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碳的大家族

来源:作者:张世敏 点击:所属专题: 碳及其化合物
在109种化学元素中,碳非常特殊:除碳之外的108种元素,它们之间所形成的化合物只有几十万。然而,碳的化合物却有五百万之多! 正因为碳是那般与众不同,人们对碳也另眼相待!在化学上,把除了碳之外的108种元素所形成的化合物和一氧化碳、二氧化碳及碳酸盐合称为无

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在109种化学元素中,碳非常特殊:除碳之外的108种元素,它们之间所形成的化合物只有几十万。然而,碳的化合物却有五百万之多!

正因为碳是那般与众不同,人们对碳也“另眼相待”!在化学上,把除了碳之外的108种元素所形成的化合物和一氧化碳、二氧化碳及碳酸盐合称为无机化合物,研究无机化合物的化学称为无机化学;而碳的化合物(不包括一氧化碳、二氧化碳和碳酸盐)合称有机化合物,专门研究碳的化合物的化学叫做有机化学。

神通广大的活性炭

1915年,第一次世界大战期间,西方战线的德法两军正处在相持状态。德军为了打破僵局,在4月22日,突然向英法联军使用了可怕的新武器——化学毒气氯气18万公斤。英法士兵当场死了五千,受伤的有一万五千。

有“矛”必然就会发明“盾”,有化学毒气必然就会发明防毒武器。在两个星期后,军事科学家就发明了防护氯气毒害的武器,他们给前线每个士兵发了一种特殊的口罩,这种口罩里有用碳的大家族硫代硫酸钠和碳酸钠溶液浸过的棉花。这两种药品都有除氯的功能,能起到防护的作用。

可是,令人为难的是敌方并不老是使用氯气,如改用第二种毒气,这种口罩就无能为力了。事实也是如此,在使用氯气后还不到一年,双方已经用过几十种不同的化学毒气。

所以,必须找到一种能使任何毒气都会失去毒性的物质才好。

这种百灵的解毒剂在1915年末就被科学家找到了。它就是活性炭。

大家也许知道,把木材隔绝空气加强热可以得到木炭。木炭是一种多孔性物质,多孔性物质的表面积必然很大。物质的表面积越大,它吸附其他物质的分子也就越多,吸附作用也就最强烈。如果在制取木炭时不断地通入高温水蒸气,除去沾附在木炭表面的油质,使内部的无数管道通畅,那么木炭的表面积必然更大。经过这样加工的木炭,叫做活性碳。显然,活性炭比木炭有更强的吸附作用。

在1917年,交战双方的防毒面具里都已装上了活性炭。

奇怪,活性炭的眼睛为什么那么雪亮,能抓住毒气而放过氧气、氮气呢?

原来,活性炭的吸附作用同被吸附的气体的沸点有关。沸点越高的气体(即越容易液化的气体),活性炭对它的吸附量越大。军事上使用的大多数化学毒气的沸点都比氧气、氮气高得多。

请不要以为活性炭只用在防毒面具里,它还有许多其他用途。

在自来水工厂里,如果水源有臭味,只要让水流过活性炭后就不臭了。你也许会说自来水仍然有股味。这是氯的气味,因为自来水常用氯来消毒。

在制糖厂里,工人们往红糖水里加一些活性炭,经过搅拌和过滤,可以得到无色的精液,再减压蒸发水分,红糖就变成晶莹的白糖了。

现代家庭的金鱼缸里,有不少装着电动水泵,让水循环通过滤清器。在滤清器里也用活性炭去吸附水中的臭味和杂质。

令人讨厌的宝贝——烟炱

你认识烟炱吗?

在烟囱里、灶膛内、锅底上,以及煤油灯玻璃罩壁上那些黑色粉末,就是烟炱。化学课本里也叫它炭黑。

你喜欢烟炱吗?

从烟囱里出来的烟炱,到处乱飞,它熏黑了蚊帐,弄脏了人们的衣服,污染了清新的空气。干了这么多坏事,谁还会喜欢它呢?难怪现代工厂的烟囱,大都加了除烟消尘装置。

可是你知道吗?如果没有烟炱,人类的精神文明和物质文明又会变成什么样子?

谁都知道,写字的墨汁是黑色的,印书的油墨是黑色的,汽车和飞机的轮胎也是黑色的。这种种黑色的东西,里面都有烟炱的成分。

烟炱对于橡胶工业极为重要,百分之九十左右的烟炱用于橡胶工业。制造一个汽车轮胎,需要好几公斤的烟炱。橡胶是一种大分子化合物,分子间的空隙很多,加进烟炱主要是为了填充这些空隙,增强橡胶的机械强度,使它有耐拉、耐撕、耐磨等优良性能。

如果没有烟炱,世界上就没有字迹经久不衰的书,汽车不能跑长途,飞机也难以起飞。

烟炱如此重要,怎样来生产呢?

我国的劳动人民早在一千七百多年前就懂得用烟炱来制造墨汁。当时所用的烟炱是从烟囱里收集得到的。从烟囱收集烟炱,数量终究有限,满足不了社会发展的需要。

后来,我国劳动人民发明了一种特制的窑。让松脂在窑里不完全燃烧,从而得到较大量的烟炱。

用松脂来烧取烟炱,使大片松树被砍伐,出现大量荒山,破坏了生态平衡,最后将给人类带来灾难。

幸好在北宋时,我国科学家沈括发现了用燃烧石油的方法来制取大量的烟炱。现代,人们主要是用分解天然气的方法来制取大量的烟炱。

在化学家的眼里,世界上没有无用的废物。烟炱也不例外。所以我们对烟炱的态度,应该是扬长避短,让他们更好地为人类服务。

铅笔芯是铅做的吗

铅笔芯是铅做的吗?

是的,它是用铅做的。不过这是五百多年前的事情,用铅做的笔写字看起来不太清楚。到了近代,人们就用石墨来制造铅笔了。

石墨是黑色的细鳞片状的晶体,在大自然中,有天然的石墨矿。石墨矿是由一些古代的树木,因为地壳运动埋到地下,在地下受到高压慢慢形成的。可是天然石墨矿太有限,迫使人们无法坐等大自然的恩赐,而要向大自然索取。人们发明了人造石墨的方法,把煤放在电炉里,通入强大的交流电,加热到两三千度,使煤再结晶而变成石墨。

铅笔芯有硬有软,有黑有淡。这是怎么一回事?如果你能注意铅笔杆上标的符号,就不难总结出下面的规律:

6H、5H、4H、2H、H、HB、B、2B、3B、4B、5B、6B

碳的大家族

这里H代表英语的Hard(硬),B代表英语的Black(黑)。铅笔芯只用石黑做原料,虽然很黑,但太软了。所以必须掺些纯粘土,粘土粘得越多,碳的大家族硬度越大,笔迹也就越淡。

中小学生书写用的铅笔多是HB,5B、6B多用于画图画,而5H、6H多用于多层复写。

在铅笔里,工人们把石墨、粘土分别研细,然后混合,再加适当辅助材料,揉成黑面团,在机器里像挤牙膏一样把它变成黑面条。把黑面条烘干,便成了铅笔芯。

“处处留心皆学问”,可不是吗?一支小小的铅笔,可以写成一本书,这里仅是其中的一页而已。

铅笔的绝招

谁都知道,铅笔是用来写字的,但它另有绝招——能医锈锁。

生锈的锁打不开,在进钥匙的孔内加一点铅笔芯粉末,往往就能打开锈锁。

铅笔芯怎么会有这种绝招呢?原来,铅笔芯里含有石墨,而石墨有润滑性。用手摸摸铅笔芯的粉末,会有一种滑腻的感觉。所以,铅笔芯能润滑锈锁。

石墨熔点很高,达三千多度。作为润滑剂,它特别适用于在高温状态下工作的机器。在高温下,一般机油会分解,然而石墨却“安然无恙”,继续发挥润滑作用。

有一种轴承,它在成型时加进了石墨粉。这种轴承能长期工作而不必加油滑润,它自身有石墨在起润滑作用。这是多么巧妙的轴承啊。

在直升飞机机舱的门纽上,已经大量使用新型高精度的纯石墨轴承。这种轴承既耐低温又耐高温,特别令人惊叹的是,在真空条件下,它仍能保持良好的润滑性。

不怕火的石墨

俗话说,真金不怕火炼,其实石墨才是更不怕火的东西。金子受热到1337℃就熔化了。而石墨在3500℃还不熔化。石墨在纯氧气里受热能燃烧,变成二氧化碳,但是在空气中,哪怕受到强热,也燃不起来。

石墨能耐高温,而且容易传热,又能经得住温度的自然升降,所以特别适宜制造坩埚。石墨坩埚常用来熔炼熔点很高的金属。一个石墨坩埚可以熔铜达60次,熔钢10~15次,而普通的耐火泥坩埚,寿命只有石墨坩埚的五分之一。

石墨不怕火,你也可以亲自试一试。取铅笔芯一小段(HB铅笔芯含有50%以上的石墨),放在火里长久加热,铅笔芯依然如故,书写起来也跟以前一样。

“石墨不怕火”,这对石墨并不过奖,它是当之无愧的。

令人向往的金刚石

远在五千年前,人类已经认识了金刚石。当然,古人发现金刚石的性质是十分偶然的,他们从沙漠里采来金刚石,在加工金刚石时,发现任何坚硬的石头或金属都不能在金刚石上刻出痕迹来,而金刚石却能毫不费力地刻划任何坚硬的石头或金属。因此,古人认识到金刚石是自然界中最硬的石头。金刚石的拉丁文名称的原意是“不可战胜的”,指的就是它的这一特性。

金刚石如此坚硬,这决定了它在工业上有很重要的用途。割玻璃用的刀,其实就是把一粒芝麻大的金刚石,嵌在刚铁做成的刀基上。在机械厂里,人们用金刚石切削一些硬质碳的大家族合金。采矿用的钻探机钻头上,也有许多金刚石,有了它,钻头才能无坚不摧地向地下进军。在一些精密仪器中,金刚石常用来作轴承,保证仪器长期准确无误地转动。

大自然里没有比金刚石更硬的物质。如果要琢磨金刚石,只能用金刚石做成的砂轮。金刚石折射光线的能力很强,它被琢磨以后,在光线的照射下,五光十色,十分迷人。金刚石是世界上最美丽的宝石,有宝石之王的称号。据说几十年前英国女王结婚时,有一个大富翁送给她一颗重11.48克的金刚石作贺礼,这颗金刚石的价格高达几十万!

“死洞”的秘密

在意大利有一个“死狗洞”,狗一过去就会死亡,人走过去却安然无恙。为什么会有如此奇怪的现象呢?迷信的人说:“洞里住了个专杀狗的妖怪”。

有一天,一位科学家来到这个洞,想看看里面到底有没有妖怪。他在洞里到处找,始终不见妖怪出来。只见岩洞的顶上倒悬着许多钟乳石,一敲就会响,地下丛生着石笋,湿湿的泥土里冒着气泡。科学家恍然大悟,原来这个妖怪是碳的一种叫作“二氧化碳”的氧化物。

生长钟乳石和石笋的岩洞,就是石灰岩溶洞,石灰岩的主要成分是碳酸钙,它在地下深处受热分解就会放出二氧化碳气体。含二氧化碳的地下水,会溶解石灰岩中的碳酸钙,生成溶于水的碳酸氢钙。当含有碳酸氢钙的地下水渗出地面时,由于压力降低,碳酸氢钙就分解出二氧化碳气体。二氧化碳比空气重,它从水里选出后积聚在地面附近,形成半米左右高的气层。

二氧化碳会使人和动物窒息。人站在洞里,气层只没到膝盖,虽然会有少量二氧化碳扩散开来,但它仅使人们感到不舒服,而在地上的狗完全淹没在二氧化碳气层里,所以会窒息而死。

为什么汽水喝了能使人凉快

十六世纪时,英国一些商人在某个矿泉区避暑,偶然发现这里的矿泉水稍受热会冒气泡,喝起来特别凉快。于是他们就把这种矿泉水当作饮料出售,这种饮料可以说是天然汽水。

后来,科学家揭开了天然汽水喝了能使人凉快的秘密。原来这种矿泉水含有较多的二氧化碳。人们喝了这种矿泉水,肠胃并不吸收二氧化碳,由于体内温度较高,二氧化碳就迅速从食道经口腔排出,带走人体内的热量,使人有凉爽的感觉。

后来,人们又发现这种矿泉水还能帮助消化。因为二氧化碳溶于水后,使溶液稍有酸味和辣感,对胃壁有轻微的刺激作用,能加快胃液的分泌。

天然汽水是一种好东西,然而它并不是到处都有的,不能满足人们的需要。既然这种矿泉水的主要特点就是含有较多的二氧化碳,那为什么不人工制造呢?

到了十七世纪,世界上出现了人造汽水。在汽水工厂里,工人们先在瓶子里备好汽水溶液,这种溶液是由糖、水果汁、染料跟水混合而成的,然后用高压强迫二氧化碳溶解在里面,最后加盖密封,这就制成了人造汽水。

当你打开汽水瓶盖时,由于外面的压强较小,二氧化碳气体就逸出,顿时瓶里气泡翻腾,瓶口泡沫横溢,多么有趣。

如果你能动手自制汽水,那喝起来将会甜美愉快,沁人心脾。

怎么自制汽水呢?取一只干净的汽水瓶,把冷开水注入瓶中,不要太满,加入一些砂糖和水果汁,再加入1.5克小苏打,最后投入1.5克柠檬酸,立即用塞子塞紧,并且用绳或铁丝把塞子扎紧,防止汽水冲出,大约20分钟后,就可以饮用自制汽水了。

自制汽水十分有趣,但要注意安全,不然就会发生爆炸事故。为了安全,选用的瓶必须厚实,没有裂痕,不能用一般的薄壁瓶,另外,绝对不能随便增加柠檬酸和小苏打的用量。注意了这些,你就不用害怕,放心去制作吧。

能“呼风唤雨”的干冰

1958年,辽宁省久旱不雨,人民空军用飞机在天上播撒“干冰”,不消20分钟就下了雨,而且连续下了四天。

干冰是什么东西呢?它就是固态的二氧化碳。二氧化碳气体在加压和降温的条件下,会变成无色液体,再降低温度,会变成雪花般的固体,经过压缩,就会成干冰,它在一个标准大气压下,可以在—78℃时直接变成气体。

干冰为什么会有“呼风唤雨”的本领呢?

大家知道,老天不下雨,不是水蒸气没有遇到凝结核,结不成小水点,就是已经凝结的小水点,因为气温太高,没等落到地面,已经蒸发掉了。当飞机把干冰撒在空中,它立即气化,向云层夺取大量的热,使云层冷到—40℃。每克干冰能造成100亿个小冰晶,周围的云雾碰到小冰晶,便以它为中心凝成大水滴,于是就下起雨来。

干冰大事做得了,小事也干得来。

当用火车运载鲜鱼时,它就守卫在鲜鱼的旁边,起制冷防腐的作用。干冰外表像冰,可作为防腐剂,它比冰优越得多。干冰熔化时不会像冰那样变成液体,它全部气化,四周干干净净。干冰冷却的温度比冰低得多,而且干冰气化后产生的二氧化碳气体,能抑制细菌的繁殖生长。

干冰有时也蹲在作物的温室里,逐渐挥发出二氧化碳气体,给作物提供光合作用的原料,促进作物开花结果,提高作物的产量。

干冰做事,往往不声不响,但有时也轰轰烈烈,惊心动魄。在采煤工业上,把干冰放在炸药仓里,当炸药爆炸时,干冰立即气化,产生大量二氧化碳气体,既助长炸药爆炸的威力,也可防止失火事故。煤层中往往有一些可燃性气体,但是靠二氧化碳这种不是支持燃烧的气体隔绝了空气,它们就燃烧不起来了。

多可爱的干冰啊,但你千万别像对待冰那样用手去摸它。因为干冰的温度太低了,会把手冻伤。冻伤像烧伤一样非常灼痛,日后皮肤还会溃烂,所以千万不要用手直接去碰干冰。

为什么灭火器能灭火

一天,消防队接到电话,说有一所房子着火了。消防队员很快赶到了那个地方,拿出灭火器,对着火焰,然后按动操纵杆,只见一股气泡不断地从灭火器里喷出来,盖在了火焰上,很快大火就被扑灭了。

灭水器为什么能灭火呢?

原来灭火器里装的是明矾水和碳酸氢钠溶液,还有一些能发生泡沫的物质。起初是分开的,消防队员拉动操纵杆时,它们混合在一起,就发生了化学反应,生成大量的二氧化碳泡沫,二氧化碳既不能燃烧也不能帮助燃烧,它盖在火焰上之后,就把可燃物质与空气隔开了。我们大家都知道,在一般情况下,没有氧气物质是不能燃烧的,所以火就被扑灭了。

起死回生的湖

据说瑞典中部的霍姆斯乔湖,受酸雨(工厂排出的废气,使雨带酸性)污染,酸度增大,鱼虾全都死去了,整个湖变成了一潭死水。

靠近湖边有一座大型蛋糕厂,每月要扔掉几吨蛋壳,可是苦于无处容纳这么多的废物。有个聪明人建议在那里开通一条水路,让蛋壳顺水流于湖中。人们照办了,结果妙极了。既解决了蛋壳的去处,又使湖水酸度下降,鱼虾重新出现,水草也繁生起来,湖中到处都是生机勃勃。

蛋壳为什么能使霍姆期乔湖起死回生呢?原来蛋壳的主要成分是碳酸钙,它会跟酸起反应,消除湖水的酸性。

其实,这个办法跟用石灰石粉消除土壤酸性的道理完全相同。建议中别出心裁地用难以处置的蛋壳去代替石灰石粉,更妙的是开通了一条水路,让蛋壳自己顺水流于湖中,省去了运输的麻烦。

救活霍姆斯乔湖的建议是令人叹服的,但对提出这个建议的人,我们可不必五体投地。其实他只不过有比较丰富的知识,并善于运用类比的思维方法而已。“创造力人皆有之”,如果你能学他的样子,同样可以有所发明和创造,试试看吧。

诗歌中的化学

杜甫是唐代的一位大诗人,他的事迹家喻户晓,各位小朋友对他一定很熟悉。他在一首诗中,记述了一件他十分迷惑不解和懊恼的事情:

客从南溟来,遣我泉客珠。

珠中有隐字,欲辨不成书。

缄之箧笥久,以俟公家须。

开视化为血,衰今征敛无。

诗的大意是说,从南方来了一位客人,他送给诗人一颗珍珠,珍珠上以乎有花纹或字迹,诗人珍藏在箱中,过了好久,他打开箱子,却发现珍珠已经不翼而飞,只剩下了一些红色的液体。

大家知道,珍珠是珍珠贝的外套膜中受到刺激后产生的分泌物质聚积而成的,它的主要成分是碳酸钙,还有少量的有机质。碳酸钙难溶于水,但在酸性条件下能转变为酸式盐而溶解:

CaCO3+CO2+H2=Ca(HCO3)2

杜甫住的房子漏雨潮湿,竹箱没有防潮的性能,遇到水和空气中的二氧化碳气体后,珍珠就发生了化学变化,成了红色液体,杜甫当时不知道这些化学知识,所以会迷惑不解。

二氧化碳引起的死亡

在2.5亿年前,地球上只有一块单独的超级大陆,一个未被分裂的海洋覆盖了地球其他部分。那时候的气候很热,大洋表面的水由于吸收了绝大部分的阳光,温度升高,密度变小,因而根本流不到深处。与之相反,大洋深处的水几乎没有接收到阳光,因此变得十分冰冷和稠密,几乎是不流动的。

当死亡的生物从水表沉到水底,它们在腐烂的过程中会逐渐从不流动的水里吸收氧气。由于几乎没有水流到深处,所以没有途径从表层水中带进新鲜的氧气。有机物在腐烂时除吸收氧气外,还要放出二氧化碳。当大洋深处水中的氧气慢慢消失时,二氧化碳的含量却越来越多。

由于海洋中的二氧化碳越来越多,大气中的二氧化碳日趋减少,这减弱了温室效应,地球的气温开始下降。在几千万年里第一次出现了南北极的冰川,冰川附近的地表水变冷,密度增大,这引起了海水的流动,当装载着丰富二氧化碳的深层水流到浅水河区时,物种的灭绝开始了,许多海洋生物由于呼吸不到新鲜的氧气而死去了。

在二氧化碳杀死大部分海洋生物后,由于压力的减轻,它在水中的溶解度变小,大量的二氧化碳纷纷追出海面,进入大气中。随着温室效应的加强,地球上的气候重新变热。快速的气候变化使生活在陆地上的生物日子也很难过,那些适应不了气候变化的生物大批大批地灭绝了,只有大约5%适应能力很强的物种才侥幸活了下来。

这就是科学家对发生在2.5亿年前的那次生物大灭绝的原因所作的推测。

杀人湖

也许你们知道世界上有许多“死谷”,人们一进去就再也出不来了,可你们是否知道,这世界上还有一个杀人湖呢?

在1984年的一天清晨,在非洲足球强国喀麦隆的莫农湖畔,人们发现了三十多具尸体,他们的鼻和口中,都有许多血迹,身上还有轻度的灼伤。

是谁杀害了他们呢?

警方在调查后得知,前一天晚上,莫农湖曾发出了一声震耳欲聋的爆炸声,他们去请教科学家,科学家在研究分析了莫农湖之后,说这个湖泊是造成三十多人死亡的罪魁祸首。

这是什么原因呢?

原来莫农湖座落在火山附近,由于火山喷发,湖底充满了大量的二氧化碳。地壳运动导致了湖底出现了滑坡,水对二氧化碳的压力变小,于是大量的二氧化碳从水中“跑”了出来,这时,正好有三十多人呆在湖边,高浓度的二氧化碳使他们在瞬间之内窒息死亡。

那天早上雾很大,二氧化碳遇水形成碳酸,因而,死者身上有轻度的灼伤。法医解剖尸体后证实了科学家的断言。

神奇的碳钟

在广袤的大自然中,有形形色色的“钟表”在不停地运行,记录下时间老人的行动轨迹,碳钟就是其中的一员。

日本千户县风川地方的泥层中,发掘出了一些保存得很好的古莲子。科学家们测定这些种子已有三千岁了。这些种子经过培育,照样开花结了果实。

在八十年代,考古人员在新疆省的罗布泊发现了一具褐色的年青女尸。她的头发微卷,眼睛闭着,就像沉睡中的少女。科学家们说,这具女尸距今已有两千多年了。

科学家是怎么知道女尸和古莲子的年龄呢?

原来,自从本世纪发现放射性元素和它蜕变生成的同位素后,科学家们找到了一种大自然的“钟表”——放射性C14,这种“碳钟”不需要人上发条,也不会受外界温度、压力等影响。亿万年来,它始终准确和不停地走动着。用它可以准确地测定一些物质的年龄。

放射性C14是一种不稳定的同位素,它会不断放出射线并转化成正常的碳元素,而大气中由于天外射线的影响,又会不断地产生新的C14,使总量保持平衡。

地球上的所有生物,活着的时候总是不断地吸收大气中的二氧化碳,也吸收了混合在一起的C14,只有当动植物死亡后,它们与外界停止了物质交换,C14的供应也就停止了。从这时候起,生物体内的C14由于不断放出射线,含量逐渐减少。大约平均每过5568年,C14的含量会减少一半,这段时间叫做放射性同位素的“碳的大家族半衰期。”要知道女尸和古莲子的生长年代,只要测定一下它们中C14的含量,就可以推算出来了。

考古学家还用碳钟来确定古代文物的年代。例如,埃及古墓中出土的一个船形器皿,考古学家取下器皿上的一块木片,经碳钟测定,距今约有3620年。我国考古学家使用碳钟确定西安半坡村为新石器时代遗址,距今约有六千多年的历史。

 

 

(责任编辑:化学自习室)
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