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科学发现 苯分子环状结构

  苯胺紫染料(1856年)

  威廉·亨利·珀金(1838~1907年)


苯胺紫染料仍用于现今的服装界

  1856年,18岁的珀金在德国化学家奥古斯都·威尔姆·霍夫曼的指导下开始了化学研究生涯。霍夫曼是世界上研究煤焦油的著名专家。煤焦油是煤气厂生产过程中剩下的黏糊糊的黑色残留物。提取净化之后煤焦油会释放出碳氢化合物——特别是有刺激味的苯、甲苯、萘和蒽。从苯中合成的酚是广泛使用的杀虫剂,从酚中可以提取苦味酸。

  霍夫曼认为从煤焦油中提取原料将降低成本。1856年,珀金在自己的实验室里试图从蒽生成物中提取奎宁,结果得到一些淤泥。珀金又尝试使用苯胺做同样的反应,这次他得到一些黑色的固体物。将黑色固体物倒入用甲醇变性的酒精里分解以后,生成一些美丽的紫色溶液。珀金认为丝绸最好染成这种苯胺紫色,于是他到苏格兰最著名的染房进行测试,但那里的人们只是给棉布染色,结果珀金遭到了拒绝。最终珀金说服自己的父亲和弟弟开办了一家染料企业,自1857年起开始生产苯胺紫染料。

  随后,苯胺紫染料家族成员激增——品红、洋红、苯胺蓝、猩红、黑和绿色先后问世。市场的需求又促成诸如偶氮染料等新式染料的发现。1868年两位德国化学家合成了广受欢迎的天然红色茜素颜料。

  苯分子环状结构(1865年)

  弗里德希·奥古斯都·凯库勒(1829~1895年)


苯分子环状结构

  1890年的一天,凯库勒这样描述他发现苯分子的过程:1855年的一个傍晚,他坐在壁炉旁的椅子上睡着了。梦中见到一条蛇身体盘成一个圈咬自己的尾巴。醒来之后,凯库勒意识到自己找到了苯的分子式C6H6 。当时的化学家们对此不理解,认为这与1个碳原子带有4个氢原子的事实不相符。但是如果分子里面有6个碳原子,每个碳原子又有1个氢原子,而且原子交叉地呈环状排列,问题就解决了。

  凯库勒的苯分子式还解决了分子里面的碳原子为什么都是相同的这一难题。用其他的原子替换苯分子中的氢原子结果几乎完全相同。显然,如果分子是对称的,所有的结果都是不变的。

  在接下来的几年研究工作中,凯库勒揭开了有机化学中其他一些化合物的结构方式,开创了“芳香基”化合物的研究。为此凯库勒的名字总是与苯及有类似分子结构的元素联系在一起。难道他真的是靠做梦解决了难题吗?他读没读过奥地利化学家约翰·尤塞弗·洛喜密脱几年前出版的一本有名的书?在书中,洛喜密脱提出了几乎相同的苯分子结构理论。很明显,凯库勒是受到了洛喜密脱的影响,尽管他本人从来没有承认过。

  甘油炸药(1867年)

  阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔(1833~1896年)


尽管诺贝尔被看作是疯狂的科学家,他本人却认为恐怖的炸药会引发非正义的战争

  诺贝尔出身于一个瑞典科学家和发明家的家庭,他的父亲在俄罗斯圣彼得堡开办了一家炸药厂。1863年,父子二人开始生产硝化甘油。硝化甘油最早在1847年由意大利化学家阿斯卡尼奥·索布雷罗首先研制成功。

  尽管硝酸甘油是一种爆炸力很强的炸药,却往往会在没有任何预兆的情况下突然爆炸。1864年,诺贝尔在瑞典开办的一家工厂突然发生爆炸,炸死了包括他弟弟艾米尔在内的五个人。于是他开始在一艘驳船上研究如何使硝化甘油安全爆炸。他发现如果把甘油放入能够渗透的硅藻土里,可以通过起爆器安全地引爆(吸取1863年的雷酸汞的教训,诺贝尔为此装置申请了专利)。他的这种新式炸药可以制成棍状,用不透油的纸包装。1867年,诺贝尔也为甘油炸药申请了专利。诺贝尔还发明了胶状炸药(炸胶),里面除了硝化甘油还含有硝化棉和硝酸纳成分,威力更大而且更加安全的炸药。

  甘油炸药和炸胶是矿山开采、兴修铁路、开凿隧道的理想用品,诺贝尔因此变得非常富有,他将自己的财富设立了诺贝尔奖。

  合成氨(l909年)

  弗利兹·哈伯(1868~1934年)


哈伯是一个极端爱国的德国人,第一次世界大战期间研制过大量用于战争的毒气

  尽管地球大气层氮含量为80%,可是氮却非常不活泼,只有细菌和微生物等少数活的物种通过固态氮的方法将其转化为有用的气体氨(NH3),其他有机物依赖这一反应过程生成所有生命赖以为生的氨基酸。然而,微生物能够固定住的氮的数量却是有限的。

  19世纪的科学家们试图直接用氮(N2)和氢(H2)制取氨,可是不管温度有多高,压力有多大,这两种气体就是不发生反应。1904年,德国化学家弗利兹·哈伯在混合的热气体中加入铁锉屑催化剂,结果得到少量的氨。使用这种方法只有0.01%的氮发生了反应。当他来到当时最大的化工企业咨询的时候被告知,这种产氨率很难引起企业家的兴趣。他们建议他更加细致地研究每一步骤。1908年,他将氨的产量提高到6%。

  化学家卡尔·博施认为这个结果有商业价值。氨可以从反复混合的氮和氢中分离出来,他鼓励哈伯扩大研究规模。1909年7月3日,每小时产80克的实验厂开始生产氨。不久,规模更大的每天产1吨氨的一家工厂在德国奥普堡投产。今天,合成氨厂遍布世界各地,每年生产15 000万吨氨,为农作物生长提供必需的氮肥。


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