帝國的黎明
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早期的化學工程

公元前後,中國和歐洲進入煉丹術、煉金術時期。中國由於煉製長生不老藥,而對醫藥進行研究。於秦漢時期完成的最早的藥物專著《神農本草經》,載錄了動、植、礦物藥品365種。16世紀,李時珍的《本草綱目》總結了以前藥物之大成,具有很高的學術水平。此外,7~9世紀已有關於黑火藥三種成分混煉法的記載,並且在宋初時火藥已作為軍用。歐洲自3世紀起迷信煉金術,直至15世紀才由煉金術漸轉為製藥,史稱15~17世紀為製藥時期。在製藥研究中為了配製藥物,在實驗室製得了一些化學品如硫酸、硝酸、鹽酸和有機酸。雖未形成工業,但它導致化學品製備方法的發展,為18世紀中葉化學工業的建立,準備了條件。

早期的化學工業從18世紀中葉至20世紀初是化學工業的初級階段。在這一階段無機化工已初具規模,有機化工正在形成,高分子化工處於萌芽時期。

無機化工第一個典型的化工廠是在18世紀40年代於英國建立的鉛室法硫酸廠。先以硫磺為原料,後以黃鐵礦為原料,產品主要用以製硝酸、鹽酸及藥物,當時產量不大。在產業革命時期,紡織工業發展迅速。它和玻璃、肥皂等工業都大量用堿,而植物堿和天然堿供不應求。1791年N.呂布蘭在法國科學院懸賞之下,獲取專利,以食鹽為原料建廠,製得純堿,並且帶動硫酸(原料之一)工業的發展;生產中產生的氯化氫用以製鹽酸、氯氣、漂白粉等為產業界所急需的物質,純堿又可苛化為燒堿,把原料和副產品都充分利用起來,這是當時化工企業的創舉;用於吸收氯化氫的填充裝置,煆燒原料和半成品的旋轉爐,以及濃縮、結晶、過濾等用的設備,逐漸運用於其他化工企業,為化工單元操作打下了基礎。呂布蘭法於20世紀初逐步被索爾維法(見純堿)取代。19世紀末葉出現電解食鹽的氯堿工業。這樣,整個化學工業的基礎──酸、堿的生產已初具規模。

有機化工紡織工業發展起來以後,天然染料便不能滿足需要;隨著鋼鐵工業、煉焦工業的發展,副產的煤焦油需要利用。化學家們以有機化學的成就把煤焦油分離為苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽、菲等芳烴。1856年,英國人W.H.珀金由苯胺合成苯胺紫染料,後經過剖析確定天然茜素的結構為二羥基蒽醌,便以煤焦油中的蒽為原料,經過氧化、取代、水解、重排等反應,仿製了與天然茜素完全相同的產物。同樣,製藥工業、香料工業也相繼合成與天然產物相同的化學品,品種日益增多。1867年,瑞典人A.B.諾貝爾發明代那邁特炸藥(見工業炸藥),大量用於采掘和軍工。

當時有機化學品生產還有另一支柱,即乙炔化工。於1895年建立以煤與石灰石為原料,用電熱法生產電石(即碳化鈣)的第一個工廠,電石再經水解發生乙炔,以此為起點生產乙醛、醋酸等一係列基本有機原料。20世紀中葉石油化工發展後,電石耗能太高,大部分原有乙炔係列產品,改由乙烯為原料進行生產。

高分子材料天然橡膠受熱發粘,受冷變硬。1839年美國C.固特異用硫磺及橡膠助劑加熱天然橡膠,使其交聯成彈性體,應用於輪胎及其他橡膠製品,用途甚廣,這是高分子化工的萌芽時期。1869年,美國J.W.海厄特用樟腦增塑硝酸纖維素製成賽璐珞塑料,很有使用價值。1891年H.B.夏爾多內在法國貝桑鬆建成第一個硝酸纖維素人造絲廠。1909年,美國L.H.貝克蘭製成酚醛樹脂,俗稱電木粉,為第一個熱固性樹脂,廣泛用於電器絕緣材料。

這些萌芽產品,在品種、產量、質量等方麵都遠不能滿足社會的要求。所以,上述基礎有機化學品的生產和高分子材料生產,在建立起石油化工以後,都獲得很大發展。

物質提純

物質的提純是指將物質中的其他雜質除去得到較為純淨的物質的過程。解答這類題目時,必須考慮到物質的存在狀態,被提純物質與雜質之間在物理性質和化學性質上的差異和聯係,然後決定選用何種試劑,采用何種方法。現就物質提純題的常見解法歸納如下:

一、利用物質物理性質上的差異

例1.除去Cl2中混有的少量HCl氣體。

解析:(溶解性差異法)將混合氣體通過飽和食鹽水,HCl氣體溶於飽和食鹽水而被除去。

例2.除去固體KNO3中混有的少量NaCl雜質。

解析:(結晶法)先將混合物在高溫下製成飽和溶液,然後逐漸冷卻,使KNO3結晶析出,再過濾便可得到KNO3晶體。

例3.除去氫溴酸中少量的溴單質。

解析:(萃取分液法)將混有溴的氫溴酸加到分液漏鬥中,然後再加萃取劑CCl4,充分振蕩後靜置,分出下層液體,所得上層液體便為氫溴酸。

例4.除去碘中混有的泥沙。

解析:(升華法)加熱使碘升華,然後再收集碘,便可除去泥沙。

例5.除去某一液溶膠中混入的少量的食鹽雜質。

解析:(滲析法)把混有食鹽雜質的膠體裝入半透膜袋子裏,把袋口紮好,把袋子係在玻璃棒上,然後把它懸掛在流動的蒸餾水中,過一段時間後,膠體中的、便通過半透膜溶入水中,從而使膠體得以淨化。

例6.現有A、B兩種液體的混合物,已知A的沸點為35℃,B的沸點為200℃,如何得到A、B的純淨物?

解析:(蒸餾法)將A、B的混合液進行蒸餾,然後收集35℃時的餾分就可得到A物質,留在燒瓶裏的是B物質。

二、利用物質化學性質上的差異

用化學方法提純的關鍵是正確選擇化學試劑,選擇試劑時應注意:

(1)選擇的試劑一般隻能與雜質反應;

(2)提純物質的過程中不能引入雜質;

(3)雜質與試劑反應生成的產物要與提純的物質易分離;

(4)提純過程要步驟簡單,現象明顯,容易分離,所得產物的純度要高;

(5)盡可能將雜質轉化為所需的物質。

其常用的方法有:熱分解法、氧化還原法、沉澱法等。

例7.除去Na2CO3固體中混有的少量NaHCO3。

解析:(熱分解法)將二者的混合物加熱,使分解轉變為。

例8.除去苯中混有的少量甲苯。

解析:(氧化還原法)在混合物中加入酸性高錳酸鉀溶液,使甲苯氧化為苯甲酸,再用NaOH溶液中和,使之轉化為苯甲酸鈉進入水中與苯分層,再用分液漏鬥分離除去。

例9.除去CO2氣體中混有的H2S氣體。

解析:(沉澱法)將混合氣體通過盛有CuSO4溶液的洗氣瓶,便可除去H2S氣體:。

例10.除去中混有的少量。

解析:(溶解法)利用的兩性,向混合物中加入過量的NaOH溶液,完全反應後過濾,便可除去雜質:。

例11.除去氣體中混有的少量SO2氣體。

解析:(洗滌法)將混合氣體通過NaOH溶液,即可除去SO2氣體:

化學的英文詞為Chemistry,法文Chimie,德文Chemie,它們都是從一個古字、即拉丁字chemia,希臘字Xηwa(Chamia),希伯萊字Chaman或Haman,阿拉伯字Chema或Kema,埃及字Chemi演化而來的.它的最早來源難以查考.從現存資料看,最早是在埃及第四世紀的記載裏出現的.所以有人認為可以假定是從埃及古字Chemi來的,不過這個名字的意義很晦澀,有埃及、埃及的藝術、宗教的迷惑、隱藏、秘密或黑暗等意義。其所以有這些意義,大概因為埃及在西方是化學記載誕生的地方,也是古代化學極為發達的地方,尤其是在實用化學方麵。例如,埃及在十一朝代進已有一種雕刻表示一些工人下在製造玻璃,可見至少在公元前2500年以前,埃及已知道玻璃的製造方法了。再從埃及出土的木乃伊看,可知在公元前一、二千年時已精於使用防腐劑和布帛染色等技術。所以古人用埃及或埃及的藝術來命名“化學”。至於其它幾種意義,可能因為古人認為化學是一種神奇和秘密的事業以及帶有宗教色彩的緣故。正題:化學的曆史淵源非常古老,可以說從人類學會使用火,就開始了最早的化學實踐活動。我們的祖先鑽木取火、利用火烘烤食物、寒夜取暖、驅趕猛獸,充分利用燃燒時的發光發熱現象。當時這隻是一種經驗的積累。化學知識的形成、化學的發展經曆了漫長而曲折的道路。它伴隨著人類社會的進步而發展,是社會發展的必然結果。而它的發展,又促進生產力的發展,推動曆史的前進。化學的發展,主要經曆以下幾個時期:(一)化學的萌芽時期:從遠古到公元前1500年,人類學會在熊熊的烈火中由黏土製出陶器、由礦石燒出金屬,學會從穀物釀造出酒、給絲麻等織物染上顏色,這些都是在實踐經驗的直接啟發下經過長期摸索而來的最早的化學工藝,但還沒有形成化學知識,隻是化學的萌芽時期。(二)煉丹和醫藥化學時期:約從公元前1500年到公元1650年,化學被煉丹術、煉金術所控製。為求得長生不老的仙丹或象征富貴的黃金,煉丹家和煉金術士們開始了最早的化學實驗,而後記載、總結煉丹術的書籍也相繼出現。雖然煉丹家、煉金術士們都以失敗而告終,但他們在煉製長生不老藥的過程中,在探索“點石成金”的方法中實現了物質間用人工方法進行的相互轉變,積累了許多物質發生化學變化的條件和現象,為化學的發展積累了豐富的實踐經驗。當時出現的“化學”一詞,其含義便是“煉金術”。但隨著煉丹術、煉金術的衰落,人們更多地看到它荒唐的一麵,化學方法轉而在醫藥和冶金方麵得到正當發揮,中、外藥物學和冶金學的發展為化學成為一門科學準備了豐富的素材。(三)燃素化學時期:這個時期從1650年到1775年,是近代化學的孕育時期。隨著冶金工業和實驗室經驗的積累,人們總結感性知識,進行化學變化的理論研究,使化學成為自然科學的一個分支。這一階段開始的標誌是英國化學家波義耳為化學元素指明科學的概念。繼之,化學又借燃素說從煉金術中解放出來。燃素說認為可燃物能夠燃燒是因為它含有燃素,燃燒過程是可燃物中燃素放出的過程,盡管這個理論是錯誤的,但它把大量的化學事實統一在一個概念之下,解釋了許多化學現象。在燃素說流行的一百多年間,化學家為解釋各種現象,做了大量的實驗,發現多種氣體的存在,積累了更多關於物質轉化的新知識。特別是燃素說,認為化學反應是一種物質轉移到另一種物質的過程,化學反應中物質守恒,這些觀點奠定了近代化學思維的基礎。這一時期,不僅從科學實踐上,還從思想上為近代化學的發展做了準備,這一時期成為近代化學的孕育時期。(四)定量化學時期:這個時期從1775年到1900年,是近代化學發展的時期。1775年前後,拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說,開創了定量化學時期,使化學沿著正確的軌道發展。19世紀初,英國化學家道爾頓提出近代原子學說,接著意大利科學家阿伏加德羅提出分子概念。自從用原子-分子論來研究化學,化學才真正被確立為一門科學。這一時期,建立了不少化學基本定律。俄國化學家門捷列夫發現元素周期律,德國化學家李比希和維勒發展了有機結構理論,這些都使化學成為一門係統的科學,也為現代化學的發展奠定了基礎。