元素周期律的发现

    世界上的物质形形色色，各种各样，但是构成这大千物质世界的基本微粒——元素却不多，目前已知的也只不过百余种。科学家们把这一百多种元素，按照它们的原子核所带的电荷的多少（即原子序数）依次由少到多进行排列，并把性质相似元素排在一起，这样就得到了一个表，这个表就叫元素周期表。

    元素周期表揭示了元素之间内在的本质规律，它是科学家们研究化学的指南。

    1．探索元素的规律

    元素周期律的发现和其他规律的发现一样，也是经历了一个艰难的历程。

    在18世纪中叶到19世纪中叶的100年间，每两年半才有一种新元素问世。到1869年，科学家共发现了63种新元素，积累了许多关于这些新元素性质的研究资料。但是这些资料却是杂乱无章的，搞得科学家们眼花缭乱。其实早在19世纪初，当陆续发现近40种元素的时候，科学家们就在思考：自然界中究竟有多少种元素？元素与元素之间究竟有什么内在联系？化学家们依照各种各样的方式进行排列组合，真是八仙过海，各显其能。比较典型的有：1829年德国的化学教授多贝赖因纳提出的“三元素组”，它是把性质相似的3个元素归成一组；1864年德国人J·L。迈尔提出的“六元素表”，它是把六个元素归为一组；1862年法国矿物学教授陈库图瓦提出的“螺旋图”，它是按原子量把元素排成螺旋状；1865年英国人纽兰兹提出的“八音律”，它是在发现每8个元素就出现性质相似的元素的基础上提出的。自19世纪，人们就开始归纳总结元素知识，试图从中找出规律。在1869年以前的这种探索有几十起之多，从“三元素”到“八音律”一步一步向真理逼近，为周期律的发现开辟了道路。

    2．门捷列夫的发现

    俄罗斯化学家门捷列夫也投身于元素规律的探索之中。门捷列夫于1834年2月7日出生于托波尔斯克的中学教授家庭，自幼丧父，他是在他姐夫的启迪下爱上科学的。门捷列夫一生在化学上的贡献很多，其最主要的贡献就是发现了元素周期律。

    1865年，门捷列夫在彼得堡大学教授无机化学。当他准备着手编写无机化学教科书《化学原理》时，面对那些杂乱无章的元素，他不知如何排列为好。“于是他便停止了教科书的编写，开始探索元素世界的奥秘。他对前人所做的大量实验事实进行验证、分析和概括，而后细细地思索，寻找其中的规律。整天满脑子的化学元素搅得他寝食不安，然而几年过去仍无头绪。

    门捷列夫爱玩纸牌，1868年的冬天，他别出心裁地想到把已知的63种元素制成纸牌来“玩一玩”，看能否找出什么规律来。于是他剪出了63张大小相同的卡片，他在每张卡片写上一种元素的名称、符号、原子量和主要性质。每个元素一张卡片，共63张，好像一副扑克牌。于是，他摆弄起这副特殊的扑克牌来。

    开始，他按照元素的颜色排列卡片、比较各个元素，希望能找出它们相互之间的联系，但很快他就发现这行不通，因为任何元素在温度改变时都能发生状态的转变，而且有许多元素在状态不同的情况下，颜色并不相同。他又想去比较各种元素的比重，但是他发现，比重和元素的某些其他性质如导电性、导热性一样，都不是元素的根本性质，它们都会随条件变化而变化。就这样，他一连拨弄了三天三夜，仍然什么结果也没有。他又回过头来认真研究前人所做的工作、所积累的资料，总结失败的教训。

    在研究的过程中，他发现原子量是永久伴随着元素而又始终不变的量。他把元素扑克牌按原子量大小进行排列，惊奇地发现有几处都是每隔7个元素又出现一个与这个元素性质十分相似的元素。于是按照这一启示，门捷列夫又进一步思考和探索，终于发现元素的性质是按原子量的大小在作周期性的重复。这就是著名的元素周期律的最初发现。

    3．严峻的考验

    但是，门捷列夫的这一发现，当时并没有使他出名，引来的却是人们的冷嘲热讽。1869年3月，俄罗斯化学会邀请各方专家进行专门学术讨论。会上门捷列夫仍然使用那副奇特的扑克牌向专家们演示了他的发现。不过这一次他给性质相似的元素的扑克牌上涂上相同的颜色，这样性质不同地依次被涂成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。当这63种元素扑克牌按原子量大小排成一条线时，七种颜色就像画出的光谱一样，每隔7张就有规律地重复一次。当门捷列夫把它们一截一截断开，相同颜色的上下对齐时，就能看出颜色相同的一列元素性质相似，非常直观地显示出元素的周期性变化。

    可是到会的专家教授们大都在这个问题上钻研了若干年，手上也不知被实验烧了多少疤，掉了多少皮，怎能接受一个青年人用“扑克牌”作的见解。有的人当场刁难门捷列夫，问道：“门捷列夫先生，我看你那几张牌也未必就能将元素的规律演示清楚。你看六年前发现的元素钢，原子量是75．4，应排在砷和硒之间，可是这种砷就无法和它相似的磷排在一列了，硒也被挤出了硫那一列，这还算什么规律？”

    对这一问题门捷列夫早已思考过，他胸有成竹地说：“我看钢的原子量很可疑，它的性质和铝相似，依我推算它的原子量就是113．1（后来事实上测得钢的原子量是114．82），它本来就不应排在砷后面，而应排在铜和锡之间”。

    这时一位寿眉双垂、银须齐胸的长者发火了，他是门捷列夫的老师齐宁。过去他一直很赏识门捷列夫的才华，此时却蛮横地斥责道：“赶快收起你这一套，身为教授、科学家，不在实验室做实验，却异想天开，摆摆纸牌就想发现什么规律。这些元素难道就任你这样摆布吗？”门捷列夫见状，只好委屈地收起纸牌告退了。

    门捷列夫回到家里继续摆弄着他那副纸牌。对于那些与铟的情况类似，原子量和其他元素接近而性质却不相似的元素排列时，他就预见可能有什么元素的原子量不准确。这样，他共改正了钢、铍、钛、铈、铀、铂等元素的原子量。后来这些都得到了验证。

    他在研究砷元素时，发现按原子量，砷应排在锌之后，性质和铅相似，但事实上它的性质却和磷相似。他在验证了砷的原子量正确之后，心想：既然元素是一个一个被发现的，那么就应该给未被发现的元素保留一席之地。他大胆地预见在锌和砷之间，应该还有两个元素，他把它们称为“类铝”、“类硅”元素。像这样他共预见了“类硼”等11个元素的存在。

    在考虑了某些元素的原子量有错误和某些来被发现的元素之后，门捷列夫又重新把元素按原子量的大小排列，性质相似的元素上下对齐。这时元素周期性变化的规律更加明显。可是当他把这一新的元素排列表公布之后，带给门捷列夫的是更为激烈的冷嘲热讽，有些权威一口否定了门捷列夫的发现。但真理终归是真理，真金不怕火炼，事实胜于雄辩。

    1875年的一天，当门捷列夫正在品酒赏书时，他突然发现一则消息：法国科学院宣布布瓦博德明在1875年9月发现了一种新元素——镓。喜得他酒杯扔出了老远，大声呼喊：“这不就是我预见的那‘类铝’元素吗？”

    于是他立即提笔给布瓦博德明写了一封短信：“先生，您发现的镓，就是我5年前预言的‘类铝’，只是它的比重应该是5．9，而您却测得是4．7，请您再做一次实验，我想大概是您的新物质还不够纯的缘故吧。”

    布瓦博德明接到门捷列夫的这封信感到很奇怪，全世界就只有他拥有这么一点镓，这个俄国人怎么能知道它的比重应是5．9呢？于是他半信半疑，立即将仅有的1．15g镓经过提纯重新实验，结果发现铸的比重果然是5．94。他给门捷列夫回信道：“尊敬的门捷列夫先生，祝贺您的胜利，我能说什么呢？我的实验和发现，只不过是您元素周期律的一个小注解。这是您元素周期律的伟大之所在的最好例证。”

    这下，门捷列夫的元素周期律在科学界才引起了极大的震动，连同他的老师齐宁也亲自登门谢罪，称赞门捷列夫是俄国人的骄傲，是科学界的骄傲。

    1879年瑞典人尼尔逊发现了钪，经过测定它就是门捷列夫预言的“类硼”；1886年德国人温克勒尔发现的锗就是门捷列夫预言的“类硅”，还有他预言的11种元素中的其他元素后来也都相继被发现，都恰如其分地进入到了门捷列夫为它们安排的位置。特别是氦、氖、氩、氪、氙、氡的发现又给元素周期律增添了新的一族。至止，元素周期表更加完善了。

    1913年，英国科学家摩斯莱在研究x射线波长和对阴极不同元素材料的关系时，提出原子序数的概念，原子序数等于元素的核电荷数，又等于元素的质子数。三年后，德国化学家把原子序数引入元素周期表中，元素的周期律才变成了现在的定义：元素的性质随着元素的核电荷数的递增呈周期性的变化。

    元素周期律的发现，促使了无机化学研究的兴起，对后来整个化学的发展起了巨大的作用。门捷列夫为化学的发展做出了巨大的贡献。1955年，化学家们为了纪念门捷夫的伟大功绩，把101号元素命名钔。

    物质到底存在着几种状态

    初提这个问题，人们也许会十分肯定地回答，物质存在有三态，即气态、液态、固态。这种认识理所当然地是正确的，因为我们从接触化学、物理的那天起，就是这么学的。

    对于这三种状态我们不妨先复习一下，在气态中，组成气体的原子或分子的能量非常高，各个分离的分子间的引力较低，以致各个分子可以独立地进行不规则的运动。如果分子或原子的能量降低到某点，那么分子就不能再保持其独立性而相互之间开始发生关联，但此时尚有足够的能量可供给分子进行运动，使分子在其他分子之间流动，这就是液体。假使分子的能量进一步降低到某一点时，分子之间的联系更加紧密，各个分离的分子不能互相流动，而被固定到了某个位置上，这时我们就称之为固态。

    物质的这三种存在形式为我们提供了空气、水和生活的陆地。然而，随着科学的不断发展，人们渐渐地发现，物质好像并不是严格地按照这三种状态存在着，在它们之外，还有着其它存在的形式。那么这些都是什么呢？

    随着高科技的发展，人们对于物质的其他存在形式的认识越来越清楚了。到了今天，终于有科学家提出，物质还存在着另外四种形式，即等离子态、超高压态、辐射场态、超离子态。

    等离子态：当温度升高到数百万度或更高时，物质组成的基本单元——原子的核外电子，就会全部变成游离状态，此时气体就成为自由电子和裸露的原子核的混合物了。根据科学家的研究认为，在一定的超高温的条件下，任何物质都有可能成为等离子态。例如水银灯中、雷雨天中的闪电里都有这种等离子态存在。目前，等离子态已被广泛地应用于高能物理研究、激光、核聚变等。

    超高压态：如果对于某种物质施加几百万个大气压时，其物质中原子核的核外电子就会被压变形，使带负电的电子和带正电的原子核压在一起，这样物质就会变得结构十分密集。其密度大得惊人，每立方厘米的超固态物质，可达几万吨。天文学家是最早的超高压态的发现者，他们通过对宇宙中的矮星、中子星等观察，推测这些星球的密度就处于这种超高压态。目前，这种超高压态的物质在我们地球上也成功地被制造，由于其密度极大而十分坚硬，通常用于钻探、切割等方面。对于超离子态、辐射场态目前了解得还很少，至于它们将会为人类带来什么样的影响，我们暂时无法预知。在我们对物质之态有所了解之后，又发现了这几种物质存在形式，那么物质是否还有其他的存在形式呢？只能由未来科学告诉我们了。

    放射性元素的由来

    在自然界或科学实验中，有一些原子是极不安分的，它们能够自发地产生变化，有高能粒子或r射线光子从它们的原子核中逃掉。由于原子核中的粒子数的减少，因而这种原子就变成了另外一种原子，而属于同一种元素的原子可以称为这种元素的同位素，这种能够从原子核释放出高能粒子和r射线的原子，我们一般称之为有放射性的原子，由这种原子构成，或由放射性同位素昕组成的元素，就是放射性元素。

    放射性元素一般分为两类：天然放射性元素如铀、钍、锕等；另外是人工合成的人工放射性元素，如钷、锔、锝等。化学元素周期表显示的情况表明，在已发现的107种化学元素中，排在靠后的基本上都是放射性元素，并且以人工合成的放射性元素居多。另外一些本身并无放射性的元素，其同位素却具有放射性，这类放射性同位素也占有相当大的比重。

    放射性元素都具有一个相同的特点，那就是，其原子不断进行变化并释放高能粒子和Y射线，这种变化根据自身元素的不同，时间则长短不一，长者可达数亿年，短则仅仅为几千分之一秒。因而，我们对于这种放射性元素的寿命很难估测，在化学上通常采用一种称为“半衰期”的计算方法，就是一种元素其衰变为原一半所需的时间。这种半衰期的测定既复杂、又简单，说其复杂，包括对元素内部原子活动情况的测定，这种原子发生变化可能是瞬间完成的，也可能需要很长时间，所以其原子变化是较难观测的；说其简单，这是当原子发生变化后，则很容易计算出其整体变化。

    放射性元素的半衰期实际上就是对于该元素的稳定性的一种制定。如钍（上标323）这种同位素的半衰期为140亿年，那以无论从宏观还是从微观来讲，几乎与非放射元素一样具有着较高的稳定性。而氦（上标5）这种同位素，其半衰期仅仅有一千亿亿亿分之一秒，因此人们是很难看到它的存在的。

    放射性元素最早是法国物理学家亨利·贝尔勒尔于1896年发现的，从那时起，人们就开始探索放射性元素为什么会有放射性。目前研究结果使人们对此有了大概的了解和认识，一般元素其原子核中有84个或多于84个质子的元素都是放射性元素。在原子核中，质子是带有正电荷的，根据库仑定律，“同种电荷相互排斥”理论，这种质子之间的相排斥力使得原子核结构很不稳定，因而，只有放出带正电荷的质子才能保持稳定状态。当质子被释放后，其原子核中质子数目减少，因而就变成了另外一种元素。一种元素是否稳定，主要取决于原子核内的中子与质子数值的比，即n：p。这个比值太大或太小都是原子核不稳定的因素所在，通常认为在1．2：1－1．5：1的范围内，是元素稳定的条件。

    对于放射性元素为什么会通过释放质子或捕获电子来达到这种原子核的稳定状态，以及为什么n：p在1．2：1－1．5：之间，元素才具有稳定性这一现象，目前还无法准确地回答，还有待于科学家的努力。

    核裂变反应的发现

    1．费米教授的设想

    1934年，约里奥·居里夫妇用他们发现的天然放射性元素钋放射出的α粒子轰击硼、铝和镁制成的靶子，发现了一个奇怪的现象：在轰击的过程中除产生中子以外，靶本身还自动发射正β射线。

    与费米的想法不同，德国化学家诺达克认为用中子轰击重核元素时会使后者裂成几个大碎块，这些碎块必然是已知元素的同位素。这好比用一块顽石去击一个竖放着的大砖，会使大砖裂成几个碎块，但它们仍是砖。

    2．核裂变反应的发现

    费米的想法和诺达克的见解引起料学家们的兴趣，大家特别关注中子轰击铀时的产物，纷纷对此进行研究。1938年，约里奥一居里从铀的中子照射产物中发现了一种与镧的化学性质一样的具有放射性的镧的同位素。这一发现引起了德国物理学家哈恩和斯特拉斯曼的注意，因为他们在1937年就曾经用中子轰击铀靶得到了9种具有不同半衰期的放射性元素，他们当时确认其中3种是铀的同位素，另外6种是原子序数在93—96的超铀元素。当居里夫人报告她发现镧的放射性同位素以后，哈恩和斯特拉斯曼用同样的方法重复做了他们1937年时所做的实验，结果发现：在所产生的新核中有原子序数为56的钡和原子序数为36的氪，同时有两三个中子放出。

    哈恩把这一重要发现告诉远在斯德哥尔摩的合作者奥地利物理学家梅特涅。他在信中写到：我们从铀里得到了钡，经过多次反复，确证无疑，问题是铀的原子量几乎是钡的二倍，这说明一个原子核能分裂，这件事可能出现吗？

    梅特涅在分析以后，回信说：“这个实验结果是无可怀疑的，也许从能量角度来分析，一个这样重的核有可能分裂。”于是哈恩和斯特拉斯曼断定：“铀核吸收中子后，分裂成大小相近的两个原子核，一个是原子序数为56的钡，另一个是原子序数为36的氪。他们把这种现象称为“核裂变”。

    后来经过梅特涅及弗立希、约里奥一居里夫妇，匈牙利核物理学家西拉德、意大利核物理学家费米、丹麦化学家玻尔以及我国著名核物理学家王涂昌等无数科学家的精心研究，才知道裂变产物非常复杂。现在已知的分裂产物有35种元素，放射性核也有200种以上。

    在裂变反应中特别应该注意的是一个中子射进铀核，便会有两三个中子放射出来，而其中慢中子对于产生裂变有效得多。如果将放射出来的快速中子减速，那么这两三个慢中子又能再进行铀核的裂变。依此类推，就形成了循环串联的裂变。由于裂变过程极为短暂，又是一触即发，因此叫做“雪崩式”的裂变，即链式裂变。

    梅特涅根据爱因斯坦质能联系定律进行计算，发现每一个铀核裂变时伴随着有二百多兆电子伏特的能量释出。这一能量是十分巨大的，比碳燃烧时的化学能，即一个碳原子和两个氧原子结合能要大5千万倍，这就是意义巨大的原子能。

    3．不为法西斯效力

    哈恩因为发现核裂变反应而获得1944年诺贝尔化学奖，这是当之无愧的。

    哈恩之所以取得如此重要的发现，这是与他在中学时期就热爱化学、终生致力于化学事业分不开的。1879年3月哈恩诞生在德国的法兰克福，父亲是位农民，只有他这一个儿子，可他从小身体就不好。上中学后哈恩对数学、化学、物理非常热爱，学习成绩优异。中学毕业后他考人马柏格大学化学系，1901年获博士学位。1910年任伯林大学教授，1912年担任德国威廉皇家学会化学研究所所长。

    哈恩发现核裂变反应之时，正值希特勒发动第二次世界大战，许多科学家对此感到不安，担心希特勒会生产出原子弹用于战争。但是哈恩坚决反对生产原子弹，拒绝参加纳粹的原子弹的研究工作。因此，希特勒终究没有制造出原子弹。但美国利用这一发现于1945年7月16日试验成功世界上第一颗原子弹，制出的另外两颗原子弹在同年8月投在了日本的广岛和长崎。

    1955年哈恩负责起草了诺贝尔奖金获得者的“海洛宣言”，对滥用原子能的危险提出警告。1957年，18位德国杰出科学家反对德国获得任何核武器，哈恩也是其中一员。1968年7月28日哈恩与世长辞，在悼词中有这样一段叙述：“哈恩是一位名副其实的最仁慈的人，而这正是他作为一位探索者和科学家，作为马克思——普朗克学会的创始人和主席，作为在蒙受耻辱的年代中坚忍不拔的战士，以及在他晚年时作为一位贤明的忠告者而吸取其创造性力量的源泉。”这是对哈恩热爱科学、反对战争最恰当的评价。

    4．开辟科学新时代

    哈恩发现裂变反应并能放出巨大的能量，为人类开辟了一个新时代——原子能时代。众所周知，煤和石油是目前主要能源，但它们燃烧时会放出大量尘灰和有害气体，造成严重的环境污染，且资源有限。核裂变的发现使核能成为世界各国非常重视的新能源。从1954年6月27日前苏联建造了世界上第一个原子能发电站以来，至今已有300多座原子能电站建成，我国也相继建成了秦山和大亚湾两座核电站，为工农业生产输送着强大的电力。

    除此而外，核裂变时产生的放射性同位素可以标记原子，广泛应用于工业探伤及农业、医学等科学实验中。裂变时产生的中子和射线不仅运用于物理研究之中，而且在军事、天文、医疗等方面发挥重要作用。

    核裂变的发现加深了人们对原子结构的认识，科学家们运用各种最新的手段探索原子的奥秘，以后又发现了核聚变。

    由于裂变反应的深入研究，一些新的边缘学科随之诞生，如，放射化学、同位素化学，辐射化学、靶子化学、示踪原子化学等等。这些学科的发展为人类的健康及物质生活带来了无可比拟的变化，使人类跨入了原子时代。

    海水能成为铀的主要来源吗

    铀作为一种放射性化学元素在国防、工业、科研中有着极其重要的地位。由于其核裂解时能释放巨大的能量，从而成为核武器的主要原料。随着人们对于铀的认识由过去的单一性向多元化转变、从而更加重视起了对铀的开发和利用。目前全世界拥有核武器的国家很少，而核工业国家却不断地发展，核能也由单纯的军事型转变为民用型，核电站就是这种转化的典型代表。目前世界上各国的核电站原料能源大都采用铀。因而人们从以往的淘金热，变成了淘铀热。据科学家分析，全球陆地上的铀矿总和约可产铀250万吨，也就是说，如果全世界都采用铀为原料制造核武器。核电站以及航天、航海中应用核燃料的话，那么用不了多长时间，大陆上的铀矿就会被开采一空，而为之所建立的一切设施将变成一堆废钢铁。当然，这种想法确实有点悲观。

    专家们又提出，铀在海水中的总量超过陆地总量的一千五百多倍，这无疑为有核武器、核工业的国家注入了一针强心剂，于是人们便开始了海中寻铀的艰难工作。

    在人们头脑一阵发热之后，才慢慢地发现，这是一场多么艰难的工作呀！铀在海水中的浓度仅为十亿分之三，也就是说，1000吨海水中仅含有3克铀，铀存在于海水中的三碳酸盐复合物中。人们在处理了大量海水之后才发现，从海水中提取的铀所能释放的能量仅仅相当于或略高于将其从海水提取过程中所消耗的能量，这未免有些得不偿失了。于是科学家们又开始探讨新的方法，以减少耗能而获取更多的铀。

    美国科学家们用有机树脂分离海水中的铀与几种其他金属，在实验室研究中获得了成功，但是由于有机树脂的吸附率较低而大量生产成本较高，很难在实际工业中应用。后来，又经过长期的探索，终于发现了一种较为理想的新的铀吸附剂——水合二氧化钛，并且就此而研制出了一套以二氧化钛为基础的海水采铀的技术。

    在这众多的研究大军中，我国科学家们为此做出了重大贡献。他们研究发现，氧化铝、氢、氢氧化铁和氧化锌的吸铀能力最强，并且已在实验中得到证实，如果在实际工业中能够得以应用的话，那么提取铀的成本将大大下降，这无疑为海水提铀工业做出了巨大的贡献。

    另外，国外一些研究机构，也发现了较为经济简便的抽铀方法，他们研制开发了一种负离子交换剂，其吸附铀的效果也十分显著，在实验室中的表现上乘，但是在利用潮流的海水实验中，却令人失望。如想突破这个大关，尚需要另外研制一个与之完全不同的抽铀工艺流程。

    总之，海水提铀的设想是伟大的，而完成这个设想是极为困难的。目前世界上有数以千计的科学家和研究小组，仍在不懈地努力着，我们深信会有一天，海水提铀不再是一个神话，但现在我们只能将其列为一个尚未解开的谜。

    水助燃之谜

    中国有句俗语叫“水火难容”，意思是说水是火的对头，两者是势不两立的事物。水能灭火也是常见的事实。大家知道，只要哪里发现火灾，消防车就会隆隆地开去，喷出“大水”，火便会很快熄灭。

    但是，在特定的条件下，水却能帮助燃烧哩！或许您早已注意到，在工厂或老虎灶旁边的煤堆里，工人师傅常把煤堆浇得湿淋淋的，如果您问他们为什么要浇水时，他会告诉您说：“湿煤要比干煤烧得更旺。”

    难道这是可能的吗？

    原来，世界上一切事物，都会按不同的条件表现自己的独特性格。水也不例外，其实水能助燃，也表现在日常生活上，当你在烧开水时，如果壶里水开了溢出来，落到煤炉上，顿时火焰会变得更旺。究其原因也不复杂，因为，当炉膛中煤燃烧的温度很高时，加入水，就会和煤起化学作用生成一氧化碳和氢气。

    一氧化碳和氢气都是燃烧的能手，这样一来，炉膛内的火就会烧得更旺，水能助燃的奥秘就在这里。

    为了证明上述的原理，我们可以做下面的一个实验。烧瓶中放入200毫升水，在另一燃烧管中放入粒状硬质煤块，实验开始时先用小火匀热燃烧管，再用大火对着煤块加热使煤块变红，同时把烧瓶中的水煮沸，使水蒸汽通过燃烧管，此时在另一端燃烧管中点燃，就有蓝色火焰出现。

    这个实验，也是工业上制造水煤气的原理。

    除碳外，水也可和其他非金属元素起作用。

    水和氟能在常温下发生剧烈反应，生成氟化氢和氧气。

    在光的催化下，氯也可和水作用生成盐酸和浓氯酸。

    至于不活泼的非金属元素如溴、碘、磷等，一般就不能和水发生作用了。

    探测生物导弹之谜

    在海湾战争中，爱国者与飞毛腿展开了一场导弹大战，令世人瞩目。导弹作为现代化战争中一种必不可少的武器，正日益受到广泛关注。

    也许你还不太知道，在医学工程中也有一种导弹，它利用高度的准确率将一枚枚载有杀死特定某种物质的药物，发射到预定的目标。执行这种特殊功能的载体，就是目前研究中的生物导弹。

    战争所应用的导弹之所以能够准确地击中预定目标，是因为其弹头上装有一种先进的制导系统。据专家的报告，一枚优良的导弹，能够在几千公里以外发射而击中预定目标，误差范围不超过15米。这种现代化的高精尖技术，遗憾地被用在了屠杀生命上。而生物导弹与之相反的是用于解救人类的生命。

    对于生物导弹的制导系统的研究，是生物导弹作用大小的关键所在。我们知道，癌症是目前人类难以攻克的顽症，对于癌症的治疗目前所采用的无非是化疗和治疗。这两种治疗虽然对癌细胞有一定的杀灭作用，但同时也有许多正常的组织细胞在治疗中被杀死。另外，化疗药物随血液循环抵达癌组织时，药物浓度已经很低了，产生不了有效的作用浓度。于是，人们想到能不能用什么方法来使病变局部的药物浓度提高而不杀死正常组织细胞呢？

    科学家们在研究中发现，如果将癌细胞从机体组织中提出一部分，将其移植到裸鼠体内，然后多次繁殖，使癌细胞失去原有的生物活性，这时将其与抗癌药物相结合重新注人体内。奇迹出现了，这些载有抗癌药物的癌细胞，具有极高的方向辨别力，进入体内后迅速回到原来癌细胞生长的部位，并且将结合于其身上的抗癌药物也一同带到原有的癌组织中，这时抗癌药释放出来，有效地杀死了癌细胞。这些最初被提取出来的癌细胞，由于其减毒移植后仍具有较强的认亲性，因而是一种极为理想的导弹头。

    这种实验目前已被应用到了临床，医学通过对胃腺癌的研究，制成了生物导弹，在临床上收到了良好的效果。但目前仍只是停留在胃腺癌的水平上，因为腺癌比起其他类型的癌细胞来说较为容易被培养分离。在针对其他癌细胞的生物导弹研究中，遇到了极大的困难。

    生物导弹作为生物化学和医学领域中的一门新兴科学，已经受到广泛重视。目前，国内外许多医疗科研单位都在积极地研究中，但其提取、分离、结合载体等过程极为复杂，并且制作周期较长，还很难广泛地应用于临床，因此，对于这些方面的研究改进，是我们今后努力的方向，希望人类在制造杀人导弹的同时，应该多多关注救人的导弹。

    金属陶瓷的奥秘

    当今时代是一个高科技飞速发展的时代，人们习惯了快节奏的生活，以至一些交通工具也在向着提高速度的方面发展。高速列车、气垫船、超音速飞机等，都是这些高科技发展的产物，为人类的生活提供了极为便利的条件。

    目前世界上最快的超音速客机为音速的3倍，而在军事上应用的超音速战斗机最高速度可为音速的8倍。这些飞机速度的提高一是减少了阻力，二是增强了发动机的性能。我们知道，飞行器的高速运动均是由自身所携带的燃料燃烧产生的巨大热能，进而转化为动能的，因此该发动机的性能优劣，直接关系到飞行器的飞行性能。这在汽车、火车、轮船上也是同样的。

    据专家们测定，当飞行器高速飞行时，其发动机喷出的热量高达5000℃以上，我们知道，太阳表面的温度也不过6000℃左右。什么物质能够在这种高温下不被融化呢？钢铁是远远达不到了，合金钢与之也有一定的距离，于是人们想到陶瓷，陶瓷在这些材料中，耐高温的能力是最强的了，但是陶瓷却有一个致命的弱点，就是太脆弱了，它能耐得起高温，却耐受不了高压。

    科学家们在努力研究中终于发现，当在陶瓷中加入一些金属细粉，这样生产出的陶瓷不仅具有极高的耐高温性能，而且大大提高了陶瓷的韧性，这种陶瓷与金属的混合物，就是当今在航空动力学研究中极为受宠的金属陶瓷。

    金属陶瓷是由金属和陶瓷原料制成的，既有金属的优点，也有陶瓷的特性，由于其具有较高的韧性、高硬度、高抗氧化性，因而在火箭、高速飞行器中备受推崇。最常用于制造金属陶瓷的金属原料为铁、镍、铬、钴等，而最常用的陶瓷原料为氧化物、硅化物、硼化物、碳化物和氮化物等。金属陶瓷的生产也较为简单，烧制方法同陶瓷一样，只是将金属粉末物质混入陶瓷土中，根据要求制作出不同形状的东西。

    我们会有过这种感觉，当你将酒精涂在手上，不一会感到特别凉爽，如果有人发高烧而采用药物降温无效时，我们会想到用酒精来擦浴全身，其目的就是为了散热。金属陶瓷也是这个道理，在火箭的发动机达到最高转数时，产生大量的热，这种高温则使陶瓷中的金属物质挥发了，从而陶瓷的温度也随之下降。待陶瓷中的金属完全挥发掉后，这一部分的发动机则已完成了其工作使命，随着控制指令而脱离火箭，同时下一级火箭的发动机被点燃，新的工作程序又开始了。我们通常所说的多级火箭，就是根据这个原理制造的。

    另外金属陶瓷具有极高的抗腐蚀性。因而在原子应堆中，能够抵抗液态金属钠的侵蚀，成为原子反应正常进行的保护神。

    金属陶瓷虽然存在于世才30来年，但是由于其自身的极特殊的性能，格外受到人们的重视，尤其是在航空、航天领域，金属陶瓷真可谓少年老成。然而，科学家们更为感兴趣的不仅是它的优秀品质，而是它们这种优秀品质的来源。有人推测陶瓷中加入金属后表现出的特性，不能单单用金属在高温下挥发降温来解释，在金属陶瓷的制作中，其本身是否已经发生了某些化学反应而使之变成具有这种特性的新物质，那么这种陶瓷与金属到底发生了哪些反应，我们尚无法判断。而对于那种单纯金属挥发的解释，也有一定的可疑之处，这些还有待于今后的研究方能证实。

    神奇的发现——金属氢

    氢在自然界一百多种化学元素中可以称得上“老大哥”了，因为其原子序数为1，所以即使对化学知识了解很少的人，也会首先想到它。氢也正是由于其得天独厚的地位，因而引起了科学界的广泛瞩目。

    氢作为化合物的形成存在于我们的周围，已被人们广泛认识，如我们饮用的水（H（下标2）O），就是同氢和氧化合而成的物质，我们胃内的胃酸即盐酸（HCI）也是一种氢的化合物。其实在我们机体的细胞组织中含有的氢离子（H（上标＋））则更多了，它们在我们生命的活动中，起到重要作用。氢以非化合物形式存在，我们也对此有些了解，如液态的氢是目前航天领域中独领风骚的动力燃料，其燃料所产生的热能远远超过了我们现已知的可用性燃料，并且其体积小、重量轻，已成为航天器中最为理想的动力来源。

    在氢为我们创造了大量的不朽杰作的同时，人们不禁又突发奇想，氢在常态下是以气体的形式出现，能不能将氢制成金属呢？这种想法不是没有科学道理的，因为与氢同属一族的其他元素都是金属，惟独氢是气体，这看起来似乎不应该，那么有没有什么办法将氢制成金属呢？

    英国物理学家贝纳尔早在六十多年前就曾做出一种预测，只要有足够的压力，任何非金属物质均能够变成金属。因为在极大的压力下，可以使原子之间的化学键受到破坏，使原子间距缩小，从而原子问的相互作用大大加强，将原来只能在一定分子轨道上运动的电子变成自由电子。这样，该自由电子就变成各个原子所共有，从而形成具有自由电子的金属了。按照贝纳尔的设想，科学家们便着手于这项巨大的工程研究，结果是令人惊奇的，科学家们在超高压的作用下，已成功地将非金属物质如磷、碘、硒、硫等变成了金属，使之成为了既有金属光泽，又有良好导电性的金属物质。进入20世纪80年代，科学家们又成功地将氖气在32万大气压和32K的条件下变成了金属氖，随后又在100万大气压下成功地制成了具有金属光泽的氧。于是人们又开始向更高的尖端进发了，他们要制出金属的氢。

    据科学家分析，金属氢将具有极为特殊的性质，如常温超导性、高导热性以及高储能密度。当然，这些仅仅是科学家们的推测，至于金属一旦制成，是否真的像人们所想象的那样，目前还一无所知。人们一次次的尝试均失败了，然而这更激发了科学家们的斗志和探求精神，终于人们在超高压压力机下得到了一线希望。当超高压压力机达到100万个大气压时，人们在两个压砧之间通人纯度极高的氢气，并且将温度降至4．4K时，奇迹发生了，人们终于在两个压砧之间得到了一种具有金属光泽，其电阻率不足原来百分之一的金属氢）更值得欣慰的是，当人们将超高压力减少时，其仍能稳定地处于金属状态，这无疑为那些苦苦探寻金属氢的科学家们注入了一针强心剂，于是他们又开始向更新的阶梯攀登。

    但是，目前摆在我们面前的困难还很多，如超高压机的研制、开发，金属氢常温下能否稳定存在，以及将来能否大批量地生产与制造，这一切我们无法告诉人们。至于这个美好的构想能否实现，还有待于时间来回答。

    永不生锈的印度铁柱

    在印度德里城附近的麦哈洛里，矗立着一根公元5世纪铸造的巨大铁柱。这根铁柱高6．7米，直径约1．37米，用熟铁铸成，实心，柱顶有着古色古香的装饰花纹。据说这根铁柱是为纪念旃陀罗王而铸造的。

    但最令人惊异的是，铁柱在露天耸立了一千五百余年，经历了无数风吹雨打，至今仍没有一点生锈的痕迹！人们都知道，铁是最容易生锈的金属，一般的铸铁，不用说千年，几十年就锈蚀贻尽了。

    直到现在，人们也没有找到能够防止铁器生锈的有效办法。尽管从理论上说，纯铁是不生锈的，但纯铁难以提炼，造价高昂。而且有些科学家分析了铁柱的成分，发现其中含有很多杂质，绝非纯铁。照理说应该比平常的熟铁更容易生锈才是。

    如果说古代的印度人早已掌握了冶炼不锈铁器的技术，只是这种技术后来失传了，那他们为什么没有在同时代冶炼出其他任何不生锈的铁制器具呢？而且古印度的典籍中，也没有任何关于这方面的记载。

    铁柱孤零零地矗立在那里，好像一个不可理解的物证，在向人类的智慧挑战。

    可燃冰是如何形成的？

    十多年前，苏联有一位天然气专家为了研究往天然气井里注水对产气量的影响，让工人把20吨水注入一口气井里。不料，天然气出不来了，刚刚还出气的气井顿时变得死气沉沉。难道水会压住天然气？这是不大可能的事。这位天然气专家决定向气井里注入2吨甲醇。没有几个小时，气井又喷气了。他继续研究这一奇怪现象，发现原来气体在低温和高压条件下很容易形成水化物。在气井深处，温度低，压力大，水注入之后，就跟井里的天然气很快结合起来，形成一种特殊的水化物——可燃冰。气与水形成冰，气又如何喷出气井呢？而注入甲醇之后，甲醇与水有很大的亲和力，这样就破坏了可燃冰的结构，让气又解放了出来，重新喷出地面。

    人们很自然会想到在大海深处，很可能存在丰富的可燃冰。经过海洋学家和化学家的努力，这个猜想终于得到证实，在北极的海底发现了大量的可燃冰。可燃冰的结构很奇特，在1个可燃冰气体分子周围，包围着6个水分子，只要把水去掉，就是一种理想的燃料。它的热值很高，在每立方米可燃冰内压缩着200立方米的可燃气体。它们的储量在海洋里也大得惊人，现在已探明的储量，比煤、石油和天然气的总储量还要大几百倍。至少可供人类用上几千年。

    在海底洋底为什么会形成这么丰富的可燃冰，至今没有研究透。据推测可能因为海底压力大，海洋里的生物死后尸体沉入海底，经过细菌分解，生成甲烷、乙烷等可燃性气体，然后与水结合形成可燃冰。自古至今，一年又一年，就形成了这样的可燃冰矿藏了。但是，这种解释虽然有道理，却显得苍白无力。按说气体比水轻，它应该冒出海面，释放到大气中来。为什么反而钻人海底，与水结合呢？还有一个问题，海洋的生物死亡之后，尸体一般都是浮在海面，很少沉入海底的，不沉入海底，又如何谈得上分解成甲烷和乙烷可燃性气体呢？如果上述理论成立，那么陆地上的天然气早就应该与地下水形成可燃冰了，为什么没有这样呢？所以，此论不足取。

    人们对可燃冰有如此大的储藏量感到高兴，但要开采却有不小的困难。因为它们都沉睡在海底，人无法下去开采。这就需要一种有效的破冰剂，在机器人的操纵下进人海底，用破冰剂破坏可燃冰的结构，同时又能集中收集可燃性气体。这当然是21世纪的任务了。

    水是星际尘埃凝聚而成的吗？

    在人们观看世界地图时，发现地球上陆地少、海洋多。说得确切些，陆地面积占29．2％，而海洋占70．8％。所以，宇航员在太空观看地球——是一个蔚蓝的世界。既然海洋面积大，水也就多了。科学家进行过计算，说海洋里的水有13亿7千万立方公里。如果把地球上的所有高山和低谷都拉平，再把地球上的水全都包围地球，那么地球表面的水就深达二千四百多米。地球，真正变成一颗“水星”了。而太阳系的水星，至今没有海洋，上面也没有水。

    地球上这么多水是从哪里来的呢？为了揭开这个谜，科学家们进行了苦苦的探索。提出了这样的观点：地球上的水，是地球在漫长的历史进程中，由组成地球的物质逐渐脱水、脱气而形成的。现在，科学家认为地球是由星际尘埃凝聚而成的，在最初阶段，地球是一个寒冷的凝结团，是万有引力和颗粒间的相互碰撞，使这些星际尘埃物质紧紧地压缩在一起，形成原始地球。后来地球内部的放射性元素不断蜕变，凝固团的温度不断增高，最终形成我们可以居住的地球。

    对组成地球的地幔的球粒陨石进行分析，发现含有0．5％～5％的水，最多的可达10％。如果当初组成原始地球的陨石，只要有1／800是这些球粒陨石的话，那么就足以形成今天的地球水圈。问题是，当初是这样的情形吗？至今没有定论。

    另一种解释，最火山喷发喷出大量的水。对今天活火山的观察和研究，的确伴随滚滚浓烟，炽热熔浆的喷发，是有大量水蒸汽释放到地球的大气中。在喷出的气体中，水汽占75％，数量的确很大。如美国阿拉斯加有一座叫“万烟谷”的火山，在每年喷出的气体中，水汽就有6600万吨。自地球诞生至今，也不知多少火山喷发过，其次数也无法统计，喷出来的水汽就更多了。有的科学家认为，至少是地球上现有水的二分之一。地球上的水一部分来自火山喷发这是肯定的。火山为什么能喷发水汽？因为地下深处的岩石、岩浆里含有相当丰富的水。火山一喷发，因为熔岩温度高，把岩浆里的水很自然蒸发，逸出地球表面。这些水汽到了高空遇到冷气，凝结成水，最终落到地上，形成涓涓水流，进人海洋。据科学家研究，早期地球很热，大约在六亿年前，地球表面的温度才降到30℃，此时大气中的水汽有99％降落到地面。地球上才开始有海洋、江河湖泊。水是生命之源。只有有了水，地球上才开始有生物，慢慢有了人。

    但是，也有科学家认为地球上的水来自冰陨石。什么是冰陨石？就是来自宇宙空间的以冰的形式落到地球上的陨石，因为它的组成主要成分是冰。关于冰陨石不仅美国、西班牙等均有发现，而且在我国也有报道。如1983年在我国江苏无锡市就有一块直径50～60厘米的冰陨石降落到地。落到地面的冰陨石比较少，大多在大气层融化掉，它们成了大气水蒸汽的重要来源之一。科学家说，地球一年之中可从冰陨石获得10亿吨水。美国科学家弗兰克认为，地球上水的3／4都是来自冰陨石，是不是这样呢？我们尚不能下结论。

    关于地球上水的来源的三种解释，都有一定的事实为根据，但这三种解释同样存在片面性。看来要分出高低，或者用新的理论代替它们，必须有更充分的事实为凭。

    物质能在二氧化碳中燃烧之谜

    二氧化碳常作为灭火剂用，那么一切物质都不能在二氧化碳中燃烧吗？实际情况并不是这样，有些物质在二氧化碳中照样能够燃烧，关键在于要正确理解燃烧的概念和发生燃烧的条件。

    让我们先回顾一下初中已做过的几个化学实验。

    什么叫燃烧？《化学》课本第一章给燃烧下的定义是这样的：“燃烧指的是可燃物跟空气里的氧气发生的一种发热发光的剧烈的氧化反应。”显然，从这个定义出发，燃烧需要有氧化参加。但我们学过氧化还原反应以后就会发现，有些反应同样是发热发光的剧烈的氧化反应，但并没有氧气参加。例如，氢气在氯气里的燃烧。因此有必要将燃烧的定义加以扩充，以加深对燃烧概念的理解。我们知道，氧气是一种强氧化剂，在氧化还原反应中易得到电子而本身被还原。空气中含有大量的氧气，物质的燃烧绝大多数是在空气中进行的。所以大多数燃烧反应有氧气参加。但我们从上表中也可以看到氢气能在氯气中燃烧，因为氯气也是一种强氧化剂，它与氢气的反应同样是激烈的发光发热的氧化还原反应，因此也应该叫燃烧反应。这样，我们就可以把燃烧的定义扩充成“燃烧是发光发热的剧烈的氧化还原反应”。

    二氧化碳是常用的灭火剂。消防用的泡沫灭火器中装有硫酸铝溶液和碳酸氢钠，当使用灭火器来灭火时，将灭火器倒转过来，硫酸铝溶液和碳酸氢钠相混合，反应产生大量的二氧化碳气体并同氢氧化铝形成泡沫喷射在已燃烧的物质上。因为二氧化碳比空气重，它与泡沫一起覆盖在燃烧物质表面使其隔绝空气达到灭火的效果。二氧化碳所以能灭火，其内因是由于二氧化碳与燃烧物质不能进行反应，从而达到灭火的目的。

    二氧化碳能用来扑灭一切燃烧的火焰吗？不。因为二氧化碳原子的化合价是＋4价，为碳的最高化合价，它有可能得到电子变成＋2价或0价。所以＋4价的碳可以被还原，故二氧化碳是一种氧化剂。当它遇到强还原剂时也可以进行激烈的发光发热的氧化还原反应。例如，在盛满二氧化碳的烧杯里，放进点燃的镁带，可’以观察到镁带在二氧化碳里继续燃烧。反应时，发出耀眼的白光，生成白色固态物质——氧化镁，同时在烧杯壁上附着黑色物质——碳。

    在这个反应中，镁从CO（下标2）中得到氧，使镁氧化，镁成为还原剂。而原跟氧化合成CO（下标2）的碳从＋4价变为0价，被还原成碳，所以我们说CO（下标2）是氧化剂。除此以外，钾、钠、锌等活泼金属都能在二氧化碳中继续燃烧。

    是不是能使二氧化碳的碳原子化合价降低的反应都叫燃烧呢？也不能这样说。例如，碳在高温下能与二氧化碳反应生成一氧化碳

    这个反应不放热，也不发光，而是吸热，故不能叫燃烧反应。

    综上所述，燃烧是发光发热的激烈的氧化还原反应。二氧化碳常作为灭火剂，但不是所有的物质都不能在二氧化碳里燃烧。

    超强酸的酸性为何强得出奇

    早在古埃及时代，人们就认识了醋酸。到了17世纪，荷兰化学家劳贝尔又发现了盐酸、硝酸和硫酸。时至今日，人们已知的酸类物质已有很多很多种。但在这庞大的酸类家族中，酸性强的并不多，大家熟悉的强酸，主要有盐酸、氢溴酸、硝酸、硫酸和高氯酸等。它们有强烈的腐蚀性，许多“刚强”的金属在它们面前也要“酥软”下来。不过，它们对黄金却无可奈何。

    黄金不怕酸的时代并没有延续多久，化学家们就发现，如果将浓硝酸和浓盐酸按照1：3的体积比混合，所得到的混合酸液的酸性强度比上述几种酸要强得多，黄金遇到这种混合酸液就像“泥牛入海”一样，很快就变得无影无踪。无怪乎人们称这种混合酸液为“酸中之王”——王水。

    在很长的一段时间里，人们认为最强的酸就是王水了，不会再有新的“酸王”出现了。就在人们对强酸没有什么新追求的情况下，在一个圣诞节的前夕，美国加利福尼亚大学的实验室里却传出了一则惊人的消息：奥莱教授和他的学生偶然地发现了一种奇特的溶液，它能够溶解性质非常稳定的蜡烛。这种奇特的溶液是1：1的SbF（下标5）·HSO（下标3）F溶液。

    我们知道，蜡烛是高级烷烃，通常不与强酸、强碱甚至强氧化剂作用，但1：1的SbF（下标5）·HSO（下标3）F溶液却能让它“粉身碎骨”。奥莱教授对此现象非常惊愕，他把这种溶液称做“魔酸”，后来又称做超强酸。

    1：1SbF（下标5）·HSO（下标3）F超强酸的发现，重新点燃了人们对强酸研究的兴趣之火。迄今为止，化学家们又找到了多种新的超强酸。不仅有液体超强酸，如HF·SbF（下标5）·HSO（下标3）F等；还有固体超强酸，如SbF（下标6）·SO（下标2）ZrO、SbF（下标5）·HSO（下标3）F·Al（下标2）O（下标3）等。它们都具有与1：1的SbF（下标5）·HSO（下标3）F溶液相似的性质。

    从成分上看，超强酸都是由两种或两种以上的化合物组成的，且都含有氟元素。它们的酸性强得令人难以思议，真不愧是酸中的“巨魔”。例如，超强酸HF·SbF（下标5）的“摩尔比”为1：0．3时，其酸性强度是浓硫酸的1亿倍；当其“摩尔比”为1：1时，其酸性强度约为浓硫酸的10亿倍。它们是强酸家族的新秀，也是名副其实的超级明星，王水在它们面前只是“小巫见大巫”了。

    由于超强酸的酸性和腐蚀性强得出奇，因此过去在化学领域中一些极难或根本无法实现的化学反应，在超强酸的条件下便能异常顺利地完成了。例如，正丁烷在超强酸的作用下，可以发生C—H键断裂，生成氢气，又可以发生C—C键断开生成甲烷，还可以发生异构化生成异丁烷……这些都是普通强酸所做不到的。

    对于超强酸为什么能使正丁烷发生上述化学反应，其详细反应机理至今也不清楚。

    过去，化学界是用瑞典化学家阿仑尼乌斯的“电离理论”来定义酸和碱的。根据这一理论，把酸定义为“电离时生成的阳离子全部是氢离子的化合物”，把碱定义为“电离时生成的阴离子全部是氢氧根离子的化合物”。在已发现的几种超强酸中，有的根本就不含氢元素，因此无法电离出氢离子来，既然如此，也就不能用阿仑尼乌斯的电离理论来认识超强酸了。这样，人们又想到了路易士的“电子对理论”。根据路易上的理论，酸是其分子或离子在反应过程中能够接受电子对的物质；碱则是其分子或离子含有可以配给电子对的物质。不过，超强酸又与能用路易士理论解释的一般酸不同。一般酸都是一种化合物，而超强酸都是由两种或两种以上的化合物组成的，且都含有氟元素。那么，究竟什么样的两种化合物可以组合成超强酸，组合是否有一定的规律，超强酸还能有多少新成员……这些都是未知数。

    凡是学过化学的人都知道结构决定性质。超强酸为什么具有如此特殊的化学性质，它们的结构有什么显著特征，也有待于人们进行深入的探索。

    现在已知的几种超强酸，除了可以做催化性能极高的酸性催化剂以及做有机化合物和无机化合物的质子化试剂外，在其他领域里还有哪些应用，这方面的谜也藏得很深很深，等待着人们去发现。

    棉花做炸药之谜

    棉花，是个斯斯文文的家伙，棉被里有棉花，棉袄里也有棉花，难道这些普普通通的棉花，可以变成炸药？

    棉花真的可以做炸药。

    按照化学成分来说，棉花几乎是纯净的纤维素。它与葡萄糖、麦芽糖、淀粉、蔗糖之类是“亲兄弟”——都是碳水化合物。

    棉花容易燃烧，但是，燃烧时并不发生爆炸。可是人们把棉花（或棉子绒）与浓硝酸和浓硫酸的混合酸作用后，就制成了炸药，俗名叫做火棉。这是因为硝酸好像是个氧的仓库，能供给大量的氧，足以使棉花剧烈地燃烧。

    火棉燃烧时，要放出大量的热，生成大量的气体——氮气、一氧化碳、二氧化碳与水蒸气。据测定，火棉在爆炸时，体积竟会突然增大47万倍！

    火棉的燃烧速度也是令人吃惊的：它可以在几万分之一秒内完全燃烧。如果炮弹里的炸药全是火棉的话，那么，在发射一刹那，炮弹不是像离弦之箭似地从炮口飞向敌人的阵地，而是在炮筒里爆炸了，会把大炮炸得粉身碎骨。因此，在火棉里还要加进一些没有爆炸性的东西，来降低它的爆炸速度。

    你见过液态的氧气吗？在极低的温度、很高的压力下，无色无味的氧气会凝结成浅蓝色的液态氧气。把棉花浸在液态氧气里，就成了液氧炸药了。一旦用雷管起爆，爆炸起来，威力可不小。

    棉花是很便宜的东西，液体氧也不太贵，自然，液氧炸药的成本也比较低廉。所以，液氧炸药与火棉可算是便宜的炸药了，被大量用来开矿、挖渠、修水库、筑隧道。经过硝酸或液氧处理的棉花，能成为人们移山造海的好助手。

    石油气变成橡胶之谜

    我们手中拿一块橡胶，就会感到它是具有弹性、韧性和强度高的物质。正因为橡胶有这种优良的性质，几乎每一个工业部门都需要橡胶制品，甚至很多生活制品也离不开它。随着工业的飞速发展，对橡胶的需要越来越广泛，天然橡胶已不能满足需要，人们便开始探索获取橡胶的新方法。从19世纪开始，人们经过许多次科学实验，逐渐认识橡胶是碳氢化合物，由丁二烯和异戊二烯分子所组成。

    既然橡胶能够分解成单体的丁二烯分子和异戊二烯分子，那么在一定温度和压力的条件下，将异戊二烯分子和丁二烯分子聚合就可以生成合成橡胶，也就是人造橡胶。我国现在已经能够生产氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁钠橡胶、丁苯橡胶等各种合成橡胶。

    人们从生产实践中，发现石油气体中含有良好的制造橡胶的原料。

    从石油中提炼出汽油以后，其中余下一部分蒸馏气体，我们叫它石油气。石油气是含有各种有机碳氢化合物的气体。石油气再经过高温裂解、分离提纯，就能得到制造合成橡胶的各种气体：如乙烯、丁烯、丁烷、异丁烯、异戊烯、戊烯、异戊烷等等。乙烯在一定的条件下与水分子作用，可以合成乙醇；两个醇分子脱去水分子就生成丁二烯。丁烯和丁烷在高温下经过化学反应，同样可以生成了二烯。本二烯经过聚合就能变成丁钠橡胶。而丁二烯与苯乙烯共聚又能生成丁苯橡胶。丁二烯与丙烯腈共聚，则生成丁腈橡胶。

    同样，异戊烷和异戊烯通过高温裂解，可以生成异戊二烯；异戊二烯聚合就生成了异戊橡胶。现从石油气中可以提炼多种合成橡胶的原料。可见，合成橡胶不仅充分利用了丰富的石油工业资源，而且还具有比天然橡胶更优越的耐磨、耐寒、耐油、耐酸等性能。如丁苯橡胶比天然橡胶更耐磨；氯丁橡胶有极好的耐曲挠性能，可防火、耐酸、耐油；丁腈橡胶耐油性能更好……因此，合成橡胶是工农业生产、国防、科学研究十分需要的材料。

    晶体“爬高”之谜

    一天，我们在化学实验室的角落里，发现了一只盛有一点儿饱和碳酸钠溶液的烧杯，这点儿溶液是我们儿天前在实验时剩下的。我们发现，烧杯壁上结满了白色的晶体，连外墙也有。这个奇异的现象引起了我们的兴趣。我们仔细观察以后，发现壁上所结的晶体，都是由许多规则的碳酸钠晶体积累而成：烧杯底部结得最厚，烧杯壁上则较薄较均匀。

    晶体为什么会沿着器壁往上“爬”？别的盐溶液是否也有这种现象？其中的道理是什么呢？怀着满腹的疑问与好奇，我们设计了一个探索性的实验。

    我们选用了碳酸钠、硫酸铜、氯化钠等药品，分别配成了它们的饱和溶液。为了避免外界或人为的干扰，我们把分别盛有这几种溶液的烧杯放在容易进行观察而又不易被人碰倒和发生震动的地方。

    第一天，我们发现：盛有碳酸钠的烧杯壁上就有高出液面1～2毫米的蓝色晶体析出；而在盛有氯化钠溶液的烧杯里还没有什么变化。我们用放大镜观察烧杯内壁上已析出的晶体，发现晶体与晶体之间有细小的缝隙，缝隙之间充满着液体！用滤纸轻轻地接触这些晶体，滤纸会变得湿润。

    第二天，我们看到：第一个烧杯里析出的碳酸钠晶体“长”得更高了；硫酸铜晶体也有增长；使我们惊喜的是，装有氯化钠溶液的烧杯壁上也有了“动静”——出现了一丝丝晶体。

    时间一天天过去了，碳酸钠和硫酸铜晶体也越析越多，越“爬”越高。当它们“爬”到杯口后，还越过林口从烧杯外壁往下“爬”，速度也明显加快，仅两三天时间便已延伸到烧杯底部。就晶体的量而言，烧杯口上的晶体则远比外壁上的多。

    我们知道，碳酸钠和硫酸铜的晶体都含有结晶水，而氯化钠晶体不带结晶水，那么，使晶体“爬高”的原因是什么呢？我们翻阅了一些书籍，没有找到对这种现象的记载和解释，于是，我们运用有限的化学知识尝试着做了这样的解释：

    由于液体和玻璃先形成浸润，使附着玻璃的饱和溶液因水的蒸发而析出晶体，这些晶体之间的缝隙又形成了毛细管，饱和溶液便借助毛细管作用上升到晶体上端，并再次因水的蒸发而析出新的晶体……如此不断进行，使得晶体“叠罗汉”般地层层上升。等“爬”到烧杯口，晶体失去继续“攀登”的支架，只好折返到烧杯外壁，自上而下“爬行”。由于重力的作用，液体沿烧杯外壁先流下来，加上外壁的蒸发作用比杯内强烈，所以晶体析出的速度明显加快，只两三天就把烧杯外壁全包了起来。

    我们推想，只要烧杯里有晶体（无机物）的饱和溶液，并且时间足够长，都有可能出现上述现象。这种晶体“爬高”或“爬行”的速度很可能还同该物质的溶解度、晶体内的结晶水数目、晶体形状、晶体风化性质、温度、湿度等有关系。我们准备在今后的学习中继续探索这些问题，并且设计出新的实验来。往大海里投放大量的铁能改变地球的温室效应吗？

    1990年地球出现创记录高温，平均气温为15．5℃，是一百多年来地球最热的一年。美国空间气象研究所认为，1880年以来，地球出现的7个最热的年头均发生在1980年以后。80年代平均气温比上个世纪同期高0．6℃。美国科学家提出相似的结论：1850年以来，地球上7个最热的年头中有6个发生在20世纪80年代。

    1989年7月，在巴黎召开的7国首脑会议上，7国首脑呼吁，采取共同努力措施，限制二氧化碳和其他“温室气体”的排放，“要放慢全球变暖的过程”。环境专家制定了苛刻的规定并提出增加巨额的新税收。全球的经济投入和社会干预规模将是巨大的，这将有可能改变人们的生活方式。

    “气候变化——需要全球合作”，这是联合国环境规划署制订的1991年世界环境日的主题。气候变化目前已成为举世关注的热门话题。所谓温室气体，是指当阳光照暖地球时，大气低层的水蒸气、二氧化碳、沼气和人造氯氟烃等具有温室玻璃的作用，保留部分热量使地表变得越来越暖。监测结果表明，100年来大气中二氧化碳浓度已增高了25％。全世界90％的能源来自煤炭、石油和天然气，每年向空中排放55亿吨二氧化碳。仅从1958年以来，二氧化碳就增长了11％。沼气在温室气体中含量仅次于二氧化碳，是沼泽地、水稻田、蚁巢和反刍动物等排放的，总量每年递增1％。氯氟烃是从电冰箱、空调器、泡沫塑料、喷雾器中释放出来的，数量虽少，但比二氧化碳的吸热能力强几倍，且具有破坏高空臭氧层的作用。联合国预测，如果人类对二氧化碳的排放不加限制，到21世纪末，全球平均气温将上升2～5℃，其增暖幅度将是1万年来所从未有过的。同时，气候变暖将会导致海平面升高30～100厘米，许多海拔低的岛屿和大陆沿海地区将会葬入海底。目前，地球平均气温上升不到1℃，听起来似乎没什么了不起。然而，当年地球气温仅仅上升5℃，就使地球摆脱冰河时代，自然景观发生翻天覆地的变化。为防患于未然，人类必须采取相应的措施。

    最近，美国海洋学家提出了抑制温室气体、控制全球变暖的新设想，将约三十万吨铁投入全球18％的海洋中去，铁作为一种“肥料”，可促使海洋中浮游植物繁茂生长，通过光合作用每年吸收近二十亿吨的二氧化碳，增强海洋的固氮能力，是对付温室气体使全球变暖的最简单途径。

    但是，给海洋施铁肥料的工程十分巨大，选择适当的施肥地点有较大的困难，还要考虑到生态方面的问题，这种新设想目前还不能实现。何时实现，能否实现，还需要时间。

    地球上的氧会不会被耗尽

    地球上的生物每天都要消耗大量的氧以维持正常的生命活动，另外工厂、农村，无论是大锅炉，还是家用炉灶，其燃烧时均需要大量的氧气助燃，同时世界上一切氧化反应均需要氧的参加才能完成。

    氧气在空气中占体积的21％，我们和其他生物所谓呼吸空气，就是呼吸空气中的氧，而释放出体内废气——二氧化碳；一个健康的成人每天大约需吸入500升的氧气，而呼出约400升的二氧化碳；其他动植物也同样在吸收氧而释放二氧化碳。随着工业的发展，世界上二氧化碳的量不断增加，正如1898年，英国物理学家凯尔文十分担心地说：随着工业的发达和人口的增多，500年后地球上的氧气将全部被消耗光，只剩下日益增多的二氧化碳。他的这种说法虽然过于悲观了，但是目前世界上逐日增加的二氧化碳的量也不能不令人担忧。二氧化碳增多的直接后果就是造成了地球的“温室效应”，使地球的温度上升，冰川融化。据科学家预测，如果南极大陆的冰川融化，那么将使美国的摩天大楼淹没在第二十层，而像荷兰等一些地势较低的国家，将不复存在了。那时的陆地面积很可能只占地表面积的5％～10％，全世界60～70亿的人口将挤在更为狭小的陆地，人类还能生存么？

    当然凯尔文似乎有些多虑了，因为地球上的生物有消耗氧的一方面，也有生成氧的一方面。世界上大量的绿色植物在光合作用时，吸收了大量的二氧化碳，同时排出氧气。据科学家们实验分析，3棵大桉树每天吸收的二氧化碳的量，相当于一个人每天所呼出的二氧化碳的量。另外，还有一种默默进行工作的物质，那就是石头，也从空气中吸取着大量的二氧化碳。科学家们发现岩石中所含的碳酸钙会在二氧化碳和水的作用下，变成可以溶解的酸式碳酸钙，这就是岩石的风化过程。据分析，每年由于岩石风化所耗掉的二氧化碳大约40～70亿吨，这些风化的岩石随着江河流人大海，当它再与石灰化合时，又重新形成石灰石，成为新的岩石而沉入海底。

    因而，乐观的人认为，地球不会变成二氧化碳的世界，只是二氧化碳的含量略有增加而已。各国科学家也在积极探索着一些新途径，以期使二氧化碳的排放量减少，并且可能的话将其再生利用。而对于空气中氧气的生成，却没有更好的方法。专家们认为，人类最好的保护氧气的方法，就是减少森林面积的流失，保护绿色植物。因为我们人类赖以生存的氧气，就是由这些大量的绿色植物产生的。

    氧气至于是不是真的会被耗尽，正如我们上面所说的那样，有赖于人类的努力。如果人为地对生态平衡过度破坏、乱砍乱伐森林，致使大量绿色植物锐减，势必会造成氧的生成障碍，也许会有一天，人们真的会面临着氧气的危机。减少二氧化碳和其他废气的排放，也会缓解即将出现的氧气危机。如果人类在感觉缺氧的时候，才开始保护、生成氧，那么一切都将为时已晚了。

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