國際化學年:他學與衣食住行(四)

今天我跟同學們說說化學與衣食住行的“行”。我們幾乎每天少不了上路，許多路面是瀝青鋪成的。瀝青是什么?化學告訴我們，瀝青是組成非常復(fù)雜多樣的混合物。瀝青呈黑色，是由于它含單質(zhì)碳和多種多樣的碳氫化合物。瀝青黏稠，似液似固，又非液非固，實在是由于它是豆腐、乳酪、瓊脂、蠟之類的“凝膠”。

人類最早認識的瀝青是天然產(chǎn)物，現(xiàn)稱“天然瀝青”。從互聯(lián)網(wǎng)上可以查到，目前發(fā)現(xiàn)最早的、確鑿可考的瀝青的用途是最匪夷所思的——蓋房子。考古發(fā)掘得知，印度河流域的達羅毗荼人在公元前4000年左右用瀝青建造了一個浴室。公元8世紀，阿拉伯帝國的新都巴格達全部街道都由柏油鋪成，這是世界上第一座“柏油馬路化”的城市。幾千年過去了，人們還在開采著天然瀝青。如今加拿大的露天天然瀝青礦的總面積竟跟英倫三島的面積一樣大!

不過，如今鋪路的瀝青主要來自石油化工加工廠，簡稱石油瀝青。這些年我國的公路里程天文數(shù)字般地伸長，其瀝青用量每年不下千萬噸，其中約2／3是自產(chǎn)的，1／3是進口的。

早年的鋪路瀝青有個致命的缺點——經(jīng)不起高溫酷熱，一到夏天瀝青路面就變軟了，那情景，不親身經(jīng)歷已經(jīng)難以想象。而今的瀝青路早已不再怕高溫酷熱，不會變軟了，這是化學的功績!原來，化學家們把一些經(jīng)過化學處理或者人工合成的高分子材料添加到瀝青里，才使瀝青不再被烈日曬軟了，這就是“改性瀝青”。改性瀝青曾是德國人的專利。可喜的是，近年我國化學家已經(jīng)發(fā)明了自主創(chuàng)新的改性瀝青，添入的高分子材料是經(jīng)過化學家改造的源自木材的木質(zhì)素，有的改性瀝青里添加的是廢棄輪胎橡膠。

橡膠輪胎是“行”之另一要素。每年用于制造輪胎的橡膠高達上百萬噸!橡膠有天然和合成之分。天然橡膠主要源自南美洲熱帶雨林的橡膠樹流出的膠汁。3600年前印第安人就用天然橡膠制作皮球了，后來他們還用橡膠制作雨鞋和雨衣。20世紀初，化學家弄清了天然橡膠的主要成分是一種叫做異戊二烯的含5個碳原子的碳氫化合物通過聚合反應(yīng)得到的高分子，相對分子質(zhì)量高達10萬至100萬。隨后化學家就模仿天然橡膠合成出不下20種合成橡膠。如今合成橡膠和天然橡膠的產(chǎn)量比約為2:1，但輪胎橡膠主要仍是天然橡膠。

用于橡膠制品的橡膠必須經(jīng)過化學加工，其中最重要的步驟是硫化和添加填料，如碳黑或碳酸鈣(由于歷史原因被稱為“白炭黑”)。硫化曾是偶然發(fā)現(xiàn)的，后來化學家才懂得，橡膠遇到硫黃，線形的高分子便通過硫原子為橋梁交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)狀的高分子了，于是彈性、穩(wěn)定性、強度等性能大大增強。填料不僅改變橡膠的顏色，而且大大改善了橡膠的性能。

“行”的另一要素是動力。眼下的行車動力來源主要有兩類，用電驅(qū)動和燃燒石油制品(汽油和柴油)來推動。化學對于人類發(fā)展動力有說不盡的故事，可寫一本厚書，留給同學們自己慢慢學吧，今天我來談?wù)剟恿Φ奈磥怼?/p>

人類未來動力最理想的來源應(yīng)該是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電力，即太陽能發(fā)電。化學對此的貢獻是尋找并制造發(fā)生這種轉(zhuǎn)化的電池——太陽能電池(也有人稱它為光伏電池)的材料。目前已知最好的光伏電池材料是單質(zhì)硅，至于未來會不會有比單質(zhì)硅更好的太陽能材料還不得而知，需要未來化學家的探索。須知，自然界里可沒有單質(zhì)硅，它是化學家用天然二氧化硅制造的!二氧化硅形態(tài)很多，總稱硅石，水晶、瑪瑙、燧石、石英、脈石都是硅石。化學家把二氧化硅轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硅不是一個簡單的歷程。

太陽能電池直接用于車載電池是不劃算的，因為它的體積太大。車載電池應(yīng)該體積小、重量輕。現(xiàn)今體積最小、重量最輕的車載電池是鋰離子電池(常被一些人不恰當?shù)睾喎Q為鋰電池，不恰當是由于后者為另一類電池)，總有一天，它會完全取代既笨重又污染環(huán)境的鉛蓄電池(鉛污染最嚴重的場所是煉鉛廠)，鋰離子電池的制造很不容易，我國到最近才出現(xiàn)鋰離子電池的自主產(chǎn)業(yè)。

考慮到電動汽車的續(xù)航能力有限，燃料電池仍是車載電池不錯的選擇。燃料電池不同于鋰離子電池，它只是一個發(fā)電裝置，而發(fā)電的原料是車載的燃料。車載燃料最好是氫氣。氫氣不僅質(zhì)輕，而且發(fā)電效率高。即便在內(nèi)燃機里直接燃燒氫氣推動汽車，也由于燃燒溫度低而不會產(chǎn)生氮氧化物污染環(huán)境。那么，氫氣從哪里來?從地球上儲量最多的化合物——水中來!水是氫和氧的化合物。這一點，早在200多年前就被大化學家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)了。用電流可以將水分解成氫氣和氧氣。在燃料電池里，氫氣和來自空氣的氧氣分別在兩個電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電力，而產(chǎn)物仍然是水!如若電力的源泉是太陽，人類就做到真正的綠色出行了!這一天不遠了，但仍需大批化學家繼續(xù)為之奮斗，你也許是這些化學家中的一員呢!

責任編輯 侯秀姣