小于液態(tài)水,所以并能浮在水上,這其實是一個很反常的現(xiàn)象。正常情況下,同一種物質(zhì)的固體密度比液體大,將固體投入到液體中會沉下去。為什么固態(tài)的水能浮在液態(tài)水上面?原因在于氫鍵水分子內(nèi)部的電荷是不平衡的水分子中的氫原子略帶正電,會與其他水分子中帶負電的氧原子相互吸引這種結合方式。叫做氫鍵,冰就是水分子通過氫鍵結合在一起形成的結晶。在這種構造中,空間利用效率是很低的。為了是微觀結構整齊有序,水分子之間的距離反而變大了,就像是一群做廣播體操的學生,每個人都有自己固定的站位,但像無間隔的挺遠,當固態(tài)水融化為液態(tài)水,一些氫堿斷裂,這種鏤空的結晶構造會被破壞,大的締合水分子減少小。小的底和水分子和單個的水分子增多,單個的水分子可以隨意移動,還可以鉆進大的底和水分子中間,所以水分子相互間隔縮小。這就像是一群學生做完操自由走動,雖然都在動,但因為聚在一起推搡打鬧,相互間的距離反而更近,所以水的密度才會大于冰的密度。

        有兩種作用在影響著水的密度,一種作用是氫鍵斷裂,導致單個水分子的比例越來越高,水分子越來越密集,因而水的密度越來越大。第二種作用是水分子的運動速度,隨著溫度提高而加快,使得分子間的平均距離加大,密度減小,在零攝氏度到四攝氏度時,第一種作用更明顯,所以水會出現(xiàn)反常膨脹,粗略說就是熱縮冷脹。而到四攝氏度以后,第二種作用更明顯,水的密度隨溫度升高而減小,也就是熱脹冷縮。

        三、淺談碳14測年法

        直到距今幾千年,幾萬年,還是幾十億年的,都能查出來。最具代表性的碳14測年法,在地球大氣外層的氮14,會被宇宙射線輻射成有放射性的碳14,有放射性的原子都會衰變。碳14的半衰期是5730年。什么意思呢?就是一堆兒碳14,每5730年就剩為原來的一半,釋放電子的衰變,因為另外的半堆變回氮14了。問,等我們發(fā)現(xiàn),原本一堆的碳14,現(xiàn)在只剩下原來的1/4堆了,那么距離原來的一堆兒碳14過了多久呢?1/2乘以1/2等于1/4,是11460年。由于宇宙射線與碳14自身的衰變基本保持平衡。所以地球上的碳14的豐富程度基本保持不變?,F(xiàn)在每個活著的生命身上的碳14比例也是如此。但當生命一旦結束了,就沒有了新陳代謝或者光合作用維持體內(nèi)碳14的能力了。因此碳14含量也會逐年減少,通過半衰期就可以知道這個生命死了多久。不過碳14測年法也有局限,只對5萬年以內(nèi)的測量具有一定的準確性,因為十個半衰期之后,碳14就太少了。

        四、磷元素的發(fā)現(xiàn)

        尿液是廢物,但它含有一種非常珍貴的成分,其中最受歡迎的就是尿素。尿素是一種無色無味的高氮化合物,尿素分解后會形成。氨水是一種有刺激性氣味的天然漂白劑,就是古羅馬人為什么會收集尿液來漂白他們的長袍,甚至他的牙齒。收集人類的動物尿液的做法至今仍在。墨西哥的一個小鎮(zhèn),盡在過年期間就收出了4500升尿液,并通過出售他們獲得了一筆可觀的利潤。時至今日,尿素廣泛用于化妝品,洗潔精甚至。然上色,它還是植物的天然養(yǎng)料,但尿液沒有危險的一面。17世紀的煉金術士漢尼·布蘭德,本來想從自己尿液中提取黃金,結果意外發(fā)現(xiàn)了零,他發(fā)現(xiàn)磷燃燒是不發(fā)熱也不引燃其他物質(zhì),是一種冷光,它就以冷光的英文開頭命名這個新物質(zhì)為P,結果這物質(zhì)被用在了火柴上,雖然沒有拿到黃金,但是造福了當時的人們。

        五、探究燃燒現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)氧氣

        氧氣的發(fā)現(xiàn)在化學史上具有里程碑的意義,氧氣的發(fā)現(xiàn)為化學,為近代自然科學具有重大意義。再正常不過的燃燒現(xiàn)象中,一個藥劑師發(fā)現(xiàn)了氧氣,當時,他把新發(fā)現(xiàn)的這個氣體命名為活空氣。

        1775年,一個瑞典藥劑師對物質(zhì)的燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。有一天,他在空玻璃瓶中放入了一塊兒毅然的林,塞上瓶塞,然后從皮外加熱,使磷燃燒在燒瓶鋼梁,立刻把瓶子倒扣進水中,并拔出深色。這時,怪事發(fā)生了,水充滿燒瓶體積的1/5以后,水面不再上升。藥劑師對這件事迷惑不解。既然燃燒中用到了1/5的空氣,那么剩下的4/5的空氣為什么不消失?難道瓶里剩下的空氣跟那些在燃燒中消失的空氣不一樣嘛?為了證實自己的判斷,他又做了一連串實驗。在雙剩下的空氣中放些蠟燭,結果是蠟燭立即熄滅,很快變黑,然后他要把幾只老鼠和蒼蠅,蚊子里面蒼蠅和老鼠也很快死了。如此,他覺得空氣是由4/5的死空氣,1/5的活空氣組成的,它稱為火焰空氣。活空氣其實就是現(xiàn)代說的氧氣。它是世界上第一個發(fā)現(xiàn)氧氣的人,叫舍勒。

        當然,本文目的是吹捧化學對人類的貢獻或吹捧科學家,而是讓人們感受到人類周圍的化學與化學知識??茖W史告訴我們,簡單而不起眼的現(xiàn)象中往往隱藏著巨大的智慧與發(fā)現(xiàn)。

        參考文獻:

        徐建中,馬海云等著《化學簡史》.科學出版社.2019,05.

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