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合物会变得又软又黏，以至最终熔化。（拉伸会使橡胶的长链伸
直，从而引进某些微晶质特征。因此，拉长了的橡胶具有相当大的
抗拉强度。）至于纤维素和淀粉，由于其中的各个分子在这里或那
里以化学键相连，因此它们不能像橡胶分子那样独立地振动，所以
在受热时不会变软。在温度升高到足以使分子产生振动并将分子
第十一章 分 子
第十一章 分 子
彼此振开之前，它们一直保持僵硬状态，直至烧焦和冒烟。
当温度低于使之变黏的温度时，非晶型聚合物往往是柔软而
富有弹性的。然而，在更低的温度下，这些聚合物就会变得像皮革
一样硬，甚至像玻璃那样脆。生橡胶仅在相当窄的温度范围内才
是干燥和富有弹性的。加入
5％～8％的硫磺，会在链与链之间形
成柔韧的硫键，这些硫键能降低各长链的独立性，从而防止了橡胶
在中等温度下变黏。在不太低的温度下，硫键还能增加各链之间
的自由活动范围，因此橡胶不会变硬。如果加进更多的硫，比如
30％～50％，就会使链与链之间键合得很紧密，致使橡胶变硬。这
样的橡胶称为硬橡胶。
（如果温度足够低的话，即使是硫化橡胶也会变得像玻璃那样
脆。一个普通的橡胶球，若是在液态空气中浸泡片刻之后再掷向
墙壁，也会碰得粉碎。这是在上化学课时最爱演示的实验之一。）
在一定的温度下，各种非晶型聚合物表现出不同的物理性质。
在室温条件下，天然橡胶具有弹性，各种树脂是硬而脆，而糖胶树
胶（产自南美洲的人心果树，是口香糖的主要成分）则软而黏。
纤维素和炸药
除了我们的食物——它们主要由高聚物所构成——之外，人
类使用最久的一种聚合物恐怕就是纤维素了。纤维素是木头的主
要成分，作为燃料和建筑材料，它们一向是必不可少的。纤维素还
用来造纸。以纯纤维素形式存在的纤维素棉花和亚麻，一直是人
类最重要的纺织原料。因此，
19世纪中叶的化学家们自然要转向
纤维素，用它作为制造其他巨型分子的原料。
改造纤维素的方法之一是将硝酸根（1个氮原子和
3个氧原
子）与葡萄糖中的氢氧根（羟基）连接。这样做了之后，再用硝酸和
硫酸的混合物来处理纤维素，于是就制造出了一种在当时来说是
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无与伦比的烈性炸药。这种炸药是德国出生的瑞士化学家舍恩拜
因（他曾于
1839年发现臭氧）于
1846年偶然发现的。据说，有一
天，他在厨房里（他被禁止在那里做实验，但他常趁妻子不在家时
在那里做实验）弄洒了一种酸的混合物，他赶忙抓起他妻子的棉布
围裙去擦污迹，当他将围裙挂在火炉上方烘烤时，围裙便“扑”地一
声着了起来，烧得一点不剩。
舍恩拜因立即意识到了这种化合物的潜力，这可从他给这种
化合物起的名字——火药棉——上看出来。（这种化合物还叫做
硝化纤维素。）舍恩拜因向好几个国家的政府兜售他的这个秘方。
普通火药在点然时会产生浓烟，熏黑炮手，弄脏大炮，因而发射几
次后就需要清扫一次。另外，在发射第一排炮弹之后，阵地上便升
起滚滚浓烟，致使战斗不得不在盲目的估计下进行。因此，各国的
军事部门都争相采用这种威力更大而又无黑烟的炸药。于是，制
造火药棉的工厂雨后春笋般地建立了起来。然而，这些工厂几乎
就像它们兴建时的速度那样，很快就被炸掉了。火药棉太容易爆
炸了，往往等不到大炮发射。到了
19世纪
60年代初期，的
“走火”
火药棉的隆隆声终于沉寂下来，不论是从数字还是从文字上看，情
况都确实如此。
然而，后来找到了一些方法，能够清除掉使火药棉走火的少量
杂质。这样，火药棉的制造和使用就变得足够安全了。1889年，
英国化学家迪尤尔（他以使气体液化而闻名于世）和他的合作者阿
贝耳引进了一项技术，即将火药棉与硝化甘油混合，然后再在这种
混合物中加入凡士林，最后将其压制成线状（这种混合物就叫做无
烟线状火药）。这种火药棉最后终于成为一种有用的无烟火药。
1898年西班牙与美国之间的那场战争就是用普通火药来打仗的
最后一场战争。
［机器时代也为令人战栗的射击技术尽了一份力量。19世纪
第十一章 分 子
第十一章 分 子
60年代，美国发明家加特林制造出了第一支能够迅速连发子弹的
连发枪；19世纪
80年代，美国另一位发明家马克沁对这种枪进行
了改进。加特林连发枪俗称左轮。这种枪和它的改进型马克沁机
枪使得
19世纪晚期的厚颜无耻的帝国主义者对于非洲和亚洲的
那些“劣等种族”（吉卜林
①的带有侮辱性的话）具有空前的优势。
正如当时流行的一句歪诗所说，“不管发生什么情况，我们有马克
沁机枪，而他们都没有。”］
这方面的“进步”在
20世纪仍在继续。第一次世界大战期间，
最重要的炸药是三硝基甲苯，即人们所熟悉的缩写
TNT。第二
次世界大战期间，威力更大的旋风炸药（三次甲基三硝基胺）投
入使用。这两种炸药都含有硝基，而不含硝酸根。不过，对于战争
贩子来说，任何化学炸药都比不上
1945年的原子弹（见第十章）。
顺便提一下，硝化甘油与火药棉是在同一年发现的。那一年，
一位名字叫索伯雷罗的意大利化学家用硝酸和硫酸的混合物来处
理甘油，当他意识到发现了什么的时候，险些被随之而来的爆炸要
了命。索伯雷罗没有舍恩拜因那种由发明而产生的冲动，他觉得
硝化甘油过分危险，不好对付，于是就将这一发现搁置起来，未予
公布。此后不到
10年，一个姓诺贝尔的瑞典家族开始以“爆炸油”
的名称生产这种产品，并把它用于采砂和建筑工程。经历了一连
串事故（其中一次还夺去了这个家族的一个成员的性命）之后，死
者的兄弟
A。 诺贝尔发现了一种方法，即在硝化甘油中掺入一种
叫做硅藻土（主要由一种叫做硅藻的单细胞生物的遗骸构成）的吸
附剂。这种混合物由
3份硝化甘油和
1份硅藻土组成，由于后者
具有吸附能力，这种混合物实际上是干燥的粉末。一筒掺有硝化
甘油的硅藻土（达那炸药）即使受到磕碰、锤击乃至火烧也不会爆
① R。吉卜林（
1865一
1936），英国小说家，
1907年诺贝尔文学奖获得者。
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炸。但是，如果引发雷管（在远处用电流）使达那炸药爆炸，那么，
这就会显示出与纯硝化甘油完全相同的爆破力。
雷管装有极易爆炸的炸药，在受热或受到机械撞击时就会爆
炸，因此称之为起爆管。雷管爆炸所产生的强烈振动能引起不易
爆炸的达那炸药爆炸。这样看来，危险似乎只不过是从硝化甘油
转移到了起爆管。不过，事情并不像听起来那么糟糕，因为起爆管
用量很少，而且最常用的起爆药是雷酸汞（HgC2N2O2）和叠氮化铅
（PbN6）。
一筒筒的达那炸药终于能够使美国西部地区以空前的速度铺
设铁路、修建公路、开发矿山和修筑堤坝。诺贝尔（他发觉，同他的
人道主义愿望相反，他被看成是“贩卖死亡的商人”）所发明的达那
炸药和其他炸药使他成为一个离群索居、不受欢迎的百万富翁。
他在
1896年逝世时留下一笔基金，以其利息作为著名的诺贝尔奖
的奖金。这种奖分物理、化学、医学与生理学、文学及和平事业五
个领域，每年颁发一次。获奖者除赢得崇高荣誉以外，还被授予约
4万美元的奖金（自设奖以来这个金额一直在不断增加）。第一次
颁奖是
1901年
12月
10日，即诺贝尔逝世
5周年纪念日。现在，
诺贝尔奖已成为一个科学家所能获得的最高荣誉。
考虑到人类社会的性质，一些大科学家们仍将花费相当大的
精力来继续研究炸药。由于几乎所有炸药都含氮，因此氮元素及
其化合物的物质组成及化学性质对于炸药研究是至关重要的。
（必须承认，对于生命也极为重要。）
对化学理论而不是对炸药感兴趣的德国化学家奥斯特瓦尔德
研究了化学反应的速度。他将与物理学有关的数学原理应用于化
学，从而成为物理化学的奠基人之一。在上世纪末与本世纪初，他
研究出一种将氨（NH3）转变为氧化氮（
NO）的方法，后者可以用来
制造炸药。由于奥斯特瓦尔德在化学理论特别是在催化剂方面的
第十一章 分 子
第十一章 分 子
研究成果，他获得了
1909年的诺贝尔化学奖。
在
20世纪的头几十年，可供利用的氮主要来自智利北部地区
沙漠中的硝石矿。在第一次世界大战期间，由于英国海军的封锁，
德国无法得到这些矿区的硝石。然而，德国化学家哈伯研究出了
一种方法，能够使空气中的分子氮在高压下与氢结合，形成奥斯特
瓦尔德法所需要的氮。稍后，德国化学家博施——他在第一次世
界大战期间曾负责监造氮制造厂——对哈伯法进行了改进。哈伯
获得了
1918年的诺贝尔化学奖，而博施则与别人分享了
1931年
的诺贝尔化学奖。到了
20世纪
60年代末，仅美国每年用哈伯法
生产的氨就有
1 200万吨之多。
塑料和赛璐珞
现在让我们重新回到改造纤维素的问题上来。显然，正是由
于添加了硝酸根才使纤维素具有爆炸性。在火药棉中，所有可供
取代的羟基都被硝化了。如果只有部分羟基被硝化，那情况又会
怎样呢？它们的爆炸性是否会小一些？事实上，这种部分硝化纤
维素证明根本没有爆炸性。不过，这种物质的确很容易燃烧；后
来，这种物质被命名为焦木素（源于希腊语，意为“柴火”）。
正如法国学者梅纳尔和美国医科大学学生梅纳德（他俩的姓
氏十分相似）所分别独立发现的那样，焦木素能溶解于乙醇和乙醚
的混合物。当乙醇和乙醚蒸发之后，剩下来的焦木棉是一种坚韧
的透明薄膜，叫做胶棉。胶棉最初被用来包扎轻微的刀伤或擦伤，
所以将它叫做新皮。然而，胶棉的奇迹只不过刚刚开始，更多的奇
迹还在后面。
大块的胶棉本身很脆。不过英国化学家帕克斯发现，如果将
它溶解于乙醇和乙醚的混合物中，然后再与像樟脑这样的一种物
质混合，当溶剂蒸发之后，剩下的坚硬的固体物质受热后会变得柔
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软而富有韧性。这样，它就可以模塑成所需要的各种形状，而且在
冷却和变硬之后仍保持原状。于是，就在
1865年这一年，硝化纤
维素就转变成首批人造塑料。而使原来很脆的物质具有可塑性的
樟脑就成了第一种增塑剂。
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
第十一章 分 子
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�