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，瀝青是組成非常復雜多樣的混合物。瀝青呈黑色，是由于它含單質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物，現稱“天然瀝青”。從互聯網上可以查到，目前發現最早的、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是自產的，1／3是進口的。

早年的鋪路瀝青有個致命的缺點——經不起高溫酷熱，一到夏天瀝青路面就變軟了，那情景，不親身經歷已經難以想象。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發明了自主創新的改性瀝青，添入的高分子材料是經過化學家改造的源自木材的木質素，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得到的高分子，相對分子質量高達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”)。硫化曾是偶然發現的，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成網絡狀的高分子了，于是彈性、穩定性、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，用電驅動和燃燒石油制品(汽油和柴油)來推動。化學對于人類發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，今天我來談談動力的未來。

人類未來動力最理想的來源應該是將太陽能直接轉化為電力，即太陽能發電。化學對此的貢獻是尋找并制造發生這種轉化的電池——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硅，至于未來會不會有比單質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硅，它是化學家用天然二氧化硅制造的!二氧化硅形態很多，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化為單質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。車載電池應該體積小、重量輕。現今體積最小、重量最輕的車載電池是鋰離子電池(常被一些人不恰當地簡稱為鋰電池，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，我國到最近才出現鋰離子電池的自主產業。

考慮到電動汽車的續航能力有限，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，它只是一個發電裝置，而發電的原料是車載的燃料。車載燃料最好是氫氣。氫氣不僅質輕，而且發電效率高。即便在內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生氮氧化物污染環境。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現了。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生氧化還原反應，產生電力，而產物仍然是水!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