1.4 上班

●　藍天：瑞利散射和大氣現象的各種變化

早餐後你就出門了。現在正值冬季，氣溫很低，但今天的天氣很好，天空萬裏無雲，一片湛藍。我們對這樣的天空已經習以為常，但若是想要解釋清楚為什麽天空是藍色的就不是那麽簡單了。英國物理學家約翰·威廉·斯特拉特·瑞利（John William Strutt Rayleigh， 1842—1919）[34]成功解釋了這個問題。在這一現象的基礎上，光的一種特殊行為被命名為瑞利散射（Rayleigh scattering）。當光線穿過由小顆粒（其尺寸與光的波長相當）組成的介質（如大氣中的氣體分子）時，它會向各個方向偏轉。但根據入射光波長的不同，擴散強度也不同。瑞利發現，大氣散射光的強度與入射光線波長的四次方成反比。太陽光由各種波長不同的成分（對應於彩虹顏色的色光）構成，波長較短的光受大氣散射的影響較大。組成太陽光的色光波長從紅光到紫光逐漸減小，因此散射能力最強的色光應該是紫光。但是由於紫光在太陽光中的強度很弱，所以散射最強的就變成了波長也很短，但光強度更高的藍光。所以天空呈現藍色多虧了有大氣層作為擴散介質。在沒有大氣的情況下，天空會呈現黑色，宇航員在地球大氣層外的旅行證實了這一點。

今天的天空中沒有雲，但我們知道雲一般是白色的，有時也會更暗。雲由懸浮在空中的水滴組成，因此它們是比分子和光的波長大得多的“物體”。在這種情況下，光仍然是向各個方向擴散的，但不管波長大小如何，它們的散射程度都是一樣的。另外我們還知道，所有波長的光合在一起就是白光，所以我們的眼睛看見的就是白色的雲。有時候陽光無法穿透厚雲層，下層的雲處在陰影之中就會顯得很暗。它們的大體積，尤其是它們的厚度阻礙了光線的通過，所以雲朵看起來是“陰暗”的。

仔細想想這些事情你會覺得奇怪，為什麽在黎明和日落的時候天空反而呈現出紅色？在這種情況下，所涉及的現象不再是光的散射，而是空氣中的分子對輻射的吸收。在黎明和日落時分，太陽比地平線低，太陽發出的光側著射入地球表麵，太陽光必須穿過更厚的大氣層，因此大氣層也就吸收了更多的太陽光。但空氣中的氣體分子主要吸收波長較短的光線，而波長較長的光卻能安然無恙地通過。所以到達我們眼睛的光線中紅光會更多。

●　道路上的冰和鹽

盡管天空晴朗，但氣象部門預測明天會下雪甚至可能有霜凍。為此，市政府已安排在街道上撒鹽。當你走出家門的時候恰巧有一輛撒鹽車經過。你的腦海中浮現出你姑姑在製作冰激淩時，將碎冰和鹽混合，以此來降溫的畫麵。但是這樣一來，在道路上撒鹽又有什麽意義呢？不是進一步降低溫度了嗎？製作冰激淩的撒鹽和道路除冰撒鹽這兩種現象雖然看起來相似，但也必須解釋一下，以免大家混淆。在標準大氣壓下，純水在0℃時會結冰（也可以說冰會在這個溫度時融化），而鹽（或其他物質）的水溶液反而會在更低的溫度下結冰，並且溶液的濃度越高，凝固點越低。這種現象被化學家們稱為冰點降低（同樣，溶液的沸點也比純溶劑高，在這種情況下我們稱其為沸點升高）。當鹽被加到冰（或雪）裏時，我們會發現同時存在3種不同的物質（化學家稱它們為相）：固體冰、固體鹽以及鹽融化在原有的少量水裏麵形成的氯化鈉溶液。這3種相的共存決定了不平衡、不穩定的局麵。然後冰逐漸融化，形成的水會進一步溶解鹽。冰的融化過程會從外界環境中吸收熱量，這樣就會使物質溫度逐漸降低（這就解釋了為什麽要用冰和鹽的混合物來降低溫度製作冰激淩）。最後會達到以氯化鈉溶液為代表的單相組成的平衡狀態。最終的溫度會下降，但冰層卻已經完全消失了，而這正是我們想要達到的目的。溫度下降多少取決於鹽的添加量。如果使用普通食鹽（氯化鈉），則可達到的最低溫度是-21.3℃，這個值稱為共晶溫度（eutectic temperature）。一般情況下，如果將兩種純物質混合，得到的混合物的熔點會比兩種純物質的熔點低。這種特殊的混合物具有最低熔化溫度，被稱為低共熔物（eutectic mixture）。在加入氯化鈉的情況下，得到的低共熔物是質量濃度約為23%的氯化鈉溶液。

我們一般使用普通的氯化鈉來清除道路上的冰，也可以使用氯化鈣。通常我們還會將這兩種鹽與沙子或碎石混合，以增加地麵的摩擦力，為車輛輪胎提供良好的附著力。

●　製冷板

低共熔物也應用於低共熔片（eutectic plate）。這是一種含有低共熔溶液的金屬板，溶液可以被內部冷卻盤管冷凍。凍結後的溶液馬上就會從外部吸收熱量，從而保證放置環境（如集裝箱、冷凍食品運輸車等）的製冷效果。普通的製冷板（Piastre refrigeranti），又稱冰晶盒（siberino），也是采用同樣的原理，將它放在冷凍室中凍結，然後用於保溫袋和便攜式冰箱的製冷。

●　汽車：汽油、碳氫化合物、內燃機

一路上想著鹽、冰和共晶這些知識，不知不覺中你已經來到了車庫。你上了車，然後插上鑰匙，啟動車子去上班。你可能覺得奇怪，但確實這次你又開啟了一個化學反應。這個反應是發生在汽車氣缸中的碳氫化合物的燃燒（或氧化）。碳氫化合物是由碳和氫組成的化合物，因為它們隻由兩種元素組成，所以化學家稱它們為二元化合物（Binary compound）。眾所周知，碳氫化合物是當前社會重要的能源來源（也是生成無數其他化合物的基本）。根據其分子結構，碳氫化合物可分為不同的類別。分子以開鏈形式存在的稱為脂肪族化合物（aliphatic compound）。而在具有閉合（環狀）鏈的碳氫化合物中，有脂環族化合物（alicyclic compounds）和芳香族化合物（aromatic compounds）[ 或芳香烴（aromatic hydrocarbon） ]。脂環族化合物盡管具有閉合碳鏈，但它有著與脂肪族相似的化學鍵。芳香族具有特殊的電子結構，賦予了它們特殊的性質（取名為“芳香族”，是因為許多這類化合物具有芳香氣味；但現在化學家們認為隻要此類化合物滿足特定電子結構，不管是否有香味，都叫芳香族化合物）。脂肪族包含烷烴（alkane）、烯烴（alkene）和炔烴（alkyne），烷烴中的碳原子之間隻有單鍵（隻由一對電子構成），烯烴含有碳碳雙鍵（2對電子），炔烴含有碳碳三鍵（3對電子）。

汽車使用的汽油主要是由碳原子數為5～9個的烷烴和烯烴的混合物組成，但也存在芳香烴和其他化合物（見下文）。在我們的汽車發動機中，汽油在化油器中被霧化並與空氣混合。空氣與汽油的混合物進入氣缸後被活塞壓縮，在壓縮衝程結束時，氣缸頂端的火花塞產生的火花使混合物猛烈燃燒。燃燒釋放的能量推動活塞運動，這樣的運動會通過連杆傳遞給曲軸。氣缸中發生的燃燒是汽油中的碳氫化合物與空氣中的氧氣之間的燃燒反應，得到的產物主要是水（由於高溫而呈水蒸氣狀態）和二氧化碳（但還會有其他化合物形成，會帶來汙染問題，見下文）。這些產物通過排氣管排出，在天氣寒冷時很容易發現水的排出，因為蒸氣會凝結成特有的白色霧氣。

為了提高發動機效率，重要的是要保證空氣和汽油的混合物在壓縮衝程結束之前不會自燃。如果出現這種情況，發動機就會運轉不暢，用專業術語來說就是發動機爆震。汽油的質量是根據其抵抗壓縮過程而不自燃的能力來評估的。這種能力叫作抗爆震能力。為了使汽油的抗爆性更可觀，我們定義了辛烷值（octane number）這個常規量，它是每種汽油抗爆性能的指標。傳統上選擇兩種碳氫化合物（烷烴）作為測定辛烷值的標準燃料，分別為正庚烷和異辛烷。正庚烷（n-heptane, normal heptane）是一種由7個碳原子組成的直鏈烷烴（這就是它為什麽叫作正庚烷）。它的抗爆性差，換句話說就是當它與空氣混合時，通過簡單的壓縮很容易就燃燒，因此將它的辛烷值設定為0。2,2,4-三甲基戊烷（2,2,4-trimethylpentane），或稱異辛烷（isooctane），含有8個碳原子，分子結構中含有支鏈，抗爆性好，它的辛烷值設定為100。如果將這兩種烴混合，得到的混合物將具有中等抗爆震能力（因此辛烷值也是如此）。為了確定汽油的辛烷值，我們將它的抗爆震能力與正庚烷和異辛烷的混合物的抗爆震能力進行比較，直到找出性能與該汽油完全相同的混合物。混合物中異辛烷的百分比對應著我們汽油的辛烷值。舉個例子來說，如果汽油與含有95%異辛烷和5%正庚烷的混合物具有相同的抗爆震能力，我們就說它的辛烷值為95。優質汽油必須具有較高的辛烷值，而要得到優質汽油基本上有兩種方法。第一種是改變碳氫化合物的分子結構。一般來說，直鏈烷烴（如正庚烷）的辛烷值較低，而具有支鏈的烷烴（如異辛烷）的辛烷值較高。所以汽油生產商就嚐試通過增加支鏈分子的含量來提高辛烷值。為了實現這個目的，我們采用了兩步工藝流程，即裂化（cracking）和重整（reforming）。裂化（字麵意思是指斷裂）是一種石油化工工藝，在加熱（高溫）或催化（使用特殊的固體催化劑）條件下，通過使分子鏈較長的烴斷裂來獲得短鏈烴。重整（字麵意思是重組）就是通過使用特定的金屬催化劑將直鏈烴轉化為其他具有支鏈的烴的過程。

然而，用上述過程得到的汽油並不總是具有足夠高的辛烷值。所以為了進一步提高辛烷值，還可以在汽油中添加特殊的抗爆劑。最早使用的汽油抗爆劑之一是四乙基鉛（teraethyl lead），它是一種金屬有機化合物，其分子由1個鉛原子與4個乙基連接而成，因此它的分子式為Pb（CH2CH3）4。1921年，任職於通用汽車公司戴頓（Dayton）實驗室的托馬斯·米基利（Thomas Midgley， 1889—1944）發明了四乙基鉛。米基利不僅受過工程師訓練，是一位機械工程師，同時也是一位多產的發明家。除了發現了四乙基鉛的抗爆性能，他還於1930年合成了二氯二氟甲烷（dichlorodifluoromethane），可作為家用冰箱的製冷劑氣體。該物質由杜邦公司（DuPont）以氟利昂（freon）的名稱在市場上銷售，是第一種被廣泛使用的氟氯烴（chlorofluorocarbon，簡稱CFC）。但米基利這些富有創造力的發明既成就了他，也扼殺了他。1940年，51歲的他患上了小兒麻痹症，成了殘疾人。因此，他發明了一套複雜的繩索滑輪裝置，使殘疾人能夠自己下床。1944年，他被裝置的繩索纏住，窒息身亡。

●　綠色汽油

多年來，四乙基鉛被廣泛用於所謂的超級汽油或紅色汽油中（因為此類汽油中加入了紅色染料來區別於其他汽油，所以叫它紅色汽油）。但是鉛是一種毒性極強的重金屬，人們後來意識到鉛通過汽車尾氣不斷地排放到環境中，造成了嚴重的汙染問題（米基利本人也出現了鉛中毒的症狀）。因此，紅色汽油逐漸被綠色汽油（添加了另一種染料製成）取代。這兩種汽油在意大利共存了一段時間。從2002年1月1日起，紅色汽油正式退出市場。目前市麵上唯一可用的汽油是綠色汽油。與紅色汽油不同，綠色汽油不含四乙基鉛，通常會使用其他添加劑來提高辛烷值。剛開始是加入大量的芳香烴[如苯（benzene）]作為添加劑。但這些化合物具有致癌性，因此人們也一直在減少它們的使用。目前，常用的添加劑之一是甲基叔丁基醚（methyl tertiary butyl ether，MTBE）。MTBE的一個缺點是它極易溶於水，因此如果它泄漏到環境中，就有可能造成地下水汙染。另一種會使用的添加劑是乙基叔丁基醚（ethyl tert-butyl ether， ETBE）。

●　催化轉換器

多年以來，一直有規定新車都必須安裝催化轉換器（catalytic converter）。這種裝置必須具有三個功能：1. 必須燃燒所有殘留的碳氫化合物；2. 必須將一氧化碳（燃燒過程中可能形成的有毒氣體）氧化成二氧化碳；3. 必須將氮氧化物（也是有毒氣體）還原成氧氣和氮氣。我們所說的三元催化轉換器具有全部的這三種功能。

催化轉換器通常由一個鋼筒組成，鋼筒內有一個多孔支架（陶瓷或金屬材質），支架上有一層薄薄的氧化鋁（鋁的氧化物），稱為洗塗層（wash-coat）。這一薄層大大增加了與廢氣接觸的活性表麵。最後，洗塗層表麵還分布有大量由鉑（Pt）、銠（Rh）和鈀（Pd）的混合物組成的真正的催化劑顆粒。要使催化轉換器有效地工作，發動機的供給很重要。到達氣缸的空氣-汽油混合物必須有足夠的量，以確保空氣中的氧氣量足以燃燒掉汽油中的所有碳氫化合物。這個空氣-汽油混合物的最佳用量也必須根據油門位置、溫度等情況時刻調整。為了確保這一點，我們使用了一個特殊的裝置：λ探針（lambda sonde）。這個名字來源於希臘字母λ，代表空氣量與燃料量之間的關係。λ探針是一個檢測廢氣中氧氣含量的傳感器。探針將收集到的信息發送到電子控製單元，再由電子控製單元調節燃燒室內的汽油流量。催化轉換器必須在250℃以上的溫度下才能有效工作。此外，在汽車冷啟動後的一段時間，催化轉換器不能立即達到最佳工作狀態，所以製造商也在嚐試盡量縮短這段時間。

對於裝有催化轉換器的汽車，絕對要避免使用含鉛汽油。鉛會對催化劑造成不可逆的損害，從而失去催化作用（所謂的“中毒”現象）。還有其他物質也會使催化劑中毒，如潤滑油中的磷和鋅。因此，必須使用合適的潤滑劑並檢查其消耗量。另外，還要避免未燃燒的汽油與催化劑接觸。所以我們就要避免用推動車輛的方法來啟動發動機，如果發動機點火失敗（misfiring），不僅要避免反複打火啟動，還應避免在發動機高速運轉時關閉發動機。

●　安全氣囊：疊氮化鈉

你的汽車是最新的車型，製造工藝完全符合歐洲的汽車汙染物排放標準，在設計上也最大限度地保證了駕駛員和乘客的安全。所以，除了主動安全配置（ABS防抱死製動係統、ESP車身穩定控製係統、TCS牽引力控製係統[35]），它還有6個安全氣囊。安全氣囊這類重要的被動安全裝置的運行同樣基於化學反應。

1951年，德國的沃爾特·林德勒（Walter Linderer）申請了第一個“在發生危險時能自動充氣膨脹的折疊式充氣容器”的專利。同年，美國人約翰·W. 海德裏克（John W. Hedrik）也產生了類似的想法，並於1953年申請了發明專利。這些原始的安全裝置由一個氣囊組成，在發生撞擊時，裏麵的壓縮空氣會使氣囊膨脹。但這種氣囊的主要缺陷就是膨脹速度太慢。在發生事故時，氣囊必須非常迅速地膨脹起來才能起到有效的保護作用。我們通過用小型爆炸裝置代替壓縮空氣係統解決了這一問題，而這也是至今仍在使用的技術。現代安全氣囊基本上有以下幾個部件：傳感器，可以檢測到由於撞擊引起的突然減速；電子控製單元，接收傳感器信號並啟動雷管；雷管中電流通過白熾電阻產生熱量，引爆膠囊中的低烈度炸藥；爆炸釋放出的大量氣體使氣囊充氣；氣囊的後部有孔，可在隨後放出氣體。在一些混合型氣囊中，爆炸時還會釋放出裝在第二個膠囊中的壓縮惰性氣體。

常用的爆炸藥劑是疊氮化鈉（Sodium azide）。它是一種含有鈉和氮的二元化合物（結構式見圖14），化學式為NaN3，呈白色固體，無味，有劇毒。在常溫下性質穩定，但當它被加熱到300℃左右時就會發生劇烈爆炸，分解出金屬鈉和氮氣，其化學反應式為：2NaN3 → 2Na + 3N2。

圖14　疊氮化鈉的結構式

正是釋放出來的大量氮氣充斥著氣囊袋。另外，生成的金屬鈉化學活性很強，如果不處理可能會引起其他的問題。所以我們會讓它與合適的試劑反應，立即轉化為化學性質不活潑的矽酸鈉。

疊氮化鈉的爆炸使安全氣囊以約320千米/小時的速度在30～50毫秒的時間內迅速膨脹，這可能會使駕駛員或乘客的頭部受到強烈的後推力。因此，一定要係好安全帶，座位上的頭枕要有適當的厚度和形狀，防止腦挫傷。安全氣囊一旦使用就必須更換，不能重複使用。

20世紀60年代汽車安全氣囊開始使用，但直到80年代以後才得到大規模推廣，最開始汽車隻使用了正麵安全氣囊裝置，後來還增加了側麵的防撞安全氣囊。

根據一些統計數據，安全氣囊的使用使正麵撞擊的死亡率降低了30%。所有因安全氣囊而活下來的人，都應該感謝安全氣囊裏的這個化學反應。

●　玩具與化學

停好車後你還得走上幾百米才能到辦公室。途中你經過一家文具店，裏麵也賣玩具。幸好這家店已經開門了，而今天你是提前出門，所以時間還早。你想趁機去逛一逛，因為你想帶一份禮物回去送給你兒子，他昨天在學校裏的考試取得了好成績。你走進去開始四處挑選。現在幾乎所有的玩具都是由塑料製成的，你不禁會想到這些合成材料的背後有多少化學知識呀！我們將在第三章第2節中更詳細地討論塑料。

店裏有一個架子是專門用來擺放老式玩具的，就跟你小時候玩過的那些一樣，這些玩具現在依然很受孩子們的歡迎。另一個架子上有許多泡泡瓶。每個瓶子裏都有溶液和一根用來吹泡泡的帶圓圈的塑料棒。

裏麵的溶液通常使用的是肥皂水或其他清潔劑的水溶液。如果你想吹出很大的泡泡，可以按照以下配方配製溶液：按體積計算，將10%的洗滌劑、84%的蒸餾水或去離子水和6%的甘油混合。溶液配製後需要攪拌但不能搖晃，以免形成泡沫。為了獲得更持久的泡泡，我們可以增加洗滌劑的量和（或）甘油的量。但是，如果洗滌劑的濃度超過了12%，氣泡反而變得不持久。甘油用於增強形成氣泡的液膜，使用糖也可以達到同樣的效果，但最好使用等量的水和糖加熱製成的糖漿。在有糖漿的情況下，製作泡泡水的有效配方是：將甘油、洗滌劑、糖漿按照4∶2∶1的比例混合。使用蒸餾水（或去離子水）能有效避免自來水中金屬離子的幹擾。就像我們在第一章第2節中已經看到的那樣，在一個簡單的肥皂泡背後有著非常有趣的科學知識。

靠近泡泡的架子上擺著的是彩色氣球。它們由天然橡膠製成，而天然橡膠是異戊二烯（2-甲基-1,3-丁二烯，2-methyl-1,3butadiene）的聚合物（見第三章第2節）。長長的聚合分子鏈被折疊並連接在一起，形成一張極富彈性的網。當我們給氣球充氣時，最初以完全的隨機方式取向的聚合分子鏈，因為可以圍繞碳原子間的單鍵進行內旋轉而變長。氣球的膜看似完全不透水，但實際上它有一定的孔隙率，這也是為什麽在一定時間後氣球會慢慢癟掉。

魔術師經常利用橡膠的獨特性能來玩花樣，比如將針刺入膨脹的氣球，但氣球不會破裂。

要做到像魔術師一樣，你需要一個氣球和一根長約45厘米的針或者一根長竹簽（用於燒烤的竹簽）。氣球不需要完全充滿氣體（約為最大尺寸的2/3），針（或竹簽）必須塗上油。這時將針插入氣球最厚的地方（氣球底部），再讓它從氣球口打結處附近出來。如果你的操作都正確，那麽氣球即使被刺穿，它也不會爆裂！一旦針頭被拔出就會有兩個小孔，空氣就會從這兩個小孔中出來。你可以將氣球拋向空中然後用針將其刺破，來避免被他人看穿，發現氣球在漏氣。

當你繼續在商店裏逛的時候，你看到了一款小時候的玩具。你已經很多年沒見過這個玩具了。它的注冊商標是Silly Putty?（複活蛋彈力彩泥）。

它是一種粉紅色的膠狀物，裝在一個小小的蛋形容器中包裝出售。彩泥有獨特的性質：如果你慢慢地拉扯它，它就會伸長，形成細絲；如果你用力一拉它就會斷開；如果你把它塑成球狀扔在地上，它就會像普通的橡皮球一樣彈跳；如果你用力把它塞進管子裏，它就會膨脹到從管子的另一端出來；如果你把它壓在一張報紙上，拿起來之後它的表麵就會印上報紙上的內容，因為它吸收了部分印刷的油墨。最新版本的彩泥中還添加了磷光物質，使它能在黑暗中發光。1941年，通用電氣公司的化學家首次創造出這種磷光物質。他們的目標其實是想製造出一種矽基合成橡膠。雖然他們沒有成功，但由於製造出來的這種磷光物質性能獨特，所以這種物質就被當作玩具使用和銷售。從化學角度來看，彩泥是一種矽基聚合物。矽酮（silicone），又稱聚矽氧烷（polysiloxane），是一類以重複的矽氧鍵為主鏈，矽原子上直接連接有機基團的聚合物。1907年，英國化學家弗雷德裏克·基平（Frederick Kipping， 1863—1949）合成了第一種矽酮。彩泥之所以有黏彈性，是因為它是一種非牛頓流體（non-Newtonian fiuid）。與其他流體不同，彩泥的黏度不隨溫度而變化（如牛頓所述）。但是，當彩泥受到急速的機械應力（如被劇烈地拉扯或撞擊到地板）時，它的黏度就會增加。我們在家也可以輕鬆製得非牛頓流體，隻需要將玉米澱粉與水混合就行。我們甚至還可以將這種物質裝滿在一個浴缸裏來進行一個特別的實驗，我們要從這種物質上走過去。如果你走快一點，你就能成功地從這些物質表麵通過而不下沉。但如果稍作停留，你就會沉入那白色的糊狀物質中！

史萊姆水晶泥（slime?，也是一個注冊商標）已經流行有一段時間了，因此現在商店裏已經很難找到彩泥了。水晶泥看起來像果凍，相當黏稠滑膩，有各種各樣的顏色（有時通過添加硫化鋅可使其發出磷光）。水晶泥還可以捏成怪獸形狀，或者捏成看起來很惡心的東西，但這種材料是完全無害的（隻要是由良心公司精心製作的）。與彩泥一樣，水晶泥也是一種非牛頓流體。它是由從植物中提取的特殊橡膠製成的，這種植物叫作瓜爾豆（Cyamopsis tetragonolobus），是一種類似大豆的豆科植物。提取出來的膠稱為瓜爾膠，由長長的多糖鏈（見第一章第3節）組成，而多糖鏈又由兩種單糖——D-甘露糖（D-Mannose）和D-半乳糖（D-Galactose）以2∶1的比例形成。然後將四硼酸鈉（sodium tetraborate），或稱硼砂（borax， Na2B4O7）加入瓜爾膠中，這有助於聚合鏈之間的化學鍵的形成。除了用於製作玩具，水晶泥還可用於製作食品、奶油和牙膏的保護膜。我們可以用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）和硼砂的溶液自製水晶泥，在裏麵添加食用色素還可以增加顏色。較黏稠的水晶泥有時也被稱為弗拉伯（Flubber）。

在另一個架子上，你看到了所謂的魔法蛋。它是一個蛋形容器，裏麵裝著一個小塑料玩具。把魔法蛋浸入水中，它的體積會增大至200倍。這種不尋常的現象是由高吸水性聚合物（superabsorbent polymer）引起的。這些物質可以吸收大量的水，產生類似於冰的半透明凝膠。其中有一種材料叫作超級吸濕材料（Super-Slurper），由水解的澱粉-聚丙烯腈（starchpolyacrylonitrile）共聚物組成。這些物質不僅被用於兒童紙尿布、園藝（保持植物的水分）中，還常用於魔術師的表演中。

最後，你在商店的櫥窗裏看到了熒光手環和熒光棒（lightsticks）。這兩種玩具都有柔軟的塑料外殼，內置有玻璃細管，裏麵裝著第一種試劑，而第二種試劑則裝在玻璃細管和塑料外殼之間的縫隙中。當玻璃細管被打碎後，兩種試劑就開始接觸並產生化學反應，從而發出光來。這是化學發光（chemiluminescence）現象。螢火蟲在不知不覺中利用了類似的發光原理。螢火蟲屬於螢科（Lampyridae），它們的身體是真正的化學實驗室，裏麵會發生複雜的化學反應而發光。現在人們已經很清楚螢火蟲的發光機製了：螢光素（luciferin）這種物質，在一種叫作螢光素酶（luciferase）的輔酶（coenzyme）作用下發生特殊的氧化還原反應，該反應以電磁輻射的形式釋放能量，而釋放出的能量的頻率屬於可見光區域，因此就有了螢火蟲發光現象。除了螢火蟲，也有其他生物體具有類似的特性。例如：屬於海洋腰鞭毛科的夜光蟲（Noctiluca miliaris）、缽水母綱（Scyphozoa）的夜光遊水母（Pelagia noctiluca）和一些陸生蠕蟲品種。

化學家了解許多發光反應。現在人們對化學發光現象已經有了全方位的了解，甚至還有一門專門的學科——光化學，用於研究光與化學反應之間的關係。因此，在實驗室中重現類似螢火蟲發光的化學反應也成為可能。比如，一種叫魯米諾[luminol, 5-氨基-1,2,3,4-四氫酞嗪-1,4-二酮（5-amino-1,2,3,4-dihydrophthalazine-1,4-dione）]的物質在堿性環境中很容易被過氧化氫氧化，從而發出美麗的淺藍光。

熒光棒和熒光手環的玻璃管中一般裝著鄰苯二甲酸酯（phthalic acid ester）溶劑中的過氧化氫（雙氧水）稀釋溶液。第二種試劑由苯基草酸酯（phenyl oxalate ester）和熒光染料[9,10-雙（苯乙炔基）蒽 ][ 9,10-Bis (phenylethynyl) anthracene]的溶液組成。當玻璃細管破碎時，過氧化氫和苯基草酸酯發生反應，形成苯酚和一些壽命較短的中間化合物。在反應過程中，釋放的能量傳遞給染料分子，染料分子受到激發，以光的形式重新釋放能量，恢複到原始狀態。

在逛完玩具店後，你並沒有找到孩子會喜歡的東西，所以你選擇送他電子遊戲，今天晚上就去買。剛剛的這一切確實喚起了你很多童年的記憶，而且你又學會了一點化學知識。

拓展：石油化學

噢，湯森，就像抽水那樣把油從地下抽出來？怎麽可能？真是胡說八道！簡直是瘋了[36]。

這是在1855年前後，別人對銀行家詹姆斯·湯森（James Townsend）說的一句話，當時他同意資助一位年輕的紐約律師喬治·比塞爾（George Bissell），這位律師決定在賓夕法尼亞州（Pennsylvania）進行一係列的鑽探以尋找石油（他們當時稱為“石頭油”）。比塞爾的想法是從新的礦物油中提煉出一種能夠供燈使用的燃料，以替代當時使用的從煤中獲得的燃料。在當時確實很難想象石頭油，也就是石油會在未來現代化社會中扮演什麽樣的角色。我們的工業社會幾十年來一直依賴石油。人們經常將石油作為一種基本的能源，但我們絕不能忘記，石油首先是我們化工原料的寶貴來源。所以我們說石油化學是指以石油或天然氣的衍生物為原料的工業化學的分支。

自古以來，人們就知道石油這個東西。希臘人用ν?φθα?（náphthas）一詞來表示石油，並將其用於戰爭。他們製造了所謂的“希臘火”（流體火焰），這是一種由多種成分組成的混合物，一旦點燃就無法用水撲滅。另外，馬可·波羅（Marco Polo，1254—1324）在《馬可·波羅遊記》（Il Milione）中證明了石油在東方也被人們所知曉。然而幾千年來，人們對石油的開發應用都隻是皮毛，隻有當人們掌握了能夠利用於石油的新知識和新技術時，石油才成為一筆非凡的財富。而在此過程中，化學發揮了重要作用。原油是一種油狀**，不同原油的密度和黏度各不相同。顏色可以從黃色到深褐色、黑色不等，並且還可能伴有熒光。從化學角度看，它是由非常多的成分組成的混合物。這些成分可根據產地的不同而不同。但無論怎樣，它的主要成分還是碳氫化合物。這些化合物大部分為液態，其中也含有溶解的固態和氣態碳氫化合物。另外，原油中還有少量的含氧化合物、含硫化合物和含氮化合物，有時還有少量的金屬，如鎳、釩、鈷、鉻、鎘、鉛、汞等。

大家普遍認為，石油是被困在地下土壤中的生物物質經過轉化而形成的（生物地理理論）。靠厭氧菌（其新陳代謝不需要氧氣）的作用，再加上溫度和壓力的影響，隨著時間的推移，生物分子發生降解，這一係列的過程決定了原油中有機物的組分。也有人提出了石油的非生物起源理論，但在科學界幾乎不受認同，難以站得住腳。

碳氫化合物根據分子結構可分為不同的類別。最簡單的是烷烴或石蠟烴（鏈烷烴，paraffin）。烷烴的碳原子之間以單鍵結合，形成開放的鏈狀結構，因此具有通式CnH2n+2, n = 1, 2, 3, …。如果在分子結構中出現碳碳雙鍵，我們就稱它為烯烴。帶有一個雙鍵的烯烴的通用分子式為CnH2n。如果分子中有2個雙鍵，就稱為二烯（diene），如果有3個就稱為三烯（triene），以此類推。另外，分子結構中有碳碳三鍵的稱為炔烴，隻含有一個三鍵的炔烴的通式為CnH2n-2。烷烴、烯烴和炔烴屬於常見的脂肪烴類，都具有開鏈結構。如果鏈是閉合的，形成了一個環狀，就成了脂環烴（alicyclic或cycloaliphatic），這類化合物又可細分為環烷烴（cycloalkane）、環烯（cycloalkene）和環炔（cycloalkyne）。如果分子除了具有閉合鏈，還具有特定的電子結構，那麽就稱為芳香烴或芳烴（arene）。苯、萘（naphthalene）、蒽（anthracene）等屬於芳香烴。碳原子間隻有單鍵的烴稱為飽和烴（saturated hydrocarbo），含有雙鍵或三鍵的烴則稱為不飽和烴（unsaturated hydrocarbo）。

如前麵所述，原油的成分也受開采地影響。原油一般平均含有30%的烷烴、40%的環烷烴、25%的芳香烴和5%的其他物質。

原油經鑽井開采後，在煉油廠進行各種處理。經過除水和脫鹽（按需要進行）過程後，原油要進行分餾（fractional distillation），分餾可以在常壓（拔頂蒸餾）或減壓（真空蒸餾）下進行。這個過程根據不同成分的不同沸點在特殊的設備（分餾塔）中進行。通過這種方式可以獲得一些主要產物——餾分（fraction），如LPG（液化石油氣）、汽油、煤油、柴油、潤滑油、瀝青、蠟和石蠟（石蠟是由碳原子數含量較高的烷烴組成的混合物，因此在室溫下是固體）。然後還可以對上述單個產物進行特殊處理：例如，對汽油進行裂化和重整（見第67頁），對柴油進行脫硫處理等。

石化工業本身就是以煉油廠的各種餾分為原料獲得半成品，再由二級或精細化工行業使用[37]。石化產品的數量巨大，隻需要想想我們每天直接或間接使用的藥品、塑料、樹脂、合成纖維、染料、殺蟲劑和無數其他的物質就知道了。所以石油代表了珍貴且不可替代的礦產資源。但我們必須時刻記住，它是一種有限資源。估算世界石油的儲量相當困難，而且具有很大的不確定性。但我們可以肯定的是，石油資源遲早會被耗盡。所以將石油作為燃料似乎並不是一個很明智的選擇。有人說，燃燒石油生產能量就像燒古董家具為房屋供暖一樣。如果考慮到石油的形成需要數千萬年的時間，上麵的比喻似乎非常貼切。在一些領域中，目前似乎很難找到石油的有效替代品，但在其他領域確實存在替代方案，更不用說石油衍生品的燃燒所帶來的環境問題了。所以歸根結底，如果人類少用石油作為原材料儲備，並嚐試使用其他可能同樣高效的能源，那就明智多了。