化工简史:吃饱穿暖与四大天坑

发布时间:2021-07-03 来源:网络 阅读:2031

化学工业是人类改造世界最主要的手段之一,早在远古时代,人类便开始使用化学方法,来进行制陶、酿造、染色、冶炼、制漆等生产活动,通过这些行为,人类改造物质世界的伟大征程逐渐开启。而到公元前后,东西方分别开始了炼丹术与炼金术,得益于众多有钱没地方花的贵族投资,以及害怕活的时间长的诸位皇帝以身试毒,人类逐渐掌握了一些最为基本的化学知识。于是到15世纪时,西方的炼金术逐步转变为制药,并在实验室中,制得了一些最为基础的化学品,比如硫酸、盐酸、硝酸等。而真正意义上的现代化学工业,则开启于18世纪中叶的英国。

沉迷炼金的牛顿


当时在英国,出现了世界上第一个化工厂,他们使用硫磺和黄铁矿,经过氧化反应和水合反应后,制得了最重要的一种无机酸——硫酸,不过当时的技术条件毕竟十分有限,工厂的产量也不大。后来英国发生了工业革命,纺织业首先得到了长足发展,纺织业的高速发展,瞬间带动了对酸和碱的大量需求,比如说在过去,印染工业主要使用植物碱,而现在植物碱就明显供不应求,市场对人工碱变得极其渴望。

终于在1791年,法国化学家吕布兰,在法国科学院的重金悬赏下,开发出了一种以食盐为原料,制备纯碱也就是碳酸钠的新方法,并开始投资建厂,而在生产碳酸钠的过程中,还可以产出盐酸,盐酸可以用来制备氯气、氯化钙、次氯酸钙等含氯物质,而这些东西同样也是纺织工业所需的,可以用来制造漂白剂。另外,生产出来的纯碱,还可以转化为烧碱也就是氢氧化钠,烧碱可以用来生产肥皂等洗涤剂,当然也有其他更为广泛的用途。如此一来,这样一家工厂,就把原料和副产品都充分利用起来,这在当时是一个了不起的创举,于是人们就把这种制造纯碱的方法,称为吕布兰法。而在吕布兰法生产纯碱的过程中,所使用的吸收塔、旋转炉等设备,也逐渐被其他公司采用,成为了现在很多化工设备的鼻祖。就这样,整个化学工业的基础,也就是酸、碱等无机物的生产体系,被基本建立起来。

吕布兰


随着酸碱问题的解决,纺织业迎来了长足发展,但是新的问题又旋即出现,这就是对染料的需求,也开始大幅增加,导致天然染料的供应捉襟见肘,所以市场又呼唤人工染料的出现。幸运的是,在工业革命的伟大时代,陪同忙碌的纺织机一同到来的,还有轰鸣的蒸汽机,随着蒸汽机的逐渐普及,它的食物——煤炭,开始走进化学家的视野。最终研究一番之后,化学家从煤炼焦的副产物煤焦油中,陆续发现了苯、蒽、醌、萘等芳香族化合物,以此为基础,1867年,英国化学家威廉·亨利·珀金,首次合成了人工染料——苯胺紫紫染料。在此之后,一系列其他染料,也被陆续开发出来。再后来,随着石油的广泛应用,人类又逐渐开创了有机物的生产体系,就这样,以酸碱为代表的无机化学工业,以及化石燃料所开创的有机化学工业,便构成了如今庞大的化学工业帝国最坚实的两块基石。化学工业彻底改变历史进程的大幕,被就此掀开。

W.H.珀金


化学工业的发展,首先带来了农业的改变,最典型的代表,就是化肥和农药的普及使用。几千年来,人类基本没有改变靠天吃饭的命运,年景好能吃饱,年景不好就倒血霉了。后来人们发现,原来要想让庄稼茁壮成长,至少需要提供三种元素——氮、磷、钾,于是化肥在化学工业中,便应运而生了。这其中的磷元素和钾元素,在很多矿物中都有分布,所以这两种化肥并不难弄到。但是氮元素就比较另类了,因为绝大多数的氮元素,是以氮气的形式存在于大气中,但问题是,氮气中的氮元素,无法被植物直接吸收,植物能吸收的,只是氮元素的化合物,在过去这种化合物,只能通过农家肥、固氮菌转化,或是闪电等过程,获得极为有限的氮源,当然了最主要的来源还是农家肥。但这里面其实有个死循环,因为拉的数量是有限的,而且吃的多才能拉的多,但吃的多的前提是庄稼多,庄稼多就需要拉的多,这就是一个死循环。而至于通过闪电这个办法,就太不可控了,有的年景,别说闪电,就连雨都一滴没有。

总之就是,农业生产对氮有着极大的需求。于是人们就开始考虑使用化学方法,将空气中的氮气,转化为植物可以吸收利用的含氮化合物。但我们知道,氮气的化学性质异常稳定,人工制得氮的化合物非常困难。直到20世纪初,德国化学家弗里茨·哈伯才利用化学平衡理论,首次提出使用氮气和氢气直接合成氨的反应方法,不久之后,哈伯的同胞卡尔·博施,又进一步解决了设备的相关问题,工业化大规模生产氨气成为可能,氮肥由此问世,所以我们闻到的化肥那股刺鼻的味道,其实就是氨的味道。三种营养元素都搞定之后,人类的粮食产量开始大幅提高,鉴于此,哈伯和博施分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖。

弗里茨·哈珀



卡尔·博施


不过仅仅有化肥,人类还不满足,因为农业生产还面对另一个重要威胁,这就是虫害。在过去,人类只能依靠天然药物和少量的无机药物,来杀灭虫害,但是效果很差,一直没有明显的进展。直到上世纪40年代,有机合成农药才终于诞生。有机合成杀虫剂的发展,首先是从有机氯开始的,后来又出现了有机磷类和氨基甲酸酯类,尽管这些杀虫剂的使用,造成了污染和残留等众多问题,但人类毕竟获得了对抗昆虫的武器,我个人认为,有点残留反正吃不死,而现在那些过于恶魔化农药残留的,无非就是想把自己的韭菜包装一下,然后卖个高价。所以我一直很推崇鲁迅先生说的那句话:无论从那里来的,只要是食物,壮健者大抵就无需思索,承认是吃的东西,惟有衰病的,却总常想到害胃、伤身,特有许多禁例,许多避忌;还有一大套比较利害而终于不得要领的理由,例如吃固无妨,而不吃尤稳,食之或当有益,然究以不吃为宜云云之类,但这一类人物总要日见其衰弱的,自己先已失了活气了。

学工业首先为纺织业和农业,带来了极大改变,让人可以穿暖、吃饱,但只是吃饱还不够,我们还要活得更加健康,争取活个95岁轻轻松松。所以化学工业给人类社会带来的第二大改变,就是改善了人类健康。具体来看就是两大方面,一是生物工程,二是制药。

现在人都说,大学选择专业有四大天坑——生物工程、化工、环境科学与材料科学,简称生化环材,其实这些专业,都与化工有很大关系。不过虽然贵为四大天坑之首,但生物工程的名字毕竟十分高大上,所以还是阻挡不了那些猛士的脚步,这就叫真的猛士,敢于直面惨淡的人生。当然了不论生物工程如今让学生有多么糟心,但论及对人类社会所做的贡献,生物工程也不是谦虚,那是不知道高到哪里去了。

所谓的生物工程,狭义上指的就是运用生物学知识,定向地改造生物,这个生物一般特指微生物,通过改造,创造出具有超远缘性状的新物种,然后再通过合适的生物反应器,对这些“新物种”进行大规模的培养,以此生产出大量有用的代谢物,或是直接发挥它们某种独特的生理功能。由于微生物的代谢产物,都是由其体内的天然催化剂——酶来完成的,所以事实上,生物工程就可以看作是一种发生特定酶催化反应的化学过程。

迄今为止,生物工程的最大成就,当时青霉素的大规模生产与使用,早在1928年,英国细菌学家亚历山大·弗莱明,就已经发现青霉素良好的杀菌作用,但是直到二战末期,青霉素才开始大规模使用,为什么要等这么长时间?最直接的原因就是,天然存在的青霉菌的青霉素产量,实在是太低了,只有每毫升2个单位。而我们现在去医院挂吊针,正常情况下,一个成年人一次的注射量,就高达80万个单位,之所以今天可以这样大手笔地使用,幕后功臣正是化学工业。英国病理学家霍华德·弗洛里与生化学家恩斯特·钱恩等人,通过自我奋斗,经过多次的辐射与选育,最终将青霉素的产量,提高到每毫升5-6万个单位,最终这两人与弗莱明,共同获得了1945年的诺贝尔生理学或医学奖。

弗莱明



弗洛里



钱恩


青霉素问世之后,又有一大批抗生素类药物相继问世,它们都是通过生物工程的方法生产出来的。有了抗生素,人类面对细菌的战斗力大幅增强,短短几年内,婴儿的死亡率就显著降低,人类的平均寿命,也大幅延长。

化学工业给人类健康带来改变的另一种方式,便是制药。由于化学工业的发展,对于制造各种结构复杂的化合物,人类越来越得心应手,理论上说,能够限制人类设计未知化合物的,只有几条基本的化学规律,以及人类自身的想象力。如此多的物质,它们对人体、对疾病的作用会是怎么样,不管答案是什么,人类已经在这条茫茫的找药路上,获得了累累硕果。

早在19世纪上半叶,科学家就已经从药用植物中,提取出阿托品、吗啡、奎宁等成分作为药物,拯救了不计其数的生命。同时,也正是这些有效成分的分离,为化学药品的发展,奠定了基础。当然只是简单的提取,人类还不满足,随着对天然药物化学结构的认识水平不断提高,科学家逐渐开始尝试,对其进行化学改造,或是直接进行人工合成,这就是所谓的化学制药。最终经过一番自我奋斗之后,到19世纪末期,化学制药工业,已经初具雏形。1910年,德国医学家保罗·欧立希与日本学者秦佐八郎,发明了第一个治疗梅毒的药物——砷凡纳明606,保健的后顾之忧,大大减少。1930年,人工合成的抗菌药——磺胺类药被合成,随后,半合成的抗生素与人工合成的激素类药物,也相继问世。到今天,从治疗头疼脑热的扑热息痛,到让你雄风不倒的蓝色小药丸,无一不是化学工业的伟大成就,虽然我们仍旧无法摆脱疾病,但毫无疑问,人类对抗病魔的能力正在逐渐增强。

欧立希与秦佐八郎


化学工业带来的下一个改变,同样也是一个天坑专业,这就是高分子材料。世界上有三大合成材料——化纤、人造橡胶和塑料,它们都是石油产业的下游产品,让人类使用的有机材料,从天然的狭小范围中解放出来,从此,人类可以按照需要,定制自己所需的材料,当然了这三种材料,也无一例外都属于合成高分子材料。这其中所谓的高分子,指的就是分子质量很高。分子质量之所以高,原因就是它们实际上,都是由比较小的分子,通过一定的化学反应互相连接起来,最终形成一条条特别长的线,其实这几种材料,我们过去节目都曾经唠过,今天再简单炒一个冷饭。

首先看人造橡胶。在很久以前,人类就已经开始采集橡胶树上的胶乳,经过凝固干燥后,制成天然橡胶,天然橡胶的弹性非常好,适合制成轮胎以及其他弹性制品。但是天然橡胶也有个缺点,这就是受外在环境的影响十分大,受热就会发粘,受冷又会变硬,所以在比较特殊的环境下,橡胶强度损失得就比较厉害。1839年,美国发明家查尔斯·固特异,使用硫磺和橡胶助剂,加热天然橡胶,使其交联成弹性体,应用于轮胎及其他橡胶制品,结果性能非常好,并马上得到广泛应用,后来固特异成立了一家公司,这就是直到今天依然存在的固特异轮胎。合成橡胶的出现,是高分子化工的萌芽,而当世界大战开打之后,天然橡胶变得十分紧俏,再加上当时海运受阻,进口的渠道也被堵死,于是各个参战国,都开始积极研究合成橡胶替代天然橡胶。1937年,德国法本公司成功开发了由苯乙烯和丁二烯共聚合成的丁苯橡胶,之后,各国又陆续开发出了顺丁、基丁、氯丁、丁腈、异戊、乙丙等多种合成橡胶,它们各有不同的特性和用途。到今天,几乎所有的需要使用天然橡胶的场合,基本都可以被合成橡胶替代。

天然橡胶


固特异



丁苯橡胶


第二大高分子材料就是化纤,化纤也被称作人造纤维,所谓的人造纤维,是相对于棉、麻、蚕丝、毛等天然纤维而言的。人类对天然纤维的使用,由来已久,不过随着地球人口不断增多,天然纤维在产量上,无法满足所有人的需求,薅羊毛根本不赶趟。于是有人开始尝试,能否用人工合成的方法,制造出服装用的纤维。1891年,法国化学家夏尔多内在法国的贝桑松,建成了第一个硝酸纤维素人造丝厂,由此拉开了纤维人工合成的序幕。1937年,受雇于杜邦化学公司的美国化学家华莱士·卡罗瑟斯,成功合成了尼龙66,这是人造纤维史上的重大标志性事件,因为尼龙展现出了无与伦比的优异性能,它的强度之高,甚至可以用作降落伞。后来,涤纶、维尼纶、腈纶、锦纶、氨纶等也陆续投产,由于有石油化工为其原料保证,所以合成纤维逐渐占据了天然纤维的市场。

人造丝工业之父——夏尔多内



卡罗瑟斯与尼龙

最后一种高分子材料,那就更厉害了,这就是塑料,事实上,塑料和人造橡胶,基本上就是同一个东西,本质上看,都是高分子聚合物的一堆无序缠绕的长链。不过由于不同聚合物之间的范德华力不同,所以就导致高分子固体,在不同温度下的表现形态是不同的。对于高分子固体来说,温度较高时,它们呈现为一种橡胶般的柔软高弹性状态,温度较低时,则会变成类似于玻璃一样硬而脆的固体,而处在两个温度区域之间的交界点的温度,就被称为高分子的“玻璃化转变温度”。所以橡胶一般是玻璃化温度较低的聚合物,而塑料就是玻璃化温度较高的聚合物。

1869年,美国化学家海厄特,利用樟脑增塑硝酸纤维素,制成了赛璐珞塑料,直到今天,还依然很有使用价值,1909年,美国化学家贝克兰,又制成了酚醛树脂,俗称电木粉,这是第一种热固性树脂,可以广泛用于电器的绝缘材料。后来,脲醛树脂、醇酸树脂等热固性树脂,也相继出现。30年代之后,用途更为广泛的热塑性树脂,开始大量涌现,比如说我们常见的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等,都属于这一家族。同一时期,还出现了一大批耐高温、抗腐蚀的材料,比如有机硅树脂、氟树脂等,其中的聚四氟乙烯,更是有塑料之王的美誉,我们平日用的不粘锅,就是在铁锅的表面涂上了一层聚四氟乙烯。

乒乓球由赛璐璐塑料制成



贝克兰



酚醛树脂常见的排水管都为聚氯乙烯



不粘锅的不粘层是聚四氟乙烯

关键词:化工 化学品 纯碱 农药 青霉素 化纤

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