阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第7章
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CF2Cl2）。它是
1932年作为致冷剂所推销
的商品。它比大型制冷装置所使用的氨或二氧化硫要昂贵；但从
另一方面看，氟里昂无臭、无毒、不可燃，因而偶然漏失所造成的危
险是很小的。为了证明氟里昂的无害性，它的发现者米奇利深深
地吸了一口氟里昂，然后在一根点燃的蜡烛上方缓缓吐出，结果蜡
烛熄灭了，而米奇利毫无损害。正是由于采用了氟里昂，室内空调
才成了第二次世界大战以来美国这个地方的一大特色。
玻璃和硅酮
当然，可塑性并不仅仅属于有机界。在所有可塑性物质中，最
为古老的是玻璃。玻璃的大分子实质上是由硅和氧的原子所组成
的长链：…Si…O…Si…O…Si…O…Si…，以此排列，没有穷尽。链中的每一个
硅原子都有两个尚未使用的价键，可以用来连接其他原子团。硅
原子像碳原子一样，具有
4个价键。然而，硅
…硅键不如碳…碳键那
样牢固，因此只能形成短链，而且这些短链（在化合物中称为硅烷）
很不稳定。不过，硅…氧键却很牢固，由此形成的链甚至比由碳
…碳
键形成的链还要稳定。事实上，由于地壳有半数是氧，
1/4是硅，我
第十一章 分 子
第十一章 分 子
们脚下那坚实的大地实质上可以看作是由硅…氧链组成的。
尽管玻璃的优点和用途不胜枚举，但它有一个很大的缺点，
就是容易破碎。玻璃被打碎时坚硬而锐利的碎片会四处飞散，十
分危险，甚至能致人于死命。如果用未经处理的玻璃做汽车的风
挡，一旦发生撞车事故，玻璃的碎片就会像榴霰弹一样飞向四面
八方。
然而，玻璃也可加工处理，如在两层玻璃中间加一薄层透明的
聚合物（作为一种胶黏剂加固玻璃），于是就产生了安全玻璃。之
所以称为安全玻璃，是因为它即使碎成粉末，碎片也会被聚合物牢
牢地黏住，不会飞散伤人。起初
（这要追溯到
1905年），人们就曾
用火棉胶作黏结剂，但如今大部分都已用由小分子如氯乙烯（氯乙
烯与乙烯类似，所不同的是乙烯分子中的
1个氢原子被氯原子所
取代）所构成的聚合物代替。乙烯基树脂不会因光照而变色，因此
能够确保安全玻璃不致因年深日久而发黄。
有些透明塑料可以安全代替玻璃，至少在某些应用领域是如
此。本世纪
30年代中期，杜邦公司合成了一种叫做甲基丙烯酸甲
脂的小分子，并将所得到的聚合物（聚丙烯酸塑料）压制成光亮、透
明的薄片。这些产品的商品名称叫做普列克斯玻璃和路塞特树
脂。这类有机玻璃比普通玻璃轻，更易模塑成形，也不那么脆；破
碎时，仅仅是破裂而不是粉碎。在第二次世界大战期间，模塑成的
透明塑料薄片得到了重要的应用，那就是作为飞机的窗户和座舱
的罩。在这方面，轻质和韧性具有特殊的价值。当然，聚丙烯酸塑
料也有其缺点：它们能被有机溶剂腐蚀，受热时比玻璃更易软化，
而且容易出现擦痕。例如，当聚丙烯酸塑料用作汽车风挡时，在尘
埃颗粒的撞击下会很快出现擦痕，而且变得模糊不清，而这是非常
危险的。因此，看来玻璃永远不会被完全取代。事实上，现在玻璃
确实已具有许多新的用途。玻璃纤维可以纺成细线，它像有机纤
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维一样柔软，并且有一个可贵的优点——绝对不会着火。
除这些玻璃代用品外，还有一种可称之为“类玻璃”的产品。
我在前面说过，在硅…氧链中，每个硅原子都有两个空闲的键来连
接其他原子。在玻璃中，这些“其他原子”是氧原子，但并不一定非
是氧原子不可。如果所连接的不是氧原子，而是含碳的原子团，那
情况又会怎样呢？这时你会得到一种带有有机分支的无机物链，
也就是说，得到一种介于有机物与无机物之间的中间物。早在
1908年，英国化学家基平就合成了这样的化合物，即大家都知道
的硅酮。
在第二次世界大战期间，各种长链的硅酮树脂大量涌现。这
些硅酮的耐热性要优于纯有机聚合物。通过改变主链的长度和侧
链的性质，可以获得玻璃所不具有的一系列理想的性能。例如，某
些硅酮在室温条件下是流体，其黏度在相当大的温度范围内变化
极小，也就是说，它们既不随温度的升高而变稀，也不随温度的降
低而变稠。对于液压流体——如用于飞机起落架的那种流体——
来说，这是一种特别有用的性能。另一些硅酮可以制成柔软的、与
油灰类似的封泥，这种灰泥在同温层的低温下既不变硬，也不开
裂，而且防水性能良好。还有一些硅酮可作为抗酸润滑剂，等等。
合成纤维
在有机合成的故事中，有关合成纤维的章节具有特殊的趣味。
第一批人造纤维（同第一批塑料一样）是以纤维素为原料制成的。
化学家们自然是从硝化纤维素开始，因为它有足够的数量可以利
用。1884年，法国化学家夏尔多内将硝化纤维素溶解于乙醇和乙
第十一章 分 子
第十一章 分 子
醚的混合物中，并迫使所得到的黏稠液体通过一些小孔喷出。在
这种液体喷出之后，乙醇和乙醚随之蒸发，于是便剩下胶棉细线似
的硝化纤维素。（这实际上就是蜘蛛织网和春蚕吐丝的那种方式：
它们从身体上的小孔中喷吐出一种粘液，这种黏液遇空气而变成
固态纤维。）这种硝化纤维素纤维太容易着火，不宜使用。不过，通
过适当的化学处理能够去掉硝酸根，结果便得到了一种外观像蚕
丝一样的带有光泽的纤维素细丝。
然而，夏尔多内的方法并不实用。且不说有硝酸根存在的中
间阶段非常危险，也不说用作溶剂的乙醇和乙醚的混合物极易着
火，单是将硝酸根加上去又去掉这一点，这种方法就十分费钱。
1892年，人们发现了一些溶解纤维素的方法。例如，英国化学家
克罗斯将纤维素溶解于二硫化碳，并将所得到的黏稠液体（叫做黏
胶）做成细丝。麻烦的是，二硫化碳易燃、有毒且气味难闻。
1903
年，一种有竞争力的方法投入使用。这种方法以醋酸作为溶剂的
一部分，生产出一种叫做醋酸纤维素的物质。
这些人造纤维被称为人造丝。人造丝主要有两个品种，通常
分为黏胶人造丝和醋酸人造丝。
顺便提一下，如果将黏胶通过一条狭缝挤压出去，就会得到一
种柔软、透明和防水的薄膜——玻璃纸。这种方法是法国化学家
布兰登伯热于
1908年发明的。一些合成的聚合物同样也能够通
过一条狭缝挤压成薄膜。例如，乙烯基树脂能制成名为萨纶的覆
盖物。
直到本世纪
30年代，才出现第一批完全合成的纤维。
让我先讲一点有关蚕丝的故事。蚕丝是由蚕蛾的幼虫——
蚕——所吐的丝。蚕对食物要求极严，而且需要精心照料。蚕丝
必须从蚕茧上小心地抽取下来。由于这些缘故，蚕丝十分昂贵，而
且不能大量生产。早在两千多年前，中国便开始生产蚕丝，而且中
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国人对生产蚕丝的方法严加保密，以便在出口中保持有利的垄断
地位。然而，秘密终有泄漏之日，尽管采取了种种保密措施，养蚕
缫丝的秘密还是流传到了朝鲜、日本和印度。古罗马是通过横贯
亚洲的漫长的陆路输入蚕丝的，由于经纪人一路上步步设卡抽取
通行税，所以蚕丝到那里后非常昂贵，除了豪门巨富，一般人是可
望而不可及的。550年，蚕子被偷偷地带进君士坦丁堡，从此欧洲
便开始了蚕丝生产。尽管如此，蚕丝在不同程度上仍然属于奢侈
品。另外，直到目前为止，蚕丝仍然没有好的代用品。人造丝固然
具有与蚕丝相似的光泽，但却不及蚕丝纤细、柔韧。
蚕丝是一种蛋白质（见第十二章）。蛋白质的分子是由一种叫
氨基酸的单体构成的，而氨基酸则含有
1个氨基和一个羧基。氨
基与羧基通过二者之间的
1个碳原子相连接；如果以
a表示氨基，
以
c表示羧基，再用短线表示中间的碳原子，我们就可以把氨基酸
写作：
a—c。这些氨基酸以从头至尾的方式聚合起来，也就是说，
前面的
1个氨基同后面的
1个羧基缩合，这样便成了蚕丝分子：
……a—c、a—c、a—c……
本世纪
30年代，杜邦公司的化学家卡罗瑟斯对一些含有氨基
和羧基的分子进行了研究，希望借此找到一种较好的方法，将它们
缩合成具有大环结构的分子。（这类分子对于香料制造业是很重
要的。）与他的愿望相反，他发现这些分子缩合成了长链分子。
卡罗瑟斯早已预料到可能会出现长链分子，因此没有错过这
一机会。他立即对此作了进一步的研究，最后用己二酸和己撑二
胺制成了纤维。己二酸分子含有两个羧基，中间被
4个碳原子隔
开，因此可以用
c————c表示。己撑二胺由两个氨基构成，
中间被
6个碳原子隔开，因此可写为：
a —————— a。当卡
罗瑟斯将这两种物质混在一起时，它们就缩合成具有下列结构的
聚合物：……
a —————— a。 c ———— c。 a —————
第十一章 分 子
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— a。c ———— c。 a —————— a……可以看出，用点标出
的缩合部位具有与蚕丝相同的构型“c。a”。
最初生产的纤维并不是很好，主要是强度太差。卡罗瑟斯断
定，问题就出在缩合过程中所生成的水上。水的存在产生了一个
相反的作用——水解反应，它使聚合反应不能持续很久。卡罗瑟
斯找到了一种补救办法，即让聚合反应在低压下进行，这样水就会
蒸发并很容易被清除掉（在邻近反应液体上方斜放一块冷却的玻
璃板，水蒸气就会凝结在上面并自行流走，这种装置叫做分子蒸馏
器）。这样，聚合反应就能不断地进行下去，并形成很长的直链。
1935年，卡罗瑟斯终于为合成理想的纤维奠定了基础。
将由己二酸和己撑二胺缩合而成的聚合物熔化，再通过许多
小孔挤压出来，然后再经过拉伸，使纤维平行地排列起来，并成为
晶束似的纤维束。这样就得到了一种与蚕丝相似的带有光泽的细
丝，它可以织成像丝绸一样轻柔美观、甚至比丝绸还要结实的织
品。用这种方法生产的第一批完全合成的纤维叫做尼龙。然而，
卡罗瑟斯未能看到他的发现所结出的硕果，他于
1937年就去世
了。
杜邦公司于
1938年宣布合成纤维问世，并于
1939年开始进
行商业性生产。在第二次世界大战期间，美国陆军部队收购了全
部尼龙产品，用以制造降落伞和百余种其他军需品。战后，尼龙在
制袜业上完全取代了蚕丝，因此，妇女的长袜现在叫做尼龙袜。
尼龙的合成为许多其他合成纤维的生产开辟了道路。丙烯
睛，或称为乙烯基氰化物（
CH2=CHCN），也可以聚合成与聚乙烯
类似的长链，所不同的是，与每个单元中第二个碳原子相连的是氰
基（在这里它是完全无毒的）。这种产品叫做奥纶，1950年投入使
用。如果再添加上氯乙烯，则最终的长链既含有氯原子，又含有氰
基，这就是氯丙纶（达耐尔）。如果通过使用醋酸乙烯（
CH2=
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CHOOCCH3）来添加醋酸根，则产品就是醋丙纶（阿克利纶）。
英国于
1941年制造出了聚酯纤维。这种纤维是由一个单体
的羟基同另一个单体的羟基缩合而成的长链。这种产物就是通常
的那种由碳原子构成的长链，只是每隔一定的距离插入
1个氧原
子。这种产品在英国叫做涤纶，在美国则叫做大可纶。
这些新型合成纤维的防水性能比大多数天然纤维好，而且不
怕潮湿，不易沾污，不遭虫蛀。某些合成纤维不会起皱，可用来纺
织成“耐洗耐磨”的织品。
合成橡胶
如果有人告诉你，人类使用橡胶轮子的历史不过一百来年，你
会感到非常吃惊。在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直
是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。在古德伊尔发明
了实用的硫化橡胶之后，许多人都曾想到，应该用橡胶代替金属来
包裹车轮。1845年，英国工程师
R。 W。汤姆森出了个好主意，他
在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专
利。到了
1890年，轮胎被正式用在自行车上；到了
1895年，被用
在各种老式汽车上。
令人惊奇的是，尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比
木头或金属更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的
巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。
随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也
变成了天文数字。在最近的半个世纪内，全世界的橡胶产量增长
了
42倍。只要我告诉你这样一个事实，你就可想象今天用于制造
第十一章 分 子
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轮胎的橡胶的数量：仅在美国，每年在公路上磨损掉的橡胶就不下
20万吨，尽管每辆汽车磨损掉的橡胶的数量是相当少的。
橡胶需求量的不断增加，给许多国家的战略物资的储备带来
了一定程度的危机。随着战争的机械化，军队和军需物资都开始
用装有橡胶轮胎的车辆来运输。然而，那些最有可能参加“文明”
战争的“文明”国家，却又都远离惟一能够大量供应橡胶的马来半
岛（马来半岛并不是橡胶的原产地，这里的橡胶树是从巴西移植来
的，但却生长得非常好，而原产地巴西的橡胶产量却逐年下降）。
美国的橡胶供应在它开始参加第二次世界大战的初期便被切断，
那时日本已经侵占了马来西亚。但美国在这方面早有戒备，因此，
甚至在日本偷袭珍珠港之前，战时实行的第一种定量配给物资就
是橡胶轮胎。
甚至在机械化刚刚起步的第一次世界大战中，德国就曾因为
协约国的海军切断了橡胶供应而运转不灵。
那时已经有理由考虑制造合成橡胶的可能性。这类合成橡胶
的天然原料自然是天然橡胶的结构单元——异戊二烯。早在
1880年，化学家们就发现，异戊二烯放置过久就会变软发黏，经酸
化处理后则会变成类似橡胶的物质。德皇威廉二世曾让人用这种
物质制成皇家汽车的轮胎，借以炫耀德国化学方面的高超技艺。
然而，用异戊二烯作为合成橡胶的原料，有两个困难：第一，异
戊二烯的主要来源正是橡胶本身；第二，异戊二烯在聚合时往往是
毫无规律地排列起来。在橡胶长链中，所有的异戊二烯单元都朝
向同一方向：……uuuuuuuuu……而在固塔坡胶长链中，它们则是
严格地按照一正一反的方向排列的：……
ununununun……然而，
如果在实验室中以通常的条件使异戊二烯聚合，则
u和
n就会毫
无规律地混合在一起，形成一种既不是橡胶也不是固塔坡胶的物
质。由于这种物质缺少橡胶的弹性和柔性，所以不能用来制造汽
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车轮胎（仅用于国事活动的皇家汽车当然是个例外）。
后来，�
