化學，讓世界轉動起來

地球上僅有100多種元素，卻構成了紛繁復雜的現代世界。

了解元素和它們的性質，就能掌握物質世界的規律。

奧運短跑運動員，比賽時最快速度是每小時28英里。

賽車的最高時速，約是240英里。

噴氣式戰斗機的時速，超過1千英里。

航天飛機在軌道飛行時速，是1萬7千英里。

是什么力量，使人類文明進步的速度越來越快？

從第一輛自行車，到第一輛汽車；從馳騁海域的超級油輪，到遨游太空的航天飛船，新材料的出現不斷幫助人們突破活動空間。人類出行的每一步，都離不開化學的力量。

米老鼠是迪斯尼歷史上最經典的動畫形象，它快樂地吹著口哨，駕駛著一艘名叫“威利號”的蒸汽船。這種船每小時大約航行8公里。如果乘坐“威利號”從美國西海岸到中國，至少需要3個月。（圖1）

在當時，這已是較快的速度。一個人靠兩條腿步行，每小時大約能走5公里；騎馬的速度會快一些，時速大約7公里；這樣的速度限制了人類的活動范圍。直到現代汽車出現后，人們的出行時速才超過300公里。

人們腳下的速度，正在越來越快。而這些速度的變化，都從一種樹開始。

當哥倫布初次踏上南美洲土地時，被一種神秘物質吸引。在亞馬遜叢林中，生長著一種“會哭泣的樹”，一旦用刀割開樹皮，便會流出白色液體。印第安人把這種樹汁叫作“樹的眼淚”，這就是今天人們所熟悉的天然橡膠。

馬來西亞是世界上最主要的天然橡膠產地之一。當地人把像牛奶一樣的膠乳搜集起來，并把它涂在腳上，做成鞋子。把膠乳在火上凝結，加工成各種防水、耐磨的橡膠制品。（圖2）

早在1783年，橡膠就幫助人類征服了天空。人們用涂上橡膠的絲綢縫制的熱氣球第一次飛上天空。很快，熱氣球就被用于軍事目的。研究人員制造出偵查氣球和阻攔氣球，最終研制出可駕駛的飛艇。天空，成了勇于挑戰的工程師和冒險家的樂園。這一切都要歸功于橡膠。

19世紀初，美國商店里已經擺上一些橡膠制品：救生衣、雨衣、鞋子等等。

不過，這些橡膠產品并不太受歡迎。因為天然橡膠遇熱會變得很黏，遇冷又會發硬。這樣的產品無法使用，很多橡膠廠不得不破產倒閉。

直到1839年冬天，一個名叫古德伊爾的美國人無意中把一塊混入了硫磺的橡膠掉進火爐。高溫使混合物發生劇烈反應，散發出臭氣。當橡膠團冷卻下來后，古德伊爾驚訝地發現，橡膠已不像平時那樣堅硬，變得柔軟而富有彈性。（圖3）

張愛民（中國合成橡膠工業協會專家委員會委員）：這個變化結果是，橡膠塑性變小，強力和彈性大大增加，變成了有一定力學性能、可以成形的高分子物質。

正是有了硫化這個重要步驟，橡膠才正式成為有用的工業原料。

古德伊爾的發明，永久地改變了世界橡膠業。從鞋子到地毯，從家具到紐扣，利用硫化橡膠技術，古德伊爾開發了數百種橡膠產品。但有一種他從未想到過，那就是和他的名字緊緊相連的汽車輪胎。

歐洲工業革命以后，汽車的發明給橡膠提供了廣闊發展環境。英國老兵約翰.鄧祿普發明了帶有橡膠內胎的充氣輪胎。不久，米其林兄弟發明了可裝卸式充氣輪胎，使修補輪胎變得異常簡便，這是輪胎發展史上的重大進步。從此，成千上萬的汽車開下流水線，橡膠輪子開始代替人類的雙腿奔跑，全球的運轉進入新紀元。（圖4）

張愛民：化學改變了天然橡膠，化學使輪胎這樣的新產品出現，化學使車比以前走得更快更好。化學確實對人類出行起了巨大作用。

1906年，德國拜耳染料廠發布懸賞令：如果有人能在1909年11月1日之前成功研制出“制造橡膠或橡膠替代品的方法”，公司將獎勵發明者兩萬馬克。當時，兩萬馬克相當于一個工人17年的工資總和。巨額獎金的背后，是橡膠需求量的急劇增大。

張愛民：制造一輛汽車需要240公斤橡膠，制造一艘輪船需要60噸到70噸橡膠，制造一架飛機需要600公斤橡膠。

幾乎所有交通工具都離不開橡膠。第一次世界大戰期間，人們用橡膠面具來防備毒氣進攻。另外，防空氣球、船只以及漂浮碼頭等橡膠制品，大大提高了戰爭雙方的防御能力和信息傳遞速度。

張愛民：戰爭期間，拿不到產膠最多的地方，得不到東南亞天然橡膠，會使整個國防建設、備戰物資受到很大影響。因此，美國把開發合成橡膠生產技術，列入國防計劃。

橡膠樹不能在北緯24度以北的地區存活。天然橡膠的有限產量和不斷增長的需求量之間的矛盾，給許多國家戰略物資儲備帶來一定程度的危機。需求壓力迫使人們急切尋找天然橡膠替代品。

如今，世界上百分之六十五的橡膠被用于汽車工業。剛生產出來的生膠是白色的，在制造過程中會加入炭黑，使得混合物呈黑色，并將各種化學原料凝固在一起。正是這個黑乎乎的橡膠制品，支撐了汽車工業近一百年來的迅猛發展。

王佛松（中國科學院院士）：上至航空，下至汽車，包括自行車，脫離了高分子化學家，寸步難行。

現代車胎的成分極其復雜，要達到最高彈性，天然橡膠依舊是最好的。化學家對這種既像液體、又像固體的神奇物質進行剖析后發現，在天然橡膠中，異戊二烯單元像蜷曲的長鏈。這一發現，為人工合成橡膠開辟了新途徑。

王佛松：橡膠不是異戊二烯簡單的聚合，像沙子聚在一塊兒那樣。是靠異戊二烯一個一個單體，通過化學鍵連起來的大分子，不是小分子。幾十個，幾百個，幾千個，上萬個，上十萬個地連在一起。

天然橡膠是典型的高分子聚合物。聚合物都是長鏈分子，也就是說，它并不是一堆粘結成群體的單一分子。這種高分子可以延展得很長。（圖5）

王佛松：天然橡膠的結構，是一個一個單體結起來，非常規整。一個頭一個尾地結起來，也可以頭頭相結，尾尾相結。

認識到天然橡膠的分子結構，人們嘗試使用同一種單體合成橡膠。1942年，世界上第一種大規模工業生產的合成橡膠——丁苯橡膠出現了。

張愛民：丁苯橡膠可以代替一部分天然橡膠來作為輪胎和其他橡膠制品的原料使用。從此，合成橡膠登上了歷史舞臺。

19 世紀末20世紀初，人類發明成果層出不窮，具有探索精神的研究者發明技術、申請專利，并輔之以行動，工業的發展帶動著全人類文明進步的速度。隨著對單體、催化劑和聚合方法的不斷研究，化學家發現了打開物質世界的大門。

王佛松：化學反應要靠一定的能量。很多物質放在那不反應，比如水，氫加氧不反應，要靠高壓，靠閃電，才會產生水，產生臭氧等等。通過催化劑可以把兩個不能反應元素的能級降到可以互相結合的程度。

化學反應的速度是不相同的。催化劑就是能改變化學反應速度的物質，堪稱是化學反應的“變速器”。 在現代工業生產中，催化劑扮演著舉足輕重的角色。（圖6）

王佛松：丁二烯放在那，不反應，有了催化劑，它就能乖乖地結合起來，變成有序的，叫做順式丁二烯，也叫順丁橡膠。

合成橡膠工業有了更多選擇，掌握了物質世界的規律之后，化學工業走入了大分子設計時代。直到現在，化學仍在不斷創造著新的物質。

白春禮（中國科學院院長）：化學是最具有創新活力的一個學科，世界上現在有上千萬種化合物，都是化學家合成的。通過研究原子分子之間的相互作用，用合成方法，構成新的物質，以滿足人類生活的各種需要。

一百多年前，當人們把每小時十八公里稱為“令人窒息的速度”時，無論如何也無法想象，今天的超級跑車，僅用2.5秒就能從靜止達到每小時一百公里的時速。

化學的力量使人類走得更遠、更快、更舒適。每當人類要提高出行速度時，都會要求輪胎進行技術改進，這對合成橡膠提出了更高要求。

白春禮：化學上一個新的發現，新的發明，一個新的進步，都會改變人們生活和生產的方式，推動社會進步，帶動工業發展。

一級方程式賽車是世界上最快速的運動，同時，也是世界上最昂貴的橡膠實驗室。作為唯一和地面接觸的部分，輪胎的性能直接影響著賽車表現。車手希望他們的車胎更耐磨、更輕、抓地性能更好……總之，他們渴望在賽道上超越時間。（圖7）

那些在高速公路上奔馳的普通人，也時刻被他們的橡膠輪胎影響著。每踩一次剎車或油門，都在考驗著這種化學工業產物的性能。

張愛民：子午胎可以到每小時180公里，高性能輪胎可以到200公里到240公里。在這樣快的速度下，還要保持它的剎車性能和可操縱性，所以對輪胎的要求非常高。

輪胎在轉彎時，胎邊受到的壓力非常大。即使在低速下，輪胎也會出現變形。因此胎邊必須使用彈性非常高的材料。為了能夠適應越野或者都市道路等不同環境，一只輪胎上可能會出現六、七種不同的橡膠。

張愛民：有了合成橡膠以后，就可在輪胎不同的部位放不同的合成橡膠。比如胎體部分，用順丁橡膠，它生熱點比較低。在胎面用順丁橡膠，可以抗磨。

六十年代初，國外將合成橡膠列為對我國的禁運物資，合成橡膠技術也遭遇嚴密封鎖。當時，進口一噸天然橡膠要換出10噸大米。如今，中國合成橡膠產量和消費量均居世界前列。

張愛民：到現在為止，世界上所有七種通用橡膠，中國都能生產。

掌握了化學，無異于掌握了打開物質世界大門的鑰匙。化學，不僅幫助現代化的汽車穿上“鞋子”，更將人類腳下的路，延伸向更遠。

白春禮：空客A380、波音777、787飛機，大量用碳纖維替代金屬材料。這種合成材料離不開材料化學研究成果。（圖8）

化學家和化學工程師對能源和交通發展做出了巨大貢獻：瀝青路面越鋪越遠；鋁、鈦合金材料制造了超大飛機；化學推進劑幫助“神舟九號”克服地球引力……人類能夠在陸地、空中任意馳騁，這一切，都離不開化學的力量。

過去，古老的煉金術士把身邊的各種物質丟進熔爐，期望能夠煉出金子，他們追求財富和永生。

現在，化學家正以“造物主”的嶄新姿態，使這門古老的學科，煥發出新的魅力。化學，正朝著更加綠色、更加精準的方向發展。

姚建年：化學要不斷地走向精準化，不單是造物還要造有用的物。比如說1+1=2，什么也沒浪費，什么也沒多余。要做成這樣還要走很長一段路，路還很艱巨。但我覺得，這是一個值得提倡，應該追求的目標。

化學使現代人類“日行千里”，它以驚人的力量，推動著人類文明高速進步的車輪。

圖1 米老鼠駕駛“威利號”船三個月才能到達中國

圖2 馬來西亞姑娘在膠林采膠

圖3 古德伊爾的發明改變了世界橡膠業

圖4 橡膠輪子代替了人類雙腿奔跑

圖5 高分子長鏈示意圖

圖6 催化劑改變化學反應速度的美麗瞬間

圖7 一級方程式賽車——世界上最昂貴的橡膠實驗室

圖8 現代飛機大量采用碳纖維替代金屬材 料