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1 4 上班（第1页）

1。4上班

●　蓝天：瑞利散射和大气现象的各种变化

早餐后你就出门了。现在正值冬季，气温很低，但今天的天气很好，天空万里无云，一片湛蓝。我们对这样的天空已经习以为常，但若是想要解释清楚为什么天空是蓝色的就不是那么简单了。英国物理学家约翰·威廉·斯特拉特·瑞利（JohnWilliamStruttRayleigh，1842—1919）[34]成功解释了这个问题。在这一现象的基础上，光的一种特殊行为被命名为瑞利散射（Rayleighsg）。当光线穿过由小颗粒（其尺寸与光的波长相当）组成的介质（如大气中的气体分子）时，它会向各个方向偏转。但根据入射光波长的不同，扩散强度也不同。瑞利发现，大气散射光的强度与入射光线波长的四次方成反比。太阳光由各种波长不同的成分（对应于彩虹颜色的色光）构成，波长较短的光受大气散射的影响较大。组成太阳光的色光波长从红光到紫光逐渐减小，因此散射能力最强的色光应该是紫光。但是由于紫光在太阳光中的强度很弱，所以散射最强的就变成了波长也很短，但光强度更高的蓝光。所以天空呈现蓝色多亏了有大气层作为扩散介质。在没有大气的情况下，天空会呈现黑色，宇航员在地球大气层外的旅行证实了这一点。

今天的天空中没有云，但我们知道云一般是白色的，有时也会更暗。云由悬浮在空中的水滴组成，因此它们是比分子和光的波长大得多的“物体”。在这种情况下，光仍然是向各个方向扩散的，但不管波长大小如何，它们的散射程度都是一样的。另外我们还知道，所有波长的光合在一起就是白光，所以我们的眼睛看见的就是白色的云。有时候阳光无法穿透厚云层，下层的云处在阴影之中就会显得很暗。它们的大体积，尤其是它们的厚度阻碍了光线的通过，所以云朵看起来是“阴暗”的。

仔细想想这些事情你会觉得奇怪，为什么在黎明和日落的时候天空反而呈现出红色？在这种情况下，所涉及的现象不再是光的散射，而是空气中的分子对辐射的吸收。在黎明和日落时分，太阳比地平线低，太阳发出的光侧着射入地球表面，太阳光必须穿过更厚的大气层，因此大气层也就吸收了更多的太阳光。但空气中的气体分子主要吸收波长较短的光线，而波长较长的光却能安然无恙地通过。所以到达我们眼睛的光线中红光会更多。

●　道路上的冰和盐

尽管天空晴朗，但气象部门预测明天会下雪甚至可能有霜冻。为此，市政府已安排在街道上撒盐。当你走出家门的时候恰巧有一辆撒盐车经过。你的脑海中浮现出你姑姑在制作冰激凌时，将碎冰和盐混合，以此来降温的画面。但是这样一来，在道路上撒盐又有什么意义呢？不是进一步降低温度了吗？制作冰激凌的撒盐和道路除冰撒盐这两种现象虽然看起来相似，但也必须解释一下，以免大家混淆。在标准大气压下，纯水在0℃时会结冰（也可以说冰会在这个温度时融化），而盐（或其他物质）的水溶液反而会在更低的温度下结冰，并且溶液的浓度越高，凝固点越低。这种现象被化学家们称为冰点降低（同样，溶液的沸点也比纯溶剂高，在这种情况下我们称其为沸点升高）。当盐被加到冰（或雪）里时，我们会发现同时存在3种不同的物质（化学家称它们为相）：固体冰、固体盐以及盐融化在原有的少量水里面形成的氯化钠溶液。这3种相的共存决定了不平衡、不稳定的局面。然后冰逐渐融化，形成的水会进一步溶解盐。冰的融化过程会从外界环境中吸收热量，这样就会使物质温度逐渐降低（这就解释了为什么要用冰和盐的混合物来降低温度制作冰激凌）。最后会达到以氯化钠溶液为代表的单相组成的平衡状态。最终的温度会下降，但冰层却已经完全消失了，而这正是我们想要达到的目的。温度下降多少取决于盐的添加量。如果使用普通食盐（氯化钠），则可达到的最低温度是-21。3℃，这个值称为共晶温度（eutectictemperature）。一般情况下，如果将两种纯物质混合，得到的混合物的熔点会比两种纯物质的熔点低。这种特殊的混合物具有最低熔化温度，被称为低共熔物（eutecticmixture）。在加入氯化钠的情况下，得到的低共熔物是质量浓度约为23%的氯化钠溶液。

我们一般使用普通的氯化钠来清除道路上的冰，也可以使用氯化钙。通常我们还会将这两种盐与沙子或碎石混合，以增加地面的摩擦力，为车辆轮胎提供良好的附着力。

●　制冷板

低共熔物也应用于低共熔片（eutecticplate）。这是一种含有低共熔溶液的金属板，溶液可以被内部冷却盘管冷冻。冻结后的溶液马上就会从外部吸收热量，从而保证放置环境（如集装箱、冷冻食品运输车等）的制冷效果。普通的制冷板（Piastrerefrigeranti），又称冰晶盒（siberino），也是采用同样的原理，将它放在冷冻室中冻结，然后用于保温袋和便携式冰箱的制冷。

●　汽车：汽油、碳氢化合物、内燃机

一路上想着盐、冰和共晶这些知识，不知不觉中你已经来到了车库。你上了车，然后插上钥匙，启动车子去上班。你可能觉得奇怪，但确实这次你又开启了一个化学反应。这个反应是发生在汽车气缸中的碳氢化合物的燃烧（或氧化）。碳氢化合物是由碳和氢组成的化合物，因为它们只由两种元素组成，所以化学家称它们为二元化合物（Binarypound）。众所周知，碳氢化合物是当前社会重要的能源来源（也是生成无数其他化合物的基本）。根据其分子结构，碳氢化合物可分为不同的类别。分子以开链形式存在的称为脂肪族化合物（aliphatipound）。而在具有闭合（环状）链的碳氢化合物中，有脂环族化合物（alipounds）和芳香族化合物（aromatipounds）[或芳香烃（aromatichydro）]。脂环族化合物尽管具有闭合碳链，但它有着与脂肪族相似的化学键。芳香族具有特殊的电子结构，赋予了它们特殊的性质（取名为“芳香族”，是因为许多这类化合物具有芳香气味；但现在化学家们认为只要此类化合物满足特定电子结构，不管是否有香味，都叫芳香族化合物）。脂肪族包含烷烃（alkane）、烯烃（alkene）和炔烃（alkyne），烷烃中的碳原子之间只有单键（只由一对电子构成），烯烃含有碳碳双键（2对电子），炔烃含有碳碳三键（3对电子）。

汽车使用的汽油主要是由碳原子数为5～9个的烷烃和烯烃的混合物组成，但也存在芳香烃和其他化合物（见下文）。在我们的汽车发动机中，汽油在化油器中被雾化并与空气混合。空气与汽油的混合物进入气缸后被活塞压缩，在压缩冲程结束时，气缸顶端的火花塞产生的火花使混合物猛烈燃烧。燃烧释放的能量推动活塞运动，这样的运动会通过连杆传递给曲轴。气缸中发生的燃烧是汽油中的碳氢化合物与空气中的氧气之间的燃烧反应，得到的产物主要是水（由于高温而呈水蒸气状态）和二氧化碳（但还会有其他化合物形成，会带来污染问题，见下文）。这些产物通过排气管排出，在天气寒冷时很容易发现水的排出，因为蒸气会凝结成特有的白色雾气。

为了提高发动机效率，重要的是要保证空气和汽油的混合物在压缩冲程结束之前不会自燃。如果出现这种情况，发动机就会运转不畅，用专业术语来说就是发动机爆震。汽油的质量是根据其抵抗压缩过程而不自燃的能力来评估的。这种能力叫作抗爆震能力。为了使汽油的抗爆性更可观，我们定义了辛烷值（oumber）这个常规量，它是每种汽油抗爆性能的指标。传统上选择两种碳氢化合物（烷烃）作为测定辛烷值的标准燃料，分别为正庚烷和异辛烷。正庚烷（ane，ane）是一种由7个碳原子组成的直链烷烃（这就是它为什么叫作正庚烷）。它的抗爆性差，换句话说就是当它与空气混合时，通过简单的压缩很容易就燃烧，因此将它的辛烷值设定为0。2，2，4-三甲基戊烷（2，2，4-trimethylpentane），或称异辛烷（isooe），含有8个碳原子，分子结构中含有支链，抗爆性好，它的辛烷值设定为100。如果将这两种烃混合，得到的混合物将具有中等抗爆震能力（因此辛烷值也是如此）。为了确定汽油的辛烷值，我们将它的抗爆震能力与正庚烷和异辛烷的混合物的抗爆震能力进行比较，直到找出性能与该汽油完全相同的混合物。混合物中异辛烷的百分比对应着我们汽油的辛烷值。举个例子来说，如果汽油与含有95%异辛烷和5%正庚烷的混合物具有相同的抗爆震能力，我们就说它的辛烷值为95。优质汽油必须具有较高的辛烷值，而要得到优质汽油基本上有两种方法。第一种是改变碳氢化合物的分子结构。一般来说，直链烷烃（如正庚烷）的辛烷值较低，而具有支链的烷烃（如异辛烷）的辛烷值较高。所以汽油生产商就尝试通过增加支链分子的含量来提高辛烷值。为了实现这个目的，我们采用了两步工艺流程，即裂化（g）和重整（ref）。裂化（字面意思是指断裂）是一种石油化工工艺，在加热（高温）或催化（使用特殊的固体催化剂）条件下，通过使分子链较长的烃断裂来获得短链烃。重整（字面意思是重组）就是通过使用特定的金属催化剂将直链烃转化为其他具有支链的烃的过程。

然而，用上述过程得到的汽油并不总是具有足够高的辛烷值。所以为了进一步提高辛烷值，还可以在汽油中添加特殊的抗爆剂。最早使用的汽油抗爆剂之一是四乙基铅（teraethyllead），它是一种金属有机化合物，其分子由1个铅原子与4个乙基连接而成，因此它的分子式为Pb（CH2CH3）4。1921年，任职于通用汽车公司戴顿（Dayton）实验室的托马斯·米基利（ThomasMidgley，1889—1944）发明了四乙基铅。米基利不仅受过工程师训练，是一位机械工程师，同时也是一位多产的发明家。除了发现了四乙基铅的抗爆性能，他还于1930年合成了二氯二氟甲烷（diethane），可作为家用冰箱的制冷剂气体。该物质由杜邦公司（DuPont）以氟利昂（freon）的名称在市场上销售，是第一种被广泛使用的氟氯烃（chlorofluoro，简称CFC）。但米基利这些富有创造力的发明既成就了他，也扼杀了他。1940年，51岁的他患上了小儿麻痹症，成了残疾人。因此，他发明了一套复杂的绳索滑轮装置，使残疾人能够自己下床。1944年，他被装置的绳索缠住，窒息身亡。

●　绿色汽油

多年来，四乙基铅被广泛用于所谓的超级汽油或红色汽油中（因为此类汽油中加入了红色染料来区别于其他汽油，所以叫它红色汽油）。但是铅是一种毒性极强的重金属，人们后来意识到铅通过汽车尾气不断地排放到环境中，造成了严重的污染问题（米基利本人也出现了铅中毒的症状）。因此，红色汽油逐渐被绿色汽油（添加了另一种染料制成）取代。这两种汽油在意大利共存了一段时间。从2002年1月1日起，红色汽油正式退出市场。目前市面上唯一可用的汽油是绿色汽油。与红色汽油不同，绿色汽油不含四乙基铅，通常会使用其他添加剂来提高辛烷值。刚开始是加入大量的芳香烃[如苯（benzene）]作为添加剂。但这些化合物具有致癌性，因此人们也一直在减少它们的使用。目前，常用的添加剂之一是甲基叔丁基醚（methyltertiarybutylether，MTBE）。MTBE的一个缺点是它极易溶于水，因此如果它泄漏到环境中，就有可能造成地下水污染。另一种会使用的添加剂是乙基叔丁基醚（ethyltert-butylether，ETBE）。

●　催化转换器

多年以来，一直有规定新车都必须安装催化转换器（catalytiverter）。这种装置必须具有三个功能：1。必须燃烧所有残留的碳氢化合物；2。必须将一氧化碳（燃烧过程中可能形成的有毒气体）氧化成二氧化碳；3。必须将氮氧化物（也是有毒气体）还原成氧气和氮气。我们所说的三元催化转换器具有全部的这三种功能。

催化转换器通常由一个钢筒组成，钢筒内有一个多孔支架（陶瓷或金属材质），支架上有一层薄薄的氧化铝（铝的氧化物），称为洗涂层（wash-coat）。这一薄层大大增加了与废气接触的活性表面。最后，洗涂层表面还分布有大量由铂（Pt）、铑（Rh）和钯（Pd）的混合物组成的真正的催化剂颗粒。要使催化转换器有效地工作，发动机的供给很重要。到达气缸的空气-汽油混合物必须有足够的量，以确保空气中的氧气量足以燃烧掉汽油中的所有碳氢化合物。这个空气-汽油混合物的最佳用量也必须根据油门位置、温度等情况时刻调整。为了确保这一点，我们使用了一个特殊的装置：λ探针（lambdasonde）。这个名字来源于希腊字母λ，代表空气量与燃料量之间的关系。λ探针是一个检测废气中氧气含量的传感器。探针将收集到的信息发送到电子控制单元，再由电子控制单元调节燃烧室内的汽油流量。催化转换器必须在250℃以上的温度下才能有效工作。此外，在汽车冷启动后的一段时间，催化转换器不能立即达到最佳工作状态，所以制造商也在尝试尽量缩短这段时间。

对于装有催化转换器的汽车，绝对要避免使用含铅汽油。铅会对催化剂造成不可逆的损害，从而失去催化作用（所谓的“中毒”现象）。还有其他物质也会使催化剂中毒，如润滑油中的磷和锌。因此，必须使用合适的润滑剂并检查其消耗量。另外，还要避免未燃烧的汽油与催化剂接触。所以我们就要避免用推动车辆的方法来启动发动机，如果发动机点火失败（misfiring），不仅要避免反复打火启动，还应避免在发动机高速运转时关闭发动机。

●　安全气囊：叠氮化钠

你的汽车是最新的车型，制造工艺完全符合欧洲的汽车污染物排放标准，在设计上也最大限度地保证了驾驶员和乘客的安全。所以，除了主动安全配置（ABS防抱死制动系统、ESP车身稳定控制系统、TCS牵引力控制系统[35]），它还有6个安全气囊。安全气囊这类重要的被动安全装置的运行同样基于化学反应。

1951年，德国的沃尔特·林德勒（WalterLinderer）申请了第一个“在发生危险时能自动充气膨胀的折叠式充气容器”的专利。同年，美国人约翰·W。海德里克（JohnW。Hedrik）也产生了类似的想法，并于1953年申请了发明专利。这些原始的安全装置由一个气囊组成，在发生撞击时，里面的压缩空气会使气囊膨胀。但这种气囊的主要缺陷就是膨胀速度太慢。在发生事故时，气囊必须非常迅速地膨胀起来才能起到有效的保护作用。我们通过用小型爆炸装置代替压缩空气系统解决了这一问题，而这也是至今仍在使用的技术。现代安全气囊基本上有以下几个部件：传感器，可以检测到由于撞击引起的突然减速；电子控制单元，接收传感器信号并启动雷管；雷管中电流通过白炽电阻产生热量，引爆胶囊中的低烈度炸药；爆炸释放出的大量气体使气囊充气；气囊的后部有孔，可在随后放出气体。在一些混合型气囊中，爆炸时还会释放出装在第二个胶囊中的压缩惰性气体。

常用的爆炸药剂是叠氮化钠（Sodiumazide）。它是一种含有钠和氮的二元化合物（结构式见图14），化学式为NaN3，呈白色固体，无味，有剧毒。在常温下性质稳定，但当它被加热到300℃左右时就会发生剧烈爆炸，分解出金属钠和氮气，其化学反应式为：2NaN3→2Na+3N2。

图14　叠氮化钠的结构式

正是释放出来的大量氮气充斥着气囊袋。另外，生成的金属钠化学活性很强，如果不处理可能会引起其他的问题。所以我们会让它与合适的试剂反应，立即转化为化学性质不活泼的硅酸钠。